船舶電力系統(tǒng)短路保護(hù)性能綜合量化指標(biāo)模型

葉志浩，王 剛，黃 靖，方 明

（1.海軍工程大學(xué)艦船綜合電力技術(shù)國(guó)防科技重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，武漢 430033；2.海軍工程大學(xué)電氣與信息工程學(xué)院電氣工程系，武漢 430033）

船舶電力系統(tǒng)短路保護(hù)性能綜合量化指標(biāo)模型

葉志浩1，王 剛1，黃 靖2，方 明1

（1.海軍工程大學(xué)艦船綜合電力技術(shù)國(guó)防科技重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，武漢 430033；2.海軍工程大學(xué)電氣與信息工程學(xué)院電氣工程系，武漢 430033）

為了定量評(píng)價(jià)船舶電力系統(tǒng)的保護(hù)性能，提出了船舶電力系統(tǒng)保護(hù)選擇性、快速性、靈敏性、可靠性等評(píng)價(jià)指標(biāo)的量化方法，采用隸屬度函數(shù)對(duì)以上四個(gè)指標(biāo)進(jìn)行歸一化后，基于層次分析法對(duì)此“四性”指標(biāo)進(jìn)行綜合，得到了評(píng)價(jià)船舶電力系統(tǒng)保護(hù)性能的綜合量化指標(biāo)。以典型四機(jī)、兩電站船舶電力系統(tǒng)為例，分別計(jì)算了采用時(shí)間電流原則保護(hù)、差動(dòng)保護(hù)時(shí)該網(wǎng)絡(luò)保護(hù)性能的綜合量化指標(biāo)數(shù)據(jù)，并進(jìn)行了比較，得到了差動(dòng)保護(hù)性能更優(yōu)的結(jié)論，與該電力系統(tǒng)實(shí)際運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)吻合，證明了提出的綜合量化方法的有效性。

船舶電力系統(tǒng)；保護(hù)；量化指標(biāo)；層次分析法；綜合量化

船舶電力系統(tǒng)在運(yùn)行中可能出現(xiàn)各種不正常運(yùn)行和故障情況，它們會(huì)使船舶電力系統(tǒng)的安全可靠運(yùn)行受到威脅，影響船舶的功能操作及航行安全。因此，船舶電力系統(tǒng)必須設(shè)置可靠的保護(hù)裝置。保護(hù)裝置的基本任務(wù)和作用在于：可迅速斷開(kāi)故障線路，不使故障蔓延擴(kuò)大并保證非故障線路能夠正常連續(xù)供電；或者發(fā)出聲光報(bào)警信號(hào)，使值班人員及時(shí)采取適當(dāng)措施，排除故障[1]。可見(jiàn)，為遂行保護(hù)任務(wù)，保護(hù)裝置必須滿(mǎn)足如下要求：即選擇性、快速性、靈敏性和可靠性。因此，船舶電力系統(tǒng)在選擇保護(hù)方式或保護(hù)裝置時(shí)，需要結(jié)合上述“四性”要求，對(duì)不同的方案進(jìn)行性能評(píng)估。然而，目前通常的做法僅僅只能?chē)@保護(hù)“四性”要求，做到對(duì)保護(hù)裝置保護(hù)性能的定性評(píng)估，尚無(wú)法從定量的角度給出合理的評(píng)判。而且，保護(hù)“四性”有時(shí)是相互矛盾的，比如：為了保證選擇性，有時(shí)就要求保護(hù)動(dòng)作必須具有一定的延時(shí)；為了保證靈敏性，有時(shí)就允許保護(hù)裝置無(wú)選擇地動(dòng)作。此時(shí)，單純的定性描述將使得設(shè)計(jì)者對(duì)系統(tǒng)保護(hù)設(shè)計(jì)更加無(wú)所適從。為了對(duì)不同的保護(hù)方案或系統(tǒng)保護(hù)性能進(jìn)行綜合評(píng)判，有必要對(duì)量化形式的保護(hù)評(píng)價(jià)指標(biāo)進(jìn)行系統(tǒng)研究，進(jìn)而研究量化的上述“四性”指標(biāo)的綜合方法，為電力系統(tǒng)保護(hù)性能評(píng)估提供明晰的判斷標(biāo)準(zhǔn)。

