王琦， 葉志浩

(1.武漢科技大學(xué) 信息科學(xué)與工程學(xué)院，武漢 430081；2.海軍工程大學(xué) 電氣工程學(xué)院，武漢 430033)

0 引 言

艦船綜合電力系統(tǒng)作為艦船發(fā)展方向在全世界范圍內(nèi)掀起了研究熱潮。目前，美國DDG-1000驅(qū)逐艦、英國45型驅(qū)逐艦和CVF航母等主戰(zhàn)艦艇已采用了綜合電力系統(tǒng)及技術(shù)相對(duì)成熟、研制風(fēng)險(xiǎn)相對(duì)較小的中低壓交流電制[1]。相對(duì)于交流網(wǎng)絡(luò)，基于綜合電力系統(tǒng)運(yùn)行模式的艦船直流區(qū)域配電網(wǎng)在功率密度、供電可靠性、大功率負(fù)載控制穩(wěn)定性等方面有其優(yōu)勢(shì)[2-3]，被認(rèn)為是下一代綜合電力發(fā)展的目標(biāo)。近幾年，針對(duì)艦船直流區(qū)域配電網(wǎng)的研究層出不窮，大部分是對(duì)于該系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行狀態(tài)開展研究，主要集中在主網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)仿真分析計(jì)算，如：文獻(xiàn)[4]采用實(shí)時(shí)仿真軟件Hypersim對(duì)典型艦船直流區(qū)域配電網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行了仿真，針對(duì)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)中的變流器仿真模型較復(fù)雜的特點(diǎn)，搭建了可用于Hypersim的變流器簡(jiǎn)易等效模型；文獻(xiàn)[5]針對(duì)艦船直流區(qū)域配電網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，進(jìn)行了安全運(yùn)行邊界的計(jì)算分析。另有少量學(xué)者，針對(duì)艦船直流區(qū)域配電網(wǎng)的暫態(tài)特征，開展了繼電保護(hù)方法方面的研究，如：文獻(xiàn)[6]提出了一種用于對(duì)艦船直流區(qū)域配電網(wǎng)的分層式協(xié)調(diào)保護(hù)，分別針對(duì)多個(gè)電源連接拓?fù)浜团潆娊Y(jié)構(gòu)拓?fù)涞奶攸c(diǎn)，設(shè)置兩種不同的直流保護(hù)，并建立兩者之間協(xié)調(diào)動(dòng)作的關(guān)系，對(duì)整個(gè)直流電網(wǎng)進(jìn)行保護(hù)；文獻(xiàn)[7]采用人工智能方法對(duì)艦船直流區(qū)域配電網(wǎng)進(jìn)行了保護(hù)研究；文獻(xiàn)[8]提出了一種可用于探測(cè)艦船直流區(qū)域配電網(wǎng)故障的保護(hù)方法。已有工作中缺少網(wǎng)絡(luò)變流器對(duì)艦船直流區(qū)域配電網(wǎng)保護(hù)設(shè)置影響的相關(guān)研究，而且尚未有研究形成完整的保護(hù)方法來應(yīng)對(duì)保護(hù)拒動(dòng)作和誤動(dòng)作。

近年來，陸地新能源發(fā)電迅猛發(fā)展，其中部分智能微電網(wǎng)采用的中低壓交直流混合電網(wǎng)和艦船交直流電網(wǎng)在電制、電壓、主要組成元件等方面有相似性。陸地中低壓交直流混合電網(wǎng)保護(hù)方面的研究也正在開展，文獻(xiàn)[9]總結(jié)歸納了混合交直流微網(wǎng)中控制策略研究狀態(tài)和發(fā)展方向，其中提到了針對(duì)故障保護(hù)需要進(jìn)行智能自愈和協(xié)調(diào)控制方面的研究；文獻(xiàn)[10]對(duì)比了電流方向保護(hù)方法分別在直流網(wǎng)絡(luò)和交流網(wǎng)絡(luò)中應(yīng)用的特點(diǎn)，并提出了一種電流協(xié)調(diào)保護(hù)可用于直流網(wǎng)絡(luò)；文獻(xiàn)[11]概括了低壓直流微網(wǎng)保護(hù)設(shè)計(jì)的各個(gè)細(xì)節(jié)，分析了多種故障特征；文獻(xiàn)[12]提出了一種電網(wǎng)故障診斷的分階段解析模型用于提高電網(wǎng)故障診斷的時(shí)效性。這些成果可為艦船直流區(qū)域配電網(wǎng)保護(hù)研究提供參考。

