一种适用于船舶直流综合电力系统的发电机保护装置的制作方法

本发明涉及一种船舶直流综合电力系统，特别是涉及一种船舶直流综合电力系统采用电励磁同步发电机结合不控整流技术方案中的发电机保护装置。

背景技术：

1、能源危机和日益严格的排放法规成为航运业不得不面临的严峻考验，面对能源短缺和排放法规严格的问题，使用新型直流综合电力系统成为船舶未来发展的重要方向，直流综合电力系统目前在远洋运输船舶(中小型集装箱船、化学品船等)、拖轮、渡轮、游艇、公务船等多种船型上得到了越来越多的应用。

2、船舶直流综合电力系统将传统柴油机推进、变频驱动和船舶电力系统及自动控制系统融为一体，涉及的设备众多，不同的设备在不同的运行模式下有不同的使用组合，是机、电高度融合的系统。

3、对于采用电励磁同步发电机结合不控整流的直流综合电力系统，其系统保护面临以下难题：1)当发电机与断路器之间发生短路故障时，由于二极管整流模块的单向导通特性，此时无故障电流通过断路器，导致断路器无法动作、无法实现对系统的有效保护，不能满足上述规范要求；2)当直流侧发生短路故障时，若熔断器未能在短时间内有效熔断，由于二极管模块无短路保护能力，短路电流可能使整流二极管模块及发电机定子绕组损坏；3)二极管整流模块无电压调节能力，无法实现过压保护；4)直流综合电力系统对直流侧电压、电流信号采集的采样率和采样精度有较高的要求，以便ems控制系统实现实时功率分配、功率限制等相关控制功能。

技术实现思路

1、基于上述问题，本发明提出一种适用于船舶直流综合电力系统的发电机保护装置,该装置可提供差动保护、过压保护，解决直流综合电力系统中采用不控整流的交流发电机的断路器保护无法提供短路、过压保护的问题。此外，该装置还提供后备的发电机交流侧短路保护、直流侧短路保护以及发电机励磁系统故障保护等保护功能，提升发电机以及船舶混合动力系统工作的可靠性、降低全船失电的风险。

2、本发明技术方案为：一种适用于船舶直流综合电力系统的发电机保护装置，用于发电机出口及换流器阀侧之间的所有线路及设备的保护保护区，硬件系统采用嵌入式紧密耦合的主处理器架构，主处理器模块采用高性能通用arm+fpga结构，能最小支持微秒级运算间隔；用于实现采集、测量、通信功能，并连接控制系统，实现短路、过载、过压、欠压、比率差动、相间差动、励磁系统故障的保护，能够在保护区内发生发电机过载、短路、过压、匝间短路等故障时可靠动作，令断路器跳闸，隔离故障，保护发电机，并将发电机整流器直流侧数据直接采集并回传控制系统，用于跟踪频率变化，实时计算出频率、基波电压电流有效值、交直流功率，实时模拟量显示，方便运维人员观察发电机运行状态。

3、进一步，主处理器模块通过modbus通信，将模拟量和开关量发送给控制系统，用于控制系统的信号处理。

4、进一步，主处理模块与采集模块分层放置，强、弱电分离，使整个发电机保护装置紧凑，可靠性高，适用于海上平台与船舶紧凑型空间应用需求。

5、进一步，发电机保护装置还配置电源、模拟量转换、模拟量输出、开入开出、保护处理器及以太网通信模块。

6、进一步，发电机保护装置的保护和测量接口采用单装置实现，保护起动保护跳闸，将相应的跳闸信号送至发电机灭磁系统及交流断路器，清除区域内的故障或不正常工况，保证系统的安全运行。

7、进一步，发电机保护装置为多相发电机定子绕组至多相整流器之间的线路及设备提供横差差动保护，能在短路故障发生后迅速分断发电机断路器并停机灭磁。

8、进一步，发电机保护装置与直流侧熔断器配合使用为直流侧短路故障提供后备保护，在直流侧发生短路故障的情况下，若熔断器未能在短时间内有效熔断，能在极短时间内分断断路器，降低直流侧短路故障对二极管模块及发电机的影响。

9、进一步，发电机保护装置还提供后备的发电机交流侧短路保护、直流侧短路保护以及发电机励磁系统故障保护，提升发电机以及船舶混合动力系统工作的可靠性、降低全船失电的风险。

10、进一步，发电机保护装置将所有保护的跳闸信号分别传送给灭磁系统、modbus客户端以及保护故障录波信息系统；用于实现保护配置自检功能，保护配置具有故障录波功能，录波的范围包括输入模拟量、开关量和保护计算数字量；保护配置事件记录功能，通过lan网与modbus客户端系统通信。

