用于电力系统弹性的断路器设计的制作方法
【专利说明】用于电力系统弹性的断路器设计
[0001]相关申请的交叉引用
本申请要求属于Edward Peter Kenneth Bourgeau的在2013年3月13日提交的并且标题为“Breaker Design for Power System Resiliency”的美国临时专利申请N0.61/779，391的优先权权益，该申请通过引用合并于此。
技术领域
[0002]本公开涉及电力系统。更具体地，本公开涉及用于电力系统的弹性和容错断路器。
【背景技术】
[0003]不论应用如何，弹性都是任何电力系统中的重要考虑因素。电力系统必须对其有弹性的问题基于应用而变化。例如，在海上钻探船上，应当使得电力系统对水灾、火灾或在承载从发电机到整个船的电气设备的电力的电气母线内的故障有弹性。
[0004]船上的电气系统通常包括在隔开的单元中的多个发电机，该隔开的单元被分离以抵御火灾和水灾。隔开的单元位防止来自火灾或水灾的对一个单元的损坏传播到另一个隔开的单元。然而，用于电力系统的控制系统不位于隔开的单元中。此外，控制系统依赖于来自每个隔开的单元中的每个发电机的信息来控制电力系统。例如，控制系统可以确定发电机是否可以耦合到主配电母线以及何时可以耦合到主配电母线。虽然发电机或控制系统的损失可能不会导致所有发电机或控制系统的损失，但是发电机及其控制系统无法独立地运行，并且可能遭受降低的性能，或者可能由于由控制系统做出的不正确决定而被进一步损坏。
[0005]断路器将发电机耦合到电力母线，并且可以基于来控制系统的命令来中断在电力母线和发电机之间的连接。每个断路器通过信号电缆被链接到其他断路器，并且每个断路器的状态被包括在断路器的控制部分的逻辑中。因此，对一个隔室中的断路器的损坏在另一隔室中的断路器中产生故障行为。这样，电力系统的整体弹性被降低。每个断路器可以包括控制同一机柜中或机柜外部的断路器的逻辑。
[0006]图1是用于诸如在海上钻探船中使用电力系统100内的断路器112、114、116的传统方法的示意性表示。断路器112、114、116被分别耦合在主电气母线102和发电机122、124、126之间。挡板150可以被放置在发电机122、124和126之间以在火灾、水灾或其他灾害发生时隔离发电机122、124和126的操作。通信链路113、115把断路器112、114、116彼此耦合。断路器112、114、116还共享用于向断路器112、114、116提供电力的控制电力电缆199。主母线102可以通过连接断路器主/从机组151、152和153、154被分成多个分段或者作为单个导体被连接。通信链路156、157把连接断路器机组151、152和153、154分别彼此耦合。连接断路器主/从机组151、152和153、154还共享用于向连接断路器主/从机组151、152和153、154提供电力的控制电力电缆199。
[0007]发电机断路器112、114、116通过通信链路113 115、131来传递发电机122、124和126的状态。断路器112、114、116中每一个内的逻辑取决于断路器112、114、116中每个其他断路器的行为。例如，如果指令断路器112执行与主母线102的同步，则断路器112必须首先向断路器114指示不执行同步，或者反之亦然。如果断路器114指示其正在执行同步，则即使这样的指示是错误的，也没有其他断路器可以执行同步。因此，如果在管理系统130和发电机断路器112、114、116之间的通信链路131、132、133发生故障，或者如果任何断路器112、114、116本身发生故障，则对其他健康断路器的接入被中断。
[0008]可以在管理系统130和断路器112、114、116之间分别提供附加通信链路。然而，附加通信链路增加了系统100的复杂性以及在挡板150之间必须进行的连接的数目。断开和/或闭合断路器112、114和116的决定可以由管理系统130基于来自耦合到主母线102的母线感测单元140、143、144的输入来做出。在母线感测单元140、143、144和管理系统130之间并且在发电机断路器112、114和116之间需要通信。在母线感测单元140、143和连接断路器151、152之间需要通信，并且在母线感测单元143、144和连接断路器153、154之间需要通信。这些通信链路增加了系统100的复杂性以及在挡板150之间必须进行的连接的数目。连接断路器机组151、152和153、154的成功操作需要在连接断路器主设备151及其从设备152之间以及在连接断路器主设备153及其从设备154之间的通信。这些通信链路增加了系统100的复杂性以及在挡板150之间必须进行的连接的数目。此外，使用管理系统130的操作员仅可以与连接断路器机组151、152和153、154的主断路器151或153通信。因此，如果在管理系统130和主断路器151或153之间的通信链路134、135分别发生故障，或者如果主断路器112本身发生故障，则对其他断路器152、154的接入被中断。
