CN111900696A - 一种交直流并存供电的岸电继电保护系统及保护方法 - Google Patents

一种交直流并存供电的岸电继电保护系统及保护方法 Download PDF

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Abstract

本发明属于继电保护控制技术领域，公开了一种交直流并存供电的岸电继电保护系统及保护方法，交直流并存供电的岸电继电保护系统包括：交流系统模型及保护配置模块与直流系统模型及保护配置模块；所述交流系统模型及保护配置模块，包括交流系统模型搭建单元与交流保护配置方策略确定单元；用于进行交流系统模型搭建并确定保护配置方案；所述直流系统模型及保护配置模块，包括直流系统模型搭建单元与直流保护配置方策略确定单元；用于进行直流系统模型搭建并确定保护配置方案。本发明能够有效实现交直流并存供电的岸电系统的继电保护控制，当发生故障时，调动保护设备进行中断保护，并采用其他设备为系统供电。

Description

一种交直流并存供电的岸电继电保护系统及保护方法
技术领域
本发明属于继电保护控制技术领域，尤其涉及一种交直流并存供电的岸电继电保护系统及保护方法。
背景技术
随着船舶吨位的不断增长，对于岸电系统容量的要求将不断提升，岸电技术大容量化将是大势所趋，其次是岸电变频、 变压技术研发向着多样化的方向发展，船舶的电力推进系统已开始采用直流电力系统，当此类船舶停靠岸边时，最佳的连接 方式为直流电源直接接入。
现有的岸电技术，主要是采用交流供电系统，鲜有文献提及直流岸电系统的拓扑及相关拓扑的保护方法。现有的交流岸 电系统通过PLC控制器采集岸电系统各设备信息，经过逻辑编程对系统进行保护、控制、后台数据管理，并通过冗余设计提 高其可靠性，存在自动化程度不高、采集数据不完整、参数不齐全、保护方法单一，检测和维修主要依靠人工等问题。由于 仅有交流供电系统，无法直接给直流负载供电，也无法对直流负载系统提供继电保护，这将给交直流负载一体化供电的船舶 码头带来诸多不便。
与常规的交流供电的岸电系统不同，考虑到负载对交流、直流供电多样性的需求，本岸电系统交流和直流回路并存，并 有多种电力电子装置应用，电力电子装置的控制策略对于短路电流有着较大的影响，短路时电力电子装置为保护半导体器件 会限制输出电流，这使得整体的岸电系统的继电保护设计一定的复杂度。由于交直流并存供电的岸电继电保护系统
通过上述分析，现有技术存在的问题及缺陷为：现有技术没有能够为交直流并存供电的岸电系统进行继电保护控制的系 统或方法；且现有继电保护的系统自动化程度不高、采集数据不完整、参数不齐全、保护方法单一，检测和维修主要依靠人 工，智能化程度不高。
解决以上问题及缺陷的难度为：需采用交直流一体化的系统，并提出交直流一体的能够智能保护、自动采集关键数据、 多种方式联锁保护的继电保护策略；根据采集模拟和仿真的方式设定应用条件，并通过实际案例验证，可能存在不确定性。
解决以上问题及缺陷的意义为：交直流负载并存为以后船舶码头发展趋势，此继电保护系统及保护方法，将为交直流并 存供电的岸电系统的设计提供了有力的保障；同时，将将交流系统与直流系统的继电保护分开设计，进一步对继电保护的复 杂度解耦，降低了系统自动化设计难度，通过采集点数据的分渠道选取和模拟仿真，可以快速识别和定位故障，减少了检测 和维修误差，提高了全系统的智能化水平。
发明内容
针对现有技术存在的问题，本发明提供了一种交直流并存供电的岸电继电保护系统及保护方法。
本发明是这样实现的，一种交直流并存供电的岸电继电保护系统，包括：
交流系统模型及保护配置模块，包括交流系统模型搭建单元与交流保护配置方策略确定单元；用于进行交流系统模型搭 建并确定保护配置方案；
直流系统模型及保护配置模块，包括直流系统模型搭建单元与直流保护配置方策略确定单元；用于进行直流系统模型搭 建并确定保护配置方案。
进一步，所述交流系统模型搭建单元包括：自电网10kV进线引接，经有载调压变降压至6.6kV岸电箱，中压电机负载 直接接至6.6kV岸电箱取电，同时6.6kV/0.4kV变压器接入岸电箱，用于给低压380V电机负载供电；中压等效负载2MW， 低压等效负载1MW。
进一步，所述交流系统模型搭建单元还包括：
配置于10kV进线处的用于进行三段式过电流保护、两段式零序过流保护、低频减载、低压减载、三相重合闸、合闸加 速保护的保护设备；
配置于10kV辅助电源处的用于进行电流速断保护、两段式过流保护、低压侧零序过流保护、高压侧零序过流保护、过 负荷保护、负序电流保护、电流加速保护、带电流条件的低压保护、零序过压保护以及非电量保护的保护设备；
配置于10kV变压器高压侧处的用于进行差动速断保护、比率差动保护、电流速断保护、两段式过流保护、高/低压侧零 序过流保护、过负荷保护、电流加速保护、带电流条件的低压保护、零序过压告警、逆功率保护、过电压保护以及非电量保 护的保护设备；
配置于6.6kV变压器低压侧处的用于进行电流速断保护、两段式过流保护、低压侧零序过流保护、高压侧零序过流保护、 过负荷保护、负序电流保护、电流加速保护、带电流条件的低压保护、零序过压保护以及非电量保护的保护设备；
配置于6.6kV APF处的用于进行两段式过流保护、两段零序过流保护、三相不平衡电流保护、零序过电压保护的保护设 备；
配置于6.6kV SVG处的用于进行电流速断保护、两段式过流保护、低压侧零序过流保护、高压侧零序过流保护、过负荷 保护、负序电流保护、电流加速保护、带电流条件的低压保护、零序过压保护以及非电量保护的保护设备；
