船舶電力系統靜態安全分析概述＊

（海軍工程大學電氣工程學院 武漢 430033）

1 引言

自20世紀60年代以來，大面積停電事故時有發生，各國對電力系統安全分析開始有所重視。進入21世紀后，國內外電力系統同相繼發生多起大面積停電事故，特別是美加大停電、莫斯科大停電和倫敦大停電，都造成了嚴重的經濟損失和政治影響。這引起了社會各界對電力系統安全性的高度關注。

而目前隨著現代船舶向大型化、現代化、自動化不斷發展，船舶電站容量顯著增大，電網規模龐大，結構更趨復雜。船舶靜態安全分析必將因此而越來越受到重視。它可以對整個船舶電力系統進行實時安全監測，并對預想事故進行安全分析，為供配電管理和負載管理提供決策建議，改善和顯著提高船舶電網的安全穩定運行水平，對維護電力系統穩定性、確保電力系統安全穩定運行、保障船舶生命力有著重要作用。

2 陸地電力系統靜態安全分析現狀

通常電力系統運行狀態分為以下五種：1）安全正常狀態；2）警戒狀態；3）緊急狀態；4）系統崩潰；5）待恢復狀態［1～5］。系統各運行狀態及其相互間的轉變關系如圖1所示。

目前，電力系統安全分析分為兩個研究領域，即靜態安全分析和動態安全分析。發生預想事故后判斷系統是否過載或者越限的功能稱之為靜態安全分析，即只考慮事故后穩態運行狀態的安全性，而不考慮從當前的運行狀態向事故后穩態運行的動態轉移；對于事故后的動態過程中系統是否失穩的功能則被稱為動態安全分析［6～8］。

圖1 電力系統各運行狀態及其相互間的轉變關系

靜態安全分析的一個主要任務就是對電網可能發生的事故進行假想在線計算分析。因此，預想事故分析是靜態安全分析的重點。預想事故分析就是對一個電力系統事先分析其潛在事故對其的影響和可能造成的破壞。預想事故分析過程主要包括故障定義、故障掃描和故障詳細分析三個部分，如圖2所示。

故障定義是根據電力系統運行的拓撲結構、運行方式自動確定預想事故集［1～2］。事故集中的事故可根據軟件離線仿真分析和有經驗的調度員的需要來確定，一般來說，預想事故至少包括開斷一條支路或者一臺發電機［9］。

圖2 預想事故分析的過程

故障掃描與排序是排除定義的事故集中暫無危害的事故，并按照其對電力系統的危害程度進行排序。目前，掃描方法可分為兩大類［10］。一為直接法，顧名思義直接快速求解故障后潮流計算并按一定指標排序。文獻［11～13］這些算法都提出了改進的直接法進行計算，但是目前并沒有一種方法可以使得算法精度與算法速度并存。二為間接法，不直接進行潮流計算，而是以事故發生時的某些參數為依據來進行排序，其特點是速度快，內存占有少，但精確度較低。近年來由于人工智能的長足發展［14］，許多專家學者也提出了一些基于人工神經網絡［15～16］、模糊算法［17］等的預想事故自動選擇方法。目前存在的方法很少進入現場考驗和實施階段，且存在一些問題有待于進一步解決。式（1）是目前陸地電網較為常見的危害度指標［2］。

式中，D為危害度行為指標，a為有功功率過負荷的線路集合，Pl為支路l中的有功潮流為支路l中的有功功率極限值，Wl為支路l的權重，n為正整數，Wvi為節點i的電壓全因子，為節點i的電壓模值極限，β為電壓越限的節點集合，Qi為節點i的注入無功功率為節點i的注入無功功率極限，WQi為節點i的注入無功功率權因子，γ為無功功率高于上限和下限的節點集合，λp為有功的權重，λUQ為無功的權重。

故障詳細分析是針對掃描后的故障進行詳細的潮流計算。目前陸用電力系統主要的方法有直流潮流法和P-Q 分解法。直流潮流法特點是計算速度快，但是不足之處在于精度差、誤差大。P-Q 分解法是一種占用內存少，計算精度較高的算法但由于需要迭代求解，該方法總是比較費時的［1］。

但是船舶電力系統，在運行設備、運行環境等方面與陸地電力系統存在一定區別，因此在船舶電力系統上實現靜態安全分析不可能照搬陸地電力系統靜態安全分析的方法，應對船舶電力系統的實際情況做出相應改變，必須針對其自身特點對其進行規劃和設計。

