CN106199145B - 基于电流变化率的船舶交流系统短路电流方向判断方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种基于电流变化率的船舶交流系统短路电流方向判断方法，船舶交流电力系统中的断路器的继电保护装置检测断路器的三相电流的瞬时值以及线电压瞬时值，以计算短路初始时刻三相电流的电流变化率的绝对值，通过与短路故障判断阈值进行比较，判断是否出现短路故障，若检测到了短路故障，根据采样电压的历史数据，计算短路初始时刻断路器A、B、C三相相电压的相角，并根据该相角查表获得断路器流过正方向短路电流时，对应各相短路电流故障分量变化率的正负，与短路变化率实测值进行比较，以判断出短路电流方向。本发明方法可在短路初瞬时刻快速、准确地判断短路电流方向，无需检测残压，无比较多个电流互感器测量结果，步骤简便、易于实现，所需增加的装置较少，从而为实现多电源交流系统保护选择性实现创造了条件。

Description

基于电流变化率的船舶交流系统短路电流方向判断方法

技术领域

本发明涉及船舶电力系统继电保护技术领域，具体涉及一种基于电流变化率的船舶交流系统短路电流方向判断方法，适用于船舶交流电力系统保护系统的选择性和快速性保护的实现。

背景技术

船舶电力系统为实现保护的选择性，一般基于电流原则和时间原则，对各级断路器的短路保护动作电流值和短路动作延时时间进行整定。但随着舰船电力系统向大型化发展，舰船电力供配网络结构呈现网状化且存在多个电源，当不同短路点发生短路故障时，供电线路上的短路电流馈送方向也将发生变化，使按照固定短路电流馈送方向进行整定的起动电流和延时时间，与实际短路电流馈送方向相冲突，导致保护装置误动作，严重影响保护选择性的实现。这就要求采取有效方法快速判断交流系统短路电流馈送方向，进而实现多电源系统的保护选择性。

为解决多电源系统的短路电流馈送方向的判断问题，出现了基于功率方向继电器、差动互感器、故障行波检测等的短路电流方向判断方法。功率方向继电器利用短路故障后的残余电压与短路电流进行相位比较以实现短路电流方向判断，但若短路点距保护装置很近时，残余电压将降为零，功率方向继电器将失去判别相位的依据，出现短路方向判断的“死区”。而应用行波保护方法时，由于线路距离短，正反向行波脉冲到达检测点的时间差极小，因而对故障信号的检测、分析和处理速度的要求极为苛刻，同时还无法避免因测量和计时误差而导致的故障测距不准。就现阶段的技术水平，尚无将行波保护应用于船舶电力系统的可行性。差动互感器通过保护线路两侧故障电流比较，可以准确判断短路故障的方向，但传统电磁式差动保护方法需要在每一段被保护线路的两侧安装电流互感器，并通过导引线将电流互感器连接成差动回路，这无疑增加了整个保护系统的复杂性。

为此，需要一种适用于船舶电力系统特点的短路故障方向快速判断方法，在有效实现保护的选择性的同时兼顾和提高保护的快速性，从而保证船舶配电网络安全运行。

发明内容

本发明的目的是为了解决传统继电保护方法无法判断多电源交流系统短路电流方向的问题，提供一种基于电流变化率的船舶交流系统短路电流方向判断方法，从而为多电源船舶交流系统的选择性保护的实现提供技术支撑。

为实现上述目的，本发明设计的基于电流变化率的船舶交流系统短路电流方向判断方法，其特征在于，包含以下步骤：

第(一)步，船舶交流电力系统中的断路器的继电保护装置通过电流传感器采集流过对应断路器的三相电流的瞬时值i_a、i_b、i_c以及线电压瞬时值u_ab、u_bc、u_ca，并存储采样数据；

第(二)步，各级断路器的继电保护装置利用采集到的各断路器三相电流实时数据，计算短路初始时刻三相电流的电流变化率；

第(三)步，将计算得到的三相电流变化率的绝对值分别与短路故障电流变化率阈值进行比较，并将三相电流绝对值与短路故障电流阈值进行比较，若任意一相电流绝对值在整定的阈值范围内，且任意一相电流变化率在整定的阈值范围内，则判断出现了短路故障，反之，则说明未发生短路故障；

