TWI693489B

TWI693489B - 直流船舶微電網保護裝置設計方法

Info

Publication number: TWI693489B
Application number: TW108121997A
Authority: TW
Inventors: 蘇俊連; 余金庭
Original assignee: 國立高雄科技大學
Priority date: 2019-06-24
Filing date: 2019-06-24
Publication date: 2020-05-11
Also published as: TW202101139A

Abstract

本創作係關於一種直流船舶微電網保護裝置設計方法，主要提供船東事前規劃，在船舶配電網絡建置之前，輸入配電網絡設計圖、及各元件參數後，處理單元便會以全系統為觀點，分析各種短路電流發生之狀況時，其流經各饋線之短路電流大小、及各饋線之系統電壓大小，進而分析出各饋線之保護裝置規格建議資料，以供船東購買、建置保護裝置時之判斷根據。

Description

直流船舶微電網保護裝置設計方法

本發明創作係關於一種規格建議方法，尤指一種直流船舶微電網保護裝置設計方法。

系統故障保護對船舶安全營運與作業極為重要，主要是因為當船舶航行時萬一出現供電網絡異常時，輕則整艘船舶停止行進，重則因電線走火而釀成更大災難；由於船舶配電距離較短，直流故障電流會有較高的峰值，故障電流上升率也較高，其大小與直流系統及電力轉換器中的電容配置及電池儲能系統容量有很大的關係，在短路電流或故障電流分析上必須能夠考慮這些因素，以正確估測系統發生直流故障時之短路電流相關訊息，至少包括電流峰值和時間常數，作為決定適當的保護裝置容量及保護協調參考外，可作為研擬適當的故障偵測隔離復電策略之依據。而，一般直流船舶供電網絡之直流保護裝置大多選擇電力熔絲或斷路器為主，先進的直流船舶微電網系統保護裝置已經從傳統的熔絲及斷路器等逐漸轉變成固態保護開關技術，主要的考量是保護裝置動作時間必須足夠快，在極短時間內斷開直流故障電流並維持系統非故障區域繼續供電。直流船舶電力系統保護速度受限於故障偵測和定位速度、通信傳輸延遲、保護裝置或斷路器操作時間等因素影響。一般而言，快速的故障斷開速度需要較高成本的保護裝置，但若故障斷開速度較慢，則會要求電力電子設備具有較高的短路熱耐受能力，這也可能導致設備成本較高。為了實現兼顧經濟及效能的直流船舶電力保護系統設計，往往需要在高故障斷開速度和低故障斷開電流之間作出妥協。在系統規劃設計上，可整體考量評估不同保護系統軟硬體設備方案及其相對應的故障保護與復電策略之執行效能，以滿足船廠或船東不同等級的保護系統及供電可靠度需求。綜合上述之問題，本創作者認為應有一種系統得以在考慮直流供電系統之前提下，提供船東保護裝置之購買規格建議，爰此，本創作者開始思考其解決之道。

有鑑於先前技術所述不足之處，本發明創作者提出一種直流船舶微電網保護裝置設計方法，包括下列步驟： (A)自輸入端輸入一配電網絡設計圖，該配電網絡設計圖包括一直流電源供應單元、一電性連接該直流電源供應單元之主饋線、一連接該主饋線之匯流排、一電性連接該匯流排之第一及第二分歧饋線、一電性連接該第一分歧饋線之第一負載、及一電性連接該第二分歧饋線之第二負載，該第一分歧饋線之電流輸入端設置一第一保護裝置及一第一電源轉換器、該第二分歧饋線之電流輸入端設置一第二保護裝置及一第二電源轉換器，該主饋線設置一第三保護裝置及一第三電源轉換器； (B)自輸入端輸入該第一負載之第一功率資料、該第二負載之第二功率資料、一該第一分歧饋線之第一分歧饋線阻抗資料、一該第二分歧饋線之第二分歧饋線阻抗資料、一該主饋線之主饋線阻抗資料、一該匯流排之匯流排阻抗資料、該直流電源供應單元之輸出功率資料、一第一電源轉換器之第一電容量資料、一第二電源轉換器之第二電容量資料、及一第三電源轉換器之第三電容量資料； (C)一處理單元根據該配電網絡設計圖分析出複數短路電流產生因素，針對各短路電流產生因素配合該第一及第二功率資料、該第一及第二分歧饋線阻抗資料、該主饋線阻抗資料、該匯流排阻抗資料、該輸出功率資料及該第一至第三電容量分析出一該第一保護裝置之第一保護裝置規格建議資料、該第二保護裝置之第二保護裝置規格建議資料、該第三保護裝置之第三保護裝置規格建議資料； (D)該處理單元控制該輸出單元輸出該第一至第三保護裝置規格建議資料。爰此，透過本創作得以根據該配電網絡設計圖分析出各種短路電流發生之可能狀況，再配合各參數分析出該第一至第三保護裝置規格建議資料，以分析各種狀況發生時，該配電網絡中各饋線、匯流排等可能發生之故障電流值，再根據分析結果判斷出該第一至第三保護裝置規格建議資料。故，本創作係採取事前預防之方式，在船舶及其配電供電網絡建置完成前，便根據該配電網絡設計圖透過分析各種可能發生短路電流之狀況，以產生保護裝置規格建議資料作為船東選購保護裝置時之參考根據。

