艦船電力系統(tǒng)的自適應(yīng)電流保護(hù)

1 引 言

隨著艦船綜合電力系統(tǒng)(IPS)[1]的提出，未來艦船電力系統(tǒng)的規(guī)模將不斷擴(kuò)大，電網(wǎng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)變化頻繁，系統(tǒng)運(yùn)行方式的選擇也變得越來越復(fù)雜，同時(shí)艦船電站數(shù)量的增加、武器裝備對供電品質(zhì)要求的不斷提高，以及電站間的并網(wǎng)運(yùn)行等都逐漸提上日程。電力系統(tǒng)的這些新特點(diǎn)導(dǎo)致保護(hù)的層次和等級也在逐步增加，傳統(tǒng)的電流保護(hù)方式已經(jīng)越來越不能滿足要求。

自適應(yīng)繼電保護(hù)是根據(jù)電力系統(tǒng)運(yùn)行方式和故障狀態(tài)的變化而實(shí)時(shí)改變保護(hù)性能、特性或定值的保護(hù)[2]，其基本思想是使保護(hù)盡可能地適應(yīng)電力系統(tǒng)的各種變化，進(jìn)一步改善保護(hù)的性能，即能夠適應(yīng)電力系統(tǒng)各種運(yùn)行方式和復(fù)雜故障類型，有效地處理故障信息，從而獲得更可靠的保護(hù)。這些特點(diǎn)為未來艦船電力系統(tǒng)保護(hù)方式的研究提供了一條途徑。

2 艦船電力系統(tǒng)繼電保護(hù)研究現(xiàn)狀

艦船電力系統(tǒng)的繼電保護(hù)研究是一項(xiàng)重要而又艱巨的任務(wù)，很多繼電保護(hù)研究工作者在這方面做了大量的工作，為艦船電力系統(tǒng)的安全、可靠運(yùn)行奠定了基礎(chǔ)。

文獻(xiàn)[3]在分析了艦船電網(wǎng)以差動(dòng)保護(hù)為主保護(hù)的前提下，討論了距離后備保護(hù)和過電流后備保護(hù)的應(yīng)用情況，指出距離后備保護(hù)由于艦船電網(wǎng)的線路低阻抗特性而容易導(dǎo)致計(jì)算錯(cuò)誤，因此不可用，而過電流后備保護(hù)的時(shí)間原則也存在不好控制的問題。

文獻(xiàn)[4]介紹了一種針對復(fù)雜樹型電網(wǎng)的新型保護(hù)方法，其保護(hù)方式可以概括為“逐級向上綜合邏輯判斷，結(jié)合時(shí)間原則和電流方向檢測裝置來實(shí)現(xiàn)保護(hù)”,其原理如圖1所示。

圖1 復(fù)雜樹型電網(wǎng)保護(hù)方法結(jié)構(gòu)示意圖

文獻(xiàn)[5]對常用低壓干饋式艦船電力網(wǎng)絡(luò)繼電保護(hù)措施進(jìn)行了研究，總結(jié)分析了該類網(wǎng)絡(luò)在實(shí)現(xiàn)保護(hù)時(shí)需要考慮的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，引入了差動(dòng)保護(hù)和新的判斷單元，為研究不同電壓等級和不同網(wǎng)絡(luò)形式的艦船電網(wǎng)保護(hù)措施提供了參考。

文獻(xiàn)[6]綜述了艦船綜合電力系統(tǒng)交流網(wǎng)絡(luò)中單相接地故障的探測和診斷方法，討論了艦船綜合電力系統(tǒng)中壓直流配電網(wǎng)的相應(yīng)保護(hù)策略發(fā)展的方向。

文獻(xiàn)[7]基于快速保護(hù)的觀點(diǎn)，提出了利用短路電流上升率作為判斷依據(jù)的故障診斷新方法，為短路故障的快速判斷和分?jǐn)嗵峁┝艘环N更加可靠的方法。