第(四)步，断路器的继电保护装置若检测到了短路故障，根据历史数据采样的电流数据，对检测的初始短路电流变化率进行修正，消除短路故障前正常电流变化率影响；

第(五)步，根据采样电压的历史数据，计算短路初始时刻断路器A、B、C三相相电压的相角θ_a0、θ_b0、θ_c0。

第(六)步，由θ_a0、θ_b0、θ_c0，查表获得断路器流过正方向短路电流时，对应各相短路电流故障分量变化率的正负，与短路变化率实测值的修正结果进行比较，若相同则为正方向短路，若相反则为反方向短路，从而判断出短路电流方向。

优选地，所述步骤(一)中，断路器的继电保护装置包括：

A/D转换器，用于将电流和电压互感器采集到的电流模拟信号转换为数字信号，所述A/D转换器内部嵌置滤波器，以滤除高次谐波干扰，所述A/D转换器输入端外置滤波器；

CPU，为断路器继电保护装置软件系统的运算载体，完成故障诊断、通信协调、状态监控、综合决策；

通信模块，实现与相邻断路器继电保护装置的通信功能；

监控模块，负责监测断路器工作状态，并将CPU输出的控制信号放大，驱动断路器的脱扣器动作，使断路器跳闸。

进一步地，所述步骤(二)中，计算短路初始时刻三相电流的电流变化率的方法是：

继电保护装置循环检测电流，设定每一个检测周期采样点的数量为n，则各相电流变化率基于最小二乘法方式计算得到，以A相电流为例，电流变化率按以下方式计算：

式(1)中i_a,k为当前周期内A相电流第i次电流采样值，Δt为采样间隔时间。

更进一步地，所述步骤(三)中，当三相电流绝对值满足：

|i_a|>I_min，或|i_b|>I_min，或|i_c|>I_min (2)

且三相电流变化率绝对值满足：

或或

式(2)、(3)中的阈值I_min、D_min和D_max根据系统的参数和断路器安装位置整定，认为断路器流过了短路电流，系统出现了短路故障。

更进一步地，所述步骤(四)中，对检测的初始短路电流变化率进行修正，修正公式如下，

D′＝D₀₊-D_0- (4)

式中：D₀₊为短路初始时刻检测到的短路电流变化率，D_0-为短路故障前一检测周期测量到的正常电流变化率，D′为电流变化率的修正值。

还进一步地，所述步骤(五)中，查询采样电压的历史数据，获得短路故障前一时刻线电压瞬时值u_ab，并判断电压变化率正负，由下式计算短路初始时刻端电压A相相角θ_a0，

式中：U_e为线电压有效值，则B相和C相对应获得：

再进一步地，所述步骤(六)中，判断出短路电流方向的方法是，设定发电机故障前在稳态三相对称方式下运行，则发电机三相电压表示为：

式中：U为相电压有效值，γ为转子直轴顺时针方向领先A相轴线的电角度，δ为励磁电动势E领先于端电压U的相角，及发电机的功率角；

由三相对称短路电流计算公式，设定短路起始时刻ωt＝0，A相短路电流不含故障前的正常负载电流的表达式为，：

设定γ＝ωt+γ₀，γ₀为短路合闸角，根据线路参数的影响，得出：

上式中：

T″_Q≈T″_D，r为发电机定子绕组内阻，r_c和x_c分别为发电机出口端至短路点的线路电阻与电抗，x″_d、x′_d，x_d分别为发电机直轴超瞬变电抗、直轴瞬变电抗和直轴同步电抗，x″_q、x_q为交轴超瞬变电抗和交轴同步电抗，T″_d、T′_d、T_a为不考虑线路阻抗时的短路电流超瞬变、瞬变和非周期分量衰减的时间常数；

对上式的i_a进行微分运算，求短路初始时刻的电流变化得

由式(8)知，短路电流变化率初值大小与发电机暂态参数、短路合闸角γ₀、发电机的功率角δ，线路阻抗r_c、x_c等参数有关，设定θ_a0为短路初始时刻的端电压相角，以A相电压为参考，则有θ_a0＝γ₀-δ，短路点不同导致的外部线路阻抗变化，以及负载回馈的短路电流影响因素，短路电流方向判据存在较大的不灵敏区，在不灵敏区，对应的A相初始短路电流变化率接近于0，不进行短路电流变化率的正负判断，但因A、B、C三相短路电流变化率特性在相位上互差120°，若A相短路电流变化率接近于0，则B、C相的短路电流变化率必不为0，以A相电压为参考系，B、C相短路电流变化率正负判断区域，当短路初始相角θ₀处于A相初始短路电流变化率的不灵敏区，则不会落在B、C相短路电流变化率正负判断的不灵敏区内，通过将B相或C相短路电流变化率检测值的正负与推算值进行比较，确定短路电流的方向。

