船舶中频电站监控系统研究

摘要:分析了船舶中频电站电量测量、自动同步合闸并车这两大关键技术难点,提供了基于ARM和CPLD技术解决这些难点的方案,并且给出了运用此方案的船舶中频电站监控系统实例,该方案的成功实施保证了系统实现中频电站的自动控制、调频调载、测量报警显示等功能,使得电站自动控制适用领域更广。

关键词:船舶、舰船工程;中频电站;电量测量;自动同步;联锁保护;调频调载

Abstract: Two technical key points of marine medium frequency power station, electric parameter measurement and automatic synchronization, are analyzed. A design for these two tasks based o n ARM and CPLD technology is proposed and an example of application o f the design in a medium frequency power station system is given. The design ensures auto-control, monitoring , alarm, display, frequency and lo ad distribution functions so as to ex tend normal power station automatic control to a wider area and to acceleration of the modernization o f power stat ion automation techno log y in China.

Key words: ship, naval engineering ; medium frequency power Station; electric parameter measurement; automatic synchronous; interlock protect ion; frequency and load control

舰船电站自动化是舰船机舱自动化的一个重要组成部分、也是舰船现代化的重要标志。通信技术、微处理器技术、控制技术的进步、舰船向大型化、高速化、自动化方向的迅猛发展,对舰船电站自动化系统在供电品质等方面提出了更高要求。众所周知，工频(50Hz)电站自动控制技术已广泛应用于各型号舰船，可以实现对不同原动机组自动控制，多个电站发电机组自动控制及发电机组的有功、无功综合调控等功能。然而，中频(400Hz)电站自动控制是国内外公认的难题,我们在这方面进行了深入研究，解决了中频电量测量、中频自动同步并车这两个关键技术难点，成功研制出了中频电站监控系统，并已在实船运行。

1 中频电站电量测量

1. 1 技术要点分析

中频电量测量与工频电量测量的目的相同，都是采样交流电压、电流,送入CPU(Central Processing Unit)计算它们的幅值、频率以及有功功率。由于中频频率是工频频率的8倍。一方面要达到同样的测频误差范围，中频频率的测量精度要求大大提高；另一方面要满足频率采样实时性，中频电量的采样处理时间要求也大大提高，两方面的兼顾成了中频频率测量的难度。中频电站供电原理为：由双馈电动机拖动中频同步发电机。利用交流励磁变频器实现电动机调速，从而调节发电机频率。发电机与电动机同轴，发电机电枢绕组输出接中频电网。电动机转子与励磁变频器连接，电动机定子绕组与工频电网连接。工频电网也为励磁变频器提供电源。中频电站供电如图1所示。

由于大量电力电子设备的使用,发电机输出的中频电压、电流中夹杂着大量谐波成分，这对中频测量中的滤波设计提出了更高的要求。随着频率的大幅上升，原来在工频电量测量中可以不考虑的电路分布电阻、电容参数，芯片的时间响应在中频电量测量中不容忽视。

1. 2 电量测量模块设计

为了从整体上提高测量控制性能，解决中频电量测量的技术难点，选用ARM(Advanced RISC Machines)7系列32位单片机作为CPU，用NXP公司的LPC2300系列ARM7TDMI-S处理器，它可在最高72MHz的CPU频率下运行，有丰富的软硬件资源。中频机组控制器电路结构如图2。

中频频率测量使用其32位可编程定时器/计数器，它有事件捕获功能，即在输入信号产生沿跳变时，会将当前计数值TC 装入捕获寄存器，并产生捕获中断，捕获事件类型可选择——上升沿，下降沿，双边沿。这样中频正弦信号经过脉冲整形后，可由ARM的高速定时器对其周期进行计数，从而得到频率。LPC2300系列的时钟系统如图3所示。

外部主振荡器输入时钟范围32~50MHz，锁相环PLL(Plase Locked Loop)倍频后输出时钟范围275~550MHz，然后由可编程分频器来设置定时器计数时钟，可见选择范围非常宽。