文獻(xiàn)[8]以艦船綜合電力系統(tǒng)直流環(huán)形網(wǎng)絡(luò)作為研究對象，分析了差動(dòng)保護(hù)和時(shí)間電流原則相結(jié)合的復(fù)合差動(dòng)保護(hù)方法，通過仿真分析表明在直流環(huán)網(wǎng)中采用這種方法是可行的。

綜上所述，隨著艦船網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的復(fù)雜化以及運(yùn)行方式的多樣化程度不斷加深，很多研究工作者在艦船電力系統(tǒng)繼電保護(hù)方面提出了很多新的方法，以適應(yīng)未來艦船發(fā)展的需要。本文借鑒陸地電網(wǎng)自適應(yīng)保護(hù)的成熟技術(shù)，將其引入到艦船電力系統(tǒng)保護(hù)中，為艦船電力系統(tǒng)保護(hù)提供一種新思路。

3 自適應(yīng)電流保護(hù)

自適應(yīng)保護(hù)是在20世紀(jì)60年代提出的一個(gè)較新的研究課題。隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，自適應(yīng)繼電保護(hù)的內(nèi)涵在國內(nèi)外有著不同程度的發(fā)展。

3.1 研究現(xiàn)狀

我國在20世紀(jì)80年代后期開始引入自適應(yīng)保護(hù)的概念。目前在陸地電網(wǎng)中，自適應(yīng)保護(hù)原理已經(jīng)在自適應(yīng)重合閘[9]、自適應(yīng)距離保護(hù)[10]、自適應(yīng)饋線保護(hù)等方面得到了廣泛的應(yīng)用，但在艦船電網(wǎng)方面的研究比較缺乏。

在國外，由于電網(wǎng)自動(dòng)化水平較高，繼電保護(hù)工作者除了研究裝置的自適應(yīng)保護(hù)外，更注重系統(tǒng)自適應(yīng)保護(hù)的研究，同時(shí)自適應(yīng)保護(hù)技術(shù)在艦船上的理論研究也有很大發(fā)展[11,12]，但仍處在探索階段。隨著繼電保護(hù)研究工作的不斷深入，自適應(yīng)電流保護(hù)將著重在以下幾方面進(jìn)行研究：保護(hù)性能的最佳化；整定計(jì)算的在線化；保護(hù)裝置的智能化；利用各種不同的信息處理方式來實(shí)現(xiàn)自適應(yīng)功能。

3.2 艦船電網(wǎng)中的應(yīng)用

自適應(yīng)電流保護(hù)能根據(jù)電力系統(tǒng)運(yùn)行方式、拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)、故障類型和負(fù)荷等參數(shù)的變化，在線計(jì)算和修改保護(hù)定值，以此來實(shí)現(xiàn)保護(hù)的最優(yōu)化。

當(dāng)電網(wǎng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)、運(yùn)行方式、負(fù)荷等發(fā)生改變時(shí)，配電網(wǎng)絡(luò)供電的連續(xù)性、可靠性以及整個(gè)電網(wǎng)運(yùn)行的穩(wěn)定性，并不僅僅是簡單地開關(guān)閉合、分?jǐn)嗑涂梢宰龅?，這個(gè)過程中會涉及到各種設(shè)備參數(shù)的調(diào)整，其中也包括保護(hù)裝置整定值的重新調(diào)整，若調(diào)整不及時(shí)或不合理，將會在很大程度上影響到艦船電力系統(tǒng)的運(yùn)行。艦船電網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)的變化根據(jù)外部因素的影響大致可以分為2類：

1) 有計(jì)劃的、人為的改變。如負(fù)載的正常切換、電站間的正常轉(zhuǎn)換等，這種情況下可以通過人工方式對開關(guān)整定值進(jìn)行調(diào)整(如手動(dòng)調(diào)整開關(guān)整定值調(diào)節(jié)旋鈕)，也可通過在線整定的方式實(shí)現(xiàn)。

