摘要:分析了船舶中頻電站電量測量、自動(dòng)同步合閘并車(chē)這兩大關(guān)鍵技術(shù)難點(diǎn),提供了基于A(yíng)RM和CPLD技術(shù)解決這些難點(diǎn)的方案,并且給出了運用此方案的船舶中頻電站監控系統實(shí)例,該方案的成功實(shí)施保證了系統實(shí)現中頻電站的自動(dòng)控制、調頻調載、測量報警顯示等功能,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;電量測量;自動(dòng)同步;聯(lián)鎖保護;調頻調載

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)化是艦船機艙自動(dòng)化的一個(gè)重要組成部分、也是艦船現代化的重要標志。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,對艦船電站自動(dòng)化系統在供電品質(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)已廣泛應用于各型號艦船，可以實(shí)現對不同原動(dòng)機組自動(dòng)控制，多個(gè)電站發(fā)電機組自動(dòng)控制及發(fā)電機組的有功、無(wú)功綜合調控等功能。然而，中頻(400Hz)電站自動(dòng)控制是國內外公認的難題,我們在這方面進(jìn)行了深入研究，解決了中頻電量測量、中頻自動(dòng)同步并車(chē)這兩個(gè)關(guān)鍵技術(shù)難點(diǎn)，成功研制出了中頻電站監控系統，并已在實(shí)船運行。

1 中頻電站電量測量

1. 1 技術(shù)要點(diǎn)分析

中頻電量測量與工頻電量測量的目的相同，都是采樣交流電壓、電流,送入CPU(Central Processing Unit)計算它們的幅值、頻率以及有功功率。由于中頻頻率是工頻頻率的8倍。一方面要達到同樣的測頻誤差范圍，中頻頻率的測量精度要求大大提高；另一方面要滿(mǎn)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量的難度。中頻電站供電原理為：由雙饋電動(dòng)機拖動(dòng)中頻同步發(fā)電機。利用交流勵磁變頻器實(shí)現電動(dòng)機調速，從而調節發(fā)電機頻率。發(fā)電機與電動(dòng)機同軸，發(fā)電機電樞繞組輸出接中頻電網(wǎng)。電動(dòng)機轉子與勵磁變頻器連接，電動(dòng)機定子繞組與工頻電網(wǎng)連接。工頻電網(wǎng)也為勵磁變頻器提供電源。中頻電站供電如圖1所示。

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

1. 2 電量測量模塊設計

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

中頻頻率測量使用其32位可編程定時(shí)器/計數器，它有事件捕獲功能，即在輸入信號產(chǎn)生沿跳變時(shí)，會(huì )將當前計數值TC 裝入捕獲寄存器，并產(chǎn)生捕獲中斷，捕獲事件類(lèi)型可選擇——上升沿，下降沿，雙邊沿。這樣中頻正弦信號經(jīng)過(guò)脈沖整形后，可由ARM的高速定時(shí)器對其周期進(jìn)行計數，從而得到頻率。LPC2300系列的時(shí)鐘系統如圖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)設置定時(shí)器計數時(shí)鐘，可見(jiàn)選擇范圍非常寬。

設CPU定時(shí)器計數周期為T(mén)0，信號頻率為fs ，信號周期為T(mén)s ，m個(gè)信號周期采樣一次，采樣一次的計數值為n，則兩次采樣時(shí)間間隔為m Ts。

信號頻率：

CPU計數的分辨極限就是每變化一個(gè)計數值的信號頻率變化：

由于n≥1，n+1≈n，經(jīng)化簡(jiǎn)演算可得:

1個(gè)信號周期需采樣一次(m=1)。信號頻率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)器計數時(shí)鐘不分頻仍為48MHz，則T0=1/(48MHz)，根據式(3)，CPU計數分辨極限△f=0.0033Hz?？紤]到頻率調節和并車(chē)要求，中頻頻率測量需要精確到0.1Hz，為30個(gè)計數值，能可靠分辨，同時(shí)能保證頻率每周期進(jìn)行刷新，這為頻率調節控制提供了保證。

高速可編程的CPU定時(shí)器也為精確測量中頻功率因數和軟件計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角􀀂，此信號進(jìn)行CPU定時(shí)器捕捉就能計算cosθ和sinθ。再結合電壓、電流幅值的測量就能計算有功、無(wú)功功率，并據此進(jìn)行功率分配。為了最大程度的消除400Hz附近的干擾，設計400Hz有源帶通濾波器，對元器件參數進(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99.9%的400Hz信號能通過(guò)濾波器，品質(zhì)因數Q=2.75，通帶外高低頻干擾高度衰減。實(shí)測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部電路板。并且選擇線(xiàn)性光耦器件，對400Hz電量轉換通道單獨進(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。在調試過(guò)程中進(jìn)行仔細數據比對，隔離電路線(xiàn)性度好，精度高。軟件上進(jìn)行數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(chē)

2.1 技術(shù)要點(diǎn)分析

雖然船規中對中頻自動(dòng)同步并車(chē)沒(méi)有明確的要求，僅對工頻自動(dòng)同步并車(chē)作了規定，但是考慮到并車(chē)的根本目的都是使待并發(fā)電機并網(wǎng)時(shí)無(wú)大的沖擊電流，并網(wǎng)后能快速而穩定的同步運行。所以中頻電站自動(dòng)同步并車(chē)要求沿用工頻的要求，就是進(jìn)行自動(dòng)準同步并車(chē)必須滿(mǎn)足以下3個(gè)條件：待并機組和電網(wǎng)電壓幅值、頻率及相位一致。

