艦船電力系統(tǒng)風(fēng)險評估指標(biāo)體系研究?

鄒 梟 宋立忠 王 征

（海軍工程大學(xué)電氣工程學(xué)院 武漢 430033）

1 引言

隨著艦船電力系統(tǒng)結(jié)構(gòu)形式日趨復(fù)雜、電壓等級提高、設(shè)備趨向大容量化，以及艦船綜合電力系統(tǒng)對供電的要求越來越高，對艦船電力系統(tǒng)風(fēng)險管控的研究越來越重要［1～2］。電力系統(tǒng)中，由于隨機(jī)失效事件的不可控性，零風(fēng)險絕無可能。引入風(fēng)險管理可以使得用戶掌握電力系統(tǒng)中風(fēng)險水平有關(guān)的信息，使系統(tǒng)的風(fēng)險水平處于可接范圍內(nèi)，維持電力系統(tǒng)安全和經(jīng)濟(jì)效益。電力系統(tǒng)風(fēng)險評估已經(jīng)在陸地電網(wǎng)中得到廣泛應(yīng)用，其評估指標(biāo)主要通過計(jì)算隨機(jī)變量（停電次數(shù)、停電持續(xù)時間等）的期望值來反映元件容量和停運(yùn)、負(fù)荷曲線及其不確定性、系統(tǒng)結(jié)構(gòu)、運(yùn)行工況等多個因素的風(fēng)險標(biāo)識［3］。但由于艦船電力系統(tǒng)與陸地電網(wǎng)存在區(qū)別，艦船電力系統(tǒng)風(fēng)險評估研究不能完全使用陸地風(fēng)險評估指標(biāo)，因此建立艦船電力系統(tǒng)風(fēng)險評估指標(biāo)體系很有必要。本文提出艦船電力系統(tǒng)風(fēng)險評估指標(biāo)體系，并以某型艦船逆變系統(tǒng)作為仿真模型，驗(yàn)證評估指標(biāo)的合理性。

2 艦船電力系統(tǒng)風(fēng)險評估定義

目前艦船電力系統(tǒng)風(fēng)險評估研究未見報道，本文以電力系統(tǒng)風(fēng)險評估定義為依據(jù)，將艦船電力系統(tǒng)的風(fēng)險評估描述為艦船某一運(yùn)行工況下，由于某種風(fēng)險因素可能引起某種事故的發(fā)生，評估事故發(fā)生的概率和事故產(chǎn)生影響程度的綜合度量。為了更好地表征出艦船電力系統(tǒng)在某一時刻的風(fēng)險，采用風(fēng)險指標(biāo)的形式來進(jìn)行定量計(jì)算，將艦船電力系統(tǒng)風(fēng)險表示為

式中xt，f代表t時刻整個系統(tǒng)的運(yùn)行狀態(tài)，xt，j代表t 時刻系統(tǒng)中設(shè)備j 的運(yùn)行狀態(tài)，Pr(xt，j，xt，f)代表t時刻系統(tǒng)發(fā)生xt，f狀態(tài)時設(shè)備j 出現(xiàn)狀態(tài)xt，j的概率，Sev(xt，j)代表t 時刻設(shè)備j 出現(xiàn)狀態(tài)xt，f對系統(tǒng)影響的嚴(yán)重度。

相比于艦船能量管理系統(tǒng)［4～5］的預(yù)警評估［6］，電力系統(tǒng)風(fēng)險評估并不是直接將狀態(tài)參數(shù)與界定閾值進(jìn)行比較，而是將運(yùn)行工況下每一類可能引發(fā)故障的狀態(tài)參數(shù)波動風(fēng)險均看成一個獨(dú)立的整體。將某一種風(fēng)險定義為風(fēng)險Risk，通過對每一個風(fēng)險Risk進(jìn)行狀態(tài)獲取、指標(biāo)計(jì)算、風(fēng)險定級，完成對系統(tǒng)某類風(fēng)險的評估?？偟娘L(fēng)險評估流程如圖1所示。

圖1 艦船電力系統(tǒng)風(fēng)險評估流程

3 風(fēng)險評估指標(biāo)

與陸地電網(wǎng)相比，艦船電力系統(tǒng)整體線路短，規(guī)模小而緊湊，容量從幾十到數(shù)千千瓦不等，遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于陸地的兆瓦量級［7］。并且海上環(huán)境復(fù)雜多變，艦船電力系統(tǒng)中電壓、頻率易波動，但許多設(shè)備又不能輕易地?cái)嚯娗袡C(jī)，整個系統(tǒng)需要保持持續(xù)供電，斷網(wǎng)級別與陸地電網(wǎng)區(qū)別很大。因此，本文立足艦船電力系統(tǒng)基礎(chǔ)，針對其根本需求，為了更全面地反映出艦船電力部門艦員所關(guān)心的風(fēng)險信息和系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)，提出了一種針對艦船電力系統(tǒng)的風(fēng)險評估指標(biāo)體系。