配置于6.6kV接地变处的用于进行电流速断保护、两段式过流保护、低压侧零序过流保护、高压侧零序过流保护、过负 荷保护、负序电流保护、电流加速保护、带电流条件的低压保护、零序过压保护以及非电量保护的保护设备；
配置于6.6kV到岸电箱馈线处的用于光纤纵联差动保护、三段式过电流保护、两段式零序过流保护、PT断线后过流保护、 低频减载、低压减载、三相重合闸、合闸加速保护、过负荷保护、闭锁简易母线保护、逆功率保护、过电压保护的保护设备。
进一步，所述交流保护配置方策略确定单元确定保护配置的方案包括：
F1故障时保护配置方法(策略)：当故障发生在船舶负载侧时，由负载侧保护装置进行保护；当负载侧保护失效时，由 安装在6.6kV岸电箱的线路保护综保装置作为后备保护跳闸，切除隔离故障；
F2故障时保护配置方法(策略)：当故障F2发生在6.6kV到岸电箱的线路上发生故障时，由线路光差保护快速动作切除 故障；
F3故障时保护配置方法(策略)：当故障F3发生在6.6kV接地变高压侧，由6.6kV接地变配置的保护装置动作；当接地 变保护装置无法切除故障时，由降压变低压侧的保护装置作为后备保护动作切除故障；
F4故障时保护配置方法(策略)：当故障F4发生在降压变低压侧时，由6.6kV低压侧配置的保护装置动作；
F5故障时保护配置方法(策略)：当故障F5发生在降压变高压侧时，由配置的差动保护动作；当故障发生在10kV辅助 电源时，由辅助电源保护装置动作，当保护装置无法切除故障时，由10kV进线保护装置的后备保护动作；
F6故障时保护配置策略：当故障F6发生10kV进线故障时，由进线保护装置动作，将跳开10kV进线开关，岸电电源侧 故障，全站失电，船舶负载无法通过交流供电系统取电。
进一步，所述直流系统模型搭建单元包括：
配置于10kV进线处的用于进行三段式过电流保护、两段式零序过流保护、低频减载、低压减载、三相重合闸、合闸加 速保护的保护设备；
配置于10kV整流变高压侧处的用于进行差动速断保护、比率差动保护、电流速断保护、两段式过流保护、高/低压侧零 序过流保护、过负荷保护、电流加速保护、带电流条件的低压保护、零序过压告警、逆功率保护、过电压保护、非电量保护 的保护设备；
配置于2.3kV整流变低压侧处的用于进行电流速断保护、两段式过流保护、低压侧零序过流保护、高压侧零序过流保护、 过负荷保护、负序电流保护、电流加速保护、带电流条件的低压保护、零序过压保护、非电量保护的保护设备；
配置于2.3kV APF处的用于进行两段式过流保护、两段零序过流保护、三相不平衡电流保护、零序过电压保护的保护设 备；
配置于2.3kV整流器处的用于进行电流速断保护、两段式过流保护、低压侧零序过流保护、高压侧零序过流保护、过负 荷保护、负序电流保护、电流加速保护、带电流条件的低压保护、零序过压保护、非电量保护的保护设备。
进一步，所述直流保护配置方策略确定单元确定保护配置方案包括：
F1故障时保护配置方法(策略)：当故障发生在船舶负载侧M1或M2时，由负载侧保护装置进行保护；当负载侧保护 失效时，由其供电的710V/380V变流器中保护功能动作，切除隔离故障；
F2故障时保护配置方法(策略)：当故障F2发生在4kV到岸电箱的直流线路上时，由直流线路保护装置切除故障；
F3故障时保护配置方法(策略)：当故障F3发生在2MW整流器输出端时，由整流器提供的保护功能动作；
F4故障时保护配置方法(策略)：当故障F4发生在整流变低压侧时，由整流变压器差动保护动作；
F5故障时保护配置方法(策略)：当故障F5发生在整流变高压侧时，由配置的差动保护动作；当故障发生在10kV辅助 电源时，由辅助电源保护装置动作，当保护装置无法切除故障时，由10kV进线保护装置的后备保护动作；
F6故障时保护配置方法(策略)：当故障F6发生10kV进线故障时，由进线保护装置动作，此时将跳开10kV进线开关， 岸电电源侧故障，全站失电，船舶负载无法通过直流供电系统取电。
进一步，所述直流保护配置方策略确定单元确定保护配置方案还包括：直流汇流母线差动保护、直流电压不平衡保护、 直流过电压保护、直流低电压保护、直流支路过电流保护。
本发明的另一目的在于提供一种交直流并存供电的岸电继电保护方法包括：
对交流供电系统的各不同故障点发生故障时，各保护装置实施相应动作配合进行供电保护；
对直流供电系统的各不同故障点发生故障时，各保护装置实施相应动作配合进行供电保护。
本发明的另一目的在于提供一种搭载所述交直流并存供电的岸电继电保护系统的船舶岸电系统。
结合上述的所有技术方案，本发明所具备的优点及积极效果为：根据负载和交直流岸电系统的进行了优化配置，不仅能 给中低压的交流负载供电，也可以给中低压的直流负载直接供电，且针对具体故障和系统的交直流拓扑实现综合保护，具有 专一性和安全性，且能实时实现故障的判别，自动化程度高。
本发明的继电保护系统结构简单、能够有效实现交直流并存供电的岸电系统的继电保护控制，当发生故障时，调动保护 设备进行中断保护，并采用其他设备为系统供电。
附图说明
为了更清楚地说明本申请实施例的技术方案，下面将对本申请实施例中所需要使用的附图做简单的介绍，显而易见地， 下面所描述的附图仅仅是本申请的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下还可以根据这 些附图获得其他的附图。
图1是本发明实施例提供的交直流并存供电的岸电继电保护系统结构示意图；
图中：1、交流系统模型及保护配置模块；2、直流系统模型及保护配置模块；11、交流系统模型搭建单元；12、交流 保护配置方策略确定单元；21、直流系统模型搭建单元；22、直流保护配置方策略确定单元。
