JP2013540416A - 方向性電流検出および保護リレーにおけるロジックを用いた配電システムのための保護システム - Google Patents

Abstract

自動定点保持型浮体構造体のための配電システムは、負荷が接続可能な第１のバスを含む複数のバスと、第１のスイッチおよび第２のスイッチを含む複数のスイッチと、を有しており、複数のバスは複数のスイッチを間に介してリングを形成するよう接続されており、第１のバスは第１のスイッチと第２のスイッチとの間に接続されており、第１のスイッチを介して第１のバスに向かう方向に流れる第１の電流が、所定の持続時間よりも長く所定の電流しきい値を超え、かつ、第２のスイッチを介して第１のバスに向かう方向に流れる第２の電流が、所定の持続時間よりも長く所定の電流しきい値を超える場合、配電システムは第１のスイッチを開き、同時に第２のスイッチを開き、これにより、第１のバスをリングから切り離すように構成されている。

Description

本発明は、有利には、最新の保護リレーにおいて利用可能なプログラマブルロジックを用いた方向性過電流故障保護のための、有利には自動定点保持型浮体構造体のための配電システムおよび配電方法に関する。有利には、本発明は、高信頼性が求められる自動定点保持型浮体構造体に見られるような複数の分離された電力システムに有利に適した、保護リレーにおけるプログラマブルロジックを用いる高められた配電における方向性故障電流保護に関する。さらに有利には、本発明は、有利には、故障に対する対策を取ることが可能な、配電システムがリング状接続形態を有する自動定点保持型浮体構造体のための配電システムに関する。配電システム中の故障のあるバスを，配電システムの残りのバスの動作に影響することなく分離することが目的とされる。

自動定点保持型の船および浮体構造体（たとえば海上プラットフォーム、石油プラットフォームまたは掘削プラットフォームもしくは掘削リグ）はプロペラまたはスラスタを使用して、定置作業が必要とされる位置にとどまり、この種の浮体構造体は、たとえば、有利には海底の掘削孔から石油および／またはガスを運ぶための掘削リグおよび／または生産リグを有する。電気的な推進力（プロペラまたはスラスタ）を用いるため、これらの浮体構造体は、海上の所望の位置を維持するためにおよびすなわち安全な海上作業を実現するために、推進機械に電気エネルギーを供給するための信頼性ある発電および配電に依存している。特に、この種の自動定点保持型（ＤＰ（Dynamic positioning））の浮体構造体は、甲板昇降型掘削リグおよびアンカーシステムが利用できない水深および地帯で用いることができる。

従来の発電システムおよび配電システムは、いくつかの分離された配電グループ（典型的には２〜８個）が、１つのグループに故障が生じた場合に残りのグループが浮体構造体を定点保持するのに十分であるように動作するように設計されている。特に、従来のシステムでは、冗長な発電（たとえば多数の発電機）が、いくつかのグループに必要とされるか、または、従来の発電システムのすべてのグループに必要とされる。

特に、いくつかの浮体構造体においては、冗長な複数のコンバータおよび複数のＤＣリンクを従来のシステムに用いて、分離された複数の発電・配電アイランドの間でエネルギー流を接続することにより、耐故障性の電力システムを得ている。このようにすることにより、過剰な数の発電機を稼働するという問題は避けられまたは少なくとも軽減されるが、高価なコンバータの列が形成される場合がある。したがって、付加的なコンバータによって発電システムまたは配電システムのコストが大きく増大しうる。さらに、この配電システムはメンテナンスがより手間がかかり、故障のさらなる発生源を含みうる。保護スキームの一部としての自動システムなどの浮体構造体管理システムの使用は、いくつかの計画において評価されてきたが、応答時間に関する問題のためにいくぶん諦められていた。電気故障保護のための付加的なシステムに依存することは望ましくない場合がある。これはまた船級協会および多くの顧客にとっても受け容れがたい場合がある。

ＥＰ１９４０００２Ａ２には、リレー装置および対応する方法が開示されており、これにおいては、部分差動領域に流れ込む故障電流の方向に対して第１の値が割り当てられ、部分差動領域から流れ出す故障電流の方向に対して第２の値が割り当てられ、故障電流に割り当てられた２つの値が比較され、故障電流が部分差動領域に流れ込むのか否かが判別される。これにより、各ノードは中央プロセッサ３０４とインタフェースし、処理、意思決定等のためのノードデータを送信する。

文献ＵＳ３，５５３，９６８には、比較的深い水深に配置されかつ強固に固定された直立レグにより支持された、固定型海上プラットフォームが開示されている。

文献ＥＰ１３３５４７０Ａ２には、故障が順方向なのか逆方向なのかを決定するための方向距離リレー要素を有する、配電ライン保護用の方向性比較型距離リレーシステムが開示されている。

ＥＰ１９４０００２Ａ２ ＵＳ３，５５３，９６８ ＥＰ１３３５４７０Ａ２

故障対応に関して改善され、それと同時に多数の発電機またはコンバータを必要としない、自動定点保持型浮体構造体用の配電システムおよび配電方法が求められていた。さらに、配電システムにおける１つの事故または故障によって浮体構造体がその位置を外れない配電システムおよび配電方法が求められていた。

差動保護は故障のあるバスを分離するためにネットワークにおいてよく用いられる。石油生産および掘削に用いられる浮体構造体においては、過渡的状態によって差動保護システムによる異常なトリップが生じる場合がある。これらの過渡的状態は、周波数、電圧および高調波成分に関して、陸上の電力システムについて通常みられるよりもより大きな変動を引き起こす、より小さい孤立したネットワークにおいて、大容量のモータや負荷を始動させることにより生じる。

上記課題は独立請求項に記載の発明により解決される。本発明の有利な実施形態は従属請求項に記載されている。

提案される、配電保護のための配電システムおよび方法は、一実施形態では、自動定点保持型の船および／または浮体構造体に用いられるが、故障後の継続的な稼働が望まれる他の用途、有利には海中配電システムなどにも適用可能である。

