船舶电力系统短路保护性能综合量化指标模型

叶志浩，王 刚，黄 靖，方 明

（1.海军工程大学舰船综合电力技术国防科技重点实验室，武汉 430033；2.海军工程大学电气与信息工程学院电气工程系，武汉 430033）

船舶电力系统短路保护性能综合量化指标模型

叶志浩1，王 刚1，黄 靖2，方 明1

（1.海军工程大学舰船综合电力技术国防科技重点实验室，武汉 430033；2.海军工程大学电气与信息工程学院电气工程系，武汉 430033）

为了定量评价船舶电力系统的保护性能，提出了船舶电力系统保护选择性、快速性、灵敏性、可靠性等评价指标的量化方法，采用隶属度函数对以上四个指标进行归一化后，基于层次分析法对此“四性”指标进行综合，得到了评价船舶电力系统保护性能的综合量化指标。以典型四机、两电站船舶电力系统为例，分别计算了采用时间电流原则保护、差动保护时该网络保护性能的综合量化指标数据，并进行了比较，得到了差动保护性能更优的结论，与该电力系统实际运行经验吻合，证明了提出的综合量化方法的有效性。

船舶电力系统；保护；量化指标；层次分析法；综合量化

船舶电力系统在运行中可能出现各种不正常运行和故障情况，它们会使船舶电力系统的安全可靠运行受到威胁，影响船舶的功能操作及航行安全。因此，船舶电力系统必须设置可靠的保护装置。保护装置的基本任务和作用在于：可迅速断开故障线路，不使故障蔓延扩大并保证非故障线路能够正常连续供电；或者发出声光报警信号，使值班人员及时采取适当措施，排除故障[1]。可见，为遂行保护任务，保护装置必须满足如下要求：即选择性、快速性、灵敏性和可靠性。因此，船舶电力系统在选择保护方式或保护装置时，需要结合上述“四性”要求，对不同的方案进行性能评估。然而，目前通常的做法仅仅只能围绕保护“四性”要求，做到对保护装置保护性能的定性评估，尚无法从定量的角度给出合理的评判。而且，保护“四性”有时是相互矛盾的，比如：为了保证选择性，有时就要求保护动作必须具有一定的延时；为了保证灵敏性，有时就允许保护装置无选择地动作。此时，单纯的定性描述将使得设计者对系统保护设计更加无所适从。为了对不同的保护方案或系统保护性能进行综合评判，有必要对量化形式的保护评价指标进行系统研究，进而研究量化的上述“四性”指标的综合方法，为电力系统保护性能评估提供明晰的判断标准。

1 保护性能指标的量化描述

对船舶电力系统的保护性能通常从选择性、快速性、灵敏性、可靠性等4个方面进行评价，即所谓保护“四性”指标。

1.1 选择性C1

所谓选择性，是指继电保护在尽可能最小的范围内将故障部分自电网断开，最大限度保证非故障部分继续供电[2]。因此，可以将短路故障后失电范围作为选择性指标的量化方式，以符号Ksel表示，即求取非故障负荷失电数占总负荷数的百分比，最佳效果是百分比为零，Ksel=0，百分比越大，选择性越差，极端情况就是全船失电，非故障负荷失电百分比为100%，此时，Ksel=100%。

1.2 速动性C2

所谓速动性，是指继电保护以可能最短的时限将故障或异常工况自电网中切除或消除[2]，可直接用时间表述。考察从短路故障发生到保护设备（一般是断路器，以下均以断路器为例进行说明）开始动作的时间，这个时间通常为0.1～4.0 ms。t≤0.1 ms对应的速动性最佳；t≥4.0 ms对应的速动性最差。

1.3 灵敏性C3

保护装置反应故障的能力称为灵敏性，通常也称灵敏度。灵敏性以灵敏系数定量表述，其值为：常见不利运行方式和不利故障类型下的故障参数与整定动作值之比[2]，记为Ksen。当过电流保护作为主保护时，应采用最小运行方式下线路末端两相短路电流进行校验，要求Ksen≥（1.3～1.5）；作为相邻线路后备保护时，应采用最小运行方式下相邻线路末端两相短路电流进行校验，此时要求Ksen≥1.2。对于母线差动保护，灵敏系数Ksen≥2.0。基于此，不妨将用于灵敏性考核的灵敏度数值范围设定为1.1～4.0。

1.4 可靠性C4

可靠性是指该保护装置规定的保护范围内发生了它应该动作的故障时，它不应拒绝动作；在任何其他该保护不应该动作的情况下，则不应该误动作[2]。可以确定误动断路器数（Nw）和拒动断路器数（Nr）作为可靠性指标的量化方式。最佳效果是误动断路器数和拒动断路器数均为零；反之，数值越大，可靠性越差。实际应用中，可以取误动断路器数和拒动断路器数占断路器总数（N）的百分比作为量化指标，记为KN，则有

