CN108565842B - 用于电力系统弹性的断路器设计 - Google Patents

Abstract

自主断路器可以通过阻抗源将电流施加到与断路器的任何一端耦合的母线，以便测量母线的阻抗。可以从测量值确定母线的状态。基于所确定的状态，故障检测过程可以被选择和实现以确定母线上是否存在故障。当故障检测过程已经被实现并且没有检测到故障时，断路器可以闭合，并且由此将母线耦合到另一母线。

Description

用于电力系统弹性的断路器设计

本申请是申请日为2014年3月13日，申请号为201480014087.6并且发明名称为“用于电力系统弹性的断路器设计”申请的分案申请。

相关申请的交叉引用

本申请要求属于Edward Peter Kenneth Bourgeau的在2013年3月13日提交的并且标题为“Breaker Design for Power System Resiliency”的美国临时专利申请No.61/779,391的优先权权益，该申请通过引用合并于此。

技术领域

本公开涉及电力系统。更具体地，本公开涉及用于电力系统的弹性和容错断路器。

背景技术

不论应用如何，弹性都是任何电力系统中的重要考虑因素。电力系统必须对其有弹性的问题基于应用而变化。例如，在海上钻探船上，应当使得电力系统对水灾、火灾或在承载从发电机到整个船的电气设备的电力的电气母线内的故障有弹性。

船上的电气系统通常包括在隔开的单元中的多个发电机，该隔开的单元被分离以抵御火灾和水灾。隔开的单元位防止来自火灾或水灾的对一个单元的损坏传播到另一个隔开的单元。然而，用于电力系统的控制系统不位于隔开的单元中。此外，控制系统依赖于来自每个隔开的单元中的每个发电机的信息来控制电力系统。例如，控制系统可以确定发电机是否可以耦合到主配电母线以及何时可以耦合到主配电母线。虽然发电机或控制系统的损失可能不会导致所有发电机或控制系统的损失，但是发电机及其控制系统无法独立地运行，并且可能遭受降低的性能，或者可能由于由控制系统做出的不正确决定而被进一步损坏。

断路器将发电机耦合到电力母线，并且可以基于来控制系统的命令来中断在电力母线和发电机之间的连接。每个断路器通过信号电缆被链接到其他断路器，并且每个断路器的状态被包括在断路器的控制部分的逻辑中。因此，对一个隔室中的断路器的损坏在另一隔室中的断路器中产生故障行为。这样，电力系统的整体弹性被降低。每个断路器可以包括控制同一机柜中或机柜外部的断路器的逻辑。

图1是用于诸如在海上钻探船中使用电力系统100内的断路器112、114、116的传统方法的示意性表示。断路器112、114、116被分别耦合在主电气母线102和发电机122、124、126之间。挡板150可以被放置在发电机122、124和126之间以在火灾、水灾或其他灾害发生时隔离发电机122、124和126的操作。通信链路113、115把断路器112、114、116彼此耦合。断路器112、114、116还共享用于向断路器112、114、116提供电力的控制电力电缆199。主母线102可以通过连接断路器主/从机组151、152和153、154被分成多个分段或者作为单个导体被连接。通信链路156、157把连接断路器机组151、152和153、154分别彼此耦合。连接断路器主/从机组151、152和153、154还共享用于向连接断路器主/从机组151、152和153、154提供电力的控制电力电缆199。

发电机断路器112、114、116通过通信链路113 115、131来传递发电机122、124和126的状态。断路器112、114、116中每一个内的逻辑取决于断路器112、114、116中每个其他断路器的行为。例如，如果指令断路器112执行与主母线102的同步，则断路器112必须首先向断路器114指示不执行同步，或者反之亦然。如果断路器114指示其正在执行同步，则即使这样的指示是错误的，也没有其他断路器可以执行同步。因此，如果在管理系统130和发电机断路器112、114、116之间的通信链路131、132、133发生故障，或者如果任何断路器112、114、116本身发生故障，则对其他健康断路器的接入被中断。

可以在管理系统130和断路器112、114、116之间分别提供附加通信链路。然而，附加通信链路增加了系统100的复杂性以及在挡板150之间必须进行的连接的数目。断开和/或闭合断路器112、114和116的决定可以由管理系统130基于来自耦合到主母线102的母线感测单元140、143、144的输入来做出。在母线感测单元140、143、144和管理系统130之间并且在发电机断路器112、114和116之间需要通信。在母线感测单元140、143和连接断路器151、152之间需要通信，并且在母线感测单元143、144和连接断路器153、154之间需要通信。这些通信链路增加了系统100的复杂性以及在挡板150之间必须进行的连接的数目。连接断路器机组151、152和153、154的成功操作需要在连接断路器主设备151及其从设备152之间以及在连接断路器主设备153及其从设备154之间的通信。这些通信链路增加了系统100的复杂性以及在挡板150之间必须进行的连接的数目。此外，使用管理系统130的操作员仅可以与连接断路器机组151、152和153、154的主断路器151或153通信。因此，如果在管理系统130和主断路器151或153之间的通信链路134、135分别发生故障，或者如果主断路器112本身发生故障，则对其他断路器152、154的接入被中断。

从可能影响电力系统100弹性的相互连接的断路器的网络110产生两个问题。第一，当母线102不适用于从发电机122、124、126接收额外电力时，诸如当在母线102上存在故障（诸如接地或短路或由故障发电机的不正确连接而导致的故障）时，断路器112、113、114、151、152、153、154可以闭合到母线102上。第二，相互连接的断路器的网络110缺乏操作的自主性，因为断路器112、113、114、151、152、153、154依赖于来自彼此的数据来控制对母线102的电力供应。

一种用于提高弹性的常规解决方案是使用挡板150。通过使用挡板150来限制火灾或水灾的后果。然而，特定隔室中的火灾或水灾将干扰穿过挡板150的信号。这可能导致错误的数据被传递到由挡板150保护的隔室。得到的错误数据可能禁用或以其他方式危害在已经被火灾或水灾损坏的隔室中的设备的操作。

