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隨著船舶電力系統(tǒng)向大型化發(fā)展，船舶電網(wǎng)結(jié)構(gòu)呈現(xiàn)網(wǎng)狀化且存在多個(gè)電源。當(dāng)不同短路點(diǎn)發(fā)生短路故障時(shí)，供電線路上的短路電流饋送方向也將發(fā)生變化，使按照固定短路電流饋送方向進(jìn)行整定的起動(dòng)電流和延時(shí)時(shí)間與實(shí)際短路電流饋送方向相沖突，導(dǎo)致保護(hù)裝置誤動(dòng)作，嚴(yán)重影響保護(hù)選擇性的實(shí)現(xiàn)。這就要求采取有效方法快速判斷船舶電網(wǎng)短路故障方向，以實(shí)現(xiàn)多電源系統(tǒng)短路故障保護(hù)動(dòng)作的選擇性。

針對(duì)多電源系統(tǒng)的短路故障方向判斷及相應(yīng)保護(hù)問(wèn)題，目前主要有功率方向保護(hù)方法、電流差動(dòng)方法、行波保護(hù)等多種方法。因船舶電力系統(tǒng)供電面積小，電纜長(zhǎng)度短（線路長(zhǎng)度＜300m），短路點(diǎn)距保護(hù)裝置一般很近，短路殘余電壓接近零，功率或能量方向保護(hù)方法應(yīng)用于船舶電力系統(tǒng)時(shí)，將面臨“電壓死區(qū)”問(wèn)題，無(wú)法可靠動(dòng)作，因而存在適應(yīng)性問(wèn)題。

有學(xué)者針對(duì)含分布式電源的主動(dòng)配電網(wǎng)，提出一種基于正序故障分量的電流方向元件，利用電流正序故障分量和正序故障分量定義的基準(zhǔn)量之間的相位差來(lái)判別故障方向，無(wú)需檢測(cè)電壓信號(hào)。但該方法在具體實(shí)施時(shí)，需檢測(cè)完整工頻周期的電流信息，并需要進(jìn)行兩次電流序列微分計(jì)算以獲得相位差信息，計(jì)算量較大，方向判斷的快速性存在一定不足。

差動(dòng)保護(hù)方法基于基爾霍夫電流定律，原理簡(jiǎn)單可靠，具有完備的保護(hù)選擇性，近年來(lái)已在船舶電力系統(tǒng)中得到廣泛應(yīng)用。但差動(dòng)保護(hù)方法對(duì)線路兩端保護(hù)裝置的實(shí)時(shí)電流信號(hào)采集和傳輸?shù)耐叫砸筝^高，同步時(shí)間誤差將對(duì)差動(dòng)保護(hù)動(dòng)作準(zhǔn)確性造成不利影響。

• 有學(xué)者提出了基于相量集合的站域差動(dòng)保護(hù)算法，采用各支路的電流同步相量集合進(jìn)行差動(dòng)保護(hù)邏輯計(jì)算，依此計(jì)算出差動(dòng)電流和制動(dòng)電流，改善了由于采樣信息不同步所導(dǎo)致的保護(hù)誤動(dòng)或拒動(dòng)問(wèn)題。
• 有學(xué)者針對(duì)分布式發(fā)電配電網(wǎng)，提出了一種基于相位變化量的縱聯(lián)保護(hù)方案，合理避免了同步誤差對(duì)保護(hù)制動(dòng)特性的影響，提高了相移制動(dòng)能力。但該方法需要使用負(fù)荷電流作為同步參考相量，存在空載合閘到故障線路時(shí)的保護(hù)死區(qū)問(wèn)題。
• 有學(xué)者針對(duì)主動(dòng)配電網(wǎng)饋線差動(dòng)保護(hù)方法，通過(guò)計(jì)算各饋線終端單元（Feeder Terminal Unit, FTU）故障電流的動(dòng)態(tài)時(shí)間彎曲（Dynamic Time Warping, DTW）距離確定區(qū)段內(nèi)部或外部故障，具有良好的抗同步誤差能力。但由于該方法需要各FTU相互交換1個(gè)工頻周波的故障電流采樣數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)通信量偏大，保護(hù)快速性存在不足。
• 有學(xué)者提出了基于線路兩端故障電流分量相位差的快速差動(dòng)保護(hù)方案，建立了決策樹以確定短路故障類型，同時(shí)區(qū)分區(qū)外或區(qū)內(nèi)故障，但仍面臨電流信號(hào)采集同步誤差問(wèn)題。

行波保護(hù)利用輸電線路短路故障時(shí)產(chǎn)生的暫態(tài)行波在母線與故障點(diǎn)之間多次折反射而形成的故障高頻暫態(tài)量，通過(guò)分析故障信號(hào)的幅值、極性、方向等豐富信息實(shí)現(xiàn)高速暫態(tài)保護(hù)，可大致分為行波方向式保護(hù)、行波差動(dòng)保護(hù)和行波距離保護(hù)等類型。

由于船舶電力網(wǎng)絡(luò)線路長(zhǎng)度遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于陸地輸電網(wǎng)絡(luò)，船舶電網(wǎng)故障初始行波和反射行波信號(hào)到達(dá)檢測(cè)點(diǎn)的傳輸時(shí)延極小，極易出現(xiàn)混疊情況，難以保證短路方向判斷和故障測(cè)距的準(zhǔn)確性，故障行波保護(hù)方案應(yīng)用于船舶電力系統(tǒng)較為困難。

為解決以上問(wèn)題，海軍工程大學(xué)電氣工程學(xué)院的研究人員黃靖、張曉鋒、葉志浩、張濤，在2019年第19期《電工技術(shù)學(xué)報(bào)》上發(fā)表研究新成果（論文標(biāo)題為“基于電流變化率與短路合閘角綜合判據(jù)的船舶交流電網(wǎng)短路故障方向判斷”），研究團(tuán)隊(duì)通過(guò)對(duì)船舶電網(wǎng)三相和兩相短路電流初始變化率的數(shù)學(xué)推導(dǎo)與實(shí)例計(jì)算，得到了短路電流變化率隨短路合閘角、發(fā)電機(jī)功率角、短路線路長(zhǎng)度變化的規(guī)律，并利用短路電流變化率正負(fù)極性與短路故障方向的對(duì)應(yīng)關(guān)系，提出了基于電流變化率和短路合閘角綜合判據(jù)的短路故障方向判斷方法。

本方法可在短路電流到達(dá)峰值前完成短路故障及其方向判斷，無(wú)需檢測(cè)短路殘余電壓，無(wú)需考慮兩側(cè)電流檢測(cè)一致性和時(shí)間同步要求，對(duì)線路參數(shù)的精度要求不高，對(duì)信號(hào)采樣精度要求不高，所需的實(shí)時(shí)采集信息量較少，因而在保護(hù)的快速性、靈敏性和可靠性方面具有一定優(yōu)勢(shì)，具有良好的工程應(yīng)用前景。

圖6 短路方向辨別原理示意圖