本发明采用上述技术方案进行船舶交流系统短路电流方向判断，具有以下优点是：

(1)本发明通过检测和计算电流变化率和电压初始相位角，并由此对照正方向短路电流判据判断短路故障，能够在短路电流未达到峰值的初始时刻时，快速准确地判断出短路电流方向，为实现多电源交流系统保护选择性实现创造了条件。

(2)本发明中，利用的是短路初始时刻的单个保护装置的短路电流变化率和电压相位角，无需检测残压，无比较多个电流互感器测量结果，信号检测易于实现。

(3)本发明方法，运算量少、步骤简便、易于实现，所需增加的装置较少，且能有效地、快速地判断交流系统短路电流方向。

附图说明

图1是断路器继电保护装置的硬件结构图；

图2a、2b、2c是三相初始短路电流变化率随短路合闸角变化的正负极性区域；

图3是典型船舶电力系统供电网络单线图；

图4是典型船舶电力系统供电网络仿真模型图；

图5a、5b、5c是F1点短路仿真中断路器Q7的A、B、C三相短路电流波形图；

图6是F1点短路仿真中系统线电压U_AB波形图；

图7a、7b、7c是F2点短路仿真中断路器Q7的A、B、C三相短路电流波形图；

图8是F2点短路仿真中系统线电压U_AB波形图。

具体实施方式

以下结合附图和具体实施例对本发明作进一步的详细描述：

基于电流变化率的船舶交流系统短路电流方向判断方法，包括以下步骤：

第一步：船舶交流电力系统中的断路器的继电保护装置通过电流传感器采集流过对应断路器的三相电流的瞬时值i_a、i_b、i_c以及线电压瞬时值u_ab、u_bc、u_ca，并存储采样数据。

断路器继电保护装置的硬件结构如图1所示，其中，A/D转换器负责将电流和电压互感器采集到的电流模拟信号转换为数字信号。为测量瞬态交流信号，且满足在计算电流变化率时对转换精度要求，应选择高精度、双极性、高采样率的A/D转换芯片，内部嵌置滤波器，以滤除高次谐波干扰。必要时可在A/D转换器输入端外置滤波器，以提高滤波效果，保证测量的精度和准确性。CPU为断路器继电保护装置软件系统的运算载体，完成故障诊断、通信协调、状态监控、综合决策等功能。为满足计算整定、故障判定和综合决策的快速性要求，应选择处理速度快、功能强大的单片机系统。通信模块实现与相邻断路器继电保护装置的通信功能。监控模块负责监测断路器工作状态，并将CPU输出的控制信号放大，驱动断路器的脱扣器动作，使断路器跳闸。

第二步：各级断路器的继电保护装置利用采集到的各断路器三相电流实时数据，计算短路初始时刻三相电流的电流变化率。

保护装置循环检测电流，设每一个检测周期采样点的数量为n，则各相电流变化率可基于最小二乘法方式计算得到，以A相电流为例，电流变化率可按以下方式计算：

式(1)中i_a,k为当前周期内A相电流第i次电流采样值，Δt为采样间隔时间。

第三步：将计算得到的三相电流变化率的绝对值分别与短路故障电流变化率阈值进行比较，并将三相电流绝对值与短路故障电流阈值进行比较，若任意一相电流绝对值在整定的阈值范围内，且任意一相电流变化率在整定的阈值范围内，则判断出现了短路故障，反之，则说明未发生短路故障。

当三相电流绝对值满足：

|i_a|>I_min，或|i_b|>I_min，或|i_c|>I_min (2)