发明内容

减少断路器对来自其他断路器的输入的依赖性可以提高电力系统的弹性。例如，每个断路器可以独立地执行用于确定断路器何时闭合安全的方法。向每个断路器提供独立执行这样的方法的能力可以减少或消除每个断路器对其他断路器的依赖性。采用自主断路器的电力系统的提高的弹性可以由错误地操作的一个断路器可能导致所有断路器错误地操作的较低可能性产生。因此，即使一个断路器可以变得无法操作，电力系统也可以继续正常操作。

根据一个实施例，一种用于确定何时闭合断路器的方法包括：将电流施加到与断路器耦合的第一母线。该方法还可以包括：在将第一电流施加到第一母线之后测量第一母线的第一阻抗，以便确定故障是否存在于第一母线上。如果确定在第一母线上不存在故障，则该方法可以进一步包括将第一母线耦合到与该断路器耦合的第二母线。

该方法可以包括：通过变压器将电流施加到第一母线。该方法可以通过在控制器处接收用于闭合断路器的命令来发起。此外，该方法可以包括：检查第一母线的状态，并且由控制器来指令耦合到传感器的接触器闭合或断开。传感器可以是电压传感器、电流传感器或电压传感器和电流传感器二者。

根据一个实施例，该方法还可以包括：部分地基于所测量的第一母线的第一阻抗来确定要实现的故障检测过程。该方法还可以包括：处理所测量的第一母线的第一阻抗，以确定该母线的状态。控制器内的指令可以被执行以部分地基于所确定的第一母线的状态来选择要实现的故障检测过程。

该方法可以包括：当实现所选择的故障检测过程时，由控制器指令耦合到传感器的接触器闭合或断开。第二电流可以被施加到第一母线，以测量第一母线的第二阻抗。第二测量的阻抗可以由控制器来处理，以确定在第一母线上是否存在故障。

根据实施例，对母线阻抗的测量可以通过测量母线的电压、电流或电压和电流二者来执行。此外，第一母线与至少第二母线的耦合可以通过下述步骤来执行：首先使第一母线与第二母线同步，并且然后闭合第一和第二母线之间的断路器。此外，第一母线与第二母线的耦合可以导致钻探船上的负载与发电机的耦合。

根据另一实施例，一种装置包括在第一和第二母线之间耦合的断路器。该装置还包括耦合到断路器的控制器，断路器允许装置自主地进行操作。该控制器可以被配置为将第一电流施加到与断路器耦合的第一母线。该控制器还可以被配置为测量第一母线的第一阻抗，并且确定在第一母线上是否存在故障。该装置还可以包括耦合到控制器和第一母线的至少一个变压器以及耦合到控制器和第二母线的至少一个其他变压器。

该装置还可以包括：保护设备，诸如耦合到断路器和外部保护系统的保护电路的保护设备；或者控制断路器的内部组件的设备，诸如操作员界面。该装置还可以包括耦合到控制器和外部母线的用于执行对断路器的测量的设备，诸如通用测量换能器。此外，该装置可以包括同步电路，诸如耦合到外部电源的同步器。其他同步电路可以包括耦合到操作员界面并且耦合到外部电源控制电路的同步校验继电器。保护电路、通用测量换能器、同步器、同步校验继电器和/或控制器可以是装置内的控制电路的一部分。

根据实施例，控制器可以进一步被配置为自主地控制装置并且管理控制命令。控制器还可以被配置为监视和控制开关装置的状态，并且确定断路器的状态。此外，控制器可以被配置为控制变压器通过其被耦合的过程，并且监视在变压器之间的桥上存在的电压和电流。

根据实施例，控制器可以进一步被配置为，在没有来自中央控制系统的参与的情况下自主地检测母线的状态，并且仅基于母线的状态来确定从母线连接或移除发电机的需要。除了诸如接地或短路之类的故障之外，母线状态将包括诸如有功或无功功率的过载欠载之类的状况。该装置可以自主地操作，并且管理用于断开和/或闭合断路器的控制命令。基于母线状态，控制器还可以被配置为监视和控制开关装置的状态，并且确定状态和控制断路器。

前述已经相当广泛地概述了本公开的特征和技术优点，以便于可以更好地理解随后的本公开的具体描述。下文中将描述形成本公开的权利要求的主题的本公开的附加特征和优点。本领域技术人员应当理解，所公开的概念和具体实施例可以容易地用作用于修改或设计用于执行本公开的相同目的的其他结构的基础。本领域技术人员还应当意识到，这样的等效构造不脱离所附权利要求中阐述的本公开的精神和范围。当结合附图考虑时，根据以下描述将更好地理解被认为是本公开的关于其组织结构和操作方法两方面的特性的新颖特征以及其他目的和优点。然而，应当明确地理解，每个附图仅出于说明和描述的目的被提供，并且不旨在作为对本发明的限制的定义。

附图说明

为了更全面地理解所公开的系统和方法，现在参考结合附图做出的以下描述。

图1是在当前代的海上钻探船和独立电厂上常见的电力系统内的传统断路器的示意性表示。

图2A是根据本公开的一个实施例的具有独立断路器的电力系统的示意性表示。

图2B是根据本公开的一个实施例的具有独立断路器的电力系统的示意性表示。

图3A是图示根据本公开的一个实施例的用于在独立断路器的情况下确定电力母线的状态的方法的流程图。

图3B是图示根据本公开的一个实施例的用于在独立断路器的情况下通过扫描多个频率来确定电力母线的状态的方法的流程图。

图3C是图示根据本公开的一个实施例的用于确定何时安全闭合断路器的方法的流程图。

图3D示出了图示根据本公开的一个实施例的用于确定断开还是闭合断路器的方法的流程图。

图4是根据本公开的一个实施例的具有自主行为的断路器的示意性表示。

图5是根据本公开的一个实施例的具有附加传感器的断路器的示意性表示。

图6是根据本公开的一个实施例的操作员界面的示意性表示。

图7是图示用于确定何时闭合断路器的方法的实施例的流程图。

具体实施方式

电力系统内的弹性可以通过减小一个隔室中的组件对其他隔室中的组件的依赖性来提高。根据一个实施例，可以通过减少组件之间的通信量来减小依赖性。例如，断路器可以包括在几乎没有或没有来自其他断路器的输入的情况下执行方法的逻辑。这提高了电力系统的弹性，因为在隔室中的每个断路器可以在另一隔室中的另一断路器错误地运转的同时继续操作。此外，每个断路器可以与管理系统直接通信。因此，断路器可以接收诸如断开还是闭合断路器之类的指令，而不依赖于其他断路器来接收指令。

