CN114583672A - 一种船舶低压直流配电系统的短路保护方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种船舶低压直流配电系统的短路保护方法，基于由不少于三个直流母线段通过直流固态开关串联而成的闭环配电系统，当任何一段直流母线段或直流母线段之间的连接线路出现故障，故障直流母线段或故障连接线路两端的固态开关快速动作，切除该故障部分，而其它非故障直流母线段及连接线路保持正常运行。本发明对于多组电源及多段母线段构成的船舶低压直流配电系统具有更好的供电连续性，可较好的满足DP2或DP3级动力定位船舶配电系统要求。

Description

一种船舶低压直流配电系统的短路保护方法
技术领域
本发明属于船舶电力推进技术领域，特别是涉及一种船舶低压闭环直流配电系统的短路保护策略。
背景技术
目前船舶低压直流配电系统容量较小，船舶低压直流配电系统一般采用非闭环系统，其直流母线主要设计成“一字”型开环电网，分为两段或三段，连接全船直流电源及直流负载。直流母线段与段之间利用直流固态开关进行保护。
随着船舶电网的容量越来越大，直流电源及负载的数量越来越多，母线段一般分为更多段。“一字”型开环电网中，某一母线段出现故障，该母线段被固态开关切除，可能形成两个孤立的母线区间，一旦其中某一母线区间没有电源，则该母线区间的所有负载均会失去电源，导致失电。
发明内容
为了克服传统船舶低压非闭环直流配电系统的缺点，本发明专利提供了一种船舶低压闭环直流配电系统短路保护策略。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：一种船舶低压直流配电系统的短路保护方法，基于由不少于三个直流母线段通过直流固态开关串联而成的闭环配电系统，每个直流母线段均配置一组或多组直流电源及直流负载，各直流母线段之间通过一个或两个直流固态开关连接构成一个串联的直流闭环配电系统，包括如下步骤：
设定直流固态开关的短延时保护电流阈值为其额定电流的1.2倍，瞬时过电流动作值通常为其额定电流的1.5倍，保护延时时间为10us，系统运行时所有直流固态开关均处于闭合状态；
当任何一直流母线段或相邻的两个直流母线段之间的连接线路出现故障时，故障母线段或故障线路两端的直流固态开关快速动作切除该故障部分，其它剩余直流固态开关保持状态不变，系统其它非故障直流母线段及线路保持正常运行。
进一步，具体步骤如下：
（1），直流固态开关均对外输出两路封锁信号，一路为顺时针方向封锁信号Icw，一路为逆时针方向封锁信号Iccw；
（2），当闭环直流配电系统中的任一直流固态开关检测到短路过电流时判断过流状态下自身保护是否动作；
（3），当闭环直流配电系统中的任一直流固态开关接收到相邻直流固态开关对其输入的顺时针方向封锁信号Icw或逆时针方向封锁信号Iccw时是否动作。
更进一步，所述的步骤（2）中直流固态开关通过内部寄存器记录本身的过电流状态Soc值来选择分闸动作：直流固态开关检测到短路过电流时Soc=1，否则Soc=0。
更进一步，所述的步骤（2）中直流固态开关通过内部寄存器记录本身的过电流方向标志Sdir_cw及Sdir_ccw来选择分合闸动作：
如果不存在过电流，则Sdir_cw=Sdir_ccw=0；
直流固态开关检测到过电流方向为顺时针时Sdir_cw=1，Sdir_ccw=0，该直流固态开关对外的Icw信号输出为1，否则对外的Icw信号输出为0；
直流固态开关检测到电流方向为逆时针时Sdir_cw=0，Sdir_ccw=1，该直流固态开关对外的Iccw信号输出为1，否则对外的Iccw信号输出为0。
更进一步，所述的步骤（3）中直流固态开关通过内部寄存器的状态标志位Slock_cw及Slock_ccw来选择分合闸动作：
当相邻直流固态开关对其输入的Icw=1时Slock_cw=0，当输入Icw=0时Slock_cw=1；
