CN103378584B - 用于动态定位船舶的电力系统的故障保护系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及用于动态定位船舶的电力系统的故障保护系统。提供了用于动态定位船舶的电力系统的一种故障保护系统。所述电力系统被分成两个或更多电力系统部分，每一个所述电力系统部分都包括配电总线的总线部分。各总线部分通过汇流条连接而以环状配置相连接。每一个总线部分包括去到发电机的连接和去到动态定位船舶的推进器驱动器的连接。所述故障保护系统包括故障隔离系统，其对于每一个电力系统部分包括用于断开由汇流条连接提供的连接的汇流条连接断路器。

Description

用于动态定位船舶的电力系统的故障保护系统

技术领域

本发明涉及动态定位船舶的电力系统的故障保护系统、动态定位船舶的电力系统、以及对应的方法。

背景技术

可以为例如半潜式潜艇、钻井船、漂浮式生产存储和卸货（FPSO）船舶之类的漂浮船舶提供动态定位系统。这样的动态定位船舶可以使用电驱动的螺旋桨（即电推进器）来在油和气钻探操作、站台保持、下锚、港口机动等等期间保持位置。对于其中存在原油污染、生命损失、碰撞等增加风险的特定类型的操作，必须确保船舶的位置得以保持以便最小化这些风险。因此，为动态定位船舶的推进器供应电力的电力系统的完整性和失效防护操作就特别重要。

船舶可以被分类成不同的类别，比如DP2（动态定位2）、DP3等等。例如钻井操作之类的高风险操作或其他船舶的逼近例如可能需要对于特定船舶类别有特定操作模式。为了确保组件的失灵不会导致动态定位船舶的电力系统完全断电，在这样的高风险操作模式下需要把电力系统划分成几个部分（例如2到4个）。电力系统的每一个部分位于一个单独的引擎舱内，各引擎舱通过防火且防水的墙壁隔离开。在这样的高风险操作期间，例如通过断开由被称为汇流条连接（bustie）的电缆提供的连接而将电力系统的各部分电隔离。对于每个电力系统部分必须有一台或多台连接发电机的引擎在运行，以便为所连接的负载（例如推进器的电动机）供应电力。因此，在仅有三个部分的系统中，大多数时间将有三台、四台或更多台引擎在运行，其数目将随着电力系统部分的数目而增加。

所述引擎通常将在相对较低的功率输出下运行，其中这些引擎在低操作范围内的具体燃料消耗通常更高。因此，这样的电力系统的燃料消耗与其中电力系统的各部分可以电连接的操作模式相比较高，使得例如只需要有两台发电机分别都操作在更高负载下。

除了会增加燃料消耗和CO2排放之外，在降低的负载下并行地运行几台引擎的做法可能还会导致燃烧室内的烟灰堆积、发电机组的操作时长增加并且从而导致维护成本更高。由于各台引擎在大多数时间都将运行，因此断电的风险也会增大。

利用互连的电力系统部分（即利用连接的汇流条连接）来操作这样的系统通常是不可能的，这是因为例如短路或发电机失效之类的故障通常将导致船舶电力系统的完全断电。这样的断电将导致船舶位置的丢失，这可能是有害的；还可能导致溢油或生命损失。因此希望改进动态定位船舶的此类电力系统，并且实现为发电机供电的引擎的降低的燃料消耗和更高效率的操作。此外还希望在高风险操作期间保持这样的燃料高效操作，同时又不会损害电力系统的完整性和安全操作。

发明内容

相应地，需要改进动态定位船舶的电力系统的操作，并且特别需要在保持这样的电力系统的操作安全性的同时减少船舶的燃料消耗。

这一需求通过独立权利要求的特征而得以满足。从属权利要求则描述了本发明的实施例。

根据本发明的一方面，提供动态定位船舶的电力系统的一种故障保护系统。所述电力系统被分成两个或更多电力系统部分，其中的每个都包括配电总线的总线部分。各总线部分通过汇流条连接而以环状配置连接。每一个电力系统部分都包括两个或更多电力系统子部分。每一个电力系统子部分都包括配电总线的总线子部分，其中同一电力系统部分的各总线子部分通过一个或多个总线耦合器相连，从而形成相应的总线部分。每一个总线部分都包括去到发电机的连接和去到动态定位船舶的推进器驱动器的连接。所述故障保护系统包括故障隔离系统，其对于每一个电力系统部分包括用于断开由汇流条连接提供的连接的汇流条连接断路器，以及用于断开由一个或多个总线耦合器提供的连接的一个或多个总线耦合器断路器。所述故障隔离系统被配置成实施用于操作至少所述汇流条连接断路器和总线耦合器断路器的差动过电流保护方案。所述故障保护系统还包括发电机过渡（ridethrough）系统，其对于每一个总线部分包括用于耦合到相应的总线部分的发电机的激励限制器。所述发电机过渡系统被适配成在故障发生时限制提供到发电机的激励场电流。所述故障保护系统还包括推进器驱动器过渡系统，其被配置成在故障发生时为每一个总线部分的推进器驱动器的可变频率驱动器（VFD）的DC总线提供电能，从而将DC总线上的电压保持高于预定电压阈值。所述故障保护系统被配置成使得在电力系统中发生故障时隔离所述故障，这是通过使其中发生故障的电力系统的组件跳闸和/或断开故障位于其中的电力系统子部分中的一个或多个断路器而实现的。此外，其还被配置成通过令其余的汇流条连接断路器和总线耦合器断路器闭合而继续电力系统的操作。

这样的故障保护系统允许把故障隔离在相应的组件中，或者通过电隔离整个电力系统子部分，特别是通过断开相应总线子部分的两端的断路器（例如汇流条连接断路器和总线耦合器断路器）而实现的。由于使用了差动保护方案，因此可以高效地确定故障位于其中的子部分，并且可以在不影响其余电力系统子部分的情况下（特别是在不分开其余总线部分的情况下）隔离故障。借助于所述环状配置，其余的总线部分保持连接。因此整个电力系统可以利用仅仅两台发电机来操作。即使需要隔离其中一台所述发电机构成其一部分的电力系统子部分，整个电力系统仍然可操作，这是因为其余的发电机由于保持连接因此可以为其余电力系统子部分的所有负载供应电力。

具体来说，所述故障保护系统可以被配置成使得实现从故障引起的电压暂降快速恢复，从而在发生故障时，电力系统可以利用闭合的断路器继续操作。

此外，所述发电机过渡系统和推进器驱动器过渡系统确保其余正在运行的（多台）发电机和所连接的推进器驱动器保持操作。电力系统中的故障（例如短路、接地故障等等）通常将导致配电总线上的电压下降。发电机过渡系统确保保持连接到仍然处于操作中的配电总线部分的（多台）发电机继续操作。具体来说，其防止发电机的激励器受到损坏并且防止在发电机处发生剧烈的转矩改变。否则这样的发电机的自动电压调节可能在其尝试把配电总线上的电压带回到正常情况时导致激励器中的过大电流。借助于推进器驱动器过渡系统，推进器驱动器可以在故障期间始终保持操作。当配电总线上的电压在故障期间下降时，可变频率驱动器的DC总线处的电压将类似地下降，从而导致需要重启VFD。这将是耗时的处理，在该处理的期间对应的推进器驱动器不可操作。可能会导致船舶的位置丢失。通过向VFD的DC总线供应电能，VFD可以保持运转，并且一旦故障被清除并且在配电总线上恢复电力，推进器就可以立即继续操作。

