某型艦船電力監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)缺陷與排除

劉 鏑 郭征征

（91404部隊(duì) 秦皇島 066000）

1 引言

艦船電力系統(tǒng)是一個(gè)規(guī)模較小，但又十分復(fù)雜的系統(tǒng)，其為艦船推進(jìn)系統(tǒng)、作業(yè)系統(tǒng)、航行設(shè)備等提供電力。電站系統(tǒng)作為艦船電力系統(tǒng)的核心，由發(fā)電機(jī)組、主配電板及電站監(jiān)控裝置等組成。在全系統(tǒng)運(yùn)行過程難免會(huì)出現(xiàn)各種故障，為確保電力系統(tǒng)的安全、穩(wěn)定運(yùn)行，確保供電連續(xù)性，提高電力系統(tǒng)的供電生命力［1］，電力監(jiān)控系統(tǒng)應(yīng)運(yùn)而生。電力監(jiān)控系統(tǒng)，即通過計(jì)算機(jī)或者其他通訊設(shè)備，實(shí)時(shí)監(jiān)控系統(tǒng)的運(yùn)行情況、工作狀態(tài)以及各方面的信息等。電力監(jiān)控系統(tǒng)具備多種功能，能實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的分析、處理和儲(chǔ)存，在供電配電設(shè)計(jì)中使用電力監(jiān)控系統(tǒng)，可以大大地提高系統(tǒng)的工作效率、節(jié)約電力資源和消費(fèi)成本，它是供配電系統(tǒng)中十分重要的一部分［2］。艦船電力監(jiān)控系統(tǒng)更注重電力資源調(diào)配、電網(wǎng)安全保護(hù)以及監(jiān)測故障報(bào)警等，是艦船操作人員實(shí)時(shí)掌握艦船電力信息、控制電力資源提供最重要的渠道。

2 某型艦船電力系統(tǒng)

2.1 電力系統(tǒng)組成

某型艦船電力系統(tǒng)由前后2個(gè)電站，每個(gè)電站2臺(tái)柴油機(jī)發(fā)電機(jī)組成，滿足艦船進(jìn)出港、停泊、應(yīng)急、戰(zhàn)斗等各種工況下的用電需求。電站由4臺(tái)P額kW柴油發(fā)電機(jī)組，并配備有交流主配電網(wǎng)絡(luò)、事故電力網(wǎng)、蓄電池組等輔助電力設(shè)備。如圖1所示，DG1-DG4為4臺(tái)柴油發(fā)電機(jī)組，通過QF1-QF4隔離斷路器與電網(wǎng)系統(tǒng)連接，QF1具有對主干線路的保護(hù)功能。當(dāng)線路出現(xiàn)故障，能夠檢測到的兩個(gè)變化量分別是突變電流和電流方向，通過這兩個(gè)量的變化來制定相應(yīng)的判據(jù)，以實(shí)現(xiàn)對主干線路的保護(hù)［3］。QF5-QF8為跨接斷路器，用于電力網(wǎng)絡(luò)組網(wǎng)和隔離。跨接斷路器的目的是為了實(shí)現(xiàn)環(huán)網(wǎng)的重構(gòu)，在分組并聯(lián)的兩個(gè)發(fā)電機(jī)都故障的情況下需要通過環(huán)網(wǎng)重構(gòu)來對該組負(fù)載進(jìn)行供電，跨接斷路器能實(shí)現(xiàn)無電壓時(shí)自動(dòng)重構(gòu)和地面通電檢查完畢后的自動(dòng)斷開，整個(gè)過程實(shí)現(xiàn)了自動(dòng)化［4］。QF9為岸電斷路器，用于連接岸電的主要開關(guān)。岸電是在停泊港口或電力應(yīng)急等情況下使用，通過岸電斷路器QF9與岸上電源連接。

圖1 某型艦船電力系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖

2.2 電力系統(tǒng)運(yùn)行

任意兩臺(tái)或三臺(tái)發(fā)電機(jī)組可長期并聯(lián)運(yùn)行或轉(zhuǎn)移負(fù)荷。每臺(tái)發(fā)電機(jī)組可單獨(dú)運(yùn)行。任一臺(tái)發(fā)電機(jī)與岸電間可短期并聯(lián)帶電轉(zhuǎn)移負(fù)荷。電站采取機(jī)電集控室（通用監(jiān)控管理臺(tái)）、主配電板室（機(jī)組控制器）和機(jī)旁（機(jī)旁控制箱）三級(jí)監(jiān)控。同時(shí)采取分級(jí)保護(hù)措施，使系統(tǒng)故障時(shí)將其影響限制在最小范圍。電機(jī)增減順序按照預(yù)先設(shè)定的優(yōu)先級(jí)，優(yōu)先級(jí)高的電機(jī)優(yōu)先并入或減退，優(yōu)先級(jí)低的電機(jī)在優(yōu)先級(jí)增減后或因故障無法增減的情況下逐級(jí)增減。電站控制方式根據(jù)自動(dòng)化控制程度分為手動(dòng)、半自動(dòng)、自動(dòng)和集控。QF1-QF4隔離斷路器是電站并網(wǎng)或隔離的控制開關(guān)，決定了電力系統(tǒng)的供電電機(jī)，也對電力系統(tǒng)網(wǎng)能夠起到保護(hù)作用；QF5-QF8跨接斷路器，用于前后電站的并網(wǎng)重構(gòu)或者隔離，對電力體統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)具有保護(hù)作用。