文章研究了艦船直流區(qū)域配電網(wǎng)特點(diǎn)以及系統(tǒng)特征對(duì)線路保護(hù)的影響，采用遞歸小波進(jìn)行故障識(shí)別，對(duì)廣度優(yōu)先搜索算法進(jìn)行改進(jìn)并應(yīng)用到保護(hù)控制中，形成三維綜合保護(hù)域的新型保護(hù)方法。

1 艦船直流區(qū)域配電網(wǎng)結(jié)構(gòu)特點(diǎn)

艦船直流區(qū)域配電網(wǎng)目前并沒有形成固定的結(jié)構(gòu)形式。文獻(xiàn)[3-4]采用如圖1所示典型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)進(jìn)行研究。該系統(tǒng)采用直流發(fā)電機(jī)作為電源，各電源之間連接成環(huán)形網(wǎng)絡(luò)，通過DC/DC和DC/AC變流器進(jìn)行電壓和電制的變換，對(duì)所劃分區(qū)域內(nèi)的負(fù)載支路供電。文獻(xiàn)[2]中的艦船直流區(qū)域配電網(wǎng)結(jié)構(gòu)是把交流電機(jī)作為區(qū)域供電電源，通過AC/DC變流器后，再對(duì)區(qū)域內(nèi)負(fù)載支路供電，區(qū)域負(fù)載的供電支路形成環(huán)網(wǎng)；文獻(xiàn)[5]研究的艦船直流區(qū)域配電網(wǎng)結(jié)構(gòu)主要是采用了交流電機(jī)作為電源，將交流電源連接成環(huán)形電網(wǎng)后，再按劃分區(qū)域進(jìn)行AC/DC和DC/DC變成直流電制，對(duì)負(fù)載供電。雖然直流區(qū)域配電網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)形式不統(tǒng)一，但有如下共同點(diǎn)：

1)使用了大量電力電子變流器實(shí)現(xiàn)電制、電壓之間的變換；

2)使用了多種網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)相結(jié)合。

可知，艦船直流區(qū)域配電網(wǎng)中線路保護(hù)設(shè)置必然受到變流器控制策略和網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)影響。

2 變流器自身限流控制對(duì)線路保護(hù)的影響研究

電流時(shí)間保護(hù)是艦船線路傳統(tǒng)保護(hù)方法。隨著艦船電網(wǎng)結(jié)構(gòu)的擴(kuò)大，電流時(shí)間保護(hù)法不能夠完全適用到所有網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)中[13]，然而基于該方法長期以來的可靠性，其對(duì)大部分故障情況的可控性以及其配套設(shè)備生產(chǎn)的成熟性，仍然是當(dāng)下艦船電網(wǎng)線路保護(hù)的首選，其應(yīng)用地位不可動(dòng)搖。

艦船采用直流區(qū)域配電時(shí)，變流器成為了區(qū)域電源，由于大電流導(dǎo)致的發(fā)熱容易損害變流器中的閥門，所以從設(shè)備角度出發(fā)，大部分變流器都設(shè)置了限流控制[4]。下面分析變流器自身限流控制對(duì)線路保護(hù)的影響研究。圖1為系統(tǒng)主干線示意圖，未顯示區(qū)域配電網(wǎng)絡(luò)中負(fù)載線路拓?fù)洌碓O(shè)置負(fù)載線路拓?fù)淙鐖D2。

圖1 艦船直流區(qū)域配電網(wǎng)絡(luò)Fig.1 A vessel DC zone distribution network

圖2 區(qū)域配電交流側(cè)負(fù)載供電線路網(wǎng)絡(luò)Fig.2 Power supply network for AC loadin regional distribution