当相邻直流固态开关对其输入的Iccw=1时Slock_ccw=0，当果输Iccw=0时Slock_ccw=1；
任一直流固态开关依据其自身的Soc值、Sdir_cw、Sdir_ccw状态及相邻直流固态开关对其输入的Icw、Iccw信号进行逻辑运算，得到是否动作状态信号Strip：当直流固态开关过流值未超过瞬时过电流动作值时，如Strip=1时本直流固态开关执行分闸动作，切断短路过电流后Strip=0，直流固态开关不执行分闸动作；当直流固态开关过流值超过瞬时过电流动作值时无论Strip状态如何，直流固态开关均执行分闸动作。
再进一步，所述的状态信号Strip通过如下逻辑运算公式计算得到：
Strip=（Soc）AND（（（Sdir_cw）AND（Slock_cw））OR（（Sdir_ccw）AND（Slock_ccw）））。
所述的一种船舶低压直流配电系统的短路保护方法，其连接线路为电缆或铜排。
本发明的有益效果是：将多段直流母线通过直流固态开关连接构成首尾相接的环形网络，运行时各直流固态开关全部处于闭合状态，一旦单一母线段发生严重短路故障后，通过直流固态开关的开断来切除故障母线段，则剩余的母线系统依然保持“一字”型开环连接状态，供电的连续性增加。
本发明专利通过低压直流闭环电网的短路保护策略，实现了以下效益：
1，通过采用低压闭环直流电网增强了电力系统的供电连续性；
2，通过短路保护策略设计实现了母线短路保护的选择性。
附图说明
图1为本发明系统第一实施例的结构示意图；
图2为本发明系统第二实施例的结构示意图；
图3为本发明系统第三实施例的开关间顺时针封锁信号连接示意图；
图4为本发明系统第三实施例的开关间逆时针封锁信号连接示意图；
图5为本发明系统第四实施例的结构示意图；
图6为本发明系统第五实施例的开关之间Iccw信号连接示意图；
图7为本发明系统第五实施例的开关之间Icw信号连接示意图；
图8为本发明系统母线某点短路时短路电流方向示意图。
具体实施方式
为了使本发明实现的技术手段、创作特征、达成目的与解决问题的有效性易于理解，结合附图对本发明技术方案作进一步说明。
随着船舶低压直流配电系统直流电源及直流负载容量的增加，在开展电力系统设计时，通常将船舶低压直流配电系统直流母线划分为多段（一般大于等于3段）。
本发明船舶低压直流配电系统的直流母线划分为多段（一般大于等于3段），每一段直流母线配置一组或多组电源及负载，各直流母线段之间通过一个或两个直流固态开关连接构成一个串联的直流闭环配电系统，当直流母线段之间通过一个固态开关连接时，固态开关直接连接两个直流母线段，如图1所示；当直流母线段之间通过两个固态开关连接时，每个固态开关分别连接一个直流母线段，如图2所示。同时两个直流固态开关之间通过连接线路连接，连接线路可以是电缆或铜排。
当三至四个直流母线段与四个直流固态开关A1～A4顺序针方向串联成一个闭环时，直流固态开关A1～A4均对外输出两路封锁信号，一路为顺时针方向封锁信号Icw，一路为逆时针方向封锁信号Iccw，各信号的连接顺序如图3和图4所示，每个直流固态开关的Icw及Iccw信号均连接到按顺、逆时针排序的下一个直流固态开关，如直流固态开关A2的Icw信号连接到A1，A3的Icw信号连接到A2，以此类推；而直流固态开关A2的Iccw信号连接到A3，A1的Iccw信号连接到A2，以此类推。
如图5所示，还可通过直流母线段1～3、直流固态开关A1～A6及母线段之间的连接线路首尾相接构成船舶低压直流闭环电网，电网额定直流电压通常为DC600V、DC750V及DC1000V等常用电压。
本发明直流固态开关具有短路过流检测能力及保护能力，还具有短延时保护电流阈值及延时时间参数，可设定，通常短延时保护电流阈值设为固态开关额定电流的1.2倍，保护延时时间为10us。固态开关还具有瞬时过电流动作值，通常为其额定电流的1.5倍。