2) 無計(jì)劃的、隨機(jī)的改變。如艦船在作戰(zhàn)狀態(tài)下，電站被炮彈擊中而毀壞，線路因火災(zāi)受到破壞等，在這種情況下，通過人工方式去改變開關(guān)整定值已經(jīng)來不及，為了保證在新的運(yùn)行狀態(tài)下發(fā)生故障時(shí)保護(hù)裝置能發(fā)揮最佳性能，相應(yīng)的開關(guān)保護(hù)整定值則要求能夠?qū)崟r(shí)在線改變。

下面用一個(gè)簡單的電網(wǎng)進(jìn)行說明一電站環(huán)形電網(wǎng)，如圖2所示。

當(dāng)3號電站在作戰(zhàn)中毀壞時(shí)，為了保證重要負(fù)載Z2、Z5連續(xù)供電，電網(wǎng)可按圖3所示狀態(tài)進(jìn)行改變以保證供電。

注：1) BK1～BK22表示開關(guān)，其中粗黑色開關(guān)表示開關(guān)閉合；2) Z1～Z6表示負(fù)載，其中Z2、Z5為重要負(fù)載；3) G1～G4表示額定功率為40 MW的發(fā)電機(jī)機(jī)組，均工作在理想狀態(tài)。

圖3 四電站環(huán)形電網(wǎng)故障后運(yùn)行示意圖

比較兩種運(yùn)行狀態(tài)，可以得到流過開關(guān)BK1、BK17、BK18、BK20、BK21、BK22上的功率都發(fā)生了變化，若在新的運(yùn)行狀態(tài)下發(fā)生短路等故障，開關(guān)就可能失去保護(hù)作用。如開關(guān)BK21、BK22，初始狀態(tài)下流過的功率是0 MW，運(yùn)行狀態(tài)發(fā)生改變后就變成了15 MW，如果開關(guān)仍然工作在原始狀態(tài)(一般設(shè)定為和發(fā)電機(jī)出口端開關(guān)一樣，允許流過最大功率為40 MW)的設(shè)定值下，則當(dāng)跨接線F點(diǎn)出現(xiàn)短路故障時(shí)，兩個(gè)開關(guān)可能均不分?jǐn)?，這樣會對兩個(gè)發(fā)電機(jī)機(jī)組造成很大影響，嚴(yán)重情況下將會導(dǎo)致電網(wǎng)全面停電。若能利用自適應(yīng)電流保護(hù)模塊對開關(guān)保護(hù)整定值重新計(jì)算和修改，使BK21、BK22工作在允許流過最大功率為15 MW的設(shè)定值下，當(dāng)出現(xiàn)故障時(shí)就能迅速分?jǐn)?，這樣就不會影響到兩個(gè)發(fā)電機(jī)機(jī)組的供電，將故障影響降低到最小。

為了保證重要負(fù)載Z2、Z5得到連續(xù)可靠的供電，還有其他多種電網(wǎng)連接方式，而每種方式都對應(yīng)著開關(guān)狀態(tài)的改變，也就是對應(yīng)著開關(guān)整定值的最優(yōu)化調(diào)整。

3.3 總體結(jié)構(gòu)

根據(jù)自適應(yīng)電流保護(hù)的定義和實(shí)現(xiàn)要求，構(gòu)建電力系統(tǒng)自適應(yīng)電流保護(hù)總體結(jié)構(gòu)圖，如圖4所示：

圖4 自適應(yīng)電流保護(hù)模塊結(jié)構(gòu)示意圖

各模塊的主要功能如下：

1) 人機(jī)交互模塊。相關(guān)參數(shù)及保護(hù)整定值的查詢與顯示等功能。

2) 檢驗(yàn)?zāi)K。檢驗(yàn)保護(hù)整定值是否合理、是否滿足靈敏性和選擇性的要求，對不符合要求的要重新整定，從整體上對整個(gè)系統(tǒng)的保護(hù)配置方案是否合理進(jìn)行把握。

