CN113725827A - 一种基于断路器通信协同的船舶供电网络选择性保护方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种基于断路器通信协同的船舶供电网络选择性保护方法，断路器的继电保护装置检测断路器的三相电流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，之后各断路器继电保护装置与相邻断路器进行通信应答，交互各自短路故障方向信息，根据选择性保护动作策略进行决策，输出动作指令，使对应的断路器跳闸。

Description

一种基于断路器通信协同的船舶供电网络选择性保护方法

技术领域

本发明涉及船舶电力系统继电保护技术领域，尤其涉及一种基于断路器通信协同的船舶供电网络选择性保护方法，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。这就要求采取快速、有效的新型继电保护方法以实现对船舶交流电力系统多电源供电网络的选择性保护。

为提高继电保护技术性能并适应电力系统不断发展，在传统的三段式电流保护方法的基础上，又出现了距离保护、差动保护、行波保护等新型继电保护方法，但这些保护方法主要针对高电压、长线路、电网结构相对固定的陆地电网，在应用舰船电力系统继电保护时存在不足。例如，由于舰船电网络空间面积有限，上下级保护装置间线路短(最长不超过200m，最短时只有不到10m)，线路阻抗小，若采用距离保护，考虑到互感器测量误差的存在，测量阻抗很难准确反映故障点位置，严重时将导致保护选择性失效。同样由于线路距离短，采用行波保护方法时，脉冲发射到接收反射脉冲之间的时间差极小，这对信号的处理和分析速度提出了极苛刻的要求，而测量和计时误差的存在同样会导致故障定位不准。差动保护方法被认为是具有绝对选择性的新型继电保护方法，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，对于空间紧张的舰船电力系统来说，差动保护应用的难度增大，而且相互独立的差动保护装置在可扩展性、开放性方面也存在不足。

为此，需要一种适用于船舶电力系统电力网络特点的选择性保护策略和方法，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，从而保证船舶电力系统运行可靠性。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术之缺陷，提供了一种基于断路器通信协同的船舶供电网络选择性保护方法，以解决传统继电保护方法无法实现多电源交流系统短路保护选择性的问题，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。

本发明是这样实现的：

本发明提供一种基于断路器通信协同的船舶供电网络选择性保护方法，包括以下步骤：S1、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和存储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，并利用采集到的各断路器三相电流实时数据，计算三相电流变化率的绝对值；

S2、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；

S3、断路器的继电保护装置若检测到了短路故障，则根据故障前电流变化率的历史数据和短路电流变化率实测值，计算短路变化率的修正结果，根据故障前电压的历史数据，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，根据计算得到的流过该断路器的正方向短路电流故障分量变化率的正负，与短路初始时刻断路器A、B、C三相相电压的相角之间的对应关系表，获得断路器A、B、C三相相电压的其中一相角所对应的正方向短路电流时，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的正负情况进行比较，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；

S4、各个断路器继电保护装置在判断出短路故障方向后，将则与相邻断路器进行通信应答，交互各自短路故障方向信息，并根据选择性保护动作策略进行决策，输出动作指令，使对应的断路器跳闸，从而实现船舶交流电力系统多电源供电网络选择性保护。

作为优选，各类型断路器继电保护装置通信协同保护动作策略如下：

a、若某断路器继电保护装置检测到短路电流，则判断短路电流方向，同时向相邻断路器继电保护装置发送故障状态查询请求，在接收到各相邻断路器短路故障判断结果后，对照本断路器保护动作策略表进行保护动作决策；

b、若接收到其他断路器的故障状态查询请求，则更新并返回本断路器故障状态判断结果，同时对照本断路器保护动作策略表进行保护动作决策；

c、若保护动作决策结果为立即跳闸动作，则发送跳闸信号到执行机构，使开关立即跳闸；若保护动作决策结果为等待其他断路器动作，则开始延时；若延时时间到本断路器或其他断路器的短路故障仍未消除，则立即跳闸动作；