且三相电流变化率绝对值满足：

或或则可认为断路器流过了短路电流，系统出现了短路故障。式(2)、(3)中的阈值I_min、D_min和D_max根据系统的参数和断路器安装位置整定。

第四步，断路器的继电保护装置若检测到了短路故障，根据历史数据采样的电流数据，对检测的初始短路电流变化率进行修正，消除短路故障前正常电流变化率影响。修正公式如下，

D′＝D₀₊-D_0- (4)

式中：D₀₊为短路初始时刻检测到的短路电流变化率，D_0-为短路故障前一检测周期测量到的正常电流变化率，D′为电流变化率的修正值。

第五步，根据采样电压的历史数据，计算短路初始时刻断路器A、B、C三相相电压的相角θ_a0、θ_b0、θ_c0

查询采样电压的历史数据，获得短路故障前一时刻线电压瞬时值u_ab，并判断电压变化率正负，由下式计算短路初始时刻端电压A相相角θ_a0。

式中：U_e为线电压有效值，则B相和C相可对应获得：

第六步，由θ_a0、θ_b0、θ_c0，查表获得断路器流过正方向短路电流时，对应各相短路电流故障分量变化率的正负，与短路变化率实测值的修正结果进行比较，若相同则为正方向短路，若相反则为反方向短路，从而判断出短路电流方向。

假定发电机故障前在稳态三相对称方式下运行，则发电机三相电压可表示为：

式中：U为相电压有效值，γ为转子直轴顺时针方向领先A相轴线的电角度，δ为励磁电动势E领先于端电压U的相角，即发电机的功率内角。

由三相对称短路电流经典计算公式，设短路起始时刻ωt＝0，A相短路电流表达式为(注：不含故障前的正常负载电流)：

上式中：x″_d、x′_d，x_d分别为发电机直轴超瞬变电抗、直轴瞬变电抗和直轴同步电抗，x″_q、x_q为交轴超瞬变电抗和交轴同步电抗，T″_d、T′_d、T_a为不考虑线路阻抗时的短路电流超瞬变、瞬变和非周期分量衰减的时间常数。

令γ＝ωt+γ₀(γ₀为短路合闸角)，并考虑线路参数的影响，可得

其中：

上式中：I″_gd、I′_gd、I_gd分别为发电机直轴超瞬态短路电流初始有效值、瞬态短路电流初始有效值和稳态短路电流有效值，I″_gq、I_gq分别为发电机交轴超瞬态短路电流初始有效值和稳态短路电流有效值，r_c和x_c分别为发电机出口端至短路点的线路电阻与电抗，T″_D、T′_D、T_A为考虑线路阻抗影响时的短路电流超瞬变、瞬变和非周期分量衰减的时间常数。

对上式的i_a进行微分运算，并求短路初始时刻的电流变化可得

由式(8)可知，短路电流变化率初值大小与发电机暂态参数、短路合闸角γ₀、发电机的功率角δ，线路阻抗r_c、x_c等参数有关，其中最主要的影响因素是短路合闸角γ₀及功率角δ。令θ_a0为短路初始时刻的端电压(以A相电压为参考)相角，则有θ_a0＝γ₀-δ。考虑到短路点不同导致的外部线路阻抗变化，以及负载回馈的短路电流等影响因素，短路电流方向判据存在较大的不灵敏区，如图2(a)所示。

实际上，在不灵敏区，对应的A相初始短路电流变化率接近于0，已不便进行短路电流变化率的正负判断。但因A、B、C三相短路电流变化率特性在相位上互差120°，若A相短路电流变化率接近于0，则B、C相的短路电流变化率必不为0。以A相电压为参考系，B、C相短路电流变化率正负判断区域，如图2(b)和图2(c)所示。

不难看出，若短路初始相角θ₀正好处于A相初始短路电流变化率的不灵敏区，则不会落在B、C相短路电流变化率正负判断的不灵敏区内，因此通过将B相或C相短路电流变化率检测值的正负与推算值进行比较，仍可确定短路电流的方向。实际上，选择三相短路电流中变化率绝对值最大的相进行分析和比较，能够较为可靠的确定短路电流方向。

以典型船舶电力系统供电网络为例(如图3所示)，基于电力系统专业仿真软件PSCAD，建立了船舶电力系统仿真模型，如图4所示。图3和图4中G1～G4为额定功率相同的发电机组，Q1～Q8为连接发电机组和前后电站的主开关。图4中的DZ1～DZ4为负载开关，M1～M4为电动机负载，L1～L4为恒功率负载。以图3中的故障点F1～F2为例，对仿真结果进行分析。

