某型艦船電力監控系統設計缺陷與排除

劉 鏑 郭征征

（91404部隊 秦皇島 066000）

1 引言

艦船電力系統是一個規模較小，但又十分復雜的系統，其為艦船推進系統、作業系統、航行設備等提供電力。電站系統作為艦船電力系統的核心，由發電機組、主配電板及電站監控裝置等組成。在全系統運行過程難免會出現各種故障，為確保電力系統的安全、穩定運行，確保供電連續性，提高電力系統的供電生命力［1］，電力監控系統應運而生。電力監控系統，即通過計算機或者其他通訊設備，實時監控系統的運行情況、工作狀態以及各方面的信息等。電力監控系統具備多種功能，能實現數據的分析、處理和儲存，在供電配電設計中使用電力監控系統，可以大大地提高系統的工作效率、節約電力資源和消費成本，它是供配電系統中十分重要的一部分［2］。艦船電力監控系統更注重電力資源調配、電網安全保護以及監測故障報警等，是艦船操作人員實時掌握艦船電力信息、控制電力資源提供最重要的渠道。

2 某型艦船電力系統

2.1 電力系統組成

某型艦船電力系統由前后2個電站，每個電站2臺柴油機發電機組成，滿足艦船進出港、停泊、應急、戰斗等各種工況下的用電需求。電站由4臺P額kW柴油發電機組，并配備有交流主配電網絡、事故電力網、蓄電池組等輔助電力設備。如圖1所示，DG1-DG4為4臺柴油發電機組，通過QF1-QF4隔離斷路器與電網系統連接，QF1具有對主干線路的保護功能。當線路出現故障，能夠檢測到的兩個變化量分別是突變電流和電流方向，通過這兩個量的變化來制定相應的判據，以實現對主干線路的保護［3］。QF5-QF8為跨接斷路器，用于電力網絡組網和隔離。跨接斷路器的目的是為了實現環網的重構，在分組并聯的兩個發電機都故障的情況下需要通過環網重構來對該組負載進行供電，跨接斷路器能實現無電壓時自動重構和地面通電檢查完畢后的自動斷開，整個過程實現了自動化［4］。QF9為岸電斷路器，用于連接岸電的主要開關。岸電是在停泊港口或電力應急等情況下使用，通過岸電斷路器QF9與岸上電源連接。

圖1 某型艦船電力系統結構示意圖

2.2 電力系統運行

任意兩臺或三臺發電機組可長期并聯運行或轉移負荷。每臺發電機組可單獨運行。任一臺發電機與岸電間可短期并聯帶電轉移負荷。電站采取機電集控室（通用監控管理臺）、主配電板室（機組控制器）和機旁（機旁控制箱）三級監控。同時采取分級保護措施，使系統故障時將其影響限制在最小范圍。電機增減順序按照預先設定的優先級，優先級高的電機優先并入或減退，優先級低的電機在優先級增減后或因故障無法增減的情況下逐級增減。電站控制方式根據自動化控制程度分為手動、半自動、自動和集控。QF1-QF4隔離斷路器是電站并網或隔離的控制開關，決定了電力系統的供電電機，也對電力系統網能夠起到保護作用；QF5-QF8跨接斷路器，用于前后電站的并網重構或者隔離，對電力體統網絡具有保護作用。

3 問題的提出

3.1 試驗現象

在自動控制模式下，進行1號機組的逆功保護試驗，當時的在網機組為1、2、3號機組，備用機組優先順序設置為1、3、2、4。在機組控制器上，通過手動調節1號機組轉速，使得1號機組出現逆功保護。在試驗進行時，出現了全艦失電，引起部分電子儀器儀表設備等出現故障，其他相關試驗無法繼續進行。

