艦船配電網(wǎng)絡(luò)短路故障快速定位及協(xié)同保護(hù)策略

張 濤，黃 靖，賀慧英，周仕萬

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艦船配電網(wǎng)絡(luò)短路故障快速定位及協(xié)同保護(hù)策略

張 濤，黃 靖，賀慧英，周仕萬

(海軍工程大學(xué)電氣工程學(xué)院，武漢 430033)

本文對同步發(fā)電機(jī)三相短路的短路電流變化率表達(dá)式進(jìn)行了數(shù)學(xué)推導(dǎo)，分析不同短路條件下，短路電流初始變化率隨系統(tǒng)參數(shù)，短路點(diǎn)位置及短路合閘角變化的規(guī)律，在此基礎(chǔ)上，提煉出判斷短路故障的方法。提出一種基于協(xié)同策略的船舶配電網(wǎng)絡(luò)選擇性保護(hù)方法，該方法將這些分散的保護(hù)裝置有機(jī)地聯(lián)系起來，對提高船舶配電網(wǎng)絡(luò)保護(hù)的有效性具有重要意義。

艦船 短路故障 快速定位 協(xié)同保護(hù)

0 引言

本文提出一種艦船配電網(wǎng)絡(luò)短路故障快速定位及協(xié)同保護(hù)策略，將保護(hù)裝置設(shè)計(jì)為具有故障電流檢測、電流上升率計(jì)算和協(xié)同處理功能的智能體結(jié)構(gòu)。分析了基于短路電流變化率的故障定位原理，提出協(xié)同原理保護(hù)策略，給出了保護(hù)裝置協(xié)同動(dòng)作關(guān)系及一般原則。針對三級配電網(wǎng)絡(luò)，給出每一級保護(hù)裝置的具體協(xié)同策略。完成了基于協(xié)同策略的艦船配電系統(tǒng)保護(hù)裝置結(jié)構(gòu)方案設(shè)計(jì)和實(shí)驗(yàn)硬件平臺(tái)的搭建。實(shí)驗(yàn)結(jié)果驗(yàn)證了短路故障快速定位和協(xié)同保護(hù)策略及硬件設(shè)計(jì)的有效性。

1 基于電流變化率的短路故障快速判斷方法

其中：

考慮短路時(shí)刻電動(dòng)機(jī)向短路點(diǎn)饋流影響，將標(biāo)幺值系統(tǒng)轉(zhuǎn)化為實(shí)際值系統(tǒng)得：

計(jì)算出最小運(yùn)行工況下，ABC三相初始上升率中最大短路上升率的最小值。計(jì)算公式為：

最大運(yùn)行工況下，ABC三相初始上升率中最大短路上升率的最大值。計(jì)算公式為：

由最小運(yùn)行工況下的MAX可以求出Max，由最大運(yùn)行工況下的MAX可以求出Max。

圖1 最小運(yùn)行工況短路電流計(jì)算電路

圖2 最大運(yùn)行工況短路電流計(jì)算電路

綜合考慮ABC三相設(shè)定短路電流上升率整定值。為確保短路電流上升率診斷靈敏性和可靠性，考慮到正常工作下，噪聲的干擾等因素，結(jié)合ABC三相短路初始電流上升率，選取Max作為短路故障整定值，大于Max即可認(rèn)為是干擾。這樣可以在短路初始時(shí)刻就能很好地診斷出短路故障，大大縮短了短路故障診斷時(shí)間。

2 基于多機(jī)通信的短路故障定位原理分析

為了將繼電保護(hù)系統(tǒng)這樣一個(gè)分布式的離散結(jié)構(gòu)有機(jī)結(jié)合起來，本文把保護(hù)系統(tǒng)中的每一個(gè)保護(hù)器件設(shè)計(jì)成相應(yīng)的智能節(jié)點(diǎn)，這些智能節(jié)點(diǎn)具有檢測功能、故障保護(hù)整定功能、通信功能和協(xié)同保護(hù)功能。