(1)F1点故障

故障前，发电机G1、G2、G3三台机通过跨接线并联运行，为分析方便，系统故障前处于轻载运行状态，设断路器Q7的电流互感器正方向为由发电机G2所对应的母排流向跨接线。仿真结果如图5～图6所示。

由仿真结果看出，系统仿真时间t₀＝6.1463s发生三相对称短路，流过跨接断路器Q7的三相短路电流变化率绝对值最大值(B相最大)达到6.695kA/ms。由图6可得，短路合闸角(A相)γ₀≈4.8°，处于A相电流短路电流方向判据的不灵敏区，并处在B相和C相短路电流方向判据的不灵敏区外。由图5(a)、图5(b)、图5(c)所示，A相短路电流初始阶段变化率很小，而B相短路电流变化率小于0，C相短路电流变化率大于0，由图2所示的判据可知，Q7短路电流方向为反方向。由F1短路点位置可见，短路时，发电机G3通过跨接线和跨接断路器Q7、Q8向短路点馈送短路电流，短路电流方向与设定的短路方向相反，从而验证短路电流方向判据的有效性。

(2)F2点故障

故障前状态与F1点故障设置相同，仿真结果如图7～图8所示。

由仿真结果看出，系统仿真时间t₀＝4.7147s发生三相对称短路，流过跨接断路器Q7的三相短路电流变化率绝对值最大值(B相最大)达到9.734kA/ms。由图8可得，短路合闸角(A相)γ₀≈-55.2°，处于B相电流短路电流方向判据的不灵敏区，并处在A相和C相短路电流方向判据的不灵敏区外。由图7(a)、图7(b)、图7(c)所示，B相短路电流初始阶段变化率很小，而A相短路电流变化率大于0，C相短路电流变化率小于0，由图2所示的判据可知，Q7短路电流方向为正方向。由F2短路点位置可见，短路时，发电机G1、G2通过跨接线和跨接断路器Q7、Q8向短路点馈送短路电流，短路电流方向与设定的短路方向相同，从而验证短路电流方向判据的有效性。

上述仿真实例表明，根据本发明的步骤，通过检测三相短路电流变化率的正负，并与短路合闸角进行比较，可在短路初瞬时刻快速、准确地判断短路电流方向，为实现多电源交流系统保护选择性实现创造了条件。

Claims (6)

1.一种基于电流变化率的船舶交流系统短路电流方向判断方法，其特征在于，包含以下步骤：

第(一)步，船舶交流电力系统中的断路器的继电保护装置通过电流传感器采集流过对应断路器的三相电流的瞬时值i_a、i_b、i_c以及线电压瞬时值u_ab、u_bc、u_ca，并存储采样数据；

第(二)步，各级断路器的继电保护装置利用采集到的各断路器三相电流实时数据，计算短路初始时刻三相电流的电流变化率；

第(三)步，将计算得到的三相电流变化率的绝对值分别与短路故障电流变化率阈值进行比较，并将三相电流绝对值与短路故障电流阈值进行比较，若任意一相电流绝对值在整定的阈值范围内，且任意一相电流变化率在整定的阈值范围内，则判断出现了短路故障，反之，则说明未发生短路故障；

第(四)步，断路器的继电保护装置若检测到了短路故障，根据历史数据采样的电流数据，对检测的初始短路电流变化率进行修正，消除短路故障前正常电流变化率影响；

第(五)步，根据采样电压的历史数据，计算短路初始时刻断路器A、B、C三相相电压的相角θ_a0、θ_b0、θ_c0；

第(六)步，由θ_a0、θ_b0、θ_c0，查表获得断路器流过正方向短路电流时，对应各相短路电流故障分量变化率的正负，与短路变化率实测值的修正结果进行比较，若相同则为正方向短路，若相反则为反方向短路，从而判断出短路电流方向，判断出短路电流方向的方法是，设定发电机故障前在稳态三相对称方式下运行，则发电机三相电压表示为：

