船舶闭环电力系统的柴油发电机保护研究

颜建军，姜威威

(启东中远海运海洋工程有限公司，江苏 启东 226251)

0 引言

随着全球能耗日益加剧，能源资源日益减少，节能减排已成为各行各业共同的认知和目标，船舶行业也越来越关注船舶运营中产生的能源消耗和经济效益。近年来，由于闭环电力系统能够在电网中分配所有在网运行的发电机电能，在柴油发电机的数量和电网配置上具有充分的灵活性，较开环电力系统在经济效益上更具有优越性，因此闭环电力系统越来越多地被应用于船舶或海洋平台上。

然而，闭环电力系统将所有的母排连在一起，只要其一段母排或一组柴油发电机发生故障，将有可能导致全船电网的失电[1]。在这样的情况下，对于满足船级社动力定位设备等级2(DP2)和等级3(DP3)冗余要求的动力定位船舶，单纯的闭环电力系统很难满足设计要求，因此需要增加额外的保护系统。此保护系统在国内外都有相关的研究。国外最为典型的是挪威AGS康士伯系统(Advanced generator protection system)，但提供的资料很少，多数都是系统的功能描述。国内某研究所也有相关研究[2]，但也没有更为具体的故障检测方法，其设计的保护系统未进入商用阶段。

本文提炼国内外相关厂家或研究所的研究思路，结合实际项目，与荷兰电气集成商Bakker合作，建立了适用于闭环电力系统的柴油发电机保护系统故障检测模型，并实际应用于某超大型风电安装动力定位船舶上，并验证该模型的可靠性。

1 动力定位船舶闭环电力系统

现有的动力定位船舶的电力系统运行方式通常采用“母联开环”模式，见图1。该模式对整个配电系统的母排进行分段，若其中一段配电板或给其供电的电源装置发生故障不会延伸到与其相邻的配电板或电源装置。在这样的运行模式下，每段母排承载的负载不一样，且电源装置也都是相对独立地运行，功率管理系统不能够根据全船所有设备负载统一平均分配功率。因此在实际运行工况下，当增加某段母排负载时，需要增加其电源装置的功率输出，或启动同组的备用电源装置，这会增加整个系统运行的能耗。

DG—柴油发电机组；NO—母联开关常开；NC—母联开关常闭。

然而，动力定位船舶闭环电力系统，即“母联闭合”运行模式(见图2)是将整个配电系统母排汇合连在一起的，根据船舶各工况下所需设备的总功率，对所有电源装置实行统一、高效的负荷分配，减少在网运行的电源装置的数量。相比于“母联开环”运行模式，“母联闭环”模式更具有优势。闭环电力系统的柴油发电机保护系统在此背景下提出，用于动力定位船舶闭环电力系统的额外保护。

DG—柴油发电机组；NO—母联开关常开；NC—母联开关常闭。

2 常规的柴油发电机组保护系统

常规柴油发电机组保护系统主要由独立的柴油机保护系统和发电机保护系统组成，两者相互独立，作用对象不同，各自有一套独立的检测、判断和动作的控制系统。

常规柴油机保护系统的功能是通过物理传感器检测柴油机在运行过程中的油温、冷却水温、油压、输出功率、转速等过程量，将这些数据与柴油机转速和负荷标定的极限值相比较，判断柴油机是否处于正常运行状态，如运行过程中发现柴油机出现故障，系统通过执行回路发出停车指令，可最大程度地保护柴油机的安全[3]。

常规发电机保护系统的功能是通过电压、电流传感器和继电器保护模块检测发电机输出的电压、电流、频率和相位或通过自动电压调节器本身的励磁电流设定值判断发电机是否正常运行，并通过控制回路将故障发电机紧急隔离，以实现对发电机的保护，保证电网的电能质量和正常工作[4]。

