CN103378585A - 动态定位的船只的电力系统的故障保护系统 - Google Patents

Abstract

本发明提供了动态定位的船只的电力系统的故障保护系统。所述电力系统具有：配电总线，被分离为三个或更多个总线子段；电连接，包括在环形配置中连接总线子段的总线联络线；以及断路器，连接在总线子段之间，以使所述电连接断路。对于总线子段中的至少一个，所述故障保护系统包括：发电机断路器，用于将发电机耦合至总线子段；一个或多个馈线断路器，用于将一个或多个负载耦合至总线子段；第一断路器，经由所述第一断路器，总线子段的第一端连接至总线联络线，所述总线联络线向所述环形配置中的另一总线子段提供电连接，所述第一断路器是总线联络线断路器；第二断路器，用于将总线子段的第二端耦合至所述环形配置中的又一总线子段；保护继电器。

Description

动态定位的船只的电力系统的故障保护系统

技术领域

本发明涉及一种动态定位的船只的电力系统的故障保护系统、一种动态定位的船只的电力系统以及一种操作这种电力系统的故障保护系统的方法。

背景技术

可以给浮船（例如，半潜船、钻探船、浮式生产储存和卸载（FPSO）船只等）提供动态定位系统。这种动态定位的船只可以使用电气驱动的螺旋桨（即，电动推进器）在石油和天然气钻探操作、站保持、抛锚、港口操纵等期间保持位置。对于存在石油污染、生命丧失、碰撞等增大的风险的特定类型的操作，必须确保船只的位置被保持以最小化这些风险。因此，给动态定位的船只的推进器供给电力的电力系统的完整性和失效安全操作特别重要。

可以将船只分类为不同类别，例如DP2（动态定位2）、DP3等。高风险操作（例如，钻探操作或者逼近其他船只）可能例如需要针对特定船只类别的特定操作模式。为了确保组件的失灵不会导致动态定位的船只的电力系统的完全断电，在这种高风险操作模式中，需要将电力系统分割为多个段（例如2至4个）。电力系统的每个段位于分离的发动机舱中，发动机舱与防火和水密墙隔离。在这种高风险操作期间，将电力系统的段电隔离，例如通过打开由被称为总线联络线的电缆提供的连接。必须针对每电力系统段运行具有所连接的发电机的一个或多个发动机，以将电力供给至所连接的负载，例如，供给至推进器的电动机。因此，在具有仅三个段的系统中，三个、四个或更多个发动机将运行大多数时间，数目随着段的数目而增加。

发动机一般将在相对较低的功率输出下运行，其中，这些发动机在低操作范围内的特定燃料消耗一般更高。因此，与可将电力系统的段电连接的操作模式相比，这种电力系统的燃料消耗较高，使得例如需要操作仅两个发电机，每一个都处于较高负载处。

除增加的燃料消耗和CO2排放外，与减小的负载并行地运行多个发动机可以进一步导致燃烧室中的烟灰累积、发电机组的增加的操作小时以及由此导致维护成本更高。由于发动机将运行大多数时间，因此断电风险也升高。

利用互连的电力系统段（即，利用所连接的总线联络线）操作这种系统一般不可能，这是由于故障（例如，短路或发电机失效）一般将导致船只的电力系统完全断电。这种断电将导致船只的位置的丢失，这可能是有害的；其可能导致石油溢出或生命丧失。例如，这由电力系统内的故障的传播导致，使得当连接总线联络线时，电力系统的一个段中的故障将导致电力系统的其他段中的组件（例如，发动机和推进器）跳闸。这能导致船只的大多数推进器不可操作，船只因此失去可操纵性。

因此，期望改进动态定位的船只的这种电力系统，并减少或者甚至消除这种电力系统中的故障传播。期望电力系统的大多数部件在发生故障时保持可操作。此外，期望以给发电机供电的发动机的降低的燃料消耗和更高的效率实现操作。还期望在高风险操作期间维持这种燃料高效操作，而不损害电力系统的完整性和安全操作。

发明内容

相应地，需要改进动态定位的船只的电力系统的故障容限和完整性，以及特别地，减少或防止这种系统中的故障传播。

该需要由独立权利要求的特征满足。从属权利要求描述了本发明的实施例。

本发明的实施例提供了一种动态定位的船只的电力系统的故障保护系统，其中，所述电力系统包括：配电总线，包括三个或更多个总线子段；电连接，包括在环形配置中连接总线子段的总线联络线；以及断路器，连接在总线子段之间，以使所述电连接断路。对于所述总线子段中的至少一个，所述故障保护系统包括：发电机断路器，用于将发电机耦合至总线子段；一个或多个馈线断路器，用于将一个或多个负载耦合至总线子段；第一断路器，经由所述第一断路器，总线子段的第一端连接至总线联络线，所述总线联络线向所述环形配置中的另一总线子段提供电连接，所述第一断路器是总线联络线断路器；第二断路器，用于将总线子段的第二端（即，另一端）耦合至所述环形配置中的又一总线子段；保护继电器，耦合至断路器以操作断路器；以及所述保护继电器之间的通信链路，所述保护继电器被配置为经由所述通信链路来交换信息。所述保护继电器被配置为提供至少：发电机保护区域，包括所述发电机断路器和发电机，与所述发电机断路器耦合的保护继电器被配置为提供针对所述发电机的差动保护；总线联络线保护区域，包括所述总线联络线断路器、所述总线联络线和又一总线联络线断路器，经由所述又一总线联络线断路器，所述总线联络线耦合至所述另一总线子段，其中，与所述总线联络线断路器耦合的保护继电器被配置为提供针对所述总线联络线的差动保护；以及总线子段保护区域，包括总线子段和与总线子段耦合的断路器，与这些断路器耦合的保护继电器被配置为提供针对总线子段的差动保护。

相应地，如果借助针对不同区域而提供的差动保护检测到故障，则保护继电器可以触发相应区域内的断路器（CB），并因此可以快速且高效地隔离和清除故障。由于该区域内的一个或多个断路器被触发，因此其他区域可以在很大程度上保持不受影响并可以继续操作。因此，可以自动检测到故障位置，并且可以防止电力系统的整个子段跳闸。作为示例，如果发电机保护区域跳闸，则与相同总线子段耦合的推进器形式的负载可以保持操作，并可以从相邻总线子段供给（例如，经由总线联络线）电力。