有利には、提案される、配電保護のための配電システムおよび方法は、従来のバス差動保護の代わりに、保護リレーにおけるロジックを用いる。

一実施形態では、配電システムは、故障に対してシステムを保護するように適合される。それゆえ、配電システムはたとえばさらに電力システム保護システムの特徴を参照するかまたは有する。有利には、保護リレーにおけるロジックは配電システムまたは電力システムの保護システムに含まれ、方向性故障電流の検出が、たとえばループ型電力ネットワークにおける区別を実現するために用いられる。

自動定点保持型浮体構造体は本配電システムの１つの可能な用途に過ぎず、本発明はこの使用の場合に限定されない。

一実施形態では、自動定点保持型浮体構造体（たとえば、船、石油プラットフォームまたは掘削リグ）のための（配電のための）配電システムが提供され、当該配電システムは、負荷（たとえばプロペラ、スラスタまたは他の種類の電気モータ、あるいは、電池または発電機などの電気供給装置）が（直接または間接的に）接続可能な第１のバスを含む複数のバス（それぞれ、銅棒などの導体を含んでなる）と、第１のスイッチおよび第２のスイッチを含む複数のスイッチ（閉状態と開状態をとることができ、有利には制御可能なスイッチであってよく、有利にはプログラマブルでありかつロジック動作の計算および／または実行を可能とするリレーおよび遮断器を有してよい）と、を有している。ここで、複数のバスは複数のスイッチを間に介して（挿入して）リングを形成する（これにより、バスがスイッチに接続され、このスイッチが別のバスに接続され、この別のバスが別のスイッチに接続され、同様にして、最後のスイッチが第１のバスに接続されて、バスとスイッチとが交互に配列されたリング状の構成または環状の構成が形成される）よう接続されており、第１のバスは第１のスイッチと第２のスイッチとの間に（有利にはコンバータを含まずに）接続されている。ここで、第１のスイッチを介して第１のバスに向かう方向に流れる第１の電流が、所定の持続時間（たとえば０．２ｓ〜１ｓ）よりも長く所定の電流しきい値（たとえば１０００Ａ〜１００００Ａ）を超え、かつ、（別の隣接するバスから）第２のスイッチを介して第１のバスに向かう方向に流れる第２の電流が、所定の持続時間よりも長く所定の電流しきい値を超える場合、配電システムは第１のスイッチを開き（これにより、第１のスイッチは開状態をとる）、同時に第２のスイッチを開く（これにより、第２のスイッチは開状態を取る）。したがって、第１のスイッチおよび第２のスイッチを開放することにより、第１のバスがリングから切り離される。有利には、送信システムは、リングから第１のバスを切り離すために保護リレーにおけるロジックを用いる。これにより、第１のスイッチおよび第２のスイッチのそれぞれは、ロジック機能を提供するロジックユニットを含むプログラマブルリレーを有しており、第１のバスは、第１のスイッチおよび第２のスイッチにおけるロジック機能を用いて識別される。有利には、第１のスイッチおよび第２のスイッチによって、中央プロセッサを必要とせずに第１のスイッチおよび第２のスイッチの開閉を制御するロジック機能を用いて第１のバスがリングから自立的に切り離される。

本願において、「スイッチ」の語は、２つの導体（たとえばバス）の間の電気接続を、有利には制御されたやり方で、開閉可能とする（制御可能な）装置を意味する。スイッチは、たとえば、回路遮断器（電気接続を実際に確立する要素を表す）、および、回路遮断器の開閉を制御する制御装置、たとえば（プログラマブル）リレー（有利にはロジック回路を有する）を有してもよい。

有利には、第１のバスにおいて故障が発生したとき、大電流が第１のスイッチを介して第１のバスへ流れ、また、大電流が第２のスイッチを介して第１のバスへ流れる。有利には、第１のスイッチの開放と第２のスイッチの開放は、たとえば、特定用途に適合された所定の時間−電流特性曲線に従って行われる。有利には、第１のスイッチが遮断器とスマートリレー（プログラマブルロジックを含んでなる）を有し、かつ、第２のスイッチが遮断器と遮断器を制御するスマートリレーを有する場合、故障の生じた第１のバスは、たとえば、第１のスイッチおよび第２のスイッチを除いたリングのすべてのスイッチの開放を阻止することにより検出される。ここで、（第１のスイッチおよび第２のスイッチを除く）すべての他のスイッチの開放は、すべての他のスイッチに適切な阻止信号を送信し、第１のスイッチおよび第２のスイッチに送信しないことにより、阻止される。有利には、対応する遮断器（スイッチを形成する遮断器およびリレー）を制御するリレーにおけるロジックがリング構造に用いられて、故障のあるバスを識別して、故障のあるバスをリングから切り離し、これにより、故障のあるバスはリングから分離され、したがってリングは開かれる。それでも、開放されたリングでは、複数のバスのすべての残りのバスは、互いに接続されたままである。これにより、残りのバスに接続された１つ以上の負荷に電気エネルギーを供給するためにより少数の発電機が必要なだけである。これにより、配電システムの効率が改善され、配電システムのコストは従来の配電システムに比べて低減される。

有利には、配電システムは、ループに接続された複数の電力バスを有する。１つのバス（第１のバス）に故障が生じた場合、第１のバスのみが両端で切り離され、残りのすべての発電機および配電システムは動作状態にあり、互いに接続されたままである。これにより、所与の故障状態において動作するためにはより少数の冗長な発電機が必要とされるだけである。これにより、メンテナンス、燃料消費および排出は低減される。（第１のバスにおける）１つの電気故障が発生し、この故障を修復しないままでも、配電システムを含む浮体構造体の動作は維持可能である。他のアイランドが冗長な発電容量を有するにもかかわらず１つのアイランドが電力不足となりうるという問題を避けながら、配電システムは、第１の故障の後も１つの接続されたシステムとして維持される。

有利には、母線の差動保護の必要性がなくなる。母線の差動保護は、過渡状態の問題や掘削または生産リグの通常動作時によく見られる状態におけるトリップ（故障時の開放）を生じうる。このような異常なトリップはＤＰ２またはＤＰ３クラスの浮体構造体について重要である。提案のシステムは最初の電気故障の後でも、ＤＰ２またはＤＰ３クラスに従って継続動作可能である。この場合、ＤＰ２の浮体構造体は第２の電気故障の後でも定点保持する必要があり、ＤＰ３クラスの浮体構造体は電気的または機械的性質の第２の故障の後でも定点保持する必要がある。これは、第１の故障の修復を待つ間、浮体構造体の継続された動作を可能とする。

