海上平台直流微网系统短路故障检测与保护

作     者：杨宇生 

作者单位：集美大学 

学位级别：硕士

导师姓名：王国玲;陈杰

授予年度：2020年

学科分类：081505[工学-港口、海岸及近海工程] 08[工学] 0815[工学-水利工程] 0824[工学-船舶与海洋工程] 0814[工学-土木工程] 082401[工学-船舶与海洋结构物设计制造] 

主      题：海洋平台 直流微网 故障检测 差动保护 方向电流保护 

摘      要：海上平台已成为开发与利用海洋资源、获取海洋信息的重要途径。海上平台远离大陆,就地取能、海能海用,是其电能获取的最佳方式,由于单一海洋能发电量有限,故采用海洋多能源联合供电技术。海上平台面积有限,用电设备集中、大量的电力电缆长期处在烟雾、潮湿等恶劣环境之中,故系统易存在绝缘薄弱点,易发生短路故障。同时,相对陆地电网,海上平台面积的限制使得线路阻抗更小、短路故障电流上升速率更快,且无人值守,使得对海上平台直流微网系统短路故障快速定位、短路保护快速动作研究,对于提高系统运行可靠性具有重要实际工程应用意义。本文通过分析国内外直流微网短路故障检测现状及存在的问题,在目前直流故障检测原理的基础上,以一种海上平台独立运行的环形直流微网系统为研究对象,针对海上平台直流微网可靠性更高、短路故障检测速度与短路保护动作更快的要求,提出一种母线差动电流保护和支路方向电流保护相结合的复合式短路故障保护方案,其无需复杂的计算,即可快速实现故障检测、准确定位和安全隔离。该方案利用基于基尔霍夫电流定律的差分电流法实现对母线短路故障的快速检测与定位,针对海上平台分支电路多且线路短的特点,利用支路电流的方向特征和电流阈值大小准确定位各支路发生的短路故障,提高了短路故障检测的安全可靠性。针对母线故障信号的同步采集及处理问题,提出采用模拟信号运算的处理方法,可以满足实际工程不同需求。在MATLAB/Simulink建立海上平台直流微网环形母线系统和检测保护单元,通过仿真验证了该故障保护方案有效性。根据设计的硬件电路,搭建海上平台直流微网实验平台,通过在母线和分支电路设置短路故障,进一步验证了所提复合式短路故障检测与保护方案的有效性,结果表明,无论是母线还是支路发生短路故障,所提方案均能快速准确隔离故障电路,且能保证非故障电路的正常运行,采用DSP控制处理故障信号,母线故障检测时间约为90微秒,支路故障检测时间约为220微秒。而采用运放电路处理故障信号,母线故障检测时间仅为55微秒,支路故障检测时间仅为40微秒,故障检测时间大大降低。所提短路故障检测与保护方案可为海上平台直流微网系统长期安全运行提供保障。