因此，所述故障保护系统实现了电力系统的安全操作，其中电力系统的某一组件中的故障将绝不会导致整个电力系统断电也不会导致位置丢失。在这样的设置中，所述故障保护系统可以被配置成在少于一秒（优选地少于500ms或者甚至少于250ms）内恢复配电总线上的电力。所述故障保护系统可以允许动态定位船舶即使在诸如钻井、其他船舶逼近等高风险情况下（特别是在DP2或DP3操作模式下）也利用闭合的汇流条连接断路器来操作。由于利用电连接的汇流条连接的操作是可能的，因此可以大大减少燃料消耗，并且可以延长引擎和发电机的使用寿命。可以减少CO2排放并且可以实现成本节省。

在一个实施例中，所述故障隔离系统被配置成实施针对至少汇流条连接和总线子部分的故障的差动过电流保护和/或定向过电流保护。在差动过电流保护中，例如可以在汇流条连接的两端检查流入汇流条连接并且流出汇流条连接的该电流。类似地，对于总线子部分，可以检查流入以及流出总线子部分的电流的量值。此外，还可以使用用于检查电流的方向的逻辑。

在一个实施例中，特别对于汇流条连接和总线子部分，差动过电流保护可以被用作主要保护方案，而定向过电流保护则可以被用作备用保护方案。因此可以确保能够识别出并且能够相继隔离特定电力系统子部分中的故障的位置。

所述故障检测系统例如可以包括用于操作至少总线耦合器断路器和汇流条连接断路器的保护继电器。所述保护继电器可以对于汇流条连接和总线子部分实施差动过电流保护和/或定向过电流保护。作为一个实例，位于汇流条连接的两端的继电器可以测量电流并且可以彼此通信以便提供差动过电流保护，并且所述继电器可以在预定条件下触发。还可以提供用于操作发电机和推进器驱动器断路器的保护继电器。

在一个实施例中，所述故障隔离系统还可以被配置成借助于至少汇流条连接断路器和总线耦合器断路器实施短路和过电流保护以作为备用保护方案。再次地，保护继电器可以被配置成提供短路和过电流保护。在不满足用于触发差动保护或定向保护的条件或者差动或定向保护没有正确地工作的情况下，仍然可以借助于短路和过电流保护的备用功能来隔离故障。

每一个总线子部分可以包括去到发电机的连接，以及去到动态定位船舶的推进器驱动器的连接。可以为每一个总线子部分的发电机和推进器驱动器分别提供发电机过渡系统和推进器驱动器过渡系统。相应地，如果在一个特定的电力系统部分中由于发生了故障而需要隔离一个电力系统子部分，则同一电力系统部分的一个或多个其余的电力系统子部分可以通过从发电机向一台或多台推进器驱动器供应电能而继续操作。从而可以把功能丢失高效地限制到其中发生了故障的电力系统子部分。

所述故障隔离系统还可以对于每一个电力系统部分（优选地对于每一个电力系统子部分）包括用于断开去到发电机的连接的发电机断路器以及用于断开去到推进器驱动器的连接的推进器驱动器断路器。如前所述，这些断路器可以再次通过保护继电器来操作。在一个实施例中，所述故障保护系统对于发电机实施差动过电流保护，并且对于推进器驱动器还实施短路和过电流保护。作为针对发电机断路器差动保护的备用保护方案，可以提供短路和过电流保护。作为针对由推进器驱动器断路器提供的保护的备用保护方案，可以提供断路器失效保护，根据所述断路器失效保护，在检测到断路器失效时断开该子部分中的所有断路器。因此，在推进器驱动器中发生故障并且推进器驱动器断路器失效的情况下，仍然可以通过隔离整个电力系统子部分而高效地隔离所述故障。

所述短路和过电流保护可以被配置成在流经相关联的断路器的电流超出阈值的情况下使该断路器跳闸。这一操作可以以预定义的延迟发生，以便允许系统中的其他断路器先行跳闸。此外，对应的保护继电器可以实施定向功能，根据所述定向功能，针对过电流或跳闸延迟的阈值取决于流经断路器的电流的方向。因此所述保护继电器和相关联的断路器可以被集成在例如用于总线子部分的定向保护方案中。

所述故障保护系统可以被配置成在发电机的自动电压调节器（AVR）中或者在与该发电机相关联的调控器中发生故障时使该发电机跳闸，例如断开发电机断路器。因此在所述发电机例如由于AVR中的故障而产生过多或消耗过多无功功率的情况下，就可以防止其迫使其他发电机进入欠激励或过激励状态进而实际上将故障传播过电力系统。在一个实施例中，所述故障保护系统还包括含有激励限制器的自动电压调节器（AVR）。所述自动电压调节器被适配成自动调整由相应的发电机提供的电压，以便把电压保持在操作带内。所述AVR还可以包括欠激励限制器，其被适配成限制无功功率流入相应的发电机。从而可以防止发电机进入欠激励状态。所述AVR通常将尝试调节配电总线上的电压或系统中的无功功率。另一台发电机中的失效可能导致在电力系统中产生过多无功功率，AVR尝试令所述发电机汲取该过多的无功功率以便防止在电力系统中出现高电压状况。这可能导致所述发电机的欠激励操作状况，可以借助于欠激励限制器来防止所述欠激励操作状况。

前面提到的激励限制器（其也被称作过激励限制器）可以被配置成检测激励场电流的过电流状况，并且可以限制激励场电流或者把该激励场电流斜降到预设值。相应地可以防止延长时间的激励场过电流，并且可以保护发电机免于过热。

此外，所述AVR可以被配置成在发生故障之后限制电压过冲。在传统的系统中，AVR可以尝试保持配电总线上的预定电压电平，从而在发生故障和配电总线上的电压下降时，AVR将尝试获得发电机的最大电压输出。因而，在隔离故障时，在配电总线上可能会发生大电压过冲，这可能导致与之连接的组件的跳闸。如果AVR被配置成在发生故障之后限制电压过冲则可以防止上述情况。

在一个实施例中，所述AVR被适配成通过检测发电机输出处或配电总线处的电压下降来检测故障的发生。AVR被适配成在检测到故障之后降低对于发电机的电压设定点，并且根据降低的电压设定点来控制发电机的输出电压，从而在故障发生之后限制电压过冲。从而可以高效地防止由于配电总线上的过电压而导致的用电装置的跳闸。故障清除之后的电压过冲可以被保持得较低。所述AVR还可以被配置成在故障清除之后的预定时间量内把电压设定点斜升回到操作电压设定点。系统10从而在故障发生之后平滑地返回到正常操作状况。

所述故障保护系统的推进器驱动器过渡系统可以被配置成把DC总线上的电压保持高于电压阈值，这是借助于利用推进器驱动器的动能的动能恢复而实现的。

在一个实施例中，推进器驱动器过渡系统可以包括每一个推进器驱动器的可变频率驱动器，并且所述可变频率驱动器可以被适配成在该可变频率驱动器的DC总线上的电压下降时降低输出频率。这样的电压下降例如可能在电力系统中发生故障之后而发生。通过降低可变频率驱动器（VFD）的输出频率，可以使得该VFD操作在其中由推进器驱动器的电动机生成电能的发电状况下。所生成的电能被反馈到DC总线，以便把DC总线上的电压保持高于电压阈值。推进器驱动器的转子的动能例如可以继续转动电动机，电动机从而生成电能并且保持DC总线上的电压。推进器驱动器过渡系统可以被配置成使得电能的生成持续尽可能长的时间，所存储的动能可以被恢复下降到推进器驱动器的螺旋桨的零旋转。由于电力系统通常实现相对快速的故障隔离，因此在达到这一点之前通常将已恢复电力。通过这些措施，VFD可以被“保持运转”，特别是耦合到DC总线的电容器可以保持被充电，从而推进器驱动器的操作可以在恢复电力之后立即继续。从而可以把船舶的位置丢失保持得较小或者甚至可以防止其发生。