11、本发明的有益效果是：

12、本发明的发电机保护装置为二次设备，具备保护、测量、通信等功能，配置了短路、过载、过压、欠压、比率差动、相间差动、励磁系统故障等十余种保护，能够在保护区内发生发电机过载、短路、过压、匝间短路等故障时可靠动作，令断路器跳闸，隔离故障，保护发电机。发电机保护装置能够将发电机整流器直流侧数据直接采集并回传ems控制系统，同时，发电机保护装置能够跟踪频率变化，实时计算出频率、基波电压电流有效值、交直流功率等，用于实时模拟量显示，方便运维人员观察发电机运行状态。通过modbus通信，可将模拟量和开关量发送给控制系统，用于控制系统的信号处理。本装置解决了船舶直流综合电力系统中采用不控整流时发电机的断路器无法提供短路保护、过压保护等难题。

13、该装置还提供后备的发电机交流侧短路保护、直流侧短路保护以及发电机励磁系统故障保护等保护功能，提升发电机以及船舶混合动力系统工作的可靠性、降低全船失电的风险。

技术特征：

1.一种适用于船舶直流综合电力系统的发电机保护装置，用于发电机出口及换流器阀侧之间的所有线路及设备的保护保护区，其特征在于：硬件系统采用嵌入式紧密耦合的主处理器架构，主处理器模块采用高性能通用arm+fpga结构，能最小支持微秒级运算间隔；用于实现采集、测量、通信功能，并连接控制系统，实现短路、过载、过压、欠压、比率差动、相间差动、励磁系统故障的保护，能够在保护区内发生发电机过载、短路、过压、匝间短路等故障时可靠动作，令断路器跳闸，隔离故障，保护发电机，并将发电机整流器直流侧数据直接采集并回传控制系统，用于跟踪频率变化，实时计算出频率、基波电压电流有效值、交直流功率，实时模拟量显示，方便运维人员观察发电机运行状态。

2.根据权利要求1所述的适用于船舶直流综合电力系统的发电机保护装置，其特征在于：主处理器模块通过modbus通信，将模拟量和开关量发送给控制系统，用于控制系统的信号处理。

3.根据权利要求1所述的适用于船舶直流综合电力系统的发电机保护装置，其特征在于：主处理模块与采集模块分层放置，强、弱电分离，使整个发电机保护装置紧凑，可靠性高，适用于海上平台与船舶紧凑型空间应用需求。

4.根据权利要求1所述的适用于船舶直流综合电力系统的发电机保护装置，其特征在于：发电机保护装置还配置电源、模拟量转换、模拟量输出、开入开出、保护处理器及以太网通信模块。

5.根据权利要求1所述的适用于船舶直流综合电力系统的发电机保护装置，其特征在于：发电机保护装置的保护和测量接口采用单装置实现，保护起动保护跳闸，将相应的跳闸信号送至发电机灭磁系统及交流断路器，清除区域内的故障或不正常工况，保证系统的安全运行。

6.根据权利要求1所述的适用于船舶直流综合电力系统的发电机保护装置，其特征在于：发电机保护装置为多相发电机定子绕组至多相整流器之间的线路及设备提供横差差动保护，能在短路故障发生后迅速分断发电机断路器并停机灭磁。

7.根据权利要求1所述的适用于船舶直流综合电力系统的发电机保护装置，其特征在于：发电机保护装置与直流侧熔断器配合使用为直流侧短路故障提供后备保护，在直流侧发生短路故障的情况下，若熔断器未能在短时间内有效熔断，能在极短时间内分断断路器，降低直流侧短路故障对二极管模块及发电机的影响。

8.根据权利要求1所述的适用于船舶直流综合电力系统的发电机保护装置，其特征在于：发电机保护装置还提供后备的发电机交流侧短路保护、直流侧短路保护以及发电机励磁系统故障保护，提升发电机以及船舶混合动力系统工作的可靠性、降低全船失电的风险。

9.根据权利要求1所述的适用于船舶直流综合电力系统的发电机保护装置，其特征在于：发电机保护装置将所有保护的跳闸信号分别传送给灭磁系统、modbus客户端以及保护故障录波信息系统；用于实现保护配置自检功能，保护配置具有故障录波功能，录波的范围包括输入模拟量、开关量和保护计算数字量；保护配置事件记录功能，通过lan网与modbus客户端系统通信。

技术总结
本发明涉及一种适用于船舶直流综合电力系统的发电机保护装置，用于发电机出口及换流器阀侧之间的所有线路及设备的保护保护区，硬件系统采用嵌入式紧密耦合的主处理器架构，主处理器模块采用高性能通用ARM+FPGA结构，用于实现采集、测量、通信功能，并连接控制系统，实现短路、过载、过压、欠压、比率差动、相间差动、励磁系统故障的保护，能够在保护区内发生发电机过载、短路、过压、匝间短路等故障时可靠动作，令断路器跳闸，隔离故障，保护发电机，并将发电机整流器直流侧数据直接采集并回传控制系统，用于跟踪频率变化，实时计算出频率、基波电压电流有效值、交直流功率，实时模拟量显示，方便运维人员观察发电机运行状态。

技术研发人员：张元玮,常彬,石磊,王乐,于泽程
受保护的技术使用者：中国船舶集团有限公司第七〇四研究所
技术研发日：
技术公布日：2024/3/21