多供电模式舰船电力系统保护策略

杨云益，钟琮玮，张一山，钱勤标，李玮

中国舰船研究设计中心，上海201108

多供电模式舰船电力系统保护策略

杨云益，钟琮玮，张一山，钱勤标，李玮

中国舰船研究设计中心，上海201108

同时配置有柴油发电机组和逆变电源的舰船电力系统存在多种供电模式。由于逆变电源与柴油发电机组的短路输出特性不同，各种供电模式下舰船电力系统的短路特性也存在较大差异。传统舰船电力系统保护策略已不能满足多供电模式电力系统保护设计的需求。针对此问题，提出基于断路器本地测量数据、适应多供电模式的系统保护策略，结合低电压加速反时限过流保护技术，对逆变电源及负载断路器进行配置与整定。仿真结果表明，所提出的系统保护策略在逆变电源供电与柴油发电机组供电等模式下，均能实现较好的保护选择性和速动性，可为同类型舰船电力系统选择性保护设计提供参考。

逆变电源；电力系统保护；多供电模式；低电压加速反时限过流保护

网络出版地址：http://www.cnki.net/kcms/detail/42.1755.TJ.20160921.1321.008.html期刊网址：www.ship-research.com

引用格式：杨云益，钟琮玮，张一山，等.多供电模式舰船电力系统保护策略［J］.中国舰船研究，2016，11（5）：113-119.

YANG Yunyi，ZHONG Congwei，ZHANG Yishan，et al.Protection technology for marine electric power systems with multiple power supply mode［sJ］.Chinese Journal of Ship Research，2016，11（5）：113-119.

0　引言

随着舰船电力系统技术的发展，电力电子设备被越来越多地应用到民用或军用船舶领域，并集中体现在用于各种推进电机调速的变频器以及用于常规负载供电的逆变器上。在电力电子技术的推动下，涌现出了诸如西门子Bluedrive系统之类的舰船综合电力推进系统，此类系统在燃油经济性、振动噪声等方面体现出巨大的优势［1-2］。

在此类电力推进系统中，采用逆变电源将系统电能转换为工频交流电为日用负载供电，即逆变电源作为低压交流系统的主要电源装置。而在一些特殊的应用场合，如考虑停泊机组的配置或特定工况降低系统的负荷率等需求，电力系统中也可另外配置柴油发电机组作为低压电力系统的电源装置。当舰船同时配置了不限转速的轴带发电系统以及传统柴油发电机组时，其系统配置也包含2种不同类型的电源装置。此类配置的电力系统具有以下优点：可根据需要确定供电电源，效率较高；失电时柴油发电机组起动迅速等。同时，配置2种电源装置使得低压系统供电模式变得多样，即存在逆变电源、柴油发电机组单独或并联供电的情形。但是，多种供电模式也给系统保护设计带来了挑战。

与柴油发电机组不同，逆变电源具有输出短路限流的特性，其短路电流一般为额定电流的1.5～2倍［3-5］。由逆变电源供电的电力系统保护技术与基于柴油发电机组的系统保护技术有较大差异。在陆上微电网研究领域，基于逆变电源供电的保护技术已有不少研究成果［6-8］，其中大量智能保护技术因其复杂度和可靠性方面的不完善尚不适合目前舰船电力系统保护设计，但其中将电压测量结果引入保护动作策略的方法给逆变电源供电的舰船电力系统保护设计提供了新的思路。

而在舰船电力系统保护研究中，目前仅有部分针对单独逆变电源或单独柴油发电机组供电的系统保护策略研究成果［9-11］，针对含有多种类型电源的舰船多供电模式电力系统保护技术的研究尚属罕见。多供电模式下舰船电力系统的保护策略如何兼顾逆变电源供电与柴油发电机组供电等多种模式是此类系统设计中的新课题。本文拟在分析多供电模式电力系统特点及运行模式的基础上，提出较为完善的电力系统保护策略，可作为同类型舰船电力系统选择性保护设计的参考。

1　系统运行模式

配置逆变电源和柴油发电机组的多供电模式电力系统结构图如图1所示。图中：DG1，DG2表示柴油发电机组；DC/AC表示逆变电源；QG，QU分别表示柴油发电机组出口端断路器和逆变电源出口端断路器；QB表示母联或跨接断路器；Q1～Q4表示主配电板上的负载断路器；Q11～Q14表示区配电板或分电箱上的负载断路器；F1～F4为可能的典型短路点。图中示意的电力系统配置了2台低压柴油发电机组和2套DC/AC逆变电源。柴油发电机组和逆变电源输出工频交流为低压电站供电。系统存在以下几种供电模式：

