船舶電力系統(tǒng)短路保護性能綜合量化指標模型

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)國防科技重點實驗室，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)短路保護性能綜合量化指標模型

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)國防科技重點實驗室，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）

為了定量評價船舶電力系統(tǒng)的保護性能，提出了船舶電力系統(tǒng)保護選擇性、快速性、靈敏性、可靠性等評價指標的量化方法，采用隸屬度函數(shù)對以上四個指標進行歸一化后，基于層次分析法對此“四性”指標進行綜合，得到了評價船舶電力系統(tǒng)保護性能的綜合量化指標。以典型四機、兩電站船舶電力系統(tǒng)為例，分別計算了采用時間電流原則保護、差動保護時該網(wǎng)絡(luò)保護性能的綜合量化指標數(shù)據(jù)，并進行了比較，得到了差動保護性能更優(yōu)的結(jié)論，與該電力系統(tǒng)實際運行經(jīng)驗吻合，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；量化指標；層次分析法；綜合量化

船舶電力系統(tǒng)在運行中可能出現(xiàn)各種不正常運行和故障情況，它們會使船舶電力系統(tǒng)的安全可靠運行受到威脅，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)置可靠的保護裝置。保護裝置的基本任務(wù)和作用在于：可迅速斷開故障線路，不使故障蔓延擴大并保證非故障線路能夠正常連續(xù)供電；或者發(fā)出聲光報警信號，使值班人員及時采取適當措施，排除故障[1]。可見，為遂行保護任務(wù)，保護裝置必須滿足如下要求：即選擇性、快速性、靈敏性和可靠性。因此，船舶電力系統(tǒng)在選擇保護方式或保護裝置時，需要結(jié)合上述“四性”要求，對不同的方案進行性能評估。然而，目前通常的做法僅僅只能圍繞保護“四性”要求，做到對保護裝置保護性能的定性評估，尚無法從定量的角度給出合理的評判。而且，保護“四性”有時是相互矛盾的，比如：為了保證選擇性，有時就要求保護動作必須具有一定的延時；為了保證靈敏性，有時就允許保護裝置無選擇地動作。此時，單純的定性描述將使得設(shè)計者對系統(tǒng)保護設(shè)計更加無所適從。為了對不同的保護方案或系統(tǒng)保護性能進行綜合評判，有必要對量化形式的保護評價指標進行系統(tǒng)研究，進而研究量化的上述“四性”指標的綜合方法，為電力系統(tǒng)保護性能評估提供明晰的判斷標準。

1 保護性能指標的量化描述

對船舶電力系統(tǒng)的保護性能通常從選擇性、快速性、靈敏性、可靠性等4個方面進行評價，即所謂保護“四性”指標。

1.1 選擇性C1

所謂選擇性，是指繼電保護在盡可能最小的范圍內(nèi)將故障部分自電網(wǎng)斷開，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的量化方式，以符號Ksel表示，即求取非故障負荷失電數(shù)占總負荷數(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，非故障負荷失電百分比為100%，此時，Ksel=100%。

1.2 速動性C2

所謂速動性，是指繼電保護以可能最短的時限將故障或異常工況自電網(wǎng)中切除或消除[2]，可直接用時間表述。考察從短路故障發(fā)生到保護設(shè)備（一般是斷路器，以下均以斷路器為例進行說明）開始動作的時間，這個時間通常為0.1～4.0 ms。t≤0.1 ms對應(yīng)的速動性最佳；t≥4.0 ms對應(yīng)的速動性最差。

1.3 靈敏性C3

保護裝置反應(yīng)故障的能力稱為靈敏性，通常也稱靈敏度。靈敏性以靈敏系數(shù)定量表述，其值為：常見不利運行方式和不利故障類型下的故障參數(shù)與整定動作值之比[2]，記為Ksen。當過電流保護作為主保護時，應(yīng)采用最小運行方式下線路末端兩相短路電流進行校驗，要求Ksen≥（1.3～1.5）；作為相鄰線路后備保護時，應(yīng)采用最小運行方式下相鄰線路末端兩相短路電流進行校驗，此時要求Ksen≥1.2。對于母線差動保護，靈敏系數(shù)Ksen≥2.0。基于此，不妨將用于靈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

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

1.5“四性”指標的隸屬度函數(shù)

由上述“四性”指標量化方式可見，各指標具有不同的量綱，為了得到綜合的量化指標，首先需要對其進行無量綱處理。這里，將選擇性、速動性、可靠性指標處理成成本型目標函數(shù)（最小最優(yōu)），即