图2是本发明实施例提供的岸电交流供电系统主接线图。
图3是本发明实施例提供的差动保护的制动特性示意图。
图4是本发明实施例提供的逆功率保护逻辑图。
图5是本发明实施例提供的岸电直流供电系统主接线图。
图6是本发明实施例提供的岸电直流供电系统直流测点示意图。
图7是本发明实施例提供的基于PSCAD软件搭建的交流系统仿真主接线图。
图8是本发明实施例提供的F1故障模型示意图。
图9是本发明实施例提供的F1B相接地故障时故障电流波形图。
图10是本发明实施例提供的F1B相接地故障时故障电压波形图。
图11是本发明实施例提供的F1AB相间故障时故障电流波形图。
图12是本发明实施例提供的F1AB相间故障时故障电压波形图。
图13是本发明实施例提供的F1三相故障时故障电流波形图。
图14是本发明实施例提供的F1三相故障时故障电压波形图。
图15是本发明实施例提供的F2故障模型示意图。
图16是本发明实施例提供的F2单相故障时故障电流波形图。
图17是本发明实施例提供的F2单相接地故障时故障电压波形图。
图18是本发明实施例提供的F2相间故障时故障电流波形图。
图19是本发明实施例提供的F2单相接地故障时故障电压波形图。
图20是本发明实施例提供的F2三相故障时故障电流波形图。
图21是本发明实施例提供的F2单相接地故障时故障电压波形图。
图22是本发明实施例提供的F5单相故障时故障电流波形图。
图23是本发明实施例提供的F5单相故障时故障电压波形图。
图24是本发明实施例提供的F5相间故障时故障电流波形图。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此 处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
针对现有技术存在的问题，本发明提供了一种交直流并存供电的岸电继电保护系统及保护方法，下面结合附图对本发明 作详细的描述。
实施方案：若在直流系统中加入储能模块，实现在平时存储能量，在系统断电时，自由切换到交直流供电的模式。那么， 此时相当于一套继电保护系统两用，既可用于平时状态、又可用于应急状态。
如图1所示，本发明实施例提供的交直流并存供电的岸电继电保护系统包括：
交流系统模型及保护配置模块1与直流系统模型及保护配置模块2；
所述交流系统模型及保护配置模块1，包括交流系统模型搭建单元11与交流保护配置方策略确定单元12；用于进行交 流系统模型搭建并确定保护配置方案；
所述直流系统模型及保护配置模块2，包括直流系统模型搭建单元21与直流保护配置方策略确定单元22；用于进行直 流系统模型搭建并确定保护配置方案。
本发明实施例提供的交流系统模型包括：自电网10kV进线引接，经有载调压变降压至6.6kV岸电箱，中压电机负载直 接接至6.6kV岸电箱取电，同时6.6kV/0.4kV变压器接入岸电箱，用于给低压380V电机负载供电；中压等效负载2MW，低 压等效负载1MW。
本发明实施例提供的交流系统模型还包括：线路保护设备、变压器保护设备、接地变保护设备、滤波器保护设备、光纤 差动保护设备、6.6kV和380V等效负载电动机；
本发明实施例提供的交流保护配置方法(策略)包括：
F1故障时保护配置方法：当故障发生在船舶负载侧时，由负载侧保护装置进行保护；当负载侧保护失效时，由安装在 6.6kV岸电箱的线路保护综保装置作为后备保护跳闸，切除隔离故障；
F2故障时保护配置方法：当故障F2发生在6.6kV到岸电箱的线路上发生故障时，由线路光差保护快速动作切除故障；
F3故障时保护配置方法：当故障F3发生在6.6kV接地变高压侧，由6.6kV接地变配置的保护装置动作；当接地变保护 装置无法切除故障时，由降压变低压侧的保护装置作为后备保护动作切除故障；
F4故障时保护配置方法：当故障F4发生在降压变低压侧时，由6.6kV低压侧配置的保护装置动作；
F5故障时保护配置方法：当故障F5发生在降压变高压侧时，由配置的差动保护动作；当故障发生在10kV辅助电源时， 由辅助电源保护装置动作，当保护装置无法切除故障时，由10kV进线保护装置的后备保护动作；
F6故障时保护配置方法：当故障F6发生10kV进线故障时，由进线保护装置动作，将跳开10kV进线开关，岸电电源侧 故障，全站失电，船舶负载无法通过交流供电系统取电。
本发明实施例提供的直流系统模型包括：线路保护设备、整流变压器保护设备、滤波器保护设备、整流器保护设备、710V 和380V等效电动机；
具体包括：
配置于10kV进线处的用于进行三段式过电流保护、两段式零序过流保护、低频减载、低压减载、三相重合闸、合闸加 速保护的保护设备；
配置于10kV整流变高压侧处的用于进行差动速断保护、比率差动保护、电流速断保护、两段式过流保护、高/低压侧零 序过流保护、过负荷保护、电流加速保护、带电流条件的低压保护、零序过压告警、逆功率保护、过电压保护、非电量保护 的保护设备；
配置于2.3kV整流变低压侧处的用于进行电流速断保护、两段式过流保护、低压侧零序过流保护、高压侧零序过流保护、 过负荷保护、负序电流保护、电流加速保护、带电流条件的低压保护、零序过压保护、非电量保护的保护设备；
配置于2.3kV APF处的用于进行两段式过流保护、两段零序过流保护、三相不平衡电流保护、零序过电压保护的保护设 备；
配置于2.3kV整流器处的用于进行电流速断保护、两段式过流保护、低压侧零序过流保护、高压侧零序过流保护、过负 荷保护、负序电流保护、电流加速保护、带电流条件的低压保护、零序过压保护、非电量保护的保护设备。
