船舶电力系统智能保护关键技术探讨

王家林，夏 立，吴正国，杨宣访

（海军工程大学电气与信息工程学院，武汉430033）

随着船舶电力系统结构形式日趋复杂、电压等级提高、设备趋向大容量化，以及船舶综合电力系统对供电的要求越来越高，电力系统的保护及对其的研究显得越来越重要[1]。传统船用电力系统采用按分断时间原则通过断路器不同延时时间的整定，以系统解列方式保证故障隔离的保护方法，有可能会造成非故障区域断电，达不到较好的选择性，不能适应综合电力系统的需要。智能保护[2～4]是基于综合微型计算机保护和人工智能技术而提出的：利用具备数据采集、处理与通信功能的电力系统综合检测系统得到的系统运行数据，运用人工智能方法进行系统故障辨识与故障定位，进而完成保护逻辑判断，并由此指示相应开关通断、实现系统保护的一种新型保护动作方法，具有降低因运行工况变化及负载调整而导致的不合理保护动作的概率，提高保护动作选择性水平等。本文研究了智能保护在船舶电力系统中实现原理，综述了工况识别、潮流计算、故障分析判断、保护逻辑判断与开关动作策略等关键技术研究现状，指出其实现的难点和关键点，并在此基础上讨论了研究发展的方向。

1 船舶电力系统的特点及传统保护方法存在的问题

1.1 船舶电力系统的特点

船舶电力系统特点[5]总结主要为以下几点：

1）中性点不接地，不流过零序电流，单相故障发生后改变中性点电压但不影响线电压，系统仍能容忍在一段时间内运行。

2）船舶系统小、电压等级较低、线路短、对地电容可以忽略、输电线路比较短。

3）发电冗余小、电动机负荷所占比重大、电气设备比较集中、具有相对较大的正常和故障电流。

4）由于船舶电力系统为有限惯性系统，电站、配电和用电环节之间存在强耦合，主配电板下层方向配电网络呈辐射状，且具有弱网状结构。

1.2 船舶电力系统传统保护方法存在的问题

传统船舶电力系统保护通常采用结合时间原则的三段式电流保护来实现，具有简单、可靠的特点，在一般情况下也能够满足快速切除故障的要求。在三段式电流保护中，相邻两级开关的保护动作必须确保选择性要求。但是船舶电力网电缆长度短、阻抗小，短路后相邻两级的保护开关所处地段的短路电流值相近，使得保护开关的动作电流值难以整定，当系统中任意一点发生短路故障后，虽然可以最终达到可靠隔离故障的作用，但有可能会使非故障区域断电，达不到较好的选择性。

当船舶电力系统发生短路故障时，通过保护装置有效动作隔离故障以保证非故障区域的系统正常供电。传统船舶电力系统的保护通常采用结合时间原则的电流保护，即时间电流原则保护来实现，该方法具有简单、可靠的特点，在一般情况下也能够满足快速切除故障的要求。在电流保护中，相邻两级开关的保护动作必须确保选择性要求。但是船舶电力网电缆长度短、阻抗小，短路后相邻两级的保护开关所处地段的短路电流值大小相近，使得保护开关的动作电流值整定困难，需要结合一定的保护分断延时即时间原则。

如图1所示，当A 点发生短路故障时，断路器KG、K1、K2流过的短路电流几乎相等，如果单纯按照电流原则整定，三个断路器整定值一样，将同时分断。这样尽管可以实现A 点故障隔离，但也造成了非故障区域的失电，严重影响船舶电网正常运行。结合时间原则，即断路器动作时间从用电负载到供电电源方向逐级递增，即图1中断路器动作时间应满足

这样，在发生A 点短路故障时，断路器K2最先分断，K1、KG 在延时等待过程中，因短路电流消失而不满足分断条件，继续保持闭合，为剩余正常负载提供用电电能。

可见，上述时间电流原则方法是以牺牲保护快速性为代价来获取保护的选择性。当系统保护级数较少时，延时时间较短，对处于短路状态的设备影响较小。如果级数过多，延时时间过长，则由于短路导致的电压跌落容易造成非故障电动机负载由于欠压而停机，影响正常负荷的运行；同时过长的延时时间还可能导致局部过热、对正常设备造成损坏。