根据实施例，可以通过诸如经由使用减少母线上的冲突能量的高阻抗变压器测试母线的状态来防止主配电母线上的高能量冲突。高能量冲突可能由于如下不同的断路器造成，该不同的断路器将不同的非同步发电机母线耦合到主配电母线，该主配电母线同时闭合到在该时间可能是失效的配电母线上。低能量冲突可以通过高阻抗变压器来生成并且用于测量母线的阻抗、识别母线的状态以及确定是否闭合耦合到母线的断路器。通过执行该阻抗感测并且诸如在闭合断路器之前通过变压器测量母线阻抗，断路器可以确保冲突通过变压器发生。该通过变压器的冲突可以避免可能损坏电力系统的高能量母线到母线冲突。因此，电力系统的弹性利用高阻抗变压器被进一步提高。

图2A描绘了根据本公开的一个实施例的具有断路器212、214、216的电力系统200的示意性表示。断路器212、214、216可以自主地操作。可以通过控制电力线分别从发电机222、224、226向断路器212、214、216中的每个提供电力。根据一个实施例，控制电力电缆可以是低电压DC母线。

在电力系统200中，错误操作的断路器可能不会导致在另一断路器中的错误行为。每个断路器212、214、216可以在几乎没有或没有来自其他断路器212、214、216的信息的情况下使用内部电路来独立地执行用于确定闭合断路器212、214、216并且将发电机222、224、226分别耦合到主电力母线202否是安全的方法。

如本文所述，“断路器”可以包括发电机断路器，诸如在发电机222、224、226和主电力母线202之间的断路器212、214、216。“断路器”还可以包括连接断路器，诸如在电力母线202的分段之间的断路器271、272、273、274。这些断路器271、272、273、274中的每一个可以分别通过自主控制电源281、282、283、284来供电。

图2B是根据本公开的一个实施例的具有独立断路器的电力系统的示意性表示。该系统可以包括在母线252A和主电力母线202之间的断路器232。断路器232可以由自主连接控制装置264A来控制，自主连接控制装置264A可以包括母线阻抗感测电路和同步电路。控制装置264A可以与断路器232集成，或者作为单独的组件进行操作。控制装置264A控制该断路器232以在将母线252A耦合到主电力母线202之前检查主电力母线202的健康状态。可以通过母线点变压器262A将用于测试主电力母线202的健康的电流接收到连接点变压器266A。

对于断路器234可以通过耦合到母线点变压器262B和连接点变压器266B的自主连接控制装置264B而存在类似的配置。在一个实施例中，船管理系统256可以用于指令断路器232和/或234闭合，以便诸如当期望额外电力时，向主电力母线202提供额外电力。在船管理系统256指令断路器232和/或234闭合之后，自主连接控制装置264进行操作以确定主母线202的状态，并且决定是否闭合断路器232、234。在一个实施例中，连接断路器232、234可以用于耦合船（诸如钻井装置）上的右舷母线和端口母线（port bus）。

自主连接控制装置264可以执行图3A-C中所示的方法之一，但是控制装置264还可以执行其他方法。图3A是图示根据本公开的一个实施例的用于在独立断路器的情况下确定电力母线的状态的方法的流程图。方法350在框352处开始于将第一电流施加到第一母线。然后，在框354处，利用第一电流测量第一母线的阻抗。在框356处，可以至少部分地基于框354的测量的阻抗来确定第一母线的状态。如果在框358处状态被确定为故障，则方法350前进到框362以报告第一母线上的故障。当检测到故障时，断路器不可以被闭合。如果在框358处将状态确定为无故障，则方法350前进到框360，闭合在第一母线和第二母线之间的断路器。

可以从第二母线接收施加到第一母线的第一电流。第一电流还可以在被施加到第一母线之前被操纵。例如，该电流可以通过可变驱动设备以调整第一电流的电压和/或频率。第一母线可以通过跨一定范围的电压和/或频率测量阻抗而被测试，以改善对第一母线的状态的确定。图3B是图示根据本公开的一个实施例的用于在独立断路器的情况下通过扫描多个频率来确定电力母线的状态的方法的流程图。方法370在框372开始于将第一频率的第一电流施加到第一母线。在框374，在第一频率处测量第一母线的第一阻抗。在框376，向第一母线施加第二频率的第二电流。在框378，在第二频率处测量第一母线的第二阻抗。然后，在框380处，可以至少部分地基于框374和378的测量的第一和第二阻抗来确定第一母线的状态。在框382，当第一母线的状态为健康时，可以闭合在第一母线和第二母线之间的断路器。

图3C示出了图示根据一个实施例的用于确定何时安全闭合断路器的方法300的流程图。方法300在框302处开始于断路器接收在控制器处用于闭合断路器的命令。在一个实施例中，闭合命令可以是在下述情况下生成的数字信号：当在海上钻探船的管理系统中产生瞬时干接触以用信号通知断路器发起闭合序列时。对干接触的激励可以由断路器来提供。激励可以是从船管理系统到断路器的脉冲输出。接收到的信号可以起源于本地，诸如在图2A-2B的断路器内。该信号还可以起源于远处，诸如在断路器外部的管理系统处，并且经由管理系统和断路器之间的通信链路被传送到断路器。接收到的信号可以在断路器或管理系统内自动生成，或者该信号可以由断路器的操作员手动生成。在一个实施例中，当存在对母线上更多电力的需要时，可以生成闭合信号。在框302处接收到用于闭合断路器的命令之后，可以在框304、306、308和310处检查耦合到断路器的一条或多条母线的状态。