本发明实施例提供的直流保护配置方策略包括：
F1故障时保护配置策略：当故障发生在船舶负载侧M1或M2时，由负载侧保护装置进行保护；当负载侧保护失效时， 由其供电的710V/380V变流器中保护功能动作，切除隔离故障；
F2故障时保护配置方法：当故障F2发生在4kV到岸电箱的直流线路上时，由直流线路保护装置切除故障；
F3故障时保护配置方法：当故障F3发生在2MW整流器输出端时，由整流器提供的保护功能动作；
F4故障时保护配置方法：当故障F4发生在整流变低压侧时，由整流变压器差动保护动作；
F5故障时保护配置方法：当故障F5发生在整流变高压侧时，由配置的差动保护动作；当故障发生在10kV辅助电源时， 由辅助电源保护装置动作，当保护装置无法切除故障时，由10kV进线保护装置的后备保护动作；
F6故障时保护配置方法：当故障F6发生10kV进线故障时，由进线保护装置动作，此时将跳开10kV进线开关，岸电电 源侧故障，全站失电，船舶负载无法通过直流供电系统取电。
本发明实施例提供的直流保护配置方策略还包括：直流汇流母线差动保护、直流电压不平衡保护、直流过电压保护、直 流低电压保护、直流支路过电流保护。
下面结合具体实施例对本发明的技术方案作进一步说明。
实施例1：
一、交流系统模型及保护配置分析
典型的交流系统考虑从电网10kV进线引接，经有载调压变降压至6.6kV岸电箱，考虑到负载的多样性，中压电机负载 直接接至6.6kV岸电箱取电，另外6.6kV/0.4kV变压器可接入岸电箱，未来给低压380V电机负载供电。中压等效负载考虑 2MW左右，低压等效负载考虑约1MW。
1.1 保护配置方案
岸上的交流供电系统主接线图及保护配置见图2。
根据主接线图1，需要配置有线路保护、变压器保护、接地变保护、滤波器保护、光纤差动保护等保护设备。等效负载 考虑6.6kV和380V等效电动机，负载也会配置相应的保护功能。
光纤差动保护、线路保护、变压器保护、滤波器保护和接地变保护配置的保护功能见表1。
表1保护配置代号及保护配置功能
Figure BDA0002586005200000041
Figure BDA0002586005200000051
1.2 交流供电系统保护配置策略
系统保护配置策略主要参照图2中所列出的各不同故障点发生故障时整体的保护装置动作配合来进行分析。
F1故障时各装置动作分析
当故障发生在船舶负载侧时，首先由负载侧保护装置能够快速动作。负载侧电动机通常配置有电动机各种保护功能。当 负载侧保护失效时，由安装在6.6kV岸电箱的线路保护综保装置作为后备保护跳闸，从而切除隔离故障。
当部分船舶负载故障时，其他船舶负载仍可通过交流供电系统取电。
F2故障时各装置动作分析
当故障F2发生在6.6kV到岸电箱的线路上发生故障时，首先由线路光差保护快速动作切除故障，此时船舶负载侧无法 取电，故障也不会危及负载侧设备安全。6.6kV APF、6.6kV SVG、6.6kV接地变由于感知不到故障电流，所以保护不会动作。
当F2故障时，船舶负载无法通过交流系统取电。
F3故障时各保护动作分析
当故障F3发生在6.6kV接地变高压侧，此时首先由6.6kV接地变配置的保护装置动作；对6.6kV到岸电箱的光差保护而 言，属于区外故障，不会动作，对于6.6kV APF、6.6kVSVG由于感知到不到故障电流，所以保护不会动作。对于船舶负载侧， 由于无法感知到故障电流，所以船舶负载保护不会动作。
当接地变保护装置无法切除故障时，由降压变低压侧的保护装置作为后备保护动作切除故障。
对于发生在6.6kV APF、6.6kV SVG的故障，与6.6kV接地变类似，都是由各自配置的保护装置动作，其他6.6kV保护装 置不会动作，船舶负载侧保护不会动作。当F3故障或6.6kV APF或6.6kV SVG发生故障时，船舶负载通过交流系统取电不受 影响。
F4故障时各保护动作分析
当故障F4发生在降压变低压侧时，此时属于变压器差动保护的区外故障，由6.6kV低压侧配置的保护装置动作，由于 6.6kV APF、6.6kV SVG、6.6kV接地变及6.6kV至岸电箱线路无法感知故障电流，所以保护都不动作。对于船舶负载侧，由于 无法感知到故障电流，所以船舶负载保护不会动作。
F4故障时，船舶负载无法通过交流供电系统取电。
F5故障时各保护动作分析
当故障F5发生在降压变高压侧时，此种情况属于变压器区内故障，首先由配置的差动保护动作，对于降压变低压侧、 6.6kV APF、6.6kV SVG、6.6kV接地变及6.6kV至岸电箱线路无法感知故障电流，所以保护都不动作。对于船舶负载侧，由于 无法感知到故障电流，所以船舶负载保护不会动作。F5处发生故障时，船舶负载无法通过交流供电系统取电。
当故障发生在10kV辅助电源时，首先由辅助电源保护装置动作，当保护装置无法切除故障时，由10kV进线保护装置 的后备保护动作。此时，10kV降压变及6.6kV APF、6.6kVSVG、6.6kV接地变及6.6kV至岸电箱线路无法感知故障电流，所 以保护都不动作。对于船舶负载侧，由于无法感知到故障电流，所以船舶负载保护不会动作。当10kV辅助电源故障时，船 舶负载通过交流供电系统取电不受影响。
F6故障时各保护动作分析
当故障F6发生10kV进线故障时，此时由进线保护装置动作，此时将跳开10kV进线开关，岸电电源侧故障，全站失电， 船舶负载无法通过交流供电系统取电。
1.3 交流供电系统主要保护功能原理介绍
光纤差动保护
分析到给船舶负载供电的可靠性要求，当从6.6kV到岸电箱间的电缆故障时，配置光纤差动保护，以提高故障检测的灵 敏度，从而快速动作。通常光纤差动保护装在线路的2侧，保护与通讯终端设备间采用光缆连接。
