舰船电力系统的自适应电流保护

1 引 言

随着舰船综合电力系统(IPS)[1]的提出，未来舰船电力系统的规模将不断扩大，电网拓扑结构变化频繁，系统运行方式的选择也变得越来越复杂，同时舰船电站数量的增加、武器装备对供电品质要求的不断提高，以及电站间的并网运行等都逐渐提上日程。电力系统的这些新特点导致保护的层次和等级也在逐步增加，传统的电流保护方式已经越来越不能满足要求。

自适应继电保护是根据电力系统运行方式和故障状态的变化而实时改变保护性能、特性或定值的保护[2]，其基本思想是使保护尽可能地适应电力系统的各种变化，进一步改善保护的性能，即能够适应电力系统各种运行方式和复杂故障类型，有效地处理故障信息，从而获得更可靠的保护。这些特点为未来舰船电力系统保护方式的研究提供了一条途径。

2 舰船电力系统继电保护研究现状

舰船电力系统的继电保护研究是一项重要而又艰巨的任务，很多继电保护研究工作者在这方面做了大量的工作，为舰船电力系统的安全、可靠运行奠定了基础。

文献[3]在分析了舰船电网以差动保护为主保护的前提下，讨论了距离后备保护和过电流后备保护的应用情况，指出距离后备保护由于舰船电网的线路低阻抗特性而容易导致计算错误，因此不可用，而过电流后备保护的时间原则也存在不好控制的问题。

文献[4]介绍了一种针对复杂树型电网的新型保护方法，其保护方式可以概括为“逐级向上综合逻辑判断，结合时间原则和电流方向检测装置来实现保护”,其原理如图1所示。

图1 复杂树型电网保护方法结构示意图

文献[5]对常用低压干馈式舰船电力网络继电保护措施进行了研究，总结分析了该类网络在实现保护时需要考虑的结构特点，引入了差动保护和新的判断单元，为研究不同电压等级和不同网络形式的舰船电网保护措施提供了参考。

文献[6]综述了舰船综合电力系统交流网络中单相接地故障的探测和诊断方法，讨论了舰船综合电力系统中压直流配电网的相应保护策略发展的方向。

文献[7]基于快速保护的观点，提出了利用短路电流上升率作为判断依据的故障诊断新方法，为短路故障的快速判断和分断提供了一种更加可靠的方法。

文献[8]以舰船综合电力系统直流环形网络作为研究对象，分析了差动保护和时间电流原则相结合的复合差动保护方法，通过仿真分析表明在直流环网中采用这种方法是可行的。

综上所述，随着舰船网络结构的复杂化以及运行方式的多样化程度不断加深，很多研究工作者在舰船电力系统继电保护方面提出了很多新的方法，以适应未来舰船发展的需要。本文借鉴陆地电网自适应保护的成熟技术，将其引入到舰船电力系统保护中，为舰船电力系统保护提供一种新思路。

3 自适应电流保护

自适应保护是在20世纪60年代提出的一个较新的研究课题。随着计算机技术的发展，自适应继电保护的内涵在国内外有着不同程度的发展。

3.1 研究现状

我国在20世纪80年代后期开始引入自适应保护的概念。目前在陆地电网中，自适应保护原理已经在自适应重合闸[9]、自适应距离保护[10]、自适应馈线保护等方面得到了广泛的应用，但在舰船电网方面的研究比较缺乏。

在国外，由于电网自动化水平较高，继电保护工作者除了研究装置的自适应保护外，更注重系统自适应保护的研究，同时自适应保护技术在舰船上的理论研究也有很大发展[11,12]，但仍处在探索阶段。随着继电保护研究工作的不断深入，自适应电流保护将着重在以下几方面进行研究：保护性能的最佳化；整定计算的在线化；保护装置的智能化；利用各种不同的信息处理方式来实现自适应功能。