在框304，可以通过第一高阻抗变压器将第一电流施加到与断路器耦合的第一母线。在特定实施例中，可以通过两个高阻抗变压器将两个电流施加到与断路器耦合的两条母线。可以由断路器施加到与特定断路器耦合的母线的电流的数目不限于一条或两条母线。例如，可以通过四个高阻抗变压器将四个电流施加到与断路器耦合的四条母线。

虽然以上描述了高阻抗变压器，但是可以由断路器通过除了高阻抗变压器之外的设备来将电流施加到多条母线。例如，电流可以通过电容器、电感器或电容器和电感器组合的网络被施加到母线。这些网络可以被配置作为匹配网络，该匹配网络通过根据电容器、电感器或电容器和电感器的组合的配置将电压和/或电流从一个端口转换到另一端口来与变压器类似地进行执行。作为另一示例，可以通过对母线呈现高阻抗的传输线来将电流施加到母线。

在框306，可以通过测量电压和/或电流在施加第一电流之后测量第一母线的阻抗。通用测量换能器可以在框306处执行测量。电流已经被施加到的多条母线的阻抗还可以利用可以测量母线的电压和/或电流的一个或多个设备来测量。

在框308，第一母线阻抗可以被处理以确定第一母线的状态。可以通过指示母线是失效还是有效的布尔指示符来表示第一母线的状态。在实施例中，控制器可以用于执行在框308处公开的处理。在确定母线是失效还是有效时，如果在母线上不存在信号，则母线可以被认为是失效的，并且如果在母线上存在信号，则母线可以被认为是有效的。多条母线的阻抗可以由一个或多个控制器来处理，以确定每条母线的状态。

在框310，可以至少部分地基于第一母线的状态来选择诸如冲突检测过程之类的故障检测过程。故障检测过程可以确保当断路器闭合时没有高能量冲突在母线上发生。在具有耦合到断路器的两条母线的实施例中，可以存在三个不同的故障检测过程。当两条母线都失效时，可以执行第一故障检测过程。当两条母线都有效时，可以执行第二故障检测过程。当一条母线失效而一条母线有效时，可以执行第三故障检测过程。可用的故障检测过程的数目可以根据应用而变化。

当指令耦合到传感器的接触器闭合或断开时，可以在框312处开始所选择的故障检测过程的实现。在实施例中，接触器还可以被耦合到电流传感器、电压传感器或电流传感器和电压传感器二者，以允许对母线的电压和/或电流的测量。

作为具有耦合到断路器的两条母线的一个示例，如果耦合到断路器的第一母线和第二母线的所确定的状态是两条母线都失效，则可以指令耦合到第一母线的接触器闭合，同时可以指令耦合到第二母线的接触器断开。作为具有耦合到断路器的两条母线的另一示例，如果耦合到断路器的第一和第二母线的所确定的状态是两条母线都有效，则可以指令耦合到第一母线的接触器和耦合到第二母线的接触器二者都断开。通常，可以根据两条母线都失效、都有效还是一条母线有效而一条母线失效，来选择单独的故障检测过程。

在框314，第二电流可以通过第一高阻抗变压器被施加到第一母线。如框304处所描述的，可以通过若干高阻抗变压器来施加若干电流。

在框316，可以在施加第二电流之后获得电压和/或电流测量值。在一个实施例中，通用测量换能器可以执行框316处所公开的测量。

在框318，部分地基于第二电压和/或电流测量值来确定第一母线上是否存在故障。在一个实施例中，确定是否检测到故障可以由诸如控制器之类的在框308处确定总线状态的相同设备来执行。控制器还可以处理该测量值（诸如对测量值进行四舍五入和平均）以确定母线上是否存在故障。在特定实施例中，故障可能在断路器中发生。在这样的实施例中，可以将表示断路器故障信号的数字信号发送到船管理系统。

在框320，如果在框318处确定了不存在故障，则第一母线可以与也耦合到该断路器的第二母线同步。母线的同步可以自动或手动地执行。在自动地执行同步时，诸如Woodward SPM-D同步器之类的同步器可以在没有操作员手动偏置发电机的情况下来执行同步。在另一实施例中，同步可以通过使用也称为同步示波器的同步校验继电器来手动地执行，同步校验继电器允许操作员手动地偏置耦合到断路器的发电机。根据一个实施例，第一母线可以与也耦合到该断路器的多条母线同步。

在框322，在第一母线和第二母线之间的断路器可以被闭合。因此，第一母线被耦合到第二母线。在实施例中，这可以包括将发电机耦合到钻探船上的负载。在另一实施例中，第一母线可以被耦合到也与该断路器耦合的多条母线。

图3C中描述的方法可以假设允许断路器闭合的所有其他信号准许断路器闭合。如果其他信号指示可能阻止断路器正确运行的故障，则断路器不可以闭合。这些信号可以包括指示同步器被通电并且健康的信号以及指示对弹簧驱动电机充电的信号。