图1 船舶电力系统的传统保护原理Fig.1 Tradition protection principle of shipboard power system

随着船舶电力系统结构的日益复杂化，电站容量明显增大，单纯采用上述常规的时间原则、电流原则实现选择性保护几乎不可能。这是因为，根据不同的船舶运行工况，电力系统中发电机及负载的投入会不一样，正常时及故障情况下系统体现的电流水平也会有很大区别。而目前流行的电力系统时间电流原则保护整定通常是按照系统最大运行条件确定的，虽然这样可以保证电力系统在各种运行方式下发生故障时，继电保护都能正确动作，但对于电力系统在非最大运行方式下却无法使保护达到最佳保护效果，尤其是电力系统在最小运行方式下发生最不利故障时，保护的性能会严重变坏甚至发生拒动现象，严重影响着船舶的可靠性及生命力水平。

2 船舶电力系统智能保护实现原理

船舶电力系统智能保护实现原理[2～4]如图2所示。

船舶电力系统工况识别功能通过分析和处理由信号采集装置同步相量测量装置PMU（phasor measurement unit）得到的设置在所有开关处及典型信号点的数据为系统提供当前运行工况和网络结构形式，是潮流计算的基础；潮流计算用以分析船舶电力系统在某一时间断面，系统各状态变量值与系统内的功率分布情况，其计算结果为系统智能保护提供初始条件和判别依据。当故障发生后，由故障分析判断单元进行故障判别，发出故障信息至保护逻辑判断与开关动作策略单元，同时保护逻辑判断与开关动作策略单元根据系统运行工况以及潮流等信息，运用人工智能方法，做出合理的开关动作顺序，再依次发送跳闸信号至开关处，完成故障切除。

图2 智能保护实现原理图Fig.2 Realization schematic of intelligent protection

3 关键技术研究

3.1 船舶电力系统工况识别技术

船舶电力系统工况识别实质是电力系统网络拓扑分析，是实现船舶电力系统智能保护的基础，它的任务就是在船舶不同运行状态下对电力网络中开关状态的变化进行处理，形成新的电力网络结构和拓扑数据，供电力系统智能保护中潮流分析和保护逻辑判断与开关动作策略等应用单元使用。拓扑分析的结果直接影响着智能保护的有效性和电网的安全性。

陆地电力系统早期的网络拓扑分析是利用堆栈技术进行搜索。为了加快拓扑分析的速度，出现了追踪网络拓扑变化、面向对象的电力网络拓扑分析、基本分析单元的有色Petri法等利用数据结构加上特定的算法来实现拓扑的改进方法。这些方法为实现船舶电力系统网络拓扑分析提供了有益的参考，但其采用数据表、图论或关联矩阵来建立拓扑，利用深度优先遍历、跟踪技术及Petri网来进行拓扑分析、实现带电着色、节点融合及编号等，以及在开关动作后对网络进行局部遍历来实现实时拓扑分析的方法，通常一次只能实现一种功能，且过程相对而言过于繁琐[6，7]。基于电力GIS的网络拓扑分析方法[8]可通过GIS建立电气设备的空间信息和相应属性数据，为网络拓扑分析提供了必要的地理数据和图形支持，可实现陆地电网网络拓扑的可视化、高效化，但需要构建船舶的三维电力GIS模型和基于GIS的数据模型，过程相对而言过于复杂。随着船舶自动化水平的提高和新型负载的出现，船舶电力系统的结构将更加复杂，特别是在保护装置或断路器拒动或误动，故障范围扩大和数据源产生畸变的情况下，采用这些方法得到的结果可能产生错误。在分析电力系统各种故障诊断方法的特点和存在问题的基础上采用更加快速、准确的故障诊断方法对电网进行故障定位，根据船舶电力系统特点，对电力系统进行网络拓扑分析的同时，排除故障信息，以修正拓扑分析结果，得到准确的电力系统网络拓扑结构是需要进一步研究的问题。

