CN103311911A - 一种船用网络型差动保护装置及差动保护输出确定方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种船用网络型差动保护装置及差动保护输出确定方法，每个区域的差动电流信号送入对应的各个节点控制装置处理，节点控制装置输出控制指令到对应的保护执行单元，各个节点控制装置通过CAN总线与区域控制主机交换数据，差动电流信号为经过二级电流互感器输出的毫安级信号，经过滤波电路后送A/D转换器转换为数字信号送控制处理器处理，控制处理器经判断后输出保护指令到保护执行单元，同时通过CAN通讯接口向区域控制主机发送数据。实现对一次网络短路故障进行快速定位并予以切除的功能，可在故障发生后有效限制供电中断区域、减小故障影响的范围和程度，可实现供电网络的三相和相间短路的完全选择性保护，保证供电系统可靠运行。

Description

一种船用网络型差动保护装置及差动保护输出确定方法

技术领域

本发明涉及一种供电系统保护装置，特别涉及一种船用网络型差动保护装置及差动保护输出确定方法。

背景技术

传统船舶供电系统电网保护的主要方法是通过将系统解列的方式来隔离故障，具体讲是通过整定各断路器的长延时、短延时、瞬时的动作电流值，实现短路的选择性保护的。例如，当系统中任意一点发生短路故障后，保护动作的先后顺序为：跨接断路器、母联断路器、发电机断路器。这样，虽然可以最终达到可靠隔离故障的作用，但基本没有故障定位的功能，有可能会使非故障区域断电，达不到较好的选择性，用这种解列的方式虽然最终隔离了故障，但并没有良好的选择性，而且影响了其它无故障区域的正常运行。

传统方法实现差动保护功能一般使用差动保护继电器，该器件动作时间较长(一般在50ms)，测量精度不高，在实现差动保护的同时并不能完成快速的故障隔离和精确的故障定位。

发明内容

本发明是针对常用差动保护精度不高，响应速度不快，复杂网络供电系统使用传统过流保护无法实现完全选择性保护的问题，提出了一种船用网络型差动保护装置及差动保护输出确定方法，可实现对一次网络短路故障进行快速定位并予以切除的功能，可在故障发生后有效限制供电中断区域、减小故障影响的范围和程度，可实现供电网络的三相和相间短路的完全选择性保护，保证供电系统可靠运行。

本发明的技术方案为：一种船用网络型差动保护装置及差动保护输出确定方法，每个区域的差动电流信号送入对应的各个节点控制装置处理，节点控制装置输出控制指令到对应的保护执行单元，各个节点控制装置通过CAN总线与区域控制主机交换数据，节点控制装置包括二级电流互感器、滤波电路、A/D转换器、控制处理器和CAN通讯接口，差动电流信号为经过二级电流互感器输出的毫安级信号，经过滤波电路后送A/D转换器转换为数字信号送控制处理器处理，控制处理器处理数据输出保护指令到保护执行单元，同时通过CAN通讯接口向区域控制主机发送数据。

一种船用网络型差动保护输出确定方法，包括船用网络型差动保护装置，具体包括如下步骤：

1）节点控制装置使用采样点的瞬时值进行比较判别，固定采样频率，每个采样数据是经过连续高速采样10次后经数字低通滤波和均值计算后得到有效的采样值；

2）设制动电流I_res=|I₁|+|I₂|，即制动电流为保护区域输入输出电流的绝对值之和，设定差动保护电流阀值I_OP1、区域制动电流阀值I_res1及制动倍数值S；

3）当制动电流I_res<I_res1，差动电流I_OP≥I_OP1时,判定为区域内有短路故障发生，进行差动保护，输出保护指令到对应的保护执行单元进行保护动作；

4）当制动电流I_res≥I_res1，差动电流I_OP≥S|I_res|时，判定为区域内有短路故障发生，节点控制装置输出保护指令到对应的保护执行单元进行保护动作，同时数据送区域控制主机；