變流器出口端接區(qū)域總配電板，負(fù)責(zé)區(qū)域負(fù)載總配電，區(qū)域配電板出口直接接電動(dòng)機(jī)負(fù)載Mi，或者通過支路開關(guān)QFBi，往下接到多個(gè)負(fù)載配電箱上。其中m(QFi、Bj、BSLk)是斷路器動(dòng)作電流計(jì)算倍數(shù)，無量綱，通常根據(jù)系統(tǒng)保護(hù)動(dòng)作時(shí)間需求來查閱設(shè)計(jì)手冊(cè)決定，一般是大于4倍瞬時(shí)保護(hù)，需要避開負(fù)載的啟動(dòng)電流，2～4倍延時(shí)保護(hù)，1.5～2倍后備保護(hù)。INSLk是負(fù)載線路額定工況電流值。

電動(dòng)機(jī)負(fù)載Mi支路的斷路器QFi的保護(hù)電流整定值計(jì)算為

IQFi=mQFiINMi。

(2)

其中：mQFi為該斷路器動(dòng)作電流計(jì)算倍數(shù)；INMi對(duì)應(yīng)負(fù)載線路額定工況電流值。

負(fù)載配電箱總斷路器Bj的保護(hù)電流整定值計(jì)算為

IBj=mBjINBj。

(3)

其中：mBj為該斷路器動(dòng)作電流計(jì)算倍數(shù)；INBj是額定工況下通過斷路器Bj向下端負(fù)載供電時(shí)的電流值。

開關(guān)QFBj和開關(guān)Bj在正常工況下流過的電流一致，保護(hù)設(shè)置一致，即

IQFBj=IBj。

(4)

區(qū)域總配電開關(guān)QF的保護(hù)電流整定值為

IQF=mQFINQF。

(5)

其中：mQF為該斷路器動(dòng)作電流計(jì)算倍數(shù)；INQF是額定工況下通過斷路器QF向下端負(fù)載供電時(shí)電流值。

設(shè)置區(qū)域負(fù)載線路故障位置如圖3所示。F1為大型電動(dòng)機(jī)負(fù)載支路故障，F(xiàn)2為負(fù)載配電箱供電支路故障，F(xiàn)3為小負(fù)載供電支路故障。

圖3 故障位置示意圖Fig.3 Fault locations

根據(jù)保護(hù)要求，發(fā)生F1時(shí)斷路器QFi需要瞬時(shí)斷開，發(fā)生F2時(shí)斷路器QFBj需要瞬時(shí)斷開，發(fā)生F3時(shí)斷路器BSLk瞬時(shí)斷開。艦船供電線路較短，除線路較長的末端負(fù)載線路發(fā)生故障外，其它故障都可以視為機(jī)端故障。如果電源為交流同步發(fā)電機(jī)時(shí)，發(fā)電機(jī)的故障瞬態(tài)電流最大值可以達(dá)到額定電流的十倍以上，所以，故障電流可以觸發(fā)各級(jí)斷路器動(dòng)作。但是當(dāng)區(qū)域電源為變流器時(shí)，由于其流入故障點(diǎn)的電流受到限流控制，所以發(fā)生F1故障時(shí)，如不計(jì)其它負(fù)載對(duì)故障點(diǎn)的潰流，故障電流和電流整定值必須滿足下式，線路保護(hù)才能正確動(dòng)作。

mcIc≥IQFi。

(6)

發(fā)生F2故障時(shí)，如果不計(jì)其它負(fù)載對(duì)故障點(diǎn)的潰流，故障電流和電流整定值必須滿足下式的關(guān)系，線路保護(hù)才能正確動(dòng)作，即

mcIc≥IQFBj。

(7)

發(fā)生F3故障時(shí)，如果不計(jì)其它負(fù)載對(duì)故障點(diǎn)的潰流，故障電流和電流整定值必須滿足下式的關(guān)系，線路保護(hù)才能正確動(dòng)作，即

mcIc≥IBSLk。

(8)

其中：Ic為變流器的額定電流；mc為對(duì)應(yīng)的限流倍數(shù)。當(dāng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)確定時(shí)，以上公式中，設(shè)備額定容量和額定電流確定，可以通過調(diào)節(jié)變流器限流倍數(shù)設(shè)置和保護(hù)電流整定值設(shè)置來滿足。