有利には、複数の発電および配電アイランド（複数のバス）同士を１つの閉じられたリングに接続されるように標準的な回路遮断器を用いて接続することにより、発電または配電システムを有する浮体構造体のために複数の冗長な発電機を動作させる必要がなくなる。これによりさらに、第１の故障後に配電構成を再構成する必要なく、故障後に、１つの接続されたバスとしての配電の継続動作が可能となる。一実施形態では、保護スキームでは、他の部分（配電システムの他のバス）を切り離すこと無く、故障のある部分（第１のバス）のみが（排他的に）分離される。

これにより、故障のある部分または故障のあるバス（第１のバス）は、スイッチにおける（有利にはスイッチを制御する保護リレーにおける）ロジック機能またはプログラマブルロジック能力を用いて識別可能である。有利には、保護リレー（たとえばシーメンス社ＳＩＰＲＯＴＥＣ（商標）保護リレー）が配電システムにおいて用いられ、適用される。シーメンス社ＳＩＰＲＯＴＥＣ（商標）保護リレーは組み込みロジックおよびさらに組み込まれた電流電圧測定能力を有する。これらのリレーは、配電システムの、標準的で広く用いられている構成要素である。これらはよく実証された保護装置であり、その組み込み特性により、付加的なコントローラまたはプログラマブルロジックコントローラ（ＰＬＣ）を用いることなく、ロジック動作を保護スキームの一部とすることができる。

配電システムの提案される接続形態およびバスの故障の場合に配電システムからこのバスを分離可能であることにより、メンテナンスの必要性および燃料コストは低減され、動作状態で稼働するため必要な発電機はより少数となる。さらに、発電システムに関するより高いアベイラビリティが実現され、これにより、電気故障発生後の、オペレータの介入すらない、動作継続が可能となる。故障のある部分のみが切り離され、残りのシステムは、１つの接続された発電および配電システムとして動作継続する。さらに、いくつかの他の従来の耐故障発電システムにおいて必要とされるような、付加的な複数のコンバータとＤＣリンクの必要性は排除される。したがって、複雑性および初期投資は低減可能である。さらに、標準的なよく実証された構成要素のみを用いて一実施形態の配電システムを構築できる。

一実施形態では、第１のスイッチ（有利にはリレーにより制御される遮断器を有する）は第１の電流および第１の電流の方向を決定（有利には、測定、導出および／または計算）するよう構成されており、第２のスイッチは第２の電流および第２の電流の方向を決定（有利には、測定、導出および／または計算）するよう構成されている。これにより、第１のバスが配電システムから分離される状況は容易に決定される。さらに、従来の構成要素（たとえば電流測定能力を有するプログラマブルリレー）は配電システムを構築するために用いることができる。

一実施形態では、第１のスイッチは、第１のスイッチを介して第１のバスから離れる方向に流れる第１の逆方向性電流（第１の電流の流れる方向とは反対方向に流れる電流）が、所定の時間よりも長く所定の電流しきい値を超える場合に、第２のスイッチが開くことを阻止するための阻止信号（該阻止信号はトリップ阻止信号６７とも示される）を第２のスイッチに送る（第１のスイッチと第２のスイッチとの間の通信、有利には第１のスイッチから第２のスイッチへの通信のための、第１のスイッチと第２のスイッチとの間の信号線を要する）ように構成されている。この状況において、第１のバスは電流シンクではなく、別のバスが電流シンクでなければならず、したがって、別のバスが故障を有するはずである。この状況において、第１のバスは故障のあるバスではなく、配電システムから切り離されるべきではない。それゆえ、有利には、第２のスイッチは第１のバスの配電システムへの接続を維持するために、開放されるべきではない。ここで、第２のスイッチが有するリレーのロジック処理能力を用いることができる。

一実施形態では、第２のスイッチが第１のスイッチから阻止信号を受信せず、かつ、第１のバスに向かう方向に第２のスイッチを介して流れる第２の電流が、所定の時間よりも長く所定の電流しきい値を超える場合、および、有利にはさらに第１のバスにおける電圧が所定の電圧しきい値以下である場合、第２のスイッチが開くように構成されている。有利には、第２のスイッチは複数のスイッチのうちの他のすべてのスイッチから阻止信号を受け取らない。有利には、複数のスイッチのすべてのスイッチが、阻止信号を受け取らない２つのスイッチ（第１のスイッチおよび第２のスイッチ）を除いて、（複数のスイッチのうちの別のスイッチから）阻止信号を受け取る。次いで阻止信号を受け取らない２つのスイッチが開かれ、配電システムから阻止信号を受け取らない２つのスイッチの間でバスが切り離される。ここで、スイッチのロジック処理能力および電流測定能力および電圧測定能力が用いられる。

一実施形態では、第２のスイッチを介して第１のバスに向かう方向または第１のバスから離れる方向に流れる第３の電流が、別の所定の時間よりも長く別の所定の電流しきい値を超える場合に、第２のスイッチは開くように構成されている、なお、別の所定の電流しきい値は所定の電流しきい値よりも大きく、および／または、別の所定の時間は所定の時間よりも長い。第３の電流トリップは方向性電流について開放が生じなかった場合に生じる。第２のスイッチを構築するために（および有利にはさらにすべての他のスイッチを構築するために）プログラマブルリレーを用いることにより、第２のスイッチが開放されるべき状態または状況を定めるためのさらなる状態および関係を含めることができる。これにより、故障のバスを決定するためのより高い柔軟性が実現される。

一実施形態では、複数のバスは、第２のスイッチを介して第１のバスに接続された第２のバスを含み、複数のスイッチは第２のバスに接続された（但し第１のバスと第２のバスとの間にではなく）第３のスイッチを含んでおり、第２のスイッチを介した第１のバスに向かう方向の第２の電流が、所定の時間よりも長く所定の電流しきい値を超える場合、第２のスイッチは、第３のスイッチが開くことを阻止するための阻止信号を第３のスイッチに送るように構成されている。これにより、他のすべてのバス（第１のバスを除く）を配電システムから分離しないために、第２のバスを複数のバスのうちの別のバスと接続する第３のスイッチが閉状態に維持される。これにより、故障のある第１のバスが配電システムから切り離されたときに、第１のバス（故障のあるバス）のみが環状の配電システムから分離され、ループに接続されておらずリングを形成しない線形のまたはチェーン状の配電システムを実現することが保証される。