3.2 故障分析

當時由于試驗任務的需要，艦上部分設備關機，使得艦上負載保持在700kW左右。按照電力監控自動減機程序判斷準則，此時在網負載已經低于兩機自動減機規定負載750kW，更遠遠低于三機并網條件。在電力監控系統的自動控制下，2號機組由于優先級別低，率先進入減機程序，減速退出；在網機組變為1號和3號機組，在網負載達不到兩機并網條件，3號機組也自動進入減機程序，減速退出。此時1號機組逆功跳閘，3號機繼續執行自動減機程序，造成全船失電。根據故障現象，檢查電力監控故障記錄信息，可以判定是由于電力監控自動減機程序判斷準則設計存在一定缺陷，沒有充分考慮此等情況，將原有準則上增加條件：當雙機并網過程中，在網負載小于雙機并網規定功率，而優先級別高的機組出現故障被隔離時，另一機組應立即停止減機程序，繼續在網供電。

4 仿真實驗

4.1 模擬故障實驗

基于Matlab軟件中Simulink仿真平臺，利用SimPowerSystems庫中的電力、電子元器件建模，按照原有的電力監控自動減機程序判斷準則，對逆功保護試驗出現的逆功保護進行模擬試驗，采集電網中的電壓、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。根據判定準則的規定，3號機組在2.8s左右執行減機程序，并在1號機組逆功跳閘后未停止減機，繼續執行退出命令，從而整個電網中電壓、電流快速趨于零，造成全船失電。

圖2 模擬故障時電壓電流變化圖

全艦失電一定時間間隔后，電網將進入失電自啟動程序，優先級高的機組將自動啟動，并網運行，電力系統將恢復供電，仿真實驗中不作相關描述。

4.2 對比實驗

根據前期的分析，修改相應的自動減機程序判斷準則，并利用電力系統模型進行修改準則后的仿真實驗，同樣采集電網中的電壓、電流，觀察其變化情況。可以從圖3中看出，在1號機組逆功保護跳閘后，電網未出現全艦失電。由于全網負荷達不到兩機并網運行，3號機組執行減機程序，而在此時，唯一在網供電的1號機組出現逆功跳閘，電網中電壓、電流出現短暫震蕩后，3號機組并未退出電網，繼續為電網供電，整個過程中不會出現全船失電的類似情況。

圖3 修改準則后故障時電壓電流變化圖

5 缺陷排除

排除艦船硬件故障的方法很多，當前基于人工神經網絡、粗糙集理論、信息融合技術的智能故障診斷技術得到了飛速的發展和較好的應用［5］，然而在檢測艦船設計缺陷方面的方法、手段卻寥寥無幾。設計缺陷問題通常是事后發現、事后分析、事后解決，發生問題后可采用分析論證、形成解決方案、仿真試驗、試驗驗證等幾個步驟，可參看圖4。在解決設計缺陷問題方面，應當著重注意以下幾個方面的內容：1）設計之初充分論證。在設計之初，應當充分全面的考慮，對可能存在的問題提出相應的應對措施，減少出現設計缺陷問題后所帶來的風險性。2）試驗檢驗時切忌以偏概全。無論是陸上聯調試驗、系泊航行試驗，還是鑒定定型試驗，都要充分考慮不同環境、不同條件下的試驗，本著發現、解決問題的態度做試驗，積極正視和勇于發現試驗中的問題。3）分析問題時運用科學方法。在解決分析問題中，科學合理地運用分析方法，比如排除法、等效模型法等，排除無關緊要的干擾條件，尋找問題根本，經過分析論證后形成解決方案。4）仿真實驗反復驗證。在初步判定設計缺陷問題后，不要急于解決問題，應當借助相應的仿真工具，進行充分、反復的實驗驗證。5）通過試驗進一步論證。經過仿真實驗充分驗證后，再在艦船上試驗驗證，直到問題完全解決。

圖4 排除缺陷問題的方法步驟

6 結語

在技術廠家修改完善自動減機程序判定準則后，再次進行了逆功保護試驗，經過分析，當時的2號機組為全船失電的干擾因素，故在后續試驗中不考慮2號機組。1號、3號機組在網，在3號機組減速過程中，調節1號機組轉速，直到其逆功保護跳閘，3號機組立即停止減速，繼續在網供電，未出現全艦失電，應證了仿真試驗的正確性。

通過判定準則的修改，彌補了該型艦船電力監控系統設計缺陷，減少了全艦失電的可能性，有效地保障了電力系統的可靠運行，增強了該型號艦船戰斗力，同時為其他艦船電力監控系統設計的全面性提供了相應案例。