摘要:分析了船舶中頻電站電量測(cè)量、自動(dòng)同步合閘并車這兩大關(guān)鍵技術(shù)難點(diǎn),提供了基于ARM和CPLD技術(shù)解決這些難點(diǎn)的方案,并且給出了運(yùn)用此方案的船舶中頻電站監(jiān)控系統(tǒng)實(shí)例,該方案的成功實(shí)施保證了系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)中頻電站的自動(dòng)控制、調(diào)頻調(diào)載、測(cè)量報(bào)警顯示等功能,使得電站自動(dòng)控制適用領(lǐng)域更廣。

關(guān)鍵詞:船舶、艦船工程;中頻電站;電量測(cè)量;自動(dòng)同步;聯(lián)鎖保護(hù);調(diào)頻調(diào)載

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

艦船電站自動(dòng)化是艦船機(jī)艙自動(dòng)化的一個(gè)重要組成部分、也是艦船現(xiàn)代化的重要標(biāo)志。通信技術(shù)、微處理器技術(shù)、控制技術(shù)的進(jìn)步、艦船向大型化、高速化、自動(dòng)化方向的迅猛發(fā)展,對(duì)艦船電站自動(dòng)化系統(tǒng)在供電品質(zhì)等方面提出了更高要求。眾所周知，工頻(50Hz)電站自動(dòng)控制技術(shù)已廣泛應(yīng)用于各型號(hào)艦船，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)不同原動(dòng)機(jī)組自動(dòng)控制，多個(gè)電站發(fā)電機(jī)組自動(dòng)控制及發(fā)電機(jī)組的有功、無(wú)功綜合調(diào)控等功能。然而，中頻(400Hz)電站自動(dòng)控制是國(guó)內(nèi)外公認(rèn)的難題,我們?cè)谶@方面進(jìn)行了深入研究，解決了中頻電量測(cè)量、中頻自動(dòng)同步并車這兩個(gè)關(guān)鍵技術(shù)難點(diǎn)，成功研制出了中頻電站監(jiān)控系統(tǒng)，并已在實(shí)船運(yùn)行。

1 中頻電站電量測(cè)量

1. 1 技術(shù)要點(diǎn)分析

中頻電量測(cè)量與工頻電量測(cè)量的目的相同，都是采樣交流電壓、電流,送入CPU(Central Processing Unit)計(jì)算它們的幅值、頻率以及有功功率。由于中頻頻率是工頻頻率的8倍。一方面要達(dá)到同樣的測(cè)頻誤差范圍，中頻頻率的測(cè)量精度要求大大提高；另一方面要滿足頻率采樣實(shí)時(shí)性，中頻電量的采樣處理時(shí)間要求也大大提高，兩方面的兼顧成了中頻頻率測(cè)量的難度。中頻電站供電原理為：由雙饋電動(dòng)機(jī)拖動(dòng)中頻同步發(fā)電機(jī)。利用交流勵(lì)磁變頻器實(shí)現(xiàn)電動(dòng)機(jī)調(diào)速，從而調(diào)節(jié)發(fā)電機(jī)頻率。發(fā)電機(jī)與電動(dòng)機(jī)同軸，發(fā)電機(jī)電樞繞組輸出接中頻電網(wǎng)。電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子與勵(lì)磁變頻器連接，電動(dòng)機(jī)定子繞組與工頻電網(wǎng)連接。工頻電網(wǎng)也為勵(lì)磁變頻器提供電源。中頻電站供電如圖1所示。

由于大量電力電子設(shè)備的使用,發(fā)電機(jī)輸出的中頻電壓、電流中夾雜著大量諧波成分，這對(duì)中頻測(cè)量中的濾波設(shè)計(jì)提出了更高的要求。隨著頻率的大幅上升，原來(lái)在工頻電量測(cè)量中可以不考慮的電路分布電阻、電容參數(shù)，芯片的時(shí)間響應(yīng)在中頻電量測(cè)量中不容忽視。

1. 2 電量測(cè)量模塊設(shè)計(jì)