3) 整定計(jì)算模塊。整定計(jì)算是整個(gè)系統(tǒng)的關(guān)鍵，根據(jù)輸入的特征量(電流信號和開關(guān)量等)和提供的算法來確定保護(hù)裝置的電流整定值，如果參數(shù)有變動(dòng)，則重新計(jì)算。

4) 保護(hù)模塊。根據(jù)整定計(jì)算模塊得到的電流整定值與電網(wǎng)的實(shí)際電流值進(jìn)行比較判斷是否滿足動(dòng)作條件，如果滿足條件，開關(guān)動(dòng)作，同時(shí)在人機(jī)交互模塊上顯示相關(guān)信息。

5) 特征量模塊。這是電網(wǎng)信息到整定計(jì)算的橋梁，該模塊主要負(fù)責(zé)從大量的信息中提取出需要的信息，排除噪聲等干擾，確保準(zhǔn)確可靠。

6) 電網(wǎng)信息模塊。通過傳感器在電網(wǎng)中獲得相關(guān)的電流、電壓、開關(guān)量等信息，為整定計(jì)算和保護(hù)判斷提供保障。

自適應(yīng)電流保護(hù)方式作為自適應(yīng)式繼電保護(hù)中的一種，利用電力系統(tǒng)的特征量(電流信號和開關(guān)量)，從中判斷出系統(tǒng)的運(yùn)行方式和故障狀態(tài)，從而實(shí)現(xiàn)在線計(jì)算并修改保護(hù)的整定值，最終判斷開關(guān)是否動(dòng)作。

3.4 實(shí)現(xiàn)基礎(chǔ)

隨著艦船電站自動(dòng)化程度不斷提高，各種先進(jìn)的技術(shù)將逐步應(yīng)用到艦船電力系統(tǒng)繼電保護(hù)中，而這些技術(shù)的應(yīng)用也為自適應(yīng)電流保護(hù)在艦船上的實(shí)現(xiàn)提供了基礎(chǔ)。

免耕秸稈還田共調(diào)查7塊田，水旱輪作，其中撒播田塊占57.14%，條播田塊占42.86%。苗期雜草種類有豬殃殃、看麥娘、繁縷、通泉草、薺菜、窄葉野豌豆、硬草等7種，拔節(jié)前期有豬殃殃、硬草、 繁縷、看麥娘、通泉草、薺菜、窄葉野豌豆、婆婆納等8種，分屬6科8屬，其中禾本科2種、玄參科2種，其他科均為1種。在苗期和拔節(jié)前期形成以硬草+豬殃殃+看麥娘+薺菜+繁縷為優(yōu)勢的雜草群落。表5列出了株數(shù)發(fā)生量最大的6種主要雜草在同一類型田塊中的平均株數(shù)、平均密度、平均蓋度、平均頻度及總頻度。調(diào)查發(fā)現(xiàn)條播和撒播2種不同的播種方式對雜草的發(fā)生沒有影響。

1) 智能型斷路器的逐漸成熟

隨著科學(xué)技術(shù)的飛速發(fā)展，世界上各大品牌斷路器生產(chǎn)廠家已經(jīng)將目光投向了各種智能化產(chǎn)品的生產(chǎn)，其產(chǎn)品已經(jīng)具備了“遙測、遙控、遙信、遙調(diào)”等功能，對整定值的修改也能夠進(jìn)行遠(yuǎn)程控制，這些智能型斷路器的出現(xiàn)為自適應(yīng)電流保護(hù)的終端實(shí)現(xiàn)提供了可能。