电流差动保护主要功能有：
分相式电流差动保护；
具有CT断线闭锁功能，CT断线后可经控制字闭锁差动保护功能；
具有CT饱和检测功能，CT饱和后可选择是否闭锁差动；
具有2Mbps高速通信口，可采用专用通道(2Mbps)。可复接G.703标准64kbps同向接口，也可复用2Mbps(E1)接口；
具有双通道冗余功能，两个通道可分别采用专用或复用64kbps或2Mbps任意组合；
经由保护的通信通道可传送“远跳”命令和“远传”命令；
保护间的数据通信采用16位CRC校验；
电流差动保护特性见图3，动作方程中Icd为差动定值：
当Ir<＝Icd*(5/3)时Id>Icd(分相差动定值)时动作；
当(5/3)*Icd<Ir<5*Icd时(Id-Icd)>0.6*(Ir-Icd*5/3)时动作；
当Ir>＝5*Icd时Id-[0.6*(5*Icd-Icd*5/3)+Icd]>0.8*(Ir-5*Icd)时动作。
上式中：差动电流
Figure BDA0002586005200000062
制动电流
Figure BDA0002586005200000063
其中IM为M侧线路电流，IN为N侧线路电流。
常规三段式折线特性，2拐点(Ir1＝5Icd/3，Ir2＝5Icd)，3斜率(0，0.6，0.8)组成2拐点3折线。当检测到任一相CT饱和后， 闭锁该相差动保护，非饱和相不受影响；当检测到任一相CT断线后，该相差动保护按照高定值动作曲线动作，拐点及斜率 均不变，非断线相不受影响。
2)逆功率保护
当船舶负载靠岸，需要接至6.6kV交流岸电箱取电时，为避免船舶负载电机倒送功率到岸电系统，可分析在岸电馈线 保护配置逆功率保护，逆功率计算公式：P＝UabIa+UcbIc
当有功为负且绝对值大于的整定值时，逆功率保护启动，逆功率保护动作条件：
d)P为负且绝对值大于整定值；
e)PT断线条件不满足；
f)延时时间到。
二、直流系统模型及保护配置分析
考虑到船舶负载的多样性，岸电供电系统除了交流系统供电，还提供有直流系统供电。
2.1 保护配置方案
岸上的直流供电系统主接线图及保护配置见图5。
根据主接线图5，需要配置有线路保护、整流变压器保护、滤波器保护、整流器保护等保护设备。等效负载考虑710V 和380V等效电动机，负载也会配置相应的保护功能。
线路保护、整流变压器保护、滤波器保护和整流器保护配置的主要保护功能见表2。
表2保护配置代号及保护配置功能
Figure BDA0002586005200000061
Figure BDA0002586005200000071
2.2直流供电系统保护配置策略
系统保护配置策略主要参照图5中所列出的各不同故障点发生故障时整体的保护装置动作配合来进行分析。
F1故障时各装置动作分析
当故障发生在船舶负载侧M1或M2时，首先由负载侧保护装置能够快速动作。负载侧电动机通常配置有电动机各种保 护功能。当负载侧保护失效时，由其供电的710V/380V变流器中保护功能动作，从而切除隔离故障。
当部分船舶负载故障时，其他船舶负载仍可通过直流供电系统取电。
F2故障时各装置动作分析
当故障F2发生在4kV到岸电箱的直流线路上时，首先由直流线路保护装置切除故障，此时船舶负载侧无法取电，故障 也不会危及负载侧设备安全。6.6kV APF、6.6kV SVG、6.6kV接地变由于感知不到故障电流，所以保护不会动作。
当F2故障时，船舶负载无法通过直流流系统取电。
F3故障时各装置动作分析
当故障F3发生在2MW整流器输出端时，首先由整流器提供的保护功能动作，4kV直流保护感知不到故障电流，所以保 护不会动作。对于船舶负载侧，由于无法感知到故障电流，所以船舶负载保护不会动作。当F3故障时，船舶负载通过直流 系统取电不受影响。
F4故障时各装置动作分析
当故障F4发生在整流变低压侧时，此时属于变压器差动保护的区内故障，由整流变压器差动保护动作，整流器、变流 器无法感知故障电流，所以保护都不动作。对于船舶负载侧，由于无法感知到故障电流，所以船舶负载保护不会动作。
F4故障时，船舶负载无法通过直流供电系统取电。
F5故障时各装置动作分析
当故障F5发生在整流变高压侧时，此种情况属于变压器区内故障，首先由配置的差动保护动作，对于整流变低压侧、 整流器、4kV直流线路和变流器无法感知故障电流，所以保护都不动作。对于船舶负载侧，由于无法感知到故障电流，所以 船舶负载保护不会动作。F5处发生故障时，船舶负载无法通过直流供电系统取电。
当故障发生在10kV辅助电源时，首先由辅助电源保护装置动作，当保护装置无法切除故障时，由10kV进线保护装置 的后备保护动作。此时，10kV整流变及整流器、变流器等无法感知故障电流，所以保护都不动作。对于船舶负载侧，由于 无法感知到故障电流，所以船舶负载保护不会动作。当10kV辅助电源故障时，船舶负载通过直流供电系统取电不受影响。
F6故障时各装置动作分析
当故障F6发生10kV进线故障时，此时由进线保护装置动作，此时将跳开10kV进线开关，岸电电源侧故障，全站失电， 船舶负载无法通过直流供电系统取电。
2.3 直流系统中直流供电保护配置
1)4kV直流系统保护配置
4kV系统中可控整流器，中压直流开关量柜内的直流汇集母线及其出线的保护配置进行重点研究。
4kV中压直流系统测点布置如图所示。
4kV中压直流系统保护功能配置：
序号 保护名称
1 直流汇流母线差动保护
2 直流电压不平衡保护
3 直流过电压保护
4 直流低电压保护
5 直流支路过电流保护
2)4kV中压直流系统保护原理