设CPU定时器计数周期为T0，信号频率为fs ，信号周期为Ts ，m个信号周期采样一次，采样一次的计数值为n，则两次采样时间间隔为m Ts。

信号频率：

CPU计数的分辨极限就是每变化一个计数值的信号频率变化：

由于n≥1，n+1≈n，经化简演算可得:

1个信号周期需采样一次(m=1)。信号频率fs=400Hz，锁相环PLL的输出选择最佳频率288MHz，6分频成CPU频率48MHz，定时器计数时钟不分频仍为48MHz，则T0=1/(48MHz)，根据式(3)，CPU计数分辨极限△f=0.0033Hz。考虑到频率调节和并车要求，中频频率测量需要精确到0.1Hz，为30个计数值，能可靠分辨，同时能保证频率每周期进行刷新，这为频率调节控制提供了保证。

高速可编程的CPU定时器也为精确测量中频功率因数和软件计算中频有功功率提供了条件。电压和电流进行异或得到的相位差就是功率因数角??，此信号进行CPU定时器捕捉就能计算cosθ和sinθ。再结合电压、电流幅值的测量就能计算有功、无功功率，并据此进行功率分配。为了最大程度的消除400Hz附近的干扰，设计400Hz有源带通滤波器，对元器件参数进行了精确匹配，通带增益Au=1，带宽300~500Hz，400Hz为特征频率，实测99.9%的400Hz信号能通过滤波器，品质因数Q=2.75，通带外高低频干扰高度衰减。实测带通滤波幅频特性如图4。

选择微型电压、电流互感器采样外部交流模拟量送入内部电路板。并且选择线性光耦器件，对400Hz电量转换通道单独进行直流模拟量光耦隔离，通过这种隔离措施,能有效屏蔽干扰。在调试过程中进行仔细数据比对，隔离电路线性度好，精度高。软件上进行数字递推滤波处理和限幅限频处理。这样就能进一步消除模拟量和频率信号瞬间动态波动产生的干扰。

2 中频电站自动同步并车

2.1 技术要点分析

虽然船规中对中频自动同步并车没有明确的要求，仅对工频自动同步并车作了规定，但是考虑到并车的根本目的都是使待并发电机并网时无大的冲击电流，并网后能快速而稳定的同步运行。所以中频电站自动同步并车要求沿用工频的要求，就是进行自动准同步并车必须满足以下3个条件：待并机组和电网电压幅值、频率及相位一致。

当对中频电压幅值准确测量时，很容易对其进行调节来满足幅值差要求。

待并机组频率必须略高于在网机组频率，使并车后待并机组被迅速拉入同步，可避免逆功率情况，提高并联运行的稳定性。考虑到执行机构的动作时间，必须提前恒定时间发出合闸命令，才能使合闸相位满足要求。计算出中频同步并车的最佳频差和最佳超前相位是保证安全并车合闸的关键。

设△θT为两个电压矢量的每周期相位差，fG为发电机电压频率，fW为电网电压频率，TS 为频差周期，tq 为超前相位，tZ为执行机构动作时间。则有：

频差周期太长将影响并车时间，太短将使同步相位捕捉十分困难，一般认为2.5~5s是理想的时间范围。由式(5)得频差范围为0.2~0.4Hz。取tZ=150ms，可得超前相位tq=75~150s。可见中频并车的理想合闸相位很小，准确捕捉是一个难点。

对于150ms的执行动作时间，工频情况下只需在合闸命令发出后经过7.5个周期，机组就能并网，频率不易波动，而中频情况下需要经过60个周期，频率波动的可能性大大提高，即需要频率调节的快速响应，这是中频自动同步并车的又一个难点。