一実施形態では、第１のバスに接続された少なくとも１つの発電機をさらに有する。発電機は第１のバスに電気エネルギーを供給することができる。有利には、配電システムは１つ以上の発電機を有してよく、ここで、有利には、各バスについて１つの発電機が接続可能である。第１のバスの配電システムからの分離には、第１のバスに接続された発電機の配電システムからの分離も含みうる。さらに、第１のバスの配電システムからの分離は、第１のバスに接続されたすべての負荷の配電システムからの分離を含みうる。したがって、第１のバスに接続された負荷または発電機において故障が生じた場合に、第１のバスが配電システムから分離されない場合がある。さらに、故障は第１のバスに接続された負荷または発電機のいずれかにおいても生じることなく、第１のバス自体に生じてもよい（たとえば地絡）。

一実施形態では、配電システムは、発電機を第１のバスに接続する発電機回路遮断器（発電機スイッチともいう）をさらに有する。発電機回路遮断器は電流測定能力および／または電圧測定能力を有する（プログラマブル）リレーにより制御される。したがって、発電機自体の故障の場合には、それは第１のバスから高速に分離可能であり、第１のバスを配電システムから分離する必要性は排除される。有利には、発電機スイッチの時間−電流特性曲線は、故障が第１のバス自体にではなく発電機において生じた場合に、第１のバスを配電システムに接続された状態に維持する（依然としてリングが形成される）ために、発電機スイッチが第１のスイッチまたは第２のスイッチが開く前に開くようなものであってよい。これにより、配電システムのリング構造は発電機のうちの１つの故障の場合に維持可能である。

一実施形態では、負荷はたとえば負荷回路遮断器（負荷スイッチともいう）を介して第１のバスに接続される。有利には、たとえば、その負荷回路遮断器は電流測定能力および電圧測定能力を有しかつロジック計算を提供する（プログラマブル）リレーにより制御される。有利には、負荷スイッチの時間−電流特性は、負荷スイッチが、故障が負荷において生じた場合に第１のバスを環状の配電システムに接続された状態に維持するために、第１のスイッチおよび第２のスイッチが開く前に開くようなものである。これにより、故障が配電システムに接続された負荷においてのみ生じたとき、配電システムは有利なリング状構造に維持可能である。有利には、１つ以上の負荷装置が複数のバスのそれぞれに接続可能である。

一実施形態では、第３のスイッチ、発電機スイッチおよび負荷スイッチの少なくとも１つはロジックユニットを備えるプログラマブルリレーを有する。有利には、シーメンス社ＳＩＰＲＯＴＥＣ（商標）保護リレーを用いることができる。

一実施形態では、上述の配電システムを有する浮体構造体（たとえば浮遊海上プラットフォーム、掘削リグ、石油プラットフォーム）であって、浮体構造体は、負荷として電力バスに接続された複数の（プロペラまたはスラスタに接続された）電気モータを用いて自動定点保持される。浮体構造体は、電気モータにより駆動される１つ以上のプロペラまたはスラスタを動かすことにより、特定の（海中または海上の）位置に維持可能である。

有利には、ＤＰクラス２の浮体構造体について２室（line-up）スイッチギア構成が考えられ、ここでは、それは２つのスラスタを失うことが許容され、１つは第１の故障において、もう１つは後の第２の故障においてである。ＤＰクラス２の浮体構造体においては、電気故障のみが考慮される。浮体構造体は電気故障後にその動作を安全に終了可能でなければならない。耐故障システムに関して、浮体構造体は特定の種類の第１の故障の後に生じる第２の故障についても同じことをしなければならない。このような第１の故障には、遮断器、発電機、スラスタまたはバスの故障が含まれる。

別の実施形態では、ＤＰクラス３の浮体構造体についての４室スイッチギア構成が考えられ、ここでは、それは３つのスラスタを失うことが許容され、１つは第１の故障、他の２つは第２の故障である。ＤＰ３クラスの浮体構造体において、すべての区画に影響する故障も考慮しなければならない。これには一区画全体の火災または浸水が含まれる。提案される耐故障システムに関して、状態は第１の故障は電気構成要素たとえば遮断器、発電機、スラスタまたはバスの故障に限定される。第２の故障は一区画全体に影響する可能性があり、浮体構造体はそのような故障の後にその動作を安全に完了することができる。このような故障は２つのスラスタの喪失となり、さらに１つは第１の（電気）故障の結果として故障しうる。

一実施形態では、ＤＰクラス３の浮体構造体についての８室スイッチギア構成が考えられ、これにおいては、それは２つのスラスタの喪失が許容され、１つは第１の故障、もう１つは後の第２の故障である。ＤＰクラス３の浮体構造体のための４室スイッチギア構成と同様に、発電機およびバスそれぞれが独自の分離された耐火区画に設けられている。この構成は浮体構造体の建造をより高額とするが、２つの故障の後に残る６つのスラスタを有することを補償可能である。この構成は、４室スイッチギアを有するＤＰクラス３の浮体構造体において用いられるべきよりもより少数のスラスタを可能とし、これにおいては、浮体構造体は２回の故障の後に残る５つのスラスタのみを有しうる。

有利には、ＤＰクラス２の浮体構造体のための２室スイッチギアは２つの分離された区画を有し、ＤＰクラス３の浮体構造体のための４室スイッチギアは４つの独立な区画を有し、ＤＰクラス３の浮体構造体のための８室スイッチギアは８つの独立な区画を有し、その内部に、配電システムのいくつかの構成要素が設置される。

一実施形態では、浮体構造体は浮遊海上石油プラットフォームまたは海上掘削プラットフォームを支持するために構成されている。浮体構造体は海中に少なくとも部分的に沈められてもよい。