耦合到DC总线的VFD的逆变器部件（其在正常操作期间以可变频率向推进器驱动器的电动机提供电力）可以在动能恢复期间操作为用于由推进器驱动器的电动机生成的电压的整流器。从而可以保持DC总线上的DC电压。这种类型的过渡也可以被称作惯性过渡或动力缓冲。

在一个实施例中，推进器驱动器过渡系统可以包括例如电池之类的电力储存器件，其耦合到可变频率驱动器的DC总线。所述电力储存器件可以被适配成在DC总线上的电压下降的情况下向DC总线供应电力，以便把DC总线上的电压保持高于电压阈值。可以作为针对动能恢复的补充或替代而提供这样的电力储存器件。从而可以延长保持DC总线运转的时间。

推进器驱动器过渡系统可以被实施在可变频率驱动器（VFD）的控制器中。

在另一个实施例中，所述电力系统对于每一个电力系统子部分可以包括去到推进器功用配电盘的连接，所述推进器功用配电盘电耦合到相应的电力系统子部分的发电机以便为推进器驱动器的各项功用提供电力。所述电力系统还可以提供去到引擎支持配电盘的连接，所述引擎支持配电盘电耦合到相应的电力系统子部分的发电机，以便为操作该电力系统子部分的发电机的引擎的各项功用提供电力。所述故障保护系统还可以对于每一个电力系统子部分包括用于断开去到推进器功用配电盘和引擎支持配电盘的连接的断路器。在这样的配置中，推进器功用和引擎支持配电盘可以从同一电力系统子部分的发电机汲取其电力。相应地，每一个电力系统子部分可以作为一个隔离岛操作。因此，如果电力系统子部分变为完全被隔离，则其可以通过从发电机向推进器驱动器供应电力而继续操作与其连接的推进器驱动器。此外，如果整个电力系统部分由于在其子部分中的一个子部分中发生故障而变为被隔离，则该被隔离的电力系统部分内的推进器驱动器仍然可以操作，这是因为其他（多个）电力系统子部分可以被隔离并且可以独立操作。

此外，如果在电力系统子部分中发生故障，则推进器功用和引擎支持配电盘可以与该子部分的电力系统的其余部件电隔离，并且推进器功用或引擎功用的操作可以从不同的电源继续。因此，推进器驱动器和/或发电机可以在发生故障之后保持操作，并且可以在故障清除之后快速切换回到在线状态。

所述故障保护系统还可以对于每一个电力系统子部分包括不间断电源（UPS）。所述不间断电源可以耦合到推进器功用配电盘和/或引擎支持配电盘。UPS可以在这些配电盘与相应的电力系统子部分的其余电力系统分开之后为这些配电盘供应电力。

此外，可以提供从一个电力系统子部分的推进器功用配电盘或引擎支持配电盘到另一个电力系统子部分的不间断电源的电互链连接。相应地，对于这些配电盘当中的每一个可以实现UPS的冗余性。优选地，这些配电盘当中的每一个连接到两个不间断电源。从而可以确保引擎辅助装置和推进器辅助装置在大多数情况下可以继续操作，从而相应的发电机和推进器驱动器可以被快速地带回到在线状态。所述电互链连接可以被配置成使得一个电力系统子部分的推进器功用配电盘和引擎支持配电盘保持与另一个电力系统子部分的推进器功用配电盘和引擎支持配电盘电流隔离。

本发明的另一方面涉及动态定位船舶的一种电力系统。所述电力系统包括前面概述的任一种配置中的故障检测系统。具体来说，前面提到的所有特征可以相组合地或者分离地作为该电力系统的一部分。利用这样的电力系统，可以实现与前面进一步概述的优点类似的优点。

在一个实施例中，所述电力系统还对于每一个电力系统子部分包括去到推进器功用配电盘的连接以便为推进器驱动器的各项功用提供电力，以及去到引擎支持配电盘的连接以便为操作该电力系统子部分的发电机的引擎的各项功用提供电力。所述电力系统还对于每一个电力系统子部分包括连接到相应的总线子部分的变压器。所述变压器为耦合到该总线子部分的相应的推进器驱动器提供电力。所述变压器包括电耦合到所述电力系统子部分的推进器功用配电盘和引擎支持配电盘的附加次级绕组，以便为这些配电盘提供电力。

由于从与相应的推进器驱动器相同的变压器为这些配电盘馈电，因此可以降低电力系统的成本、尺寸和重量。在一个实施例中，所述变压器可以包括四个绕组，一个初级绕组耦合到配电总线，两个次级绕组耦合到推进器驱动器，并且所述附加的次级绕组耦合到所述配电盘。应当提到的是，这些绕组当中的每一个可以实际上包括对于三相电力的三个绕组，并且所述绕组可以以不同的配置被连接，例如星形配置或三角（△）配置（用于三个相）。用于推进器驱动器的第一次级绕组例如可以被连接在星形配置中，而用于推进器驱动器的第二次级绕组可以被连接在三角配置中，从而获得进入到推进器驱动器的VFD的三相AC电力的两倍的输入，以便最小化VFD中的谐波失真。

在一个实施例中，所述电力系统可以被配置成在引擎支持配电盘和推进器功用配电盘上提供处于低压范围（例如400V到1000V）内的电压。其还可以被配置成在配电总线上提供处于中压范围（例如大约1000V到大约30000V的范围）内的电压。其还可以被配置成向推进器驱动器提供处于大约1000V到大约10000V电压范围内的电压，例如处于大约3000V到大约8000V的范围内。因此，所述发电机可以被配置成提供在1000V到30000V的中压范围内的输出，例如处于大约5000V到大约15000V之间，例如是11000V。

所述电力系统优选地被配置成可操作在DP2和/或DP3操作模式下。具体来说，其可以被配置成操作在DP3操作模式下，其中汇流条连接断路器和总线耦合器断路器被闭合。

所述动态定位船舶例如可以是漂浮式离岸平台、半潜式潜艇、钻井船、漂浮式生产存储和卸货（FPSO）船舶等等。

本发明的另一方面提供一种操作故障保护系统的方法。所述故障保护系统是根据前面描述的任一种配置而被配置。所述方法包括以下步骤：检测电力系统中的故障；例如借助于差动或定向过电流保护或者通过检测特定组件中的故障来定位电力系统中的故障；以及将在其中发生故障的组件与其余的电力系统电隔离，这是通过断开耦合到该组件的断路器或者将在其中发生故障的电力系统子部分与其余的电力系统隔离而实现的，其中通过断开相应的总线子部分的汇流条连接和/或总线耦合器断路器来隔离电力系统子部分。如果总线子部分例如邻接同一电力系统部分的两个总线子部分，则可以断开两个总线耦合器断路器，而如果所述总线子部分邻接汇流条连接和另一个总线子部分，则将断开汇流条连接断路器和总线耦合器断路器以便隔离相应的电力系统子部分。在所述方法的另一个步骤中，在其余的汇流条连接断路器和总线耦合器断路器被闭合的情况下继续电力系统的操作。

利用这样的方法，可以实现船舶的安全操作，这允许船舶即使在例如DP2或DP3操作之类的高风险操作期间也利用闭合的汇流条连接断路器来操作电力系统。从而可以减少燃料消耗和CO₂排放。此外，在其余的电力系统在故障发生之后保持完全可操作时，快速的故障隔离是可能的。

在所述方法的一个实施例中，如果至少汇流条连接断路器或总线耦合器断路器的跳闸失效，则所述方法还可以包括备用保护的跳闸。所述备用保护可以包括定向过电流保护、短路和过电流保护或者断路器失效保护中的至少一个。定向过电流保护可以包括定向接地故障保护。

