船舶电网数字化保护系统可靠性建模与分析

崔忞忞

（海装上海局驻南京地区军事代表室，南京 210006）

0 引言

近年来，我国大型船舶发展迅速，智能化、数字化保护系统也开始在船舶上得到运用。然而，船舶电气二次装备与陆上变电站二次装备在结构和组成上均有区别，并且相比常规陆上变电站环境，船舶电气二次装备要承受更为恶劣的环境条件。同时，由于船舶空间狭窄，现场安装空间非常有限，这要求船舶电网保护系统的功能高度集成化。借鉴陆上电网智能变电站的成果，对船舶电网保护系统进行数字化与智能化改造是提高功能集成度、减少装置数量的有效手段。在新技术装舰应用前，需要通过仿真分析，对新型系统的可靠性与可用性进行比较和验证。

基于IEC 61850标准[1]，结合数字化变电站系统的特点，利用可靠性框图分析方法，有学者提出了一种通过子系统计算变电站整体可靠性的方法[2]。在数字化变电站系统划分中，将其分为通信系统、控制系统、保护系统、站控层系统。利用可用性框图可以得到每个子系统可靠性参数；通过系统与子系统的关系构造系统可用性框图，最终计算出整个变电站的可靠性参数。

可靠度和可用度是分别针对可修复系统和不可修复系统的2个评价指标，在考虑可用性时，需确定系统的检修策略，合理的检修策略能减少系统非计划停运时长，增加系统可用性。目前，我国的电力系统普遍采用定期检修策略，且近年来开始了状态检修与定期检修相结合的研究与实践[3]。文中保护系统的检修方式暂不考虑状态检修，采用故障检修与定期检修相结合的维修策略。

在可修系统可靠性的评估方法中，应用较为成熟的有解析法[4]和蒙特卡罗仿真法。其中，主要的解析法是马尔可夫模型法[4]。该方法能够建立精确的状态空间模型。但对于复杂系统，该方法容易导致状态空间爆炸问题。与之比较，蒙特卡罗仿真法按照抽样理论的原则，并不企图给出关于可靠性问题的解析表达式，而是通过指定数量的随机模拟实验来推导出系统的可靠性。当仿真次数足够大时，仿真结果将收敛，可以用来指导系统可靠性评估。

本文通过调研获取了船舶电网保护系统的典型结构、可靠性参数以及维修策略；利用可靠性框图分析方法，根据保护系统的典型结构，考虑组网方式，进行了船舶电网保护系统的可靠性建模，得到系统可靠度、失效率和元件重要度等参数。进一步考虑保护系统的检修策略，利用蒙特卡罗仿真法，进行船舶电网保护系统的可用性建模，得到系统可用度和失效数等参数。最后定量分析和对比了常规保护系统和数字化保护系统在可靠性与可用性方面的差异。

1 船舶电网保护系统结构

为对数字化保护系统的可靠性进行分析，本文以常规保护系统作为比较基准。为此，本节先分别给出这2类保护系统的结构。

1.1 常规保护系统

图1为常规保护系统的接线图，保护模拟量信号均通过电缆传输。本文重点考察发电机保护系统、弦侧跨保护系统和母线保护系统。

图1 船舶电网常规保护系统接线图

1）发电机保护系统：配置综合保护（简称“综保”）装置1，分别采集TA1、TA2的电流和PT1的电压，并以开关15为跳闸开关。开关1及分段开关A处的综保装置皆配置过电流保护，可作为发电机的远后备保护。

2）舷侧跨线保护系统：配置综保装置2，采集TA3、TA4的电流和PT1的电压，跳闸开关为开关1、开关5。

3）母线保护系统：配置综保装置3，采集TA2、TA3、TA5～7的电流和PT1的电压，跳闸开关为开关1、开关2、开关3、开关4、开关15。

此外，各开关自身都具有过流保护能力。

1.2 数字化保护系统

图2为数字化保护系统的接线图。与常规保护系统所不同的是，该新型保护系统引入了小型化的非常规互感器，并通过光纤传输电流信号。但电压信号仍采用模拟量采集方式，且跳闸信号也保留电缆直跳的方式。

图2 船舶电网数字化保护系统接线图

1）发电机保护系统：配置数字化综保装置1、合并单元HBQ1、非常规互感器DTU1/2以及电压互感器PT1，跳闸开关为开关15。其余配置情况同常规保护系统。

2）舷侧跨线保护系统：配置数字化综保装置2/3、合并单元HBQ2、非常规互感器DTU7/8以及电压互感器PT1/2，跳闸开关为开关1、开关5。其余配置同常规保护系统。

3）母线保护系统1：与发电机保护共用综保装置1，由合并单元HBQ1以及非常规互感器DTU1～6采集电流信号。母线保护系统2由综保装置4完成，保护系统配置与母线保护系统1相似。

2 可靠性建模与分析方法

2.1 可靠性框图

可靠性框图（Reliability Block Diagrams，RBD）方法能够描述完成特定系统功能的所有元件之间的逻辑连接[2]，是一种面向系统结构的常用可靠性分析方法。在建立系统RBD之后，可以找出系统的所有最小路集（minimal path sets），设为P1,P2, ···,Pp。设Xi是系统中第i个元件的状态（0代表失效，1代表工作）。则系统结构函数为