配電システムに関して開示され、記載され、または、言及された特徴（独立にまたは組み合わせて）は、配電方法にも（独立にまたは組み合わせて）適用可能である。

一実施形態では、自動定点保持型浮体構造体のための配電システムを用いる、有利には上述の配電システムを用いる配電方法が提供され、該配電システムは、負荷が接続可能な第１のバスを含む複数のバスと、第１のスイッチおよび第２のスイッチを含む複数のスイッチと、を有する。ここで、複数のバスは複数のスイッチを間に介してリングを形成するよう接続されており、第１のバスは第１のスイッチと第２のスイッチとの間に接続されている。ここで、該方法は、第１のスイッチを介して第１のバスに向かう方向に流れる第１の電流を決定（有利には、測定、導出、計算および／または推定）するステップと、第２のスイッチを介して第１のバスに向かう方向に流れる第２の電流を決定するステップと、第１の電流が、所定の持続時間よりも長く所定の電流しきい値を超え、第２の電流が、所定の持続時間よりも長く所定の電流しきい値を超える場合、第１のスイッチを開き、同時に第２のスイッチを開くことにより、第１のバスをリングから切り離すステップと、を含む。ここで、第１のスイッチおよび第２のスイッチのそれぞれは、ロジック機能を提供するロジックユニットを含むプログラマブルリレーを有しており、第１のバスは、第１のスイッチおよび第２のスイッチにおけるロジック機能を用いて識別される。

本発明の実施形態について、異なるカテゴリーの発明に関して記載されている。有利には、いくつかの実施形態は、方法のカテゴリーの請求項に関して記載され、他の実施形態は装置のカテゴリーの請求項でもって記載されている。しかし、当業者は上記または下記の記載から、他に言及しない限り、１つのカテゴリーの発明に属する特徴の任意の組み合わせに加えて、異なるカテゴリーの発明に属する特徴同士の任意の組み合わせ、有利には、方法のカテゴリーのクレームの特徴と装置のカテゴリーのクレームの特徴との任意の組み合わせも、本願書類に開示されているものと見なされることは理解するであろう。

本発明の上記の態様および他の態様は、以降に記載される実施形態における実施例から明らかであり、実施形態における実施例を参照して説明される。本発明は、実施形態における実施例を参照して以下より詳細に説明されるが、本発明はこれに限定されない。

一実施形態における配電システムを概略的に示す。 図１に示す配電システムに用いられるリレーの時間−電流特性極性を示すグラフである。 図１に示される配電システムに用いられるリレーに用いられるロジック図を示す。 図１に示される配電システムに用いられるリレーに用いられるロジック図を示す。 図１に示される配電システムに用いられるリレーに用いられるロジック図を示す。 一実施形態における配電システムを示す。 一実施形態における配電システムを示す。 別の実施形態における配電システムを示す。 別の実施形態における配電システムを示す。 また別の実施形態における配電システムを示す。 また別の実施形態における配電システムを示す。 図１に示される配電システムを有する浮体構造体を概略的に示す。

図面中の記載は概略的なものである。異なる図面中、同様のまたは同一の要素には同じ参照符号または最初の一桁のみが対応する参照符号と異なる参照符号が付されている。

図１は一実施形態における配電システム１００を概略的に示す。配電システム１００は複数のバスを有し、そのうち、第１のバス１０１と、第２のバス１０３と、第３のバス１０５と、第４のバス１０７とが示されている。バスは複数のスイッチによって互いに接続されており、そのうち、スイッチ１０９、１１１、１１３、１１５のみが示されている。各バスは各スイッチによって連続的に交互に接続されて、交互に設けられた各バスと各スイッチによりリング１１７が形成される。

発電機１１９はスイッチ１２１を介してバス１０３に接続され、バス１０３に電気エネルギーを供給する。バス１０３に供給される電気エネルギーは、負荷スイッチ１２５を介してバス１０３に接続された負荷１２３によって消費される。発電機１２７は発電機スイッチ１２９を介してバス１０５に接続され、バス１０５に電気エネルギーを供給する。負荷１３１はスイッチ１３３を介してバス１０５に接続され、負荷１３１に電気エネルギーを供給する。

バス１０３はスイッチ１１１を介してバス１０１に接続され、バス１０３はスイッチ１１３を介してバス１０５に接続されている。有利には、スイッチ１１１はリレー１３７により制御される遮断器１３５（ノーマリクローズ（Ｎ．Ｃ．））を有する。図示の実施形態では、リレー１３７は、プログラマブルであり、ロジック回路を有するシーメンス社ＳＩＰＲＯＴＥＣ（商標）リレーである。また、リレー１３７は、バス１０３からバス１０１へ流れる電流を測定しまたはバス１０１からバス１０３へ流れる電流を測定するための、電流測定能力および電圧測定能力を有する。スイッチ１１３は、遮断器を開状態または閉状態に設定するようリレー１４１によって制御される遮断器１３９を有する。示される実施形態では、リレー１３７および１４１の両方がシーメンス社ＳＩＰＲＯＴＥＣ（商標）リレーであり、これによって、ロジック処理が実行可能であり、隣接するバス間をリレーを介して流れる電流および電圧を測定可能である。

配電システム１００の通常動作の間、複数のバスが交互の（閉状態の）スイッチにより接続され、環状構造またはリング構造を形成している。これにより、発電機１１９または１２７により生成された電気エネルギーは任意のバスに接続された任意の負荷に配電可能である。これにより、十分な電力の信頼性ある供給がバスに接続されたすべての負荷に提供される。

通常動作（故障が生じていない）時には、スイッチ１０９、１１１、１１３および１１５のすべての遮断器が閉じられている。発電機１１９、１２７はたとえば定格電流３００Ａ（アンペア）であり、たとえば少なくとも３ｓの間、９００Ａの持続的な故障電流を維持する。