1 保護(hù)性能指標(biāo)的量化描述

對(duì)船舶電力系統(tǒng)的保護(hù)性能通常從選擇性、快速性、靈敏性、可靠性等4個(gè)方面進(jìn)行評(píng)價(jià)，即所謂保護(hù)“四性”指標(biāo)。

1.1 選擇性C1

所謂選擇性，是指繼電保護(hù)在盡可能最小的范圍內(nèi)將故障部分自電網(wǎng)斷開(kāi)，最大限度保證非故障部分繼續(xù)供電[2]。因此，可以將短路故障后失電范圍作為選擇性指標(biāo)的量化方式，以符號(hào)Ksel表示，即求取非故障負(fù)荷失電數(shù)占總負(fù)荷數(shù)的百分比，最佳效果是百分比為零，Ksel=0，百分比越大，選擇性越差，極端情況就是全船失電，非故障負(fù)荷失電百分比為100%，此時(shí)，Ksel=100%。

1.2 速動(dòng)性C2

所謂速動(dòng)性，是指繼電保護(hù)以可能最短的時(shí)限將故障或異常工況自電網(wǎng)中切除或消除[2]，可直接用時(shí)間表述?？疾鞆亩搪饭收习l(fā)生到保護(hù)設(shè)備（一般是斷路器，以下均以斷路器為例進(jìn)行說(shuō)明）開(kāi)始動(dòng)作的時(shí)間，這個(gè)時(shí)間通常為0.1～4.0 ms。t≤0.1 ms對(duì)應(yīng)的速動(dòng)性最佳；t≥4.0 ms對(duì)應(yīng)的速動(dòng)性最差。

1.3 靈敏性C3

保護(hù)裝置反應(yīng)故障的能力稱(chēng)為靈敏性，通常也稱(chēng)靈敏度。靈敏性以靈敏系數(shù)定量表述，其值為：常見(jiàn)不利運(yùn)行方式和不利故障類(lèi)型下的故障參數(shù)與整定動(dòng)作值之比[2]，記為Ksen。當(dāng)過(guò)電流保護(hù)作為主保護(hù)時(shí)，應(yīng)采用最小運(yùn)行方式下線路末端兩相短路電流進(jìn)行校驗(yàn)，要求Ksen≥（1.3～1.5）；作為相鄰線路后備保護(hù)時(shí)，應(yīng)采用最小運(yùn)行方式下相鄰線路末端兩相短路電流進(jìn)行校驗(yàn)，此時(shí)要求Ksen≥1.2。對(duì)于母線差動(dòng)保護(hù)，靈敏系數(shù)Ksen≥2.0?；诖耍环翆⒂糜陟`敏性考核的靈敏度數(shù)值范圍設(shè)定為1.1～4.0。

1.4 可靠性C4

可靠性是指該保護(hù)裝置規(guī)定的保護(hù)范圍內(nèi)發(fā)生了它應(yīng)該動(dòng)作的故障時(shí)，它不應(yīng)拒絕動(dòng)作；在任何其他該保護(hù)不應(yīng)該動(dòng)作的情況下，則不應(yīng)該誤動(dòng)作[2]。可以確定誤動(dòng)斷路器數(shù)（Nw）和拒動(dòng)斷路器數(shù)（Nr）作為可靠性指標(biāo)的量化方式。最佳效果是誤動(dòng)斷路器數(shù)和拒動(dòng)斷路器數(shù)均為零；反之，數(shù)值越大，可靠性越差。實(shí)際應(yīng)用中，可以取誤動(dòng)斷路器數(shù)和拒動(dòng)斷路器數(shù)占斷路器總數(shù)（N）的百分比作為量化指標(biāo)，記為KN，則有

1.5“四性”指標(biāo)的隸屬度函數(shù)

由上述“四性”指標(biāo)量化方式可見(jiàn)，各指標(biāo)具有不同的量綱，為了得到綜合的量化指標(biāo)，首先需要對(duì)其進(jìn)行無(wú)量綱處理。這里，將選擇性、速動(dòng)性、可靠性指標(biāo)處理成成本型目標(biāo)函數(shù)（最小最優(yōu)），即

式中，X分別取Ksel、t、KN。

將靈敏性指標(biāo)處理成效益型目標(biāo)函數(shù)（最大最優(yōu)），即

式中，X取為Kse。

進(jìn)而采用直線型隸屬度函數(shù)將“四性”指標(biāo)對(duì)應(yīng)的目標(biāo)函數(shù)轉(zhuǎn)化為反映對(duì)目標(biāo)實(shí)現(xiàn)滿(mǎn)意度的無(wú)量綱數(shù)據(jù)。