在实施例中，每个断路器耦合至并关联于被配置为操作相应断路器的保护继电器。

在实施例中，所述负载中的至少一个是推进器驱动器，相应馈线断路器是推进器驱动器断路器。所述推进器驱动器可以经由推进器驱动器变压器连接至总线子段，所述推进器驱动器断路器耦合在所述推进器驱动器变压器与总线子段之间。每个总线子段可以耦合至发电机和推进器驱动器，因此，即使总线子段变得与环形配置中的其余总线子段分离，推进器驱动器也可操作。

在实施例中，总线子段的第二端处的电连接由总线耦合器提供，所述第二断路器是总线耦合器断路器。所述保护继电器还被配置为提供：总线耦合器保护区域，包括所述总线耦合器和所述总线耦合器断路器，与所述总线耦合器断路器耦合的保护继电器被配置为提供针对所述总线耦合器的差动保护。两个相邻总线子段可以例如借助总线耦合器而连接，并且这两个相邻总线子段可以形成总线段。总线段可以由2个、3个或更多个总线子段形成。电力系统可以包括可由总线联络线在环形配置中连接的多个总线段（例如，3个、4个、5个或更多个）。可以在船只的不同舱中提供并通过防火墙来分离总线段。相应地，即使可能发生全部总线段的断电（例如，由于火灾），电力系统也可以保持操作。

在实施例中，为了提供差动保护，与相应保护区域中的断路器耦合的保护继电器可以被配置为确定进入和离开该保护区域的电流的幅度，并基于所确定的电流和/或经由相应通信链路接收到的信息来确定在该保护区域中是否存在故障。如果在该保护区域中不存在故障，则进入和离开该保护区域的电流应当相等。该保护区域内的每个保护继电器可以被配置为测量经过关联断路器的电流。经由通信链路，可以交换与电流有关的信息，并可以快速且高效地确定保护区域中的故障的存在。作为示例，可以针对每个保护区域提供包括可编程逻辑的继电器，该可编程逻辑从该保护区域中的其他继电器（如果存在这种其他继电器的话）接收信息并评估是否存在故障状况。在这种情况下，该继电器然后可以接着将触发信号发送至该区域内的其他保护继电器，以触发关联断路器。保护继电器可以借助电流变压器（CT）来执行电流测量。

在实施例中，至少与所述第一断路器和所述第二断路器耦合的保护继电器被配置为提供针对至少所述总线联络线和/或总线子段的定向保护。相应地，在差动保护失效或未触发的情况下，可以提供后备。通过定向保护，可以考虑电力系统的特定配置以及公共操作模式，并可以将跳闸限于清除故障所必需的断路器，即，高度选择性变成可能。相应地，不受故障影响的电力系统的其他组件可以保持操作。

对应继电器可以例如包括定向逻辑，该定向逻辑能够确定电流流动（例如，经过关联断路器）的方向。为此目的可以考虑断路器的每一侧处的电压，例如可以测量电压差以确定电流方向。

提供所述定向保护的保护继电器可以被配置为检测经过关联断路器的电流的方向，并根据电流方向、自身/其他断路器的断路器状态和/或能量流，使关联断路器跳闸。相应继电器可以被配置为在电流（经过关联断路器）的电流高于阈值的情况下跳闸，并且，使断路器跳闸的时间延迟可以取决于电流方向。相应保护继电器可以被配置为经由通信链路来交换与电流方向以及关联断路器的状态相关的信息。

与所述发电机断路器、所述第一断路器和所述第二断路器耦合的继电器可以例如被配置为在以下情况下使这些断路器跳闸：a）这些继电器的测量点处的电流方向指向总线子段；或者b）所述第一断路器或所述第二断路器打开，并且总线子段的相应另一端处的电流方向指向总线子段；或者c）所述第一断路器或所述第二断路器处的电流和电压低于预定阈值，即，相应断路器被去激励，并且总线子段的相应另一端处的电流方向指向总线子段。如上所述，由相应保护继电器检测到的电流需要高于用于跳闸的阈值。

作为示例，与第二断路器（例如，总线耦合器断路器）耦合的继电器可以是主继电器，并可以包括针对经由该第二断路器而连接的两个总线子段中的每一个的跳闸逻辑。根据由相应总线子段的其他继电器提供的信息，主继电器可以发出使一个或另一总线子段的断路器跳闸的跳闸命令。

与第二断路器耦合的保护继电器（主继电器）可以例如同与第一断路器（第一总线子段的总线联络线断路器）耦合的保护继电器和与第二总线子段的另一端处的总线联络线断路器耦合的对应保护继电器进行通信，其中，所述主继电器被配置为使得如果第一总线子段的定向跳闸逻辑检测到故障，则其发出使第二断路器、第一断路器和发电机断路器跳闸的信号。

在实施例中，与所述一个或多个馈线断路器耦合的保护继电器提供定向过流保护，其中，如果这种保护继电器检测到沿负载的方向的高于阈值的电流，则所述保护继电器将阻塞信号提供给与上行流断路器耦合的保护继电器，特别地，提供给与所述第一断路器、所述第二断路器和/或所述发电机断路器耦合的保护继电器，以阻止这些保护继电器使这些断路器跳闸，并且，在检测到故障之后在预定跳闸时间t3内使相应馈线断路器跳闸。因此，可以将断路器的跳闸保持至最低限度，并且电力系统可以保持利用最多组件而操作。这种阻塞信号可以例如由馈线断路器的保护继电器经由通信发送至上行流保护继电器。

作为示例，馈线断路器（CB）保护继电器可以将阻塞信号发送至总线耦合器断路器，总线耦合器断路器可以是用于防止整个总线子段跳闸的主断路器，或者，馈线断路器（CB）保护继电器可以将阻塞信号发送至与总线子段的上行流断路器耦合的继电器的技术（tech）。上行流意味着沿向着电流源（即，向着发电机或另一总线子段）的方向。特别地，这些可以是除馈线CB外的与总线子段耦合的CB。

上行流保护继电器可以被配置为：即使接收到阻塞信号，也在预定量的时间之后使其关联断路器跳闸，使得如果馈线CB不能够清除故障，则借助定向保护来使上行流断路器跳闸。当然，该延迟比馈线CB在其内跳闸的t3更长。