在另一个实施例中，所述方法可以包括操作至少两台发电机，每个都以降低的负载操作，其中所述负载被降低以使得如果一台发电机停止供应电能，则其余的发电机能够承担完全负载。如果耦合到操作中的发电机的电力系统子部分现在被隔离，则来自一台或多台其余发电机的电力通过配电总线被分配到负载，从而允许负载的操作的继续。在这样的配置中，所述电力系统可以利用最小数目的运行中的发电机来操作。由于在发生故障之后，汇流条连接断路器和总线耦合器断路器保持闭合，因此对于不同负载的电力分配变得可能。即使在具有三个或四个电力系统部分的系统中，也只需要两台发电机运行，从而提高了效率并且减少了燃料消耗。

所述方法还可以包括在故障发生之后启动发电机的步骤，发电机的所述启动包括借助于发电机的自动电压调节器斜升电压设定点，同时发电机断路器和推进器驱动器断路器保持闭合。利用针对发电机的启动的所述规程实现了在不会有高涌入电流的情况下对于推进器驱动器的变压器的平滑激励。从而可以在发生故障之后快速且高效地恢复完全系统可操作性。

可以在前面概述的任一种配置中的故障保护系统或电力系统上实施所述方法的实施例。此外，前面关于动态定位船舶的故障保护系统或电力系统进一步描述的任何方法步骤都可以是所述方法的实施例的一部分。

前面所提到的以及将在后面解释的本发明的实施例的各特征可以彼此组合，除非相反地指出。

附图说明

通过结合附图阅读后面的详细描述，本发明的前述和其他特征和优点将变得更加显而易见。在附图中，相似的附图标记指代相似的元件。

图1是根据本发明的一个实施例的包括故障保护系统的动态定位船舶的电力系统的示意图。

图2是更加详细地示出了图1的动态定位船舶的电力系统的示意图。

图3是更加详细地示出了图1的电力系统的用于向推进器和发电机功用供应电力的配电盘的示意图。

图4是示出了根据本发明的一个实施例的方法的示意性流程图。

具体实施方式

在下文中，将参照附图详细描述本发明的实施例。应当理解的是，下面对于实施例的描述仅仅是出于说明的目的而给出的，而不应当以限制的意义采用。

还应当提到的是，附图仅仅应当被视为示意性表示，并且附图中的各元件不必是相互按比例绘制的。相反，选择各个元件的表示以使得其功能和一般目的对本领域技术人员来说变得显而易见。还应当理解的是，在附图中示出并且在后文中描述的各物理或功能单元的耦合不一定需要是直接连接或耦合，而也可以是间接连接或耦合，也就是说具有一个或多个附加的居间元件的连接或耦合，所述居间元件比如是保险丝、断路器、变压器等等。本领域技术人员还将认识到，在这里关于不同实施例示出并描述的各物理或功能单元不一定需要被实施为物理上分开的单元。一个或多个物理或功能方框或单元可以被实施在共同的电路、芯片、电路元件或单元中，而所示出的其他物理或功能方框或单元则可以被实施在分开的电路、芯片、电路元件或单元中。

图1示出了根据本发明的一个实施例的动态定位船舶的电力系统10。在图1的实例中，电力系统10被分成三个电力系统部分12，其中不同电力系统部分的引擎被布置在动态定位船舶的不同引擎舱中。各引擎舱通过防火且防水墙壁14分开。

电力系统10包括：电源20，每一个电源都包括发电机21；以及耦合到同一配电总线15的负载。所述负载包括推进器驱动器30，每一个推进器驱动器30都包括可变频率驱动器32以用于将所供应的AC电压的频率转换成用以操作驱动器的频率，以及使推进器的螺旋桨旋转的电动机31。例如可以包括钻井驱动器的另外的负载10通过电连接51连接到配电总线15。此外，为较小负载供电的低压配电系统通过电连接52连接到配电总线15。

每一个电力系统部分12包括配电总线15的部分。各总线部分通过汇流条连接17相连。在图1的实例中，配电总线15包括通过防火且防水墙壁14分开的三个部分。在其他配置中，根据电力系统的部分划分可以提供另外的部分，比如四个或者甚至更多部分。各总线部分通过汇流条连接17以环状配置连接。这在图1中通过把配电总线15的左手端连接到配电总线15的右手端的上汇流条连接17示出。在汇流条连接线缆的每一端处提供汇流条连接断路器41。其也可以被简称为汇流条连接断路器。从而有可能将配电总线15的各总线部分电分离。如果在电力系统10的一个部分中发生故障，则所述故障相应地不会传播到电力系统10的其他部分。在传统的系统中，在高风险操作期间，汇流条连接断路器41保持断开。

从而立即变得清楚的是，在电力系统10的每一个部分12中需要有至少一台发电机21在运行。因此每一台发电机将运行在相对较低的负载下，从而导致各电源20的低效操作，并且因此导致燃料消耗增加。

在图1的实施例中，各总线部分还可以借助于总线耦合器断路器42被分离成总线子部分16。在图1的实例中，电力系统10从而可以被分离成6个电力系统子部分11。如果在特定的电力系统子部分11中发生故障，则有可能将该电力系统子部分与其余的电力系统10电隔离。相应地，在这种情况下仅仅失去一个推进器驱动器30，而在传统的系统中，当电力系统部分12由于故障而变为不可操作时会失去至少两个推进器驱动器30。

例如在DP2或DP3类别的操作模式中的高风险操作要求电力系统10具有特别高的完整性和操作安全性，从而在所有情况下都会防止船舶的位置丢失。这意味着单一故障不应当导致电力系统10的完全断电，而电力系统10的完全断电的结果是推进器驱动器将变得不可操作并且船舶将丢失其位置。为此，在传统的系统中，各电力系统部分12完全电隔离，从而如果一个部分中的电力系统失效，则其他部分仍然保持可操作，从而确保船舶利用其余的推进器保持其位置。

与传统的系统形成对比，根据本实施例的电力系统10被配置成在高风险操作期间保持各汇流条连接断路器41闭合。此外，各总线耦合器断路器42也被闭合。电力系统10包括根据本发明的一个实施例的故障保护系统，借助于所述故障保护系统确保实现对于高风险操作所要求的电力系统10的高度完整性和操作安全性。

所述故障保护系统具有几个组件，所述组件相互作用并且确保在发生故障时电力系统10保持可操作，并且防止漂浮船舶的位置丢失。

所述故障保护系统包括故障隔离系统，其能够在故障发生后的很短时间段内隔离故障，例如短于500ms，优选地甚至短于250ms。故障隔离系统使用保护继电器来进行故障检测和故障隔离。此外，除了具有主要保护功能之外，其还包括备用功能并且针对备用功能做备份，以便确保即使在某一组件失效的情况下也能快速且高效地隔离故障。所述故障隔离系统包括汇流条连接断路器41、总线耦合器断路器42以及发电机断路器25和推进器驱动器断路器35。所述故障隔离系统包括用于这些断路器当中的每一个的保护继电器。对于发电机21、汇流条连接线缆17和总线耦合器，所述保护继电器提供差动过电流保护。作为一个实例，提供在相应组件两侧上的保护继电器测量流经所述组件的电流，并且根据预定标准确定在该组件中是否存在故障。如果是的话，则保护继电器可以断开相应组件两侧上的断路器，从而将该组件电隔离。为此目的，对应的保护继电器可以例如通过提供在各保护继电器之间的通信总线来彼此通信。在这样的配置中，有可能确定故障位于何处。作为一个实例，可以限定保护区，其包括将要保护的组件和与之耦合的断路器。于是差动保护可以包括确定进入以及离开相应的保护区的电流。如果所述电流之和不等于零，则可以表明所保护组件中的故障。