根据实施例，可以存在多个故障检测过程，该多个故障检测过程可以被实现为如框310处指定的那样确定在母线上是否存在故障。每个过程可以基于在框310处识别的多条母线的状态或第一母线的状态来以不同的顺序执行图3C的框310至322处的动作。图3C的框312至322处的动作被执行的顺序可以表示被实现的特定故障检测过程。例如，在已经通过两个独立的高阻抗变压器向耦合到断路器的两条母线施加了两个单独的电流之后，断路器可以在框310处确定两条母线都失效。在该情况下，断路器可以通过由控制器指令耦合到一个高阻抗变压器的接触器断开并且由控制器指令耦合到另一高阻抗变压器的接触器闭合来在框312处开始对所选择的故障检测过程的实现。然而，如果确定了两条母线都是有效的，则断路器可以以耦合到高阻抗变压器中每一个的两个接触器都断开来在框312处开始对所选择的故障检测过程的实现。因此，在框310处，可以基于所确定的母线或多条母线的状态来在不同指令的情况下以不同的顺序执行其他框中的动作。

断路器可以基于除了母线是否故障之外的状况来自主地决定断开还是闭合。例如，断路器还可以确定另一种类型的母线状态，诸如母线是过载还是欠载。图3D示出了图示根据本公开的一个实施例的用于确定断开还是闭合断路器的方法390的流程图。方法390在框392开始于确定母线的状态。母线的状态可以包括测量母线的电压、电流、频率、母线谐振和/或其他特性，以确定母线的电气故障或电气状况。例如，母线频率的变化可以指示母线上的负载水平，使得较低频率（例如，当最佳频率是60 Hz时的59 Hz）指示过载母线。在框394，确定母线过载还是欠载。如果母线过载或欠载，则方法390前进到确定要断开还是闭合断路器。例如，当母线过载时，断路器可以被断开以使发电机与主母线分离，或者断路器可以被闭合以允许发电机贡献能量以移除过载。其他框可以包括检测电气故障，诸如高谐波失真、高或低电压、高或低基频或母线谐振。本地控制器将基于状态和定时来采取动作以校正电气状况或隔离两条母线以便将故障状况限制到仅一条母线。这些测量可以检测绝缘故障和断路器故障（诸如一个或多个电极无法进行如所命令的不导电）。

图3A、图3B、图3C的示意性流程图通常作为流程图被阐述。这样，所描绘的顺序和标记的步骤指示所提出的方法的一个实施例。可以设想其他步骤和方法，这些其他步骤和方法在功能、逻辑或效果上与所图示的方法的一个或多个步骤或步骤的部分等同。此外，所采用的格式和符号被提供以解释该方法的逻辑步骤，并且不被理解为限制本方法的范围。此外，具体方法发生的顺序可以或可以不严格遵守所示出的相应步骤的顺序。

图4示出了具有自主行为的断路器410的实施例400。断路器410可以用于确定何时闭合接触器412，并且因此将主配电母线402耦合到发电机母线404。在一个实施例中，断路器可以是额定为2000A的西门子NXPLUS-C中压断路器部。断路器410可以配备有电压输入411、413，该电压输入411、413分别通过变压器416、418分别耦合到主母线402和发电机母线404。变压器416、418可以耦合到控制器414，并且用于分别感测主母线402和发电机母线404的母线电压。控制器414可以控制变压器416、418以获得主母线402或发电机母线404的电压测量值。例如，控制器414可以处理该电压测量值，并且经由通信链路415与接触器412进行通信。控制器414还可以被配置为执行下述动作：将电流施加到与接触器412耦合的母线402、404；在施加电流之后测量母线402、404的阻抗；和/或确定母线402、404上是否存在故障。在一个实施例中，控制器可以是西门子SIMOCODE控制器。

根据实施例，控制器414可以进一步被配置为自主控制断路器410并且管理控制命令。控制器414还可以被配置为监视和控制开关装置（未示出）的状态，并且确定该接触器412的可用性和状态。开关装置可以是电气断开开关、保险丝或用于控制、保护和/或隔离电气设备的电路断路器的组合。此外，控制器414可以被配置为控制变压器416、418通过其被耦合的过程，并且可以被配置为监视在变压器416、418之间的桥上存在电压和电流。应当理解，控制器414可以被配置为执行各种其他动作，并且其功能在范围上不应当被限制为在本公开内所描述的动作。此外，可以设想如下的其他动作，该其他动作在功能、逻辑或其部分方面与这里公开的控制器被配置为执行的动作是等同的。

根据一个实施例，断路器410可以是海上船只配电系统的一部分。断路器410可以通过执行对接触器412的测量并且向发电机提供速度偏置信号来使两条独立的母线同步。断路器410还可以由于电气故障而断开接触器412以隔离船只的电源。

图5示出了断路器510的实施例500。断路器510可以包括断路器512，断路器512在一端耦合到主母线502并且在另一端耦合到发电机母线504。在实施例中，断路器510可以用于确定何时闭合断路器512以耦合主母线502和发电机母线504。

在实施例中，断路器510可以具有在主母线502和控制电路540之间耦合的变压器516。另一变压器518可以被耦合在发电机母线504和控制电路540之间。控制电路540的内部电路可以包括控制器563。变压器516、518可以通过向母线502、504呈现高阻抗并且因此使可能在母线502、504上发生的任何高能量故障衰减来对控制电路540提供不受母线502、504影响的保护。断路器510可以通过高阻抗变压器516、518而不是母线502、504来引导冲突。高阻抗变压器516、518还可以由断路器510使用以辅助感测母线电压。

变压器516、518可以分别包括初级母线变压器521、523并且分别包括次级变压器522、524。次级变压器522、524可以以具有负载电阻器（未示出）的断开的三角配置（brokendelta configuration）来布置。出于同步的目的，变压器521、523可以用于感测母线电压和/或检测失效或有效的母线。作为另一示例，变压器521、523还可以在闭合断路器512之前在阻抗感测过程期间对母线通电。此外，变压器521、523可以分别检测母线502、504上的接地故障。在实施例中，变压器的次级装置522、524可以用于检测关于母线502、504的失效母线状况。