以下藉由圖式之輔助，說明本發明創作之構造、特點與實施例，俾使貴審查人員對於本發明創作有更進一步之瞭解。請參閱第二圖所示，本創作係關於一種直流船舶微電網保護裝置設計方法，在介紹本創作方法之前先介紹本創作之系統，系統包括：一輸入端(1)：該輸入端(1)可供輸入一配電網絡設計圖(A)，該配電網絡設計圖(A)包括：一直流電源供應單元(A1)、一電性連接該直流電源供應單元(A1)之主饋線(A2)、一電性連接該主饋線(A2)之匯流排(A7)、一電性連接該匯流排(A7)之第一及第二分歧饋線(A3、A4)，一電性連接該第一分歧饋線(A3)之第一負載(A5)、一電性連接該第二分歧饋線(A4)之第二負載(A6)，該第一分歧饋線(A3)之電流輸入端設置一第一保護裝置及一第一電源轉換器(A8)、該第二分歧饋線(A4)之電流輸入端設置一第二保護裝置及一第二電源轉換器(A9)，該主饋線(A2)設置一第三保護裝置及一第三電源轉換器，。且，該輸入端(1)可供輸入該第一負載(A5)之第一功率資料、一該第二負載(A6)之第二功率資料、一該主饋線(A2)之主饋線阻抗資料、一該第一分歧饋線(A3)之第一分歧饋線阻抗資料、一該第二分歧饋線(A4)之第二分歧饋線阻抗資料、一該匯流排(A7)之匯流排阻抗資料、該直流電源供應單元(A1)之輸出功率資料、一第一電源轉換器(A8)之第一電容量資料、一第二電源轉換器(A9)之第二電容量資料、及一第三電源轉換器之第三電容量資料。一輸出單元(2)；該輸出單元(2)可供輸出本系統之建議結果，故該輸出單元(2)可為一顯示器、影印機、手持裝置等。一處理單元(3)：該處理單元(3)分別電性連接該輸入端(1)、及該輸出單元(2)，該處理單元(3)寫有一保護裝置建議程式(31)，該保護裝置建議程式(31)可供該處理單元(3)執行：根據該配電網絡設計圖(A7)分析出複數短路電流產生因素，針對各短路電流產生因素配合該第一及第二功率資料、該第一及第二分歧饋線阻抗資料、該主饋線阻抗資料、該匯流排阻抗資料、該輸出功率資料及該第一至第三電容量分析出一該第一保護裝置之第一保護裝置規格建議資料、該第二保護裝置之第二保護裝置規格建議資料、該第三保護裝置之第三保護裝置規格建議資料，再控制該輸出單元(2)輸出該第一至第三保護裝置規格建議資料。其中，上述所指之因素包括：該直流電源供應單元(A1)、該主饋線(A2)、該匯流排(A7)、該第一及第二分歧饋線(A3、A4)、該第一負載(A5)、該第二負載(A6)等部分發生短路或損毀。以下係配合第二圖所示，介紹本創作之方法，包括下列步驟： A：自輸入端(1)輸入一配電網絡設計圖(A)，該配電網絡設計圖(A)包括一直流電源供應單元(A1)、一電性連接該直流電源供應單元(A1)之主饋線(A2)、一連接該主饋線(A2)之匯流排(A7)、一電性連接該匯流排(A7)之第一及第二分歧饋線(A3、A4)、一電性連接該第一分歧饋線(A3)之第一負載(A5)、及一電性連接該第二分歧饋線(A4)之第二負載(A6)，該第一分歧饋線(A3)之電流輸入端設置一第一保護裝置及一第一電源轉換器(A8)、該第二分歧饋線(A4)之電流輸入端設置一第二保護裝置及一第二電源轉換器(A9)，該主饋線(A2)設置一第三保護裝置及一第三電源轉換器。 