A review of measurement and analysis of electric power quality on shipboard power system networks
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http://dx.do i.or g/10.1016/j.rser.2016.05.143
1Abstract
Electric power quality is an important aspect of increasing concern in power system networks in ships. A poor power quality not only affects the performance of the ship壮s electrical installations, but it also greatly affects the efficient use of energy, the security of navigation and the safety of life at sea. This paper presents an extensive critical literature review of the main contributions in the principal aspects of power quality in ships. Voltage and frequency fluctuations, voltage dips and swells, transients and voltage notching, fault detection and classification, harmonic distortion and voltage imbalance are reviewed and discussed. Finally, power quality instrumentation and power quality regulations for electrical installations in ships are also considered.
2Keywords
- Electric power quality in ships;
- Ships power systems;
- Harmonics;
- Instrumentation;
- Regulations
3. Introduction
Power quality is defined as the characteristics of the electricity at a given point in an electrical system, evaluated against a set of reference technical parameters. International standards define the nominal conditions and the deviations from these nominal conditions in power supply systems. These deviations are considered as power quality disturbances, and they are characterized using a set of indices and measurement methods
Power quality is an important factor in shipboard power system networks that, not only has a significant effect on the correct performance of onboard electrical equipment, with its evident economical dimension, but should also be considered from the point of view of the security of navigation and the safety of life at sea, given that a malfunction or failure in a critical equipment, such as the propulsion system or the navigation equipment, could cause an accident with a high risk for the crew, the ship itself and for the environment.
Several differences between onboard power systems and public distribution networks, make the effect of poor power quality in shipboard installations more severe. Some of the main specific characteristics of the onboard power system networks are:
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The limited power generation plant, with subsystems of different voltage and frequency levels, small numbers of generators of different sizes, prime movers and control systems.