在一些实施例中，t3可以等于或小于200ms。在一些配置中，负载可以包括低电压（LV）配电系统。针对LV配电系统的与馈线断路器耦合的保护继电器可以被配置为在更长时间段（例如，其中，t3 < 500ms，例如300ms < t3 < 500ms）内使该CB跳闸。这样，下行流消耗器可以具有足够时间来跳闸并从而清除故障，使得其余LV配电系统可以保持连接至总线子段。因此，可以防止必需消耗装置的损失。

在实施例中，所述保护继电器被配置为：在使用所述差动保护检测到故障之后在第一跳闸时间t1内，使与其耦合的断路器跳闸；以及在使用所述差动保护检测到故障之后在第二跳闸时间t2内，使与其耦合的断路器跳闸，其中，所述第一跳闸时间t1小于所述第二跳闸时间t2。因此，可以提供定向保护，作为总线联络线、总线耦合器和总线子段的后备。例如，t1和t2可以位于约20ms至约200ms的范围内。时间t1可以比100ms短，并且时间t2可以比150ms短。

在实施例中，与所述一个或多个馈线断路器耦合的保护继电器可以提供过流保护，其中，如果相应保护继电器检测到馈线中的高于预定阈值的电流，则使所述馈线断路器跳闸。相应地，如果在负载处存在下行流故障，则可以在不使与总线子段耦合的其他组件跳闸的情况下快速且高效地清除该故障。

与所述一个或多个馈线断路器耦合的保护继电器可以提供定向过流保护。如果这种保护继电器检测到沿负载的方向的高于阈值的电流，则在检测到故障之后在预定跳闸时间t3内使相应馈线断路器跳闸，并且，如果保护继电器检测到沿反向方向（即，沿向着总线子段的方向）的高于另一阈值的电流，则在大于跳闸时间t3的预定跳闸时间t4内使相应馈线断路器跳闸。因此，在第二种情况下，系统允许在不使负载跳闸的情况下在另一位置处清除故障。作为示例，发电机中的故障可以导致负载馈线中的反向电流。馈线CB的延迟跳闸允许通过在不使负载跳闸的情况下使发电机跳闸来清除故障。相应地，可以经由另一总线子段从另一发电机给负载供给电力，并且因此，负载保持操作。这对具有推进器驱动器形式的负载来说特别有益，这是由于推进器可以继续操作，并且船只可以保持其位置。

时间t3可以比200ms更短，优选地，比150ms更短。在反向电流流动时用于跳闸的时间t4可以处于约150ms与约400ms之间，优选地，处于约250ms与350ms之间。

保护继电器可以被配置为在t1内使差动保护跳闸，在大于t1的t2中使针对总线子段的定向保护跳闸（其中，阻塞馈线CB保护继电器），在大于t1的t3中使针对负载（馈线CB）的过流保护跳闸，在大于t3的t4中使针对具有沿反向方向的电流的负载的过流保护跳闸，并在大于t1的时间（例如，与t4类似）内使针对总线联络线的定向保护跳闸。

在实施例中，所述故障保护系统还可以包括：断路器失效检测系统，被配置为检测在与断路器耦合的保护继电器由于故障而发出了跳闸命令后断路器是否失效从而无法使电连接断路，并在检测到这种失效的情况下，使一个或多个其他断路器跳闸，以清除故障。断路器失效检测系统的功能可以被称为“断路器失效保护”。因此，即使存在CB失效，也可以清除故障，并且，可以防止电力系统的完全断电。

所述断路器失效检测系统可以适于通过检测经过断路器的电流的流动或者通过检测断路器的状态，检测断路器的失效。断路器的状态意味着：例如通过检测打开或闭合电路的元件的位置，检测CB是打开还是闭合。可以通过通信从关联保护继电器获得针对断路器发出了跳闸命令的信息，或者，可以将断路器失效保护功能直接集成至与相应CB相关联的保护继电器中。

所述断路器失效检测系统可以例如适于在以下情形下清除故障：如果所述第一断路器失效，那么通过使所述总线联络线的另一端上的总线联络线断路器跳闸；如果总线耦合器断路器失效，那么通过使与所述总线耦合器相连接的总线子段中的每一个的另一端处的断路器跳闸；如果所述发电机断路器或负载断路器失效，那么通过使与相同总线子段相连接的所有其他断路器跳闸。可以将断路器失效检测的跳闸时间调整为比t1和t2更长，优选地，将其调整为比相应最大断路器操作时间加上例如CB的电流检测元件的回动（dropout）时间更长的时间。相应地，可以确保CB失效保护未被意外触发。

在实施例中，故障保护系统用于根据上述实施例中的任一个而配置的电力系统的每个总线子段。

本发明的另一实施例提供了一种动态定位的船只的电力系统。所述电力系统包括以上概述配置中的任一个中的故障保护系统。可以根据以上描述和以下进一步描述的实施例中的任一个来配置所述电力系统。这种电力系统提供了针对故障的增强完整性。特别地，单个故障不会导致电力系统的完全断电，并且，不受故障影响的组件将保持连接至电力系统。因此，甚至在高风险操作期间（例如，在DP2或DP3操作模式中），也可以在闭环配置中（即，利用闭合总线联络线断路器）来操作这种系统。

本发明的另一实施例提供了一种操作动态定位的船只的电力系统的故障保护系统的方法。根据上述配置中的任一个来配置所述故障保护系统。所述方法包括以下步骤：借助与相应保护区域中包括的断路器耦合的保护继电器，检测保护区域之一中故障的发生；以及使发生了故障的保护区域中的断路器跳闸。利用该方法，可以实现与以上关于故障保护系统进一步概述的优势类似的优势。

在实施例中，所述方法还包括以下步骤：如果在预定跳闸时间t1之后未清除故障，则使用在保护继电器中提供的定向逻辑来检测电连接之一中或总线子段中故障的存在；以及分别使与所述电连接或总线子段相连接的断路器跳闸。相应地，即使不应当通过区域差动保护来检测或清除故障，定向保护也用作后备并可以清除故障。

在其他实施例中，该方法可以包括其他步骤，例如：检测与总线子段耦合的馈线中的电流的幅度和方向；以及如果电流幅度高于阈值并且电流沿下行流方向，则在时间t3内使对应馈线CB跳闸。在这种情况下，该方法还可以包括以下步骤：阻止上行流CD的跳闸。