d、若通信在规定时间内未完成，则延时一段时间后测量断路器流过的电流，若仍流过短路电流，则立即跳闸动作，若未流过短路电流，则不动作。

作为优选，断路器继电保护装置的类型包括跨接断路器继电保护装置、母联断路器继电保护装置、发电机断路器继电保护装置，

各类型断路器继电保护装置选择性保护动作策略包括：

若某跨接断路器继电保护装置检测到短路电流且短路电流方向为正方向，且相邻跨接断路器保护装置检测到正方向短路电流或未检测到短路电流，则可以判断跨接线发生短路故障，该跨接断路器应立即跳闸动作；若该跨接断路器继电保护装置检测到反方向短路电流，且相邻母联断路器继电保护装置检测到正方向短路电流或未检测到短路电流，且连接到母线的配电开关均未检测到短路电流，则说明与该跨接断路器连接的母线短路，该跨接断路器立即跳闸动作；若上述两种情况均不满足，则该跨接断路器在延时时间内不跳闸动作，若延时时间到短路故障仍未消除，则立即跳闸动作；

若某母联断路器继电保护装置检测到短路电流，且判断出短路电流流入某侧母排，且与该母排相连接的跨接断路器或母联断路器检测到流入该母排的短路电流，或未检测到短路电流，且与该母排相连接的配电断路器均未检测到短路电流，则可以判断母排发生短路故障，则该母联断路器应立即跳闸动作；若上述情况均不满足，则该母联断路器在延时时间内不跳闸动作，若延时时间到短路故障仍未消除，则立即跳闸动作；

若某发电机断路器继电保护装置检测到短路电流，且与发电机母排相连接的跨接断路器或母联断路器检测到流入该母排的短路电流，或未检测到短路电流，且与该母排相连接的配电断路器均未检测到短路电流，则可以判断母排发生短路故障，则该发电机断路器应立即跳闸动作；若上述情况均不满足，则该发电机断路器在延时时间内不跳闸动作，若延时时间到短路故障仍未消除，则立即跳闸动作。

作为优选，在步骤S4中，断路器继电保护装置相互协同通信的信息定义规则如下：

每个断路器继电保护装置，将通信得到的各相邻断路器的状态信息汇总为一个一维数组，数组内各位的数值信息与相邻断路器发送的信息一一对应，

各断路器继电保护装置，利用对该数组状态信息的解码可判断短路故障特性，进而按照相应的协同保护策略进行选择性保护动作。

作为优选，数组内各位的数值信息与相邻断路器发送的信息的对应关系：

数值“0”表示：断路器保护装置需等待完成通信的时间超过给定时间，则表明通信失败，断路器保护装置应进行后备保护动作；

数值“1”表示：相邻断路器处于闭合状态，但未检测到短路故障；

数值“2”表示：相邻断路器处于闭合状态，但检测到正方向短路故障；

数值“3”表示：相邻断路器处于闭合状态，但检测到反方向短路故障；

数值“4”表示：相邻断路器处于断开状态。

作为优选，继电保护装置的硬件包括：

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；

CPU，为断路器继电保护装置软件系统的运算载体，用于故障诊断、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。

作为优选，所述A/D转换器内部嵌置滤波器。

本发明具有以下有益效果：

1、本发明基于短路初始时刻的电流变化率和电压相位角，实现对船舶电力系统短路故障和短路电流方向的快速准确判断，有效提高了短路故障保护动作决策的快速性。

2、本发明中，利用断路器继电保护装置通信协同实现选择性继电保护，能够准确、可靠和完全地实现复杂船舶供电网络短路故障的保护的选择性。

3、本发明中，各断路器继电保护装置同时进行电流检测和短路故障判断，在相互进行通信时，仅交互短路故障判断结果，通信量极少，从而有效提高了通信速度，缩短协同保护动作决策时间，提高了保护的快速性。

4、本发明方法，运算量和通信量少、步骤简便、易于实现，所需增加的装置较少，且能有效地实现复杂船舶供电网络保护的选择性和快速性。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，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它的附图。

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是断路器继电保护装置协同保护策略流程图；

图4是典型船舶电力系统供电网络单线图；

图5是断路器继电保护装置信号关系图；

图6a、6b、6c、6d、6e分别是图4中F1点短路仿真中CB1三相短路电流仿真波形、CB5三相短路电流仿真波形、系统三相电压波形、CB1与CB5保护装置通信信号、CB1断路器触发信号；

