船舶電網(wǎng)數(shù)字化保護系統(tǒng)可靠性建模與分析

崔忞忞

（海裝上海局駐南京地區(qū)軍事代表室，南京 210006）

0 引言

近年來，我國大型船舶發(fā)展迅速，智能化、數(shù)字化保護系統(tǒng)也開始在船舶上得到運用。然而，船舶電氣二次裝備與陸上變電站二次裝備在結(jié)構(gòu)和組成上均有區(qū)別，并且相比常規(guī)陸上變電站環(huán)境，船舶電氣二次裝備要承受更為惡劣的環(huán)境條件。同時，由于船舶空間狹窄，現(xiàn)場安裝空間非常有限，這要求船舶電網(wǎng)保護系統(tǒng)的功能高度集成化。借鑒陸上電網(wǎng)智能變電站的成果，對船舶電網(wǎng)保護系統(tǒng)進行數(shù)字化與智能化改造是提高功能集成度、減少裝置數(shù)量的有效手段。在新技術(shù)裝艦應(yīng)用前，需要通過仿真分析，對新型系統(tǒng)的可靠性與可用性進行比較和驗證。

基于IEC 61850標(biāo)準(zhǔn)[1]，結(jié)合數(shù)字化變電站系統(tǒng)的特點，利用可靠性框圖分析方法，有學(xué)者提出了一種通過子系統(tǒng)計算變電站整體可靠性的方法[2]。在數(shù)字化變電站系統(tǒng)劃分中，將其分為通信系統(tǒng)、控制系統(tǒng)、保護系統(tǒng)、站控層系統(tǒng)。利用可用性框圖可以得到每個子系統(tǒng)可靠性參數(shù)；通過系統(tǒng)與子系統(tǒng)的關(guān)系構(gòu)造系統(tǒng)可用性框圖，最終計算出整個變電站的可靠性參數(shù)。

可靠度和可用度是分別針對可修復(fù)系統(tǒng)和不可修復(fù)系統(tǒng)的2個評價指標(biāo)，在考慮可用性時，需確定系統(tǒng)的檢修策略，合理的檢修策略能減少系統(tǒng)非計劃停運時長，增加系統(tǒng)可用性。目前，我國的電力系統(tǒng)普遍采用定期檢修策略，且近年來開始了狀態(tài)檢修與定期檢修相結(jié)合的研究與實踐[3]。文中保護系統(tǒng)的檢修方式暫不考慮狀態(tài)檢修，采用故障檢修與定期檢修相結(jié)合的維修策略。

在可修系統(tǒng)可靠性的評估方法中，應(yīng)用較為成熟的有解析法[4]和蒙特卡羅仿真法。其中，主要的解析法是馬爾可夫模型法[4]。該方法能夠建立精確的狀態(tài)空間模型。但對于復(fù)雜系統(tǒng)，該方法容易導(dǎo)致狀態(tài)空間爆炸問題。與之比較，蒙特卡羅仿真法按照抽樣理論的原則，并不企圖給出關(guān)于可靠性問題的解析表達式，而是通過指定數(shù)量的隨機模擬實驗來推導(dǎo)出系統(tǒng)的可靠性。當(dāng)仿真次數(shù)足夠大時，仿真結(jié)果將收斂，可以用來指導(dǎo)系統(tǒng)可靠性評估。

本文通過調(diào)研獲取了船舶電網(wǎng)保護系統(tǒng)的典型結(jié)構(gòu)、可靠性參數(shù)以及維修策略；利用可靠性框圖分析方法，根據(jù)保護系統(tǒng)的典型結(jié)構(gòu)，考慮組網(wǎng)方式，進行了船舶電網(wǎng)保護系統(tǒng)的可靠性建模，得到系統(tǒng)可靠度、失效率和元件重要度等參數(shù)。進一步考慮保護系統(tǒng)的檢修策略，利用蒙特卡羅仿真法，進行船舶電網(wǎng)保護系統(tǒng)的可用性建模，得到系統(tǒng)可用度和失效數(shù)等參數(shù)。最后定量分析和對比了常規(guī)保護系統(tǒng)和數(shù)字化保護系統(tǒng)在可靠性與可用性方面的差異。

1 船舶電網(wǎng)保護系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

為對數(shù)字化保護系統(tǒng)的可靠性進行分析，本文以常規(guī)保護系統(tǒng)作為比較基準(zhǔn)。為此，本節(jié)先分別給出這2類保護系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)。

1.1 常規(guī)保護系統(tǒng)

圖1為常規(guī)保護系統(tǒng)的接線圖，保護模擬量信號均通過電纜傳輸。本文重點考察發(fā)電機保護系統(tǒng)、弦側(cè)跨保護系統(tǒng)和母線保護系統(tǒng)。

圖1 船舶電網(wǎng)常規(guī)保護系統(tǒng)接線圖

1）發(fā)電機保護系統(tǒng)：配置綜合保護（簡稱“綜?！保┭b置1，分別采集TA1、TA2的電流和PT1的電壓，并以開關(guān)15為跳閘開關(guān)。開關(guān)1及分段開關(guān)A處的綜保裝置皆配置過電流保護，可作為發(fā)電機的遠后備保護。

