DQZHAN技術(shù)訊：閉環(huán)運(yùn)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(dòng)力定位系統(tǒng)廣泛應(yīng)用于半潛式深水鉆井平臺(tái)、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(xiàng)目的更新?lián)Q代，動(dòng)力定位系統(tǒng)的設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)、控位能力、系統(tǒng)配套及總裝也得到了長(zhǎng)足發(fā)展。動(dòng)力定位系統(tǒng)是一個(gè)綜合性的系統(tǒng)總成，主要包括電力系統(tǒng)、推進(jìn)系統(tǒng)、控制系統(tǒng)、測(cè)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(gè)雙冗余電力系統(tǒng)采用閉環(huán)運(yùn)行模式為例，其系統(tǒng)設(shè)計(jì)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(gè)獨(dú)立的冗余系統(tǒng)成為一個(gè)系統(tǒng)。根據(jù)上述MSC Circ.645通函的基本**衡準(zhǔn)，為了達(dá)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(gè)分區(qū)發(fā)生故障時(shí)，在故障蔓延至另一個(gè)分區(qū)之前執(zhí)行相應(yīng)的保護(hù)動(dòng)作。目前西門子公司的產(chǎn)品采用的是瞬間無延時(shí)斷開配電板間的聯(lián)絡(luò)開關(guān)bus-tie，在故障發(fā)生時(shí)，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(hù)原則
在一個(gè)電力系統(tǒng)中，能夠?qū)е卤Ｗo(hù)動(dòng)作發(fā)生，使發(fā)電機(jī)、負(fù)載斷路器脫扣的故障類型多種多樣?，F(xiàn)就*嚴(yán)重、*典型常見的幾個(gè)故障模式進(jìn)行舉例分析。
配電板內(nèi)部匯流排短路
所有的發(fā)電機(jī)斷路器都有短路時(shí)瞬間斷開的保護(hù)功能。在閉環(huán)模式下，當(dāng)發(fā)生短路故障時(shí)，一個(gè)*基本的要**聯(lián)絡(luò)開關(guān)要先于發(fā)電機(jī)斷路器打開，否則短路電流將會(huì)流經(jīng)整個(gè)匯流排使所有的發(fā)電機(jī)斷路器脫扣，引起全船失電，所有的推進(jìn)器關(guān)停，DP系統(tǒng)將失去控位能力。因此，系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)必須要確保聯(lián)絡(luò)開關(guān)的短路脫扣時(shí)間要比發(fā)電機(jī)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(yùn)行時(shí)，一臺(tái)發(fā)電機(jī)的電壓、頻率異常有可能會(huì)導(dǎo)致整個(gè)匯流排異常，所有在線的發(fā)電機(jī)斷路器會(huì)檢測(cè)同一個(gè)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(hào)，如果因?yàn)閰R流排電壓、頻率超差使一個(gè)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(huì)同時(shí)脫扣。因此，閉環(huán)模式下當(dāng)檢測(cè)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(jī)斷路器動(dòng)作之前斷開，否則所有的冗余系統(tǒng)會(huì)同時(shí)分?jǐn)唷?
目前主流的自動(dòng)化程度較高的電力推進(jìn)系統(tǒng)中，推進(jìn)器斷路器也會(huì)有同樣的保護(hù)功能，在檢測(cè)到系統(tǒng)電壓、頻率、電流異常時(shí)，其功率管理系統(tǒng)要考慮所有的發(fā)電機(jī)和整個(gè)匯流排的運(yùn)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(shí)會(huì)對(duì)四臺(tái)推進(jìn)器發(fā)出負(fù)荷限制的指令，降低推進(jìn)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(jī)并聯(lián)運(yùn)行，功率分配故障有可能會(huì)使電力系統(tǒng)意外切斷正常運(yùn)行的發(fā)電機(jī)或者PMS意外動(dòng)作使推進(jìn)器降負(fù)荷，嚴(yán)重時(shí)可影響船舶的控位能力。其保護(hù)機(jī)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(fù)載不平衡、電力推進(jìn)系統(tǒng)中的諧波畸變、PMS故障等等。對(duì)于DP-3附加標(biāo)志的動(dòng)力定位系統(tǒng)，所有這些故障模式在設(shè)計(jì)時(shí)都應(yīng)當(dāng)考慮。
系統(tǒng)設(shè)計(jì)難點(diǎn)
一是DP-3的定義中明確對(duì)故障模式的界定為任何故障，在系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)當(dāng)考慮由于某種原因?qū)е卤Ｗo(hù)電氣無法動(dòng)作，因此，對(duì)于每一種保護(hù)動(dòng)作都應(yīng)當(dāng)有備用保護(hù)裝置。而且需要論證檢測(cè)設(shè)備在接收到錯(cuò)誤信號(hào)時(shí)會(huì)不會(huì)執(zhí)行錯(cuò)誤的動(dòng)作。
二是一般在閉環(huán)模式下，保護(hù)動(dòng)作實(shí)施的前提不僅僅需要檢測(cè)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(gè)冗余系統(tǒng)的發(fā)電機(jī)并聯(lián)運(yùn)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(jí)的。要做到完全的保護(hù)，對(duì)保護(hù)裝置的選型和參數(shù)設(shè)定就非常的嚴(yán)格，各級(jí)保護(hù)裝置之間的協(xié)調(diào)也非常困難。
四是在設(shè)計(jì)時(shí)，根據(jù)保護(hù)動(dòng)作的基本原理，需要量化分析動(dòng)作執(zhí)行的可行性，并且需要驗(yàn)證所采取的措施是有效的。