图7a、7b、7c、7d、7e、7f分别是图4中F2点短路仿真中CB2三相短路电流仿真波形、CB5三相短路电流仿真波形、CB7三相短路电流仿真波形、系统三相电压波形、CB5与CB7保护装置通信信号、CB5断路器触发信号；

图8a、8b、8c、8d、8e分别是图4中F3点短路仿真中CB7三相短路电流仿真波形、CB8三相短路电流仿真波形、系统三相电压波形、CB7与CB8保护装置通信信号、CB7断路器触发信号。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例，都属于本发明保护的范围。

如图1-图8，本发明实施例提供一种基于断路器通信协同的船舶交流电力系统多电源供电网络选择性保护方法，包括以下步骤：S1、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和存储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，并利用采集到的各断路器三相电流实时数据，计算三相电流变化率的绝对值；

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。

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。

S2、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：

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。

S3、断路器的继电保护装置若检测到了短路故障，则根据故障前电流变化率的历史数据和短路电流变化率实测值，计算短路变化率的修正结果，根据故障前电压的历史数据，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。

首先，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。

其次，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：Ue为线电压有效值，则B相和C相可对应获得：

最后，根据计算得到的流过该断路器的正方向短路电流故障分量变化率的正负，与短路初始时刻断路器A、B、C三相相电压的相角之间的对应关系表，获得θ_a0(或θ_b0、θ_c0)所对应的正方向短路电流时，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的正负情况进行比较，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t＝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：U、γ、δ的定义同上，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为发电机直轴超瞬变时间常数、直轴瞬变时间常数和非周期时间常数，T″_q为发电机交轴超瞬变时间常数。

令γ＝ωt+γ₀(γ₀为短路合闸角，ω为角频率)，并考虑线路参数的影响，可得

其中：

上式中：U、x″_d、x′_d、x_d、x″_q、x_q、T″_d、T′_d、T_a、T″_q、ω的定义同上，r为发电机内阻，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″_Q、T_A为考虑线路阻抗影响时的直轴超瞬变时间常数、直轴瞬变时间常数、交轴超瞬变时间常数和非周期时间常数。

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

上式中：T″_D、T′_D、T″_Q、T_A、I″_gd、I′_gd、I_gd、I″_gq、I_gq、δ、γ₀、ω的定义同上，由式(9)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。

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。

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。

S4、各个断路器继电保护装置在判断出短路故障方向后，将则与相邻断路器进行通信应答，交互各自短路故障方向信息，并根据选择性保护动作策略进行决策，输出动作指令，使对应的断路器跳闸，从而实现船舶交流电力系统多电源供电网络选择性保护。

断路器继电保护装置协同保护策略流程如图3所示。

各类型断路器继电保护装置通信协同保护动作策略如下：

(1)若某断路器继电保护装置检测到短路电流，则判断短路电流方向，同时向相邻断路器继电保护装置发送故障状态查询请求，在接收到各相邻断路器短路故障判断结果后，对照本断路器保护动作策略表进行保护动作决策。

(2)若接收到其他断路器的故障状态查询请求，则更新并返回本断路器故障状态判断结果，同时对照本断路器保护动作策略表进行保护动作决策。

(3)若保护动作决策结果为立即跳闸动作，则发送跳闸信号到执行机构，使开关立即跳闸。若保护动作决策结果为等待其他断路器动作，则开始延时。若延时时间到本断路器或其他断路器的短路故障仍未消除，则立即跳闸动作。

