舰船电力系统的自适应电流保护_黄青梅

第3卷第5期2008年10月中 国 舰 船 研 究Chi nese Journa l of Sh i p R esearch V o.l 3N o .5O ct .2008收稿日期:2008-04-30作者简介:黄青梅(1982-),男,硕士研究生。

研究方向:舰船电力系统自动化与安全运行E -m i a :l q i ngm eihuang1982@163.co m戚连锁(1967-),男,副教授。

研究方向:舰船电子系统自动化与安全运行舰船电力系统的自适应电流保护黄青梅1戚连锁1高 捷21海军工程大学电气与信息工程学院,湖北武汉4300332中国舰船研究设计中心,湖北武汉430064摘 要:随着舰船电力系统的不断发展,传统的继电保护方式已逐渐不能满足需要。

自适应电流保护可根据系统运行方式和故障状态实时在线计算,并修改保护整定值。

因此,必将在未来舰船复杂电力系统保护中发挥越来越重要的作用。

介绍了自适应电流保护的基本原理及其在舰船电力系统中的应用和实现基础。

关键词:舰船电力系统;自适应;继电保护;电流保护中图分类号:U 665.14 文献标志码:A文章编号:1673-3185(2008)05-65-04Adaptive Protecti on of Current i n M ari ne E lectrical Syste m sH uang Qing-m ei 1Q i L ian-suo 1Gao J ie21Co llege of E l e ctrica l and Infor m ation Eng ineeri n g ,N avalUn i v .of Eng .,W uhan 430033,Ch i n a2Ch i n a Sh i p Deve l o p m ent and Desi g n Cen ter ,W uhan 430064,ChinaAbst ract :W ith the deve l o p m ent ofm arine e lectrical syste m s ,traditional protection o f re l a y i n g can -not satisfy the de m ands .Adapti v e protection o f current is to ca lculate and adj u st protection para m e -ters based on the runn i n g m anner and fault state of e lectrica l syste m s .Itw ill play a mo re and m ore i m portant r o le in the protecti o n o f t h e co m plex electrical syste m s i n f u ture m arines .Th is paper re -vie w s the basic princ i p les of t h e adapti v e protection o f current and the app lication and rea lizati o n i nm arine electrical syste m s .K ey w ords :m arine electrical syste m s ;adaption ;relay i n g protecti o n ;current pro tecti o n1 引 言随着舰船综合电力系统(IPS )[1]的提出,未来舰船电力系统的规模将不断扩大,电网拓扑结构变化频繁,系统运行方式的选择也变得越来越复杂,同时舰船电站数量的增加、武器装备对供电品质要求的不断提高,以及电站间的并网运行等都逐渐提上日程。

电力系统的这些新特点导致保护的层次和等级也在逐步增加,传统的电流保护方式已经越来越不能满足要求。

自适应继电保护是根据电力系统运行方式和故障状态的变化而实时改变保护性能、特性或定值的保护[2],其基本思想是使保护尽可能地适应电力系统的各种变化,进一步改善保护的性能,即能够适应电力系统各种运行方式和复杂故障类型,有效地处理故障信息,从而获得更可靠的保护。

这些特点为未来舰船电力系统保护方式的研究提供了一条途径。

2 舰船电力系统继电保护研究现状舰船电力系统的继电保护研究是一项重要而又艰巨的任务,很多继电保护研究工作者在这方面做了大量的工作,为舰船电力系统的安全、可靠运行奠定了基础。

文献[3]在分析了舰船电网以差动保护为主保护的前提下,讨论了距离后备保护和过电流后备保护的应用情况,指出距离后备保护由于舰船电网的线路低阻抗特性而容易导致计算错误,因此不可用,而过电流后备保护的时间原则也存在不好控制的问题。

文献[4]介绍了一种针对复杂树型电网的新型保护方法,其保护方式可以概括为/逐级向上综合逻辑判断,结合时间原则和电流方向检测装中 国 舰 船 研 究第3卷置来实现保护0,其原理如图1所示。

图1 复杂树型电网保护方法结构示意图文献[5]对常用低压干馈式舰船电力网络继电保护措施进行了研究,总结分析了该类网络在实现保护时需要考虑的结构特点,引入了差动保护和新的判断单元,为研究不同电压等级和不同网络形式的舰船电网保护措施提供了参考。