在通信中，首先給通信中的每一個(gè)保護(hù)裝置分配一個(gè)唯一的地址。然后定義通信信息為三種數(shù)據(jù)狀態(tài)：第一種數(shù)據(jù)狀態(tài)為數(shù)值“2”，表示判定結(jié)果為出現(xiàn)短路故障；第二種數(shù)據(jù)狀態(tài)為數(shù)值“1”，表示判定結(jié)果為未出現(xiàn)短路故障；第三種數(shù)據(jù)狀態(tài)為數(shù)值“0”，表示未接收到下級保護(hù)裝置數(shù)據(jù)。所有通信數(shù)據(jù)由下往上級聯(lián)發(fā)送。

圖3 三級單片機(jī)通信模型

定義保護(hù)裝置之間通信數(shù)據(jù)，利用通信數(shù)據(jù)實(shí)現(xiàn)短路故障定位。在圖3中，三級保護(hù)裝置位于配電網(wǎng)絡(luò)末端，只要三級保護(hù)裝置檢測到短路故障，則確定為該保護(hù)裝置末端短路。二級保護(hù)裝置檢測到短路故障并接收三級保護(hù)裝置數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)為“2”則故障出現(xiàn)在三級保護(hù)裝置以下；數(shù)據(jù)為“1”則短路故障出現(xiàn)在二級保護(hù)裝置和三級保護(hù)裝置之間；數(shù)據(jù)為“0”，表示二級保護(hù)裝置未接受到三級保護(hù)裝置數(shù)據(jù)，認(rèn)為三級保護(hù)裝置已損壞，則短路故障出現(xiàn)在二級保護(hù)裝置以下。一級保護(hù)裝置檢測到短路故障并接收二級保護(hù)裝置數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)為“2”則故障出現(xiàn)在二級保護(hù)裝置以下；數(shù)據(jù)為“1”則短路故障出現(xiàn)在一級保護(hù)裝置和二級保護(hù)裝置之間；數(shù)據(jù)為“0”，表示一級保護(hù)裝置未接受到二級保護(hù)裝置數(shù)據(jù)，認(rèn)為二級保護(hù)裝置已損壞，則短路故障出現(xiàn)在一級保護(hù)裝置以下。

3 基于通信協(xié)同的選擇性保護(hù)策略

對艦船交流電力系統(tǒng)配電網(wǎng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)進(jìn)行分析，如圖4所示，保護(hù)裝置通過通信將判斷結(jié)果發(fā)送給上級保護(hù)裝置，同時(shí)接收下級保護(hù)裝置判斷結(jié)果，完成了自身電流檢測、故障判斷和故障定位。

每級保護(hù)裝置動(dòng)作依據(jù)主要包括兩項(xiàng)：一是保護(hù)裝置本級的檢測判斷結(jié)果；二是接收到的下級保護(hù)裝置數(shù)據(jù)，下級保護(hù)裝置數(shù)據(jù)由故障判斷結(jié)果和動(dòng)作狀態(tài)。保護(hù)裝置動(dòng)作原則：本級檢測、計(jì)算、判斷出短路故障時(shí)，接收下級保護(hù)裝置故障判斷結(jié)果，根據(jù)前一節(jié)故障定位原理，決定本級保護(hù)裝置是否動(dòng)作切除故障。

圖4 三級船舶輻射型配電網(wǎng)絡(luò)

下面給出三級配電網(wǎng)中保護(hù)裝置的協(xié)同策略，以二級為例。

二級保護(hù)裝置協(xié)同策略：保護(hù)裝置S2自身檢測出短路故障，還需要接收S4和S5的判定結(jié)果，然后根據(jù)前面的故障定位原理，完成故障定位。再結(jié)合自身檢測判定結(jié)果做出動(dòng)作決策，并將檢測判定結(jié)果和動(dòng)作決策發(fā)送給一級保護(hù)裝置。二級保護(hù)裝置S2動(dòng)作策略如表2所示。