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The significant magnitude of some power loads in comparison to the total installed generation capacity.
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The relatively high short-circuit impedance of onboard supply generators.
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The generalized use of non-linear loads.
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The parallel operation of generators.
These specific characteristics of shipboard electric power plants produces abnormal voltage and frequency variations, highly distorted voltage and current waveforms with high magnitude of interharmonic distortion, transient disturbances or incorrect active or reactive power distribution among generators working in parallel, making power quality issues more demanding in shipboard power grids [6], [7], [8], [9], [10] and [11]. The complete characterization of onboard power quality requires the definition of new and specific power quality indices and measurement methods, at present not fully addressed in the international standards and the regulations of marine classification societies [12], [13], [14], [15],[16] and [17].
Adequate investment in monitoring and control of power quality in onboard power system networks will: reduce the exploitation costs, improve the efficiency of onboard energy use, reduce fuel consumption and gas emissions, increase the safety of life onboard and reduce the risk for the environment.
The purpose of this paper is to present an extensive critical bibliographic review of the main contributions in the principal aspects of power quality in ships.
4. Voltage and f
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舰船电力系统测量与分析综述
- 概念
电能质量是船舶电力系统网络日益受到关注的一个重要方面。电能质量不仅影响船舶电气设备的性能，也极大地影响了能源的高效利用、航行的安全和海上的生命安全。 船舶电能质量的主要方面在于电压和频率的波动，电压骤降和骤升，瞬变电压开槽、故障检测和分类，谐波失真 和电压不平衡的审查和讨论。最后，电力质量仪表和电力质量法规的电气设施在船舶也被认为是重要的。
- 关键词
船舶电能质量；
船舶电力系统；
谐波；
仪器仪表
法规
- 介绍
电能质量被定义为在一个给定的电气系统中的电力特性，对一组参考技术参数进行评估。国际标准定义 标准条件和电源系统中这些标准条件的偏差。这些偏差被认为是电能质量扰动，他们的特点是使用指标与测量方法。
电能质量是船舶电力系统网络中的一个重要因素，它不仅对船舶电气设备的正常性能有显著影响，而且具有明显的经济性 ，但也应考虑从航行安全和海上安全的角度来看，鉴于故障或故障的关键设备，导航设备，可能会导致事故和对船员的高风险，船舶本身和环境。
板载电力系统和公共配电网之间的几个差异，使恶劣的电力质量在船上安装的影响更严重。集成电路的电力系统网络的特点是：
有限的电能，与各子系统不同电压和频率的水平，少量的不同大小的发电机、原动机和控制系统。
与总装机容量相比，一些电力负荷的显著大小。
板载发电机的相对高短路阻抗
非线性荷载的广义应用
发电机并联运行。
船用发电厂的这些具体特征产生异常电压和频率的变化，高度扭曲的电压和电流波形与高幅度 C失真，瞬态干扰或不正常的有功或无功功率分配的发电机并联工作，使电力质量问题更苛刻的船用电网 机载电源的质量完全表征需要新的电能质量指标的测量方法和具体的定义，目前在国际标准没有完全解决这一问题。