3 船舶電力系統靜態安全分析的提出與實現

由上文可知安全狀態和警戒狀態是電力系統運行中的兩個相對的狀態，目前船員只能通過經驗來識別這兩種狀態。但是隨著船舶電站容量顯著增大，電網規模龐大，結構更趨復雜，不同區域之間的互聯更加緊密，設備故障波及范圍擴大，影響系統穩定的因素和不確定性因素增加，船員已經難以根據經驗來判斷當前電力系統的安全運行狀態。簡單地說，船舶電力系統靜態安全分析則可以幫助艦員實現對整個船舶電力系統的安全監測，有效區分安全狀態與警戒狀態。靜態安全分析在船舶電力系統整個功能實現的過程中的作用愈發重要，但是在船舶電力系統靜態安全分析方面的研究幾乎為一片空白，研究意義非常重大。

根據船舶電力系統自身的特點，預想事故分析包括預想事故集定義、預想事故掃描與排序和危害度評估等部分，其主要過程如圖3所示。

在預想事故集定義時，由于船舶電力系統在不同工況下運行方式差異較大，當其運行方式、網絡拓撲發生變化時，影響電力系統運行狀態的故障會發生變化，因此事故集合中的預想事故也應發生相應變化。這就要求預想事故分析所定義的事故集中的元素不是一成不變的，而是動態的。目前陸地電網電力系統由于規模比較大、線路多等原因計算機軟件還不能做到完全自動選擇故障。而船舶電力系統是一個小型的獨立電力系統，發電單元和線路相對較少，有條件做到完全自動選擇故障。同時單重元件的開斷仍有可能對系統產生有較大危害的故障，所以N-1掃描式的故障選擇對于船舶電力系統來說是首選的預想事故集定義方法。

陸地電網實現預想事故掃描的方法目前主要難點在于解決速度與精度矛盾。前文提到船舶電力系統的發電單元和線路相對較少，可以有條件實現在對預想事故快速掃描的同時實現單故障詳細分析。但是船舶上的空間相對有限，無法放置大型計算機使用過于復雜的算法來進行精確的計算，因此應該利用電力系統的實時信息選擇一種復雜度和精確度都合適的直接法來選擇能夠危害系統正常運行的預想事故。在對預想事故掃描之后需要對這些事故對系統所產生的危害按照一定的行為指標進行排序，按照從大到小的順序排列得出預想事故一覽表。然而目前為止并無權威的行為指標來定義預想事故的危害度。

由式（1）可知陸地電力系統對危害度的考量側重于功率和電壓的過載情況。船舶電力系統作為一個小型的獨立電力系統，負載的供電路徑較少，失電的概率比陸地電網大得多。同時推進負載等重要負載就是船舶的生命，一旦推進負載失電將造成極為嚴重的后果。因此全船失電或者推進負載和重要負載的失電是不能容忍的。另一方面，由于設備與線路留有的負載裕度較大，即便出現過載和越限，暫時也不會出現較大問題。綜上所述，船舶電力系統的預想事故危害度行為指標應當按全船失電、區域失電、發電機過載、區域過載危害性遞減的排序方式來評估。對于同一負載，失電故障應當跟負載失電前的功率與負載的額定功率之比為有關。失電前的功率占額定功率越大危害程度應當越大。以直流系統為例，歸納出船舶電力系統靜態安全分析的危害度指標如式（2）。

其中，λl為發生失電故障的危害權重，λo為發生過載故障的危害權重，α為發生失電的故障集合，β為發生過載的故障集合，Wl為各失電故障的權因子，Wo為各過載故障的權因子，Pl為發生失電故障前區域l的功率，為區域l功率極限值，Pm為發生過載故障時區域m的功率值，為區域m功率的極限值。由前文分析可知，在船舶電力系統危害度指標中失電的權重系數應當遠大于過載，同時推進負載等重要負載的失電權因子也應當大于次要負載。通過將功率的比值置于分母來實現歸一化，保證了公式的合理性。