当闭环直流配电系统中的任一直流固态开关检测到短路过电流时判断过流状态下自身保护是否动作。直流固态开关通过内部寄存器记录本身的过电流状态Soc值来选择分闸动作：直流固态开关检测到短路过电流时Soc=1，否则Soc=0。直流固态开关还通过内部寄存器记录本身的过电流方向标志Sdir_cw及Sdir_ccw来选择分合闸动作。
如果不存在过电流，则Sdir_cw=Sdir_ccw=0；直流固态开关检测到过电流方向为顺时针时Sdir_cw=1，Sdir_ccw=0，该直流固态开关对外的Icw信号输出为1，否则对外的Icw信号输出为0；直流固态开关检测到电流方向为逆时针时Sdir_cw=0，Sdir_ccw=1，该直流固态开关对外的Iccw信号输出为1，否则对外的Iccw信号输出为0。
当闭环直流配电系统中的任一直流固态开关接收到相邻直流固态开关对其输入的顺时针方向封锁信号Icw或逆时针方向封锁信号Iccw时是否动作。直流固态开关通过内部寄存器的状态标志位Slock_cw及Slock_ccw来选择分合闸动作：
当相邻直流固态开关对其输入的Icw=1时Slock_cw=0，当输入Icw=0时Slock_cw=1；当相邻直流固态开关对其输入的Iccw=1时Slock_ccw=0，当果输Iccw=0时Slock_ccw=1。
任一直流固态开关依据其自身的Soc值、Sdir_cw、Sdir_ccw状态及相邻直流固态开关对其输入的Icw、Iccw信号进行逻辑运算，得到是否动作状态信号Strip：当直流固态开关过流值未超过瞬时过电流动作值时，如Strip=1时本直流固态开关执行分闸动作，切断短路过电流后Strip=0，直流固态开关不执行分闸动作；当直流固态开关过流值超过瞬时过电流动作值时无论Strip状态如何，直流固态开关均执行分闸动作。
如图6、图7所示，当三至六个直流母线段与六个直流固态开关A1～A6顺序针方向串联成一个闭环时，闭环直流配电系统中的任一固态开关检测到短路过电流时，直流固态开关内部寄存器记录本身的过电流状态（Soc）及过电流方向标志（Sdir_cw）及（Sdir_ccw）。
如果直流固态开关检测到短路电过流，Soc=1，否则Soc=0。如果不存在过电流，Sdir_cw=Sdir_ccw=0；如果过电流方向为顺时针，Sdir_cw=1，Sdir_ccw=0；如果过电流方向为逆时针，Sdir_cw=0，Sdir_ccw=1。
如果过电流方向为顺时针，则该固态开关对外的Icw信号输出为1，否则对外的Icw信号输出为0；如果过电流方向为逆时针，则该固态开关对外的Iccw信号输出为1，否则对外的Iccw信号输出为0。
如图8所示的母线某点短路时，以上各状态如下表所示：
Figure 976661DEST_PATH_IMAGE001
每一直流固态开关内部寄存器设有状态标志位Slock_cw及Slock_ccw。
当本固态开关接收到相邻固态开关对其输入的Icw信号为1时，Slock_cw=0，如果输入Icw为0，则Slock_cw=1；当本固态开关接收到相邻固态开关对其输入的Iccw信号为1时，Slock_ccw=0，如果输入Iccw为0，则Slock_ccw=1。
如图8所示的母线某点短路时，以上各状态如下表所示：
Figure 21978DEST_PATH_IMAGE002
每一直流固态开关判断过流状态下自身保护是否动作，依据其自身的Soc、Sdir_cw、Sdir_ccw状态及相邻固态开关对其输入的Icw、Iccw信号进行逻辑运算，得到是否动作状态信号Strip。
逻辑运算公式为：Strip=（Soc）AND（（（Sdir_cw）AND（Slock_cw））OR（（Sdir_ccw）AND（Slock_ccw）））。
利用前两个表的数据作为输入，根据逻辑运算公式，各固态开关是否动作如下表所示：
Figure 558132DEST_PATH_IMAGE003