对于负载，例如对于推进器驱动器30、用于钻井驱动器的馈电器51以及用于低压负载的馈电器52，提供短路和过电流保护。这种类型的保护通常将是足够的，这是因为如果在负载中发生短路，则所述负载通常将从配电总线15汲取过多电流，这会被相应的保护继电器检测到，其可以使相关联的断路器跳闸，从而将该负载电隔离。

对于各总线子部分和汇流条连接，所述故障保护系统可以包括一项、两项或者甚至三项备用保护。可以被用在故障保护系统中的一项备用保护是短路和过电流保护。可以使用的另一项备用保护是定向逻辑过电流保护。同样地，这些备用保护可以被实施在相应的保护继电器中。作为一个实例，如果在特定位置处发生故障（例如接地故障），则保护继电器将观测朝向故障位置的电流流动。保护继电器随后可以利用其定向逻辑确定，在正常操作中将没有电流流动，或者电流将在相反方向上流动。保护继电器从而可以确定存在故障，并且可以使对应的断路器跳闸。作为另一项备用保护，可以在所述故障保护系统中实施断路器失效保护。举例来说，如果汇流条连接断路器或总线耦合器断路器未能断开，则可以被实施在相应的保护继电器中的断路器失效保护可以使失效的断路器左侧和右侧的下一个断路器跳闸。对于汇流条连接断路器，断路器失效保护可以使汇流条连接两侧上的断路器跳闸。在这种情况下，耦合到不同断路器的保护继电器可以按照主从方式操作。

类似地，对于发电机断路器25，可以按照短路和过电流保护的形式提供备用保护。作为另一项备用保护，可以提供断路器失效保护。作为断路器失效保护，在发电机断路器失效的情况下，所述故障保护系统例如可以使相应的电力系统子部分11内的所有断路器跳闸。

类似地，对于针对不同种类的负载的断路器，例如对于推进器驱动器断路器35，可以提供断路器失效保护以作为备用保护。同样地，断路器失效保护可以使得相应的电力系统子部分11内的所有断路器都跳闸。因此，在主要保护失效的情况下，相应的电力系统子部分11变为与电力系统10的其余部分和子部分隔离，从而避免故障传播到电力系统10的其他部分。

在发生故障的情况下，例如如果故障发生在汇流条连接中或者发生在配电总线的子部分中，或者如果作为备用保护，该特定子部分11中的所有断路器都被断开，则配电总线15的各个总线子部分16因而可以变为与其余总线子部分电隔离。所述故障保护系统现在被配置成在其余的汇流条连接断路器41和总线耦合器断路器42被闭合的情况下继续电力系统10的操作。由于配电总线15被连接在环状配置中，因此即使一个总线子部分16从总线断开，配电总线15的其余子部分16保持连接。

所述故障保护系统和电力系统10的这种配置具有几个优点。由于电力系统10提供了增强的故障完整性，因此当动态定位船舶正在施行高风险操作时，其可以利用闭合的汇流条连接断路器和总线耦合器断路器进行操作。因此不需要对于每个电力系统部分12操作至少一台发电机。图1中描绘的系统例如可以在仅有两台发电机21运行的情况下进行操作。在一个子部分11由于故障与其余的电力系统10隔离的情况下，仅仅失去一个推进器驱动器30，并且如果该子部分11不包括正在运行的发电机，则在配电总线15上保持完全电力。另一方面，如果将被隔离的子部分11包括正在运行的发电机，则剩下的发电机仍然可以为所有其他的推进器驱动器供应电力，这是因为配电总线15的其余子部分16保持连接。在操作中，所述两台运行中的发电机21例如可以分别在50%负载下操作，从而在失去一台运行中的发电机时，剩下的发电机可以采取全负载并且为大多数用电装置供应电力。

为了实现针对故障的增强的完整性，根据本实施例的故障保护系统还被配置成确保电力系统10的操作在故障发生之后继续。除了隔离故障之外，所述故障保护系统还确保发电机和推进器驱动器保持可操作。一个特别的问题在于，在发生故障时，在配电总线15上存在显著的电压下降。所述电压下降的量值通常将取决于故障位置。

为此目的，所述故障保护系统包括发电机过渡系统。每一个电源20包括自动电压调节器（AVR）22，其提供发电机电压控制。AVR22例如可以实施闭环控制系统，其把发电机端子电压与电压设定点进行比较，并且调整发电机21的激励场电流，以便把发电机的输出电压保持在操作带内。当利用连接的汇流条连接17操作时，配电总线15上的电压下降可能导致AVR大大提高激励电流，从而会损坏激励器的组件。作为一个实例，为激励器提供AC到DC转换的二极管可能会受到损坏，或者变阻器可能受到损坏。为了防止损坏，所述故障保护系统包括激励限制器，其可以被包括在AVR22中。所述激励限制器在故障发生时限制被提供到发电机的激励器的激励场。所述激励限制器例如通过监测发电机端子处或配电总线15上的电压来检测故障的发生。另一方面，所述激励限制器可以被配置成检测场过电流状况，即被提供到发电机21的过高激励场电流，并且可以作为响应将激励电流斜降到预设值，例如额定激励场电流的大约95%和115%之间。

AVR22还可以被适配成限制故障发生之后的电压过冲。AVR22的这一功能同样可以是根据本实施例的故障保护系统的一部分。如前所述，当故障发生时，配电总线15上的电压通常会下降。相应地，运行中的发电机上的负载将会增大，因为其必须提供由于故障而导致的短路电流。因此，配电总线15上的AC电压的频率也会降低。AVR22可以被配置成通过发电机端子处或配电总线15上的电压下降或频率降低来检测故障。AVR22现在将尝试通过增大发电机21的输出电压来保持配电总线15上的指定操作电压。这样可能会导致故障清除之后的相当大的电压过冲。AVR22现在可以被配置成通过在检测到故障时限制发电机21的电压设定点来限制该过冲。在故障清除之后，可以在预定时间帧内将电压设定点斜升回到操作电压设定点。这样，配电总线15上的电压就可以在没有显著电压过冲的情况下返回操作电压。

这在利用闭合的汇流条连接17操作的电力系统10中是特别重要的，因为电压过冲可能会导致几个用电装置跳闸，即由于过电压而变为与电力系统10断开。结果将导致可能危及船舶的功能丢失。通过避免故障之后的电压过冲，可以防止这些组件跳闸，并且从而防止故障传播到电力系统10的其他部分。

AVR22中所提供的激励限制器也可以被称作过激励限制器。所述故障保护系统在AVR22内还可以包括欠激励限制器。当运行中的发电机与确定配电总线15上的电压的一台或多台其他发电机并联时，通过改变（例如增大或减小激励）可以提供功率因数控制，也就是说所述发电机将消耗或产生无功功率。装备失效可能会要求这样的发电机操作在欠激励状况下，以便吸取来自电力系统的无功功率。此外，如果另一台发电机中的AVR失效，则该发电机可能会被驱动到过激励状况，并且从而可能开始产生过多的无功功率。该无功功率将需要被其他运行中的发电机吸取。因此，这些发电机可能被驱动到欠激励操作状况。这可能在受到影响的发电机中导致过多的芯端发热、电力系统不稳定或者落在可允许界限之外的操作电压。欠激励限制器被配置成限制流入到发电机中的无功功率。实际上，这是通过欠激励限制器与AVR相互作用以增大端子电压直到流入的无功功率被减小到设定以下而实现的。结果，可以防止对其他运行中的发电机造成损坏以及因此失去其他的发电机。