図１には、バス１０３において短絡１４３が発生した、という特定の故障シナリオが示されている。短絡１４３はたとえばバス１０３の地絡故障により生じる。他の実施形態では、故障状態は異なる事象によって生じうる。短絡１４３のため、大電流が発電機１１９から短絡１４３に流れる。さらに、スイッチ１０９、１１１、１１３および１１５のノーマリクローズ状態において、大電流が発電機１２７からバス１０５、スイッチ１１３（閉状態）を介してさらに流れ、短絡１４３に向かう。さらに、大電流がバス１０１、閉状態のスイッチ１１１、バス１０３を介して短絡１４３へと流れる。これらの大電流は配電システムから過剰量の電気エネルギーを引き出し、したがってこれは望ましくない。一実施形態では、配電システム１００は、配電システムの他の負荷、たとえば、負荷１３１に電気エネルギーを継続して供給可能とするために、リング構造１１７から故障のあるバス１０３（故障が発生したバス）を切り離すよう構成されている。

故障はバス１０３に生じた（そして負荷１２３や発電機１１９において生じていない）ため、発電機スイッチ１２１または負荷スイッチ１２５を開いて、発電機１１９または負荷１２３をそれぞれ配電システムから切り離すだけでは問題は解決されない。逆に、配電システム１００はスイッチ１１１および１１３を開いて、バス１０３を配電システム１００から切り離し、これにより故障電流がバス１０５からバス１０３に向かって、かつ、バス１０１からバス１０３に向かって流れないように構成されている。

スイッチ１１３はバス１０５からバス１０３に流れる電流１４５を検出し、バス１０５とバス１０７とを接続するスイッチ１１５に信号線１４７を介して阻止信号を送る。故障はバス１０５において生じていないので、スイッチ１１５に送られた阻止信号はスイッチ１１５を閉状態に維持する。

さらに、スイッチ１１１はバス１０１からバス１０３へ流れる電流１４９を検出し、この電流を検出すると、スイッチ１１１はスイッチ１０９に信号線１５１を介して阻止信号を送る。電流１４９がバス１０１からバス１０３へ流れる場合、バス１０１は故障のあるバスではありえないので、スイッチ１０９が受け取る阻止信号はスイッチ１０９を閉状態に維持する。さらに、スイッチ１０９およびさらにスイッチ１１５はリング１１７内の隣接する各スイッチに阻止信号を送り、これらのスイッチを閉状態に保持する。最終的に、スイッチ１１１および１１３を除く、リング１１７内のすべてのスイッチは阻止され、したがってスイッチ１１１および１１３は開状態をとる。これにより、故障のあるバス１０３は配電システム１００から分離され、配電システム１００は開かれてリング構造はもはや形成されない。故障のあるバス１０３を配電システムから分離した後、他のバスに接続された（バス１０３に接続されていない）消費装置または負荷、たとえば負荷１３１は、適切な継続動作を保証するために、電気エネルギーが供給される。

図２はスイッチ１０９、１１１、１１３、１１５、１２１、１２５、１２９、１３３（有利にはこれらのスイッチが有するリレーの特定の特性）の時間−電流特性曲線のグラフを示す。図２の横軸には電流（Ａ）が示されており、縦軸には時間（ｓ）が示されており、これらのスケールは対数表示である。曲線２５３、２５５、２５７、２５９は、どの電流と時間の流れの組み合わせにおいて、どのスイッチがトリップするのか、すなわち故障時に開くのかを示す。曲線２５３はスイッチ１２５および１３３に適用される。曲線２５９はスイッチ１０９、１１１、１１３について適用される（無方向性）。曲線２５５はスイッチ１０９、１１１、１１３、１１５に適用される（方向性）。曲線２５７はスイッチ１２１および１２９に適用される。

曲線２５３はたとえば負荷１２３をバス１０３に接続する負荷スイッチ１２５の特性を示す。有利には、負荷スイッチ１２３は、約３０×１００Ａから２００×１００Ａ（またはこれよりも高い）の間の電流が約０．０２ｓまたはこれよりも長く続いたときに、開状態をとる。このようにして、故障のある負荷は、他のすべてのスイッチが開く前に、非常に高速に、図１に示される配電システム１００から分離可能である。

さらに、図２の曲線２５５は、それらがバス１０３へ流れる方向性電流１４５および１４９を検出するときの、スイッチ１１１および１１３の時間−電流特性を示す。これにより、電流１４５、１４９が特定の期間にわたり特定値をとるか、または、特定のしきい値を超えると推定されるとき、スイッチ１１１、１１３は開状態をとる。

曲線２５７は発電機１１９をバス１０３に接続する発電機スイッチ１２１の特性または発電機１２７をバス１０５に接続する発電機スイッチ１２９の特性を示す。（隣接するバスを接続する）種々のスイッチ１０９、１１１、１１３、１１５の時間−電流特性曲線の形状は、非常に類似するかまたは同じであるが、負荷スイッチ１２５、１３３の特性曲線とは異なり、発電機スイッチ１２１および１２９の特性とも異なりうる。有利には、時間−電流特性曲線の形状は特定の用途に依存する。図１に示される発電機１１９のための発電機スイッチ１２１は図２に示される曲線２５７に従ってトリップする。リレー１３７はバス１０３からバス１０１へ流れる電流を監視しない。したがって、リレー１３７はスイッチ１１３のリレー１４１に阻止信号（トリップの阻止信号６７）を発しない。バス１０３の左側に発電がない場合、スイッチ１１１のリレー１３７は何も行わない。（バス１０１に接続される発電がある場合、スイッチ１１１のリレー１３７もトリップし、バス１０３の左側の故障をクリアする）。スイッチ１１３のリレー１４１はたとえば発電機１２７により生成される約９００Ａの方向性故障電流１４５を監視する。リレー１４１はスイッチ１１１のリレー１３７からの阻止信号を受け取らない。さらに、リレー１４１は不足電圧を監視する。リレー１４１はバス１０３への方向性故障電流を監視し、図２に示される曲線２５５に従うトリップを作動させる。リレー１４１はスイッチ１１１のリレー１３７に阻止信号を発しない。約４０００Ａ以下の故障レベルについて、リレー１４１は発電機１２７のための発電機スイッチ１２９より前にトリップさせ、故障をクリアする。

方向性故障電流のトリップレベルは最小容量の発電機から出力可能な継続する３秒間の故障電流以下に設定されなければならない。ネットワークが閉ループとして動作するとき、方向性故障電流のトリップレベルは、最小容量の発電機から出力可能な継続する３秒間の故障電流の半分以下に設定されなければならない。その理由は、閉バスループのライン上の１つの発電機からの故障電流は、両方の方向から短絡位置に向かって進むからである。ＤＰ動作に関して、動作する発電機の最小数は２である。

