EDSA仿真軟件在鉆井船電力系統(tǒng)短路分析中應(yīng)用

侯四維,宗洪亮

(江蘇科技大學(xué) 電子信息學(xué)院，江蘇 鎮(zhèn)江 212003)

目前鉆井船廣泛應(yīng)用于海洋鉆探領(lǐng)域，且具有自航能力和動力定位能力 ，可快速地從一地移動至另一地，經(jīng)濟(jì)性好，適用于深水和超深水領(lǐng)域?？紤]到遠(yuǎn)洋鉆井采油工作的進(jìn)行，鉆井船電動力系統(tǒng)相當(dāng)重要，因此在整個鉆井船設(shè)計前期，電力系統(tǒng)的設(shè)計成為重要的部分。

在電力系統(tǒng)設(shè)計時精確地推算電網(wǎng)中各點的短路電流，可以合理地選擇配電方式和保護(hù)裝置，以保證電力系統(tǒng)發(fā)生短路時，將短路破壞限制到最小。國內(nèi)外關(guān)于船舶電力系統(tǒng)短路電流的計算方法有很多，由于計算目的的不同，計算方法也不盡相同。隨著計算機(jī)的智能化，這些方法也被計算機(jī)化，使得短路電流計算更加方便、可視化。

本文通過EDSA仿真軟件的短路電流分析功能,分析1 500米作業(yè)水深鉆井船項目實例，并給出鉆井船電力系統(tǒng)短路電流的分析結(jié)果。

1 EDSA概述

EDSA是由美國EDSA公司開發(fā)的先進(jìn)的可視化電氣語言，是專門針對于電力系統(tǒng)進(jìn)行計算、分析、設(shè)計、模擬以及提供各種解決方案的綜合性軟件包。該軟件擁有直觀及友好的操作界面、強(qiáng)大而完善的計算分析功能、開放式數(shù)據(jù)庫連接,能為電力電氣系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計計算、分析、模擬及控制，并提供權(quán)威性的理論依據(jù)和詳細(xì)的數(shù)據(jù)支持，也為電氣系統(tǒng)改造提供優(yōu)化及整改措施，使其實現(xiàn)電氣系統(tǒng)全部數(shù)據(jù)動態(tài)管理，也是電氣系統(tǒng)管理調(diào)度的有效手段。目前被廣泛地應(yīng)用于核電站、海洋平臺、發(fā)電廠、船舶行業(yè)等要求高可靠的場合。因此更好的使用與推廣此軟件具有一定的現(xiàn)實意義[1]。

其中，EDSA進(jìn)行仿真分析的操作步驟與人工分析的步驟大致相同。用戶通過EDSA的CAD集成環(huán)境對接線圖與各元器件參數(shù)設(shè)置修改為例，具體步驟如下：

1)制作一個項目的數(shù)據(jù)庫，根據(jù)工程初步設(shè)計各設(shè)備的選型后，在數(shù)據(jù)庫中編輯各設(shè)備的參數(shù)，如若EDSA本身數(shù)據(jù)庫有相應(yīng)需要的設(shè)備，可直接調(diào)用。

2)繪圖步驟，在創(chuàng)建一個新的項目時，首先對主文件設(shè)定（設(shè)定的信息將影響圖紙顯示），如Networking setting中包括系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)的類型，系統(tǒng)短路容量，系統(tǒng)頻率，圖紙所需顯示單位等信息。再次，屬性欄設(shè)定頁面大小。之后，EDSA右側(cè)圖標(biāo)欄拖拽所需的元件。最后，連接支路元件的觸頭與節(jié)點元件。

3)參數(shù)輸入步驟，在圖紙主頁，點擊不同元器件進(jìn)行參數(shù)配置：如發(fā)電機(jī)，可以輸入常用的名稱、電壓、功率、功率因數(shù)、暫態(tài)電抗、次暫態(tài)電抗等；母線的系統(tǒng)電壓，電阻抗等參數(shù)。各元器件的參數(shù)根據(jù)所需，可隨時修改，也可直接從數(shù)據(jù)庫調(diào)用所需參數(shù)。特別說明，可以根據(jù)項目研究的目的，進(jìn)行相應(yīng)的參數(shù)配置，不需要的參數(shù)無需配置。

4)仿真結(jié)果顯示，分析。

5)完成。

2 短路電流分析程序

EDSA的短路電流分析程序基于ANSI/IEC/IEEE標(biāo)準(zhǔn)，能夠進(jìn)行設(shè)備評估、不同短路電流計算方法分析等。并且通過報告與曲線可以清楚的知道短路電流的變化情況。

1）設(shè)備評估 。此程序以ANSI/IEEE標(biāo)準(zhǔn)，使用周波來計算設(shè)備的分?jǐn)鄷r間，并通過計算峰值性能、分?jǐn)嘈阅?、瞬時性能等值，選擇評估設(shè)備。

2）不同短路電流計算方法分析。根據(jù)項目需求，選擇相應(yīng)的短路電流計算方法，分析短路點，并顯示短路點處的短路電流，結(jié)果也以報表及短路電流時間曲線出現(xiàn)。

短路電流分析的基本步驟：1）利用EDSA軟件構(gòu)建電力系統(tǒng)單線圖，并將各電氣設(shè)備參數(shù)輸入或直接從數(shù)據(jù)庫中選擇。2）選擇相應(yīng)的短路電流計算方法。3）選擇需要分析的短路點。4）選擇分析的周波及結(jié)果顯示方式。5）觀察并分析結(jié)果。