所述故障保护系统还包括推进器驱动器过渡系统33。当电力系统10利用闭合的汇流条连接17操作时，在发生故障的情况下，配电总线15上的电压下降可能导致推进器驱动器30变为不可操作并且需要重启。这特别可能由可变频率驱动器（VFD）32的电容器导致，其在通过配电总线15提供的供电电压下降或归零时将会放电。可变频率驱动器32例如可以包括整流器级、中间DC总线以及在可变频率下向AC电动机31提供AC电压的逆变器级。DC总线被耦合到电容器组，其被提供来对DC总线电压进行滤波并且为逆变器部分提供稳定的DC源。当输入到VFD32中的输入功率下降时，可用来运行AC电动机31的仅有电力源是储存在DC总线电容器组中的能量，因此其将立即放电。一旦所述电容器组达到已放电状态，VFD就无法被容易地重启，这是因为突然向VFD32施加电力将导致过大的涌入电流，这可能会影响电力系统10的其他部件，即例如可能使发电机跳闸。相应地将需要推进器驱动器系统30的完全重启，其中所述电容器组被缓慢地充电。这可能会花费10秒或甚至更多，其间船舶将丢失位置并且无法被驾驶。这在高风险情况下将是特别危险的。

推进器驱动器过渡系统33可以被提供在VFD的控制器中，正如图1的实例中那样。推进器过渡系统33现在在故障发生时向VFD32的DC总线提供电能。DC总线上的电压从而被保持高于预定电压阈值，从而在特定时间量内防止电容器或电容器组的放电。所述电压阈值例如可以是DC总线操作电压的大约80%，但是其也可以被设定为更高或更低的值，这取决于具体配置。

推进器驱动器过渡系统例如可以使用动力缓冲来向DC总线提供电力。动能被储存在推进器驱动器的螺旋桨中。旋转中的螺旋桨是具有相对较小的摩擦力的较大旋转质量。推进器驱动器过渡系统检测DC总线上的电压。如果DC总线电压下降，则推进器驱动器过渡系统通过略微降低VFD的逆变器的输出频率而做出响应。这就导致其中由于螺旋桨的动能而仍在旋转的AC电动机31开始产生AC电压的再生状况。在该所谓的“再生状况”下，随后通过VFD32的逆变器级对由电动机31产生的AC电压进行整流，即通过与逆变器部分中的每一个IGBT晶体管并联的反并联或续流二极管（free-reelingdiode）进行整流。所述二极管充当全波三相桥，并且把所生成的AC电压转换成DC电压，所述DC电压随后被用来把DC总线上的电压保持高于所定义的电压阈值。可以按照需要降低逆变器级的输出频率，以便把所储存的动能再生并转换成电能以用于把DC总线保持高于电压阈值，即使得VFD“保持运转”。推进器驱动器过渡系统可以被配置成施行动能恢复，直到电动机达到零RPM的旋转速度为止。在整个时间期间，电动机和VFD32保持连接并且可操作，并且DC总线电压得以保持。从而当配电总线15上的电力被恢复时可以实现推进器驱动器30的非常快速且平滑的重启。一般来说，配电总线15上的故障隔离和电力恢复可以比一秒更快，通常比500ms或者甚至250ms更快。由推进器驱动器过渡系统提供的动力缓冲可以大约是1-3秒。相应地，推进器驱动器30可以在整个断电时间内保持运转。

因此，借助于构成故障保护系统的一部分的故障隔离系统、发电机过渡系统和推进器驱动器过渡系统，有可能利用闭合的汇流条连接和闭合的总线耦合器断路器来操作电力系统，并且在发生故障时把电力系统的不受影响的子部分的这些断路器保持闭合。故障隔离系统快速地隔离故障，同时发电机过渡系统和推进器驱动器过渡系统确保在故障隔离之后发电机继续操作，并且继续向配电总线15和推进器驱动器30供应电力。从而电力在故障隔离之后立即恢复，并且推进器驱动器可以在故障隔离之后立即继续操作，并且可以保持船舶的位置。

在图1的实例中，即使包括两台运行中的发电机的其中一台的电力系统子部分11由于故障而变为与其余的电力系统10隔离，运行中的另一台单独发电机也可以通过配电总线15的其余部分为所有五个剩余的推进器驱动器供电，这是因为：a）未受影响的子部分的断路器41、42保持闭合；b）配电总线15以环状配置被提供；并且c）该发电机21和所述推进器驱动器30保持可操作。

应当清楚的是，前面关于图1描述的电力系统和故障保护系统仅仅是本发明的示例性实施例，并且其他实施例可以被不同地配置。

作为一个实例，电力系统10可以包括更多的或更少的电力系统部分12，或者更多的或更少的电力系统子部分11，以及对应数目的总线子部分16。推进器驱动器过渡系统例如可以被不同地实施，例如通过提供连接到相应的VFD的DC总线的电力储存器件以用于保持DC总线上的预定义电压电平。这样的电力储存器件例如可以包括电池或电容器组等等。此外还应当清楚的是，各组件的划分和布置仅仅是为了示意性地说明其功能，并且其在物理方面可以以不同单元的形式或者在不同的位置处被实施。作为一个实例，可以用其位置与VFD32间隔开的共同VFD控制器来替代VFD控制器33。可以以汇流条的形式来提供总线子部分16。保护继电器和相关联的断路器41、42、25、35...例如可以被提供在配电盘中，其中属于电力系统10的不同部分12的配电盘位于通过防火墙壁分开的不同舱内。此外还可以存在附加的组件，例如耦合在VFD32与断路器35之间的推进器驱动器变压器。

例如在图2中更加详细地示出了这一方面。图2示出了与图1的电力系统10相同的实施例，其焦点在于电力系统10的特定组件。为了清楚起见，在图2中不再用附图标记标示出已经关于图1解释过的其余组件。

在图2中，点线突出显示了一个电力系统子部分11，其在该电力系统子部分中发生故障时可以变为被隔离。由附图标记41和42标示出的断路器被断开，以便隔离电力系统子部分11。操作中的两台发电机由一条线环绕。相应地，在隔离子部分11时，发电机1继续向电力系统10的其余子部分供应电力。

发电机处于操作中意味着有原动机在实际移动该发电机。原动机通常将是引擎，比如柴油引擎或燃汽轮机。可以借助于调控器（未示出）来调整原动机的功率输出，其根据有功功率需求来调整功率输出。当运行中的发电机1上的负载由于子部分11的故障和隔离而增大时，需要发电机1的原动机提供更高的功率输出，这导致显著的转矩改变。可以借助于实施激励限制器和电压过冲防止的发电机的AVR来减少所述转矩改变。

附图标记70标示出与电力系统10的不同子部分11通信的电力管理系统（PMS）。断路器和保护继电器例如可以被提供在配电盘中，PMS70例如通过冗余串行通信与所述配电盘对接。PMS70还可以与包括发电机21的供电系统70对接。电力管理系统70例如可以发出包括启动发电机或停止发电机、断开或闭合断路器之类的命令。PMS70可以施行各种电力管理功能，其中包括在需要时启动新的发电机，这例如是由于负载增大或者是由于在故障发生之后失去了一台发电机。为此目的，来自每一台发电机的电力传感器可以与PMS70对接，并且PMS还可以获得关于当前所连接的负载的信息。另一方面，其可以从每一台发电机的当前功率输出确定负载。PMS70现在例如可以施行与负载有关的引擎和发电机的启动/停止、与故障有关的引擎和发电机的启动/停止、选择电力系统的操作模式（例如闭合汇流条连接断路器的DP2或DP3）等等。其可以选择性地隔离电力系统的部分或子部分，或者施行主环（即配电总线15）的重新连接。为此目的，PMS70还可以包括HMI（人机接口），操作员可以通过所述HMI监测电力系统，并且可以得到关于例如故障之类的特定情况的警报。