図３はスイッチ１０９、１１１、１１３および１１５が有する保護リレーのロジック図を示し、これは、スイッチ１１１または１１３のリレーが、検出された電流１４５または１４９の上流のスイッチに阻止信号を送る状態を示す。スイッチ１１１および１１３はリレー１３７および１４１をそれぞれ有し、これらはそれぞれＯＲゲート３６１を有する。端子３６３において、ＯＲゲート３６１はスイッチに隣接するバスから過電流が存在することを示す情報を受け取る。端子３６５において、ＯＲゲート３６１はバスから地絡電流が存在することを示す情報を受け取る。端子３６３および３６５において受け取られる信号の（少なくとも）１つがロジックＨｉｇｈ信号であるならば、ＯＲゲート３６１は端子３６７においてロジックＨｉｇｈ信号を出力し、それはバスの反対側のスイッチ（たとえば、図に示されるスイッチ１０９および１１５）に送られるべき阻止信号として用いられうる。

図４は図１に示される回路遮断器１１３（または１１１）を制御するリレー１４１（または１３７）の動作のロジック図を示す。有利には、図４は、故障のあるバス１０３を配電システム１００から分離するために、回路遮断器１１３（または１１１）が開かれる状態を示すまたは表すロジック図を示す。ロジック回路４６９は、遅延器４７１と、ＡＮＤゲート４７３と、遅延器４７５と、ＡＮＤゲート４７７と、ＯＲゲート４７９とを有する。遅延器４７１はバスへの方向性過電流を示す情報を受け取り、この信号を時間Ｔ１分遅延させてＡＮＤゲート４７３に送る。さらに、ＡＮＤゲート４７３は反転された別のスイッチからの阻止信号を受け取る。さらに、ＡＮＤゲート４７３は阻止信号がなく、かつ、当該バスへの方向性過電流があり、当該バス上の不足電流がある場合、ＡＮＤゲート４７３はロジックＨｉｇｈ信号を出力する。

方向性過電流についてトリップ（故障の際の開放）を可能とするため、以下の条件が存在しなければならない。

・故障電流が流れるバスの反対側のリレーから受け取る阻止信号がない。

・方向性故障電流が検出される。バスの反対側におけるリレーが阻止信号を発する時間を可能とするために、この電流信号に対する時間遅延Ｔ１が存在する。この遅延はたとえば適切なリレー調整を提供するために選択される。適切な時間はたとえば、１５０〜３００ｍｓである。いくつかの電力システムに関して、より短い時間が必要とされ、それは、今日市販されている保護リレーにおいて使用可能なものよりもより高速なロジックを必要としうる。

・バスの不足電圧が検出される。

バスの反対側のリレーに、そうすべき場合に阻止信号を発しさせない故障が存在する場合、リレーはいずれにせよ遅延Ｔ２の後、方向性過電流でトリップする。特に、Ｔ２はＴ１よりも長くなければならない。遮断器は無方向性過電流でトリップされる。

図５は、シーメンス社ＳＩＰＲＯＴＥＣ（商標）リレーおよび方向性地絡について図４に記載されるロジック回路４６９の一部を開示する。ここで、ＡＮＤゲート５７３は端子５７４において方向性過電流を示す情報を、および、端子５７６において不足電流を示す情報を受け取る。ＯＲゲート５７９はＡＮＤゲート５７３の結果を受け取り、端子５８０において方向性地絡を示す情報を受け取る。

図６および７は、一実施形態におけるＤＰ２クラスの浮体構造体のための２室スイッチギア（ＳＷＧ）の主単線結線図を示す。図６および７の２つの部分に示される配電システム６００は、中間スイッチ６１１により接続される８個のバスを有する。スイッチ６１１は図１に示されるスイッチ１１１として構成され、したがって、それぞれリレーおよび遮断器を有する。各リレーは対応する遮断器を制御する。図６において、配電システム６００のこれらの構成要素は、第１の区画に配置されて示され、図７は別の分離された区画に配置された配電システム６００のこれらの構成要素を示す。バス６０１はスイッチ６１１により接続され、リング構造を形成している。２つの異なる区画に配置されている配電システム６００の各部分は、２本のケーブル６０２により互いに接続されている。

図８および９はＤＰ３クラスの浮体構造体型配電システム８００のための４室スイッチギアの主単線結線図を示す。第１の区画および第２の区画に含まれる配電システムの各部分が図８に示されており、第３の区画および第４の区画に配置された配電システム８００の各部分が図９に示されている。８個のバス８０１はスイッチ８１１を使用して互いに接続されて、リング構造を形成している。異なる区画に配置された配電システム８００の各部分は４本のケーブル８０２により互いに接続されている。発電機８１９（図示の実施形態では８つの発電機が設けられている）はバスに電気エネルギーを供給し、バスから負荷８２３に供給される（図示の実施形態では８個のスラスタが負荷として接続されている）。

図１０および１１は、ＤＰ３クラスの浮体構造体型の配電システム１０００のための８室スイッチギアの主単線結線図を示す。第１〜第４の区画を含む配電システム１０００の各部分が図１０に示されており、第５〜第８の区画に配置される配電システム１０００の各部分が図１１に示されている。複数のバス１００１は複数のスイッチ１０１１により接続されてリング構造を形成している。発電機１０１９はバスに電気エネルギーを供給し、バスから複数の負荷１０２３に供給される。

図１２は、図１、６および７、８および９、または、図１０および１１に示される配電システムを用いることができる浮体構造体１２８０を概略的に示す。浮体構造体１２８０は２つのフロート１２８２（海中に沈められる）を有し、各フロートは４つのスラスタ１２２３を有する。スラスタ１２２３は、浮体構造体１２８０の安全な動作のために、配電システム（図示せず）たとえば上述のシステム１０００、システム６００、システム８００またはシステム１０００により電気エネルギーが供給される。

「含む」、「有する」の語は他の要素またはステップを排除するものではなく、「１つの」の記載は複数を排除するものではない。さらに、異なる実施形態と関連して記載された要素は組み合わされてもよい。請求項中の参照符号は請求項の発明の範囲を限定するものではない。