文献[6]综述了舰船综合电力系统交流网络中单相接地故障的探测和诊断方法,讨论了舰船综合电力系统中压直流配电网的相应保护策略发展的方向。

文献[7]基于快速保护的观点,提出了利用短路电流上升率作为判断依据的故障诊断新方法,为短路故障的快速判断和分断提供了一种更加可靠的方法。

文献[8]以舰船综合电力系统直流环形网络作为研究对象,分析了差动保护和时间电流原则相结合的复合差动保护方法,通过仿真分析表明在直流环网中采用这种方法是可行的。

综上所述,随着舰船网络结构的复杂化以及运行方式的多样化程度不断加深,很多研究工作者在舰船电力系统继电保护方面提出了很多新的方法,以适应未来舰船发展的需要。

本文借鉴陆地电网自适应保护的成熟技术,将其引入到舰船电力系统保护中,为舰船电力系统保护提供一种新思路。

3 自适应电流保护自适应保护是在20世纪60年代提出的一个较新的研究课题。

随着计算机技术的发展,自适应继电保护的内涵在国内外有着不同程度的发展。

3.1 研究现状我国在20世纪80年代后期开始引入自适应保护的概念。

目前在陆地电网中,自适应保护原理已经在自适应重合闸[9]、自适应距离保护[10]、自适应馈线保护等方面得到了广泛的应用,但在舰船电网方面的研究比较缺乏。

在国外,由于电网自动化水平较高,继电保护工作者除了研究装置的自适应保护外,更注重系统自适应保护的研究,同时自适应保护技术在舰船上的理论研究也有很大发展[11,12],但仍处在探索阶段。

随着继电保护研究工作的不断深入,自适应电流保护将着重在以下几方面进行研究:保护性能的最佳化;整定计算的在线化;保护装置的智能化;利用各种不同的信息处理方式来实现自适应功能。

3.2 舰船电网中的应用自适应电流保护能根据电力系统运行方式、拓扑结构、故障类型和负荷等参数的变化,在线计算和修改保护定值,以此来实现保护的最优化。

当电网拓扑结构、运行方式、负荷等发生改变时,配电网络供电的连续性、可靠性以及整个电网运行的稳定性,并不仅仅是简单地开关闭合、分断就可以做到,这个过程中会涉及到各种设备参数的调整,其中也包括保护装置整定值的重新调整,若调整不及时或不合理,将会在很大程度上影响到舰船电力系统的运行。

舰船电网网络的变化根据外部因素的影响大致可以分为2类:1)有计划的、人为的改变。

如负载的正常切换、电站间的正常转换等,这种情况下可以通过人工方式对开关整定值进行调整(如手动调整开关整定值调节旋钮),也可通过在线整定的方式实现。

2)无计划的、随机的改变。

如舰船在作战状态下,电站被炮弹击中而毁坏,线路因火灾受到破坏等,在这种情况下,通过人工方式去改变开关整定值已经来不及,为了保证在新的运行状态下发生故障时保护装置能发挥最佳性能,相应的开关保护整定值则要求能够实时在线改变。

下面用一个简单的电网进行说明一电站环形电网,如图2所示。

当3号电站在作战中毁坏时,为了保证重要负载Z2、Z5连续供电,电网可按图3所示状态进行改变以保证供电。

比较两种运行状态,可以得到流过开关BK1、BK17、BK18、BK20、B K21、BK22上的功率都发生了变化,若在新的运行状态下发生短路等故障,开关就可能失去保护作用。

如开关BK21、BK22,初始状态下流过的功率是0MW,运行状态发生改变后就变成了15MW,如果开关仍然工作在原始状态(一般设定为和发电机出口端开关一样,允许流过最大功率为40MW )的设定值下,则当跨66第5期黄青梅等:舰船电力系统的自适应电流保护注:1)BK1~BK22表示开关,其中粗黑色开关表示开关闭合;2)Z1~Z6表示负载,其中Z2、Z5为重要负载;3)G1~G4表示额定功率为40MW 的发电机机组,均工作在理想状态。

图2四电站环形电网正常运行示意图图3 四电站环形电网故障后运行示意图接线F 点出现短路故障时,两个开关可能均不分断,这样会对两个发电机机组造成很大影响,严重情况下将会导致电网全面停电。

若能利用自适应电流保护模块对开关保护整定值重新计算和修改,使B K 21、B K22工作在允许流过最大功率为15MW 的设定值下,当出现故障时就能迅速分断,这样就不会影响到两个发电机机组的供电,将故障影响降低到最小。

为了保证重要负载Z2、Z5得到连续可靠的供电,还有其他多种电网连接方式,而每种方式都对应着开关状态的改变,也就是对应着开关整定值的最优化调整。

3.3 总体结构根据自适应电流保护的定义和实现要求,构建电力系统自适应电流保护总体结构图,如图4所示:图4 自适应电流保护模块结构示意图各模块的主要功能如下:1)人机交互模块。

相关参数及保护整定值的查询与显示等功能。

2)检验模块。

检验保护整定值是否合理、是否满足灵敏性和选择性的要求,对不符合要求的要重新整定,从整体上对整个系统的保护配置方案是否合理进行把握。

3)整定计算模块。

整定计算是整个系统的关键,根据输入的特征量(电流信号和开关量等)和提供的算法来确定保护装置的电流整定值,如果参数有变动,则重新计算。

4)保护模块。

根据整定计算模块得到的电流整定值与电网的实际电流值进行比较判断是否满足动作条件,如果满足条件,开关动作,同时在人机交互模块上显示相关信息。

5)特征量模块。

这是电网信息到整定计算的桥梁,该模块主要负责从大量的信息中提取出需要的信息,排除噪声等干扰,确保准确可靠。