[0009]从可能影响电力系统100弹性的相互连接的断路器的网络110产生两个问题。第一，当母线102不适用于从发电机122、124、126接收额外电力时，诸如当在母线102上存在故障(诸如接地或短路或由故障发电机的不正确连接而导致的故障)时，断路器112、113、
114、151、152、153、154可以闭合到母线102上。第二，相互连接的断路器的网络110缺乏操作的自主性，因为断路器112、113、114、151、152、153、154依赖于来自彼此的数据来控制对母线102的电力供应。
[0010]一种用于提高弹性的常规解决方案是使用挡板150。通过使用挡板150来限制火灾或水灾的后果。然而，特定隔室中的火灾或水灾将干扰穿过挡板150的信号。这可能导致错误的数据被传递到由挡板150保护的隔室。得到的错误数据可能禁用或以其他方式危害在已经被火灾或水灾损坏的隔室中的设备的操作。
【发明内容】
[0011]减少断路器对来自其他断路器的输入的依赖性可以提高电力系统的弹性。例如，每个断路器可以独立地执行用于确定断路器何时闭合安全的方法。向每个断路器提供独立执行这样的方法的能力可以减少或消除每个断路器对其他断路器的依赖性。采用自主断路器的电力系统的提高的弹性可以由错误地操作的一个断路器可能导致所有断路器错误地操作的较低可能性产生。因此，即使一个断路器可以变得无法操作，电力系统也可以继续正常操作。
[0012]根据一个实施例，一种用于确定何时闭合断路器的方法包括:将电流施加到与断路器耦合的第一母线。该方法还可以包括:在将第一电流施加到第一母线之后测量第一母线的第一阻抗，以便确定故障是否存在于第一母线上。如果确定在第一母线上不存在故障，则该方法可以进一步包括将第一母线耦合到与该断路器耦合的第二母线。
[0013]该方法可以包括:通过变压器将电流施加到第一母线。该方法可以通过在控制器处接收用于闭合断路器的命令来发起。此外，该方法可以包括:检查第一母线的状态，并且由控制器来指令耦合到传感器的接触器闭合或断开。传感器可以是电压传感器、电流传感器或电压传感器和电流传感器二者。
[0014]根据一个实施例，该方法还可以包括:部分地基于所测量的第一母线的第一阻抗来确定要实现的故障检测过程。该方法还可以包括:处理所测量的第一母线的第一阻抗，以确定该母线的状态。控制器内的指令可以被执行以部分地基于所确定的第一母线的状态来选择要实现的故障检测过程。
[0015]该方法可以包括:当实现所选择的故障检测过程时，由控制器指令耦合到传感器的接触器闭合或断开。第二电流可以被施加到第一母线，以测量第一母线的第二阻抗。第二测量的阻抗可以由控制器来处理，以确定在第一母线上是否存在故障。
[0016]根据实施例，对母线阻抗的测量可以通过测量母线的电压、电流或电压和电流二者来执行。此外，第一母线与至少第二母线的耦合可以通过下述步骤来执行:首先使第一母线与第二母线同步，并且然后闭合第一和第二母线之间的断路器。此外，第一母线与第二母线的耦合可以导致钻探船上的负载与发电机的耦合。
[0017]根据另一实施例，一种装置包括在第一和第二母线之间耦合的断路器。该装置还包括耦合到断路器的控制器，断路器允许装置自主地进行操作。该控制器可以被配置为将第一电流施加到与断路器耦合的第一母线。该控制器还可以被配置为测量第一母线的第一阻抗，并且确定在第一母线上是否存在故障。该装置还可以包括耦合到控制器和第一母线的至少一个变压器以及耦合到控制器和第二母线的至少一个其他变压器。
[0018]该装置还可以包括:保护设备，诸如耦合到断路器和外部保护系统的保护电路的保护设备；或者控制断路器的内部组件的设备，诸如操作员界面。该装置还可以包括耦合到控制器和外部母线的用于执行对断路器的测量的设备，诸如通用测量换能器。此外，该装置可以包括同步电路，诸如耦合到外部电源的同步器。其他同步电路可以包括耦合到操作员界面并且耦合到外部电源控制电路的同步校验继电器。保护电路、通用测量换能器、同步器、同步校验继电器和/或控制器可以是装置内的控制电路的一部分。
[0019]根据实施例，控制器可以进一步被配置为自主地控制装置并且管理控制命令。控制器还可以被配置为监视和控制开关装置的状态，并且确定断路器的状态。此外，控制器可以被配置为控制变压器通过其被耦合的过程，并且监视在变压器之间的桥上存在的电压和电流。
[0020]根据实施例，控制器可以进一步被配置为，在没有来自中央控制系统的参与的情况下自主地检测母线的状态，并且仅基于母线的状态来确定从母线连接或移除发电机的需要。除了诸如接地或短路之类的故障之外，母线状态将包括诸如有功或无功功率的过载欠载之类的状况。该装置可以自主地操作，并且管理用于断开和/或闭合断路器的控制命令。基于母线状态，控制器还可以被配置为监视和控制开关装置的状态，并且确定状态和控制断路器。
[0021]前述已经相当广泛地概述了本公开的特征和技术优点，以便于可以更好地理解随后的本公开的具体描述。下文中将描述形成本