A)直流汇流母线差动保护
Figure BDA0002586005200000072
Figure BDA0002586005200000081
B)直流电压不平衡保护
Figure BDA0002586005200000082
C)直流过电压保护
Figure BDA0002586005200000083
D)直流低电压保护
保护区域 承受直流电压的设备
保护名称 直流低电压压保护
保护的故障 保护整个直流系统产生的低电压。
保护原理 |UdP-UdN|<U_set。
保护配合 作为直流系统接地或短路故障的总后备，延时需要和其它保护配合。
后备保护 本身为后备保护
出口方式 跳母线各支路开关。
E)直流支路过电流保护
Figure BDA0002586005200000084
Figure BDA0002586005200000091
三、下面结合仿真分析及配置方案验证对本发明作进一步描述。
仿真分析采用PSCAD仿真工具，基于图1和图5分别搭建交流和直流系统的仿真模型，并对故障点F1～F6进行仿真分 析。
3.1 岸电交流供电系统故障仿真
仿真模型见图7，仿真模型中一些典型参数选取：配电网等效内阻取10Ω，接地变压器接地电阻10Ω，短路过渡电阻 0.1Ω，变压器短路阻抗6％。仿真波形标识说明：i11为变压器高压侧电流；i12为变压器低压侧电流；i13为接地变压器侧 测点电流；i14为船舶负载中压侧电流；i15为船舶负载侧电流。
从仿真分析看，本发明中交流供电系统保护配置策略部分对各处的保护配置分析是正确的。具体见3.1.1、3.1.2和3.1.3 的仿真分析。
3.1.1 F1故障仿真情况：
F1处的故障特征与接地变压器的接地电阻、回路阻抗、短路电阻等直接相关。
1)单相故障：
以B相为例，故障时间0.1s，故障波形见图9和图10。
从图9和图10波形可见，故障相电压跌落至零，非故障相电压升高至线电压；故障相电流增大约1倍，非故障相电流 几乎不变。
2)相间故障：
相间故障仿真可见，故障相电压跌落至零，非故障相电压升高至线电压；故障相电流增大约5倍，非故障相电流几乎不 变。
以AB相为例，故障时间0.1s，故障波形见图11和图12。
c)三相故障：
仿真分析可见，故障处相电压跌落至零，非故障处电压跌落较少；故障相电流增大约6倍。
故障时间0.1s，故障波形见图13和图14。
3.1.2 F2故障仿真
F2处的故障特征与接地变压器的接地电阻、回路阻抗、短路电阻等直接相关。F3处故障与F2故障特征基本相同，模型 中是一个点。F4处故障与F2、F3故障特征基本相同，模型中是一个点。
1)单相故障：
仿真分析可见，当6.6kV单相接地故障时，故障相电压跌落至零，非故障相电压升高至线电压；故障相电流增大约1倍， 非故障相电流几乎不变。故障时，船舶负载故障相将失压。
以A相为例，故障时间0.1s，故障波形见图16和图17。
2)相间故障：
从仿真分析可见，当6.6kV侧发生相间故障时，故障相电压跌落至零，非故障相电压升高至线电压；故障相电流增大约 5倍，非故障相电流几乎不变。故障时，船舶负载故障相电流电压降低严重。
以AB相间故障为例，故障时间0.1s，故障波形见图18和图19。
3)三相故障：
从波形中可见，故障处相电压跌落至零，非故障处电压跌落较少；故障相电流增大约7倍。故障时，船舶负载失电。
三相故障时间0.1s，故障波形见图20和图21。
3.1.3 F5故障分析
F5处的故障特征与接地变压器的接地电阻、回路阻抗、短路电阻等直接相关。与接入的配电网的短路容量直接相关： 容量越大，短路电流水平越高；容量越小，短路电流水平越低。F6处故障特征与F5模型中为一个点，故障类型相同。
1)单相故障：
10kV高压侧故障单相故障时，相电流增大约5倍，非故障相电流基本不变。中压侧电压电流均有不同程度降低。以A 相为例，故障开始时刻1s，故障持续时间0.1s，故障波形见图23和图24。
2)两相故障：
当发生两相故障时，10kV高压侧故障相电流增大约5倍，故障特征与配电网参数直接相关，故障期间船舶负载失电。
以AB相间故障为例，故障开始时刻1s，故障持续时间0.1s。
c)三相故障：
当10kV高压侧三相故障时，故障相电流增大约5倍，故障特征与配电网参数直接相关，故障期间船舶负载失电。故障 开始时刻1s，故障持续时间0.1s。
3.2 岸电直流系统故障仿真
采用PSCAD仿真工具，建立类似于图4的模型，故障仿真依然是采用图4中的F1～F6故障仿真分析。
从仿真分析看，本发明中直流供电系统保护配置策略部分对各处的保护配置分析是正确的。具体见下3.2.1、3.2.2、3.2.3 和3.2.4仿真分析。
3.2.1 F1故障分析
1)单相故障
当船舶负载在单相金属性故障时，故障相电压降低，非故障相升高至线电压；故障电流升高，故障影响710V直流侧电 压降低，直流电流增大。4kV侧直流系统基本不受影响。
以船舶等效负载A相接地故障为例。
2)两相故障
船舶负载在相间金属性故障时，故障相电压降低，非故障相升高至线电压；故障电流升高，故障影响710V直流侧电压 进一步降低，直流电流进一步增大。4kV侧直流系统基本不受影响。
以AB相间故障为例。
3)三相故障
船舶负载在三相金属性故障时，故障导致相电压降低，故障电流进一步增大。4kV侧直流系统基本不受影响。
3.2.2 F2故障分析
F2故障点主要在直流部分，所以故障分析主要分析单极故障和极间故障。F3故障与F2处故障特性相同。
1)单极故障