式中：U为相电压有效值，γ为转子直轴顺时针方向领先A相轴线的电角度，δ为励磁电动势E领先于端电压U的相角，及发电机的功率角；

由三相对称短路电流计算公式，设定短路起始时刻ωt＝0，A相短路电流不含故障前的正常负载电流的表达式为，：

设定γ＝ωt+γ₀，γ₀为短路合闸角，根据线路参数的影响，得出：

上式中：

T″_Q≈T″_D，r为发电机定子绕组内阻，r_c和x_c分别为发电机出口端至短路点的线路电阻与电抗，x″_d、x′_d，x_d分别为发电机直轴超瞬变电抗、直轴瞬变电抗和直轴同步电抗，x″_q、x_q为交轴超瞬变电抗和交轴同步电抗，T″_d、T′_d、T_a为不考虑线路阻抗时的短路电流超瞬变、瞬变和非周期分量衰减的时间常数；

对上式的i_a进行微分运算，求短路初始时刻的电流变化得

由式(8)知，短路电流变化率初值大小与发电机暂态参数、短路合闸角γ₀、发电机的功率角δ，线路阻抗r_c、x_c等参数有关，设定θ_a0为短路初始时刻的端电压相角，以A相电压为参考，则有θ_a0＝γ₀-δ，短路点不同导致的外部线路阻抗变化，以及负载回馈的短路电流影响因素，短路电流方向判据存在较大的不灵敏区，在不灵敏区，对应的A相初始短路电流变化率接近于0，不进行短路电流变化率的正负判断，但因A、B、C三相短路电流变化率特性在相位上互差120°，若A相短路电流变化率接近于0，则B、C相的短路电流变化率必不为0，以A相电压为参考系，B、C相短路电流变化率正负判断区域，当短路初始相角θ₀处于A相初始短路电流变化率的不灵敏区，则不会落在B、C相短路电流变化率正负判断的不灵敏区内，通过将B相或C相短路电流变化率检测值的正负与推算值进行比较，确定短路电流的方向。

2.根据权利要求1所述的基于电流变化率的船舶交流系统短路电流方向判断方法，其特征在于，所述步骤(一)中，断路器的继电保护装置包括：

A/D转换器，用于将电流和电压互感器采集到的电流模拟信号转换为数字信号，所述A/D转换器内部嵌置滤波器，以滤除高次谐波干扰，所述A/D转换器输入端外置滤波器；

CPU，为断路器继电保护装置软件系统的运算载体，完成故障诊断、通信协调、状态监控、综合决策；

通信模块，实现与相邻断路器继电保护装置的通信功能；

监控模块，负责监测断路器工作状态，并将CPU输出的控制信号放大，驱动断路器的脱扣器动作，使断路器跳闸。

3.根据权利要求1所述的基于电流变化率的船舶交流系统短路电流方向判断方法，其特征在于，所述步骤(二)中，计算短路初始时刻三相电流的电流变化率的方法是：

继电保护装置循环检测电流，设定每一个检测周期采样点的数量为n，则各相电流变化率基于最小二乘法方式计算得到，以A相电流为例，电流变化率按以下方式计算：

式(1)中i_a,k为当前周期内A相电流第i次电流采样值，Δt为采样间隔时间。

4.根据权利要求1所述的基于电流变化率的船舶交流系统短路电流方向判断方法，其特征在于，所述步骤(三)中，当三相电流绝对值满足：

|i_a|＞I_min，或|i_b|＞I_min，或|i_c|＞I_min (2)

且三相电流变化率绝对值满足：

式(2)、(3)中的阈值I_min、D_min和D_max根据系统的参数和断路器安装位置整定，认为断路器流过了短路电流，系统出现了短路故障。

5.根据权利要求1所述的基于电流变化率的船舶交流系统短路电流方向判断方法，其特征在于，所述步骤(四)中，对检测的初始短路电流变化率进行修正，修正公式如下，

D′＝D₀₊-D_0- (4)

式中：D₀₊为短路初始时刻检测到的短路电流变化率，D_0-为短路故障前一检测周期测量到的正常电流变化率，D′为电流变化率的修正值。

6.根据权利要求1所述的基于电流变化率的船舶交流系统短路电流方向判断方法，其特征在于，所述步骤(五)中，查询采样电压的历史数据，获得短路故障前一时刻线电压瞬时值u_ab，并判断电压变化率正负，由下式计算短路初始时刻端电压A相相角θ_a0，

式中：U_e为线电压有效值，则B相和C相对应获得：