船舶閉環電力系統的柴油發電機保護研究

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，節能減排已成為各行各業共同的認知和目標，船舶行業也越來越關注船舶運營中產生的能源消耗和經濟效益。近年來，由于閉環電力系統能夠在電網中分配所有在網運行的發電機電能，在柴油發電機的數量和電網配置上具有充分的靈活性，較開環電力系統在經濟效益上更具有優越性，因此閉環電力系統越來越多地被應用于船舶或海洋平臺上。

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

本文提煉國內外相關廠家或研究所的研究思路，結合實際項目，與荷蘭電氣集成商Bakker合作，建立了適用于閉環電力系統的柴油發電機保護系統故障檢測模型，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 動力定位船舶閉環電力系統

現有的動力定位船舶的電力系統運行方式通常采用“母聯開環”模式，見圖1。該模式對整個配電系統的母排進行分段，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，功率管理系統不能夠根據全船所有設備負載統一平均分配功率。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，這會增加整個系統運行的能耗。

DG—柴油發電機組；NO—母聯開關常開；NC—母聯開關常閉。

然而，動力定位船舶閉環電力系統，即“母聯閉合”運行模式(見圖2)是將整個配電系統母排匯合連在一起的，根據船舶各工況下所需設備的總功率，對所有電源裝置實行統一、高效的負荷分配，減少在網運行的電源裝置的數量。相比于“母聯開環”運行模式，“母聯閉環”模式更具有優勢。閉環電力系統的柴油發電機保護系統在此背景下提出，用于動力定位船舶閉環電力系統的額外保護。

DG—柴油發電機組；NO—母聯開關常開；NC—母聯開關常閉。

2 常規的柴油發電機組保護系統

常規柴油發電機組保護系統主要由獨立的柴油機保護系統和發電機保護系統組成，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。

常規柴油機保護系統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、轉速等過程量，將這些數據與柴油機轉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，如運行過程中發現柴油機出現故障，系統通過執行回路發出停車指令，可最大程度地保護柴油機的安全[3]。

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

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

3 閉環電力系統的柴油發電機保護系統

對于復雜的具有動力定位功能的船舶閉環電力系統，常規的發電機保護系統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電機發生故障，將會反映到電網功率的分配、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，從而導致電力系統故障超出船級社DP規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增加額外的保護功能，提高電力系統的完整性、安全性，保證電力系統在動力定位船舶的應用。

閉環電力系統的柴油發電機保護系統是一種綜合的保護系統，其研究和作用的對象是發電機組。系統能夠提前預判在網的柴油發電機是否存在故障，對可預見的故障柴油發電機進行快速隔離，阻止故障延伸，防止整個閉環電力系統失電。柴油發電機保護系統主要功能是觀察、分析和判斷柴油發電機運行特性，將可能存在故障的機組進行預報警，或將超出其正常運行特性的柴油發電機進行快速切斷，從而有效地隔離故障。相比常規的保護系統，其功能能夠滿足船級社對動力定位船舶閉環電力系統的規范要求。動力定位船舶閉環電力系統保護概觀圖見圖3。

DG—柴油發電機組；G—發電機；P—有功功率；Q—無功功率；

4 保護系統的設計原理

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

有功功率P取決于電網的實際負載的電功率消耗，為所有的電力設備提供電能，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負責實現電力系統中所有電力設備和發電機間的能量轉換，計算如下：

Q=UIsinφ

以上兩者相互結合，缺一不可。它們與視在功率S之間的關系表示如下：

P2+Q2=S2

閉環電力系統的柴油發電機保護系統的設計靈感來源于這一基本電力系統的數學原理。

電力系統有功功率的輸出則由原動機的調速器控制。調速器是一種自動調節裝置，通過測到的有功功率和柴油機的實際轉速，自動增減油門桿的位置或供油泵的供油量，使柴油機能夠以穩定的轉速或轉動頻率運行。調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動頻率與有功功率之間的“下垂特性”函數關系。

電力系統無功功率的輸出則由發電機的自動電壓調節器控制。自動電壓調節器通過檢測發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，從而調整發電機的輸出電壓，使電力系統電壓穩定在一個固定值上。圖2顯示，多臺發電機始終并聯運行，其自動電壓調節器的控制模式也和調速器一樣，為“下垂補償”模式，見圖5，整個圖表示為發電機的電壓與發電機的無功功率之間的“下垂特性”函數關系。

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；

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

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。

閉環電力系統的柴油發電機保護系統正是采用了這種特殊的“下垂特性”關系[2]，以此作為保護系統的研究基礎。

5 保護系統的故障檢測模型

將上述的“下垂特性”這種特殊關系引入柴油發電機的保護系統設計中，提出圖6所示的柴油發電機保護系統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電機預期的運行線，通過多次柴油發電機負載實驗采集到的有功功率的數據繪制出，該運行線很明顯地呈現出有功功率“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在上限窗口或下限窗口范圍內，保護系統判定柴油發電機運行正常；當實際檢測的運行參數在上限窗口或下限窗口范圍之外，保護系統則判定柴油發電機運行不正常或出現故障，并輸出報警給船舶中央控制系統以及輸出故障機組切斷信號，將故障的柴油發電機從電網中迅速地隔離。

圖6 柴油發電機保護系統有功功率故障檢測模型圖

在多次閉合電力系統的實驗中發現：電力系統在接受大負載加載或減載的過程中，出現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在很短的時間內超出了上限窗口和下限窗口，但在隨后的電網自身負荷的調整過程中，這些運行參數又能很快回歸到正常窗口范圍之內。這種情況對于滿足船級規范要求的波動柴油發電機組來說應視為正常工作，而非出現故障。因此，需要進一步完善故障檢測模型，見圖7。設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。當檢測到的柴油發電機有功功率運行參數在KULW1和KULW2之間或KLLW1和KLLW2之間的持續時間t小于T時，柴油發電機運行參數在很短的時間內又回到正常的范圍內，此時視柴油發電機正常運行；當持續的運行時間t大于T時，運行參數未能及時回到正常的范圍內，則視柴油發電機在故障狀態下運行，并需要立即切斷此故障柴油發電機組；當運行參數大于KULW2或KLLW2時，柴油發電機運行有較大的波動，此時不需要時間上的判斷，保護系統立即切斷故障機組。

圖7 完善后的柴油發電機保護系統故障檢測模型圖

當保護系統檢測到的有功功率P在預期的運行線上方時：

(1)如果P≤KULW1，保護系統不動作。

(3)如果P≥KULW2，保護系統則立即切斷故障柴油發電機組。

當保護系統檢測到的有功功率P在預期的運行線下方時：

(1)如果P≥KLLW1，保護系統不動作。

(3)如果P≤KLLW2，保護系統則立即切斷故障柴油發電機組。

柴油發電機保護系統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電機的輸出參數作比較，同時根據比較的結果，判定柴油發電機是否出現故障，并輸出報警或直接輸出切斷信號，迅速隔離故障機組。

電力系統的運行狀態由電網上的功率、電壓、頻率等運行參數反映。閉環電力系統柴油發電機保護系統能夠記錄更多的完整的機組的運行數據，通過這些參數不斷地修正系統設定的保護動作限制窗口，優化自身的故障檢測的準確性，完善系統的保護功能。

6 結語

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