2) 在線實(shí)時(shí)整定的可行性

如何獲得可靠的故障信息，快速實(shí)現(xiàn)電流整定值在線計(jì)算是實(shí)現(xiàn)本保護(hù)方式的關(guān)鍵,而快速發(fā)展的微機(jī)技術(shù)和高性能數(shù)字信號處理器(DSP)為解決這些問題提供了有力的技術(shù)支持[13]。首先,微機(jī)保護(hù)在電力系統(tǒng)中得到廣泛應(yīng)用,正在逐步替代傳統(tǒng)的模擬保護(hù),為在線修改定值打下了基礎(chǔ)。其次,通信手段和數(shù)字處理技術(shù)的不斷進(jìn)步,整定所需要的電網(wǎng)信息和保護(hù)信息能快捷有效地采集、傳送和處理。同時(shí),現(xiàn)有在線實(shí)時(shí)應(yīng)用軟件的成功開發(fā)和應(yīng)用,為在線整定系統(tǒng)的開發(fā)積累了豐富經(jīng)驗(yàn)，而且這些技術(shù)也已經(jīng)逐步應(yīng)用到現(xiàn)代艦船上。

3) 網(wǎng)絡(luò)判別的可實(shí)現(xiàn)性

根據(jù)傳感器提供的電流電壓信號和斷路器提供的開關(guān)量信號等，可以較快地判斷出艦船電力系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)運(yùn)行狀態(tài)，同時(shí)利用各種軟件和編程語言還可以自動(dòng)生成相關(guān)的數(shù)學(xué)模型(如網(wǎng)絡(luò)方程和節(jié)點(diǎn)導(dǎo)納矩陣等)，以及可視化的人機(jī)交互界面，將實(shí)際問題轉(zhuǎn)化成能夠進(jìn)行運(yùn)算的數(shù)學(xué)模型，為整定計(jì)算奠定了基礎(chǔ)。

隨著艦船電網(wǎng)的復(fù)雜化程度不斷加深，傳統(tǒng)的電流傳感器或電壓傳感器已經(jīng)不能滿足要求，復(fù)合型功能的新型傳感器[14]已經(jīng)登上了歷史舞臺，它不僅能獲得電流和電壓的大小、相位，同時(shí)還能得到功率、能量、功率因數(shù)等，也可以和計(jì)算機(jī)連接，滿足多功能、智能化、網(wǎng)絡(luò)化的要求，這樣很容易獲得自適應(yīng)電流保護(hù)時(shí)需要的各種電網(wǎng)特征量，并且實(shí)現(xiàn)各種傳感器之間的相互通信。

總之，微機(jī)計(jì)算的快速性、強(qiáng)大的邏輯判斷能力與記憶功能以及相應(yīng)軟硬件的智能性等，這些都為自適應(yīng)電流保護(hù)從始端到終端的實(shí)現(xiàn)、整定計(jì)算的在線化提供了保障[15]。

4 結(jié)束語

傳統(tǒng)的電流保護(hù)以“事先整定、實(shí)時(shí)動(dòng)作、定期檢驗(yàn)”為特征，自適應(yīng)電流保護(hù)并不是對傳統(tǒng)電流保護(hù)方式的顛覆，它實(shí)質(zhì)上是一個(gè)具有反饋?zhàn)饔玫目刂葡到y(tǒng)，不受故障類型的影響，針對電力系統(tǒng)是一個(gè)參數(shù)和狀態(tài)不斷變化的動(dòng)態(tài)系統(tǒng)，通過本身的特點(diǎn)來改善傳統(tǒng)保護(hù)的性能，充分發(fā)揮微機(jī)的作用，來提高整個(gè)電力系統(tǒng)的穩(wěn)定性、可靠性和安全性。從電力系統(tǒng)繼電保護(hù)的發(fā)展趨勢看，自適應(yīng)電流保護(hù)能夠?qū)崟r(shí)跟蹤電力系統(tǒng)運(yùn)行方式和故障狀態(tài)的變化，實(shí)現(xiàn)在線計(jì)算并修改保護(hù)整定值，充分發(fā)揮了微機(jī)的智能作用，必將在未來艦船復(fù)雜電力系統(tǒng)保護(hù)中發(fā)揮越來越重要的作用。

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