艦船電力系統風險評估指標體系研究?

鄒 梟 宋立忠 王 征

（海軍工程大學電氣工程學院 武漢 430033）

1 引言

隨著艦船電力系統結構形式日趨復雜、電壓等級提高、設備趨向大容量化，以及艦船綜合電力系統對供電的要求越來越高，對艦船電力系統風險管控的研究越來越重要［1～2］。電力系統中，由于隨機失效事件的不可控性，零風險絕無可能。引入風險管理可以使得用戶掌握電力系統中風險水平有關的信息，使系統的風險水平處于可接范圍內，維持電力系統安全和經濟效益。電力系統風險評估已經在陸地電網中得到廣泛應用，其評估指標主要通過計算隨機變量（停電次數、停電持續時間等）的期望值來反映元件容量和停運、負荷曲線及其不確定性、系統結構、運行工況等多個因素的風險標識［3］。但由于艦船電力系統與陸地電網存在區別，艦船電力系統風險評估研究不能完全使用陸地風險評估指標，因此建立艦船電力系統風險評估指標體系很有必要。本文提出艦船電力系統風險評估指標體系，并以某型艦船逆變系統作為仿真模型，驗證評估指標的合理性。

2 艦船電力系統風險評估定義

目前艦船電力系統風險評估研究未見報道，本文以電力系統風險評估定義為依據，將艦船電力系統的風險評估描述為艦船某一運行工況下，由于某種風險因素可能引起某種事故的發生，評估事故發生的概率和事故產生影響程度的綜合度量。為了更好地表征出艦船電力系統在某一時刻的風險，采用風險指標的形式來進行定量計算，將艦船電力系統風險表示為

式中xt，f代表t時刻整個系統的運行狀態，xt，j代表t 時刻系統中設備j 的運行狀態，Pr(xt，j，xt，f)代表t時刻系統發生xt，f狀態時設備j 出現狀態xt，j的概率，Sev(xt，j)代表t 時刻設備j 出現狀態xt，f對系統影響的嚴重度。

相比于艦船能量管理系統［4～5］的預警評估［6］，電力系統風險評估并不是直接將狀態參數與界定閾值進行比較，而是將運行工況下每一類可能引發故障的狀態參數波動風險均看成一個獨立的整體。將某一種風險定義為風險Risk，通過對每一個風險Risk進行狀態獲取、指標計算、風險定級，完成對系統某類風險的評估?？偟娘L險評估流程如圖1所示。

圖1 艦船電力系統風險評估流程

3 風險評估指標

與陸地電網相比，艦船電力系統整體線路短，規模小而緊湊，容量從幾十到數千千瓦不等，遠遠小于陸地的兆瓦量級［7］。并且海上環境復雜多變，艦船電力系統中電壓、頻率易波動，但許多設備又不能輕易地斷電切機，整個系統需要保持持續供電，斷網級別與陸地電網區別很大。因此，本文立足艦船電力系統基礎，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心的風險信息和系統運行狀態，提出了一種針對艦船電力系統的風險評估指標體系。

指標體系結構如圖2 所示，具體可以分為三個層次。目標層為電力系統風險評估，表示對艦船運行狀態下總的評估目標。分目標層是評估中具體目標分類，包括電壓越限風險指標、功率不匹配風險指標、頻率偏移風險指標。指標層是對各個分目標層的具體狀態細分，包括過電壓指標和低電壓指標、過載指標和輕載指標、頻率偏移指標。

圖2 電力系統風險評估指標

3.1 電壓越限

第一，過電壓指標，其表達式為

根據實際運行的情況，給出過壓嚴重度指標，其計算式為

式中Pk表示系統中第k個設備因為過電壓狀態發生部分故障的概率，Sk為第k個設備的過電壓嚴重度指標，Δvk為越限量，vk為設備的額定電壓。

第二，低電壓指標，其表達式為

根據實際運行的情況，給出低壓嚴重度指標，其計算式為

式中Pk表示系統中第k 個設備因為低電壓狀態發生部分故障的概率，Sk為第k個設備的低電壓嚴重度指標，Δvk為越限量，vk為設備的額定電壓。

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

3.2 功率不匹配

第一，過載指標，其表達式為

根據實際運行的情況，給出過載嚴重度指標，其計算式為

式中Pk表示系統中第k 個設備因為功率過載狀態發生部分故障的概率，Sk為第k個設備的功率過載嚴重度指標，pk為第k 個設備因為功率過載狀態發生部分故障時的功率，pek為第k 個設備的額定功率。

