基于闭环船舶电力系统的发电机保护装置

摘要

本发明涉及一种基于闭环船舶电力系统的发电机保护装置，解决现有保护方法无法实现的闭环电力系统保护问题，每套发电机保护装置采集运行状态相关数据，根据电力系统分配及发电机保护装置内部模型进行算法处理，实现对电力系统中各个部件进行故障监测和故障判定；并根据故障判定输出切除故障回路或排除受损电路执行信号到执行元件，保证非故障回路的连续供电。以实现尽可能少的发电机组提供尽可能长时间的电力供应目标，通过自身保护算法输出的动作指令和深入掌握发电机组的工作特性，确保当发电机组出现故障或者健康发电机组达到即将故障边界时，尽快仅切除故障回路，使故障涉及范围最小化，同时兼顾系统的选择性和最大限度地保证非故障回路连续供电。

说明书

技术领域

本发明涉及一种船舶电力保护装置，特别涉及一种基于闭环船舶电力系统的发电机保护装置。

背景技术

随着节能减排政策的推行以及电力系统保护技术的迅速发展，船舶行业越来越关注在DP2/DP3动力定位船舶上采用闭环电力系统的相关应用。相对于传统DP2/DP3动力定位系统采用的开环电力系统运行方案，可以带来许多好处，比如减少油耗和废气排放、减少柴油机的运营成本以及增加动力定位推进的灵活性。但是在close ring(闭合环)/close bustie(封闭母线)模式下运行系统的不利之处在于可能使系统易受故障影响，因此，系统发生短路故障或发电机存在潜在故障等任何故障会使整船断电。对于船舶、人员生命和环境来说高风险运行的动力定位船，必须想尽一切办法避免断电。因此，对于采用DP2/DP3动力定位船舶，使用close ring/close bus tie运行时，为实现适当的保护和隔离效果，必须装设额外的保护装置。

根据DNV规范的相关要求，针对DP2/DP3动力定位采用close bus tie或closering运行的系统的船舶需要设计一个专门针对发电机组故障的增强型保护系统(Enhancedgenerator protection，EGP)，EGP是独立于自动调压装置(Automatic Voltageregulator，AVR)和原动机调速器之外的一个保护装置，并能与系统级保护功能协调配合来实现防止系统失电故障的发生，保证系统的可靠运行。

发明内容

本发明是针对动力定位采用闭环电力运行系统对发动机保护提升的问题，提出了一种基于闭环船舶电力系统的发电机保护装置，包含了传统保护装置的基本保护功能，与此同时还能识别传统继电器无法确认的故障，其提供了冗余的系统保护概念，并可与系统级保护方案选择性配合。

本发明的技术方案为：一种基于闭环船舶电力系统的发电机保护装置，发电机保护装置包含发电机保护装置控制箱、UPS模块和远程监测站，每台发电机都配备独立的发电机保护装置，每套发电机保护装置都由专用于每个母线段的UPS供电；每套发电机保护装置与其对应的配电板、能量管理系统、自动调压装置、调速器、推进控制系统通过接口交互进行数据通讯，不同发电机保护装置之间通过总线通讯方式实现数据实时交换，每台发电机保护装置通过网线与远程监测站通讯；

每套发电机保护装置采集发电机转速、频率、有功功率、齿条位置运行状态，进行发电机调速器故障监测和故障判定；每套发电机保护装置采集发电机无功功率、励磁电流和电网电压，进行自动调压装置监测和故障判定；每套发电机保护装置实时采集配电板上的电网电压、电流、功率及相关断路器状态信号，并与能量管理系统之间进行发电机的启停控制指令及状态信息交互，对自动调压装置、调速器、综合继电保护装置、发电机保护装置自身故障引起的故障进行故障监测和故障判定；保护装置根据故障判定输出切除故障回路或排除受损电路执行信号到执行元件，保证非故障回路的连续供电。

所述发电机保护装置进行发电机调速器故障监测和故障判定：

发电机保护装置控制策略基于投票系统，通过搭建的内部发电机模型，不断比较模型的负荷分配设定点和计算得出的估算值与系统的实际测量的有功功率、转速、齿条位置和电网频率之间的偏差，实时监测每台发电机所在的配电板的相关参数状态以及其他发电机保护装置的状态；

发电机保护装置根据电力系统分配数据采用下垂特性或恒频特性时进行发电机调整，如果此时系统实测参数不符合内部发电机模型，发电机保护装置将状态信号发送给能量管理系统发出报警信号并启动备用发电机组，并将此时评估的发电机有功功率及电网频率送至内部调速器故障模型进行判定，如果评估数据和实测参数之间的偏差超过调速器故障模型规定的限制，发电机保护装置将发出发电机断路器脱扣指令或发出母联跨接断路器脱扣指令。