由此，将系统中每个元件的状态代入式（1），即可得到整个系统的状态。

本文只考虑保护系统拒动问题。根据图1和图2，可得到各保护系统的RBD，如图3～图5所示。

图3 发电机保护系统的可靠性框图

图3 发电机保护系统的可靠性框图（续）

图4 舷侧跨线保护系统的可靠性框图

图5 母线保护系统的可靠性框图

2.2 考虑检修策略的系统可用性分析

对于保护系统，本文采用由运行巡视、故障维修以及计划维修相结合的检修策略。上述基本维修任务的属性如表1所示[6]。其中，运行巡视包括人员例行巡视以及系统自检等方式；故障维修是指故障发生后的纠正性维修；而计划维修是指周期性开展的预防性维修措施。

表1 基本维修任务及其属性

2.3 蒙特卡罗仿真方法

RBD方法仅适用于不可修系统的可靠性分析。为了考虑检修策略，本文将其与蒙特卡罗仿真结合起来。蒙特卡罗仿真是一种利用重复统计实验来求解物理数学问题的方法。

设失效时间T的分布函数为FT(t)。当FT(t)是单调增函数时，对于所有y∈(0, 1)，F-1T(y)是唯一确定的。令Y＝FT(t)，则Y的分布函数为[8]

式中：如果在(0, 1)上均匀采集随机变量Y，那么随机变量T=F-1T(Y)将满足分布FT(t)。

根据各元件的故障分布和保护系统的维修策略，利用蒙特卡罗仿真方法根据式（1）生成随机事件的发生时刻，并结合RBD方法，即可得到系统各可用性参数。图6为仿真流程图。

3 结果与分析

3.1 参数设置

各装置可靠性参数与维修参数如表2所示，预防性维修的周期设为一年。本文假定所有元件的可靠性参数均符合指数分布，假定非常规互感器的可靠性不如常规互感器。考虑到船舶运行环境较为恶劣，表2中可靠性参数低于陆上同类型元件的可靠性[3]。

图6 蒙特卡洛仿真流程图

在进行蒙特卡罗仿真时，仿真时间设为10年，仿真次数设为1 000次。

表2 各装置可靠性参数与维修参数

3.2 可靠性计算结果

3.2.1 发电机保护系统

将常规保护系统与数字化保护系统横向对比于表3，可见，在仅有1套主保护时，数字化保护系统可用性低于常规保护系统。这是由于数字化保护系统中增加了合并单元，使得系统结构更为复杂，且现阶段非常规互感器的可靠性低于常规互感器。在配置了后备保护后，数字化保护系统与常规保护系统的可用性则基本一致。

表3 常规、数字化发电机保护系统可靠性

3.2.2 舷侧跨线保护系统

由表4可见，常规舷侧跨线保护只有一套主保护，而数字化舷侧跨保护的主保护有两套互为补充，因此其主保护系统可用性差异很小。在配置了后备保护后这种差距被进一步缩小。

3.2.3 母线保护系统

由表5可见，母线保护系统包含的元件数量明显多于发电机保护和跨线保护。在实施数字化方案后，系统中进一步增加了较多的非常规互感器，以及合并单元等装置，因此其主保护的可用性明显低于常规保护系统。而在考虑了后备保护后，常规保护系统与数字化保护系统的可用性基本一致。

表5 常规、数字母线保护系统可靠性

3.3 讨论

IEC 61508标准[24]中提供了电子与电气系统安全等级评判的一般依据。该标准将可修复系统的安全可靠等级分为1～4级，其中，4级为最高级别。根据本文的评估结果，上述保护系统的安全可靠等级只能达到2级（即系统可用性介于99.0%～99.9%）。陆上保护系统一般能达到3级（即系统可用性介于99.90%～99.99%）标准。

为了达到这个目标，可以考虑的改进方案包括：

1）在检修策略方面，可以改进现有的计划检修方式，引入状态检修以进一步降低非计划停运的发生概率。

2）在元件层面，可以提升非常规互感器等关键元件的可靠性，同时降低元器件的修复时间。

3）在系统方面，可以通过保护双重化来降低拒动概率；同时，提高作为后备保护的过流元件的可靠性。

此外，充分利用数字化保护系统的信息共享性，由综保装置1～4组成区域保护系统，也是值得重点研究的系统可用性提升方案。

4 结论

本文运用可靠性分析的一般方法，根据船舶保护系统的配置进行了可靠性、可用性建模，研究了各系统的可靠性、可用性指标。分别讨论了在不同保护配置情况下的系统可靠性，定量分析了后备保护对保护系统的显著影响。

随着后备保护的加入，发电机保护系统的可靠性不断加强，可用性安全等级均由第一级升至第二级，这代表着后备保护系统的加入可以显著增强系统可靠性。数字化保护系统中由于非常规互感器、合并单元和光纤等装置的加入，其可靠性与可用性比常规保护系统有所下降。在主、后备保护同时投运的情况下，整套保护系统的可靠性与可用性的差异被显著缩小。由此可见：在实用中采用数字化的主保护装置，可以在基本不影响保护系统可靠性的前提下，充分发挥和利用数字化技术的优势。