表2 保護(hù)裝置S2動(dòng)作決策

4 保護(hù)裝置結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

檢測及保護(hù)整定計(jì)算功能，是保護(hù)裝置利用電流傳感器對流過保護(hù)安裝點(diǎn)的電流進(jìn)行檢測，檢測到的電流經(jīng)過A/D轉(zhuǎn)換器送給智能模塊，智能模塊完成對接收到的電流進(jìn)行上升率計(jì)算和分析并做出故障判定；利用通信功能保護(hù)裝置將判斷結(jié)果和自身動(dòng)作狀態(tài)發(fā)送給上級保護(hù)裝置，同時(shí)接收下級保護(hù)裝置判斷結(jié)果和動(dòng)作狀態(tài)，保護(hù)裝置的智能模塊綜合上下級保護(hù)裝置的判斷結(jié)果與自身判斷結(jié)果做出故障定位和切除動(dòng)作，協(xié)同處理實(shí)現(xiàn)選擇性保護(hù)。保護(hù)裝置整體結(jié)構(gòu)如圖5所示。

圖5 保護(hù)裝置整體結(jié)構(gòu)

電流檢測模塊主要是將船舶配電網(wǎng)絡(luò)中流過保護(hù)裝置的電流轉(zhuǎn)換成可供讀取的小電流信號(hào)，再將電流轉(zhuǎn)換為電壓信號(hào)。本文主要是針對短路故障進(jìn)行檢測與保護(hù)，短路時(shí)流過保護(hù)裝置的電流較大，為滿足檢測和控制需求，且不影響配電網(wǎng)絡(luò)工作，采用霍爾傳感器檢測配電網(wǎng)絡(luò)中的電流。為滿足計(jì)算整定、快速判定故障和多機(jī)快速通信，單片機(jī)處理模塊選擇32位處理ARM單片機(jī)LPC1768，CAN總線支持分布式控制和實(shí)時(shí)控制的串行通信網(wǎng)絡(luò)。

為實(shí)現(xiàn)上下級保護(hù)裝置判斷結(jié)果快速通信，滿足保護(hù)裝置一對多的通信協(xié)同處理。本文選擇具有多主通信方式、較高抗干擾性和較好實(shí)時(shí)性的CAN總線通信，完成保護(hù)裝置之間的多機(jī)通信。

5 基于通信協(xié)同策略的選擇性保護(hù)方法實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

實(shí)驗(yàn)?zāi)康模候?yàn)證基于通信協(xié)同策略的選擇性保護(hù)方法能否實(shí)現(xiàn)選擇性，保護(hù)裝置之間通信協(xié)同策略實(shí)現(xiàn)的快速性。實(shí)驗(yàn)主要從短路電流獲取、AD轉(zhuǎn)換和通信實(shí)現(xiàn)選擇性切除短路故障三個(gè)方面進(jìn)行。

5.1實(shí)驗(yàn)電路

選擇性保護(hù)二、三級保護(hù)裝置系統(tǒng)電路如圖6所示，圖中S2和S4分別為前面定義的二級、三級保護(hù)裝置的代表，KM為短路接入控制接觸器，主要控制突加短路故障。保護(hù)系統(tǒng)利用電流傳感器對電流數(shù)據(jù)進(jìn)行采集，利用4個(gè)電流傳感器，對B相和C相電流進(jìn)行采集，由i=-(i+i)計(jì)算得出A相電流，電流傳感器型號(hào)為：LMK（BH）-0.66CT，變比為900 A/5 V，電流電壓轉(zhuǎn)換電阻為10 Ω。發(fā)電機(jī)組為單臺(tái)模擬同步發(fā)電機(jī)，容量為：5 kVA，額定電壓380 V，額定電流12.55 A。由于實(shí)驗(yàn)條件有限，同步發(fā)電機(jī)不能反復(fù)進(jìn)行短路實(shí)驗(yàn)，本實(shí)驗(yàn)通過突加大負(fù)載的方式模擬短路。利用在四分之一周期內(nèi)短路電流和突加大負(fù)載相似特點(diǎn)，模擬短路電流，來驗(yàn)證基于電流上升率的整定，不影響整個(gè)基于通信協(xié)同策略的選擇性保護(hù)系統(tǒng)功能實(shí)現(xiàn)。

圖6 三級艦船輻射型配電網(wǎng)絡(luò)

