顏建軍，姜威威

(啟東中遠海運海洋工程有限公司，江蘇 啟東 226251)

0 引言

隨著全球能耗日益加劇，能源資源日益減少，節(jié)能減排已成為各行各業(yè)共同的認知和目標，船舶行業(yè)也越來越關(guān)注船舶運營中產(chǎn)生的能源消耗和經(jīng)濟效益。近年來，由于閉環(huán)電力系統(tǒng)能夠在電網(wǎng)中分配所有在網(wǎng)運行的發(fā)電機電能，在柴油發(fā)電機的數(shù)量和電網(wǎng)配置上具有充分的靈活性，較開環(huán)電力系統(tǒng)在經(jīng)濟效益上更具有優(yōu)越性，因此閉環(huán)電力系統(tǒng)越來越多地被應用于船舶或海洋平臺上。

然而，閉環(huán)電力系統(tǒng)將所有的母排連在一起，只要其一段母排或一組柴油發(fā)電機發(fā)生故障，將有可能導致全船電網(wǎng)的失電[1]。在這樣的情況下，對于滿足船級社動力定位設(shè)備等級2(DP2)和等級3(DP3)冗余要求的動力定位船舶，單純的閉環(huán)電力系統(tǒng)很難滿足設(shè)計要求，因此需要增加額外的保護系統(tǒng)。此保護系統(tǒng)在國內(nèi)外都有相關(guān)的研究。國外最為典型的是挪威AGS康士伯系統(tǒng)(Advanced generator protection system)，但提供的資料很少，多數(shù)都是系統(tǒng)的功能描述。國內(nèi)某研究所也有相關(guān)研究[2]，但也沒有更為具體的故障檢測方法，其設(shè)計的保護系統(tǒng)未進入商用階段。

本文提煉國內(nèi)外相關(guān)廠家或研究所的研究思路，結(jié)合實際項目，與荷蘭電氣集成商Bakker合作，建立了適用于閉環(huán)電力系統(tǒng)的柴油發(fā)電機保護系統(tǒng)故障檢測模型，并實際應用于某超大型風電安裝動力定位船舶上，并驗證該模型的可靠性。

1 動力定位船舶閉環(huán)電力系統(tǒng)

現(xiàn)有的動力定位船舶的電力系統(tǒng)運行方式通常采用“母聯(lián)開環(huán)”模式，見圖1。該模式對整個配電系統(tǒng)的母排進行分段，若其中一段配電板或給其供電的電源裝置發(fā)生故障不會延伸到與其相鄰的配電板或電源裝置。在這樣的運行模式下，每段母排承載的負載不一樣，且電源裝置也都是相對獨立地運行，功率管理系統(tǒng)不能夠根據(jù)全船所有設(shè)備負載統(tǒng)一平均分配功率。因此在實際運行工況下，當增加某段母排負載時，需要增加其電源裝置的功率輸出，或啟動同組的備用電源裝置，這會增加整個系統(tǒng)運行的能耗。

DG—柴油發(fā)電機組；NO—母聯(lián)開關(guān)常開；NC—母聯(lián)開關(guān)常閉。

然而，動力定位船舶閉環(huán)電力系統(tǒng)，即“母聯(lián)閉合”運行模式(見圖2)是將整個配電系統(tǒng)母排匯合連在一起的，根據(jù)船舶各工況下所需設(shè)備的總功率，對所有電源裝置實行統(tǒng)一、高效的負荷分配，減少在網(wǎng)運行的電源裝置的數(shù)量。相比于“母聯(lián)開環(huán)”運行模式，“母聯(lián)閉環(huán)”模式更具有優(yōu)勢。閉環(huán)電力系統(tǒng)的柴油發(fā)電機保護系統(tǒng)在此背景下提出，用于動力定位船舶閉環(huán)電力系統(tǒng)的額外保護。

DG—柴油發(fā)電機組；NO—母聯(lián)開關(guān)常開；NC—母聯(lián)開關(guān)常閉。

2 常規(guī)的柴油發(fā)電機組保護系統(tǒng)

常規(guī)柴油發(fā)電機組保護系統(tǒng)主要由獨立的柴油機保護系統(tǒng)和發(fā)電機保護系統(tǒng)組成，兩者相互獨立，作用對象不同，各自有一套獨立的檢測、判斷和動作的控制系統(tǒng)。