1）柴油发电机组并联或独立向负载供电；

2）逆变电源并联或独立向负载供电；

3）柴油发电机组和逆变电源并联向负载供电。

图1　配置逆变电源和柴油发电机组的电网结构图Fig.1Schematic diagram of shipboard power system with inverters and diesel generators

不同的供电模式可以在舰船不同的使用工况下取得较高的系统效率。如舰船航行时，主要采用逆变电源供电模式，逆变电源和电力推进系统综合使用供电系统提供的电能。当供电系统负荷较大时，可采用逆变电源与柴油发电机组并联供电模式，降低供电系统负荷；而在舰船停泊时，采用柴油发电机组供电。

2　电源装置与保护器件

2.1电源装置保护特性

电力系统的保护设计中要兼顾多供电模式就必须以电源装置的保护特性为基础。两种电源装置中，柴油发电机组具有较强的短路输出能力，当其输出侧出现金属性短路故障时，可提供较大的短路电流（一般达到额定电流的10倍以上），当出现非金属性短路时，可较长时间维持2～3倍以上的输出电流。而逆变电源为电力电子设备，其通流能力有限，因此多设计有短路输出限流的功能，其短路限流值一般为额定电流的1.5～2倍，输出维持时间多设置为0.5～1 s。

2.2断路器保护特性

电力系统主干网络的保护器件（QG，QU和QB）因额定电流较大，一般选用框架式断路器，多设置有电子式智能脱扣器，具有三段式保护功能，即长延时、短延时和瞬动保护，其保护电流整定值和动作时间均可在一定范围内设定，如某型断路器短延时保护电流值可在2～4倍额定电流之间整定，动作时间可在多个时间点进行选择。负载断路器（Q1～Q4，Q11～Q14）也可选用带智能脱扣器的塑壳断路器，具有三段式保护功能。

采用智能型脱扣器的断路器，其参数整定方式可设定，易实现低电压加速反时限过流保护技术［7-8］的嵌入，该技术在长延时时间的计算上引入电压测量结果，对于短路时电压跌落较大的场合，可加快断路器的保护动作，提高其速动性。

3　保护原则与断路器整定

系统的保护设计需兼顾不同的供电模式，而在不同供电模式下，系统短路特性差异较大。当采用2台柴油发电机组供电时，F2点金属性短路电流峰值可达单台机组额定电流的20倍以上，当采用2套逆变电源供电时，F2点金属性短路电流仅为单套电源额定电流的3～4倍。在柴油发电机组与逆变电源并联供电模式下，不考虑两者之间的环流特性，系统短路特性与柴油发电机组供电模式相似。因此，系统保护策略需在传统舰船电力系统故障保护策略的基础上，兼顾不同的供电模式，不能单独以某一种供电模式为基础进行保护设定，使另一种供电模式下系统保护的性能降低。

借鉴基于柴油发电机组供电的传统舰船交流电力系统短路保护设计原则，兼顾系统各种供电模式下的保护，可采取以下保护设计原则：当电站主干网络或负载位置出现短路故障时，故障保护应尽可能保证速动性和选择性；保护设计应兼顾金属性短路与非金属性短路；断路器的整定采用本地信息，提高可靠性。根据该原则，断路器需选用带有智能型脱扣器的型号，并采取如下断路器整定方法。

电源断路器QG/QU、母联断路器QB设置短延时与长延时保护，不设瞬动保护；QB短延时保护延迟时间小于QG/QU，例如可分别设为0.2和0.3 s；长延时保护整定时间也按同样的大小顺序整定，如可整定为在动作电流时为10和20 s等。

主配电板负载断路器Q1和Q4设置短延时、长延时保护，短延时保护延迟时间短于QB，如可设为0.05 s，长延时保护可采用低电压加速反时限过流保护技术；负载断路器Q2和Q3直接为负载供电，可设置瞬动保护和长延时保护。

配电箱负载断路器Q11～Q14设置瞬动保护和长延时保护，其中长延时保护可采用低电压加速反时限过流保护技术。负载断路器的整定需能承受电动机起动电流的冲击而不动作。

4　系统保护特性分析

4.1主干网络短路保护特性分析

多供电模式电力系统主干网络保护断路器（QG，QU和QB）的整定方法与传统基于柴油发电机组的电力系统保护方法一致，但因逆变电源的短路电流值较小，应根据需要适当降低其电流整定值。以下假设图1中的F4点发生短路，并以此为例分析多供电模式下电力系统主干网络短路保护特性。