從式(6)可得

(9)

從式(7)可得

(10)

從式(8)可得

(11)

式(11)由于變流器的額定容量遠(yuǎn)大于小型負(fù)載容量，容易滿足。但是式(9)和式(10)，當(dāng)負(fù)載容量和變流器容量接近，斷路器瞬時(shí)動(dòng)作電流整定值需要避開負(fù)載的啟動(dòng)電流時(shí)，斷路器動(dòng)作電流計(jì)算倍數(shù)會(huì)取值較大，此時(shí)按照電流時(shí)間保護(hù)原則所得的斷路器動(dòng)作電流整定值有可能大于實(shí)際故障電流最大值，因此可能會(huì)發(fā)生保護(hù)拒動(dòng)。

3 線路保護(hù)對(duì)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)溥m應(yīng)性研究

電力系統(tǒng)中，線路保護(hù)方法必須根據(jù)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)溥M(jìn)行選擇，但是實(shí)際運(yùn)行中，主保護(hù)方法往往不能應(yīng)對(duì)所有故障發(fā)生狀況。針對(duì)圖1所示主干網(wǎng)絡(luò),設(shè)置6處故障，分別為輸電線路故障(F1)、電站母線故障(F2)、配電網(wǎng)電源(變流器)出口端故障(F3)、非重要負(fù)載故障(F4)、配電網(wǎng)母線故障(F5)、重要負(fù)載故障(F6)，故障位置如圖4所示。下面以中低壓直流區(qū)域內(nèi)發(fā)生故障為例，說明線路保護(hù)對(duì)艦船直流配電區(qū)域網(wǎng)絡(luò)拓?fù)涞牟贿m應(yīng)性。當(dāng)整個(gè)配電網(wǎng)設(shè)置傳統(tǒng)繼電保護(hù)來應(yīng)對(duì)類似F4故障時(shí)，必須對(duì)同一級(jí)別保護(hù)設(shè)置相同的時(shí)延，即QDi的動(dòng)作時(shí)延為Δt1，TBi的動(dòng)作時(shí)延為Δt1+Δt2。同時(shí)，為了應(yīng)對(duì)配電線路發(fā)生的F3故障，所以必須考慮進(jìn)口端的保護(hù)Q1與保護(hù)TB1組成時(shí)間上的配合，設(shè)置Q1的動(dòng)作時(shí)延為Δt1+Δt2+Δt3。由QDi、TBi、Q1組成的保護(hù)動(dòng)作覆蓋范圍如圖5所示。

圖4 故障位置Fig.4 Fault locations

從圖5可以發(fā)現(xiàn)各保護(hù)之間出現(xiàn)了重疊，表明在重疊區(qū)域發(fā)生單一故障時(shí)，會(huì)觸發(fā)多個(gè)保護(hù)誤動(dòng)。仿真得到F3故障時(shí)開關(guān)動(dòng)作情況如圖6所示。

圖5 保護(hù)范圍重疊情況Fig.5 Overlapping of protection scope

圖6 保護(hù)動(dòng)作情況(傳統(tǒng)保護(hù)方法)Fig.6 Action of traditional protection method

雖然故障被切除，但是由于QD1、QD3動(dòng)作，在未起動(dòng)保障支路供電時(shí)，導(dǎo)致系統(tǒng)失電范圍擴(kuò)大，正常供電區(qū)域及失電區(qū)域如圖7所示，其中陰影部分為正常供電區(qū)域，其他中低壓配電區(qū)均失電。

圖7 供電區(qū)域示意圖Fig.7 Schematic diagram of power supply area

4 考慮保護(hù)覆蓋范圍、時(shí)間尺度、幅值尺度的三維保護(hù)覆蓋域研究

通過上述分析可知，傳統(tǒng)線路保護(hù)方法在艦船直流區(qū)域配電網(wǎng)中的適應(yīng)性面臨挑戰(zhàn)。結(jié)合艦船直流區(qū)域配電網(wǎng)的自身特點(diǎn)，研究中低壓直流配電區(qū)的組合供電情況，采用遞歸小波檢測(cè)作為電流保護(hù)故障識(shí)別輔助判據(jù)，改進(jìn)廣度優(yōu)先搜索方法進(jìn)行開關(guān)動(dòng)作排序，設(shè)定各處保護(hù)的覆蓋范圍，結(jié)合時(shí)間尺度和電流幅值尺度，形成三維保護(hù)覆蓋模式。該控制方法的3個(gè)維度相互獨(dú)立互不影響，能夠很好地劃分各開關(guān)的保護(hù)覆蓋范圍，滿足繼電保護(hù)要求。