常規(guī)柴油機保護系統(tǒng)的功能是通過物理傳感器檢測柴油機在運行過程中的油溫、冷卻水溫、油壓、輸出功率、轉(zhuǎn)速等過程量，將這些數(shù)據(jù)與柴油機轉(zhuǎn)速和負荷標定的極限值相比較，判斷柴油機是否處于正常運行狀態(tài)，如運行過程中發(fā)現(xiàn)柴油機出現(xiàn)故障，系統(tǒng)通過執(zhí)行回路發(fā)出停車指令，可最大程度地保護柴油機的安全[3]。

常規(guī)發(fā)電機保護系統(tǒng)的功能是通過電壓、電流傳感器和繼電器保護模塊檢測發(fā)電機輸出的電壓、電流、頻率和相位或通過自動電壓調(diào)節(jié)器本身的勵磁電流設(shè)定值判斷發(fā)電機是否正常運行，并通過控制回路將故障發(fā)電機緊急隔離，以實現(xiàn)對發(fā)電機的保護，保證電網(wǎng)的電能質(zhì)量和正常工作[4]。

常規(guī)柴油發(fā)電機組保護系統(tǒng)功能主要是判斷機體本身的工作狀態(tài)，不能對電網(wǎng)的整體運行狀況進行判斷和作用，缺乏對電力系統(tǒng)全局的考慮。

3 閉環(huán)電力系統(tǒng)的柴油發(fā)電機保護系統(tǒng)

對于復雜的具有動力定位功能的船舶閉環(huán)電力系統(tǒng)，常規(guī)的發(fā)電機保護系統(tǒng)的功能的局限性更為突出，如：其中一段配電板上的供電柴油發(fā)電機發(fā)生故障，將會反映到電網(wǎng)功率的分配、頻率和電壓的變化上，此時若故障機組沒有及時隔離，這種變化將從一臺故障機組通過電力回路延伸到其他配電板或機組，容易使故障連鎖反應到各個配電板和電源裝置中，從而導致電力系統(tǒng)故障超出船級社DP規(guī)范要求下定義的最大單點故障范圍甚至導致整個電力系統(tǒng)的失電，最終使船舶失去動力定位能力。因此需要對整個電網(wǎng)增加額外的保護功能，提高電力系統(tǒng)的完整性、安全性，保證電力系統(tǒng)在動力定位船舶的應用。

閉環(huán)電力系統(tǒng)的柴油發(fā)電機保護系統(tǒng)是一種綜合的保護系統(tǒng)，其研究和作用的對象是發(fā)電機組。系統(tǒng)能夠提前預判在網(wǎng)的柴油發(fā)電機是否存在故障，對可預見的故障柴油發(fā)電機進行快速隔離，阻止故障延伸，防止整個閉環(huán)電力系統(tǒng)失電。柴油發(fā)電機保護系統(tǒng)主要功能是觀察、分析和判斷柴油發(fā)電機運行特性，將可能存在故障的機組進行預報警，或?qū)⒊銎湔＿\行特性的柴油發(fā)電機進行快速切斷，從而有效地隔離故障。相比常規(guī)的保護系統(tǒng)，其功能能夠滿足船級社對動力定位船舶閉環(huán)電力系統(tǒng)的規(guī)范要求。動力定位船舶閉環(huán)電力系統(tǒng)保護概觀圖見圖3。