高阻抗变压器516、518可以通过其他设备、传感器、开关和/或继电器耦合到控制电路540内的控制器563。例如，高电位变压器516、518可以通过故障传感器562、564分别耦合到控制器563。故障传感器562，564和次级变压器522、524可以由控制器563用于确定在任一母线502、504上是否存在故障。在另一示例中，高阻抗变压器516、518可以通过失效母线继电器567、568分别耦合到控制器563，失效母线继电器567、568可以检测通过变压器516、518耦合的母线502、504是失效还是有效。在另一示例中，高阻抗变压器516、518可以通过接触器565、566、电压传感器569和电流传感器561耦合到控制器563。根据该布置，控制器563可以测量电压和/或电流。该电压和/或电流测量值可以用于确定要实现的故障检测过程，或用于确定在母线502、504上是否存在故障。此外，可变频率驱动（VFD）570可以用于操纵在变压器516、518之间传递的电流。

在实施例中，断路器510还可以具有在控制电路540内的保护电路（未示出）。保护电路可以在诸如发电机保护系统（未示出）中之类的其他地方确定的故障状况下使断路器512跳闸。

断路器510可以进一步包括控制电路540内的同步器（未示出）。同步器可以用于使诸如发电机之类的两个独立AC电源同步，并且允许在两条有效母线之间的断路器闭合。在实施例中，同步器可以使用施加到电源之一的偏置信号来使两条隔离的母线502、504同步。在同步器检测到两条隔离的母线502、504被适当地同步之后，同步器可以发出允许断路器510中的接触器512闭合的信号。在实施例中，诸如Woodward SPM-D同步器之类的同步器允许在没有操作员辅助手动偏置电源的情况下自动地执行母线的同步。

断路器510还可以包括在控制电路540内的同步校验继电器（未示出）。诸如同步示波器之类的同步校验继电器以图形方式显示两个非同步源之间的相位差，并且当所述源已经被适当同步时发出信号，由此允许断路器被闭合。同步校验继电器可以是无源设备，该无线设备允许通过使用同步电位计来偏置耦合到隔离的母线之一的电源来手动地执行母线的同步。

断路器510可以进一步包括控制电路540内的通用测量换能器（未示出）。通用测量换能器可以确定接触器512的电气参数，并且经由操作员界面530向管理系统报告该参数。可以使用通用测量换能器来处理的母线参数包括电压、电流、频率、有功和无功功率和功率因数。

在实施例中，断路器510还可以包括操作员界面530。操作员界面可以包括诸如监视器显示器的输出设备以及诸如键盘的输入设备，以允许管理员监视和控制电力系统。图6示出了图5的操作员界面530的实施例600。操作员界面610可以包括同步模式选择开关611。同步模式选择开关611可以允许断路器在被远程操作或本地操作之间并且还在自动操作或手动操作之间进行切换。此外，断路器可以具有耦合到控制器的网络接口，其中控制器进一步被配置为允许对操作员界面的远程访问。网络接口可以包括对适当母线或信令系统的连接或者对诸如因特网之类的公共网络的连接。

在实施例中，断路器内的操作员界面610还可以包括同步和闭合按钮612。同步和闭合按钮612可以发起断路器内的同步和闭合操作。被发起的产生的同步和闭合操作可以是使用同步器（未示出）来自动偏置隔离的电源的自动过程。在特定实施例中，同步器可以耦合到控制器，该控制器向同步器和外部电源提供用于偏置的指令。操作员界面610还可以包括同步和闭合取消按钮613，用于取消由同步和闭合按钮612发起的同步和闭合操作。操作员界面610可以进一步包括同步电位计614以偏置在连接母线上发电机的速度。操作员界面610还可以包括同步示波器615，用于测量和显示在断路器的两侧之间的相位角差。同步电位计614可以被调整，直到在同步示波器615中所指示的相位跨断开的断路器被匹配。操作员界面610还可以包括断路器开关616，用于提供对断路器的直接控制。在实施例中，该开关可以是三位置弹簧返回中心开关。断路器开关616可以用于在任何时间断开断路器。

操作员界面610还可以包括用于显示通过断路器的电流的电流计618、用于示出跨断路器的电压的电压计620和/或用于示出母线阻抗的阻抗计621。此外，操作员界面610可以包括用于提供断路器412、512的状态的指示灯619。在实施例中，这里所公开的操作员界面610可以在本地或远程地被访问。例如，操作员界面610可以是在图6中描述的所有特征以及其他特征可用于手动本地控制的门户。作为另一示例，操作员界面610可以是远程地向断路器提供指令的海上钻探船的管理系统。

图7示出了图示根据实施例的用于确定何时闭合断路器的方法700的流程图。在本实施例中，断路器可以具有耦合到第一和第二母线的断路器。此外，在该实施例中，第一母线可以是发电机母线，并且第二母线可以是主配电母线。方法700在框702开始于断路器接收在控制器处的用于闭合断路器的命令。在框704，可以检查耦合到第一母线的继电器和耦合到第二母线的继电器以确定第一和第二母线是失效还是有效。根据实施例，检查耦合到第一和第二母线的继电器以确定母线是失效还是有效可以包括通过高阻抗变压器将电流施加到与断路器耦合的第一和第二母线。在施加电流之后，然后可以通过测量电压和电流来测量母线的阻抗。

在框706，可以处理所测量的阻抗以确定母线的状态。在该实施例中，母线状态可以是：母线是失效还是有效。此外，在框706，控制器可以部分地基于母线的状态来选择要实现的故障检测过程。在实施例中，可以存在三个不同的故障检测过程。当两条母线都失效时，可以执行第一故障检测过程。当两条母线都有效时，可以执行第二故障检测过程。当一条母线失效并且一条母线有效时，可以执行第三故障检测过程。

在一个实施例中，如果控制器在框706确定了两条母线都失效，则该方法前进到框710，以指令第一接触器断开并且第二接触器闭合。在框711，可以在如框710处指令的那样接触器断开或闭合之后执行第二电压和电流测量。第二电流可以通过高阻抗变压器被施加到与断路器耦合的第一和第二母线以进行第二电压和电流测量。可以处理在框711处测量的电压和电流，以确定在第一母线或第二母线上是否存在故障。在一个实施例中，在框711处测量的电压和电流对于要闭合的断路器可以大约为零。