描述選擇性、速動(dòng)性、靈敏性和可靠性指標(biāo)的隸屬度曲線如圖1所示。

圖1 保護(hù)“四性”量化指標(biāo)隸屬度曲線Fig.1 Membership curves of evaluation indices of protection performance

2 基于層次分析法的綜合目標(biāo)判斷矩陣

對(duì)保護(hù)“四性”量化指標(biāo)的綜合，可以以保護(hù)性能最佳為目標(biāo)，采用層次分析法[3]，將選擇性、快速性、靈敏性、可靠性作為其準(zhǔn)則層的四個(gè)準(zhǔn)則，按如圖2所示的分析流程進(jìn)行。

圖2 層次分析法目標(biāo)綜合流程Fig.2 Flow chart of AHP

上述目標(biāo)綜合流程中，判斷矩陣的構(gòu)造可以先通過(guò)對(duì)不同準(zhǔn)則兩兩之間進(jìn)行比較，按照一定標(biāo)度來(lái)描述被比較的兩個(gè)準(zhǔn)則之間的相對(duì)重要程度，進(jìn)而獲得判斷矩陣的各元素值，最終形成互反的判斷矩陣。

考慮到歸一化的各指標(biāo)在區(qū)間[0，1]內(nèi)，為了保證權(quán)重的合理性，采用標(biāo)度方法如表1所示。

表1標(biāo)度描述Tab.1 Scale description for pair-wise comparisons

根據(jù)上述反標(biāo)度描述方法建立判斷矩陣A為

可見(jiàn)，對(duì)該判斷矩陣的解讀為：選擇性對(duì)于速動(dòng)性而言更為重要，對(duì)于靈敏性而言明顯重要，對(duì)于可靠性而言十分重要；速動(dòng)性對(duì)于靈敏性而言更為重要，對(duì)于可靠性而言稍微重要；靈敏性對(duì)于可靠性而言微小重要。

該矩陣A的最大特征值為：λmax=4.020 1；對(duì)應(yīng)歸一化后的特征向量、即綜合指標(biāo)權(quán)重向量：W=[0.419 1 0.255 6 0.171 1 0.154 2]T；而綜合目標(biāo)函數(shù)為

式中：MC為指標(biāo)隸屬度函數(shù)集合；wi為對(duì)應(yīng)的權(quán)重值。這里需要說(shuō)明：由于歸一化的各指標(biāo)隸屬函數(shù)值都在閉區(qū)間[0，1]內(nèi)，則與指標(biāo)所對(duì)應(yīng)的權(quán)重越大，該指標(biāo)對(duì)綜合目標(biāo)函數(shù)的影響越大。

3 計(jì)算實(shí)例

圖3 典型四機(jī)、兩電站船舶電力系統(tǒng)示意Fig.3 Sketch map of typical vessel power system with 4 generator sets and 2 power stations

一個(gè)典型的四機(jī)、兩電站船舶電力系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)示意如圖3所示。對(duì)該網(wǎng)絡(luò)設(shè)置發(fā)電機(jī)出口、母線、跨接線三個(gè)典型短路點(diǎn)，分別對(duì)采用時(shí)間電流原則保護(hù)、差動(dòng)保護(hù)兩種保護(hù)方式下進(jìn)行了仿真分析，按照本文第1節(jié)提到的計(jì)算方法，得到保護(hù)“四性”量化指標(biāo)，進(jìn)而計(jì)算了系統(tǒng)保護(hù)性能綜合量化指標(biāo)。其中，時(shí)間電流原則又按照瞬時(shí)動(dòng)作電流值的不同，分為兩種情況。因?yàn)椴顒?dòng)保護(hù)尚未實(shí)船應(yīng)用，可靠性指標(biāo)無(wú)法獲取，為了體現(xiàn)比較條件的同一性，對(duì)“四性”量化指標(biāo)中的可靠性指標(biāo)均設(shè)置為1。