所述发电机保护装置进行自动调压装置故障监测和故障判定：发电机保护装置控制策略基于投票系统，通过搭建的内部发电机模型，不断比较内部发电机模型的负荷分配设定点和计算得出的估算值与系统的实际测量的无功功率、励磁电流和电网电压之间的偏差，实时监测每台发电机所在的配电板的相关参数状态以及其他发电机保护装置的状态；

发电机保护装置根据电力系统分配数据采用下垂特性进行发电机调整，如果此时系统实测参数不符合内部发电机模型，将状态信号发送给能量管理系统发出报警信号并启动备用发电机组，并将此时评估的发电机无功功率、励磁电流及电网电压送内部自动调压装置故障模型进行判定，如果评估数据和实测参数之间的偏差超过了自动调压装置故障模型规定的限制，发电机保护装置将发出发电机断路器脱扣指令或发出母联跨接断路器脱扣指令。

本发明的有益效果在于：本发明基于闭环船舶电力系统的发电机保护装置，以实现尽可能少的发电机组提供尽可能长时间的电力供应为主要目标，其设计宗旨就是通过自身保护算法输出的动作指令，通过深入掌握发电机组的工作特性，确保当发电机组出现故障或者健康发电机组达到即将故障边界时，尽快仅切除故障回路，使故障涉及范围最小化，同时不但兼顾系统的选择性又最大限度地保证非故障回路连续供电，从而提高整个电力系统的安全可靠运行。其明显的优势在于系统故障发生时，本装置将会只隔离一台故障发电机组或将一段母排，大大减小了故障的影响范围。

附图说明

图1为本发明基于闭环船舶电力系统的发电机保护装置架构图；

图2为本发明发电机保护装置故障检测控制策略图；

图3为本发明单台机组功率-频率下垂特性曲线图；

图4为本发明两台机组有功负荷分配正常状态图；

图5为本发明两台机组有功负荷分配异常状态1图；

图6为本发明两台机组有功负荷分配异常状态2图；

图7为本发明发电机组调速器故障算法1流程框图；

图8为本发明发电机组调速器故障算法2流程框图；

图9为本发明单台机组电压-无功下垂特性曲线图；

图10为本发明两台机组无功负荷分配正常状态图；

图11为本发明两台机组无功负荷分配异常状态1图；

图12为本发明两台机组无功负荷分配异常状态2图；

图13为本发明发电机组AVR故障算法流程框图；

图14为本发明一般故障算法1流程框图；

图15为本发明一般故障算法2流程框图；

图16为本发明一般故障算法3流程框图。

具体实施方式

如图1所示闭环船舶电力系统发电机保护装置架构图，每台发电机组都配备自己独立的发电机保护装置(EGP)，独立的发电机保护装置与配电板、能量管理系统(Powermanagement system，PMS)、自动调压装置(Automatic Voltage regulator，AVR)、调速器等设备接口交互，进行数据通讯；选择合适的硬件平台，以满足系统的快速采样、快速运算、快速判断和快速动作的需求，确保系统运行的稳定性、可靠性。每套发电机保护装置(EGP)都由专用于每个母线段的UPS供电，除此之外，还需从船舶充放电板取得一路24Vdc供电，为确保装置供电的冗余度。

不同发电机组的EGP系统之间应该通过总线通讯方式实现数据实时交换，同时具备一定的通讯冗余功能，每套EGP系统的接口设计配置了若干数字量输入输出、模拟量输入输出模块及通讯接口模块组成；其系统通过发电机调速器及EGP系统独立传感器实时采集发电机转速、频率、有功功率、齿条位置等运行状态相关信息，并通过发电机自动调压装置及EGP系统独立传感器采集电网电压、无功功率、励磁电流等发电机相关信息，对于一些特殊的状态，配置一些独立的传感器进行采集，同时EGP系统实时采集配电板上的电网电压、电流、功率及相关断路器状态信号，与能量管理系统之间可以进行发电机组的启停等控制指令及状态信息交互。每台发电机保护装置通过网线与远程监测站通讯。

发电机保护装置的基本功能就是保护装置能快速检测故障并自动快速动作，切除故障回路，排除受损电路，同时保护装置还可以进行选择性动作，仅切除故障回路，保证非故障回路的连续供电。