第二，輕載指標，其表達式為

根據實際運行的情況，給出輕載嚴重度指標，其計算式為

式中Pk表示系統中第k個設備因為功率輕載狀態發生部分故障的概率，Sk為第k個設備的功率輕載嚴重度指標，pk為第k個設備因為功率輕載狀態發生部分故障時的功率，pek為第k個設備的額定功率。

3.3 頻率偏移

頻率偏移的表達式為

根據實際運行的情況，給出頻率偏移嚴重度指標，其計算式為

式中Pk表示因為頻率偏移造成出現部分故障的概率，Sk為第k個設備發生頻率偏移的嚴重度指標，fk為第k 個設備發生頻率偏移時的設備頻率，f 為設備額定頻率。

4 風險定級

陸地電網的風險等級研究文獻中定級標準很多，具有一定借鑒意義，但所有規則的制定都與陸地電網特性是分不開的，這些不能直接用于艦船電力風險等級評定［9～10］。

艦船電力系統包括發電機組、配電柜、電網、負載等基本單元組成，相比陸地電網，整個電力系統連接線路短、設備集成緊湊、相互之間影響大、故障危害傳遞廣，因此設備故障停運是艦船電力系統區域失效甚至整體崩潰的主要原因。設備故障可能由海況天氣、元件老化、狀態異常、碰撞打擊等因素［11］引起，表征為電力系統參數變化。根據艦船電力系統運行保障要求，結合艦船電力系統風險指標，劃分風險嚴重度等級是風險定級的重點。

系統風險嚴重程度并不是只與系統運行狀態的風險嚴重度有關，可能還與設備損壞的風險性，設備運行的重要性，以及設備的靈敏度、危害度等因素有關［12］。因此本文引入設備重要度的概念，即設備的重要度因子γk，重要度分析也是進行系統風險評估的重要環節之一，通過確定系統中設備的重要度因子量化設備對系統的貢獻度和影響程度。引入設備重要度的概念后，上文的第二節中提到的各種風險嚴重度指標計算式也可以得到進一步的優化。

電壓越限風險中的嚴重度指標式（3）可以優化為式（12）:

功率不匹配風險中的嚴重度指標式（7）、（8）可以優化為式（13）:

頻率偏移風險中的嚴重度指標式（11）可以優化為式（14）:

一般設備的重要度因子γk經由專家評審共同給出，對增加系統的安全性、可靠性和進行故障分析有著積極的意義。

本文參考實際艦船電力系統參數，借鑒GJB界定閾值，提出一種適用于艦船電力系統的風險等級劃分方案，如表1所示。

由表1 的定級標準，可得到各個風險類別下的風險等級閾值，最后將系統實時的風險指標與風險等級閾值對比，得出系統實時的風險等級。

表1 風險等級標準

5 仿真驗證

以某艦船逆變系統為研究對象，模擬電壓越限、頻率偏移、功率不匹配狀態下逆變系統運行工況，評估各項風險指標。設定各設備額定電壓為220V，額定頻率為50Hz，額定功率為12kW。本文采用偽時序算法［13］進行狀態篩選，以三個偏移狀態量為一組，取其平均值作為某一運行工況下某時刻指標計算的狀態參數值，如表2所示。

表2 設備狀態量

由于艦船未建立可查閱的統計數據庫，各個設備的故障概率及重要度借鑒IEEE發輸電測試系統中相應量級設備的故障概率，如表3所示。

表3 故障概率及設備重要度

根據式（12）～（14）可計算出各個設備電壓、頻率、功率偏移的嚴重度指標。如表4所示。

表4 各個設備嚴重度指標

由此根據艦船電力系統風險評估定義式可計算出此時逆變系統電壓、頻率、功率的風險指標和等級水平。如表5所示。

此時逆變系統中功率不匹配風險水平偏高，容易產生故障及危害，在工程實踐中可根據風險控制方案采取降低風險的措施，檢查系統具體設備狀態、觀察環境狀態是否異常，甄別造成風險水平上升的可能原因，密切關注系統中設備的后續變化，降低故障風險避免嚴重事故發生。

表5 系統風險指標及風險等級

6 結語

本文根據艦船電力系統與陸地電網的不同點，提出針對艦船電力系統的風險評估指標體系。同時以某艦船逆變系統為研究對象進行仿真驗證，計算所得的系統風險指標及風險分級符合實際。