在框712，可以指令第一接触器闭合，并且可以指令第二接触器断开。在框713，可以在如框712处指令的那样接触器断开或闭合之后执行第三电压和电流测量。第三电流可以通过高阻抗变压器被施加到与断路器耦合的第一和第二母线，以便于进行第三电压和电流测量。可以处理在框713处测量的电压和电流，以确定在第一母线或第二母线上是否存在故障。在一个实施例中，在框713处测量的电压和电流对于要闭合的断路器可以大约为零。

在框714，可以通过读取按照如图5中所示的具有负载电阻器的断开的三角配置布置的次级变压器的电压来检查主第一和第二母线二者上的断开的三角电阻器电压。对断开的三角电阻器的电压的检查还可以用于确定在第一或第二母线上是否存在故障。在实施例中，断开的三角电阻器的电压对于要闭合的断路器可以大约为零。然后，在框715处闭合断路器。

可选地，如果在框714处确定了在第一或第二母线上不存在故障，则信号可以被传送到同步器（未示出）以指令同步器使耦合到断路器的第一和第二母线同步。然后，在第一和第二母线之间的断路器可以被闭合以使两条母线彼此耦合。在检测到故障的情况下，断路器不可以闭合。此外，如果先前闭合，则当检测到故障时，断路器可以断开。在一个实施例中，用于断开的命令可以是在海上钻探船的管理系统中进行瞬时干接触以用信号通知断路器断开时所生成的数字信号。根据本实施例，由断路器来提供对干接触的激励。激励可以是从船管理系统到断路器的脉冲输出。

在另一实施例中，如果控制器在框706确定了两条母线都是有效的，则该方法前进到框720，其中，可以指令第一接触器断开，并且还可以指令第二接触器断开。在框721，可以在如框720处指令的那样接触器断开之后执行第二电压和电流测量。第二电流可以通过高阻抗变压器被施加到与断路器耦合的第一和第二母线，以执行第二电压和电流测量。可以处理在框721处测量的电压和电流，以确定在第一或第二母线上是否存在故障。在一个实施例中，对于要闭合的断路器，在框721处测量的电压和电流可以大约为零。

在框722，可以指令第二接触器闭合。在框723，第二接触器在如框722处指令的那样闭合之后，可以检查第二母线上的电压。在检查第二母线的电压的同时，还可以测量电流。第三电流可以通过高阻抗变压器被施加到与断路器耦合的第一和第二母线，以便检查第二母线的电压并且测量电流。可以处理在框723处测量的电压和电流，以确定在第二母线上是否存在故障。在一个实施例中，对于要闭合的断路器，在框723处测量的电流可以大约为零。

在框724，可以指令第一接触器闭合，并且可以指令第二接触器断开。在框725，在接触器如框724指令的那样断开或闭合之后，可以检查第一母线上的电压。还可以在检查第一母线的电压的同时测量电流。第四电流可以通过高阻抗变压器被施加到与断路器耦合的第一和第二母线，以便检查第一母线的电压并且测量电流。可以处理在框725处测量的电压和电流，以确定在第一母线上是否存在故障。在一个实施例中，如果断路器最终确定该断路器应当闭合，则在框725处测量的电流必须为零。在一个实施例中，对于要闭合的断路器，在框725处测量的电流可以大约为零。

在框726，可以在第一接触器保持闭合的情况下，监视第一母线电压。在框727，可以通过读取按照如参考图5描述的具有负载电阻器的断开的三角配置布置的次级变压器的电压来检查第一和第二母线两者上的断开的三角电阻器电压。对断开的三角电阻器的电压的检查还可以确定在第一或第二母线上是否存在故障。在实施例中，对于要闭合的断路器，断开的三角电阻器的电压可以大约为零。然后，在框729，断路器可以闭合。

可选地，如果在框727处确定了在第一或第二母线上不存在故障，则可以向同步器传送指令同步器使与断路器耦合的第一和第二母线同步的信号。然后，在第一和第二母线之间的断路器可以闭合以耦合两条母线。在检测到故障的情况下，断路器不可以闭合。此外，当检测到故障时，如果先前闭合，则断路器可以断开。在一个实施例中，用于断开的命令可以是当在海上钻探船的管理系统中进行瞬时干接触以用信号通知断路器断开时所生成的数字信号。根据本实施例，通过断路器来提供对干接触的激励。激励可以是从船管理系统到断路器的脉冲输出。

在另一实施例中，如果控制器在框706处确定了一条母线失效并且一条母线有效，则该方法前进到框730，其中可以指令第一接触器断开，并且还可以指令第二接触器断开。在框731，在接触器在框730处断开之后，可以执行第二电压和电流测量。第二电流可以通过高阻抗变压器被施加到与断路器耦合的第一和第二母线，以便进行第二电压和电流测量。可以处理在框731处测量的电压和电流，以确定在第一或第二母线上是否存在故障。在一个实施例中，对于要闭合的断路器，在框731处测量的电压和电流可以大约为零。

在框732，可以指令与有效母线耦合的接触器闭合。在框733，在与有效母线耦合的接触器如框732处指令的那样闭合之后，可以检查有效母线上的电压。在检查有效母线的电压的同时，还可以测量电流。第三电流可以通过高阻抗变压器被施加到与断路器耦合的第一和第二母线，以便检查有效母线的电压并且测量电流。可以处理在框733处测量的电压和电流，以确定在有效母线上是否存在故障。在一个实施例中，对于要闭合的断路器，在框733处测量的电流可以大约为零。

在框734，可以通过读取按照如参考图5描述的具有负载电阻器的断开的三角配置布置的次级变压器的电压来检查第一和第二母线两者上的断开的三角电阻器电压。对断开的三角电阻器的电压的检查还可以用于确定在第一或第二母线上是否存在故障。在实施例中，如果该方法最终确定了断路器应当闭合，则断开的三角电阻器的电压必须为零。