Claims (13)

1. 有利には自動定点保持型浮体構造体のための配電システムであって、当該配電システムは、
   負荷（１２３）が接続可能な第１のバス（１０３）を含む複数のバス（１０１、１０３、１０５、１０７）と、
   第１のスイッチ（１１１）および第２のスイッチ（１１３）を含む複数のスイッチ（１０９、１１１、１１３、１１５）と、を有しており、
   前記複数のバスは前記複数のスイッチを間に介してリング（１１７）を形成するよう接続されており、前記第１のバスは前記第１のスイッチと前記第２のスイッチとの間に接続されており、
   前記第１のスイッチを介して前記第１のバスに向かう方向に流れる第１の電流（１４９）が、所定の持続時間よりも長く所定の電流しきい値を超え、かつ、前記第２のスイッチを介して前記第１のバスに向かう方向に流れる第２の電流（１４５）が、前記所定の持続時間よりも長く前記所定の電流しきい値を超える場合、前記配電システムは前記第１のスイッチを開き、同時に前記第２のスイッチを開き、これにより、前記第１のバスを前記リングから切り離すように構成されており、
   前記第１のスイッチおよび前記第２のスイッチのそれぞれは、ロジック機能を提供するロジックユニットを含むプログラマブルリレーを有しており、
   前記第１のバスは、前記第１のスイッチおよび前記第２のスイッチにおけるロジック機能を用いて識別される、
   ことを特徴とする配電システム。
2. 前記第１のスイッチは前記第１の電流および前記第１の電流の方向を決定するよう構成されており、前記第２のスイッチは前記第２の電流および前記第２の電流の方向を決定するよう構成されている、請求項１記載の配電システム。
3. 前記第１のスイッチは、前記第１のスイッチを介して前記第１のバスから離れる方向に流れる第１の逆方向性電流が、前記所定の時間よりも長く前記所定の電流しきい値を超える場合に、前記第２のスイッチが開くことを阻止するための阻止信号（１４７、１５１）を前記第２のスイッチに送るように構成されている、請求項１または２記載の配電システム。
4. 前記第２のスイッチが前記第１のスイッチから前記阻止信号を受信せず、かつ、前記第１のバスに向かう方向に前記第２のスイッチを介して流れる前記第２の電流が、前記所定の時間よりも長く前記所定の電流しきい値を超える場合、および、有利にはさらに前記第１のバスにおける電圧が所定の電圧しきい値以下である場合に、前記第２のスイッチは開くように構成されている、請求項３記載の配電システム。
5. 前記第２のスイッチを介して前記第１のバスに向かう方向または前記第１のバスから離れる方向に流れる第３の電流が、別の所定の時間よりも長く別の所定の電流しきい値を超える場合に、前記第２のスイッチは開くように構成されている、なお、前記別の所定の電流しきい値は前記所定の電流しきい値よりも大きく、および／または、前記別の所定の時間は前記所定の時間よりも長い、請求項４記載の配電システム。
6. 前記複数のバスは、前記第２のスイッチ（１１３）を介して前記第１のバスに接続された第２のバス（１０５）を含み、
   前記複数のスイッチは前記第２のバスに接続された第３のスイッチ（１１５）を含んでおり、
   前記第２のスイッチを介した前記第１のバスに向かう方向の前記第２の電流（１４５）が、前記所定の時間よりも長く前記所定の電流しきい値を超える場合、前記第２のスイッチは、前記第３のスイッチが開くことを阻止するための阻止信号（１４７）を前記第３のスイッチに送るように構成されている、
   請求項１から５のいずれか１項記載の配電システム。
7. 前記第１のバスに接続された少なくとも１つの発電機（１１９）をさらに有する、請求項１から６のいずれか１項記載の配電システム。
8. 前記発電機を前記第１のバスに接続する発電機スイッチ（１２１）をさらに有する、請求項７記載の配電システム。
9. 前記負荷（１２３）は負荷スイッチ（１２５）を介して前記第１のバスに接続可能である、請求項１から８のいずれか１項記載の配電システム。
10. 前記第３のスイッチ、前記発電機スイッチおよび前記負荷スイッチの少なくとも１つはロジックユニットを備えるプログラマブルリレーを有する、請求項１から９のいずれか１項記載の配電システム。
11. 請求項１から１０のいずれか１項記載の配電システムを有する浮体構造体であって、前記浮体構造体は複数の電気モータ（１２３、６２３、８２３、１０２３、１２２３）を用いて自動定点保持される、ことを特徴とする浮体構造体。
12. 海上石油プラットフォームまたは海上掘削プラットフォームを支持するために構成されている、請求項１１記載の浮体構造体。
13. 有利には自動定点保持型浮体構造体のための配電システムを用いる、有利には請求項１から１０のいずれか１項記載の配電システムを用いる配電方法であって、
    前記配電システムは、
    負荷が接続可能な第１のバスを含む複数のバスと、
    第１のスイッチおよび第２のスイッチを含む複数のスイッチと、を有しており、
    前記複数のバスは前記複数のスイッチを間に介してリングを形成するよう接続されており、前記第１のバスは前記第１のスイッチと前記第２のスイッチとの間に接続されており、
    前記方法は、
    前記第１のスイッチを介して前記第１のバスに向かう方向に流れる第１の電流を決定するステップと、
    前記第２のスイッチを介して前記第１のバスに向かう方向に前記第２のスイッチを介して流れる第２の電流を決定するステップと、
    前記第１の電流が、所定の持続時間よりも長く所定の電流しきい値を超え、前記第２の電流が、前記所定の持続時間よりも長く前記所定の電流しきい値を超える場合、前記第１のスイッチを開き、同時に前記第２のスイッチを開くことにより、前記第１のバスを前記リングから切り離すステップと、を含んでおり、
    前記第１のスイッチおよび前記第２のスイッチのそれぞれは、ロジック機能を提供するロジックユニットを含むプログラマブルリレーを有しており、
    前記第１のバスは、前記第１のスイッチおよび前記第２のスイッチにおけるロジック機能を用いて識別される、
    ことを特徴とする配電方法。

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