4.1 基于遞歸小波的故障識(shí)別

從上可知，當(dāng)變流器下端支路發(fā)生三相短路故障時(shí)，由于變流器的限流控制，有可能會(huì)導(dǎo)致原有的線路保護(hù)方法發(fā)生拒動(dòng)。電流幅值大小不能成為支路保護(hù)控制動(dòng)作的唯一判據(jù)，需要同時(shí)識(shí)別支路故障發(fā)生時(shí)變流器出口端電流特征。對(duì)變流器出口端發(fā)生三相故障后的故障電流和正常電流分別進(jìn)行遞歸小波分析，得到圖8所示波形。

可知，短路發(fā)生后0.1 s，遞歸小波明顯檢測(cè)到了信號(hào)故障的發(fā)生，振幅為0.7，而正常電流的遞歸小波的檢測(cè)信號(hào)振幅一直處于0.01內(nèi)。遞歸小波采樣頻率為105Hz，從圖8可以看出能夠滿足保護(hù)快速性要求。

圖8 電流波形的遞歸小波特征圖Fig.8 Recursive wavelet characteristic graph of current waveform

4.2 基于改進(jìn)的廣度搜優(yōu)法的保護(hù)覆蓋范圍研究

傳統(tǒng)廣度優(yōu)先搜索法的應(yīng)用前提是默認(rèn)與v關(guān)聯(lián)的節(jié)點(diǎn)優(yōu)先級(jí)相同，即節(jié)點(diǎn)之間的聯(lián)通路徑權(quán)值相同。但是艦船中低壓配電區(qū)的開關(guān)之間一般構(gòu)成后備關(guān)系，因此與某一開關(guān)相鄰的開關(guān)優(yōu)先級(jí)可能不同。結(jié)合這一需要對(duì)傳統(tǒng)的廣度優(yōu)先搜索法進(jìn)行改進(jìn)，模擬自然界樹叢向陽側(cè)生長更快的特性，根據(jù)聯(lián)通線路徑上的權(quán)值大小進(jìn)行標(biāo)號(hào)：

1)任取v∈V(G)，標(biāo)號(hào)l(v)=0，令l=0。

2)當(dāng)所有標(biāo)號(hào)為l的頂u相關(guān)聯(lián)的邊之端點(diǎn)皆已標(biāo)號(hào)，則轉(zhuǎn)3)。否則，根據(jù)與u相關(guān)聯(lián)邊上的權(quán)值分布，按從小到大的順序依次在未標(biāo)號(hào)的頂標(biāo)為l+1、l+2、…、l+n，n為與u相關(guān)聯(lián)邊的個(gè)數(shù)。并標(biāo)志這些邊，用l+1、l+2、…、l+n代替l轉(zhuǎn)2)。

3)止。見圖9。

圖9 改進(jìn)的廣度優(yōu)先搜索算法連通圖 Fig.9 Improved breadth first search algorithm

圖9中聯(lián)通線上的標(biāo)號(hào)Oi為與頂相連端點(diǎn)所對(duì)應(yīng)的權(quán)重，其中，i代表對(duì)應(yīng)的權(quán)重值。粗實(shí)線是改進(jìn)BFS生成的綠色生成樹，未生成的聯(lián)通線上的權(quán)重未標(biāo)出。

結(jié)合船艦電力系統(tǒng)中低壓配電區(qū)的保護(hù)分布特征分析，定義如下4類開關(guān)：

1)G類開關(guān)：發(fā)電機(jī)出口端的開關(guān)GBi，這類開關(guān)屬于控制整個(gè)綜合電力系統(tǒng)供電段的總開關(guān)，一般在發(fā)生故障后，需確定所有它類開關(guān)均不再動(dòng)作而該類開關(guān)仍有動(dòng)作請(qǐng)示信號(hào)才會(huì)允許動(dòng)作。