3.2 船舶电力系统潮流计算

潮流计算用以分析船舶电力系统在某一时间断面，系统各状态变量值与系统内的功率分布情况，其计算结果为系统智能保护提供初始条件和判别依据。常规潮流计算方法如牛顿－拉夫逊法和快速解耦等方法不易收敛，但船舶电力系统与陆用电力系统配电网络类似，因此，可借鉴陆用配电网潮流计算方法来进行船舶电力系统潮流分析[9]。可采用的方法有：回推－前推算法、Zbus法、回路阻抗法、改进牛顿法等。其回推 －前推算法对于纯辐射型网络或弱环网络编程简单，求解速度快，但处理网孔能力较差，随着网孔数量的增加，算法收敛性变差，Zbus法处理PV 节点的能力较弱，求解时间较长，算法效率低；回路阻抗法虽然处理网孔能力较强，但处理PV 节点的能力依然较弱；改进牛顿法仍然对初值的选取敏感。文献[9]提出了改进回推／前推算法，解决了解决船舶电力系统潮流计算中弱环网运行状态和系统多源问题，但其计算处理复杂且适应性不强。文献[10]提出了系统潮流方程直接可解的概念，应用PMU 的测量值的潮流方程直接求解方法不需迭代计算，避免了其他潮流计算方法难以解决的问题，提高了潮流计算的速度和精度，有很强的适应性，为解决船舶电力系统潮流计算问题提供了很好的思路：将潮流计算问题转化为在船舶有限空间内最优布置PMU 装置的策略问题。因此，在研制出适用于船舶电力系统的PMU装置的基础上，结合船舶电力系统潮流计算方法研究现状，寻找以最少PMU 台数及最佳安装位置实现潮流可解配置方案将具有较大的现实意义。

3.3 船舶电力系统故障分析判断方法

准确的船舶电力系统故障分析判断是智能保护正确动作的关键，能有效避免保护的拒动和误动，而快速的故障分析判断是智能保护尽可能快地切除故障，减少设备在大短路电流、低电压下运行的时间，降低设备的损坏程度，提高船舶电力系统运行稳定性的基础。目前，电力系统故障分析判断方法主要是采用现代信号处理技术、或与人工智能理论相结合进行故障判断来实现的。船舶电力系统短路故障产生的电流信号是一个突变的、具有奇异性的信号。电力系统故障的时刻（或位置）往往与监测电流信号的奇异点对应。文献[11]采用小波技术分析信号的奇异点实现了输电线路短路故障检测；文献[12]将小波分析和熵结合起来，定义了3 种小波熵（小波能谱熵、小波时间熵、小波奇异熵），并给出其算法，揭示了这3种小波熵对系统故障表征的机理，有效地检测出电力系统故障；文献[13]在文献[12]的基础上，采用D－S证据理论对多种小波熵进行信息融合的方法实现电力系统故障诊断；还有许多基于以上方法的改进算法和其他信号分析方法的报道，仿真试验证明了这些方法的正确性，但在故障分析判断的耗时方面未能给出较好的结论说明。文献[14]介绍了利用暂态量特征实现超高速陆地电网的故障甄别的研究成果，为船舶电力系统故障分析判断提供了思路，但如何根据船舶电力系统的特点采用何种方法实现超高速故障判断以满足智能保护的需要是一个需要进一步研究的课题。

3.4 船舶电力系统保护逻辑判断与开关动作策略研究

传统的船舶电力系统对开关动作的时间设置主要是按照开关的类别进行，即同一类开关的延时为同一值。当工况不同引起电网拓扑改变后，保护逻辑（开关的职能）可能发生改变，此时延时设置不能随之改变而引起保护的选择性问题。在对短路故障正确和快速的分析判断的基础上，让各级开关的动作延时设置适应于工况的变化，上下级开关的动作时间相互配合，形成阶梯式保护，以实现保护选择性要求是船舶电力系统保护逻辑判断与开关动作策略的目标，但目前相关的文献报道还较少。文献[15]提出采用基于改进广度优先搜索（BFS）的方法根据故障分析与判断结果和最初的开关类别选择出“源”，再从“源”开始通过BFS形成开关动作的先后顺序，达到了很好的保护选择性效果。但在如何得到最优动作开关个数和次序、实时性方面未做研究和探讨。文献[16]针对陆地电网分析了保护配合方式的发展并给出了保护配合方案，但不符合船舶电网的特殊性要求。因此，根据船舶电力系统的特点，运用人工智能等方法，结合保护逻辑判断结果，综合故障后系统重构、重要负载的供电要求和系统稳定等因素形成开关动作的目标函数和约束条件，得到最优结果是实现智能保护的难点和关键点，也是研究发展的方向。

4 结语

本文在研究了船舶电力系统的特点的基础上，分析了目前常用的短路保护措施的不足，指出其已不能满足不断发展的船舶电力系统的保护的需要。智能保护采用现代信号处理技术、人工智能理论的方法进行短路故障判断，并根据不同工况及负载调整对开关职能的改变做出合理判断，做出与运行状况相符合的保护逻辑和开关动作策略，具有很强的自适应性和选择性，是电力系统保护研究重点发展的趋势之一。文中概述了智能保护在船舶电力系统中的实现原理和关键技术，探讨了各关键技术的研究现状，并提出了一些见解，同时存在许多问题有待进一步的研究，可为船舶电力系统智能保护研究和实现提供参考。

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