3 仿真實例

本文針對1 500米作業(yè)水深鉆井船工程項目，通過EDSA軟件對其電力系統(tǒng)短路電流分析與仿真研究。該鉆井船主發(fā)電機(jī)選用四臺型號相同的發(fā)電機(jī)（P=2 350 kW，U=6.6 kV，x″d=0.09,x′d=0.15,xd=1),一臺備用發(fā)電機(jī)（P=1 600 kW，U=6.6 kV，x″d=0.055,x′d=0.15,xd=1）。 電力系統(tǒng)接線圖如圖 1 所示。

圖1 1500米作業(yè)水深鉆井船建模Fig.1 1500meterswater depth in drilling ship modeling

從圖1可知，臨近主匯流排最嚴(yán)重的短路發(fā)生在五臺發(fā)電機(jī)組與一臺電動機(jī)并聯(lián)的饋送短路電流時，據(jù)推薦的鉆井船電力系統(tǒng)短路電流計算方法可知，EDSA軟件中的IEC61363計算法比較適合分析此項目，計算短路電流時生成一個時間與瞬態(tài)電流值的函數(shù)曲線，這個方法可以提供更準(zhǔn)確的短路電流，適于鉆井船電力系統(tǒng)的評估保護(hù)、設(shè)備選型和整定繼電器等[2-3]。

3.1 仿真分析

首先在EDSA軟件中繪出電力系統(tǒng)如圖1，選擇短路電流計算方法IEC61363，對鉆井船電力系統(tǒng)短路點進(jìn)行短路電流計算。

以下列3種不同的狀態(tài)下，分析圖1電力系統(tǒng)的短路電流在1/2周波下的結(jié)果以及短路電流隨時間衰減的變化曲線[4]。

狀態(tài)一：主匯流排1短路，五臺發(fā)電機(jī)與一臺電動機(jī)饋送短路電流。

狀態(tài)二：主匯流排1與主匯流排2相連接的斷路器斷開，主匯流排1短路，只有兩臺型號相同的1#發(fā)電機(jī)與2#發(fā)電機(jī)饋送短路電流。

狀態(tài)三：主匯流排1與主匯流排2相連接的斷路器斷開，1#發(fā)電機(jī)出口端短路，只有其本身短路電流與另一臺發(fā)電機(jī)饋送短路電流。

其中每臺發(fā)電機(jī)饋送的短路電流交流分量、直流分量、總電流分別見公式（1）（2）（3）

電動機(jī)饋送短路電流交流分量、直流分量、總電流分別見公式（4）（5）（6）

計算得出3種狀態(tài)下短路電流值如表1所示。相對應(yīng)的仿真曲線如圖2～4所示，為使短路電流仿真曲線與對應(yīng)直流時間常數(shù)曲線變化比較直觀，分別設(shè)步長為2ms與16ms[5]。

其曲線中符號說明如下：Idc—短路電流直流分量

Iac—短路電流交流分量

Ienv—短路電流上包絡(luò)線

i—瞬時總電流

Im—交流分量幅值

iac—瞬時交流分量

Tdc-直流時間常

表1 短路電流有效值Tab.1 Short circuit current effective value

圖2 短路電流與直流時間常數(shù)曲線Fig.2 Short-circuit current and DC time constant

3.2 分析結(jié)果說明

由短路電流值與時間衰減的短路電流變化曲線圖可知，主匯流排短路點的短路電流主要為發(fā)電機(jī)與電動機(jī)的饋送。發(fā)電機(jī)1#、2#、3#、4#、5#出口端、電動機(jī)進(jìn)口端與主匯流排1、2短路點短路電流幾乎相同，在工程上可視為等同，也表明臨近主匯流排饋電線處短路，線路阻抗可忽略不計。

根據(jù)得到的短路電流值，可進(jìn)一步得出此母排處所需斷路器的容量為25 kA，即為合適的斷路器，作為保護(hù)設(shè)備，降低了短路的破壞性[6]。

圖3 短路電流與直流時間常數(shù)曲線Fig.3 Short-circuit current and DC time constant

圖4 短路電流與直流時間常數(shù)曲線Fig.4 Short-circuit currentand DC time constant

4 結(jié)論

EDSA電力系統(tǒng)仿真軟件根據(jù)分析項目的不同，給出不同的短路電流計算方法，對于繁瑣的電力系統(tǒng)，可以很方便、準(zhǔn)確的計算出短路電流，并繪出短路電流衰減曲線。分析結(jié)果得出電力系統(tǒng)所需的電氣設(shè)備容量，以此選擇合適的電氣設(shè)備，保證整個電力系統(tǒng)在實際工程中穩(wěn)定運(yùn)行。因此，將該軟件廣泛的推廣與應(yīng)用，對于實際工程具有一定的意義。

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[2]董明遠(yuǎn)，盧雪松，宋艷榮,等.海洋平臺電力系統(tǒng)短路電流計算[J].產(chǎn)品與技術(shù)供配用電，2012(3):78-79.DONGMing-yuan,LU Xue-song,SONG Yan-rong,etal.Calculation of short circuit currentoffshore platform power system[J].Products and Technology for Power Distribution,2012(3):78-79.

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[5]邰能靈，王鵬，倪明杰.大型船舶電力系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)與應(yīng)用[M].北京：科學(xué)出版社,2012.

[6]傅知蘭.電力系統(tǒng)電氣設(shè)備選擇與實用計算[M].北京：中國電力出版社，2004.