假设短路故障出现在F4点，在3种模式下，QB均优先于QU和QG分断，各段配电板可保持供电能力。若系统为柴油机发电供电模式，短延时后DG1恢复正常供电。若系统为逆变供电模式，短延时后逆变电源恢复正常供电，短路期间电压跌落较大。若系统处于柴油机发电逆变并联供电模式，短延时后DG1和逆变电源恢复正常供电，但要求逆变电源和柴油机发电发生短路故障时不产生较大的环流而使相关断路器脱扣或电源停机，即无论处于何种供电模式，保护选择性较好。且该设置可兼顾金属性短路与非金属性短路等情形。

从以上主干网络短路保护特性分析可知，多供电模式下，主干网络保护器件的整定方法与传统基于柴油发电机组的电力系统保护一致，仅需适当降低其短延时整定值，即可实现较好的保护选择性，但同时需解决2个问题：

1）逆变供电模式下，短路时电压跌落较大，可能引起交流电动机负载启动器失电，可采用带延时功能的启动器接触器，保证短路时电压跌落不引起电动机启动器跳闸。

2）逆变与柴油机发电并联供电模式发生短路时，柴油发电机组和逆变电源之间应不引起较大的环流，这可通过对逆变电源的并联控制模式进行优化设计来实现。

4.2负载支路短路保护特性分析

4.2.1短延时保护

下面以Q1-Q11支路为例对负载支路的短路保护特性进行分析。为实现良好的保护选择性，无论在何种供电模式下，当F1短路发生时，Q11应先动作，Q1不动作，保证Q12负载支路的持续供电。

当F1发生金属性短路故障时，短路电流可达到电源装置的最大短路输出电流，通过对Q1设置短延时保护、Q11设置瞬动保护来实现故障保护的选择性。Q1短延时保护电流整定值需小于逆变电源短路输出限流值，整定时间可设置为0.05 s；Q11瞬动保护电流整定值应小于逆变电源短路输出限流值，且应大于对应负载电动机起动时的冲击电流，如负载中包含50 kW电动机，其全压起动电流可达约1 kA，若单台逆变电源短路输出限流值为2 kA，则应考虑断路器整定误差带，将Q11瞬动保护的整定值设置在1.2～1.8 kA。

同时，Q11应进行速动设计，当通过对应于逆变电源输出限流值的短路电流时，其分断时间应尽量短。如Q11额定电流为100 A，单台逆变电源短路输出限流为2 kA时，应对Q11分断20倍额定电流以上短路电流的动作特性进行优化设计。

在柴油发电机组供电模式下，当F1点发生金属性短路时，其短路电流比逆变电源供电模式下的大，Q11的速动性能更好，与Q1的选择性配合更易实现。因此，无论是逆变电源供电模式、柴油发电机组供电模式还是柴油发电机组与逆变电源并联供电模式，当F1点发生金属性短路时，Q1与Q11的故障保护选择性均较好。

4.2.2长延时保护

负载支路的长延时保护主要针对负载端发生非金属性短路故障或负载支路距离较远、短路阻抗较大的情形。为兼顾不同供电模式下的保护选择性和速动性，负载断路器（Q1～Q4，Q11～Q14）建议采用低电压加速反时限过流保护技术。

断路器的长延时保护均遵循一定的反时限特性，其特性在智能脱扣器中编程实现。IEC标准推荐了4种反时限过电流判断方法，以下为“非常反时限”和“一般反时限”特性配置的断路器动作时间与故障电流的关系。其中：式（1）为“非常反时限”特性；式（2）为“一般反时限”特性。

式中：ts为长延时整定时间；Is为整定电流；I为流过断路器的故障电流。

为兼顾逆变供电模式下短路故障保护的速动性，尽量减小电压跌落对供电网络的影响时间，负载断路器的长延时整定采用低电压加速反时限过流保护技术［7-8］，“非常反时限”和“一般反时限”对应的低电压加速反时限过流保护特性曲线分别如式（3）和式（4）所示。

式中，U为断路器检测到的电压值，一般可用标幺值进行计算。

当长延时保护采用低电压加速反时限过流保护技术后，可较好地实现短路时电压跌落较大情况下对负载支路的选择性保护。若为柴油发电机组供电或短路阻抗较大、电压跌落较小，也可采用标准反时限过流判断，动作时间仅略有增加，即增加低电压加速反时限过流保护特性的起动条件，U＜Uset。当电压跌落较大时，起动低电压加速反时限过流判断；若电压跌落较小，则采用原反时限过流判断。Uset可设定为Un/2。