3 問題的提出

3.1 試驗(yàn)現(xiàn)象

在自動(dòng)控制模式下，進(jìn)行1號(hào)機(jī)組的逆功保護(hù)試驗(yàn)，當(dāng)時(shí)的在網(wǎng)機(jī)組為1、2、3號(hào)機(jī)組，備用機(jī)組優(yōu)先順序設(shè)置為1、3、2、4。在機(jī)組控制器上，通過手動(dòng)調(diào)節(jié)1號(hào)機(jī)組轉(zhuǎn)速，使得1號(hào)機(jī)組出現(xiàn)逆功保護(hù)。在試驗(yàn)進(jìn)行時(shí)，出現(xiàn)了全艦失電，引起部分電子儀器儀表設(shè)備等出現(xiàn)故障，其他相關(guān)試驗(yàn)無法繼續(xù)進(jìn)行。

3.2 故障分析

當(dāng)時(shí)由于試驗(yàn)任務(wù)的需要，艦上部分設(shè)備關(guān)機(jī)，使得艦上負(fù)載保持在700kW左右。按照電力監(jiān)控自動(dòng)減機(jī)程序判斷準(zhǔn)則，此時(shí)在網(wǎng)負(fù)載已經(jīng)低于兩機(jī)自動(dòng)減機(jī)規(guī)定負(fù)載750kW，更遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于三機(jī)并網(wǎng)條件。在電力監(jiān)控系統(tǒng)的自動(dòng)控制下，2號(hào)機(jī)組由于優(yōu)先級(jí)別低，率先進(jìn)入減機(jī)程序，減速退出；在網(wǎng)機(jī)組變?yōu)?號(hào)和3號(hào)機(jī)組，在網(wǎng)負(fù)載達(dá)不到兩機(jī)并網(wǎng)條件，3號(hào)機(jī)組也自動(dòng)進(jìn)入減機(jī)程序，減速退出。此時(shí)1號(hào)機(jī)組逆功跳閘，3號(hào)機(jī)繼續(xù)執(zhí)行自動(dòng)減機(jī)程序，造成全船失電。根據(jù)故障現(xiàn)象，檢查電力監(jiān)控故障記錄信息，可以判定是由于電力監(jiān)控自動(dòng)減機(jī)程序判斷準(zhǔn)則設(shè)計(jì)存在一定缺陷，沒有充分考慮此等情況，將原有準(zhǔn)則上增加條件：當(dāng)雙機(jī)并網(wǎng)過程中，在網(wǎng)負(fù)載小于雙機(jī)并網(wǎng)規(guī)定功率，而優(yōu)先級(jí)別高的機(jī)組出現(xiàn)故障被隔離時(shí)，另一機(jī)組應(yīng)立即停止減機(jī)程序，繼續(xù)在網(wǎng)供電。

4 仿真實(shí)驗(yàn)

4.1 模擬故障實(shí)驗(yàn)

基于Matlab軟件中Simulink仿真平臺(tái)，利用SimPowerSystems庫中的電力、電子元器件建模，按照原有的電力監(jiān)控自動(dòng)減機(jī)程序判斷準(zhǔn)則，對逆功保護(hù)試驗(yàn)出現(xiàn)的逆功保護(hù)進(jìn)行模擬試驗(yàn)，采集電網(wǎng)中的電壓、電流。如圖2所示，圖上部分為電壓變化情況，下部分為電流變化情況。根據(jù)判定準(zhǔn)則的規(guī)定，3號(hào)機(jī)組在2.8s左右執(zhí)行減機(jī)程序，并在1號(hào)機(jī)組逆功跳閘后未停止減機(jī)，繼續(xù)執(zhí)行退出命令，從而整個(gè)電網(wǎng)中電壓、電流快速趨于零，造成全船失電。

圖2 模擬故障時(shí)電壓電流變化圖

全艦失電一定時(shí)間間隔后，電網(wǎng)將進(jìn)入失電自啟動(dòng)程序，優(yōu)先級(jí)高的機(jī)組將自動(dòng)啟動(dòng)，并網(wǎng)運(yùn)行，電力系統(tǒng)將恢復(fù)供電，仿真實(shí)驗(yàn)中不作相關(guān)描述。