图2还示出了推进器驱动器变压器34，其逐步降低提供在配电总线15上的AC电压。配电总线15上的AC电压可以处在中压范围内，例如处在大约5000伏特和大约30000伏特之间，例如处于11000伏特。变压器34例如将该电压逐步降低到大约3kV到8kV，例如5000伏特或6000伏特。变压器34的输出电压取决于用在相应的推进器驱动器中的AC电动机31的类型。

虽然在附图中仅仅示出了单个电连接，但是应当清楚的是，电力系统10是三相电力系统，也就是说在发电机输出端处可以提供三相AC电力，并且配电总线15包括对于三相AC电力当中的每一相的汇流条。推进器驱动器变压器34包括一个初级绕组，其相应地具有三个绕组，每一相一个绕组，所述绕组在图2的实例中以三角配置连接。变压器34还包括两个次级绕组，每个绕组再次针对三个相，其中在一个绕组中，三个相以三角配置连接，并且在另一个绕组中，三个相以星形或Y形配置连接。因此，在由两个不同的次级绕组输出的三相AC电力中将存在相移。两个发电机输出都被提供到可变频率驱动器32，其从而可以在中间DC总线上产生谐波失真得以减少的DC电压。

在本实施例中，变压器34具有第四绕组36，即第三次级绕组。电力系统10还包括从第四绕组36到推进器功用和/或引擎支持配电盘的电连接37。推进器功用配电盘向操作推进器驱动器所必要的推进器驱动器30的各项功用提供电力。引擎支持配电盘向驱动相应发电机的引擎的各项功用（即向发电机的原动机）提供电力。通过使这些配电盘由变压器34的第四绕组36供电，不再需要提供附加的变压器，从而节省了成本、重量和空间。此外，特定电力系统子部分11的推进器驱动器和发电机的引擎的所有功用都直接从相应的配电总线子部分供电。相应地，如果某一电力系统子部分11变为被隔离，例如当断开相应的汇流条连接断路器和总线耦合器断路器时，该子部分11仍然作为隔离岛而保持完全可运作，其可以继续操作所述发电机和推进器驱动器二者。如果故障例如导致电力系统10的整个部分12变为与其余部分隔离，则其中发生故障的一个子部分11可能是不可操作的并且与其余的子部分11隔离，所述其余的子部分11作为隔离岛仍然可以继续操作。相应地，操作安全性得到增强，并且故障发生时的推进器驱动器的损失可以被保持得较小。

在图3中对于电力系统10的单个部分12更加详细地描绘了这一方面。图3示出了推进器功用配电盘38和引擎支持配电盘39，二者都耦合到变压器34的第四绕组36。推进器功用配电盘38例如可以为诸如海水冷却泵、淡水冷却泵、推进器液压泵、推进器润滑油泵等之类的组件供电。引擎支持配电盘39例如可以为发电机润滑油泵、柴油发电机润滑油泵、柴油发电机预热器馈电器、引擎舱供气和抽气风扇等等供电。

电力系统10还可以包括为电力系统的每一个子部分11而提供的不间断电源60。在图3的实例中，不间断电源（UPS）60耦合到推进器功用配电盘和引擎支持配电盘38、39二者。UPS60例如可以包括电池，其可以在主电源失效的情况下为两个配电盘供应电力。相应地，即使主电源由于故障而暂时中断，相应的电力系统子部分11的发电机和推进器二者也可以保持可操作。同样地，这样确保了在故障发生和隔离之后的快速恢复。

所述故障保护系统还包括一个电力系统子部分11的UPS60与不同的电力系统子部分11的配电盘38、39之间的电互链连接61。因此，配电盘38、39中的每一个实际上耦合到两个UPS。因此就提供了冗余的UPS，从而增强了引擎和推进器功用的操作可靠性。此外，去到两个不同UPS的耦合可以被用来延长在没有主电源的情况下可以操作相应功用的时间。

应当提到的是，电互链连接61的性质使得不同电力系统子部分11的配电盘38、39保持彼此隔离，从而使得故障无法传播经过这些部分。这可以借助于UPS60中所示的耦合来实现。在图3中，UPS60的电池或电容器组没有被明确示出，而是表明了与之的连接。请注意，图3示出了如图1和2中所示的电力系统10的一种具体配置，因此前面关于图1和2给出的进一步的解释可等同地适用于图3的电力系统10。

图4示出了根据本发明的一个实施例的方法的流程图，该方法可以对于包括故障保护系统的电力系统10的任一个前述实施例来施行。在步骤101中，在汇流条连接断路器闭合的情况下，在DP2或DP3类别操作模式中的高风险操作期间操作动态定位船舶的电力系统。在步骤102中，在电力系统中发生故障。在步骤103中，例如借助于保护继电器识别出故障。断开断路器以便隔离相应的组件，或者断开断路器以便隔离其中发生故障的相应的电力系统子部分11。故障隔离例如可以在150ms内发生，例如对于推进器驱动器中的故障在大约140ms内发生（过电流保护），并且对于配电总线15的汇流条上的故障在大约100ms内发生（差动保护）。

在判定步骤104中，在步骤103中尝试隔离故障之后检查该故障是否仍然存在。如果故障仍然存在，则在步骤105中使备用保护跳闸。如前所述，该备用保护例如可以是短路或过电流保护。如果在使备用保护跳闸之后故障仍然存在（判定步骤106），则作为另外的备用保护断开相应的电力系统子部分11中的所有断路器（步骤107），这例如是通过前面提到的断路器失效保护而实现的。步骤107通常应当在故障发生之后的少于500ms内完成，优选地在少于250ms内完成。应当提到的是，这仅仅是清除故障的一种示例性方法，并且可以使用经过修改的或更加复杂的方法。

与通过前面的措施进行的故障隔离并行地施行步骤108到110，其确保电力系统10保持可操作。在步骤108中，通过防止由当前可操作的发电机的AVR导致的过大激励场电流而施行发电机过渡保护。在步骤109中，通过按照前面进一步描述的任何方式防止推进器VFD的DC总线上的电压下降而施行推进器驱动器过渡保护。从而，运行中的发电机以及推进器驱动器二者都保持可操作。此外，步骤110通过按照前面描述的方式降低对于发电机的电压设定点而提供故障被清除之后的电压过冲限制。从而可以防止高涌入电流、原动机上的高转矩变化以及其他负载的跳闸。

在故障期间以及在故障清除之后，其余的电力系统子部分11中的断路器保持闭合（步骤111）。操作继续。如果必要的话，启动附加的发电机和相关联的引擎，以便在配电总线15上提供足够的电力（步骤112）。如果运行中的发电机位于在清除故障时变为被隔离的电力系统子部分11内，则上述做法例如可能是必要的。

从前面的描述中可以看出，根据本发明的实施例的电力系统和故障保护系统提供了操作安全性和针对故障的保护，这使得所述系统即使在高风险操作期间也能够利用闭合的汇流条连接进行操作。电力系统中的单一故障的发生将不会导致电力系统的断电，并且发电机和推进器二者都保持可操作，使得保持动态定位船舶的位置被维持。由于电力系统部分被细分成子部分，因此本发明的实施例提供了针对故障的增强的电力系统完整性并且降低了整个部分断电的风险。还可以由于保护方案和故障保护系统使用控制功能而降低完全断电的风险。该针对影响位置保持的故障的增强的船舶完整性允许在所有操作模式（例如DP2和DP3）下利用闭合的汇流条连接断路器进行操作。这样就导致减少了燃料成本并且减少了燃烧气体（比如CO₂）的排放。此外，需要运行的发电机更少，从而导致对于引擎和发电机的减少的操作时长和维护成本。此外，还便于维修，这是因为有可能完全关停特定部分的引擎和发电机，并且从而在同一引擎舱内没有引擎操作的情况下施行维修。电压过冲防止和UPS还导致降低了在故障发生之后失去重要用电装置的风险。

