船舶电力系统静态安全分析概述＊

（海军工程大学电气工程学院 武汉 430033）

1 引言

自20世纪60年代以来，大面积停电事故时有发生，各国对电力系统安全分析开始有所重视。进入21世纪后，国内外电力系统同相继发生多起大面积停电事故，特别是美加大停电、莫斯科大停电和伦敦大停电，都造成了严重的经济损失和政治影响。这引起了社会各界对电力系统安全性的高度关注。

而目前随着现代船舶向大型化、现代化、自动化不断发展，船舶电站容量显著增大，电网规模庞大，结构更趋复杂。船舶静态安全分析必将因此而越来越受到重视。它可以对整个船舶电力系统进行实时安全监测，并对预想事故进行安全分析，为供配电管理和负载管理提供决策建议，改善和显著提高船舶电网的安全稳定运行水平，对维护电力系统稳定性、确保电力系统安全稳定运行、保障船舶生命力有着重要作用。

2 陆地电力系统静态安全分析现状

通常电力系统运行状态分为以下五种：1）安全正常状态；2）警戒状态；3）紧急状态；4）系统崩溃；5）待恢复状态［1～5］。系统各运行状态及其相互间的转变关系如图1所示。

目前，电力系统安全分析分为两个研究领域，即静态安全分析和动态安全分析。发生预想事故后判断系统是否过载或者越限的功能称之为静态安全分析，即只考虑事故后稳态运行状态的安全性，而不考虑从当前的运行状态向事故后稳态运行的动态转移；对于事故后的动态过程中系统是否失稳的功能则被称为动态安全分析［6～8］。

图1 电力系统各运行状态及其相互间的转变关系

静态安全分析的一个主要任务就是对电网可能发生的事故进行假想在线计算分析。因此，预想事故分析是静态安全分析的重点。预想事故分析就是对一个电力系统事先分析其潜在事故对其的影响和可能造成的破坏。预想事故分析过程主要包括故障定义、故障扫描和故障详细分析三个部分，如图2所示。

故障定义是根据电力系统运行的拓扑结构、运行方式自动确定预想事故集［1～2］。事故集中的事故可根据软件离线仿真分析和有经验的调度员的需要来确定，一般来说，预想事故至少包括开断一条支路或者一台发电机［9］。

图2 预想事故分析的过程

故障扫描与排序是排除定义的事故集中暂无危害的事故，并按照其对电力系统的危害程度进行排序。目前，扫描方法可分为两大类［10］。一为直接法，顾名思义直接快速求解故障后潮流计算并按一定指标排序。文献［11～13］这些算法都提出了改进的直接法进行计算，但是目前并没有一种方法可以使得算法精度与算法速度并存。二为间接法，不直接进行潮流计算，而是以事故发生时的某些参数为依据来进行排序，其特点是速度快，内存占有少，但精确度较低。近年来由于人工智能的长足发展［14］，许多专家学者也提出了一些基于人工神经网络［15～16］、模糊算法［17］等的预想事故自动选择方法。目前存在的方法很少进入现场考验和实施阶段，且存在一些问题有待于进一步解决。式（1）是目前陆地电网较为常见的危害度指标［2］。

式中，D为危害度行为指标，a为有功功率过负荷的线路集合，Pl为支路l中的有功潮流为支路l中的有功功率极限值，Wl为支路l的权重，n为正整数，Wvi为节点i的电压全因子，为节点i的电压模值极限，β为电压越限的节点集合，Qi为节点i的注入无功功率为节点i的注入无功功率极限，WQi为节点i的注入无功功率权因子，γ为无功功率高于上限和下限的节点集合，λp为有功的权重，λUQ为无功的权重。

故障详细分析是针对扫描后的故障进行详细的潮流计算。目前陆用电力系统主要的方法有直流潮流法和P-Q 分解法。直流潮流法特点是计算速度快，但是不足之处在于精度差、误差大。P-Q 分解法是一种占用内存少，计算精度较高的算法但由于需要迭代求解，该方法总是比较费时的［1］。

但是船舶电力系统，在运行设备、运行环境等方面与陆地电力系统存在一定区别，因此在船舶电力系统上实现静态安全分析不可能照搬陆地电力系统静态安全分析的方法，应对船舶电力系统的实际情况做出相应改变，必须针对其自身特点对其进行规划和设计。

3 船舶电力系统静态安全分析的提出与实现

由上文可知安全状态和警戒状态是电力系统运行中的两个相对的状态，目前船员只能通过经验来识别这两种状态。但是随着船舶电站容量显著增大，电网规模庞大，结构更趋复杂，不同区域之间的互联更加紧密，设备故障波及范围扩大，影响系统稳定的因素和不确定性因素增加，船员已经难以根据经验来判断当前电力系统的安全运行状态。简单地说，船舶电力系统静态安全分析则可以帮助舰员实现对整个船舶电力系统的安全监测，有效区分安全状态与警戒状态。静态安全分析在船舶电力系统整个功能实现的过程中的作用愈发重要，但是在船舶电力系统静态安全分析方面的研究几乎为一片空白，研究意义非常重大。