该方法还可以包括以下步骤：如果经过馈线CB的电流沿反向（上行流）方向，则在时间t4内使馈线CB跳闸，其中，t4大于t3。

该方法还可以包括：检测断路器的失效；以及在检测到这种失效时，如果失效的断路器是总线联络线或总线耦合器断路器，则使相邻总线联络线或总线耦合器断路器跳闸；以及如果失效的断路器是发电机或馈线断路器，则使与总线子段相连接的所有断路器跳闸。因此，即使CB失效，也可以高效地隔离故障。

可以在上述配置中的任一个中的故障保护系统或电力系统上执行该方法的实施例。此外，以上关于动态定位的船只的故障保护系统或电力系统进一步描述的任何方法步骤可以是该方法的实施例的一部分。

除有相反说明外，可以将以上提及和以下要说明的本发明的实施例的特征相互组合。

附图说明

从结合附图阅读的以下详细描述中，本发明的以上和其他特征和优势将变得更加显而易见。在附图中，相似参考标记指代相似元件。

图1是根据本发明的实施例的包括故障保护系统的动态定位的船只的电力系统的示意图。

图2是更详细地示出了图1的故障保护系统和电力系统的保护区域的示意图。

图3是示出了对图1的电力系统的段的关联断路器进行操作的保护继电器的示意图。

图4是示意了与本发明的实施例一起使用的保护继电器中可实现的定向保护的逻辑的流程图。

图5是示意了根据本发明的实施例的方法的流程图。

具体实施方式

以下将参照附图来详细描述本发明的实施例。应当理解，实施例的以下描述仅出于示意的目的而给出，而不应在限制意义上采用。

应当注意，附图应当仅被视为示意表示，并且附图中的元件不必关于彼此按比例绘制。更确切地，将各个元件的表示选择为使得其功能和总体目的变得对本领域技术人员来说显而易见。还应当理解，如附图所示和以下描述的物理或功能单元的耦合不必须是直接耦合连接，而是还可以是间接连接或耦合，即，与一个或多个附加介入元件（例如，保险丝、断路器、变压器等）的连接或耦合。本领域技术人员还将意识到，本文关于不同实施例示意和描述的物理或功能单元不必须被实现为物理上分离的单元。可以在公共的电路、芯片、电路元件或单元中实现一个或多个物理或功能块或单元，而可以在分离的电路、芯片、电路元件或单元中实现所示出的其他物理或功能块或单元。

图1示出了根据本发明的实施例的动态定位的船只的电力系统10。在图1的示例中，电力系统10被分割为三个电力系统段12，其中，不同电力系统段的发动机布置在动态定位的船只的不同发动机舱中。发动机舱由防火和水密墙14分离。

电力系统10包括电源20，电源20中的每一个包括发电机21以及与相同配电总线15耦合的负载30、51、52。负载包括推进器驱动器30，推进器驱动器30中的每一个包括：可变频率驱动器32，用于将所供给的AC电压的频率转换为要操作驱动器的频率；以及电动机31，旋转推进器的螺旋桨。此外，可例如包括钻探驱动器的其他负载通过电连接51连接至配电总线15。此外，供给更小负载的低电压配电系统经由电连接52连接至配电总线15。

每个电力系统段12包括配电总线15的段。总线段经由总线联络线17而连接。在图1的示例中，配电总线15包括由防火和水密墙14分离的三个段。在其他配置中，可以根据电力系统的分段来提供其他段（例如，四个或甚至更多个段）。总线段在环形配置中经由总线联络线17而连接。这在图1中由上总线联络线17示意，上总线联络线17将配电总线15的左手端连接至配电总线15的右手端。在总线联络线电缆的每一端处提供总线联络线断路器41（短总线联络线断路器）。因此，可能将配电总线15的总线段电分离。如果在电力系统10的一个段中发生故障，则该故障不能相应地传播至电力系统10的其他段。在传统系统中，总线联络线断路器41在高风险操作期间保持打开。

因此，立即变得清楚，在电力系统10的每个段12中，至少一个发电机21需要运行。因此，每个发电机将在相对较低的负载处运行，导致电源20的低效操作并因此导致燃料消耗增加。

在图1的实施例中，可借助总线耦合器断路器42将总线段进一步分离为总线子段16。因此，在图1的示例中，可以将电力系统10分离为6个电力系统子段11。如果在特定电力系统子段11中发生故障，则将该电力系统子段与其余电力系统10电隔离变成可能。相应地，在这种情况下仅丢失一个推进器驱动器30，而在传统系统中，当电力系统段12由于故障而变得不可操作时，丢失至少两个推进器驱动器30。

高风险操作（例如，在DP2或DP3类别操作模式中）需要电力系统10的特定高完整性和操作安全性，使得在所有情形下，防止船只的位置的丢失。这意味着：单个故障不应导致电力系统10的完全断电，由此，推进器驱动器将变得不可操作，并且船只将丢失其位置。为此目的，在传统系统中，电力系统段12完全电隔离，使得如果一个段中的电力系统失效，则其他段保持可操作，从而确保船只利用其余推进器来保持其位置。

与传统系统相比，根据本实施例的电力系统10被配置为在高风险操作期间保持总线联络线断路器41闭合。此外，总线耦合器断路器42闭合。电力系统10包括根据本发明的实施例的故障保护系统，借助该故障保护系统，确保实现高风险操作所需的电力系统10的高完整性和操作安全性。

本实施例的故障保护系统的目的是对故障的快速且高效隔离，以防止故障通过电力系统10传播以及影响其任何其他组件。以下将针对电力系统10的子段11给出描述。应当清楚，可以对应地针对其余电力系统子段配置故障保护系统。此外，图1的电力系统具有三个段，每个段可经由总线耦合器断路器42而分离为两个子段。在其他实施例中，电力系统10可以具有不同数目的段或者针对每段的不同数目的子段。此外，电力系统可以仅包括经由总线联络线17连接至环中的子段，即，在相同段内没有进一步分离的情况下（换言之，针对每段仅一个子段）。