為了從整體上提高測(cè)量控制性能，解決中頻電量測(cè)量的技術(shù)難點(diǎn)，選用ARM(Advanced RISC Machines)7系列32位單片機(jī)作為CPU，用NXP公司的LPC2300系列ARM7TDMI-S處理器，它可在最高72MHz的CPU頻率下運(yùn)行，有豐富的軟硬件資源。中頻機(jī)組控制器電路結(jié)構(gòu)如圖2。

中頻頻率測(cè)量使用其32位可編程定時(shí)器/計(jì)數(shù)器，它有事件捕獲功能，即在輸入信號(hào)產(chǎn)生沿跳變時(shí)，會(huì)將當(dāng)前計(jì)數(shù)值TC 裝入捕獲寄存器，并產(chǎn)生捕獲中斷，捕獲事件類型可選擇——上升沿，下降沿，雙邊沿。這樣中頻正弦信號(hào)經(jīng)過(guò)脈沖整形后，可由ARM的高速定時(shí)器對(duì)其周期進(jìn)行計(jì)數(shù)，從而得到頻率。LPC2300系列的時(shí)鐘系統(tǒng)如圖3所示。

外部主振蕩器輸入時(shí)鐘范圍32~50MHz，鎖相環(huán)PLL(Plase Locked Loop)倍頻后輸出時(shí)鐘范圍275~550MHz，然后由可編程分頻器來(lái)設(shè)置定時(shí)器計(jì)數(shù)時(shí)鐘，可見選擇范圍非常寬。

設(shè)CPU定時(shí)器計(jì)數(shù)周期為T0，信號(hào)頻率為fs ，信號(hào)周期為Ts ，m個(gè)信號(hào)周期采樣一次，采樣一次的計(jì)數(shù)值為n，則兩次采樣時(shí)間間隔為m Ts。

信號(hào)頻率：

CPU計(jì)數(shù)的分辨極限就是每變化一個(gè)計(jì)數(shù)值的信號(hào)頻率變化：

由于n≥1，n+1≈n，經(jīng)化簡(jiǎn)演算可得:

1個(gè)信號(hào)周期需采樣一次(m=1)。信號(hào)頻率fs=400Hz，鎖相環(huán)PLL的輸出選擇最佳頻率288MHz，6分頻成CPU頻率48MHz，定時(shí)器計(jì)數(shù)時(shí)鐘不分頻仍為48MHz，則T0=1/(48MHz)，根據(jù)式(3)，CPU計(jì)數(shù)分辨極限△f=0.0033Hz?？紤]到頻率調(diào)節(jié)和并車要求，中頻頻率測(cè)量需要精確到0.1Hz，為30個(gè)計(jì)數(shù)值，能可靠分辨，同時(shí)能保證頻率每周期進(jìn)行刷新，這為頻率調(diào)節(jié)控制提供了保證。

高速可編程的CPU定時(shí)器也為精確測(cè)量中頻功率因數(shù)和軟件計(jì)算中頻有功功率提供了條件。電壓和電流進(jìn)行異或得到的相位差就是功率因數(shù)角􀀂，此信號(hào)進(jìn)行CPU定時(shí)器捕捉就能計(jì)算cosθ和sinθ。再結(jié)合電壓、電流幅值的測(cè)量就能計(jì)算有功、無(wú)功功率，并據(jù)此進(jìn)行功率分配。為了最大程度的消除400Hz附近的干擾，設(shè)計(jì)400Hz有源帶通濾波器，對(duì)元器件參數(shù)進(jìn)行了精確匹配，通帶增益Au=1，帶寬300~500Hz，400Hz為特征頻率，實(shí)測(cè)99.9%的400Hz信號(hào)能通過(guò)濾波器，品質(zhì)因數(shù)Q=2.75，通帶外高低頻干擾高度衰減。實(shí)測(cè)帶通濾波幅頻特性如圖4。

選擇微型電壓、電流互感器采樣外部交流模擬量送入內(nèi)部電路板。并且選擇線性光耦器件，對(duì)400Hz電量轉(zhuǎn)換通道單獨(dú)進(jìn)行直流模擬量光耦隔離，通過(guò)這種隔離措施,能有效屏蔽干擾。在調(diào)試過(guò)程中進(jìn)行仔細(xì)數(shù)據(jù)比對(duì)，隔離電路線性度好，精度高。軟件上進(jìn)行數(shù)字遞推濾波處理和限幅限頻處理。這樣就能進(jìn)一步消除模擬量和頻率信號(hào)瞬間動(dòng)態(tài)波動(dòng)產(chǎn)生的干擾。