當對中頻電壓幅值準確測量時(shí)，很容易對其進(jìn)行調節來(lái)滿(mǎn)足幅值差要求。

待并機組頻率必須略高于在網(wǎng)機組頻率，使并車(chē)后待并機組被迅速拉入同步，可避免逆功率情況，提高并聯(lián)運行的穩定性?？紤]到執行機構的動(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(mǎn)足要求。計算出中頻同步并車(chē)的最佳頻差和最佳超前相位是保證安全并車(chē)合閘的關(guān)鍵。

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

頻差周期太長(cháng)將影響并車(chē)時(shí)間，太短將使同步相位捕捉十分困難，一般認為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?jiàn)中頻并車(chē)的理想合閘相位很小，準確捕捉是一個(gè)難點(diǎn)。

對于150ms的執行動(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，即需要頻率調節的快速響應，這是中頻自動(dòng)同步并車(chē)的又一個(gè)難點(diǎn)。

2. 2 自動(dòng)同步模塊設計

為測量捕捉中頻相位和處理復雜的電站控制邏輯，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(xiàn)編程，功耗低。這樣在CPLD中把電網(wǎng)和發(fā)電機電壓異或提取相位脈沖，依靠CPLD內部的集成定時(shí)計數模塊可以精確地計算每個(gè)時(shí)點(diǎn)的相位值。CPU調頻有死區，所以不同并車(chē)時(shí)刻，頻率穩定狀態(tài)不同，導致頻差有差別，且頻差對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(xiàn)傳遞給CPLD，CPLD可以根據頻差動(dòng)態(tài)地調整合閘相位理想值進(jìn)行捕捉。同時(shí)硬件上通過(guò)單穩志觸發(fā)電路設置一個(gè)相對寬的相位范圍，即使CPU計算頻差存在誤差，仍然保證合閘在安全的相位差范圍內。這樣的軟硬件雙重相位捕捉精確、可靠，解決了中頻相位測量捕捉的難點(diǎn)。

高速CPU對于中頻頻率的精確測量為調頻的快速響應提供了保障。頻率調節采用分段式比列調節控制策略，按頻差偏離程度把頻率分成4個(gè)區域,越靠近400Hz區域越小，400Hz附近的最小區域就是調節死區。每個(gè)頻率區域有不同的比例調節系書(shū)Kn ，調頻脈沖寬度Tn=Kn.△f頻率偏離越遠，Kn越大，脈沖越長(cháng)。這樣從頻率控制層面上實(shí)現了快速、平滑的調頻，當中頻機組執行機構能快速動(dòng)作時(shí)，中頻合閘并車(chē)就有了穩定的頻率環(huán)境。中頻自動(dòng)同步并車(chē)控制流程(圖5)。

采用上述控制策略后實(shí)測中頻合閘波形圖如圖6所示。

3 采用該技術(shù)的船舶電站監控系統實(shí)例

某船中頻電站監控系統監控的對象是由雙跨接線(xiàn)聯(lián)接的綜合性中頻電站。其分前后配電區域，每個(gè)區域有3臺中頻發(fā)電機組。中頻電站系統單線(xiàn)原理和網(wǎng)絡(luò )通訊圖(圖7)。每臺發(fā)電機組配置一個(gè)控制器模塊和一個(gè)測量模塊；聯(lián)鎖保護模塊來(lái)完成雙跨接線(xiàn)聯(lián)鎖保護功能。中頻電源綜合管理裝置通過(guò)艦電數據轉換裝置從網(wǎng)絡(luò )上接收各機組數據，并發(fā)送命令。系統采用冗余的CAN(Controller Area Network)現場(chǎng)總線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )通訊，具有通用性、實(shí)時(shí)性、可擴展性和互連性。

考慮到系統的魯棒性，整個(gè)網(wǎng)絡(luò )由若干個(gè)網(wǎng)絡(luò )節點(diǎn)組成，每個(gè)節點(diǎn)做到了既相互聯(lián)系，又相互獨立，任何一個(gè)節點(diǎn)的損壞，不會(huì )影響整個(gè)網(wǎng)絡(luò )的正常工作，達到了危險分散的目的。系統實(shí)現了各機組的自動(dòng)起動(dòng)、首機自動(dòng)投入、自動(dòng)整同步并車(chē)、自動(dòng)有功功率調節、自動(dòng)解列分閘、自動(dòng)停機、發(fā)電機組安全保護、雙跨接線(xiàn)綜合控制及保護功能。

4 結語(yǔ)

融合了400Hz交流電量測量技術(shù)，自動(dòng)同步并車(chē)技術(shù)的中頻電站監控系統在投入運行時(shí)，實(shí)現了對電參數的精確測量和對中頻機組的可靠控制。任意組態(tài)下，并聯(lián)中頻機組有功功率、頻率穩定自動(dòng)調整，使得中頻電站機組長(cháng)期并聯(lián)運行更加安全。

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作者：龔喜文,張丹瑞,林軼棟,何勰