4.2 對比實(shí)驗(yàn)

根據(jù)前期的分析，修改相應(yīng)的自動(dòng)減機(jī)程序判斷準(zhǔn)則，并利用電力系統(tǒng)模型進(jìn)行修改準(zhǔn)則后的仿真實(shí)驗(yàn)，同樣采集電網(wǎng)中的電壓、電流，觀察其變化情況。可以從圖3中看出，在1號(hào)機(jī)組逆功保護(hù)跳閘后，電網(wǎng)未出現(xiàn)全艦失電。由于全網(wǎng)負(fù)荷達(dá)不到兩機(jī)并網(wǎng)運(yùn)行，3號(hào)機(jī)組執(zhí)行減機(jī)程序，而在此時(shí)，唯一在網(wǎng)供電的1號(hào)機(jī)組出現(xiàn)逆功跳閘，電網(wǎng)中電壓、電流出現(xiàn)短暫震蕩后，3號(hào)機(jī)組并未退出電網(wǎng)，繼續(xù)為電網(wǎng)供電，整個(gè)過程中不會(huì)出現(xiàn)全船失電的類似情況。

圖3 修改準(zhǔn)則后故障時(shí)電壓電流變化圖

5 缺陷排除

排除艦船硬件故障的方法很多，當(dāng)前基于人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、粗糙集理論、信息融合技術(shù)的智能故障診斷技術(shù)得到了飛速的發(fā)展和較好的應(yīng)用［5］，然而在檢測艦船設(shè)計(jì)缺陷方面的方法、手段卻寥寥無幾。設(shè)計(jì)缺陷問題通常是事后發(fā)現(xiàn)、事后分析、事后解決，發(fā)生問題后可采用分析論證、形成解決方案、仿真試驗(yàn)、試驗(yàn)驗(yàn)證等幾個(gè)步驟，可參看圖4。在解決設(shè)計(jì)缺陷問題方面，應(yīng)當(dāng)著重注意以下幾個(gè)方面的內(nèi)容：1）設(shè)計(jì)之初充分論證。在設(shè)計(jì)之初，應(yīng)當(dāng)充分全面的考慮，對可能存在的問題提出相應(yīng)的應(yīng)對措施，減少出現(xiàn)設(shè)計(jì)缺陷問題后所帶來的風(fēng)險(xiǎn)性。2）試驗(yàn)檢驗(yàn)時(shí)切忌以偏概全。無論是陸上聯(lián)調(diào)試驗(yàn)、系泊航行試驗(yàn)，還是鑒定定型試驗(yàn)，都要充分考慮不同環(huán)境、不同條件下的試驗(yàn)，本著發(fā)現(xiàn)、解決問題的態(tài)度做試驗(yàn)，積極正視和勇于發(fā)現(xiàn)試驗(yàn)中的問題。3）分析問題時(shí)運(yùn)用科學(xué)方法。在解決分析問題中，科學(xué)合理地運(yùn)用分析方法，比如排除法、等效模型法等，排除無關(guān)緊要的干擾條件，尋找問題根本，經(jīng)過分析論證后形成解決方案。4）仿真實(shí)驗(yàn)反復(fù)驗(yàn)證。在初步判定設(shè)計(jì)缺陷問題后，不要急于解決問題，應(yīng)當(dāng)借助相應(yīng)的仿真工具，進(jìn)行充分、反復(fù)的實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。5）通過試驗(yàn)進(jìn)一步論證。經(jīng)過仿真實(shí)驗(yàn)充分驗(yàn)證后，再在艦船上試驗(yàn)驗(yàn)證，直到問題完全解決。

圖4 排除缺陷問題的方法步驟

6 結(jié)語

在技術(shù)廠家修改完善自動(dòng)減機(jī)程序判定準(zhǔn)則后，再次進(jìn)行了逆功保護(hù)試驗(yàn)，經(jīng)過分析，當(dāng)時(shí)的2號(hào)機(jī)組為全船失電的干擾因素，故在后續(xù)試驗(yàn)中不考慮2號(hào)機(jī)組。1號(hào)、3號(hào)機(jī)組在網(wǎng)，在3號(hào)機(jī)組減速過程中，調(diào)節(jié)1號(hào)機(jī)組轉(zhuǎn)速，直到其逆功保護(hù)跳閘，3號(hào)機(jī)組立即停止減速，繼續(xù)在網(wǎng)供電，未出現(xiàn)全艦失電，應(yīng)證了仿真試驗(yàn)的正確性。

通過判定準(zhǔn)則的修改，彌補(bǔ)了該型艦船電力監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)缺陷，減少了全艦失電的可能性，有效地保障了電力系統(tǒng)的可靠運(yùn)行，增強(qiáng)了該型號(hào)艦船戰(zhàn)斗力，同時(shí)為其他艦船電力監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)的全面性提供了相應(yīng)案例。