在图1中，故障保护系统包括发电机保护区域61，发电机保护区域61包括发电机21和发电机断路器45。故障保护系统还包括总线联络线保护区域63，总线联络线保护区域63包括第一断路器41（总线联络线断路器），第一断路器41连接至总线子段16的第一端并进一步连接至总线联络线17。总线联络线17的另一端经由又一总线联络线断路器41连接至相邻电力系统段的总线子段16。该又一总线联络线断路器41和总线联络线17也包括在总线联络线保护区域63中。

故障保护系统还包括总线子段保护区域62，总线子段保护区域62包括总线子段16、第一断路器41、与总线子段16的另一第二端耦合的第二断路器42、发电机断路器45、以及与总线子段16耦合的一个或多个馈线断路器，在本示例中，该一个或多个馈线断路器是推进器驱动器断路器43和钻探驱动器断路器44。如果总线子段16经由总线耦合器耦合至相邻总线子段，则第二断路器42可以是总线耦合器断路器（如在本示例中），或者，如果总线子段16经由总线联络线耦合至相邻总线子段（例如，当在电力系统段内不存在细分时），第二断路器42可以是总线联络线断路器。

故障保护系统还可以包括总线耦合器保护区域64，总线耦合器保护区域64包括总线耦合器（图1中未显式地突出显示）和总线耦合器断路器42。

故障保护系统被配置为提供针对保护区域中的每一个的差动保护。差动保护可以被配置为使得将受保护的组件的两侧上的电流（即，进入或离开保护区域的电流）进行比较。该实现可以使用一个或多个保护继电器，该一个或多个保护继电器测量相应电连接中的电流，例如通过使用电流变压器（CT）。在最简单的配置中，电流继电器可以例如与位于该组件的任一侧上的两个CT的次级绕组（例如，在发电机绕组之前和之后）并联连接。如果受保护的组件的两侧上的电流相等，则经过次级绕组的电流也相等，并且相应地将不存在经过电流继电器的电流。可以使用CT绕组比来平衡掉期望电流中的差值，例如当变压器位于受保护的区域内时。

注意，在图1中，仅给类似组件中的一些提供参考标记，以维持更清楚和全面的呈现。然而，应当清楚，针对特定组件给出的描述也适用于相同类型的类似组件。

在图2中更详细地示出了图1的保护区域。故障保护系统可以例如包括可使断路器45跳闸的发电机保护区域61的一个保护继电器。保护继电器的CT可以测量三个发电机绕组的两侧上的电流，并且，如果检测到电流差，则继电器可以触发发电机CB 45。

类似地，针对总线联络线保护区域63的保护继电器可以测量总线联络线电缆17的两侧上的电流。如果检测到电流差（例如，由于对总线联络线电缆的机械损坏），则保护继电器可以使保护区域63中的断路器41中的一个或两个跳闸。此外，可以针对每个断路器提供分离的保护继电器。

在总线子段保护区域62中，进入和离开保护区域的所有电流由相应保护继电器监视。这些电流包括经过总线联络线17和总线耦合器的电流、由发电机21提供的电流以及经由馈线连接去往负载的电流。由于在这种保护区域的差动保护中可以涉及若干保护继电器，因此继电器被配置为彼此通信。可以经由串行通信来进行通信，特别地，可以使用IEC 61850通信来进行通信。一个继电器可以充当主继电器，并可以包括用于确定故障的发生的逻辑，即，其可以确定电流不平衡的发生。该继电器可以将跳闸信号发送至保护区域的其他继电器，以使关联断路器跳闸。

针对总线耦合器保护区域64的差动保护对应地操作。

因此，可以通过打开保护区域内的所有断路器，快速且高效地识别和清除在总线联络线17、总线子段16或总线耦合器处发生的故障，该故障本不会导致发电机处或负载处的传统过流保护的触发。电力系统10的其他区域保持连接和操作。

对于负载（例如推进器驱动器30、钻探驱动器51、低电压（LV）配电系统52等），提供了馈线断路器43、44。相应保护区域包括：推进器保护区域65，包括推进器变压器34、推进器驱动器30和推进器断路器43；钻探馈线保护区域66，包括相应钻探驱动器的馈线51以及钻探CB 44；对应的LV配电馈线保护区域（未示出），包括LV配电系统的馈线52以及配电变压器（参见图1）；以及辅助负载保护区域67，包括例如推进器设施、驱动发电机21的发动机的发动机设施等的馈线38、39。这些区域可以由推进器变压器34的第4绕组36（即，由第三次级绕组，如图所示）供电。这样，可以实现空间和重量节约，这是由于这些设施不需要附加变压器。此外，由于这些区域可以由相同电力系统子段11的发电机供电，因此电力系统子段11可以在隔离下操作。

前述保护区域65-67使用例如明确的时间相对于电流的曲线来提供短路和过流保护。关联的保护继电器将在检测到这种过流状况时触发相应断路器，由此，将负载与其余电力系统10断开。这种保护对负载来说足够，这是由于相应CB的下行流短路一般将导致由保护继电器检测到的经过CB的过度电流。

针对区域61-64的差动保护可以相对快速（例如，在小于100ms内）响应。此外，针对区域65-67的过流保护可以快速（例如，在140ms内）响应。对于一些负载，可以延迟CB的跳闸，以允许可能已导致故障的下行流负载跳闸。这种延迟可以用于LV保护系统。由于其经由变压器耦合至相应总线子段，因此LV配电系统下行流的短路直接影响变压器次级绕组，但是针对配电总线上的电压稳定性不那么严重，而是作为变压器的初级侧上的故障。同样适用于辅助负载保护区域67，仅直接影响次级绕组36的故障。在这两种情况下，多个更小的负载被下行流连接，使得通过使相应断路器跳闸，必需的负载可以变得不可操作（比如，发电机或推进器润滑油泵等）。通过将故障保护系统配置为以一定延迟使这些CB跳闸（例如，在500ms或450ms内跳闸），发生了故障的组件可以具有足够时间来跳闸，从而在不必断开整个LV配电系统或相应设施配电盘的情况下清除故障。

作为后备，例如，如果主差动保护失效或者未使CB跳闸，则故障保护系统可以包括定向保护。可以针对总线子线段以及针对总线联络线和总线耦合器的总线子段（特别地，相应汇流条）提供定向保护。