式中，X分別取Ksel、t、KN。

將靈敏性指標處理成效益型目標函數(shù)（最大最優(yōu)），即

式中，X取為Kse。

進而采用直線型隸屬度函數(shù)將“四性”指標對應(yīng)的目標函數(shù)轉(zhuǎn)化為反映對目標實現(xiàn)滿意度的無量綱數(shù)據(jù)。

描述選擇性、速動性、靈敏性和可靠性指標的隸屬度曲線如圖1所示。

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

2 基于層次分析法的綜合目標判斷矩陣

對保護“四性”量化指標的綜合，可以以保護性能最佳為目標，采用層次分析法[3]，將選擇性、快速性、靈敏性、可靠性作為其準則層的四個準則，按如圖2所示的分析流程進行。

圖2 層次分析法目標綜合流程Fig.2 Flow chart of AHP

上述目標綜合流程中，判斷矩陣的構(gòu)造可以先通過對不同準則兩兩之間進行比較，按照一定標度來描述被比較的兩個準則之間的相對重要程度，進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在區(qū)間[0，1]內(nèi)，為了保證權(quán)重的合理性，采用標度方法如表1所示。

表1標度描述Tab.1 Scale description for pair-wise comparisons

根據(jù)上述反標度描述方法建立判斷矩陣A為

可見，對該判斷矩陣的解讀為：選擇性對于速動性而言更為重要，對于靈敏性而言明顯重要，對于可靠性而言十分重要；速動性對于靈敏性而言更為重要，對于可靠性而言稍微重要；靈敏性對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；對應(yīng)歸一化后的特征向量、即綜合指標權(quán)重向量：W=[0.419 1 0.255 6 0.171 1 0.154 2]T；而綜合目標函數(shù)為

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

3 計算實例

圖3 典型四機、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

一個典型的四機、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。對該網(wǎng)絡(luò)設(shè)置發(fā)電機出口、母線、跨接線三個典型短路點，分別對采用時間電流原則保護、差動保護兩種保護方式下進行了仿真分析，按照本文第1節(jié)提到的計算方法，得到保護“四性”量化指標，進而計算了系統(tǒng)保護性能綜合量化指標。其中，時間電流原則又按照瞬時動作電流值的不同，分為兩種情況。因為差動保護尚未實船應(yīng)用，可靠性指標無法獲取，為了體現(xiàn)比較條件的同一性，對“四性”量化指標中的可靠性指標均設(shè)置為1。

參照式（5），記F（1）對應(yīng)時間電流原則、瞬時動作電流值設(shè)為7倍額定電流的保護整定方式；F（2）對應(yīng)時間電流原則、瞬時動作電流值設(shè)為11倍額定電流的保護整定方式；F（3）對應(yīng)差動保護方式。歸一化后的綜合量化指標計算結(jié)果如表2所示。

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

可見，F(xiàn)（3）＞F（2）＞F（1），表明對于典型四機、兩電站船舶電力系統(tǒng)，差動保護性能最優(yōu)，在時間電流原則保護中，整定動作值較大的保護性能更好。這一結(jié)論符合實際系統(tǒng)運行經(jīng)驗。

4 結(jié)語

對船舶電力系統(tǒng)保護性能指標進行量化和綜合有利于給出系統(tǒng)保護方法的準確評價，對于船舶電力系統(tǒng)新型保護策略研究及現(xiàn)有保護方法性能改進意義重大。本文在給出船舶電力系統(tǒng)保護“四性”指標量化方法的基礎(chǔ)上，基于層次分析法，得到了系統(tǒng)保護性能綜合量化指標，結(jié)合一個典型的四機、兩電站網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)算例，計算得到了該網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用時間電流原則保護、差動保護兩種不同保護方法以及不同保護整定值時的保護性能綜合量化數(shù)據(jù)。綜合量化數(shù)據(jù)表明，對于典型四機、兩電站網(wǎng)絡(luò)，差動保護性能最優(yōu)，在時間電流原則保護中，整定動作值較大的保護性能更好，該結(jié)論與實際運行經(jīng)驗是一致的，從而證明了本文開展的工作的有效性。

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

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[3]運籌學(xué)教材編寫組.運籌學(xué)[M].3版.北京：清華大學(xué)出版社，2005.

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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，研究方向為電力系統(tǒng)保護與安全運行。Email：yxyx928@126.com

2012-05-31；

2012-08-23

國家自然科學(xué)基金項目（50977090，51077130）

王 剛（1970—），男，博士，副教授，研究方向為電力系統(tǒng)穩(wěn)定計算與安全運行分析。Email：wanggang6074@126.com

黃 靖（1981—），男，碩士，講師，研究方向為電力系統(tǒng)故障重構(gòu)與安全運行。Email：hjing99421@126.com