根据发电机保护装置功能和故障判据的方式，结合表1的保护功能设计，将所有故障分为发电机组调速器故障、发电机AVR故障以及一般故障三类故障。

表1

针对发电机组调速器故障，EGP控制系统策略基于投票系统，如图2所示发电机保护装置故障检测控制策略图：通过搭建的内部发电机模型，EGP系统不断比较内部发电机模型的负荷分配设定点和计算得出的估算值与速度控制系统的实际测量值之间的偏差，每台发电机都配备自己独立的EGP系统，其系统能实时监测每台发电机组所在的配电板的相关参数状态以及其他EGP系统的状态。

EGP系统将根据电力系统分配数据采用下垂特性或恒频特性时进行相应的内部发电机模型调整，如果此时系统实测参数不符合内部发电机模型，EGP系统将状态信号发送给能量管理系统发出报警信号并启动备用发电机组，并将此时评估的发电机有功功率及电网频率送内部调速器故障模型进行判定，如果评估数据和实测参数之间的偏差超过了调速器故障模型规定的限制，EGP系统将发出发电机断路器脱扣指令，在某些故障条件下，也会发出母联跨接断路器脱扣指令，特别是电力系统负荷率非常低时。

根据DNV等船级社相关规范要求，结合EGP系统的相关控制功能，为了保证负荷分配的准确性和稳定性，配置一个具有实时检测系统有功功率功能的数字式调速器装置，采用速度下垂运行模式。此案例假定发电机组额定频率为60Hz，频率下降范围在±2.5％左右，将不会对电力系统的相关特性产生不利的影响。

根据以上参数，可以绘制出关于发电机组有功-频率下垂曲线如图3所示：根据预设速度下垂特性，可以根据当前检测频率F_当计算得到理论有功功率P_理，同理也能够通过当前检测有功功率P_当得到理论频率F_理，通过比较理论值和当前值的偏差，以此进行故障诊断。

如图4所示两台机组有功负荷分配正常状态图，当两台机组正常并联运行时，两台机组均运行在下垂曲线附近60Hz，50％，假设电力系统电网总负荷为100％，由两台机组均分。

当发电机机组2发生燃油过多故障时，发电机机组2开始吸取更多的系统有功功率，并沿着非正常路径(图4中的矩形框中平行移动)向高频率段转移，同时因电网频率升高，健康发电机机组1随着频率的升高及负载的减少，沿着下垂曲线移动，在一段时间内两台机组相互达到稳定，保持在新稳定点，如图5所示两台机组有功负荷分配异常状态1图，电网频率稳定在60.57Hz，机组1分配的负荷为12％，机组2分配的负荷为88％。此时通过计算机组2的F_当、F_理、P_当、P_理，可以发现得到较大的偏差，判定为故障2(高频率-高有功功率)，EGP系统将发出发电机机组2断路器脱扣指令。

如果此时机组2由于故障没有停机，当机组2燃油量继续增大时，机组2需要吸取更多的系统有功功率，并向更高的频率段转移，同时因电网频率升高，健康发电机机组1被迫吸收逆功率，频率超出了空载频率，如图6所示两台机组有功负荷分配异常状态2图，电网频率为60.98Hz，机组1已逆功15％运行，机组2分配115％负荷，机组1发生故障3，在故障发生的一段时间内，EGP应提前分闸机组2的发电机开关，但机组2未能完成设定报警或动作，导致机组1也发生故障，这种情况作为机组2的后备保护，EGP分闸跨接断路器，隔离故障机组2。

结合上述的调速器控制策略描述，表1中故障1-故障8逐步对此类故障进行分项设计。

针对发电机调速系统故障，主要对较为复杂的故障1、故障2进行算法设计。如图7所示，当EGP正常运行时，首先检测对应机组是否运行并合闸，且当前是否有并车情况，若当前处于并车，则屏蔽故障1、故障2，避免影响正常并车。当处于寻常工况，则根据上述的控制策略对检测到的发电机频率、有功功率、齿条位置与下垂曲线进行计算比较，得到当前理论值。当满足报警条件时，仍需判断当前机组是否为最后一台机组，避免引起全船失电，再快速动作进行发电机开关脱扣和跨接开关脱扣。

发电机调速器故障内，还有其他相关故障，下面针对故障5、故障7进行简要设计。控制算法较为简单，均通过单个信号对故障条件进行判断，具体算法流程框图如图8所示。

针对发电机组AVR故障，控制系统策略基于投票系统，如图2所示：通过搭建的内部发电机模型，EGP系统不断比较内部发电机模型的负荷分配设定点和计算得出的估算值与系统的实际测量值无功功率、励磁电流和电网电压之间的偏差，每台发电机组都配备自己独立的EGP系统，其系统能实时监测每台发电机组所在的配电板的相关参数状态以及其他EGP系统的状态。