2)Q類開關(guān)：直流變流裝置的入口端開關(guān)Qi和驅(qū)動(dòng)負(fù)載逆變器入口端開關(guān)QRi，該類開關(guān)不是控制整個(gè)中低壓配電區(qū)域的供電總開關(guān)，就是控制著驅(qū)動(dòng)負(fù)載的最遠(yuǎn)端開關(guān)，都屬于遠(yuǎn)后備保護(hù)。

3)L類開關(guān)：包括與發(fā)電機(jī)端直接相連的母線上開關(guān)LBi、輸電線路上開關(guān)QFi，以及中低壓配電中直流變流裝置出口端開關(guān)TBi和中配電網(wǎng)線路上開關(guān)QDi。這些開關(guān)既不直接與電源端相連，也不直接與負(fù)載端相連，但是TBi一般作為QDi的后備保護(hù)，LBi一般作為QFi的后備保護(hù)，因此TBi和LBi優(yōu)先級(jí)別較低。

4)B類開關(guān)：直接與負(fù)載連接的開關(guān)，即保護(hù)與中低壓配電區(qū)中負(fù)載直接相連的開關(guān)Bi，也包括與驅(qū)動(dòng)負(fù)載直接相連的開關(guān)QMi。該類開關(guān)直接與負(fù)載相連接，是最低一級(jí)的開關(guān)，負(fù)載支路發(fā)生故障后，通常最先動(dòng)作。

同一類開關(guān)中含有多個(gè)開關(guān)，有些開關(guān)優(yōu)先級(jí)別相同，如QDi、QFi，但這些開關(guān)屬于不同的供電區(qū)域，中低壓配電區(qū)內(nèi)發(fā)生故障會(huì)對(duì)流過QDi的電流造成影響，幾乎不會(huì)造成QFi處過電流，反之亦然。當(dāng)保護(hù)識(shí)別出故障后，發(fā)出斷開請(qǐng)示信號(hào)，將上述各類開關(guān)的斷開請(qǐng)示信號(hào)按照其所在位置設(shè)置優(yōu)先級(jí)別，如表1所示。

表1 開關(guān)級(jí)別分類

結(jié)合開關(guān)動(dòng)作優(yōu)先級(jí)與改進(jìn)的廣度優(yōu)先算法，可以限制保護(hù)覆蓋范圍，如圖10所示。

其中圖10(a)為傳統(tǒng)方法的保護(hù)動(dòng)作覆蓋范圍。圖10(b)為采用了改進(jìn)BFS方法時(shí)保護(hù)的覆蓋范圍，可發(fā)現(xiàn)此時(shí)保護(hù)的覆蓋范圍被開關(guān)的優(yōu)先級(jí)別嚴(yán)格限制，層次間無重疊，動(dòng)作判斷清晰明確。

圖10 保護(hù)覆蓋范圍三維比較圖Fig.10 3-dimensional comparison of protection coverage

4.3 保護(hù)方法

保護(hù)方法流程如圖11所示。

圖11 保護(hù)控制流程圖Fig.11 Protection control flow

故障識(shí)別后，觸發(fā)了保護(hù)動(dòng)作的開關(guān)發(fā)出動(dòng)作請(qǐng)示，統(tǒng)一信息平臺(tái)確定開關(guān)動(dòng)作的順序，以一定的時(shí)間間隔依次向發(fā)出了斷開請(qǐng)示的開關(guān)發(fā)送允許動(dòng)作信號(hào)。每發(fā)出1次允許動(dòng)作信號(hào)前，核對(duì)相應(yīng)開關(guān)的斷開請(qǐng)示信號(hào)是否依然存在，若該開關(guān)的斷開請(qǐng)示信號(hào)已經(jīng)消失則不動(dòng)作。這樣就能根據(jù)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浜投搪伏c(diǎn)的不同隨之改變開關(guān)的動(dòng)作順序，確保保護(hù)的選擇性，同時(shí)排在后面動(dòng)作的開關(guān)為排在前面動(dòng)作的開關(guān)提供了后備保護(hù)。