(4)若通信在规定时间内未完成，则延时一段时间后测量断路器流过的电流，若仍流过短路电流，则立即跳闸动作，若未流过短路电流，则不动作。

基于断路器继电保护装置通信协同选择性保护动作策略如下：

第(一)步，若某跨接断路器继电保护装置检测到短路电流且短路电流方向为正方向，且相邻跨接断路器保护装置检测到正方向短路电流或未检测到短路电流，则可以判断跨接线发生短路故障，该跨接断路器应立即跳闸动作；若该跨接断路器继电保护装置检测到反方向短路电流，且相邻母联断路器继电保护装置检测到正方向短路电流或未检测到短路电流，且连接到母线的配电开关(配电断路器，图中CB9～CB12均为配电断路器)均未检测到短路电流，则说明与该跨接断路器连接的母线短路，该跨接断路器立即跳闸动作；若上述两种情况均不满足，则该跨接断路器在延时时间内不跳闸动作，若延时时间到短路故障仍未消除，则立即跳闸动作。

第(二)步，若某母联断路器检测到短路电流，且判断出短路电流流入某侧母排(母线)，且与该母排相连接的跨接断路器或母联断路器检测到流入该母排的短路电流，或未检测到短路电流，且与该母排相连接的配电断路器均未检测到短路电流，则可以判断母排发生短路故障，则该母联断路器应立即跳闸动作；若上述情况均不满足，则该母联断路器在延时时间内不跳闸动作，若延时时间到短路故障仍未消除，则立即跳闸动作。

第(三)步，若某发电机断路器检测到短路电流，且与发电机母排相连接的跨接断路器或母联断路器检测到流入该母排的短路电流，或未检测到短路电流，且与该母排相连接的配电断路器均未检测到短路电流，则可以判断母排发生短路故障，则该发电机断路器应立即跳闸动作；若上述情况均不满足，则该发电机断路器在延时时间内不跳闸动作，若延时时间到短路故障仍未消除，则立即跳闸动作。

为提高通信效率，对断路器继电保护装置之间的通信信息进行简化。每个断路器继电保护装置，将通信得到的各相邻断路器的状态信息汇总为一个一维数组，数组内各位的数值信息与相邻断路器发送的信息一一对应。断路器检测信息的数值定义如表1所示：

表1断路器检测信息的数值定义

上表中，数值“0”表示：断路器保护装置需等待完成通信的时间超过给定时间，则表明通信失败，断路器保护装置应进行后备保护动作；数值“1”表示：相邻断路器处于闭合状态，但未检测到短路故障；数值“2”表示：相邻断路器处于闭合状态，但检测到正方向短路故障；数值“3”表示：相邻断路器处于闭合状态，但检测到反方向短路故障；数值“4”表示：相邻断路器处于断开状态。各断路器继电保护装置，利用对该数组状态信息的解码可判断短路故障特性，进而按照相应的协同保护策略(选择性保护动作策略)进行选择性保护动作。

以典型船舶电力系统供电网络为例(如图4所示)，分别说明跨接断路器、母联断路器和发电机断路器通信信息与协同动作的对应关系。图4中G1～G4为额定功率相同的发电机组，CB1～CB4为发电机断路器，CB5、CB6为母联断路器，CB7、CB8为跨接断路器。

(1)跨接断路器

以跨接断路器CB7为例，跨接断路器继电保护装置通信信息与协同动作的对应关系，如表2所示：

表2相邻断路器状态信息与跨接断路器CB7保护动作策略对应关系

保护策略简要说明如下：

①若任意一位出现“0”信息数据，则表示未与相邻断路器保护装置完成通信交互，则跨接断路器CB7保护装置等待通信完成，若相应延时时间到，通信仍未完成，则起动后备保护使CB7跳闸；

②将各相邻断路器状态信息与表2相对照，若判断跨接线发生短路故障(故障点为图4中的F3)，则保护装置立即输出动作信号使CB7跳闸；

③若判断与CB7相连的母线出现短路故障(故障点为图4中的F2)，无论CB7是否流过短路电流，保护装置也应立即输出动作信号使CB7跳闸；

④若判断短路故障发生在CB5的发电机G1母线一侧(即图4中的F1、F4或F6)，则应等待相应母联断路器、发电机断路器、或配电断路器切除故障；若判断短路故障发生在发电机断路器CB2的发电机侧(即图4中的F5)，则应等待CB2切除故障；若判断配电断路器CB10配电侧发生短路故障(即图4中的F7)，则等待CB10切除故障。若相应延时时间到，故障仍未切除，则保护装置起动后备保护使CB7跳闸。