指標(biāo)體系結(jié)構(gòu)如圖2 所示，具體可以分為三個層次。目標(biāo)層為電力系統(tǒng)風(fēng)險評估，表示對艦船運(yùn)行狀態(tài)下總的評估目標(biāo)。分目標(biāo)層是評估中具體目標(biāo)分類，包括電壓越限風(fēng)險指標(biāo)、功率不匹配風(fēng)險指標(biāo)、頻率偏移風(fēng)險指標(biāo)。指標(biāo)層是對各個分目標(biāo)層的具體狀態(tài)細(xì)分，包括過電壓指標(biāo)和低電壓指標(biāo)、過載指標(biāo)和輕載指標(biāo)、頻率偏移指標(biāo)。

圖2 電力系統(tǒng)風(fēng)險評估指標(biāo)

3.1 電壓越限

第一，過電壓指標(biāo)，其表達(dá)式為

根據(jù)實(shí)際運(yùn)行的情況，給出過壓嚴(yán)重度指標(biāo)，其計(jì)算式為

式中Pk表示系統(tǒng)中第k個設(shè)備因?yàn)檫^電壓狀態(tài)發(fā)生部分故障的概率，Sk為第k個設(shè)備的過電壓嚴(yán)重度指標(biāo)，Δvk為越限量，vk為設(shè)備的額定電壓。

第二，低電壓指標(biāo)，其表達(dá)式為

根據(jù)實(shí)際運(yùn)行的情況，給出低壓嚴(yán)重度指標(biāo)，其計(jì)算式為

式中Pk表示系統(tǒng)中第k 個設(shè)備因?yàn)榈碗妷籂顟B(tài)發(fā)生部分故障的概率，Sk為第k個設(shè)備的低電壓嚴(yán)重度指標(biāo)，Δvk為越限量，vk為設(shè)備的額定電壓。

此處為了解決自動故障選擇（ACS）研究初期的“遮蔽”缺陷［8］，因此定義嚴(yán)重度指標(biāo)式為S=(Δx/X)2m的形式，根據(jù)ACS的應(yīng)用經(jīng)驗(yàn)和工程要求，上標(biāo)中取m=1即可。

3.2 功率不匹配

第一，過載指標(biāo)，其表達(dá)式為

根據(jù)實(shí)際運(yùn)行的情況，給出過載嚴(yán)重度指標(biāo)，其計(jì)算式為

式中Pk表示系統(tǒng)中第k 個設(shè)備因?yàn)楣β蔬^載狀態(tài)發(fā)生部分故障的概率，Sk為第k個設(shè)備的功率過載嚴(yán)重度指標(biāo)，pk為第k 個設(shè)備因?yàn)楣β蔬^載狀態(tài)發(fā)生部分故障時的功率，pek為第k 個設(shè)備的額定功率。

第二，輕載指標(biāo)，其表達(dá)式為

根據(jù)實(shí)際運(yùn)行的情況，給出輕載嚴(yán)重度指標(biāo)，其計(jì)算式為

式中Pk表示系統(tǒng)中第k個設(shè)備因?yàn)楣β瘦p載狀態(tài)發(fā)生部分故障的概率，Sk為第k個設(shè)備的功率輕載嚴(yán)重度指標(biāo)，pk為第k個設(shè)備因?yàn)楣β瘦p載狀態(tài)發(fā)生部分故障時的功率，pek為第k個設(shè)備的額定功率。

3.3 頻率偏移

頻率偏移的表達(dá)式為

根據(jù)實(shí)際運(yùn)行的情況，給出頻率偏移嚴(yán)重度指標(biāo)，其計(jì)算式為

式中Pk表示因?yàn)轭l率偏移造成出現(xiàn)部分故障的概率，Sk為第k個設(shè)備發(fā)生頻率偏移的嚴(yán)重度指標(biāo)，fk為第k 個設(shè)備發(fā)生頻率偏移時的設(shè)備頻率，f 為設(shè)備額定頻率。

4 風(fēng)險定級

陸地電網(wǎng)的風(fēng)險等級研究文獻(xiàn)中定級標(biāo)準(zhǔn)很多，具有一定借鑒意義，但所有規(guī)則的制定都與陸地電網(wǎng)特性是分不開的，這些不能直接用于艦船電力風(fēng)險等級評定［9～10］。

艦船電力系統(tǒng)包括發(fā)電機(jī)組、配電柜、電網(wǎng)、負(fù)載等基本單元組成，相比陸地電網(wǎng)，整個電力系統(tǒng)連接線路短、設(shè)備集成緊湊、相互之間影響大、故障危害傳遞廣，因此設(shè)備故障停運(yùn)是艦船電力系統(tǒng)區(qū)域失效甚至整體崩潰的主要原因。設(shè)備故障可能由海況天氣、元件老化、狀態(tài)異常、碰撞打擊等因素［11］引起，表征為電力系統(tǒng)參數(shù)變化。根據(jù)艦船電力系統(tǒng)運(yùn)行保障要求，結(jié)合艦船電力系統(tǒng)風(fēng)險指標(biāo)，劃分風(fēng)險嚴(yán)重度等級是風(fēng)險定級的重點(diǎn)。