5 仿真分析

以圖4中低壓直流區(qū)域內(nèi)發(fā)生F3故障為例，驗(yàn)證保護(hù)方法的可行性。當(dāng)故障發(fā)生后，通過故障識(shí)別，部分開關(guān)發(fā)出了斷開請(qǐng)示信號(hào)，如表2所示。

表2 開關(guān)信號(hào)

各個(gè)發(fā)出了斷開請(qǐng)示信號(hào)的開關(guān)在故障發(fā)生后的第2 ms的電流采樣值如表3所示。

表3 電流采樣值

得到存在的唯一電流最大值對(duì)應(yīng)開關(guān)QD1，將開關(guān)QD1確定為源。根據(jù)改進(jìn)的BFS，以開關(guān)QD1為頂?shù)南到y(tǒng)連通圖上各開關(guān)標(biāo)號(hào)如圖12所示。

圖12可知，F(xiàn)3發(fā)生故障時(shí)，保護(hù)動(dòng)作的覆蓋范圍為排名0、1、2的開關(guān)。經(jīng)過Δt1的時(shí)間間隔，若QD1仍發(fā)出斷開請(qǐng)求信號(hào)則最先得到允許，QD1斷開后，再經(jīng)過時(shí)間間隔Δt2后，只有TB1依然發(fā)出斷開請(qǐng)求信號(hào)，此時(shí)再斷開TB1，則系統(tǒng)中所有開關(guān)都不再發(fā)出斷開請(qǐng)示信號(hào)，故障得到隔離。仿真中開關(guān)動(dòng)作情況如圖13所示。

圖12 系統(tǒng)標(biāo)號(hào)示意圖Fig.12 Switch label diagram

圖13 保護(hù)動(dòng)作情況Fig.13 Protection action

對(duì)比時(shí)間、電流尺度的二維保護(hù)覆蓋域(圖14(a))和考慮保護(hù)覆蓋范圍的三維保護(hù)覆蓋域(圖14(b))。

圖14 保護(hù)域?qū)Ρ菷ig.14 Comparison of protection areas

其中圖14(a)采用電流-時(shí)間保護(hù)方法的保護(hù)覆蓋范圍，圖14(b)為采用改進(jìn)BFS-電流-時(shí)間的三維保護(hù)方法的保護(hù)覆蓋范圍?？芍趫D14(a)中，電流-時(shí)間保護(hù)方法在滿足動(dòng)作條件后，多數(shù)開關(guān)的保護(hù)范圍重疊，造成多個(gè)開關(guān)誤動(dòng)作。在圖14(b)三維曲線圖中，優(yōu)先級(jí)為0的開關(guān)最先動(dòng)作，剩余開關(guān)按照優(yōu)先級(jí)順序依次給予動(dòng)作允許信號(hào)，開關(guān)動(dòng)作依次有序進(jìn)行，互不干擾又層層嵌套，滿足繼電保護(hù)要求。

6 結(jié) 論

文章分別從設(shè)備級(jí)和系統(tǒng)級(jí)分析了傳統(tǒng)艦船保護(hù)方法對(duì)新型艦船直流區(qū)域配電網(wǎng)的適用性，根據(jù)艦船直流區(qū)域配電網(wǎng)特點(diǎn)，采用遞歸小波檢測(cè)進(jìn)行故障識(shí)別，對(duì)廣度優(yōu)先搜索算法進(jìn)行改進(jìn)，提出了基于優(yōu)先級(jí)別的開關(guān)動(dòng)作控制算法，將該動(dòng)作控制算法和傳統(tǒng)的艦船線路保護(hù)結(jié)合，形成一種三維保護(hù)覆蓋域的艦船直流區(qū)域配電網(wǎng)線路保護(hù)方法，在軟件中對(duì)方法進(jìn)行了仿真驗(yàn)證，結(jié)果表明該方法既保留了傳統(tǒng)線路保護(hù)的優(yōu)勢(shì)，又避免因?yàn)榕潆妳^(qū)域變流器控制策略和網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)而引發(fā)的錯(cuò)誤控制，能很好地適用于艦船直流區(qū)域配電網(wǎng)。