舰船电力系统风险评估指标体系研究∗

邹 枭 宋立忠 王 征

（海军工程大学电气工程学院 武汉 430033）

1 引言

随着舰船电力系统结构形式日趋复杂、电压等级提高、设备趋向大容量化，以及舰船综合电力系统对供电的要求越来越高，对舰船电力系统风险管控的研究越来越重要［1～2］。电力系统中，由于随机失效事件的不可控性，零风险绝无可能。引入风险管理可以使得用户掌握电力系统中风险水平有关的信息，使系统的风险水平处于可接范围内，维持电力系统安全和经济效益。电力系统风险评估已经在陆地电网中得到广泛应用，其评估指标主要通过计算随机变量（停电次数、停电持续时间等）的期望值来反映元件容量和停运、负荷曲线及其不确定性、系统结构、运行工况等多个因素的风险标识［3］。但由于舰船电力系统与陆地电网存在区别，舰船电力系统风险评估研究不能完全使用陆地风险评估指标，因此建立舰船电力系统风险评估指标体系很有必要。本文提出舰船电力系统风险评估指标体系，并以某型舰船逆变系统作为仿真模型，验证评估指标的合理性。

2 舰船电力系统风险评估定义

目前舰船电力系统风险评估研究未见报道，本文以电力系统风险评估定义为依据，将舰船电力系统的风险评估描述为舰船某一运行工况下，由于某种风险因素可能引起某种事故的发生，评估事故发生的概率和事故产生影响程度的综合度量。为了更好地表征出舰船电力系统在某一时刻的风险，采用风险指标的形式来进行定量计算，将舰船电力系统风险表示为

式中xt，f代表t时刻整个系统的运行状态，xt，j代表t 时刻系统中设备j 的运行状态，Pr(xt，j，xt，f)代表t时刻系统发生xt，f状态时设备j 出现状态xt，j的概率，Sev(xt，j)代表t 时刻设备j 出现状态xt，f对系统影响的严重度。

相比于舰船能量管理系统［4～5］的预警评估［6］，电力系统风险评估并不是直接将状态参数与界定阈值进行比较，而是将运行工况下每一类可能引发故障的状态参数波动风险均看成一个独立的整体。将某一种风险定义为风险Risk，通过对每一个风险Risk进行状态获取、指标计算、风险定级，完成对系统某类风险的评估。总的风险评估流程如图1所示。

图1 舰船电力系统风险评估流程

3 风险评估指标

与陆地电网相比，舰船电力系统整体线路短，规模小而紧凑，容量从几十到数千千瓦不等，远远小于陆地的兆瓦量级［7］。并且海上环境复杂多变，舰船电力系统中电压、频率易波动，但许多设备又不能轻易地断电切机，整个系统需要保持持续供电，断网级别与陆地电网区别很大。因此，本文立足舰船电力系统基础，针对其根本需求，为了更全面地反映出舰船电力部门舰员所关心的风险信息和系统运行状态，提出了一种针对舰船电力系统的风险评估指标体系。

指标体系结构如图2 所示，具体可以分为三个层次。目标层为电力系统风险评估，表示对舰船运行状态下总的评估目标。分目标层是评估中具体目标分类，包括电压越限风险指标、功率不匹配风险指标、频率偏移风险指标。指标层是对各个分目标层的具体状态细分，包括过电压指标和低电压指标、过载指标和轻载指标、频率偏移指标。

图2 电力系统风险评估指标

3.1 电压越限

第一，过电压指标，其表达式为

根据实际运行的情况，给出过压严重度指标，其计算式为

式中Pk表示系统中第k个设备因为过电压状态发生部分故障的概率，Sk为第k个设备的过电压严重度指标，Δvk为越限量，vk为设备的额定电压。

第二，低电压指标，其表达式为

根据实际运行的情况，给出低压严重度指标，其计算式为

式中Pk表示系统中第k 个设备因为低电压状态发生部分故障的概率，Sk为第k个设备的低电压严重度指标，Δvk为越限量，vk为设备的额定电压。

此处为了解决自动故障选择（ACS）研究初期的“遮蔽”缺陷［8］，因此定义严重度指标式为S=(Δx/X)2m的形式，根据ACS的应用经验和工程要求，上标中取m=1即可。