在监控和车载电力系统网络的电能质量控制适当的投资会降低开采成本，提高车载能源的使用效率，降低燃料消耗 和气体排放，增加安全系数，降低环境的风险。
4电压和频率波动
船用电力系统是一个孤立的网络，发电量和大功率负载相比，已安装的发电机容量。通常观察异常船舶电网固有的弱点是很常见的同时，电压与电力系统频率的变化，通常与开/关大功率负载开关相关，如发动机、泵、压缩机等，此外，舰载设备的复杂性，系统不同电压和频率的水平，不同大小的发电机，总动力系统和控制系统，影响这些大小的控制。
为了避免这些扰动的影响，国际海运法规标准的分类定义电的这些波动限制了电梯在船上的标准。IEC 60092-101是最全面的标准，定义了在船舶电力网的电能质量参数的限制。列出电压允许范围 和频率偏差的定义。
在海洋船级社规则中定义了类似的限制。挪威船级社（DNV）、船舶登记册（LRS），美国船舶局对频率偏差相同的限制，但对于永久性的电压偏差限plusmn;2.5%在plusmn;20%；15%短暂时间的偏差。
在船舶电力系统中的电压和频率偏差记录，是针对每个船舶。他们应该被监控和控制，因为他们可以这样 测出一个数量，它们可能导致故障或设备故障，对整个船舶操作的潜在影响。指出的一个重要方面是，没有标准方法的M 在船上的电力系统网络的频率测量。根据标准IEC 61000-4-30，基波频率应该在一个10秒的时钟的时间间隔测量电压供应系统 。
在电压波动与推进器的初创企业相关报道中看出幅度可以达到高于标准的允许偏差范围plusmn;20%，影响到了船舶的安全，甚至造成整个船用电力系统的故障。对于这些严重的电压波动检测和分类不同的方法已经被提出。为了降低船舶电网电压骤降，提出了一种软启动控制方法。
设计中的仿真工具的使用，操作和舰船电力系统网络控制允许估计的电压和频率的波动，与其他电能质量参数 RS，在所有船舶操作。一对在整个船舶电力系统性能的新的或修改现有的负载增加的影响分析方法介绍 。
为保证车载电力系统电压和频率的稳定，提出了不同的控制方法。电压/频率综合电压无功控制 VAR控制。提高船舶直流中压电力系统的稳定性。
采用DSTATCOM其他控制方法已提出,为了减轻脉冲载荷的影响 维持船舶电力系统的稳定性。飞轮电池储能系统的使用提高了效率和供电电压质量.
故障检测和定位是一个重要的问题，就是没有充分解决在船用电力系统网络。高阻抗接地或不接地系统在许多舰船电力实施 在接地故障期间允许连续服务的系统网络。这些故障电流的低幅度使他们难以检测。防止后续相接地故障或相位— 相位故障，必须使用准确的方法进行故障检测和分类。
利用小波分析已被用于在船舶电力系统接地故障检测。在离散小波变换的高频系数的变化幅度 ORM应用于线电压，从故障的故障状态，船舶综合电力系统故障检测和分类。该方法仅仿真测试，并没有实验结果。
故障信号的能量变化，在不同的分辨率水平的小波分析的故障信号，作为一个故障检测和综合特征向量 ，在故障检测和自动分类，提出了基于小波分析和人工网络。特别提取采用了9级离散波长 等变换作为短路故障分析母小波和5 kHz的采样频率，40 kHz的接地故障分析。自动检测网络用于与能量变化从故障故障作为输入，只有两个输出。小波分析和人工网络的集成的人工网络是可行的但是更多的研究是必要的，独特的和独特的在不同的系统配置，故障信号的特征提取，以选特征数和计算时间的上线和实时执行的方法。
采用小波分析和分形维数分析的方法，在高阻抗接地直流船舶配电系统故障定位方法，最后，基于模式重新 高频噪声在不接地直流转换器的开关事件相关的认知了。实验DC系统是用来测试这个建议。的能量 IES在不同层次的小波分析应用于电压波形系数是用来获得接地故障检测和分类的频域信息。
- 瞬态干扰和电压开槽
瞬态干扰是指有关的物理量或物理现象的变化，连续两个稳定阶段之间的时间间隔较短，瞬态干扰是难以检测的，因为它们的持续时间短，通常小于一个基本周期，和所涉及的高频分量 ，需要高采样率和实时操作。实时的方法和仪器的检测和分析的发展是一个主要的关注，在电能质量分析，以防止对船上电气设备的有害影响。
在船用电力系统网络的瞬变通常是通过开关大功率负载或脉冲负载。
没有标准的方法进行检测和分析。有不同的方法在文献中提出的，同时在时间域或频率域，虽然他们没有施加在电压样品上的离散小波变换的高频系数的大小，在瞬态干扰的检测和分析上和开槽在舰船电力系统网络。另一方面，离散小波变换的实时执行的基础上，使用多个常数乘法，在用于检测瞬态扰动。
电压切痕是一种周期性的波形失真的电力电子变换器的正常运行生产，广泛应用于舰船电力系统电网，尤其是那些装备 电力推进系统。电压缺口发生时，电流开关从一个阶段到另一个电源转换器。在这期间，有两PHA瞬间短路 SES。缺口的严重程度取决于转换器和被监测点之间的源电感。
电压是电能质量扰动开槽落暂态谐波失真之间。由于开槽连续发生周期性变化，可以用电压谐波的特点为莫尼克失真，但与开槽的频率成分会相当高，他们不能使用常规的谐波测量设备的特点。在瞬态干扰，国际船舶标准和海洋分类社会的规则不指定电压开槽的检测和分析方法。IEEE定义为电压缺口和换相缺口和总谐波失真因素限制的表征方法，但没有引用任何测量方法。正如电压缺口用两个参数定义、深度和面积。深度D被定义为从正弦波电压的线电压陷波的平均深度，并表示在 百分比为D / V·100%。缺口区域，一个，在宽的缺口，缺口深度伏倍的产品，以微秒计算（= D·T）
一个简单的方法，在一个低成本的虚拟测量仪器实现的，用于检测和电压缺口采用峰值幅度和高频率的能量估计 小波分析的高频系数。一一级离散小波变换应用过采样一个周期宽度的窗户，使用db4小波为母小波和40 kHz的采样频率。T 他大小的小波高频系数显示一系列的峰完全对应于电压供应缺口。开始，结束和持续时间的电压等级C 一个有0.196毫秒的时间分辨率（双，确定引起的信号采样的采样周期由两个与这些系数的计算相关的）。此外 ，这些系数的总能量可用于电压等级相关的能源评估，提高估计时使用更高的采样频率。