直流配电网单极故障特征与系统的接地方式直接相关。当联接变压器采用阀侧经大电阻接地方式时，单极故障特性与交 流配电网类似：单极接地故障电流较小，可实现待故障运行一段时间。换流设备采用定直流电压策略，即直流正负极间电压 不变；故障极电压降低，非故障极电压升高，保持极间电压基本不变。
故障工况：金属性接地故障，故障持续时间0.1s；
经仿真分析，可得出：单极故障时，故障入地电流未超过额定电流；故障相电压发生偏置，非故障电压不变。4kV侧故 障对710V侧供电没有影响。
2)极间故障
直流极间故障时，故障入地电流远远超过额定电流；故障相电压、非故障电压均降低。此时保护应动作切除故障，则 4kV侧故障对导致710V侧供电中断。
F4故障分析
单相故障
经仿真分析，可以看到，在变压器低压侧单相故障时，故障相电压跌落至零，非故障相电压升高至线电压；故障相电流 明显增大。由于交流电压不平衡，会在4kV直流侧产生交流分量；710V负载处受影响较小。
两相故障
变压器低压侧相间故障时，故障相电压跌落至零，非故障相电压升高至线电压；故障相电流明显增大。由于交流电压不 平衡，会在4kV直流侧产生交流分量；710V负载处受影响较小。
以AB相间故障为例。
三相故障
变压器低压侧三相故障时，故障相电压跌落至零，非故障相电压升高至线电压；故障相电流明显增大。由于交流电压不 平衡，会在4kV直流侧产生交流分量；710V负载处受影响较小。
以ABC三相故障为例，对应的故障波形和直流及船舶负载波形图。
F5故障分析：
F5为整流变高压侧故障，F6与F5故障类似，具体以F5为例分析，分析分单相故障、相间故障和三相故障分别分析。
单相故障
变压器高压侧单相故障时，故障相电压跌落至零，非故障相电压升高至线电压；故障相电流明显增大。但由于连接变压 器的Y-△联接方式隔离了故障，直流侧受影响较小。
以A相为例。
两相故障
变压器高压侧两相故障时，故障相电压跌落至零，非故障相电压升高至线电压；故障相电流明显增大。直流中压4kV 侧电压电流出现小幅度波动，直流低压侧受影响较小。
以AB相间故障为例。
三相故障
变压器高压侧三相故障时，故障相电压跌落至零，非故障相电压升高至线电压；故障相电流明显增大。直流中压4kV 侧电压电流出现小幅度波动，直流低压侧受影响较小。
以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明 揭露的技术范围内，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种交直流并存供电的岸电继电保护系统，其特征在于，所述交直流并存供电的岸电继电保护系统包括：
交流系统模型及保护配置模块，包括交流系统模型搭建单元与交流保护配置方策略确定单元；用于进行交流系统模型搭建并确定配置方法；
直流系统模型及保护配置模块，包括直流系统模型搭建单元与直流保护配置方策略确定单元；用于进行直流系统模型搭建并确定配置方法。
2.如权利要求1所述交直流并存供电的岸电继电保护系统，其特征在于，所述交流系统模型搭建单元包括：自电网10kV进线引接，经有载调压变降压至6.6kV岸电箱，中压电机负载直接接至6.6kV岸电箱取电，同时6.6kV/0.4kV变压器接入岸电箱，用于给低压380V电机负载供电；中压等效负载2MW，低压等效负载1MW。
3.如权利要求1所述交直流并存供电的岸电继电保护系统，其特征在于，所述交流系统模型搭建单元还包括：
配置于10kV进线处的用于进行三段式过电流保护、两段式零序过流保护、低频减载、低压减载、三相重合闸、合闸加速保护的保护设备；
配置于10kV辅助电源处的用于进行电流速断保护、两段式过流保护、低压侧零序过流保护、高压侧零序过流保护、过负荷保护、负序电流保护、电流加速保护、带电流条件的低压保护、零序过压保护以及非电量保护的保护设备；
配置于10kV变压器高压侧处的用于进行差动速断保护、比率差动保护、电流速断保护、两段式过流保护、高/低压侧零序过流保护、过负荷保护、电流加速保护、带电流条件的低压保护、零序过压告警、逆功率保护、过电压保护以及非电量保护的保护设备；
配置于6.6kV变压器低压侧处的用于进行电流速断保护、两段式过流保护、低压侧零序过流保护、高压侧零序过流保护、过负荷保护、负序电流保护、电流加速保护、带电流条件的低压保护、零序过压保护以及非电量保护的保护设备；
配置于6.6kV APF处的用于进行两段式过流保护、两段零序过流保护、三相不平衡电流保护、零序过电压保护的保护设备；
配置于6.6kV SVG处的用于进行电流速断保护、两段式过流保护、低压侧零序过流保护、高压侧零序过流保护、过负荷保护、负序电流保护、电流加速保护、带电流条件的低压保护、零序过压保护以及非电量保护的保护设备；
配置于6.6kV接地变处的用于进行电流速断保护、两段式过流保护、低压侧零序过流保护、高压侧零序过流保护、过负荷保护、负序电流保护、电流加速保护、带电流条件的低压保护、零序过压保护以及非电量保护的保护设备；
配置于6.6kV到岸电箱馈线处的用于光纤纵联差动保护、三段式过电流保护、两段式零序过流保护、PT断线后过流保护、低频减载、低压减载、三相重合闸、合闸加速保护、过负荷保护、闭锁简易母线保护、逆功率保护、过电压保护的保护设备。
4.如权利要求1所述交直流并存供电的岸电继电保护系统，其特征在于，所述交流保护配置方策略确定单元确定保护配置的方案包括：
F1故障时保护配置方法：当故障发生在船舶负载侧时，由负载侧保护装置进行保护；当负载侧保护失效时，由安装在6.6kV岸电箱的线路保护综保装置作为后备保护跳闸，切除隔离故障；
F2故障时保护配置方法：当故障F2发生在6.6kV到岸电箱的线路上发生故障时，由线路光差保护快速动作切除故障；