2）舷側(cè)跨線保護系統(tǒng)：配置綜保裝置2，采集TA3、TA4的電流和PT1的電壓，跳閘開關(guān)為開關(guān)1、開關(guān)5。

3）母線保護系統(tǒng)：配置綜保裝置3，采集TA2、TA3、TA5～7的電流和PT1的電壓，跳閘開關(guān)為開關(guān)1、開關(guān)2、開關(guān)3、開關(guān)4、開關(guān)15。

此外，各開關(guān)自身都具有過流保護能力。

1.2 數(shù)字化保護系統(tǒng)

圖2為數(shù)字化保護系統(tǒng)的接線圖。與常規(guī)保護系統(tǒng)所不同的是，該新型保護系統(tǒng)引入了小型化的非常規(guī)互感器，并通過光纖傳輸電流信號。但電壓信號仍采用模擬量采集方式，且跳閘信號也保留電纜直跳的方式。

圖2 船舶電網(wǎng)數(shù)字化保護系統(tǒng)接線圖

1）發(fā)電機保護系統(tǒng)：配置數(shù)字化綜保裝置1、合并單元HBQ1、非常規(guī)互感器DTU1/2以及電壓互感器PT1，跳閘開關(guān)為開關(guān)15。其余配置情況同常規(guī)保護系統(tǒng)。

2）舷側(cè)跨線保護系統(tǒng)：配置數(shù)字化綜保裝置2/3、合并單元HBQ2、非常規(guī)互感器DTU7/8以及電壓互感器PT1/2，跳閘開關(guān)為開關(guān)1、開關(guān)5。其余配置同常規(guī)保護系統(tǒng)。

3）母線保護系統(tǒng)1：與發(fā)電機保護共用綜保裝置1，由合并單元HBQ1以及非常規(guī)互感器DTU1～6采集電流信號。母線保護系統(tǒng)2由綜保裝置4完成，保護系統(tǒng)配置與母線保護系統(tǒng)1相似。

2 可靠性建模與分析方法

2.1 可靠性框圖

可靠性框圖（Reliability Block Diagrams，RBD）方法能夠描述完成特定系統(tǒng)功能的所有元件之間的邏輯連接[2]，是一種面向系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的常用可靠性分析方法。在建立系統(tǒng)RBD之后，可以找出系統(tǒng)的所有最小路集（minimal path sets），設(shè)為P1,P2, ···,Pp。設(shè)Xi是系統(tǒng)中第i個元件的狀態(tài)（0代表失效，1代表工作）。則系統(tǒng)結(jié)構(gòu)函數(shù)為

由此，將系統(tǒng)中每個元件的狀態(tài)代入式（1），即可得到整個系統(tǒng)的狀態(tài)。

本文只考慮保護系統(tǒng)拒動問題。根據(jù)圖1和圖2，可得到各保護系統(tǒng)的RBD，如圖3～圖5所示。

圖3 發(fā)電機保護系統(tǒng)的可靠性框圖

圖3 發(fā)電機保護系統(tǒng)的可靠性框圖（續(xù)）

圖4 舷側(cè)跨線保護系統(tǒng)的可靠性框圖

圖5 母線保護系統(tǒng)的可靠性框圖

2.2 考慮檢修策略的系統(tǒng)可用性分析

對于保護系統(tǒng)，本文采用由運行巡視、故障維修以及計劃維修相結(jié)合的檢修策略。上述基本維修任務(wù)的屬性如表1所示[6]。其中，運行巡視包括人員例行巡視以及系統(tǒng)自檢等方式；故障維修是指故障發(fā)生后的糾正性維修；而計劃維修是指周期性開展的預(yù)防性維修措施。

表1 基本維修任務(wù)及其屬性

2.3 蒙特卡羅仿真方法

RBD方法僅適用于不可修系統(tǒng)的可靠性分析。為了考慮檢修策略，本文將其與蒙特卡羅仿真結(jié)合起來。蒙特卡羅仿真是一種利用重復(fù)統(tǒng)計實驗來求解物理數(shù)學(xué)問題的方法。

設(shè)失效時間T的分布函數(shù)為FT(t)。當(dāng)FT(t)是單調(diào)增函數(shù)時，對于所有y∈(0, 1)，F(xiàn)-1T(y)是唯一確定的。令Y＝FT(t)，則Y的分布函數(shù)為[8]

式中：如果在(0, 1)上均勻采集隨機變量Y，那么隨機變量T=F-1T(Y)將滿足分布FT(t)。

根據(jù)各元件的故障分布和保護系統(tǒng)的維修策略，利用蒙特卡羅仿真方法根據(jù)式（1）生成隨機事件的發(fā)生時刻，并結(jié)合RBD方法，即可得到系統(tǒng)各可用性參數(shù)。圖6為仿真流程圖。