类似的，可以编制跨接断路器CB8的保护动作策略表。

(2)母联断路器

以母联断路器CB5为例，母联断路器通信信息与协同动作的对应关系，如表3所示：

表3相邻断路器状态信息与母联断路器CB5保护动作策略对应关系

保护策略简要说明如下：

①若任意一位出现“0”信息数据，则表示未与相邻断路器保护装置完成通信交互，则母联断路器CB5保护装置等待通信完成，若相应延时时间到，通信仍未完成，则起动后备保护使CB5跳闸；

②将各相邻断路器状态信息与表3相对照，若判断发电机G2对应母线发生短路故障(即图4中的F2)，无论CB5是否流过短路电流，保护装置立即输出动作信号使CB5跳闸；

③若判断发电机G1对应母线发生短路故障(即图4中的F1)，无论CB5是否流过短路电流，保护装置也应立即输出动作信号使CB5跳闸；

④若判断跨接线发生短路故障(即图4中的F3)，则等待跨接开关CB7切除故障；若判断发电机断路器CB1的发电机侧、发电机断路器CB2的发电机侧发生短路故障(即图4中的F4、F5)，则等待CB1、CB2切除故障；若判断配电断路器CB9、CB10配电侧发生短路故障(即图4中的F6、F7)，则等待CB9、CB10切除短路故障。若相应延时时间到，故障仍未切除，则保护装置起动后备保护使CB5跳闸。

类似的，可以编制母联断路器CB6的保护动作策略表。

(3)发电机断路器

以发电机断路器CB2为例，发电机断路器通信信息与协同动作的对应关系，如表4所示：

表4相邻断路器状态信息与发电机断路器CB2保护动作策略对应关系

简要说明如下：

①若任意一位出现“0”信息数据，则表示未与相邻断路器保护装置完成通信交互，则发电机断路器CB2保护装置等待通信完成，若相应延时时间到，通信仍未完成，则起动后备保护使CB2跳闸；

②将各相邻断路器状态信息与表4相对照，若判断发电机G2对应母线发生短路故障(即图4中的F2)，保护装置立即输出动作信号使CB2跳闸；

③若判断发电机断路器CB2的发电机侧发生短路故障(即图4中的F5)，保护装置立即输出动作信号使CB2跳闸；

④若判断跨接线发生短路故障(即图4中的F3)，则等待跨接开关CB7切除故障；若判断短路故障发生在CB5的发电机G1母线一侧(即图4中的F1、F4或F6)，则应等待相应母联断路器、发电机断路器、或配电断路器切除故障；若判断配电断路器CB10配电侧发生短路故障(即图4中的F7)，则等待CB10切除短路故障。若相应延时时间到，故障仍未切除，则保护装置起动后备保护使CB5跳闸。

类似的，可以编制发电机断路器CB1、CB3、CB4的保护动作策略表。

上述简化的故障状态信息可以与选择性保护动作策略相对应，而简化的故障信息大大降低了断路器继电保护之间的数据通信量，降低了通信时间，提高了保护的快速性。

船舶供配电网络中的各个断路器继电保护装置相互通信构成了船舶电力系统智能继电保护系统，以图4所示的典型船舶电力系统供电网络为例，断路器继电保护装置信号关系图如图5所示。

基于电力系统专业仿真软件PSCAD，建立船舶电力系统仿真模型。以图4中的故障点F1～F3为例，对仿真结果进行分析。设故障前，发电机G1、G2、G3三台机通过跨接线并联运行，设各断路器的短路电流正方向如图4所示。

(1)F1点故障

仿真结果如图6所示。由仿真结果看出，系统仿真时间4.0273s发生三相对称短路，流过CB1、CB5的三相短路电流最大变化率(C相最大)分别达到5.294kA/ms、10.454kA/ms。由系统电压波形可得，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。B相短路电流初始阶段变化率很小。由CB5的B相、C相短路电流上升率的极性可知，CB5短路电流方向为反方向。因此，在仿真时间4.0295s，CB1接收到CB5返回的故障状态信息，数值为“3”，结合配电断路器CB9返回的故障信息，按照协同保护策略，CB1立即触发跳闸，触发信号时间为4.0297s，随后短路电流继续上升到三相最大峰值(C相)17.86kA后衰减到0，从而实现了选择性保护动作。