B：自該輸入端(1)輸入該第一負載之第一功率資料、該第二負載之第二功率資料、一該第一分歧饋線之第一分歧饋線阻抗資料、一該第二分歧饋線之第二分歧饋線阻抗資料、一該主饋線之主饋線阻抗資料、一該匯流排之匯流排阻抗資料、該直流電源供應單元之輸出功率資料、一第一電源轉換器之第一電容量資料、一第二電源轉換器之第二電容量資料、及一第三電源轉換器之第三電容量資料。 C：該處理單元(3)根據該配電網絡設計圖(A)分析出複數短路電流產生因素，針對各短路電流產生因素配合該第一及第二功率資料、該第一及第二分歧饋線阻抗資料、該主饋線阻抗資料、該匯流排阻抗資料、該輸出功率資料及該第一至第三電容量分析出一該第一保護裝置之第一保護裝置規格建議資料、該第二保護裝置之第二保護裝置規格建議資料、該第三保護裝置之第三保護裝置規格建議資料。 D：該處理單元(3)控制輸出單元(2)輸出該第一至第三保護裝置規格建議資料。以下詳細說明本創作實際運作流程，首先須事先說明的是，本創作主要係以系統為觀點進行分析，以得到該主饋線、該第一分歧饋線、該第二分歧饋線之保護裝置規格建議資料，透過事前分析之方式，以提供船東在建置船舶、及其配電網絡時，選購各保護裝置之參考依據。以下先舉其中一元件損毀來介紹本創作之作動流程。首先，透過該輸入端(1)輸入前述各參數後(如第一功率資料、第二功率資料…等)，該處理單元(3)會先假設該第一負載(A5)故障，再配合該第一及第二功率資料、該第一及第二分歧饋線阻抗資料、該主饋線阻抗資料、該匯流排阻抗資料、該輸出功率資料及該第一至第三電容量，以整體系統為角度進行分析，分析出得到流經該主饋線(A2)、該第一分歧饋線(A3)、及該第二分歧饋線(A5)之各短路電流、及各短路電流上升率。接著，如同上述流程分別假設當該第二負載(A6)、該匯流排(A7)、該主饋線(A2)、該第一分歧饋線(A3)、該第二分歧饋線(A4)、及該發電機組(A1)等部分發生短路或損毀時，各種狀況下流經各主饋線(A2)、該第一分歧饋線(A3)、及該第二分歧饋線(A5)之短路電流及短路電流上升率；全部分析結束後，各分析結果中，各流經該主饋線(A2)之短路電流中取最低值作為判斷基礎，以估算出該第一啟斷電流建議資料，同理類推，判斷出一第二及第三啟斷電流建議資料；且各流經該主饋線(A2)之短路電流上升率中取最高值作為判斷基礎，以估算出一第一反應時間建議資料，同理類推，判斷出一第二及第三反應時間建議資料，藉以避免因短路電流上升速度過快，該保護裝置反應太慢等問題。爰此，該第一保護裝置規格建議資料包括該第一啟斷電流建議資料、及該第一反應時間建議資料；該第二保護裝置規格建議資料包括該第二啟斷電流建議資料、及該第二反應時間建議資料；該第三保護裝置規格建議資料包括該第三啟斷電流建議資料、及該第三反應時間建議資料。由上述可知，本創作係採取事前預防之方式，在船舶及其配電供電網絡建置完成前，可事先透過本系統進行分析，可得到各饋線之保護裝置規格建議資料，以令船東在建置船舶供電網絡時選購保護裝置之參考依據，藉以避免發生保護裝置難以發揮應有之功能，或是購買不適當之保護裝置而造成浪費或憾事發生。綜上所述，本發明創作確實符合產業利用性，且未於申請前見於刊物或公開使用，亦未為公眾所知悉，且具有非顯而易知性，符合可專利之要件，爰依法提出專利申請。惟上述所陳，為本發明創作在產業上一較佳實施例，舉凡依本發明創作申請專利範圍所作之均等變化，皆屬本案訴求標的之範疇。