在框735，可以指令耦合到失效母线的接触器闭合。在框736，可以监视通过闭合接触器的电流，并且还可以监视断开的三角电阻器电压以检查故障。

在实施例中，如果检测到异常母线状态，则接触器之一必须断开。如果检测到异常状况，则不可以允许断路器闭合。该控制器可以在尝试再次闭合两个接触器之前等待可编程的时间。可以允许该过程的单次重复。这可以允许如下情况：两个连接可能在完全相同的时间激励他们之间的母线耦合，从而在根本上健康的系统中导致异常反应。如果先前失效的母线表现为对通过变压器的激励正常地进行响应，则可以保持激励达一短时间段，同时继续监视通过接触器的电流和断开的三角电阻器电压。

可选地，如果还没有在第一或第二母线上检测到故障，则可以向同步器传送指令同步器使与断路器耦合的第一和第二母线同步的信号。然后，可以闭合第一和第二母线之间的断路器以耦合两条母线。在检测到故障的情况下，断路器不可以闭合。此外，当检测到故障时，如果先前闭合，则断路器可以断开。在一个实施例中，用于断开的命令可以是当在海上钻探船的管理系统中进行瞬时干接触以用信号通知断路器断开时所生成的数字信号。根据本实施例，由断路器提供对干接触的激励。激励可以是从船管理系统到断路器的脉冲输出。

在框737，在已经闭合断路器之后，在第一接触器保持闭合的同时，可以断开第二接触器。然后，在框738可以闭合断路器。

如果以固件和/或软件来实现，则诸如参考图3A、图3B、图3C和图7描述的上述功能可以作为一个或多个指令或代码被存储在计算机可读介质上。示例包括编码有数据结构的非临时性计算机可读介质以及编码有计算机程序的计算机可读介质。计算机可读介质包括物理计算机存储介质。存储介质可以是可以由计算机访问的任何可用介质。作为示例而非限制，这样的计算机可读介质可以包括RAM、ROM、EEPROM、CD-ROM或其他光盘存储、磁盘存储或其他磁存储设备、或可以用于以指令或数据结构的形式存储期望程序代码并且可以通过计算机访问的任何其他介质。磁盘和光盘包括压缩光盘（CD）、激光光盘、光盘、数字通用光盘（DVD）、软盘和蓝光光盘。通常，磁盘磁性地复制数据，并且光盘光学地复制数据。上面的组合也应当被包括在计算机可读介质的范围内。

除了在计算机可读介质上进行存储，指令和/或数据可以被提供作为在通信装置中包括的传输介质上的信号。例如，通信装置可以包括具有指示指令和数据的信号的收发机。指令和数据被配置为使得一个或多个处理器实现权利要求中所概述的功能。

虽然已经具体描述了本公开及其优点，但是应当理解，在不背离由所附权利要求限定的本公开的精神和范围的情况下，这里可以进行各种改变、替换和替代。此外，本申请的范围不意图被限制于在本说明书中描述的过程、机器、制品、物质组成、手段、方法和步骤的具体实施例。如本领域普通技术人员将从本公开容易意识到的，可以根据本公开利用与这里描述的相应实施例执行基本上相同的功能或实现基本上相同的结果的、当前存在或以后要开发的过程、公开、机器、制品、物质组成、手段、方法或步骤。因此，所附权利要求意图在其范围内包括在这样的过程、机器、制造、物质组成、手段、方法或步骤。

Claims (12)

1.一种用于电力系统的装置，包括：

能够耦合在第一总线和第二总线之间的断路器，第二总线能够耦合到AC电源；

其中断路器包括控制器，所述控制器被配置成：

确定第一总线过载；以及

响应于确定第一总线过载而闭合，从而将第一总线耦合到第二总线；

其中所述控制器还被配置为：在响应于确定第一总线过载而闭合之前确定第一总线上不存在故障，其中将来自第二总线的电流施加到第一总线以确定在第一总线上是否存在所述故障。

2.如权利要求1所述的装置，其中所述控制器进一步配置为：

确定第一总线欠载；和

响应于确定第一总线欠载而断开，从而将第一总线与第二总线解耦。

3.如权利要求2所述的装置，其中响应于确定第一总线欠载而断开从第一总线移除所述欠载。

4.如权利要求1所述的装置，其中断路器是自主断路器。

5.如权利要求1所述的装置，其中所述断路器还包括用于监视第一总线上的功率频率的传感器。

6.如权利要求5所述的装置，其中确定第一总线过载包括：利用所述传感器检测第一总线上的功率频率变化，所述功率频率变化指示第一总线过载。

7.一种用于电力系统的装置，包括：

能够耦合在第一总线和第二总线之间的断路器，第二总线能够耦合到AC电源；

其中断路器包括控制器，所述控制器被配置成：

确定第一总线欠载；和

响应于确定第一总线欠载而断开，从而将第一总线与第二总线解耦；

其中所述控制器进一步配置为：在响应于确定第一总线过载而闭合之前确定第一总线上不存在故障，其中将来自第二总线的电流施加到第一总线以确定在第一总线上是否存在所述故障。

8.如权利要求7所述的装置，其中所述控制器进一步配置为：

确定第一总线过载；以及

响应于确定第一总线过载而闭合，从而将第一总线耦合到第二总线。

9.如权利要求8所述的装置，其中确定第一总线过载包括：利用传感器检测第一总线上的功率频率变化，所述功率频率变化指示第一总线过载。

10.如权利要求7所述的装置，其中响应于确定第一总线欠载而断开从第一总线移除所述欠载。

11.如权利要求7所述的装置，其中断路器是自主断路器。

12.如权利要求7所述的装置，其中所述断路器还包括被配置为监视第一总线上的功率频率的传感器。

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