肖志成

（挪威船級社（中國）有限公司，上海 200000）

0 引言

目前，越來越多帶有DP 功能的新造海洋工程船舶在DP 作業(yè)時選擇將主配電板設(shè)置在合排甚至是閉環(huán)運行模式。合排運行模式是指主配電板除首尾兩段母排之間的母聯(lián)開關(guān)（或不設(shè)置此母聯(lián)開關(guān)）處于分閘狀態(tài)外，其余所有母排上的母聯(lián)開關(guān)都處于閉合狀態(tài)，這時各母排組成“一”字形，各母排上的在網(wǎng)發(fā)電機處于并聯(lián)運行狀態(tài)。而閉環(huán)運行模式則是在合排運行模式的基礎(chǔ)上，將主配電板首尾兩端母排之間的母聯(lián)開關(guān)也閉合，使得電網(wǎng)呈現(xiàn)首尾相接的閉環(huán)狀態(tài)，此時各母排上的在網(wǎng)發(fā)電機也處于并聯(lián)運行狀態(tài)。相較于以往為保證DP 作業(yè)時的冗余要求而采用的開排運行模式，合排或是閉環(huán)運行模式時無需將所有發(fā)電機都投入運行，而是在保證功率需求的前提下將其中幾臺發(fā)電機設(shè)置在備用狀態(tài)。這就使得船舶在DP 作業(yè)時的燃油消耗量大為降低。而在配有直流母排電力系統(tǒng)的船舶上，由于發(fā)電機能夠運行在各自最優(yōu)燃油消耗曲線上，本就比交流配電系統(tǒng)更高效，而其采用合排或是閉環(huán)運行模式就更能發(fā)揮其節(jié)能減排的效果[1]。這對于需要長期處于動力定位狀態(tài)的海洋工程船舶來說有著重要的經(jīng)濟意義。

相較于以往按照冗余分組獨立運行的主配電板各段母排而言，合排運行模式使得主配電板合并成為一個公共系統(tǒng)。由于此公共組上的多種故障模式都會對各DP 冗余組同時產(chǎn)生影響，各大船級社因此對DP 作業(yè)時采用合排操作的電力系統(tǒng)設(shè)計提出了更高的要求。而短路壓降就是其中的一種故障模式，所謂短路壓降，即當主配電板其中一段母排發(fā)生短路故障時，并聯(lián)運行的各母排上的發(fā)電機輸出電壓會瞬間下降甚至接近0 V，在故障母排被其兩端母聯(lián)開關(guān)隔離前，其余母排上的負載都會受到此壓降的影響。如果對此影響不加以控制，船舶可能會因為重要負載失電而失去定位能力，因而發(fā)生嚴重的作業(yè)事故。

從壓降發(fā)生到電壓恢復正常的這段時間內(nèi)，維持各DP 相關(guān)重要負載后續(xù)持續(xù)運行的能力即為壓降穿越能力?？梢岳斫鉃?，其余母排上各DP重要設(shè)備不應(yīng)由于短路壓降導致其在電壓恢復之后電源供給受到影響，比如，斷路器因欠壓導致脫扣，控制系統(tǒng)因電壓過低而自動關(guān)閉等。DNV規(guī)范明確要求“FMEA 必須分析系統(tǒng)中瞬態(tài)電壓驟降的影響，并確定必要的措施?！粚儆谥苯邮芄收嫌绊懙娜哂嘟M的設(shè)備應(yīng)在過渡期內(nèi)運行，并在系統(tǒng)電壓重新建立時立即可用，無需操作員干預(yù)。[2]因此壓降穿越能力分析也成為各大船級社審核動力定位FMEA 分析報告的重點關(guān)注項。

直流配電系統(tǒng)作為未來海洋工程領(lǐng)域關(guān)鍵技術(shù)之一，其拓撲結(jié)構(gòu)、保護技術(shù)及保護配置方面已有了廣泛研究，如文獻[3-5]。下面以某型自升式風電安裝船為例，討論公共直流母排系統(tǒng)短路壓降FMEA 分析要點。

2 DP 作業(yè)時的電力系統(tǒng)運行模式

本船930 V 直流主配電板分成五段母排。按照最大單點故障冗余設(shè)計，每段母排及其對應(yīng)的下級配電板上所有設(shè)備屬于同一個冗余組，即本船共有5 個冗余組。DP 作業(yè)時五段母排處于閉環(huán)運行模式，如圖1。本船發(fā)生單點故障后允許發(fā)生的最大影響為失去其中的一段母排和這段母排所帶的推進器。若其中一段母排發(fā)生短路故障，由其導致的電壓降不應(yīng)使得其余母排上的DP 相關(guān)重要設(shè)備，比如發(fā)電機、推進器等，停止運行。FMEA 分析時要根據(jù)系統(tǒng)具體配置來分析系統(tǒng)短路壓降穿越能力。