负载支路顶端断路器（Q1，Q4）采用低电压加速反时限过流保护技术后，在逆变供电模式下，根据短路阻抗的不同，其动作时间可能短于断路器短延时整定时间，因此建议为动作时间设置最小值限制，如50 ms，确保在末端Q11～Q14断路器瞬动动作时间内，Q1，Q4断路器不动作。若需区分断路器是短延时动作还是低电压加速反时限动作，考虑到短延时整定及动作误差，可适当增大该最小值限制。当逆变供电F2点短路时，若短路阻抗小，Q1动作时间约为50 ms。当逆变供电F1点短路时，若短路阻抗小，Q1动作时间不小于50 ms，可保证Q11瞬动先动作，实现保护动作的选择性。负载支路末端断路器Q11～Q14则不设最小值限制，即将式（3）和式（4）中的0.05修改为0，使得在负载支路末端发生非金属性短路时，也能快速分断。

当采用以上长延时保护设定且系统处于柴油发电机组供电模式时，系统的长延时保护特性与传统舰船基于时间电流原则的长延时保护特性一致，保护的选择性较好。当采用以上长延时保护设定且系统处于逆变电源供电模式时，系统的保护特性带有低电压加速特性，通过供电支路末端断路器（Q11～Q14）和负载支路顶端断路器（Q1，Q4）的低电压加速反时限保护的配合，实现低电压加速过流状态下的选择性，同时实现较好的保护速动性。因此，采用低电压加速反时限过流保护技术后，兼顾了2种供电模式下长延时保护的选择性和速动性。

5　仿真结果

根据以上保护设置，对保护设定方法进行了仿真验证。主要对2台柴油发电机组并联供电和2台逆变器并联供电模式下的短路保护情况进行仿真，其中，单台柴油发电机组的额定功率为300 kW，单台逆变器的额定功率为450 kW。2台柴油发电机组并联时短路电流峰值可达约15 kA，2台逆变电源并联时短路电流峰值可达约4.8 kA。

图2所示为柴油发电机组供电模式下，模拟F3点发生金属性短路时的母排电压及单台柴油发电机组输出的电流波形。短路电流峰值在达到约5 kA时，断路器Q2瞬动脱扣。在短路恢复后，出现了一定的过电压。过电压的产生是由于短路时机组仿真模型中励磁控制模块的超调而引起，实际系统中，断路器分断也会产生一定的过电压。

图2柴油发电机组供电模式下F3点短路电压和电流波形Fig.2Voltage and current waveforms when F3 short circuit occurred in mode of diesel generators supplying power

图3所示为逆变电源供电模式下，模拟F3点发生金属性短路时的母排电压及单台逆变器输出的电流波形。当断路器Q2瞬动脱扣时，在断路器动作过程中，逆变器输出电压出现了较大的谐波分量，同时短路电流也出现了较大的谐波分量。这是由于在短路瞬间，逆变器切换为限流控制模式，在控制模式转换未完全完成时，断路器脱扣，逆变器重新恢复为恒压控制模式，控制模式的转换导致输出电压出现较大的谐波分量。

图4所示为柴油发电机组与逆变电源并联供电情况下F3点短路时的电压电流波形。图中，Idg和Iinv分别为Q2瞬动脱扣时柴油发电机组与逆变电源的输出电流。由图可知，2种电源并联供电发生短路时，若不产生较大的环流，短路特性与柴油发电机组供电时一致。

图3　逆变电源供电模式下F3点短路电压和电流波形Fig.3Voltage and current waveforms when F3 short circuit occurred in mode of inverters supplying power

图4柴油发电与逆变电源并联供电模式下F3点短路电压和电流波形Fig.4Voltage and current waveforms when F3 short circuit occurred in mode of diesel generators and inverters parallel supplying power

图5所示为逆变电源供电模式下，模拟F2点发生非金属性短路时的母排电压和单台逆变器的输出电流波形。此时，断路器Q1短延时脱扣，延时时间为0.05 s。在短路过程中，逆变器输出电压存在一定的跌落，电压跌落的幅度与短路阻抗有关，短路时逆变器限流至2倍额定电流输出。此时，断路器Q1的低电压加速反延时脱扣特性不明显。