(2)F2点故障

仿真结果如图7所示。由仿真结果看出，系统仿真时间4.1440s发生三相对称短路，流过CB2、CB5、CB7的三相短路电流最大变化率(A相最大)分别达到5.375kA/ms、5.666kA/ms、5.114kA/ms。由系统电压波形可得，短路合闸角(A相)γ₀≈-115.2°，处于C相电流短路电流方向判据的不灵敏区，并处在A相和B相短路电流方向判据的不灵敏区外。由CB5、CB7的A相、B相短路电流上升率的极性可知，CB5短路电流方向为正方向，CB7短路电流方向为反方向。因此，在仿真时间4.1461s，CB5接收到CB7返回的故障状态信息，数值为“3”，结合发电机断路器CB2、配电断路器CB10返回的故障信息，按照协同保护策略，CB5立即触发跳闸，触发信号时间为4.1462s，随后短路电流继续上升到三相最大峰值(A相)17.93kA后衰减到0。类似的，CB2、CB7也将根据相邻断路器保护装置返回的故障信息，按照协同保护策略跳闸，从而实现了选择性保护动作。

(3)F3点故障

仿真结果如图8所示。由仿真结果看出，系统仿真时间3.4753s发生三相对称短路，流过CB7、CB8的三相短路电流最大变化率(C相最大)分别达到13.932kA/ms，8.118kA/ms。由系统电压波形可得，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，A相短路波形可见，A相短路电流初始阶段变化率很小，而γ₀处在B相和C相短路电流方向判据的不灵敏区外。由CB7、CB8的B相、C相短路电流上升率的极性可知，CB7、CB8的短路电流方向均为正方向。因此，在仿真时间3.4765s，CB7接收到CB8返回的故障状态信息，数值为“2”，按照协同保护策略，CB7立即触发跳闸，触发信号时间为3.4766s，随后短路电流继续上升到三相最大峰值(B相)35.33kA后衰减到0。类似的，CB8也将根据CB7保护装置返回的故障信息，按照协同保护策略跳闸，从而实现了选择性保护动作。

上述仿真实例表明，根据本发明的步骤，可在短路初瞬时刻快速、准确地判断短路故障及短路电流方向，并通过断路器之间的通信协同策略，实现多电源复杂供电网络短路故障保护的选择性和快速性，有效提高的船舶交流供电网络的保护性能。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种基于断路器通信协同的船舶供电网络选择性保护方法，其特征在于，包括以下步骤：S1、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和存储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，并利用采集到的各断路器三相电流实时数据，计算三相电流变化率的绝对值；

S2、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；

S3、断路器的继电保护装置若检测到了短路故障，则根据故障前电流变化率的历史数据和短路电流变化率实测值，计算短路变化率的修正结果，根据故障前电压的历史数据，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，根据计算得到的流过该断路器的正方向短路电流故障分量变化率的正负，与短路初始时刻断路器A、B、C三相相电压的相角之间的对应关系表，获得断路器A、B、C三相相电压的其中一相角所对应的正方向短路电流时，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的正负情况进行比较，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；

S4、各个断路器继电保护装置在判断出短路故障方向后，将则与相邻断路器进行通信应答，交互各自短路故障方向信息，并根据选择性保护动作策略进行决策，输出动作指令，使对应的断路器跳闸，从而实现船舶交流电力系统多电源供电网络选择性保护。