DG—柴油發(fā)電機組；G—發(fā)電機；P—有功功率；Q—無功功率；

4 保護系統(tǒng)的設(shè)計原理

船舶電源裝置柴油發(fā)電機組主要是由原動機柴油機和同步發(fā)電機組成。柴油機提供有功功率，發(fā)電機產(chǎn)生無功功率。

有功功率P取決于電網(wǎng)的實際負載的電功率消耗，為所有的電力設(shè)備提供電能，計算如下：

P=UIcosφ

式中：U為電壓；I為電流；φ為相位角。

而無功功率Q負責實現(xiàn)電力系統(tǒng)中所有電力設(shè)備和發(fā)電機間的能量轉(zhuǎn)換，計算如下：

Q=UIsinφ

以上兩者相互結(jié)合，缺一不可。它們與視在功率S之間的關(guān)系表示如下：

P2+Q2=S2

閉環(huán)電力系統(tǒng)的柴油發(fā)電機保護系統(tǒng)的設(shè)計靈感來源于這一基本電力系統(tǒng)的數(shù)學原理。

電力系統(tǒng)有功功率的輸出則由原動機的調(diào)速器控制。調(diào)速器是一種自動調(diào)節(jié)裝置，通過測到的有功功率和柴油機的實際轉(zhuǎn)速，自動增減油門桿的位置或供油泵的供油量，使柴油機能夠以穩(wěn)定的轉(zhuǎn)速或轉(zhuǎn)動頻率運行。調(diào)速器的基本控制模式為“下垂補償”模式，見圖4，整個圖可反映柴油機的轉(zhuǎn)動頻率與有功功率之間的“下垂特性”函數(shù)關(guān)系。

電力系統(tǒng)無功功率的輸出則由發(fā)電機的自動電壓調(diào)節(jié)器控制。自動電壓調(diào)節(jié)器通過檢測發(fā)電機輸出的電壓和電流，計算無功功率，用以控制勵磁電流的輸出，從而調(diào)整發(fā)電機的輸出電壓，使電力系統(tǒng)電壓穩(wěn)定在一個固定值上。圖2顯示，多臺發(fā)電機始終并聯(lián)運行，其自動電壓調(diào)節(jié)器的控制模式也和調(diào)速器一樣，為“下垂補償”模式，見圖5，整個圖表示為發(fā)電機的電壓與發(fā)電機的無功功率之間的“下垂特性”函數(shù)關(guān)系。

f—頻率;f*—某一時刻的主機頻率;P—有功功率；

V—電壓；V*—某一時刻的電壓；KQ—下垂率；

有功功率特性體現(xiàn)的是柴油發(fā)電機有功功率P和頻率f之間的關(guān)系，也是柴油發(fā)電機的負載特性，特性曲線下垂率是由柴油發(fā)電機的功率管理模塊控制器的設(shè)定值確定的；無功功率特性體現(xiàn)的是發(fā)電機無功功率Q和電壓V之間的關(guān)系，其下垂率也是由發(fā)電機的自動電壓調(diào)節(jié)器的控制設(shè)定值確定的。其簡化的數(shù)學公式為

f=f*-Kp(P-P*)

式中：f*為某一時刻后的頻率；KP為下垂率；P*為某一時刻后的有功功率。

V=V*-KQ(Q-Q*)

式中：V*為某一時刻后的電壓；KQ為下垂率；Q*為某一時間后的無功功率。

閉環(huán)電力系統(tǒng)的柴油發(fā)電機保護系統(tǒng)正是采用了這種特殊的“下垂特性”關(guān)系[2]，以此作為保護系統(tǒng)的研究基礎(chǔ)。

5 保護系統(tǒng)的故障檢測模型

將上述的“下垂特性”這種特殊關(guān)系引入柴油發(fā)電機的保護系統(tǒng)設(shè)計中，提出圖6所示的柴油發(fā)電機保護系統(tǒng)的有功功率故障檢測模型。該故障檢測模型中的實線是柴油發(fā)電機預期的運行線，通過多次柴油發(fā)電機負載實驗采集到的有功功率的數(shù)據(jù)繪制出，該運行線很明顯地呈現(xiàn)出有功功率“下垂特性”。在實線上方和下方的2條虛線是保護系統(tǒng)動作的上限窗口ULW(upper limit window)和下限窗口LLW(lower limit window)，其斜率與下垂線一致。在柴油機運行時，故障檢測模型將預期的有功功率和頻率值與實際檢測到的在網(wǎng)運行的柴油機輸出的有功功率和頻率值作比較。當實際檢測到的運行參數(shù)在上限窗口或下限窗口范圍內(nèi)，保護系統(tǒng)判定柴油發(fā)電機運行正常；當實際檢測的運行參數(shù)在上限窗口或下限窗口范圍之外，保護系統(tǒng)則判定柴油發(fā)電機運行不正?；虺霈F(xiàn)故障，并輸出報警給船舶中央控制系統(tǒng)以及輸出故障機組切斷信號，將故障的柴油發(fā)電機從電網(wǎng)中迅速地隔離。