評估與決策建議是通過定義船舶電力系統靜態安全裕度的行為指標，來對目前正在運行的電力系統的安全性做一個全面的評估，并對供配電管理和負載管理提出決策建議。簡單地說就是通過對安全裕度的閾值設定來判斷當前電力系統運行的狀態。但是目前靜態安全裕度概念并沒有被提出。靜態安全裕度作為當前電力系統運行的安全評價，各預想事故的危害度自然是需要考慮的一方面。而推進負載作為一個重要負載是船舶的生命力所在，需要有一定的功率儲備來保證推進負載。同樣的，一些船舶的重要負載也需要一定的功率儲備，一般來說，功率儲備多則安全裕度相對較高。因此，本文認為船舶電力系統靜態安全裕度應當包括各預想事故的危害度和功率儲備，提出靜態安全裕度指標如式（3）所示。

式中S為安全裕度行為指標，v1為危害度指標的權重，v2為功率儲備的權重，α為當前工況預想事故集，β為發電機集合，pg為系統中發生預想事故g的可能性，Dg為系統中發生預想事故g的危害度，ps為系統總輸出的額定功率，pi為發電機輸出的總功率。公式第一項為目前系統的潛在危害對安全的影響，而第二項為目前系統的功率儲備。

基于以上理論為基礎，現以某船電力系統為模型，構建基于C＃的船舶電力系統靜態安全分析模塊，通過對預想事故的快速掃描，本模塊可實現預想事故的后果分析，同時可給出當前工況的各項危害度指標及安全裕度指標，如圖4所示。

圖4 快速掃描與危害度分析功能

4 結語

本文在陸地電網靜態安全分析的基礎上，結合船舶電力系統自身特點，提出了船舶電力系統靜態安全分析的過程與方法和適合船舶電力系統預想事故的危害度指標和安全裕度指標，在實驗平臺的環境中實現了靜態安全分析功能，為船舶電力系統提供了有力的保障。

［1］張永健.電網監控與調度自動化［M］.北京：中國電力出版社，2004：258-259.

［2］周杰娜.現代電力系統調度自動化［M］.重慶：重親大學出版社，2002：1-3.

［3］張紅，王立松，賈元明.電力系統的安全分析［J］.黑龍江電力技術，2007，29（1）：76-78.

［4］MingNi，MeCalley JD，Vittal V.Online risk-based security assessment［J］.IEEE Trans on Power Systems，2003，18（l）：258-265.

［5］WanHua，MeCalley JD，Vittal V.Risk based voltage security assessment［J］.IEEE Trans on Power Systems，2000，15（4）：1247-1254.

［6］劉峰.EMS中靜態安全分析模塊實用化分析［J］.中國水能及電氣化，2007，1（2）：73-76.

［7］劉峰.靜態安全分析理論及其在EMS中的實用化分析［J］.電力安全技術，2007，9（11）：30-33.

［8］留毅，張靜芳.電力系統靜態安全分析綜述［J］.科技創新導報，2010，30：64.

［9］廉偉.考慮事故發展過程的靜態安全分析方法［D］.北京.華北電力大學，2009.

［10］吳際舜.電力系統穩態分析的計算機方法［M］.上海：上海交通大學出版社，1992.

［11］Brandwajn V，Lauby M G.Complete Bounding Method for AC Contingency Screening［J］.IEEE Trans.On power systems，1989，4（2）：724-729.

［12］N.Hadjasaid，M.Benahmed，J.Fandino.Fast contingency screening for voltage-reactive consideration in security analysis［J］.IEEE Trans on Power Systems，1993，8（1）：144-151.

［13］F.Albuyeh，A Bose，B Heath.Reactive power considerations in automatic contingency selection，IEEE PICA Conf，1981：269-272.

［14］蔡自興，徐光佑.人工智能及其應用［M］.北京，清華大學出版社，2003：117-138.

［15］崔嵐，欒兆文，劉燦起.一種基于ANN 技術的預想事故自動選擇方法［J］.電力系統及其自動化學報，1999，11（5-6）：81-86.

［16］張文，張利，郭永新.基于人工神經元網絡的預想事故電壓預測［J］.山東工業大學學報，2000，30（1）：42-46.

［17］宋靜.基于模糊理論的預想事故自動選擇問題的研究［D］.北京：華北電力大學，2006.

［18］袁志強，陳宇晨，劉涌，侯志儉.改進直流法在靜態安全分析中的應用［J］.繼電器，2003，31（7）：23-27.

［19］戈亮，嚴承華，于洪躍.基于神經網絡的計算機網絡故障檢測方法［J］.計算機與數字工程，2010，38（6）.

［20］王錫凡，王秀麗.實用電力系統靜態安全分析［J］.西安交通大學學報，1988，22（1）：23-27.