2.权利要求1所述的基于断路器通信协同的船舶供电网络选择性保护方法，其特征在于：各类型断路器继电保护装置通信协同保护动作策略如下：

a、若某断路器继电保护装置检测到短路电流，则判断短路电流方向，同时向相邻断路器继电保护装置发送故障状态查询请求，在接收到各相邻断路器短路故障判断结果后，对照本断路器保护动作策略表进行保护动作决策；

b、若接收到其他断路器的故障状态查询请求，则更新并返回本断路器故障状态判断结果，同时对照本断路器保护动作策略表进行保护动作决策；

c、若保护动作决策结果为立即跳闸动作，则发送跳闸信号到执行机构，使开关立即跳闸；若保护动作决策结果为等待其他断路器动作，则开始延时；若延时时间到本断路器或其他断路器的短路故障仍未消除，则立即跳闸动作；

d、若通信在规定时间内未完成，则延时一段时间后测量断路器流过的电流，若仍流过短路电流，则立即跳闸动作，若未流过短路电流，则不动作。

3.如权利要求2所述的基于断路器通信协同的船舶供电网络选择性保护方法，其特征在于：断路器继电保护装置的类型包括跨接断路器继电保护装置、母联断路器继电保护装置、发电机断路器继电保护装置，

各类型断路器继电保护装置选择性保护动作策略包括：

若某跨接断路器继电保护装置检测到短路电流且短路电流方向为正方向，且相邻跨接断路器保护装置检测到正方向短路电流或未检测到短路电流，则可以判断跨接线发生短路故障，该跨接断路器应立即跳闸动作；若该跨接断路器继电保护装置检测到反方向短路电流，且相邻母联断路器继电保护装置检测到正方向短路电流或未检测到短路电流，且连接到母线的配电开关均未检测到短路电流，则说明与该跨接断路器连接的母线短路，该跨接断路器立即跳闸动作；若上述两种情况均不满足，则该跨接断路器在延时时间内不跳闸动作，若延时时间到短路故障仍未消除，则立即跳闸动作；

若某母联断路器继电保护装置检测到短路电流，且判断出短路电流流入某侧母排，且与该母排相连接的跨接断路器或母联断路器检测到流入该母排的短路电流，或未检测到短路电流，且与该母排相连接的配电断路器均未检测到短路电流，则可以判断母排发生短路故障，则该母联断路器应立即跳闸动作；若上述情况均不满足，则该母联断路器在延时时间内不跳闸动作，若延时时间到短路故障仍未消除，则立即跳闸动作；

若某发电机断路器继电保护装置检测到短路电流，且与发电机母排相连接的跨接断路器或母联断路器检测到流入该母排的短路电流，或未检测到短路电流，且与该母排相连接的配电断路器均未检测到短路电流，则可以判断母排发生短路故障，则该发电机断路器应立即跳闸动作；若上述情况均不满足，则该发电机断路器在延时时间内不跳闸动作，若延时时间到短路故障仍未消除，则立即跳闸动作。

4.如权利要求1所述的基于断路器通信协同的船舶供电网络选择性保护方法，其特征在于：在步骤S4中，断路器继电保护装置相互协同通信的信息定义规则如下：

每个断路器继电保护装置，将通信得到的各相邻断路器的状态信息汇总为一个一维数组，数组内各位的数值信息与相邻断路器发送的信息一一对应，

各断路器继电保护装置，利用对该数组状态信息的解码可判断短路故障特性，进而按照相应的协同保护策略进行选择性保护动作。

5.如权利要求4所述的基于断路器通信协同的船舶供电网络选择性保护方法，其特征在于：数组内各位的数值信息与相邻断路器发送的信息的对应关系：

数值“0”表示：断路器保护装置需等待完成通信的时间超过给定时间，则表明通信失败，断路器保护装置应进行后备保护动作；

数值“1”表示：相邻断路器处于闭合状态，但未检测到短路故障；

数值“2”表示：相邻断路器处于闭合状态，但检测到正方向短路故障；

数值“3”表示：相邻断路器处于闭合状态，但检测到反方向短路故障；

数值“4”表示：相邻断路器处于断开状态。

6.如权利要求1所述的基于断路器通信协同的船舶供电网络选择性保护方法，其特征在于：继电保护装置的硬件包括：

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；

CPU，为断路器继电保护装置软件系统的运算载体，用于故障诊断、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。

7.如权利要求6所述的基于断路器通信协同的船舶供电网络选择性保护方法，其特征在于：所述A/D转换器内部嵌置滤波器。

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