2. 2 自动同步模块设计

为测量捕捉中频相位和处理复杂的电站控制逻辑，选用ALTERA公司MAX7000系列的CPLD(Complex Programmable Logic Device)，EPM7192SQI160-10。它是纳秒级的高速逻辑器件，有124个可编程I/O引脚,可接入时钟，可在线编程，功耗低。这样在CPLD中把电网和发电机电压异或提取相位脉冲，依靠CPLD内部的集成定时计数模块可以精确地计算每个时点的相位值。CPU调频有死区，所以不同并车时刻，频率稳定状态不同，导致频差有差别，且频差对理想超前相位起决定性作用。CPU把实时频差通过总线传递给CPLD，CPLD可以根据频差动态地调整合闸相位理想值进行捕捉。同时硬件上通过单稳志触发电路设置一个相对宽的相位范围，即使CPU计算频差存在误差，仍然保证合闸在安全的相位差范围内。这样的软硬件双重相位捕捉精确、可靠，解决了中频相位测量捕捉的难点。

高速CPU对于中频频率的精确测量为调频的快速响应提供了保障。频率调节采用分段式比列调节控制策略，按频差偏离程度把频率分成4个区域,越靠近400Hz区域越小，400Hz附近的最小区域就是调节死区。每个频率区域有不同的比例调节系书Kn ，调频脉冲宽度Tn=Kn.△f频率偏离越远，Kn越大，脉冲越长。这样从频率控制层面上实现了快速、平滑的调频，当中频机组执行机构能快速动作时，中频合闸并车就有了稳定的频率环境。中频自动同步并车控制流程(图5)。

采用上述控制策略后实测中频合闸波形图如图6所示。

3 采用该技术的船舶电站监控系统实例

某船中频电站监控系统监控的对象是由双跨接线联接的综合性中频电站。其分前后配电区域，每个区域有3台中频发电机组。中频电站系统单线原理和网络通讯图(图7)。每台发电机组配置一个控制器模块和一个测量模块；联锁保护模块来完成双跨接线联锁保护功能。中频电源综合管理装置通过舰电数据转换装置从网络上接收各机组数据，并发送命令。系统采用冗余的CAN(Controller Area Network)现场总线网络通讯，具有通用性、实时性、可扩展性和互连性。

考虑到系统的鲁棒性，整个网络由若干个网络节点组成，每个节点做到了既相互联系，又相互独立，任何一个节点的损坏，不会影响整个网络的正常工作，达到了危险分散的目的。系统实现了各机组的自动起动、首机自动投入、自动整同步并车、自动有功功率调节、自动解列分闸、自动停机、发电机组安全保护、双跨接线综合控制及保护功能。

4 结语

融合了400Hz交流电量测量技术，自动同步并车技术的中频电站监控系统在投入运行时，实现了对电参数的精确测量和对中频机组的可靠控制。任意组态下，并联中频机组有功功率、频率稳定自动调整，使得中频电站机组长期并联运行更加安全。

参考文献

[1] 孙桂才,庄亚平,杨青,等.中频同步发电机快速励磁的仿真与试验研究[J].船电技术2010(1):15-20.

SUN Gui-cai, ZHUANG Ya-ping, YANG Qing, etal. Research on Quick-response Excitation for Medium Frequency Synchronous Generator Based on Simulation and Experiment[J] . www.haiyuan5.com Marine Electric & Electronic Engineering. 2010(1) : 15-20.

[2] 陆继明,等.同步发电机微机励磁控制[M].北京:中国电力出版社,2006.

[3] 龚喜文,李冰熊,李琦,等.发电机组并联运行有功、无功综合调控技术[J].上海造船2008(3) :27-30.

GONG Xi-wen, LI Bing-xiong , LI Qi, etal. Active & Reactive Power Controlling Technology Of Generators In Parallel[J] . Shanghai Shipbuilding 2008, ( 3) : 27-30.

[4] 张汝均,等.船舶电站同步发电机的自动励磁装置[M]北京:国防工业出版社,1994.

[5] 王焕文,等.舰船电力系统及自动装置[M].北京:科学出版社,2004.

[6] 刘宗德,等.船舶电站及自动化装置[M].北京:人民交通出版社,1992.

[7] 史际昌.船舶电气设备及系统[M].大连:大连海事大学出版社,1998.

[8] 黄忠秀.船舶运输控制系统[M].北京:人民交通出版社,2000.

[9] 管小铭.船舶电力系统及自动化[M].大连:大连海事大学出版社,1999.

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