图5　逆变电源供电模式下F2点短路电压和电流波形Fig.5Voltage and current waveforms when F2 short circuit occurred in mode of inverters supplying power

柴油发电机组供电时，若F2点发生短路，断路器Q1将短延时脱扣，保护动作的时间与逆变电源供电时一致，仅短路电流较大。

柴油发电机组供电时，若F1点发生短路，根据短路阻抗的不同，短路电流峰值有较大差异。若短路电流超过Q11的瞬动整定值，则Q11瞬动脱扣；若短路电流小于Q11的瞬动整定值，则Q11长延时脱扣，低电压加速反时限特性较小，甚至无法启动。

当逆变电源供电时，若F1点发生金属性短路，Q11将瞬动脱扣，保护动作特性与图3所示基本一致。若F1点发生非金属性短路，根据短路阻抗的不同，Q11的动作特性将体现出非常明显的低电压加速反时限脱扣特性。图6所示即为逆变电源供电模式下，F1点处发生非金属性短路时Q11和Q1处的电压波形以及短路电流波形，短路阻抗为0.05 Ω，Q11和Q1之间电缆阻抗为0.05 Ω。Q11低电压加速反时限脱扣时，其动作时间比瞬动脱扣长，比常规反时限脱扣短。同时，由于Q1处的电压跌落较Q11处的小，Q1处的低电压加速反时限特征不明显，较好地实现了Q11和Q1处的保护选择性。

对比来看，在逆变器供电发生短路时，由于短路点电压跌落较大、短路电流小，低电压加速反时限保护技术可有效提高Q1和Q11之间保护动作的选择性和速动性；而柴油发电机组供电时，短路电流较大，电压跌落较小，低电压加速反时限保护技术体现不明显，甚至无法启动，保护性能与传统反时限保护性能相当。

多供电模式下的短路保护仿真结果如表1所示。在短路点后同时给出了短路总阻抗（含短路阻抗及线路阻抗）。由表中可知，各个模式下不同的短路情形均能获得较好的保护选择性。

图6　逆变电源供电模式下F1点短路电压和电流波形Fig.6Voltage and current waveforms when F1 short circuit occurred in mode of inverters supplying power

表1　多供电模式短路保护仿真结果Tab.1Short circuit simulation results for multiple power supply modes

6　结语

针对包含逆变电源和柴油发电机组的多供电模式系统的保护问题，提出了适应多供电模式的系统保护策略，结合低电压加速反时限过流保护技术，对逆变电源及负载断路器进行了配置与整定。主干网络断路器保护配置方法与传统基于柴油发电机组的系统保护配置方法一致；负载支路顶端（主配电板上的负载断路器）采用短延时保护与低电压加速反时限过电流保护相结合的方法进行整定；负载支路末端（负载端）断路器配置瞬动保护和低电压加速反时限过电流保护。仿真结果表明，以上配置方法在多供电模式下的系统保护兼顾了选择性和速动性，是基于断路器本地数据保护配置方法中较优的一种，可为同类舰船电力系统保护设计提供参考。

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Protection technology for marine electric power systems with multiple power supply modes

YANG Yunyi，ZHONG Congwei，ZHANG Yishan，QIAN Qinbiao，LI Wei
Shanghai Division，China Ship Development and Design Center，Shanghai 201108，China

Multiple power supply modes exist in marine electric power systems with both diesel generators and inverters.Since the short-circuit characteristics of inverters differ from those of diesel generators，the short-circuit characteristics of an electric power system are different for each power supply mode.Traditional power system protection technology based on the time-current principle is not suited to marine electric power systems with multiple power supply modes.To solve this problem，novel protection strategies that are suitable for marine electric power systems with multiple modes are developed using the local electric information of the breakers，and the inverters and load circuit breakers are configured and set on the basis of inverse-time over-current protection with low voltage acceleration.The simulation results indicate the selectivity and speed of short-circuit protection technology in the supply modes of diesel generators and inverters.In brief，this technology provides

for designing similar marine electric power systems.

inverter；power system protection；multiple power supply modes；inverse-time over-current protection with low voltage acceleration

U665.12

A

10.3969/j.issn.1673-3185.2016.05.017

2015-11-26网络出版时间：2016-9-21 13:21

杨云益，男，1977年生，硕士，高级工程师。研究方向：舰船电力系统

钟琮玮（通信作者），男，1984年生，博士，工程师。研究方向：舰船综合电力系统。

E-mail：jacker001chq@zju.edu.cn