(A):配電網絡設計圖 (A1):直流電源供應單元 (A2):主饋線 (A3):第一分歧饋線 (A4):第二分歧饋線 (A5):第一負載 (A6):第二負載 (A7):匯流排 (A8):第一電源轉換器 (A9):第二電源轉換器 (1):輸入端 (2):輸出單元 (3):處理單元 (31):保護裝置建議程式

第一圖係本創作之各元件連結方塊圖第二圖係本創作之工作流程圖第三圖係配電網絡示意圖

Claims

一種直流船舶微電網保護裝置設計方法，包括下列步驟： (A)自輸入端輸入一配電網絡設計圖，該配電網絡設計圖包括一直流電源供應單元、一電性連接該直流電源供應單元之主饋線、一連接該主饋線之匯流排、一電性連接該匯流排之第一及第二分歧饋線、一電性連接該第一分歧饋線之第一負載、及一電性連接該第二分歧饋線之第二負載，該第一分歧饋線之電流輸入端設置一第一保護裝置及一第一電源轉換器、該第二分歧饋線之電流輸入端設置一第二保護裝置及一第二電源轉換器，該主饋線設置一第三保護裝置及一第三電源轉換器； (B)自輸入端輸入該第一負載之第一功率資料、該第二負載之第二功率資料、一該第一分歧饋線之第一分歧饋線阻抗資料、一該第二分歧饋線之第二分歧饋線阻抗資料、一該主饋線之主饋線阻抗資料、一該匯流排之匯流排阻抗資料、該直流電源供應單元之輸出功率資料、一第一電源轉換器之第一電容量資料、一第二電源轉換器之第二電容量資料、及一第三電源轉換器之第三電容量資料； (C)一處理單元根據該配電網絡設計圖分析出複數短路電流產生因素，針對各短路電流產生因素配合該第一及第二功率資料、該第一及第二分歧饋線阻抗資料、該主饋線阻抗資料、該匯流排阻抗資料、該輸出功率資料及該第一至第三電容量分析出一該第一保護裝置之第一保護裝置規格建議資料、該第二保護裝置之第二保護裝置規格建議資料、該第三保護裝置之第三保護裝置規格建議資料； (D)該處理單元控制該輸出單元輸出該第一至第三保護裝置規格建議資料。
如申請專利範圍第1項所述之直流船舶微電網保護裝置設計方法，其中步驟(C)中：該第一保護裝置規格建議資料包括一第一啟斷電流建議資料，該第二保護裝置規格建議資料包括一第二啟斷電流建議資料，該第三保護裝置規格建議資料包括一第三啟斷電流建議資料；該複數短路電流產生因素包括：該第一負載、該第二負載、該匯流排、該主饋線、該第一分歧饋線、該第二分歧饋線、或該直流電源供應單元發生短路或損壞；該處理單元根據該第一功率資料、該第二功率資料、該第一分歧饋線阻抗資料、該第二分歧饋線阻抗資料、該主饋線阻抗資料、該匯流排阻抗資料，及該輸出功率資料，依序假設各短路電流產生因素之前提下，分析出流經該主饋線之複數第一短路電流、流經該第一分歧饋線之複數第二短路電流、流經該第二分歧饋線之複數第三短路電流，各第一短路電流取最低者作為判斷基礎估算出一第一啟斷電流建議資料、各第二短路電流取最低者作為判斷基礎估算出一第二啟斷電流建議資料、各第三短路電流取最低者作為判斷基礎估算出一第三啟斷電流建議資料。
如申請專利範圍第2項所述之直流船舶微電網保護裝置設計方法，其中步驟(C)中：該第一保護裝置規格建議資料包括一第一反應時間建議資料，該第二保護裝置規格建議資料包括一第二反應時間建議資料，該第三保護裝置規格建議資料包括一第三反應時間建議資料；該處理單元根據該第一功率資料、該第二功率資料、該第一分歧饋線阻抗資料、該第二分歧饋線阻抗資料、該主饋線阻抗資料、該匯流排阻抗資料，及該輸出功率資料，依序假設各短路電流產生因素之前提下，分析出流經該主饋線之複數第一短路電流上升率、流經該第一分歧饋線之複數第二短路電流上升率、流經該第二分歧饋線之複數第三短路電流上升率，各第一短路電流上升率取最高者作為判斷基礎估算出一第一反應時間建議資料、各第二短路電流上升率取最高者作為判斷基礎估算出一第二反應時間建議資料、各第三短路電流上升率取最高者作為判斷基礎估算出一第三反應時間建議資料。