1.5“四性”指标的隶属度函数

由上述“四性”指标量化方式可见，各指标具有不同的量纲，为了得到综合的量化指标，首先需要对其进行无量纲处理。这里，将选择性、速动性、可靠性指标处理成成本型目标函数（最小最优），即

式中，X分别取Ksel、t、KN。

将灵敏性指标处理成效益型目标函数（最大最优），即

式中，X取为Kse。

进而采用直线型隶属度函数将“四性”指标对应的目标函数转化为反映对目标实现满意度的无量纲数据。

描述选择性、速动性、灵敏性和可靠性指标的隶属度曲线如图1所示。

图1 保护“四性”量化指标隶属度曲线Fig.1 Membership curves of evaluation indices of protection performance

2 基于层次分析法的综合目标判断矩阵

对保护“四性”量化指标的综合，可以以保护性能最佳为目标，采用层次分析法[3]，将选择性、快速性、灵敏性、可靠性作为其准则层的四个准则，按如图2所示的分析流程进行。

图2 层次分析法目标综合流程Fig.2 Flow chart of AHP

上述目标综合流程中，判断矩阵的构造可以先通过对不同准则两两之间进行比较，按照一定标度来描述被比较的两个准则之间的相对重要程度，进而获得判断矩阵的各元素值，最终形成互反的判断矩阵。

考虑到归一化的各指标在区间[0，1]内，为了保证权重的合理性，采用标度方法如表1所示。

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

根据上述反标度描述方法建立判断矩阵A为

可见，对该判断矩阵的解读为：选择性对于速动性而言更为重要，对于灵敏性而言明显重要，对于可靠性而言十分重要；速动性对于灵敏性而言更为重要，对于可靠性而言稍微重要；灵敏性对于可靠性而言微小重要。

该矩阵A的最大特征值为：λmax=4.020 1；对应归一化后的特征向量、即综合指标权重向量：W=[0.419 1 0.255 6 0.171 1 0.154 2]T；而综合目标函数为

式中：MC为指标隶属度函数集合；wi为对应的权重值。这里需要说明：由于归一化的各指标隶属函数值都在闭区间[0，1]内，则与指标所对应的权重越大，该指标对综合目标函数的影响越大。

3 计算实例

图3 典型四机、两电站船舶电力系统示意Fig.3 Sketch map of typical vessel power system with 4 generator sets and 2 power stations

一个典型的四机、两电站船舶电力系统网络结构示意如图3所示。对该网络设置发电机出口、母线、跨接线三个典型短路点，分别对采用时间电流原则保护、差动保护两种保护方式下进行了仿真分析，按照本文第1节提到的计算方法，得到保护“四性”量化指标，进而计算了系统保护性能综合量化指标。其中，时间电流原则又按照瞬时动作电流值的不同，分为两种情况。因为差动保护尚未实船应用，可靠性指标无法获取，为了体现比较条件的同一性，对“四性”量化指标中的可靠性指标均设置为1。

参照式（5），记F（1）对应时间电流原则、瞬时动作电流值设为7倍额定电流的保护整定方式；F（2）对应时间电流原则、瞬时动作电流值设为11倍额定电流的保护整定方式；F（3）对应差动保护方式。归一化后的综合量化指标计算结果如表2所示。

表2 综合量化指标计算结果Tab.2 Calculation results of integrated quantitative index

可见，F（3）＞F（2）＞F（1），表明对于典型四机、两电站船舶电力系统，差动保护性能最优，在时间电流原则保护中，整定动作值较大的保护性能更好。这一结论符合实际系统运行经验。

4 结语

对船舶电力系统保护性能指标进行量化和综合有利于给出系统保护方法的准确评价，对于船舶电力系统新型保护策略研究及现有保护方法性能改进意义重大。本文在给出船舶电力系统保护“四性”指标量化方法的基础上，基于层次分析法，得到了系统保护性能综合量化指标，结合一个典型的四机、两电站网络结构算例，计算得到了该网络应用时间电流原则保护、差动保护两种不同保护方法以及不同保护整定值时的保护性能综合量化数据。综合量化数据表明，对于典型四机、两电站网络，差动保护性能最优，在时间电流原则保护中，整定动作值较大的保护性能更好，该结论与实际运行经验是一致的，从而证明了本文开展的工作的有效性。

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[3]运筹学教材编写组.运筹学[M].3版.北京：清华大学出版社，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，FANG 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

叶志浩（1975—），男，博士，副教授，研究方向为电力系统保护与安全运行。Email：yxyx928@126.com

2012-05-31；

2012-08-23

国家自然科学基金项目（50977090，51077130）

王 刚（1970—），男，博士，副教授，研究方向为电力系统稳定计算与安全运行分析。Email：wanggang6074@126.com

黄 靖（1981—），男，硕士，讲师，研究方向为电力系统故障重构与安全运行。Email：hjing99421@126.com