3.2 功率不匹配

第一，过载指标，其表达式为

根据实际运行的情况，给出过载严重度指标，其计算式为

式中Pk表示系统中第k 个设备因为功率过载状态发生部分故障的概率，Sk为第k个设备的功率过载严重度指标，pk为第k 个设备因为功率过载状态发生部分故障时的功率，pek为第k 个设备的额定功率。

第二，轻载指标，其表达式为

根据实际运行的情况，给出轻载严重度指标，其计算式为

式中Pk表示系统中第k个设备因为功率轻载状态发生部分故障的概率，Sk为第k个设备的功率轻载严重度指标，pk为第k个设备因为功率轻载状态发生部分故障时的功率，pek为第k个设备的额定功率。

3.3 频率偏移

频率偏移的表达式为

根据实际运行的情况，给出频率偏移严重度指标，其计算式为

式中Pk表示因为频率偏移造成出现部分故障的概率，Sk为第k个设备发生频率偏移的严重度指标，fk为第k 个设备发生频率偏移时的设备频率，f 为设备额定频率。

4 风险定级

陆地电网的风险等级研究文献中定级标准很多，具有一定借鉴意义，但所有规则的制定都与陆地电网特性是分不开的，这些不能直接用于舰船电力风险等级评定［9～10］。

舰船电力系统包括发电机组、配电柜、电网、负载等基本单元组成，相比陆地电网，整个电力系统连接线路短、设备集成紧凑、相互之间影响大、故障危害传递广，因此设备故障停运是舰船电力系统区域失效甚至整体崩溃的主要原因。设备故障可能由海况天气、元件老化、状态异常、碰撞打击等因素［11］引起，表征为电力系统参数变化。根据舰船电力系统运行保障要求，结合舰船电力系统风险指标，划分风险严重度等级是风险定级的重点。

系统风险严重程度并不是只与系统运行状态的风险严重度有关，可能还与设备损坏的风险性，设备运行的重要性，以及设备的灵敏度、危害度等因素有关［12］。因此本文引入设备重要度的概念，即设备的重要度因子γk，重要度分析也是进行系统风险评估的重要环节之一，通过确定系统中设备的重要度因子量化设备对系统的贡献度和影响程度。引入设备重要度的概念后，上文的第二节中提到的各种风险严重度指标计算式也可以得到进一步的优化。

电压越限风险中的严重度指标式（3）可以优化为式（12）:

功率不匹配风险中的严重度指标式（7）、（8）可以优化为式（13）:

频率偏移风险中的严重度指标式（11）可以优化为式（14）:

一般设备的重要度因子γk经由专家评审共同给出，对增加系统的安全性、可靠性和进行故障分析有着积极的意义。

本文参考实际舰船电力系统参数，借鉴GJB界定阈值，提出一种适用于舰船电力系统的风险等级划分方案，如表1所示。

由表1 的定级标准，可得到各个风险类别下的风险等级阈值，最后将系统实时的风险指标与风险等级阈值对比，得出系统实时的风险等级。

表1 风险等级标准

5 仿真验证

以某舰船逆变系统为研究对象，模拟电压越限、频率偏移、功率不匹配状态下逆变系统运行工况，评估各项风险指标。设定各设备额定电压为220V，额定频率为50Hz，额定功率为12kW。本文采用伪时序算法［13］进行状态筛选，以三个偏移状态量为一组，取其平均值作为某一运行工况下某时刻指标计算的状态参数值，如表2所示。

表2 设备状态量

由于舰船未建立可查阅的统计数据库，各个设备的故障概率及重要度借鉴IEEE发输电测试系统中相应量级设备的故障概率，如表3所示。

表3 故障概率及设备重要度

根据式（12）～（14）可计算出各个设备电压、频率、功率偏移的严重度指标。如表4所示。

表4 各个设备严重度指标

由此根据舰船电力系统风险评估定义式可计算出此时逆变系统电压、频率、功率的风险指标和等级水平。如表5所示。

此时逆变系统中功率不匹配风险水平偏高，容易产生故障及危害，在工程实践中可根据风险控制方案采取降低风险的措施，检查系统具体设备状态、观察环境状态是否异常，甄别造成风险水平上升的可能原因，密切关注系统中设备的后续变化，降低故障风险避免严重事故发生。

表5 系统风险指标及风险等级

6 结语

本文根据舰船电力系统与陆地电网的不同点，提出针对舰船电力系统的风险评估指标体系。同时以某舰船逆变系统为研究对象进行仿真验证，计算所得的系统风险指标及风险分级符合实际。