2 中頻電站自動(dòng)同步并車

2.1 技術(shù)要點(diǎn)分析

雖然船規(guī)中對(duì)中頻自動(dòng)同步并車沒(méi)有明確的要求，僅對(duì)工頻自動(dòng)同步并車作了規(guī)定，但是考慮到并車的根本目的都是使待并發(fā)電機(jī)并網(wǎng)時(shí)無(wú)大的沖擊電流，并網(wǎng)后能快速而穩(wěn)定的同步運(yùn)行。所以中頻電站自動(dòng)同步并車要求沿用工頻的要求，就是進(jìn)行自動(dòng)準(zhǔn)同步并車必須滿足以下3個(gè)條件：待并機(jī)組和電網(wǎng)電壓幅值、頻率及相位一致。

當(dāng)對(duì)中頻電壓幅值準(zhǔn)確測(cè)量時(shí)，很容易對(duì)其進(jìn)行調(diào)節(jié)來(lái)滿足幅值差要求。

待并機(jī)組頻率必須略高于在網(wǎng)機(jī)組頻率，使并車后待并機(jī)組被迅速拉入同步，可避免逆功率情況，提高并聯(lián)運(yùn)行的穩(wěn)定性。考慮到執(zhí)行機(jī)構(gòu)的動(dòng)作時(shí)間，必須提前恒定時(shí)間發(fā)出合閘命令，才能使合閘相位滿足要求。計(jì)算出中頻同步并車的最佳頻差和最佳超前相位是保證安全并車合閘的關(guān)鍵。

設(shè)△θT為兩個(gè)電壓矢量的每周期相位差，fG為發(fā)電機(jī)電壓頻率，fW為電網(wǎng)電壓頻率，TS 為頻差周期，tq 為超前相位，tZ為執(zhí)行機(jī)構(gòu)動(dòng)作時(shí)間。則有：

頻差周期太長(zhǎng)將影響并車時(shí)間，太短將使同步相位捕捉十分困難，一般認(rèn)為2.5~5s是理想的時(shí)間范圍。由式(5)得頻差范圍為0.2~0.4Hz。取tZ=150ms，可得超前相位tq=75~150s?？梢娭蓄l并車的理想合閘相位很小，準(zhǔn)確捕捉是一個(gè)難點(diǎn)。

對(duì)于150ms的執(zhí)行動(dòng)作時(shí)間，工頻情況下只需在合閘命令發(fā)出后經(jīng)過(guò)7.5個(gè)周期，機(jī)組就能并網(wǎng)，頻率不易波動(dòng)，而中頻情況下需要經(jīng)過(guò)60個(gè)周期，頻率波動(dòng)的可能性大大提高，即需要頻率調(diào)節(jié)的快速響應(yīng)，這是中頻自動(dòng)同步并車的又一個(gè)難點(diǎn)。

2. 2 自動(dòng)同步模塊設(shè)計(jì)

為測(cè)量捕捉中頻相位和處理復(fù)雜的電站控制邏輯，選用ALTERA公司MAX7000系列的CPLD(Complex Programmable Logic Device)，EPM7192SQI160-10。它是納秒級(jí)的高速邏輯器件，有124個(gè)可編程I/O引腳,可接入時(shí)鐘，可在線編程，功耗低。這樣在CPLD中把電網(wǎng)和發(fā)電機(jī)電壓異或提取相位脈沖，依靠CPLD內(nèi)部的集成定時(shí)計(jì)數(shù)模塊可以精確地計(jì)算每個(gè)時(shí)點(diǎn)的相位值。CPU調(diào)頻有死區(qū)，所以不同并車時(shí)刻，頻率穩(wěn)定狀態(tài)不同，導(dǎo)致頻差有差別，且頻差對(duì)理想超前相位起決定性作用。CPU把實(shí)時(shí)頻差通過(guò)總線傳遞給CPLD，CPLD可以根據(jù)頻差動(dòng)態(tài)地調(diào)整合閘相位理想值進(jìn)行捕捉。同時(shí)硬件上通過(guò)單穩(wěn)志觸發(fā)電路設(shè)置一個(gè)相對(duì)寬的相位范圍，即使CPU計(jì)算頻差存在誤差，仍然保證合閘在安全的相位差范圍內(nèi)。這樣的軟硬件雙重相位捕捉精確、可靠，解決了中頻相位測(cè)量捕捉的難點(diǎn)。