出于定向保护的目的，相应保护继电器可以包括定向逻辑，定向逻辑确定故障状况的存在，并作为响应，发出针对关联断路器的跳闸命令。为此目的，保护继电器可以测量电流的方向和幅度，例如通过测量关联断路器的两侧处的电压。

继电器可以操作于主-从配置中，其中，主继电器从其他节电器接收信息，并在确定故障状况之后向其他继电器发出跳闸命令。可经由继电器之间的通信（例如，IEC 61850通信）发送的信息包括电流方向、关联断路器的状态和能量流，即，关联CB是否被激励。

在图3和4中示出了故障保护系统中的定向保护的可能实现的示例。图3出于全面呈现的目的仅示出了图1的电力系统10的所选元件。与总线耦合器CB 42相关联的保护继电器71作为主继电器进行操作。其与两个总线子段16的任一端上的总线联络线定向保护继电器72进行通信。参考标记82表示相邻电力系统段中的类似总线联络线定向保护继电器。对于每个定向保护继电器71、72、82，示出了参考电流方向（参见箭头，正向或反向）。除了能够检测电流方向外，保护继电器还被配置为检测其所连接至的断路器的状态。根据特定电力系统设置和操作模式的所定义的电流定向性，利用保护功能参数来对每个继电器进行参数化。主继电器71包括针对左和右总线段的定向保护跳闸逻辑。该逻辑被配置为在相应总线子段中发生故障时使总线联络线CB 41、总线耦合器CB 42和发电机CB 45跳闸，并且其可以被配置为使与发生了故障的总线子段直接连接的所有CB跳闸。

主继电器71发出跳闸指令的条件可以包括：来自测量点（即，具有CT的继电器）的所有水平方向箭头指向总线子段（指向汇流条）；或者在总线子段的一侧处，CB打开，但总线子段的另一侧处的电流方向（箭头）指向总线子段；或者如果在总线子段的一侧处，CB被去激励（例如，电流I<额定值的10%并且电压V<额定值的20% ），但总线子段的另一侧处的电流方向（箭头）指向总线子段。在这些情况下，可以假定总线子段处的故障（针对馈线下行流的故障，进一步参见下文）。

在图4中针对图3的左侧总线子段16示意了相应逻辑。该图的上部中的确定由（从）保护继电器72进行，并被传送至主保护继电器71，主保护继电器71进行该图的下部中的测量并实现判定逻辑。

在继电器72处，如果三个相位沿反向方向（即，指向总线子段16），则确定并报告这三个相位的电流方向。如果CB 41打开或被去激励（I<界限且V<界限），则也对其进行报告。在继电器71处，确定CB 42处的电流是否沿正向方向（即，指向总线子段）、CB 42的状态、以及CB是否被激励。

如从图4的流程图中可见，在保护继电器的逻辑中反映了发出跳闸信号的以上概述的条件。例如，如果继电器72将所确定的条件之一（反向电流或者CB打开或被去激励）报告给继电器71，并且继电器71测量沿正向方向的电流，则发出跳闸信号。继电器71发出导致CB 41、42和45打开的跳闸信号。在图3中还利用虚线箭头（针对这两个总线子段16）来示意跳闸信号。

在图3的保护继电器71和右侧保护继电器72中针对右侧总线子段16实现类似逻辑，尽管继电器71的逻辑的第一条件现在将是沿反向（非正向）方向的电流。保护继电器71、72可以例如是Siemens 7SJ64继电器，其中，继电器71充当主继电器并具有针对这两个相邻总线子段的定向保护逻辑。

保护继电器73和83可以例如实现针对总线联络线17的差动保护。继电器73、83可以例如是Siemens 7SD80继电器，并可以提供线路差动保护相位（87L）、3I0线路差动保护（87 N L）和接地故障差动保护（87Ns L）。如所能看见的，在继电器73和83之间提供了通信链路，并且继电器73和83分别耦合至处于总线联络线17的左手侧和右手侧上的关联CB 41，并可以使这些CB跳闸。

本文中，用于操作总线联络线CB和总线耦合器CB的保护逻辑也被称为水平保护逻辑。此外，可以在故障保护系统中针对电力系统的其他组件（例如，总线联络线和总线耦合器）提供定向保护。其可以如上所述地实现。

可以给与馈线断路器（例如，CB 43、44、45）相关联的保护继电器提供定向逻辑。特别地，根据经过关联CB的电流的方向，这些保护继电器可以具有不同跳闸行为。如果经过馈线（或馈线CB）的电流沿下行流方向（即，向着负载），则继电器可以在电流高于阈值的情况下使CB在第一较短时间t3内跳闸。在这种情况下，继电器可以假定导致过流的故障处于馈线侧上的下行流，使得使CB跳闸应当尽可能快地发生。以上进一步针对例如LV配电馈线描述了可能的例外。

同时，保护继电器被配置为将阻塞信号发送至与相应总线子段上的上行流CB耦合的保护继电器，特别地，发送至总线联络线CB 41、总线耦合器CB 42和发电机CB 45的保护继电器。尽管由于在总线子段上不存在故障，因此不会触发针对总线子段的差动保护，但是定向保护可能触发（例如，由于总线子段的任一侧上的电流方向指向总线子段）。阻塞信号防止了这些CB被其关联保护继电器跳闸，这是由于可以通过使馈线CB跳闸来隔离和清除故障。相应地，总线子段和与其耦合的另外组件可以保持操作。

另一方面，如果馈线CB的保护继电器检测到沿反向上行流方向（即，沿向着总线子段16的方向）的超过所定义的阈值的电流，则其在较长时间t4内使馈线CB跳闸，其中，t4>t3。该措施的目的在于：其他保护功能获得清除故障的机会（例如，发电机保护）。当故障被清除并且电流在t4到期之前返回至正常幅度时，馈线CB不会跳闸，并且所连接的负载保持操作。这可以例如防止推进器驱动器的丢失，并且相应地，动态定位的船只的操作安全性提高。在这种情况下，保护继电器不向其他继电器发送阻塞信号，这是由于故障位于上行流并需要由上行流CB（或者由另一馈线CB）清除。

时间t3可以例如位于约50ms至约200ms的范围内。时间t3可以位于约200ms至约400ms的范围内。应当清楚，可以根据电力系统10和故障保护系统的特定配置来选择这些值。注意，还可以针对故障保护系统的其他CB（例如，针对可在高于阈值的电流沿向着总线联络线的方向流动的情况下在t3中跳闸的总线联络线CB）包括这种定向保护功能，从而提供针对总线联络线的定向保护。

