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DQZHAN技術訊：閉環運行模式在DP-3冗余電力系統中的應用

近些年來，DP-3附加標志的動力定位系統廣泛應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換代，動力定位系統的設計標準、控位能力、系統配套及總裝也得到了長足發展。動力定位系統是一個綜合性的系統總成，主要包括電力系統、推進系統、控制系統、測量系統等。

閉環冗余電力系統的框架及故障模式研究

1、以一個雙冗余電力系統采用閉環運行模式為例，其系統設計框架如圖1所示：

圖1：雙冗余閉環電力系統框架

在閉環模式下，兩個獨立的冗余系統成為一個系統。根據上述MSC Circ.645通函的基本**衡準，為了達到與開環電力系統同等的**水平，在該電力系統的一個分區發生故障時，在故障蔓延至另一個分區之前執行相應的保護動作。目前西門子公司的產品采用的是瞬間無延時斷開配電板間的聯絡開關bus-tie，在故障發生時，將電力系統重新配置為開環模式。

2、故障模式舉例及基本保護原則

在一個電力系統中，能夠導致保護動作發生，使發電機、負載斷路器脫扣的故障類型多種多樣。現就*嚴重、*典型常見的幾個故障模式進行舉例分析。

配電板內部匯流排短路

所有的發電機斷路器都有短路時瞬間斷開的保護功能。在閉環模式下，當發生短路故障時，一個*基本的要**聯絡開關要先于發電機斷路器打開，否則短路電流將會流經整個匯流排使所有的發電機斷路器脫扣，引起全船失電，所有的推進器關停，DP系統將失去控位能力。因此，系統設計時必須要確保聯絡開關的短路脫扣時間要比發電機斷路器的短，并且聯絡開關必須要有能夠分段系統內*大短路電流的能力。

匯流排電壓、頻率變化超差

當電力系統閉環模式運行時，一臺發電機的電壓、頻率異常有可能會導致整個匯流排異常，所有在線的發電機斷路器會檢測同一個匯流排上的電壓和頻率。另外，在冗余電力系統中，同樣功能的設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的電氣設備脫扣，那么在其他冗余系統中完成同樣功能的設備也會同時脫扣。因此，閉環模式下當檢測到匯流排電壓、頻率異常，聯絡開關應能先于發電機斷路器動作之前斷開，否則所有的冗余系統會同時分斷。

目前主流的自動化程度較高的電力推進系統中，推進器斷路器也會有同樣的保護功能，在檢測到系統電壓、頻率、電流異常時，其功率管理系統要考慮所有的發電機和整個匯流排的運行情況，有可能導致故障在不同的冗余系統內蔓延。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出負荷限制的指令，降低推進器轉速，相當于故障在不同的冗余分區內的蔓延。

有功與無功分配故障

通常在電力系統中，引起有功與無功分配故障的原因主要有速度調節系統故障、電壓調節系統故障以及PMS故障等等。閉環模式下，相當于冗余系統所有的發電機并聯運行，功率分配故障有可能會使電力系統意外切斷正常運行的發電機或者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、頻率異常一節中基本類似，在此不再贅述。

在電力系統中除了上述故障外，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、電力推進系統中的諧波畸變、PMS故障等等。對于DP-3附加標志的動力定位系統，所有這些故障模式在設計時都應當考慮。

系統設計難點

一是DP-3的定義中明確對故障模式的界定為任何故障，在系統設計時應當考慮由于某種原因導致保護電氣無法動作，因此，對于每一種保護動作都應當有備用保護裝置。而且需要論證檢測設備在接收到錯誤信號時會不會執行錯誤的動作。

二是一般在閉環模式下，保護動作實施的前提不僅僅需要檢測異常參數值的大小，而且需要判斷處故障發生的位置，以切斷故障分區內的用電設備斷路器，隔離故障冗余分區。

三是多個冗余系統的發電機并聯運行，各參數(例如電壓、頻率、功率等)之間的互相影響較為復雜，且電氣故障在冗余系統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設定就非常的嚴格，各級保護裝置之間的協調也非常困難。

四是在設計時，根據保護動作的基本原理，需要量化分析動作執行的可行性，并且需要驗證所采取的措施是有效的。