參照式（5），記F（1）對(duì)應(yīng)時(shí)間電流原則、瞬時(shí)動(dòng)作電流值設(shè)為7倍額定電流的保護(hù)整定方式；F（2）對(duì)應(yīng)時(shí)間電流原則、瞬時(shí)動(dòng)作電流值設(shè)為11倍額定電流的保護(hù)整定方式；F（3）對(duì)應(yīng)差動(dòng)保護(hù)方式。歸一化后的綜合量化指標(biāo)計(jì)算結(jié)果如表2所示。

表2 綜合量化指標(biāo)計(jì)算結(jié)果Tab.2 Calculation results of integrated quantitative index

可見(jiàn)，F(xiàn)（3）＞F（2）＞F（1），表明對(duì)于典型四機(jī)、兩電站船舶電力系統(tǒng)，差動(dòng)保護(hù)性能最優(yōu)，在時(shí)間電流原則保護(hù)中，整定動(dòng)作值較大的保護(hù)性能更好。這一結(jié)論符合實(shí)際系統(tǒng)運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)。

4 結(jié)語(yǔ)

對(duì)船舶電力系統(tǒng)保護(hù)性能指標(biāo)進(jìn)行量化和綜合有利于給出系統(tǒng)保護(hù)方法的準(zhǔn)確評(píng)價(jià)，對(duì)于船舶電力系統(tǒng)新型保護(hù)策略研究及現(xiàn)有保護(hù)方法性能改進(jìn)意義重大。本文在給出船舶電力系統(tǒng)保護(hù)“四性”指標(biāo)量化方法的基礎(chǔ)上，基于層次分析法，得到了系統(tǒng)保護(hù)性能綜合量化指標(biāo)，結(jié)合一個(gè)典型的四機(jī)、兩電站網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)算例，計(jì)算得到了該網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用時(shí)間電流原則保護(hù)、差動(dòng)保護(hù)兩種不同保護(hù)方法以及不同保護(hù)整定值時(shí)的保護(hù)性能綜合量化數(shù)據(jù)。綜合量化數(shù)據(jù)表明，對(duì)于典型四機(jī)、兩電站網(wǎng)絡(luò)，差動(dòng)保護(hù)性能最優(yōu)，在時(shí)間電流原則保護(hù)中，整定動(dòng)作值較大的保護(hù)性能更好，該結(jié)論與實(shí)際運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)是一致的，從而證明了本文開(kāi)展的工作的有效性。

[1]馬偉明，張曉鋒，焦儂，等.中國(guó)電氣工程大典第12卷—船舶電氣工程[M].北京：中國(guó)電力出版社，2009.

[2]王維儉.電力系統(tǒng)繼電保護(hù)基本原理[M].北京：清華大學(xué)出版社，1989.

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Integrated Quantizing Index Model of Short-circuit Protection Performance of Vessel Power System

YE Zhi-hao1，WANG Gang1，HUANG Jing2，F(xiàn)ANG Ming1
（1.National Key Laboratory for Vessel Integrated Power System Technology，Wuhan 430033，China；2.Naval University of Engineering，Wuhan 430033，China）

To evaluate the vessel power system protection performance quantitatively，the quantitative method on selectivity，rapidity，sensitivity and reliability of vessel power system protection is propounded.After the normalization via membership function，on the basis of analytic hierarchy process（AHP），the four quantitative indices have been combined and an integrated quantitative index is put forward to assess the protection performance of vessel power system.Taking a typical vessel power system with four generator sets and two power stations as example，the integrated quantitative index of protection performance is calculated and compared when the power system installs time-overcurrent protection and differential protection respectively.The numerical result denotes that the differential protection is superior to time-overcurrent protection，which is consistent with the practically operational experience.The effectiveness of the integrated quantitative method proposed in this paper is also been validated by the numerical result.

vessel power system；protection；quantitative index；analytic hierarchy process；integrated quantification

TM734

A

1003-8930（2013）06-0031-04

葉志浩（1975—），男，博士，副教授，研究方向?yàn)殡娏ο到y(tǒng)保護(hù)與安全運(yùn)行。Email：yxyx928@126.com

2012-05-31；

2012-08-23

國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目（50977090，51077130）

王 剛（1970—），男，博士，副教授，研究方向?yàn)殡娏ο到y(tǒng)穩(wěn)定計(jì)算與安全運(yùn)行分析。Email：wanggang6074@126.com

黃 靖（1981—），男，碩士，講師，研究方向?yàn)殡娏ο到y(tǒng)故障重構(gòu)與安全運(yùn)行。Email：hjing99421@126.com