圖1 DP 作業(yè)時電力系統(tǒng)閉環(huán)運行模式

圖2 系統(tǒng)拓撲圖

1 系統(tǒng)架構(gòu)

ILC: 本船每段直流母排通過兩個并聯(lián)的西門子ILC(Intelligent Load Control)裝置與相鄰直流母排相連。ILC 是有IGBT 模塊、續(xù)流二極管電路、扼流圈組成。每組ILC 由單獨的DSP 控制。

DSP: 每個 ILC 配有獨立的 DSP（Digital signal processor）。DSP 為ILC 單元提供快速保護（防止短路故障）和慢速保護（防止過載和其他類型的故障）功能。

ILC Control CPU: 每段排配有一套獨立的ILC Control CPU。用來與上級MCU 交換ILC 狀態(tài)及執(zhí)行MCU 控制命令。同時控制ILC 兩端隔離開關(guān)的開合。

隔離開關(guān)：每個ILC 兩端配有隔離開關(guān)。斷開后可以方便ILC 的維護、檢修。短路故障發(fā)生及 ILC 斷開后，其兩端隔離開關(guān)會根據(jù) ILC Control CPU 命令斷開。

MCU: 整個配電系統(tǒng)設(shè)置了兩個互為熱備的MCU(Mian Control Unit)。MCU 負責處理電站功率管理系統(tǒng)所有控制及保護邏輯。

Scalance XC216 網(wǎng)絡(luò)交換機：每段母排都配有一個Scalance XC216 網(wǎng)絡(luò)交換機，用于所有母排I/O 模塊、控制單元、MCU、工作站之間的數(shù)據(jù)傳輸。

3 保護策略

FMEA 在分析系統(tǒng)的短路電壓穿越能力一般從三個方面入手：故障母排隔離時間、故障母排隔離前系統(tǒng)的電壓降幅、是否有隱藏故障導致保護失效。

3.1 故障母排隔離時間：

在傳統(tǒng)的交流閉環(huán)系統(tǒng)中，對母排短路故障的保護一般通過母聯(lián)開關(guān)保護繼電器的方向性過流保護功能（ANSI Code 67）來實現(xiàn)。當短路故障發(fā)生時，母排上電流流向故障點，通過比較每個母聯(lián)開關(guān)保護繼電器測得的故障電流方向判斷出故障母排，并將離故障母排最近的母聯(lián)開關(guān)脫扣。

與交流系統(tǒng)不同，本船直流母排主要由DSP的快速保護功能來提供短路故障保護，防止短路故障的影響由故障母排蔓延至其他健康母排。快速保護功能通過計算以下兩個參數(shù)來實現(xiàn)：

電流變化率：通過檢測流經(jīng)ILC 的電流變化率來判斷是否有短路故障發(fā)生。當ILC 一側(cè)發(fā)生短路時，通過ILC 的電流將迅速上升。將最近ix測量值與先前測量值（當前測量值之前5 μs）的原始值之間的差值與DSP 內(nèi)保護設(shè)定值進行比較。如果差值高于設(shè)定值，則觸發(fā)DSP 快速保護功能。

電壓變化率：通過檢測ILC 兩端的電壓差來判斷是否有短路故障發(fā)生。當ILC 一側(cè)發(fā)生短路時，ILC 一側(cè)的電壓立即變?yōu)榱?，而另一?cè)的電壓以較慢的速率降低。觀察到的兩側(cè)電壓差可用于盡可能快地檢測短路的發(fā)生。將ILC 左側(cè)Udc1和ILC 右側(cè)Udc2之間的差異與DSP 內(nèi)保護設(shè)定值進行比較。如果電壓差高于此設(shè)定值，則觸發(fā)DSP 快速保護功能。

