DQZHAN技術(shù)訊：閉環(huán)運行模式在DP-3冗余電力系統(tǒng)中的應(yīng)用
近些年來，DP-3附加標(biāo)志的動力定位系統(tǒng)廣泛應(yīng)用于半潛式深水鉆井平臺、鉆井船、鋪管船以及各種類型的海洋工程船，隨著各種類型海洋工程項目的更新?lián)Q代，動力定位系統(tǒng)的設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)、控位能力、系統(tǒng)配套及總裝也得到了長足發(fā)展。動力定位系統(tǒng)是一個綜合性的系統(tǒng)總成，主要包括電力系統(tǒng)、推進系統(tǒng)、控制系統(tǒng)、測量系統(tǒng)等。
閉環(huán)冗余電力系統(tǒng)的框架及故障模式研究
1、以一個雙冗余電力系統(tǒng)采用閉環(huán)運行模式為例，其系統(tǒng)設(shè)計框架如圖1所示：
圖1：雙冗余閉環(huán)電力系統(tǒng)框架
在閉環(huán)模式下，兩個獨立的冗余系統(tǒng)成為一個系統(tǒng)。根據(jù)上述MSC Circ.645通函的基本**衡準(zhǔn)，為了達到與開環(huán)電力系統(tǒng)同等的**水平，在該電力系統(tǒng)的一個分區(qū)發(fā)生故障時，在故障蔓延至另一個分區(qū)之前執(zhí)行相應(yīng)的保護動作。目前西門子公司的產(chǎn)品采用的是瞬間無延時斷開配電板間的聯(lián)絡(luò)開關(guān)bus-tie，在故障發(fā)生時，將電力系統(tǒng)重新配置為開環(huán)模式。
2、故障模式舉例及基本保護原則
在一個電力系統(tǒng)中，能夠?qū)е卤Ｗo動作發(fā)生，使發(fā)電機、負載斷路器脫扣的故障類型多種多樣。現(xiàn)就*嚴重、*典型常見的幾個故障模式進行舉例分析。
配電板內(nèi)部匯流排短路
所有的發(fā)電機斷路器都有短路時瞬間斷開的保護功能。在閉環(huán)模式下，當(dāng)發(fā)生短路故障時，一個*基本的要**聯(lián)絡(luò)開關(guān)要先于發(fā)電機斷路器打開，否則短路電流將會流經(jīng)整個匯流排使所有的發(fā)電機斷路器脫扣，引起全船失電，所有的推進器關(guān)停，DP系統(tǒng)將失去控位能力。因此，系統(tǒng)設(shè)計時必須要確保聯(lián)絡(luò)開關(guān)的短路脫扣時間要比發(fā)電機斷路器的短，并且聯(lián)絡(luò)開關(guān)必須要有能夠分段系統(tǒng)內(nèi)*大短路電流的能力。
匯流排電壓、頻率變化超差
當(dāng)電力系統(tǒng)閉環(huán)模式運行時，一臺發(fā)電機的電壓、頻率異常有可能會導(dǎo)致整個匯流排異常，所有在線的發(fā)電機斷路器會檢測同一個匯流排上的電壓和頻率。另外，在冗余電力系統(tǒng)中，同樣功能的設(shè)備一般都使用同樣的型號，如果因為匯流排電壓、頻率超差使一個冗余系統(tǒng)的電氣設(shè)備脫扣，那么在其他冗余系統(tǒng)中完成同樣功能的設(shè)備也會同時脫扣。因此，閉環(huán)模式下當(dāng)檢測到匯流排電壓、頻率異常，聯(lián)絡(luò)開關(guān)應(yīng)能先于發(fā)電機斷路器動作之前斷開，否則所有的冗余系統(tǒng)會同時分斷。
目前主流的自動化程度較高的電力推進系統(tǒng)中，推進器斷路器也會有同樣的保護功能，在檢測到系統(tǒng)電壓、頻率、電流異常時，其功率管理系統(tǒng)要考慮所有的發(fā)電機和整個匯流排的運行情況，有可能導(dǎo)致故障在不同的冗余系統(tǒng)內(nèi)蔓延。如圖2所示，如果公共匯流排由于某種原因造成低頻或低壓，PMS A和PMS B都同時會對四臺推進器發(fā)出負荷限制的指令，降低推進器轉(zhuǎn)速，相當(dāng)于故障在不同的冗余分區(qū)內(nèi)的蔓延。
有功與無功分配故障
通常在電力系統(tǒng)中，引起有功與無功分配故障的原因主要有速度調(diào)節(jié)系統(tǒng)故障、電壓調(diào)節(jié)系統(tǒng)故障以及PMS故障等等。閉環(huán)模式下，相當(dāng)于冗余系統(tǒng)所有的發(fā)電機并聯(lián)運行，功率分配故障有可能會使電力系統(tǒng)意外切斷正常運行的發(fā)電機或者PMS意外動作使推進器降負荷，嚴重時可影響船舶的控位能力。其保護機制與上述電壓、頻率異常一節(jié)中基本類似，在此不再贅述。
在電力系統(tǒng)中除了上述故障外，還有一些故障模式較為常見，例如：接地故障、三相負載不平衡、電力推進系統(tǒng)中的諧波畸變、PMS故障等等。對于DP-3附加標(biāo)志的動力定位系統(tǒng)，所有這些故障模式在設(shè)計時都應(yīng)當(dāng)考慮。
系統(tǒng)設(shè)計難點
一是DP-3的定義中明確對故障模式的界定為任何故障，在系統(tǒng)設(shè)計時應(yīng)當(dāng)考慮由于某種原因?qū)е卤Ｗo電氣無法動作，因此，對于每一種保護動作都應(yīng)當(dāng)有備用保護裝置。而且需要論證檢測設(shè)備在接收到錯誤信號時會不會執(zhí)行錯誤的動作。
二是一般在閉環(huán)模式下，保護動作實施的前提不僅僅需要檢測異常參數(shù)值的大小，而且需要判斷處故障發(fā)生的位置，以切斷故障分區(qū)內(nèi)的用電設(shè)備斷路器，隔離故障冗余分區(qū)。
三是多個冗余系統(tǒng)的發(fā)電機并聯(lián)運行，各參數(shù)(例如電壓、頻率、功率等)之間的互相影響較為復(fù)雜，且電氣故障在冗余系統(tǒng)之間的蔓延速度都是毫秒級的。要做到完全的保護，對保護裝置的選型和參數(shù)設(shè)定就非常的嚴格，各級保護裝置之間的協(xié)調(diào)也非常困難。
四是在設(shè)計時，根據(jù)保護動作的基本原理，需要量化分析動作執(zhí)行的可行性，并且需要驗證所采取的措施是有效的。
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