F3故障时保护配置方法：当故障F3发生在6.6kV接地变高压侧，由6.6kV接地变配置的保护装置动作；当接地变保护装置无法切除故障时，由降压变低压侧的保护装置作为后备保护动作切除故障；
F4故障时保护配置方法：当故障F4发生在降压变低压侧时，由6.6kV低压侧配置的保护装置动作；
F5故障时保护配置方法：当故障F5发生在降压变高压侧时，由配置的差动保护动作；当故障发生在10kV辅助电源时，由辅助电源保护装置动作，当保护装置无法切除故障时，由10kV进线保护装置的后备保护动作；
F6故障时保护配置方法：当故障F6发生10kV进线故障时，由进线保护装置动作，将跳开10kV进线开关，岸电电源侧故障，全站失电，船舶负载无法通过交流供电系统取电。
5.如权利要求1所述交直流并存供电的岸电继电保护系统，其特征在于，所述直流系统模型搭建单元包括：
配置于10kV进线处的用于进行三段式过电流保护、两段式零序过流保护、低频减载、低压减载、三相重合闸、合闸加速保护的保护设备；
配置于10kV整流变高压侧处的用于进行差动速断保护、比率差动保护、电流速断保护、两段式过流保护、高/低压侧零序过流保护、过负荷保护、电流加速保护、带电流条件的低压保护、零序过压告警、逆功率保护、过电压保护、非电量保护的保护设备；
配置于2.3kV整流变低压侧处的用于进行电流速断保护、两段式过流保护、低压侧零序过流保护、高压侧零序过流保护、过负荷保护、负序电流保护、电流加速保护、带电流条件的低压保护、零序过压保护、非电量保护的保护设备；
配置于2.3kV APF处的用于进行两段式过流保护、两段零序过流保护、三相不平衡电流保护、零序过电压保护的保护设备；
配置于2.3kV整流器处的用于进行电流速断保护、两段式过流保护、低压侧零序过流保护、高压侧零序过流保护、过负荷保护、负序电流保护、电流加速保护、带电流条件的低压保护、零序过压保护、非电量保护的保护设备。
6.如权利要求1所述交直流并存供电的岸电继电保护系统，其特征在于，所述直流保护配置方策略确定单元确定保护配置方案包括：
F1故障时保护配置策略：当故障发生在船舶负载侧M1或M2时，由负载侧保护装置进行保护；当负载侧保护失效时，由其供电的710V/380V变流器中保护功能动作，切除隔离故障；
F2故障时保护配置策略：当故障F2发生在4kV到岸电箱的直流线路上时，由直流线路保护装置切除故障；
F3故障时保护配置方法：当故障F3发生在2MW整流器输出端时，由整流器提供的保护功能动作；
F4故障时保护配置方法：当故障F4发生在整流变低压侧时，由整流变压器差动保护动作；
F5故障时保护配置方法：当故障F5发生在整流变高压侧时，由配置的差动保护动作；当故障发生在10kV辅助电源时，由辅助电源保护装置动作，当保护装置无法切除故障时，由10kV进线保护装置的后备保护动作；
F6故障时保护配置方法：当故障F6发生10kV进线故障时，由进线保护装置动作，此时将跳开10kV进线开关，岸电电源侧故障，全站失电，船舶负载无法通过直流供电系统取电。
7.如权利要求1所述交直流并存供电的岸电继电保护系统，其特征在于，所述直流保护配置方策略确定单元确定保护配置方案还包括：直流汇流母线差动保护、直流电压不平衡保护、直流过电压保护、直流低电压保护、直流支路过电流保护。
8.一种如权利要求1～7任意一项所述交直流并存供电的岸电继电保护系统的交直流并存供电的岸电继电保护方法，其特征在于，所述交直流并存供电的岸电继电保护方法包括：
对交流供电系统的各不同故障点发生故障时，各保护装置实施相应动作配合进行供电保护；
对直流供电系统的各不同故障点发生故障时，各保护装置实施相应动作配合进行供电保护。
9.如权利要求8所述的交直流并存供电的岸电继电保护方法，其特征在于，所述交流供电系统的各不同故障点发生故障时，各保护装置实施相应动作配合进行供电保护的方法包括：
F1故障时各装置动作保护；
F2故障时各装置动作保护；
F3故障时各保护动作；
F4故障时各保护动作；
F5故障时各保护动作；
F6故障时各保护动作；
光纤差动保护，动作方程中Icd为差动定值：
当Ir<＝Icd*(5/3)时Id>Icd(分相差动定值)时动作；
当(5/3)*Icd<Ir<5*Icd时(Id-Icd)>0.6*(Ir-Icd*5/3)时动作；
当Ir>＝5*Icd时Id-[0.6*(5*Icd-Icd*5/3)+Icd]>0.8*(Ir-5*Icd)时动作；
上式中：差动电流
Figure FDA0002586005190000051
制动电流
Figure FDA0002586005190000052
其中IM为M侧线路电流，IN为N侧线路电流；
逆功率保护，逆功率计算公式：P＝UabIa+UcbIc；
当有功为负且绝对值大于的整定值时，逆功率保护启动，逆功率保护动作条件：
a)P为负且绝对值大于整定值；
b)PT断线条件不满足；
c)延时时间到；
所述对直流供电系统的各不同故障点发生故障时，各保护装置实施相应动作配合进行供电保护方法包括：
F1故障时各装置动作保护；
F2故障时各装置动作保护；
F3故障时各装置动作保护；
F4故障时各装置动作保护；
F5故障时各装置动作保护；
F6故障时各装置动作保护；
4kV中压直流系统保护，包括直流汇流母线差动保护、直流电压不平衡保护、直流过电压保护、直流低电压保护、直流支路过电流保护。
10.一种搭载权利要求1～7任意一项所述交直流并存供电的岸电继电保护系统的船舶岸电系统。
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