從短路故障發(fā)生到短路故障點因短路保護裝置動作而被隔離的這段時間可以認為是短路壓降的時間。短路壓降的時間是考量各DP 相關(guān)負載是否滿足電壓穿越的標準。各DP 相關(guān)負載設(shè)定的欠壓保護動作時間應(yīng)大于短路壓降的時間。DSP 快速保護功能的檢測頻率為200kHZ，能夠在微秒級檢測以上兩個參數(shù)。短路故障發(fā)生時，故障母排兩端的ILC 離故障點最近，能夠比其他ILC 更早檢測到短路故障引起的電壓、電流變化。其快速保護功能被觸發(fā)后，DSP 在幾微秒內(nèi)向ILC 發(fā)送IGBT_OFF 信號，使得ILC 內(nèi)IGBT 關(guān)斷并強制中斷短路電流，進而達到隔離故障母排的目的。IGBT 關(guān)閉且通過ILC 的電流變?yōu)榱愫?，ILC Control CPU 將向直流隔離開關(guān)發(fā)送斷開命令。整個隔離故障母排的過程大約只需要50μs。相比之下，交流系統(tǒng)的短路電流上升至短路保護設(shè)定需要十幾ms，斷路器固有分斷動作時間不少于幾十ms，整個隔離故障母排的過程大約需要100ms。由此可見，直流配電系統(tǒng)能夠比傳統(tǒng)交流母排更加快速的隔離短路故障母排。

3.2 故障母排隔離前系統(tǒng)的電壓降幅

更快速的隔離故障意味著能夠減小因短路帶來的大電流、低電壓的影響。在傳統(tǒng)交流系統(tǒng)中，由于隔離故障需要較長時間，短路故障往往會導致整個系統(tǒng)的電壓下降到一個非常底的水平。FMEA 在分析時需要結(jié)合故障隔離時間和系統(tǒng)電壓降幅，考察所有DP 相關(guān)重要設(shè)備的供電方式、欠壓保護設(shè)定，即，這些設(shè)備的電源采用UPS 供電或是其欠壓保護延時設(shè)定應(yīng)當比系統(tǒng)電壓恢復時間長，才能保證這些設(shè)備有足夠的電壓穿越能力。這些設(shè)備包括但不限于：1）發(fā)電機AVR、調(diào)速器供電方式；2）發(fā)電機安保及就地控制系統(tǒng)供電方式；3）各電壓等級配電板控制電源供電方式；4）各電壓等級母排上重要DP 負載斷路器欠壓保護；5）推進變頻器欠壓保護；6）重要輔助設(shè)備馬達啟動器等；

而在直流系統(tǒng)中，由于ILC 能在幾十微秒便將故障母排隔離，短路故障引起的大電流還未上升至很高的水平便被中斷，同時也有效限制了健康母排電壓的下降。雖然規(guī)范未要求在本船實際測試，但西門子曾在其他船上搭建測試平臺，并在船東、船級社的見證下，對ILC 分斷能力的有效性進行實際測試。測試平臺原理如圖3 所示。斷開Stbd DC 母排上Fi-Fi 泵逆變器輸入端，在此連接用于模擬短路點的斷路器，閉合此斷路器即可造成母排短路。實驗測得的故障母排、健康母排及短路電流波形如圖5 所示。

圖3 傳統(tǒng)交流閉合母排短路壓降波形

圖4 測試平臺原理

圖5 短路點連接

圖6 短路測試實驗波形

由波形圖可見，右側(cè)直流母排的電壓在短路故障發(fā)生時由于ILC 的迅速分斷，其電壓沒有太大波動。在ILC 分斷前，在此過程中右側(cè)母排的電壓降僅為20V 左右，對其負載的影響可以認為微乎其微。因此，在FMEA 分析時，可以認為對健康母排下各負載的相關(guān)影響非常小。相比之下，傳統(tǒng)交流系統(tǒng)在故障母排隔離后，其余母排上電壓需要經(jīng)歷重新建立至額定電壓的過程。這增加了系統(tǒng)電壓穿越的時間，對系統(tǒng)的電壓穿越能力提出了更苛刻的要求。需要指出的是，無論使用哪種品牌的類似產(chǎn)品，都需要與廠家進行詳盡的溝通，并經(jīng)過以上的分析過程才能對相關(guān)影響作出判斷。

4 系統(tǒng)隱藏故障

為使系統(tǒng)擁有更高的可靠性，船級社規(guī)范還要求FMEA 需考慮是否有隱藏故障導致保護失效。DNV 規(guī)范明確要求“電力系統(tǒng)和配電板的保護功能是按需功能的典型例子，在這些功能中應(yīng)該考慮到可能存在的隱藏故障?！盵6]所謂隱藏故障，即‘操作和維護人員不能立即發(fā)現(xiàn)的故障’[6]可以理解為需要疊加其他故障影響才能被探知的故障。在本文的議題中，F(xiàn)MEA 應(yīng)從兩個方面進行考慮：系統(tǒng)控制電源布置及DSP 自身故障。