- 谐波失真
电压和电流波形中的谐波是电力系统频率整数倍的频率分量。谐波产生的连接的非线性负载，这些负载 绘制非线性电流时，流经电力系统的阻抗产生失真的电压波形，最终影响整个电力系统。
船舶电力系统的一个重要方面是在陆地上的电力系统网络相比，大量使用非线性负载。任何类型的海洋应用的功率变换器的推广应用阳离子，如主推进器，推进器，压缩机或泵，增加了这样一种方式，非线性负载的当前商船和海军船只可以达到80%的生成信息的能力。船舶电力系统的主要谐波产生负载的描述中给出了和一个模拟模型在ATP研究电压和电流失真的低电压 年龄在海军系统母线许多变频器引起的。此外，车载电源发电机相对高源阻抗，相对于内陆变换 电功率，会导致过量的对于一个给定的负荷谐波电压畸变。正如报道的，船上电力系统的总电压失真的幅度可以超过20% 。
作为功率变换器的大量使用的另一个后果，舰船电力系统网络的高频失真和高幅度的电压和电流谐波失真 波形，高于现有的内陆电网。间谐波是非电力系统频率的整数倍的频率成分。在这种情况下，舰船电力系统网络这些间谐波成分可以覆盖整个频谱的电压和电流波形，影响整个电力系统。
一种基于调制理论方法应用对电流型交流–直流交流转换器–船舶推进系统产生的谐波成分。间谐波的频率 在这些功率转换器中产生的依赖于推进电机的速度，并可以承受任何频率。根据作者的观点，这个方法可以让网络中的电流的预测，TRA 变压器、发电机和电网的阻抗。在任何一个节点电压和电力系统的电流之间的互功率谱法来确定的大小和方向 对有功和无功潮流在任何感兴趣的频率，包括基本原理、谐波和间谐波的频率。
谐波和间谐波失真的设备是众所周知的。它在旋转电机，变压器，电缆或电容器，共振效应产生额外的损失包含在电力系统中，测控设备的故障、保护装置的故障或对电子设备的干扰，包括通信和导航设备。在电气系统中使用的硬件在环仿真方法分析和理解在所有电动船舶系统的谐波失真的影响。
谐波可以在防爆电机安装一个特别严重的问题，石油和化学品船或石油生产平台，其中的风险增加 爆炸可能是由高谐波失真产生过热。为了避免这个问题，IEC要求2%或3%的失真水平为防爆电动机认证， 根据具体的保护概念类型电机失去其作用，如果这些限制超过标准的话。
谐波是很难在舰船电力网络测量由于频率变化和间谐波失真大幅度。根据IEC 61000-4-7标准，最大的采样窗与电力系统频率之间允许的同步误差不应超过谐波测量的0.03%，同步应在一次 GE至少标称电力系统频率的5%。船用电力网络的频率变化通常高于标准同步 的要求，所以标准的谐波测量是很难符合在这些非平稳状态下的条件。
为了解决这个问题，在技术文献中提出了不同的建议。基于傅立叶分析的舰船电力系统谐波估计方法的比较 用不同的采样窗口，同步和不同的插值方法是窗口特性应用，准确地检测基础在谐波和间谐波失是否真的存在信号频率。获得的基本频率后，采用同样的程序，对所有可能的谐波滤波 红色的间谐波分析。失真指标的使用，而不是标准的总谐波失真指标，更适用于谐波失真的完整的表征 船用电力系统的组成部分。
另一个重要方面，目前还没有充分考虑到海洋法规，是在谐波范围（2千赫）的波形失真的测量。这个频率范围是N 通常由商用电能质量分析仪。这是越来越多的关注，由于高频同步开关技术用于功率变换器增加扭曲 离子水平的频率范围从超过2千赫到50千赫和超越。提出了在所有船舶谐波失真达到50 kHz的测量结果，应用 离散傅立叶变换，使用矩形非同步数据采集窗口和分组的输出系数在200赫兹频带。得到的结果是非常不同的计算 G用标准定义了第四十个谐波谐波THD指标，或使用一个新的扩展指数频率分量超出这个频率范围覆盖时。
海洋分类机构高度关注的谐波失真的问题及其对船舶装置的影响，引入严格的限制，以确保这种干扰下船舶电气设备的可靠性与船员安全。根据IEC 60092-101 ，在电源电压谐波含量不得超过5%的限制，没有单独的谐波大于 3%的基波电压，无论谐波顺序，船舶配电系统。同样的限制是必需的。在这两种情况下更高的限制，高达10%的限制， 在专用系统允许的，如致力于推进配电盘，如果所有的消费者和分布受增加失真设备认证的承受那些HAR 谐波失真水平。大多数的分类采用了电压畸变限与DNV、ABS 。与此相反，LRS采用8%的基波电压的THD限制 配电板或节板，测量谐波高达50阶，但建立了严格的限制，只有个别电压谐波高于电压谐波失真，所有操作条件下符合对国际组织对船舶电气和船舶船级社在MITS上的规定。
然而，在船舶电网在高间谐波失真（尤其是那些尽管配备电子转换器子系统），无限制的规定考虑的间谐波 船级社的情况。这同样适用于谐波、基波频率的频率成分，通过功率变换器的正常运行也产生了，这是在前面提到的，也可以由高频谐波产生的失真。
作为替代现有的谐波限值，提出了比海洋法规提出了更高的谐波限值，如果电气船舶设备承受这些更高的限制，或使用概率谐波指数。另一方面，根据船舶的运行状态不同的限制使用（机动、港口、导航）的建议，因为明显的变形水平，特别是在机动方面。
- 电压不平衡
根据在一个多相系统电压不平衡的定义，在这一条件下的线电压或相位连续的线电压之间的均方根值不全相等。电压的IM 平衡可以通过非对称阻抗配电线路三相负荷不平衡，产生不对称的变压器绕组的阻抗，开怀，开口三角变压器或非伸缩单相负荷分布。由于电力系统网络中单相和三相负载的连续切换，三相电压从未完全平衡。
三相感应电机，电力电子转换器和驱动器是最敏感的设备，电压不平衡。电压不平衡会对异步电动机产生不利影响 。三相电压的
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