3.2 舰船电网中的应用

自适应电流保护能根据电力系统运行方式、拓扑结构、故障类型和负荷等参数的变化，在线计算和修改保护定值，以此来实现保护的最优化。

当电网拓扑结构、运行方式、负荷等发生改变时，配电网络供电的连续性、可靠性以及整个电网运行的稳定性，并不仅仅是简单地开关闭合、分断就可以做到，这个过程中会涉及到各种设备参数的调整，其中也包括保护装置整定值的重新调整，若调整不及时或不合理，将会在很大程度上影响到舰船电力系统的运行。舰船电网网络的变化根据外部因素的影响大致可以分为2类：

1) 有计划的、人为的改变。如负载的正常切换、电站间的正常转换等，这种情况下可以通过人工方式对开关整定值进行调整(如手动调整开关整定值调节旋钮)，也可通过在线整定的方式实现。

2) 无计划的、随机的改变。如舰船在作战状态下，电站被炮弹击中而毁坏，线路因火灾受到破坏等，在这种情况下，通过人工方式去改变开关整定值已经来不及，为了保证在新的运行状态下发生故障时保护装置能发挥最佳性能，相应的开关保护整定值则要求能够实时在线改变。

下面用一个简单的电网进行说明一电站环形电网，如图2所示。

当3号电站在作战中毁坏时，为了保证重要负载Z2、Z5连续供电，电网可按图3所示状态进行改变以保证供电。

注：1) BK1～BK22表示开关，其中粗黑色开关表示开关闭合；2) Z1～Z6表示负载，其中Z2、Z5为重要负载；3) G1～G4表示额定功率为40 MW的发电机机组，均工作在理想状态。

图3 四电站环形电网故障后运行示意图

比较两种运行状态，可以得到流过开关BK1、BK17、BK18、BK20、BK21、BK22上的功率都发生了变化，若在新的运行状态下发生短路等故障，开关就可能失去保护作用。如开关BK21、BK22，初始状态下流过的功率是0 MW，运行状态发生改变后就变成了15 MW，如果开关仍然工作在原始状态(一般设定为和发电机出口端开关一样，允许流过最大功率为40 MW)的设定值下，则当跨接线F点出现短路故障时，两个开关可能均不分断，这样会对两个发电机机组造成很大影响，严重情况下将会导致电网全面停电。若能利用自适应电流保护模块对开关保护整定值重新计算和修改，使BK21、BK22工作在允许流过最大功率为15 MW的设定值下，当出现故障时就能迅速分断，这样就不会影响到两个发电机机组的供电，将故障影响降低到最小。

为了保证重要负载Z2、Z5得到连续可靠的供电，还有其他多种电网连接方式，而每种方式都对应着开关状态的改变，也就是对应着开关整定值的最优化调整。

3.3 总体结构

根据自适应电流保护的定义和实现要求，构建电力系统自适应电流保护总体结构图，如图4所示：

图4 自适应电流保护模块结构示意图

各模块的主要功能如下：

1) 人机交互模块。相关参数及保护整定值的查询与显示等功能。

2) 检验模块。检验保护整定值是否合理、是否满足灵敏性和选择性的要求，对不符合要求的要重新整定，从整体上对整个系统的保护配置方案是否合理进行把握。

3) 整定计算模块。整定计算是整个系统的关键，根据输入的特征量(电流信号和开关量等)和提供的算法来确定保护装置的电流整定值，如果参数有变动，则重新计算。

4) 保护模块。根据整定计算模块得到的电流整定值与电网的实际电流值进行比较判断是否满足动作条件，如果满足条件，开关动作，同时在人机交互模块上显示相关信息。

5) 特征量模块。这是电网信息到整定计算的桥梁，该模块主要负责从大量的信息中提取出需要的信息，排除噪声等干扰，确保准确可靠。

6) 电网信息模块。通过传感器在电网中获得相关的电流、电压、开关量等信息，为整定计算和保护判断提供保障。

自适应电流保护方式作为自适应式继电保护中的一种，利用电力系统的特征量(电流信号和开关量)，从中判断出系统的运行方式和故障状态，从而实现在线计算并修改保护的整定值，最终判断开关是否动作。