系統(tǒng)風(fēng)險嚴(yán)重程度并不是只與系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)的風(fēng)險嚴(yán)重度有關(guān)，可能還與設(shè)備損壞的風(fēng)險性，設(shè)備運(yùn)行的重要性，以及設(shè)備的靈敏度、危害度等因素有關(guān)［12］。因此本文引入設(shè)備重要度的概念，即設(shè)備的重要度因子γk，重要度分析也是進(jìn)行系統(tǒng)風(fēng)險評估的重要環(huán)節(jié)之一，通過確定系統(tǒng)中設(shè)備的重要度因子量化設(shè)備對系統(tǒng)的貢獻(xiàn)度和影響程度。引入設(shè)備重要度的概念后，上文的第二節(jié)中提到的各種風(fēng)險嚴(yán)重度指標(biāo)計(jì)算式也可以得到進(jìn)一步的優(yōu)化。

電壓越限風(fēng)險中的嚴(yán)重度指標(biāo)式（3）可以優(yōu)化為式（12）:

功率不匹配風(fēng)險中的嚴(yán)重度指標(biāo)式（7）、（8）可以優(yōu)化為式（13）:

頻率偏移風(fēng)險中的嚴(yán)重度指標(biāo)式（11）可以優(yōu)化為式（14）:

一般設(shè)備的重要度因子γk經(jīng)由專家評審共同給出，對增加系統(tǒng)的安全性、可靠性和進(jìn)行故障分析有著積極的意義。

本文參考實(shí)際艦船電力系統(tǒng)參數(shù)，借鑒GJB界定閾值，提出一種適用于艦船電力系統(tǒng)的風(fēng)險等級劃分方案，如表1所示。

由表1 的定級標(biāo)準(zhǔn)，可得到各個風(fēng)險類別下的風(fēng)險等級閾值，最后將系統(tǒng)實(shí)時的風(fēng)險指標(biāo)與風(fēng)險等級閾值對比，得出系統(tǒng)實(shí)時的風(fēng)險等級。

表1 風(fēng)險等級標(biāo)準(zhǔn)

5 仿真驗(yàn)證

以某艦船逆變系統(tǒng)為研究對象，模擬電壓越限、頻率偏移、功率不匹配狀態(tài)下逆變系統(tǒng)運(yùn)行工況，評估各項(xiàng)風(fēng)險指標(biāo)。設(shè)定各設(shè)備額定電壓為220V，額定頻率為50Hz，額定功率為12kW。本文采用偽時序算法［13］進(jìn)行狀態(tài)篩選，以三個偏移狀態(tài)量為一組，取其平均值作為某一運(yùn)行工況下某時刻指標(biāo)計(jì)算的狀態(tài)參數(shù)值，如表2所示。

表2 設(shè)備狀態(tài)量

由于艦船未建立可查閱的統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)庫，各個設(shè)備的故障概率及重要度借鑒IEEE發(fā)輸電測試系統(tǒng)中相應(yīng)量級設(shè)備的故障概率，如表3所示。

表3 故障概率及設(shè)備重要度

根據(jù)式（12）～（14）可計(jì)算出各個設(shè)備電壓、頻率、功率偏移的嚴(yán)重度指標(biāo)。如表4所示。

表4 各個設(shè)備嚴(yán)重度指標(biāo)

由此根據(jù)艦船電力系統(tǒng)風(fēng)險評估定義式可計(jì)算出此時逆變系統(tǒng)電壓、頻率、功率的風(fēng)險指標(biāo)和等級水平。如表5所示。

此時逆變系統(tǒng)中功率不匹配風(fēng)險水平偏高，容易產(chǎn)生故障及危害，在工程實(shí)踐中可根據(jù)風(fēng)險控制方案采取降低風(fēng)險的措施，檢查系統(tǒng)具體設(shè)備狀態(tài)、觀察環(huán)境狀態(tài)是否異常，甄別造成風(fēng)險水平上升的可能原因，密切關(guān)注系統(tǒng)中設(shè)備的后續(xù)變化，降低故障風(fēng)險避免嚴(yán)重事故發(fā)生。

表5 系統(tǒng)風(fēng)險指標(biāo)及風(fēng)險等級

6 結(jié)語

本文根據(jù)艦船電力系統(tǒng)與陸地電網(wǎng)的不同點(diǎn)，提出針對艦船電力系統(tǒng)的風(fēng)險評估指標(biāo)體系。同時以某艦船逆變系統(tǒng)為研究對象進(jìn)行仿真驗(yàn)證，計(jì)算所得的系統(tǒng)風(fēng)險指標(biāo)及風(fēng)險分級符合實(shí)際。