故障保护系统还可以包括断路器失效检测系统。该系统可以借助关联保护继电器、针对CB而实现。保护继电器可以监视其所耦合至的断路器是否实际上在发出针对该CB的跳闸命令时使电连接断路。可以通过检验电流是否仍在发生了故障的电路内流动（例如，通过检验电流是否在断路器上流动）来确定断路器失效。还可能使用断路器位置指示来确定断路器是否打开。

如果检测到断路器失效，则保护继电器经由相应通信链路来向相邻CB的保护继电器发出跳闸命令。作为示例，如果检测到馈线CB或发电机CB的失效，则关联保护继电器可以将跳闸命令发送至与相应总线子段直接连接的所有断路器的保护继电器，使得总线子段中的所有CB打开。因此，可以防止故障的传播。作为另一示例，如果检测到总线联络线或总线耦合器CB的失效，则关联保护继电器可以向失效CB的左侧和右侧的下一个CB的保护继电器发送跳闸命令。在图1的示例中，如果总线耦合器CB 42失效，则可以发送针对相邻总线子段的总线联络线CB的跳闸信号。如果总线联络线CB 41失效，则可以发送针对总线联络线的另一端上的又一总线联络线CB的跳闸信号和针对相邻总线耦合器CB的跳闸信号。

可以将失效保护的跳闸延迟例如时间t5。时间t5可以是失效CB的最大CB操作时间、电流流动监视元件的回动时间以及考虑到这些时间中的容限的安全余量之和。因此，可以防止断路器失效保护的过早跳闸。

作为另一后备，可以在故障保护系统中提供传统短路和过流保护（例如，使用明确的时间相对于电流的曲线）。可以例如针对总线联络线CB 41、总线耦合器CB 42和发电机CB 45实现该后备保护。还可以针对总线子段实现该后备保护，即，如果总线子段上的电流在预定时间内超过阈值，则总线子段中的CB可以打开。

下表1针对形相应的组件总结了具有主要保护功能和后备保护功能的故障保护系统的可能配置。

为了确保主保护功能首先跳闸并且系统维持增强的操作性（即，防止组件的不必要跳闸），表2示出了可以将跳闸时间（或延迟）用于使相应保护功能跳闸：

关于表2的被标记为（1）的行，这表示以上提到的例外，其中，借助延迟的跳闸时间来实现下行流消耗器的跳闸，以防止整个LV配电系统的跳闸。对被标记为（2）的行来说，这是类似的，对于其，可以选择更长的延迟，以实现下行流设施/辅助装置的跳闸。可以根据这些负载之一中的故障将对电力系统10的稳定性所具有的影响来选择这些选项，即，如果将损害稳定性，则应当选择较短的跳闸时间或延迟。

图5是给出了根据本发明的实施例的操作故障保护系统的方法的示意和简要概述的流程图。可以在图1-4的上文描述的电力系统和故障保护系统上执行该方法。注意，上文描述的步骤可以是该方法的一部分，尽管在图5中未显式示出这些步骤。

在步骤101中，在DP3操作模式中操作电力系统10，其中，总线联络线断路器闭合。因此，针对这三个电力系统段12运行两个发电机是足够的，并且，由于可以在更高效的体制中操作发电机，因此可以减少燃料消耗和CO2排放。

在步骤102中，故障发生。差动保护可以被配置为最快地反应（参见表2），因此，在步骤103中，检验差动保护是否拾取故障。在肯定的情况下，使相应保护区域中的CB跳闸（步骤104）。如果否，则定向保护（步骤105）或者馈线的过流保护（步骤106）可以找到故障。如果馈线CB的保护继电器检测到故障（即，通过检测超过所定义的阈值的电流），则定向逻辑检验故障是否处于馈线的下行流（步骤107）。在肯定的情况下，使馈线CB跳闸（例如，在时间t3中）。此外，将阻塞信号发送至上行流CB的保护继电器（步骤109）。

如果步骤107中的判定是否定的（即，如果检测到经过馈线CB的反向电流），则不立即使馈线CB跳闸，而是延迟跳闸以允许另一保护功能的跳闸，例如，步骤110中的定向保护。如果定向逻辑检测到故障（步骤105），则相应保护继电器（例如，主继电器）发出根据逻辑使适当CB跳闸的跳闸命令（步骤110）。如果从馈线保护继电器接收到阻塞信号，则不发出跳闸命令。因此，将在步骤108中或在步骤110中清除故障。

如果在发出相应跳闸命令之后故障仍存在（步骤111），则将在步骤112中以特定延迟执行断路器失效保护，参见表2。如上所述，断路器失效保护确定CB是否失效，并向失效CB左侧和右侧的CB或者向相同总线子段内的所有CB发出跳闸命令（步骤113），也参见以上描述。

在清除了故障之后，操作在其余CB闭合的情况下继续（步骤114）。使用这种过程，不受故障影响的大多数组件可以保持连接至电力系统10并保持操作。如果运行的发电机由于故障而与电力系统断开，则可以在步骤115中启动附加发电机（即，启动其关联的原动力，例如燃气涡轮或柴油机）。

应当清楚，该方法可以包括其他步骤，例如，以上以及在表1中提及的后备过流保护等。

尽管本文公开了具体实施例，但是在不脱离本发明的范围的前提下，可以进行各种改变和修改。在所有方面，目前的实施例应当被视为示意性的而非限制性的，并且其中意在涵盖落入所附权利要求的含义和等效范围内的所有改变。

Claims (15)

1. 一种动态定位的船只的电力系统（10）的故障保护系统，其中，所述电力系统（10）包括：配电总线（15），包括三个或更多个总线子段（16）；电连接，包括在环形配置中连接总线子段（16）的总线联络线（17）；以及断路器（41），连接在总线子段之间，以使所述电连接断路，其中，对于所述总线子段（16）中的至少一个，所述故障保护系统包括：

- 发电机断路器（45），用于将发电机（21）耦合至总线子段（16）；

- 一个或多个馈线断路器（43、44、45），用于将一个或多个负载（30）耦合至总线子段（16）；

- 第一断路器（41），经由所述第一断路器（41），总线子段（16）的第一端连接至总线联络线（17），所述总线联络线向所述环形配置中的另一总线子段提供电连接，所述第一断路器（41）是总线联络线断路器；