3 結(jié)果與分析

3.1 參數(shù)設(shè)置

各裝置可靠性參數(shù)與維修參數(shù)如表2所示，預(yù)防性維修的周期設(shè)為一年。本文假定所有元件的可靠性參數(shù)均符合指數(shù)分布，假定非常規(guī)互感器的可靠性不如常規(guī)互感器。考慮到船舶運行環(huán)境較為惡劣，表2中可靠性參數(shù)低于陸上同類型元件的可靠性[3]。

圖6 蒙特卡洛仿真流程圖

在進行蒙特卡羅仿真時，仿真時間設(shè)為10年，仿真次數(shù)設(shè)為1 000次。

表2 各裝置可靠性參數(shù)與維修參數(shù)

3.2 可靠性計算結(jié)果

3.2.1 發(fā)電機保護系統(tǒng)

將常規(guī)保護系統(tǒng)與數(shù)字化保護系統(tǒng)橫向?qū)Ρ扔诒?，可見，在僅有1套主保護時，數(shù)字化保護系統(tǒng)可用性低于常規(guī)保護系統(tǒng)。這是由于數(shù)字化保護系統(tǒng)中增加了合并單元，使得系統(tǒng)結(jié)構(gòu)更為復(fù)雜，且現(xiàn)階段非常規(guī)互感器的可靠性低于常規(guī)互感器。在配置了后備保護后，數(shù)字化保護系統(tǒng)與常規(guī)保護系統(tǒng)的可用性則基本一致。

表3 常規(guī)、數(shù)字化發(fā)電機保護系統(tǒng)可靠性

3.2.2 舷側(cè)跨線保護系統(tǒng)

由表4可見，常規(guī)舷側(cè)跨線保護只有一套主保護，而數(shù)字化舷側(cè)跨保護的主保護有兩套互為補充，因此其主保護系統(tǒng)可用性差異很小。在配置了后備保護后這種差距被進一步縮小。

3.2.3 母線保護系統(tǒng)

由表5可見，母線保護系統(tǒng)包含的元件數(shù)量明顯多于發(fā)電機保護和跨線保護。在實施數(shù)字化方案后，系統(tǒng)中進一步增加了較多的非常規(guī)互感器，以及合并單元等裝置，因此其主保護的可用性明顯低于常規(guī)保護系統(tǒng)。而在考慮了后備保護后，常規(guī)保護系統(tǒng)與數(shù)字化保護系統(tǒng)的可用性基本一致。

表5 常規(guī)、數(shù)字母線保護系統(tǒng)可靠性

3.3 討論

IEC 61508標(biāo)準(zhǔn)[24]中提供了電子與電氣系統(tǒng)安全等級評判的一般依據(jù)。該標(biāo)準(zhǔn)將可修復(fù)系統(tǒng)的安全可靠等級分為1～4級，其中，4級為最高級別。根據(jù)本文的評估結(jié)果，上述保護系統(tǒng)的安全可靠等級只能達到2級（即系統(tǒng)可用性介于99.0%～99.9%）。陸上保護系統(tǒng)一般能達到3級（即系統(tǒng)可用性介于99.90%～99.99%）標(biāo)準(zhǔn)。

為了達到這個目標(biāo)，可以考慮的改進方案包括：

1）在檢修策略方面，可以改進現(xiàn)有的計劃檢修方式，引入狀態(tài)檢修以進一步降低非計劃停運的發(fā)生概率。

2）在元件層面，可以提升非常規(guī)互感器等關(guān)鍵元件的可靠性，同時降低元器件的修復(fù)時間。

3）在系統(tǒng)方面，可以通過保護雙重化來降低拒動概率；同時，提高作為后備保護的過流元件的可靠性。

此外，充分利用數(shù)字化保護系統(tǒng)的信息共享性，由綜保裝置1～4組成區(qū)域保護系統(tǒng)，也是值得重點研究的系統(tǒng)可用性提升方案。

4 結(jié)論

本文運用可靠性分析的一般方法，根據(jù)船舶保護系統(tǒng)的配置進行了可靠性、可用性建模，研究了各系統(tǒng)的可靠性、可用性指標(biāo)。分別討論了在不同保護配置情況下的系統(tǒng)可靠性，定量分析了后備保護對保護系統(tǒng)的顯著影響。

隨著后備保護的加入，發(fā)電機保護系統(tǒng)的可靠性不斷加強，可用性安全等級均由第一級升至第二級，這代表著后備保護系統(tǒng)的加入可以顯著增強系統(tǒng)可靠性。數(shù)字化保護系統(tǒng)中由于非常規(guī)互感器、合并單元和光纖等裝置的加入，其可靠性與可用性比常規(guī)保護系統(tǒng)有所下降。在主、后備保護同時投運的情況下，整套保護系統(tǒng)的可靠性與可用性的差異被顯著縮小。由此可見：在實用中采用數(shù)字化的主保護裝置，可以在基本不影響保護系統(tǒng)可靠性的前提下，充分發(fā)揮和利用數(shù)字化技術(shù)的優(yōu)勢。