5）每次判别时，连续5个有效采样值超过设定的阀值才判定为区域内有短路故障发生。

本发明的有益效果在于：本发明一种船用网络型差动保护装置及差动保护输出确定方法，在船舶复杂供电网络结构形式和供电方式下，本发明装置实现三相短路和相间短路的精确测量、快速精确故障定位和快速故障隔离功能，完全实现选择性保护。

附图说明

图1为线路差动保护原理示意图；

图2为母排差动保护原理示意图；

图3为本发明差动保护实现原理框图；

图4为本发明节点控制装置原理框图；

图5为本发明船用网络型差动保护输出确定方法示意图；

图6为本发明实施例差动保护装置系统图。

具体实施方式

差动保护是指用引导线将输电线两端的电气量测量装置纵向连接起来，将两端的电气量进行比较，也可以对某保护区域的多个进出节点进行矢量求和，如果当流入该区域的电流等于流出该区域的电流时，认为其中没有短路故障，反之认为其中有故障，瞬时切除与之相关联的所有断路器，隔离故障区域。差动判别原理如图1，图2所示。测量支路“M”的支路电流增大为故障判别的依据。

差动保护实现原理框图及节点控制装置原理框图如图3、图4所示：每个供电网络将被分为多个被保护区域分别进行差动判别。每个区域的差动电流信号经节点控制装置整理和A/D转换后，被送入节点控制装置中控制处理器，由软件进行实时故障判别，短路故障时直接发送控制指令至保护执行单元（如断路器），完成瞬时跳闸保护动作。设一台控制主机，与本区域下本地节点控制装置通讯，用于监测各本地模块状态，存储故障信息，并与监控系统通讯。

本地节点控制装置位于数据采集点本地，输入信号为该点电流互感器的二次侧三相全电流信号，六通道数据经二级电流互感器变换转换成为毫安级信号，再经滤波整理送A/D采样。得出的数字信号送模块内自带CPU进行软件运算，判别被保护区域的故障信息。故障时向断路器发出跳闸命令，并将故障时的全电流信号通过现场总线送本区域控制主机。

由于差动保护功能对实时性要求较高，为减少多路信号同时送入上位机处理产生大量的信号传输时间和数据处理时间，同时也为故障时能瞬时分断断路器隔离故障，要求被保护区域的节点控制装置采用智能处理器进行数据采集整理、A/D转换，以及数据处理与指令控制，并将结果通过现场总线与控制主机通讯。

为满足上述需求，并考虑本地装置需要尺寸较小，本地节点控制装置宜采用DSP技术进行处理。

控制主机通过总线接口收集本区域所有故障时信号采集点的电流信息，判别故障区域及故障相，进行故障定位并将详细故障信息传送至监控系统。

由于在控制主机中，主要任务是结合网络拓扑结构完成多组数据计算，与本地节点控制装置通讯，并考虑实时性、编程简单性，和可实现性方面的因素，采用加固机作为控制主机的核心，操作系统采用VxWorks作为控制主机的软件平台。

由于差动保护对数据采集和处理的高实时性要求，本地节点控制装置与控制主机之间采用现场总线进行通讯。CAN总线具有网络各节点间数据通信实时性强、抗干扰性强、结构简单等特性，考虑设备间通信的环境要求及实时性要求，本方案中采用CAN总线为控制主机与节点控制装置间的通讯方式。

传统的差动保护一般采用半波傅里叶变换得到短路电流的有效值进行判断，因此至少需要消耗10ms的时间，为了解决输出动作的快速性的问题，本装置中使用采样点的瞬时值进行比较判别，固定采样频率（一般每0.5ms采样一次，即采样频率为2KHz），连续5个采样值超过设定阀值即判别被保护区域发生短路故障，为了保证装置做出可靠判断，每个采样数据是经过连续高速采样10次后经数字低通滤波和均值计算后得到有效的采样数据，同时考虑到差动电流互感器差异性引起电流不平衡导致的误判断，在判定算法中还加入了比例制动算法，当被保护线路之外发生短路时，不平衡电流增大，设差动电流为I_OP，制动电流I_res为区域输入和输出电流绝对值之和，可以看出，制动电流I_res随外部短路电流线性增大，差动电流I_OP由于不平衡也随之增加，因此，在比例制动时设定当差动电流|I_OP|大于S倍制动电流|Ires|时，判定为有短路故障发生，由于有制动电流的约束，虽然输入电流增大导致不平衡电流增大，却同时提高了制动电流Ires的值，大大降低了由于电流互感器差异而引起的误判断。