短路前系統(tǒng)工作狀態(tài)：S2和S4主接觸器合閘接通，KM接觸器斷開，流過保護(hù)裝置S2和S4電流為0，四個(gè)傳感器檢測電流為0。

系統(tǒng)短路工作狀態(tài)：KM合閘，接入短路故障，短路電流流過保護(hù)裝置S2和S4，四個(gè)傳感器檢測到短路電流。S2和S4按照通信協(xié)同策略切除故障。選擇性保護(hù)系統(tǒng)實(shí)物圖如圖7示。

5.2 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)及分析

實(shí)驗(yàn)中短路前為空載，流過霍爾電流傳感器的電流為0；短路后流過霍爾傳感器的電流為短路故障電流。

末端短路，二、三級保護(hù)裝置短路故障通信和S4切除故障波形如圖8所示。圖中四條波形，第①條為A相電流波形，第②條為二、三級保護(hù)裝置通信狀態(tài)波形，第③條為三級保護(hù)裝置S4輸出的脫扣器動(dòng)作控制信號(hào)，第④條為二級保護(hù)裝置S2輸出的脫扣器動(dòng)作控制信號(hào)。

圖7選擇性保護(hù)系統(tǒng)實(shí)物圖

(a)故障電流切除波形

(b)局部放大圖

由A相電流波形可見，電流峰值為20.42 A，初始電流上升率達(dá)到15.70 A/ms。針對本實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，S4和S2上升率動(dòng)作判據(jù)整定值為14.85 A/ms。

圖8（b）中，1為短路初始時(shí)刻至三級保護(hù)裝置S4輸出脫扣器動(dòng)作控制信號(hào)的間隔時(shí)間，約為400。在1時(shí)間段內(nèi)二、三級保護(hù)裝置S2和S4同時(shí)完成了電流檢測和上升率故障判斷，且三級保護(hù)裝置S4按照動(dòng)作策略，直接輸出了脫扣器動(dòng)作控制信號(hào)，觸發(fā)斷路器跳閘。2為S4輸出脫扣器動(dòng)作控制信號(hào)至二、三級保護(hù)裝置S2和S4完成通信的間隔時(shí)間，約為1。在完成通信之后S2根據(jù)協(xié)同策略得出不動(dòng)作的判斷結(jié)果，因此，未輸出脫扣器動(dòng)作控制信號(hào)，即圖中第④條波形未出現(xiàn)下跳沿。由此說明，保護(hù)系統(tǒng)完成了故障檢測、故障檢測、計(jì)算整定、通信協(xié)同決策到脫扣器控制信號(hào)輸入，驗(yàn)證了末端短路時(shí)，保護(hù)系統(tǒng)通信協(xié)同策略的正確性和有效性。

6 總結(jié)與展望

針對艦船配電網(wǎng)絡(luò)在大短路電流下常出現(xiàn)上下級保護(hù)裝置同時(shí)跳閘的問題，提出一種艦船配電網(wǎng)絡(luò)短路故障快速定位及協(xié)同保護(hù)策略。完成基于短路電流變化率快速判斷短路故障方法。完成了基于通信協(xié)同策略的船舶配電系統(tǒng)短路故障點(diǎn)位置確定以及保護(hù)裝置結(jié)構(gòu)方案設(shè)計(jì)和實(shí)驗(yàn)硬件平臺(tái)搭建。

實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了本文提出的艦船短路保護(hù)策略的正確性和有效性。在以下幾個(gè)方面可開展進(jìn)一步研究。1）在保證檢測判斷正確的前提下，希望能夠提高通信處理速度，可進(jìn)一步開展采樣速率和脫扣器響應(yīng)速度兩方面的研究，來提高整個(gè)保護(hù)系統(tǒng)的處理速度。2）希望進(jìn)一步找到一種響應(yīng)時(shí)間快的繼電器和接觸器來提高故障分?jǐn)嗟目焖傩浴?/p>

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The Strategy of Fast Short Circuit Fault Locating and Coordinated Protection of Ship Distribution Network

Zhang Tao, Huang Jing, He Huiying, Zhou Shiwan

（College of Electrical Engineering, Naval University of Engineering, Wuhan 430033,China）

TM713

A

1003-4862（2016）10-0023-05

2016-08-02

張濤(1991-)，男，研究生。專業(yè)方向：電力系統(tǒng)及安全運(yùn)行。