3.4 实现基础

随着舰船电站自动化程度不断提高，各种先进的技术将逐步应用到舰船电力系统继电保护中，而这些技术的应用也为自适应电流保护在舰船上的实现提供了基础。

免耕秸秆还田共调查7块田，水旱轮作，其中撒播田块占57.14%，条播田块占42.86%。苗期杂草种类有猪殃殃、看麦娘、繁缕、通泉草、荠菜、窄叶野豌豆、硬草等7种，拔节前期有猪殃殃、硬草、 繁缕、看麦娘、通泉草、荠菜、窄叶野豌豆、婆婆纳等8种，分属6科8属，其中禾本科2种、玄参科2种，其他科均为1种。在苗期和拔节前期形成以硬草+猪殃殃+看麦娘+荠菜+繁缕为优势的杂草群落。表5列出了株数发生量最大的6种主要杂草在同一类型田块中的平均株数、平均密度、平均盖度、平均频度及总频度。调查发现条播和撒播2种不同的播种方式对杂草的发生没有影响。

1) 智能型断路器的逐渐成熟

随着科学技术的飞速发展，世界上各大品牌断路器生产厂家已经将目光投向了各种智能化产品的生产，其产品已经具备了“遥测、遥控、遥信、遥调”等功能，对整定值的修改也能够进行远程控制，这些智能型断路器的出现为自适应电流保护的终端实现提供了可能。

2) 在线实时整定的可行性

如何获得可靠的故障信息，快速实现电流整定值在线计算是实现本保护方式的关键,而快速发展的微机技术和高性能数字信号处理器(DSP)为解决这些问题提供了有力的技术支持[13]。首先,微机保护在电力系统中得到广泛应用,正在逐步替代传统的模拟保护,为在线修改定值打下了基础。其次,通信手段和数字处理技术的不断进步,整定所需要的电网信息和保护信息能快捷有效地采集、传送和处理。同时,现有在线实时应用软件的成功开发和应用,为在线整定系统的开发积累了丰富经验，而且这些技术也已经逐步应用到现代舰船上。

3) 网络判别的可实现性

根据传感器提供的电流电压信号和断路器提供的开关量信号等，可以较快地判断出舰船电力系统的网络运行状态，同时利用各种软件和编程语言还可以自动生成相关的数学模型(如网络方程和节点导纳矩阵等)，以及可视化的人机交互界面，将实际问题转化成能够进行运算的数学模型，为整定计算奠定了基础。

随着舰船电网的复杂化程度不断加深，传统的电流传感器或电压传感器已经不能满足要求，复合型功能的新型传感器[14]已经登上了历史舞台，它不仅能获得电流和电压的大小、相位，同时还能得到功率、能量、功率因数等，也可以和计算机连接，满足多功能、智能化、网络化的要求，这样很容易获得自适应电流保护时需要的各种电网特征量，并且实现各种传感器之间的相互通信。

总之，微机计算的快速性、强大的逻辑判断能力与记忆功能以及相应软硬件的智能性等，这些都为自适应电流保护从始端到终端的实现、整定计算的在线化提供了保障[15]。

4 结束语

传统的电流保护以“事先整定、实时动作、定期检验”为特征，自适应电流保护并不是对传统电流保护方式的颠覆，它实质上是一个具有反馈作用的控制系统，不受故障类型的影响，针对电力系统是一个参数和状态不断变化的动态系统，通过本身的特点来改善传统保护的性能，充分发挥微机的作用，来提高整个电力系统的稳定性、可靠性和安全性。从电力系统继电保护的发展趋势看，自适应电流保护能够实时跟踪电力系统运行方式和故障状态的变化，实现在线计算并修改保护整定值，充分发挥了微机的智能作用，必将在未来舰船复杂电力系统保护中发挥越来越重要的作用。

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