具体如图5所示，设制动电流为Ires=|I₁|+|I₂|，即制动电流为保护区域输入输出电流的绝对值之和，节点控制装置采集制动电流、差动电流来判别短路故障，图中阴影区域为保护动作区域，根据具体电气设备设定差动保护电流阀值I_OP1、区域制动电流阀值I_res1及制动倍数值S，当制动电流I_res<I_res1，差动电流I_OP≥I_OP1时判定为区域内有短路故障发生，进行差动保护；当制动电流I_res≥I_res1，差动电流I_OP≥S|I_res|时判定为区域内有短路故障发生，进行制动保护。即图中折线段为避免线路之外发生短路时，由于电流互感器的差异引起电流不平衡导致的误判断而采取的措施。

以如图6所示的供电系统网络结构为例，该区域设有三台发电机组(G1～G3)，三个负载接入点，两个母联断路器，两个跨接断路器。

该结构下使用本差动保护装置，可在以下三种线路上实现保护功能：

a.        发电机出线至发电机主开关的线路；

b.       负载出线至负载侧的线路；

c.       区域间的跨接线路。

在需要保护的线路两端各安装一组(3相，每相的两个需配对安装)差动保护电流互感器，同时配置一台节点控制装置用于判断该段线路的故障情况，如：发电机出线至主开关这段线路做保护时，应在发电机定子三相各安装一只电流互感器，该机组对应的主开关下端口每相各安装一只电流互感器，同时在该机组处安装一台节点控制装置，其他线路的保护与此配置相同。

每个区域配置一台控制主机及显示报警单元用于对该区域各节点控制装置的巡检，报警，显示。

高不饱和倍数的电流互感器和DSP技术实现了本地快速判别故障，定位故障及高精度测量；使用固态继电器实现了高速保护动作的输出，同时通过CAN网络实现了全船差动保护系统的分布采集与集中管理。

Claims (2)

1.一种船用网络型差动保护装置，其特征在于，每个区域的差动电流信号送入对应的各个节点控制装置处理，节点控制装置输出控制指令到对应的保护执行单元，各个节点控制装置通过CAN总线与区域控制主机交换数据，节点控制装置包括二级电流互感器、滤波电路、A/D转换器、控制处理器和CAN通讯接口，差动电流信号为经过二级电流互感器输出的毫安级信号，经过滤波电路后送A/D转换器转换为数字信号送控制处理器处理，控制处理器处理数据输出保护指令到保护执行单元，同时通过CAN通讯接口向区域控制主机发送数据。

2.一种船用网络型差动保护输出确定方法，包括船用网络型差动保护装置，其特征在于，具体包括如下步骤：

1）节点控制装置使用采样点的瞬时值进行比较判别，固定采样频率，每个采样数据是经过连续高速采样10次后经数字低通滤波和均值计算后得到有效的采样值；

2）设制动电流I_res=|I₁|+|I₂|，即制动电流为保护区域输入输出电流的绝对值之和，设定差动保护电流阀值I_OP1、区域制动电流阀值I_res1及制动倍数值S；

3）当制动电流I_res<I_res1，差动电流I_OP≥I_OP1时,判定为区域内有短路故障发生，进行差动保护，输出保护指令到对应的保护执行单元进行保护动作；

4）当制动电流I_res≥I_res1，差动电流I_OP≥S|I_res|时，判定为区域内有短路故障发生，节点控制装置输出保护指令到对应的保护执行单元进行保护动作，同时数据送区域控制主机；

5）每次判别时，连续5个有效采样值超过设定的阀值才判定为区域内有短路故障发生。

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