如果此时系统实测参数不符合内部模型，EGP系统将状态信号发送给能量管理系统发出报警信号并启动备用发电机组，并将此时评估的发电机无功功率、励磁电流及电网电压送内部AVR故障模型进行判定，如果评估数据和实测参数之间的偏差超过了AVR故障模型规定的限制，EGP系统将发出发电机断路器脱扣指令，在模型故障条件下，也会发出母联跨接断路器脱扣指令，特别是电力系统负荷率非常低时。

根据DNV等船级社相关规范要求，结合EGP系统的相关控制功能，为了保证负荷分配的准确性和稳定性，配置一个具有实时检测系统无功功率功能的AVR装置，采用电压下垂运行模式。此案例假定发电机组额定电压为11kV，电压下降范围在±2.5％左右，将不会对电力系统的相关特性产生不利的影响。

根据以上参数，可以绘制出关于发电机组无功-电压下垂曲线如图9所示：根据预设电压下垂特性，可以根据当前检测电压U_当计算得到理论无功功率Q_理，同理也能够通过当前检测无功功率Q_当得到理论电压U_理，通过比较理论值和当前值的偏差，以此进行故障诊断。

如图10所示两台机组无功负荷分配正常状态图，当两台机组正常并联运行时，两台机组均运行在下垂曲线附近60Hz，50％，电网总无功100％，由两台机组均分。

当机组2发生过励磁故障时，机组2开始吸取更多的系统无功功率，并沿着非正常路径(图10中的矩形框中平行移动)向高电压段转移，同时因电网电压升高，健康发电机1随着电压的升高及无功的减少，沿着下垂曲线移动，在一段时间内两台机组相互达到稳定，保持在新稳定点，如图11所示两台机组无功负荷分配异常状态1图，电网电压稳定在11117V，机组1分配的负荷为12％，机组2分配的负荷为88％。此时通过计算机组2的U_当、U_理、Q_当、Q_理，可以发现得到较大的偏差，判定为故障9(过励磁)。

当机组2励磁继续增大时，机组2需要吸取更多的系统无功功率，并向更高的电压段转移，同时因电网电压升高，健康发电机机组1被迫吸收逆无功功率，电压超出了空载电压，如图12所示两台机组无功负荷分配异常状态2图，电压为11191V，机组1已逆无功15％运行，机组2分配115％负荷，机组1发生故障11，在故障发生的一段时间内，EGP应提前分闸机组2的发电机开关，但机组2未能完成设定报警或动作，导致机组1也发生故障，这种情况作为机组2的后备保护，EGP分闸跨级开关，隔离机组2。

结合上述的AVR故障控制策略描述，表1中故障9-故障14逐步对此类故障进行分项设计。

针对发电机AVR故障，主要对较为负杂的故障9、故障10进行算法设计。如图13所示发电机组AVR故障算法流程框图，当EGP正常运行时，首先检测对应机组是否运行并合闸，且当前是否有并车情况，若当前处于并车，则屏蔽故障9、故障10，避免影响正常并车。当处于寻常工况，则根据上述的控制策略对检测到的发电机电压、无功功率、励磁电流与下垂曲线进行计算比较，得到当前理论值。当满足报警条件时，仍需判断当前机组是否为最后一台机组，避免引起全船失电，再快速动作进行发电机开关脱扣和跨接开关脱扣。

针对一般故障，此类故障是由EGP系统及相关设备自身故障导致的，EGP系统对自动调压装置、调速器、综合继电保护装置、发电机保护装置自身故障引起的故障进行故障监测和故障判定，且这些故障是可以自诊断的，故障输入也是由故障设备自身提供，主要包括表1中故障15-故障24。

如图14所示一般故障算法1流程框图、图15所示一般故障算法2流程框图及图16所示一般故障算法3流程框图，针对一般故障，该故障类型的控制算法通常通过单个信号进行故障判断，以下主要针对一些具有明显特征的故障进行简要控制算法设计。

该装置能实时监测系统存在的相关隐藏故障，如果在某一时刻一段母线出现故障，由于断路器等隐藏故障未跳闸隔离故障，则相邻的EGP系统将作为二级保护来隔离故障母线，达到故障隔离的目的，此时系统虽然失去一段母线及母线上相应的推进器及发电机组，但能达到动力定位系统要求的最大失效模式设计。