高速CPU對(duì)于中頻頻率的精確測(cè)量為調(diào)頻的快速響應(yīng)提供了保障。頻率調(diào)節(jié)采用分段式比列調(diào)節(jié)控制策略，按頻差偏離程度把頻率分成4個(gè)區(qū)域,越靠近400Hz區(qū)域越小，400Hz附近的最小區(qū)域就是調(diào)節(jié)死區(qū)。每個(gè)頻率區(qū)域有不同的比例調(diào)節(jié)系書Kn ，調(diào)頻脈沖寬度Tn=Kn.△f頻率偏離越遠(yuǎn)，Kn越大，脈沖越長(zhǎng)。這樣從頻率控制層面上實(shí)現(xiàn)了快速、平滑的調(diào)頻，當(dāng)中頻機(jī)組執(zhí)行機(jī)構(gòu)能快速動(dòng)作時(shí)，中頻合閘并車就有了穩(wěn)定的頻率環(huán)境。中頻自動(dòng)同步并車控制流程(圖5)。

采用上述控制策略后實(shí)測(cè)中頻合閘波形圖如圖6所示。

3 采用該技術(shù)的船舶電站監(jiān)控系統(tǒng)實(shí)例

某船中頻電站監(jiān)控系統(tǒng)監(jiān)控的對(duì)象是由雙跨接線聯(lián)接的綜合性中頻電站。其分前后配電區(qū)域，每個(gè)區(qū)域有3臺(tái)中頻發(fā)電機(jī)組。中頻電站系統(tǒng)單線原理和網(wǎng)絡(luò)通訊圖(圖7)。每臺(tái)發(fā)電機(jī)組配置一個(gè)控制器模塊和一個(gè)測(cè)量模塊；聯(lián)鎖保護(hù)模塊來(lái)完成雙跨接線聯(lián)鎖保護(hù)功能。中頻電源綜合管理裝置通過(guò)艦電數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換裝置從網(wǎng)絡(luò)上接收各機(jī)組數(shù)據(jù)，并發(fā)送命令。系統(tǒng)采用冗余的CAN(Controller Area Network)現(xiàn)場(chǎng)總線網(wǎng)絡(luò)通訊，具有通用性、實(shí)時(shí)性、可擴(kuò)展性和互連性。

考慮到系統(tǒng)的魯棒性，整個(gè)網(wǎng)絡(luò)由若干個(gè)網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)組成，每個(gè)節(jié)點(diǎn)做到了既相互聯(lián)系，又相互獨(dú)立，任何一個(gè)節(jié)點(diǎn)的損壞，不會(huì)影響整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的正常工作，達(dá)到了危險(xiǎn)分散的目的。系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了各機(jī)組的自動(dòng)起動(dòng)、首機(jī)自動(dòng)投入、自動(dòng)整同步并車、自動(dòng)有功功率調(diào)節(jié)、自動(dòng)解列分閘、自動(dòng)停機(jī)、發(fā)電機(jī)組安全保護(hù)、雙跨接線綜合控制及保護(hù)功能。

4 結(jié)語(yǔ)

融合了400Hz交流電量測(cè)量技術(shù)，自動(dòng)同步并車技術(shù)的中頻電站監(jiān)控系統(tǒng)在投入運(yùn)行時(shí)，實(shí)現(xiàn)了對(duì)電參數(shù)的精確測(cè)量和對(duì)中頻機(jī)組的可靠控制。任意組態(tài)下，并聯(lián)中頻機(jī)組有功功率、頻率穩(wěn)定自動(dòng)調(diào)整，使得中頻電站機(jī)組長(zhǎng)期并聯(lián)運(yùn)行更加安全。

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作者：龔喜文,張丹瑞,林軼棟,何勰