圖6 柴油發(fā)電機保護系統(tǒng)有功功率故障檢測模型圖

在多次閉合電力系統(tǒng)的實驗中發(fā)現(xiàn)：電力系統(tǒng)在接受大負載加載或減載的過程中，出現(xiàn)了有功功率或頻率和無功功率或電壓的短暫的較大幅度波動。在波動過程中，檢測到這些運行參數(shù)在很短的時間內(nèi)超出了上限窗口和下限窗口，但在隨后的電網(wǎng)自身負荷的調(diào)整過程中，這些運行參數(shù)又能很快回歸到正常窗口范圍之內(nèi)。這種情況對于滿足船級規(guī)范要求的波動柴油發(fā)電機組來說應視為正常工作，而非出現(xiàn)故障。因此，需要進一步完善故障檢測模型，見圖7。設(shè)原有的上限窗口值為KULW1，下限窗口值為KLLW1，并相應地增加一組上限窗口值KULW2和下限窗口值KLLW2，同時引入了時間閾T。時間閾T是一種基于“下垂特性”的上限窗口或下限窗口的時間限制值，其數(shù)值伴隨著上限窗口向上平移或下限窗口向下平移而減少。當檢測到的柴油發(fā)電機有功功率運行參數(shù)在KULW1和KULW2之間或KLLW1和KLLW2之間的持續(xù)時間t小于T時，柴油發(fā)電機運行參數(shù)在很短的時間內(nèi)又回到正常的范圍內(nèi)，此時視柴油發(fā)電機正常運行；當持續(xù)的運行時間t大于T時，運行參數(shù)未能及時回到正常的范圍內(nèi)，則視柴油發(fā)電機在故障狀態(tài)下運行，并需要立即切斷此故障柴油發(fā)電機組；當運行參數(shù)大于KULW2或KLLW2時，柴油發(fā)電機運行有較大的波動，此時不需要時間上的判斷，保護系統(tǒng)立即切斷故障機組。

圖7 完善后的柴油發(fā)電機保護系統(tǒng)故障檢測模型圖

當保護系統(tǒng)檢測到的有功功率P在預期的運行線上方時：

(1)如果P≤KULW1，保護系統(tǒng)不動作。

(3)如果P≥KULW2，保護系統(tǒng)則立即切斷故障柴油發(fā)電機組。

當保護系統(tǒng)檢測到的有功功率P在預期的運行線下方時：

(1)如果P≥KLLW1，保護系統(tǒng)不動作。

(3)如果P≤KLLW2，保護系統(tǒng)則立即切斷故障柴油發(fā)電機組。

柴油發(fā)電機保護系統(tǒng)的無功功率故障檢測模型與有功功率方法相同。電機運行時，保護系統(tǒng)故障檢測模型將預期的無功功率和電壓值與實際檢測到的發(fā)電機的輸出參數(shù)作比較，同時根據(jù)比較的結(jié)果，判定柴油發(fā)電機是否出現(xiàn)故障，并輸出報警或直接輸出切斷信號，迅速隔離故障機組。

電力系統(tǒng)的運行狀態(tài)由電網(wǎng)上的功率、電壓、頻率等運行參數(shù)反映。閉環(huán)電力系統(tǒng)柴油發(fā)電機保護系統(tǒng)能夠記錄更多的完整的機組的運行數(shù)據(jù)，通過這些參數(shù)不斷地修正系統(tǒng)設(shè)定的保護動作限制窗口，優(yōu)化自身的故障檢測的準確性，完善系統(tǒng)的保護功能。

6 結(jié)語

基于某超大型風電安裝動力定位船，對其閉環(huán)電力系統(tǒng)的柴油發(fā)電機保護系統(tǒng)進行實船驗證。此閉環(huán)電力系統(tǒng)的柴油發(fā)電機保護系統(tǒng)能夠及時準確地判斷在網(wǎng)運行的故障機組，并在設(shè)定的判斷時間范圍內(nèi)對故障機組進行迅速地切斷，防止故障延伸導致閉環(huán)電力系統(tǒng)局部或全船失電的連鎖反應。該保護系統(tǒng)滿足最大單點故障失效分析的要求，保證了船舶電力系統(tǒng)的正常運行和船舶動力定位功能，得到了DNV船級社的認可，保護系統(tǒng)的故障檢測模型在實際建造和運營的船舶上得到了驗證。