常规柴油发电机组保护系统功能主要是判断机体本身的工作状态，不能对电网的整体运行状况进行判断和作用，缺乏对电力系统全局的考虑。

3 闭环电力系统的柴油发电机保护系统

对于复杂的具有动力定位功能的船舶闭环电力系统，常规的发电机保护系统的功能的局限性更为突出，如：其中一段配电板上的供电柴油发电机发生故障，将会反映到电网功率的分配、频率和电压的变化上，此时若故障机组没有及时隔离，这种变化将从一台故障机组通过电力回路延伸到其他配电板或机组，容易使故障连锁反应到各个配电板和电源装置中，从而导致电力系统故障超出船级社DP规范要求下定义的最大单点故障范围甚至导致整个电力系统的失电，最终使船舶失去动力定位能力。因此需要对整个电网增加额外的保护功能，提高电力系统的完整性、安全性，保证电力系统在动力定位船舶的应用。

闭环电力系统的柴油发电机保护系统是一种综合的保护系统，其研究和作用的对象是发电机组。系统能够提前预判在网的柴油发电机是否存在故障，对可预见的故障柴油发电机进行快速隔离，阻止故障延伸，防止整个闭环电力系统失电。柴油发电机保护系统主要功能是观察、分析和判断柴油发电机运行特性，将可能存在故障的机组进行预报警，或将超出其正常运行特性的柴油发电机进行快速切断，从而有效地隔离故障。相比常规的保护系统，其功能能够满足船级社对动力定位船舶闭环电力系统的规范要求。动力定位船舶闭环电力系统保护概观图见图3。

DG—柴油发电机组；G—发电机；P—有功功率；Q—无功功率；

4 保护系统的设计原理

船舶电源装置柴油发电机组主要是由原动机柴油机和同步发电机组成。柴油机提供有功功率，发电机产生无功功率。

有功功率P取决于电网的实际负载的电功率消耗，为所有的电力设备提供电能，计算如下：

P=UIcosφ

式中：U为电压；I为电流；φ为相位角。

而无功功率Q负责实现电力系统中所有电力设备和发电机间的能量转换，计算如下：

Q=UIsinφ

以上两者相互结合，缺一不可。它们与视在功率S之间的关系表示如下：

P2+Q2=S2

闭环电力系统的柴油发电机保护系统的设计灵感来源于这一基本电力系统的数学原理。

电力系统有功功率的输出则由原动机的调速器控制。调速器是一种自动调节装置，通过测到的有功功率和柴油机的实际转速，自动增减油门杆的位置或供油泵的供油量，使柴油机能够以稳定的转速或转动频率运行。调速器的基本控制模式为“下垂补偿”模式，见图4，整个图可反映柴油机的转动频率与有功功率之间的“下垂特性”函数关系。

电力系统无功功率的输出则由发电机的自动电压调节器控制。自动电压调节器通过检测发电机输出的电压和电流，计算无功功率，用以控制励磁电流的输出，从而调整发电机的输出电压，使电力系统电压稳定在一个固定值上。图2显示，多台发电机始终并联运行，其自动电压调节器的控制模式也和调速器一样，为“下垂补偿”模式，见图5，整个图表示为发电机的电压与发电机的无功功率之间的“下垂特性”函数关系。

f—频率;f*—某一时刻的主机频率;P—有功功率；

V—电压；V*—某一时刻的电压；KQ—下垂率；

有功功率特性体现的是柴油发电机有功功率P和频率f之间的关系，也是柴油发电机的负载特性，特性曲线下垂率是由柴油发电机的功率管理模块控制器的设定值确定的；无功功率特性体现的是发电机无功功率Q和电压V之间的关系，其下垂率也是由发电机的自动电压调节器的控制设定值确定的。其简化的数学公式为

f=f*-Kp(P-P*)

式中：f*为某一时刻后的频率；KP为下垂率；P*为某一时刻后的有功功率。

V=V*-KQ(Q-Q*)