根据船舶电力系统自身的特点，预想事故分析包括预想事故集定义、预想事故扫描与排序和危害度评估等部分，其主要过程如图3所示。

在预想事故集定义时，由于船舶电力系统在不同工况下运行方式差异较大，当其运行方式、网络拓扑发生变化时，影响电力系统运行状态的故障会发生变化，因此事故集合中的预想事故也应发生相应变化。这就要求预想事故分析所定义的事故集中的元素不是一成不变的，而是动态的。目前陆地电网电力系统由于规模比较大、线路多等原因计算机软件还不能做到完全自动选择故障。而船舶电力系统是一个小型的独立电力系统，发电单元和线路相对较少，有条件做到完全自动选择故障。同时单重元件的开断仍有可能对系统产生有较大危害的故障，所以N-1扫描式的故障选择对于船舶电力系统来说是首选的预想事故集定义方法。

陆地电网实现预想事故扫描的方法目前主要难点在于解决速度与精度矛盾。前文提到船舶电力系统的发电单元和线路相对较少，可以有条件实现在对预想事故快速扫描的同时实现单故障详细分析。但是船舶上的空间相对有限，无法放置大型计算机使用过于复杂的算法来进行精确的计算，因此应该利用电力系统的实时信息选择一种复杂度和精确度都合适的直接法来选择能够危害系统正常运行的预想事故。在对预想事故扫描之后需要对这些事故对系统所产生的危害按照一定的行为指标进行排序，按照从大到小的顺序排列得出预想事故一览表。然而目前为止并无权威的行为指标来定义预想事故的危害度。

由式（1）可知陆地电力系统对危害度的考量侧重于功率和电压的过载情况。船舶电力系统作为一个小型的独立电力系统，负载的供电路径较少，失电的概率比陆地电网大得多。同时推进负载等重要负载就是船舶的生命，一旦推进负载失电将造成极为严重的后果。因此全船失电或者推进负载和重要负载的失电是不能容忍的。另一方面，由于设备与线路留有的负载裕度较大，即便出现过载和越限，暂时也不会出现较大问题。综上所述，船舶电力系统的预想事故危害度行为指标应当按全船失电、区域失电、发电机过载、区域过载危害性递减的排序方式来评估。对于同一负载，失电故障应当跟负载失电前的功率与负载的额定功率之比为有关。失电前的功率占额定功率越大危害程度应当越大。以直流系统为例，归纳出船舶电力系统静态安全分析的危害度指标如式（2）。

其中，λl为发生失电故障的危害权重，λo为发生过载故障的危害权重，α为发生失电的故障集合，β为发生过载的故障集合，Wl为各失电故障的权因子，Wo为各过载故障的权因子，Pl为发生失电故障前区域l的功率，为区域l功率极限值，Pm为发生过载故障时区域m的功率值，为区域m功率的极限值。由前文分析可知，在船舶电力系统危害度指标中失电的权重系数应当远大于过载，同时推进负载等重要负载的失电权因子也应当大于次要负载。通过将功率的比值置于分母来实现归一化，保证了公式的合理性。

评估与决策建议是通过定义船舶电力系统静态安全裕度的行为指标，来对目前正在运行的电力系统的安全性做一个全面的评估，并对供配电管理和负载管理提出决策建议。简单地说就是通过对安全裕度的阈值设定来判断当前电力系统运行的状态。但是目前静态安全裕度概念并没有被提出。静态安全裕度作为当前电力系统运行的安全评价，各预想事故的危害度自然是需要考虑的一方面。而推进负载作为一个重要负载是船舶的生命力所在，需要有一定的功率储备来保证推进负载。同样的，一些船舶的重要负载也需要一定的功率储备，一般来说，功率储备多则安全裕度相对较高。因此，本文认为船舶电力系统静态安全裕度应当包括各预想事故的危害度和功率储备，提出静态安全裕度指标如式（3）所示。

式中S为安全裕度行为指标，v1为危害度指标的权重，v2为功率储备的权重，α为当前工况预想事故集，β为发电机集合，pg为系统中发生预想事故g的可能性，Dg为系统中发生预想事故g的危害度，ps为系统总输出的额定功率，pi为发电机输出的总功率。公式第一项为目前系统的潜在危害对安全的影响，而第二项为目前系统的功率储备。

基于以上理论为基础，现以某船电力系统为模型，构建基于C＃的船舶电力系统静态安全分析模块，通过对预想事故的快速扫描，本模块可实现预想事故的后果分析，同时可给出当前工况的各项危害度指标及安全裕度指标，如图4所示。

图4 快速扫描与危害度分析功能

4 结语

本文在陆地电网静态安全分析的基础上，结合船舶电力系统自身特点，提出了船舶电力系统静态安全分析的过程与方法和适合船舶电力系统预想事故的危害度指标和安全裕度指标，在实验平台的环境中实现了静态安全分析功能，为船舶电力系统提供了有力的保障。

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