- 第二断路器（42），用于将总线子段（16）的第二端耦合至所述环形配置中的又一总线子段；

- 保护继电器（71、72、73、83），耦合至断路器（41、42、43、44、45）以操作断路器；

- 所述保护继电器（71、72、73、83）之间的通信链路，所述保护继电器被配置为经由所述通信链路来交换信息，

其中，所述保护继电器（71、72、73、83）被配置为提供至少：

- 发电机保护区域（61），包括所述发电机断路器（45）和发电机（21），与所述发电机断路器耦合的保护继电器被配置为提供针对所述发电机的差动保护；

- 总线联络线保护区域（63），包括所述总线联络线断路器（41）、所述总线联络线（17）和又一总线联络线断路器（41），经由所述又一总线联络线断路器，所述总线联络线耦合至所述另一总线子段，其中，与所述总线联络线断路器（41）耦合的保护继电器（73、83）被配置为提供针对所述总线联络线（17）的差动保护；以及

- 总线子段保护区域（62），包括总线子段（16）和与总线子段耦合的断路器，与这些断路器耦合的保护继电器被配置为提供针对总线子段（16）的差动保护。

2. 根据权利要求1所述的故障保护系统，其中，总线子段（16）的第二端处的电连接由总线耦合器提供，所述第二断路器是总线耦合器断路器（42），其中，所述保护继电器还被配置为提供：

- 总线耦合器保护区域（64），包括所述总线耦合器和所述总线耦合器断路器（42），其中，与所述总线耦合器断路器耦合的保护继电器被配置为提供针对所述总线耦合器的差动保护。

3. 根据权利要求1或2所述的故障保护系统，其中，为了提供所述差动保护，与相应保护区域（61、62、63、64）中的断路器耦合的保护继电器被配置为确定进入和离开保护区域的电流，并基于所确定的电流和/或经由相应通信链路接收到的信息来确定在保护区域中是否存在故障。

4. 根据前述权利要求中任一项所述的故障保护系统，其中，至少与所述第一断路器（41）和所述第二断路器（42）耦合的保护继电器（71、72）被配置为提供针对至少所述总线联络线（17）和/或总线子段（16）的定向保护。

5. 根据权利要求4所述的故障保护系统，其中，与所述发电机断路器（45）、所述第一断路器（41）和所述第二断路器（42）耦合的保护继电器被配置为在以下情况下使这些断路器跳闸：

- 这些继电器的测量点处的电流方向指向总线子段（16）；或者

- 所述第一断路器或所述第二断路器打开，并且总线子段的相应另一端处的电流方向指向总线子段（16）；或者

- 所述第一断路器或所述第二断路器处的电流和电压低于预定阈值，并且总线子段的相应另一端处的电流方向指向总线子段（16）。

6. 根据权利要求4至5中任一项所述的故障保护系统，其中，与所述一个或多个馈线断路器（42、44、45）耦合的保护继电器提供定向过流保护，其中，如果保护继电器检测到沿负载的方向的高于阈值的电流，则将阻塞信号提供给与上行流断路器（41、42、45）耦合的保护继电器，以阻止这些保护继电器使这些断路器跳闸，并且，在检测到故障之后在预定跳闸时间t3内使相应馈线断路器跳闸。

7. 根据权利要求4至6中任一项所述的故障保护系统，其中，所述保护继电器被配置为：在使用所述差动保护检测到故障之后在第一跳闸时间t1内，使与其耦合的断路器跳闸；以及在使用所述差动保护检测到故障之后在第二跳闸时间t2内，使与其耦合的断路器跳闸，其中，所述第一跳闸时间t1小于所述第二跳闸时间t2。

8. 根据前述权利要求中任一项所述的故障保护系统，其中，与所述一个或多个馈线断路器耦合的保护继电器提供过流保护，其中，如果相应保护继电器检测到馈线中的高于预定阈值的电流，则使所述馈线断路器跳闸。

9. 根据权利要求8所述的故障保护系统，其中，与所述一个或多个馈线断路器耦合的保护继电器提供定向过流保护，其中，如果保护继电器检测到沿负载的方向的高于阈值的电流，则在检测到故障之后在预定跳闸时间t3内使相应馈线断路器跳闸，并且其中，如果保护继电器检测到沿反向方向的高于另一阈值的电流，则在大于跳闸时间t3的预定跳闸时间t4内使相应馈线断路器跳闸。

10. 根据前述权利要求中任一项所述的故障保护系统，还包括：断路器失效检测系统，被配置为检测在与断路器耦合的继电器由于故障而发出了跳闸命令后断路器是否失效从而无法使电连接断路，并在检测到这种失效的情况下，使一个或多个其他断路器跳闸，以清除故障。

11. 根据权利要求10所述的故障保护系统，其中，所述断路器失效检测系统适于通过检测经过断路器的电流的流动或者通过检测断路器的状态，检测断路器的失效。

12. 根据权利要求10或11所述的故障保护系统，其中，所述断路器失效检测系统适于在以下情形下清除故障：

- 如果所述第一断路器失效，那么通过使所述总线联络线的另一端上的总线联络线断路器跳闸；

- 如果总线耦合器断路器失效，那么通过使与所述总线耦合器相连接的总线子段中的每一个的另一端处的断路器跳闸；

- 如果所述发电机断路器或负载断路器失效，那么通过使与相同总线子段相连接的所有其他断路器跳闸。

13. 一种动态定位的船只的电力系统，包括根据前述权利要求中任一项所述的故障保护系统。

14. 一种操作动态定位的船只的电力系统的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至12之一来配置的，所述方法包括以下步骤：

- 借助与相应保护区域中包括的断路器耦合的保护继电器，检测所述保护区域之一中故障的发生；

- 使发生了故障的保护区域中的断路器跳闸。

15. 根据权利要求14所述的方法，还包括以下步骤：

- 如果在预定跳闸时间t1之后未清除故障，则使用在保护继电器中提供的定向逻辑来检测电连接之一中或总线子段中故障的存在；以及

- 分别使与所述电连接或总线子段相连接的断路器跳闸。

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