由上表可见，当发生如图8所示的的某点短路时，如果短路电流未超过各开关瞬时动作电流值，只有A2、A3两个固态开关动作，其余的固态开关不动作，实现了故障母线段的精准切除。
本发明不局限于上述最佳实施方式，任何本领域技术人员在本发明的启示下都可以得出其它变形及改进的产品，但不论在其形状或结构上做任何变化，凡是具有与本申请相同或相近似的技术方案，均落在本发明的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种船舶低压直流配电系统的短路保护方法，其特征在于：基于由不少于三个直流母线段通过直流固态开关串联而成的闭环配电系统，每个直流母线段均配置直流电源及直流负载，相邻的两个直流母线段之间连接一个或两个直流固态开关，包括如下步骤：
设定直流固态开关的短延时保护电流阈值为其额定电流的1.2倍，瞬时过电流动作值为其额定电流的1.5倍，保护延时时间为10us，系统运行时所有直流固态开关均处于闭合状态；
当任何一直流母线段或相邻的两个直流母线段之间的连接线路出现故障时，故障处的直流固态开关快速动作切除故障，剩余直流固态开关保持状态不变，系统正常运行。
2.根据权利要求1所述的一种船舶低压直流配电系统的短路保护方法，其特征在于，具体步骤如下：
（1），直流固态开关均对外输出两路封锁信号，一路为顺时针方向封锁信号Icw，一路为逆时针方向封锁信号Iccw；
（2），任一直流固态开关检测到短路过电流时判断是否动作；
（3），任一直流固态开关接收到相邻直流固态开关对其输入的顺时针方向封锁信号Icw或逆时针方向封锁信号Iccw时是否动作。
3.根据权利要求2所述的一种船舶低压直流配电系统的短路保护方法，其特征在于，所述的步骤（2）中直流固态开关通过内部寄存器记录本身的过电流状态Soc值来选择分闸动作：直流固态开关检测到短路过电流时Soc=1，否则Soc=0。
4.根据权利要求3所述的一种船舶低压直流配电系统的短路保护方法，其特征在于，所述的步骤（2）中直流固态开关通过内部寄存器记录本身的过电流方向标志Sdir_cw及Sdir_ccw来选择分合闸动作：
如果不存在过电流，则Sdir_cw=Sdir_ccw=0；
直流固态开关检测到过电流方向为顺时针时Sdir_cw=1，Sdir_ccw=0，该直流固态开关对外的Icw信号输出为1，否则对外的Icw信号输出为0；
直流固态开关检测到电流方向为逆时针时Sdir_cw=0，Sdir_ccw=1，该直流固态开关对外的Iccw信号输出为1，否则对外的Iccw信号输出为0。
5.根据权利要求4所述的一种船舶低压直流配电系统的短路保护方法，其特征在于，所述的步骤（3）中直流固态开关通过内部寄存器的状态标志位Slock_cw及Slock_ccw来选择分合闸动作：
当Icw=1时Slock_cw=0，当Icw=0时Slock_cw=1；
当Iccw=1时Slock_ccw=0，当Iccw=0时Slock_ccw=1；
任一直流固态开关依据自身的Soc值、Sdir_cw、Sdir_ccw状态及相邻直流固态开关对其输入的Icw、Iccw信号进行逻辑运算，得到是否动作状态信号Strip：当Strip=1时本直流固态开关执行分闸动作，切断短路过电流后Strip=0，直流固态开关不执行分闸动作；当直流固态开关过流值超过瞬时过电流动作值时无论Strip状态如何，直流固态开关均执行分闸动作。
6.根据权利要求5所述的一种船舶低压直流配电系统的短路保护方法，其特征在于，所述的状态信号Strip通过如下逻辑运算公式计算得到：
Strip=（Soc）AND（（（Sdir_cw）AND（Slock_cw））OR（（Sdir_ccw）AND（Slock_ccw）））。
7.根据权利要求1至6任意项所述的一种船舶低压直流配电系统的短路保护方法，其特征在于，所述的连接线路为电缆或铜排。
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