系統(tǒng)控制電源的布置應(yīng)當考慮任一冗余組丟失都不會影響其他冗余組的運行。就每組ILC 而言，DSP、ILC Control CPU、隔離開關(guān)三者任意一個的控制電源丟失都會造成ILC 的關(guān)斷。如果本船系統(tǒng)控制電源如圖7 所示布置，在系統(tǒng)正常運行時，系統(tǒng)控制電源供電正常，此時不會有報警。但當冗余組2 或冗余組5 因短路故障丟失后，其下級配電系統(tǒng)也會丟失，進而會導致兩組或以上的ILC 斷開。假設(shè)故障前只有冗余組2 和冗余組4 上有發(fā)電機在網(wǎng)運行。則當冗余組2 因短路故障丟失后，除冗余組2 兩端的ILC（ILC2-1/2和ILC3-1/2）因快速保護斷開外, 冗余組1 和冗余組5 之間的ILC1-1/2 也會因為失去控制電源而斷開。又因為冗余組1 沒有發(fā)電機運行，所以冗余組也會因為失電而丟失。顯然此結(jié)果已經(jīng)超出了本船發(fā)生單點故障后允許發(fā)生的最大影響, 即丟失了超過一段以上的母排。因此，正確的做法應(yīng)當是每組ILC 的控制電源由其對應(yīng)的冗余組供電。

圖7 系統(tǒng)控制電源的布置示例

DSP 內(nèi)部故障也可認為是一種隱藏故障。這種內(nèi)部故障可以是自身軟件故障或內(nèi)部元器件故障。它可能導致DSP 快速保護功能失效，無法檢測故障的發(fā)生，或者即使檢測到故障也無法分斷IGBT 或向ILC control PLC 反饋狀態(tài)。如果沒有有效的手段監(jiān)測軟件運行狀態(tài)，則在系統(tǒng)正常運行時不能發(fā)現(xiàn)這種隱藏故障。DSP 因此設(shè)計了watch dog 功能，用于監(jiān)測自身軟件運行狀態(tài)，以及‘心跳’監(jiān)測功能，用于監(jiān)測內(nèi)部微處理器運行狀態(tài)。當自身軟件運行響應(yīng)時間高于預(yù)期的響應(yīng)時間時，DSP 將觸發(fā)watch dog 保護功能，關(guān)閉IGBT,切斷對應(yīng)ILC 連接。而‘心跳’監(jiān)測功能則是在規(guī)定時間內(nèi)，內(nèi)部微處理器向DSP 反饋‘health’信號，如果超過預(yù)定時間沒有收到‘health’信號，則DSP 認為有故障發(fā)生，隨即關(guān)閉IGBT,切斷對應(yīng)ILC 連接。watch dog 或‘心跳’監(jiān)測功能觸發(fā)后只會斷開對應(yīng)的ILC,母排由環(huán)網(wǎng)連接變?yōu)椤耙弧弊中芜B接，對各母排運行不影響。

另外，從系統(tǒng)拓撲圖可知，并聯(lián)的兩個ILC有獨立工作的DSP，每個DSP 都與ILC Control CPU 有單獨的通訊聯(lián)系。當發(fā)生短路故障且其中一個DSP 失效時，ILC Control CPU 在收到另一個DSP 發(fā)出的IGBT 關(guān)閉狀態(tài)指令后，會同時將兩個ILC 兩端的隔離開關(guān)斷開，確保短路故障被隔離在故障母排。因此，此系統(tǒng)的設(shè)計上可以被認為對隱藏故障影響有了充分的保護措施。

5 結(jié)語

隨著全球環(huán)境保護要求的日益提高，船舶行業(yè)節(jié)能減排的相關(guān)公約及法規(guī)要求也越來越嚴格。這促使越來越多的新概念、新技術(shù)應(yīng)用到船舶的建造及改造中來。電力電子技術(shù)的發(fā)展，使得直流電力系統(tǒng)在節(jié)能減排、電能質(zhì)量、系統(tǒng)架構(gòu)方面的優(yōu)勢日益突顯，使其順理成章的成為船舶未來發(fā)展的方向之一。而動力定位船舶在作業(yè)中失位導致的結(jié)果往往是十分嚴重的，因此把守著第一道安全關(guān)的動力定位FMEA 分析責任重大。而短路壓降由于影響面廣且程度較深，在對采用直流閉環(huán)母排的DP 船舶進行FMEA 分析時應(yīng)當重點從上述幾個方面入手并加以全面的審視，將安全隱患杜絕在萌芽之中，保障船舶的安全運營。