式中：V*为某一时刻后的电压；KQ为下垂率；Q*为某一时间后的无功功率。

闭环电力系统的柴油发电机保护系统正是采用了这种特殊的“下垂特性”关系[2]，以此作为保护系统的研究基础。

5 保护系统的故障检测模型

将上述的“下垂特性”这种特殊关系引入柴油发电机的保护系统设计中，提出图6所示的柴油发电机保护系统的有功功率故障检测模型。该故障检测模型中的实线是柴油发电机预期的运行线，通过多次柴油发电机负载实验采集到的有功功率的数据绘制出，该运行线很明显地呈现出有功功率“下垂特性”。在实线上方和下方的2条虚线是保护系统动作的上限窗口ULW(upper limit window)和下限窗口LLW(lower limit window)，其斜率与下垂线一致。在柴油机运行时，故障检测模型将预期的有功功率和频率值与实际检测到的在网运行的柴油机输出的有功功率和频率值作比较。当实际检测到的运行参数在上限窗口或下限窗口范围内，保护系统判定柴油发电机运行正常；当实际检测的运行参数在上限窗口或下限窗口范围之外，保护系统则判定柴油发电机运行不正常或出现故障，并输出报警给船舶中央控制系统以及输出故障机组切断信号，将故障的柴油发电机从电网中迅速地隔离。

图6 柴油发电机保护系统有功功率故障检测模型图

在多次闭合电力系统的实验中发现：电力系统在接受大负载加载或减载的过程中，出现了有功功率或频率和无功功率或电压的短暂的较大幅度波动。在波动过程中，检测到这些运行参数在很短的时间内超出了上限窗口和下限窗口，但在随后的电网自身负荷的调整过程中，这些运行参数又能很快回归到正常窗口范围之内。这种情况对于满足船级规范要求的波动柴油发电机组来说应视为正常工作，而非出现故障。因此，需要进一步完善故障检测模型，见图7。设原有的上限窗口值为KULW1，下限窗口值为KLLW1，并相应地增加一组上限窗口值KULW2和下限窗口值KLLW2，同时引入了时间阈T。时间阈T是一种基于“下垂特性”的上限窗口或下限窗口的时间限制值，其数值伴随着上限窗口向上平移或下限窗口向下平移而减少。当检测到的柴油发电机有功功率运行参数在KULW1和KULW2之间或KLLW1和KLLW2之间的持续时间t小于T时，柴油发电机运行参数在很短的时间内又回到正常的范围内，此时视柴油发电机正常运行；当持续的运行时间t大于T时，运行参数未能及时回到正常的范围内，则视柴油发电机在故障状态下运行，并需要立即切断此故障柴油发电机组；当运行参数大于KULW2或KLLW2时，柴油发电机运行有较大的波动，此时不需要时间上的判断，保护系统立即切断故障机组。

图7 完善后的柴油发电机保护系统故障检测模型图

当保护系统检测到的有功功率P在预期的运行线上方时：

(1)如果P≤KULW1，保护系统不动作。

(3)如果P≥KULW2，保护系统则立即切断故障柴油发电机组。

当保护系统检测到的有功功率P在预期的运行线下方时：

(1)如果P≥KLLW1，保护系统不动作。

(3)如果P≤KLLW2，保护系统则立即切断故障柴油发电机组。

柴油发电机保护系统的无功功率故障检测模型与有功功率方法相同。电机运行时，保护系统故障检测模型将预期的无功功率和电压值与实际检测到的发电机的输出参数作比较，同时根据比较的结果，判定柴油发电机是否出现故障，并输出报警或直接输出切断信号，迅速隔离故障机组。

电力系统的运行状态由电网上的功率、电压、频率等运行参数反映。闭环电力系统柴油发电机保护系统能够记录更多的完整的机组的运行数据，通过这些参数不断地修正系统设定的保护动作限制窗口，优化自身的故障检测的准确性，完善系统的保护功能。

6 结语

基于某超大型风电安装动力定位船，对其闭环电力系统的柴油发电机保护系统进行实船验证。此闭环电力系统的柴油发电机保护系统能够及时准确地判断在网运行的故障机组，并在设定的判断时间范围内对故障机组进行迅速地切断，防止故障延伸导致闭环电力系统局部或全船失电的连锁反应。该保护系统满足最大单点故障失效分析的要求，保证了船舶电力系统的正常运行和船舶动力定位功能，得到了DNV船级社的认可，保护系统的故障检测模型在实际建造和运营的船舶上得到了验证。