虽然在这里公开了具体实施例，但是在不背离本发明的范围的情况下可以做出各种改变和修改。本发明的实施例在所有方面应当被视为说明性而非限制性，并且落在所附权利要求书的含义和等效范围内的所有改变都应当被涵盖在其中。

Claims (16)

1.一种动态定位船舶的电力系统的故障保护系统，其中所述电力系统（10）被分成两个或更多电力系统部分（12），每一个电力系统部分（12）都包括配电总线（15）的总线部分，其中各总线部分通过汇流条连接（17）而以环状配置相连接，并且其中每一个电力系统部分（12）都包括两个或更多电力系统子部分（11），每一个电力系统子部分（11）都包括配电总线（15）的总线子部分（16），同一电力系统部分（12）的各总线子部分（16）通过一个或多个总线耦合器相连接，其中每一个总线部分都包括去到发电机（21）的连接和去到动态定位船舶的推进器驱动器（30）的连接，其中所述故障保护系统包括：

-故障隔离系统，其对于每一个电力系统部分（12）包括：用于断开由汇流条连接（17）提供的连接的汇流条连接断路器（41），以及用于断开由一个或多个总线耦合器提供的连接的一个或多个总线耦合器断路器（42），所述故障隔离系统被配置成实施用于操作至少所述汇流条连接断路器（41）和总线耦合器断路器（42）的差动过电流保护方案；

-发电机过渡系统，其对于每一个电力系统部分（12）包括用于耦合到相应的总线部分的发电机（21）的激励限制器，所述发电机过渡系统被适配成在故障发生时限制提供到所述发电机（21）的激励场电流；

-推进器驱动器过渡系统，其被配置成在故障发生时为每一个电力系统部分（12）的推进器驱动器（30）的可变频率驱动器（32）的DC总线提供电能，从而将DC总线上的电压保持高于预定电压阈值，

其中，所述故障保护系统被配置成在电力系统（10）中发生故障时，通过使其中发生故障的电力系统（10）的组件跳闸和/或通过断开故障位于其中的电力系统子部分（11）中的一个或多个断路器（41，42，25，35）来隔离故障，并且在其余的汇流条连接断路器（41）和总线耦合器断路器（42）被闭合的情况下继续电力系统的操作。

2.根据权利要求1的故障保护系统，其中，所述故障隔离系统被配置成对于至少汇流条连接（17）和总线子部分（16）实施针对故障的差动过电流保护和/或定向过电流保护。

3.根据权利要求2的故障保护系统，其中，所述故障隔离系统包括用于操作至少汇流条连接断路器（41）和总线耦合器断路器（42）的保护继电器，所述保护继电器对于汇流条连接（17）和总线子部分（16）实施差动过电流保护和/或定向过电流保护。

4.根据权利要求2或3的故障保护系统，其中，所述故障隔离系统还被配置成借助于至少汇流条连接断路器（41）和总线耦合器断路器（42）来实施短路和过电流保护以作为备用。

5.根据权利要求1至3中的任一项的故障保护系统，其中，所述故障隔离系统还对于每一个电力系统部分（12）包括：用于断开去到发电机（21）的连接的发电机断路器（25）；以及用于断开去到推进器驱动器（30）的连接的推进器驱动器断路器（35）。

6.根据权利要求1至3中的任一项的故障保护系统，其中，所述故障隔离系统还对于每一个电力系统子部分（11）包括：用于断开去到发电机（21）的连接的发电机断路器（25）；以及用于断开去到推进器驱动器（30）的连接的推进器驱动器断路器（35）。

7.根据权利要求1至3中的任一项的故障保护系统，还包括含有激励限制器的自动电压调节器（22），所述自动电压调节器（22）被适配成自动调整由相应的发电机（21）提供的电压，以便把电压保持在操作带内。

8.根据权利要求7的故障保护系统，其中，所述自动电压调节器（22）被适配成通过检测发电机输出端处或配电总线（15）处的电压下降来检测故障的发生，所述自动电压调节器（22）被适配成在检测到故障之后降低针对所述发电机（21）的电压设定点，并且根据降低的电压设定点来控制所述发电机的输出电压，从而在故障发生之后限制电压过冲。

9.根据权利要求1至3中的任一项的故障保护系统，其中，所述推进器驱动器过渡系统包括用于每一个推进器驱动器（30）的可变频率驱动器（32）的可变频率驱动器控制器（33），所述可变频率驱动器控制器（33）被适配成在相应的可变频率驱动器（32）的DC总线上的电压下降时降低该可变频率驱动器的输出频率，从而使得该可变频率驱动器在发电状况下操作，在该发电状况中由所述推进器驱动器的电动机（31）生成电能，并且所述电能被反馈到DC总线以便把DC总线上的电压保持高于电压阈值。

10.根据权利要求1至3中的任一项的故障保护系统，其中，所述推进器驱动器过渡系统包括诸如电池的电力储存器件，所述电力储存器件耦合到所述可变频率驱动器的DC总线，所述电力储存器件被适配成在DC总线上的电压下降的情况下向所述DC总线供应电力，以便把所述DC总线上的电压保持高于电压阈值。

11.根据权利要求1至3中的任一项的故障保护系统，其中，所述电力系统还对于每一个电力系统子部分包括去到推进器功用配电盘（38）的连接以及去到引擎支持配电盘（39）的连接，所述推进器功用配电盘（38）电耦合到相应的电力系统子部分（11）的发电机（21）以便为所述推进器驱动器（30）的各功用提供电力，所述引擎支持配电盘（39）电耦合到相应的电力系统子部分（11）的发电机（21）以便为操作该电力系统子部分（11）的发电机（21）的引擎的各功用提供电力，

所述故障保护系统还对于每一个电力系统子部分（11）包括用于断开去到所述推进器功用配电盘（38）和所述引擎支持配电盘（39）的连接的断路器。

12.根据权利要求11的故障保护系统，还对于每一个电力系统子部分（11）包括不间断电源（60），所述不间断电源被耦合到所述推进器功用配电盘（38）和/或所述引擎支持配电盘（39）。

13.根据权利要求12的故障保护系统，还包括从一个电力系统子部分的推进器功用配电盘（38）或引擎支持配电盘（39）到另一个电力系统子部分的不间断电源的电互链连接（61）。

14.一种动态定位船舶的电力系统，其包括根据权利要求1-13中的任一项的故障保护系统。

15.根据权利要求14的电力系统，所述电力系统还对于每一个电力系统子部分（11）包括连接到相应的总线子部分（16）的变压器（34），所述变压器为耦合到该总线子部分（16）的相应的推进器驱动器（30）提供电力，其中所述变压器（34）包括电耦合到所述电力系统子部分（11）的推进器功用配电盘（38）和引擎支持配电盘（39）的附加次级绕组（36），以便为两个配电盘（38，39）提供电力。

16.一种操作故障保护系统的方法，其中所述故障保护系统是根据权利要求1-13中的任一项而配置的，所述方法包括以下步骤：

-检测电力系统（10）中的故障；

-定位所述电力系统（10）中的故障；

-将其中发生故障的组件与其余的电力系统电隔离，这是通过断开耦合到该组件的断路器（41，42，25，35）或者将其中发生故障的电力系统子部分（11）与其余的电力系统隔离而实现的，其中通过断开相应的总线子部分（11）的汇流条连接（41）和/或总线耦合器断路器（42）来隔离其中发生故障的电力系统子部分（11）；以及

-在其余的汇流条连接断路器（41）和总线耦合器断路器（42）被闭合的情况下继续所述电力系统（10）的操作。