基于DSP的船舶電站自動(dòng)準(zhǔn)同期裝置研究

楊光明 厲孟

(海軍駐武漢四三八廠軍事代表室，武漢430061)

1 引言

船舶電站自動(dòng)化是無(wú)人機(jī)艙的一個(gè)重要部分,而自動(dòng)準(zhǔn)同期并車是船舶電站自動(dòng)化的一個(gè)重要內(nèi)容。目前在國(guó)內(nèi)已有多種模擬電路的自動(dòng)并車裝置，隨著微機(jī)控制技術(shù)的發(fā)展，先進(jìn)的微機(jī)控制的自動(dòng)并車裝置逐漸投入研制。微機(jī)控制的自動(dòng)并車裝置具有體積小、重量輕、成本低、控制靈活等顯著的優(yōu)越性。因此，自動(dòng)并車實(shí)現(xiàn)微機(jī)控制成為必然的趨勢(shì)。

本文介紹了一種基于 DSP技術(shù)的自動(dòng)同期并車裝置，該裝置使用了少量的前置模擬有源濾波電路，其它部件都是數(shù)字器件，具有較強(qiáng)的抗干擾能力，采用有很強(qiáng)濾波功能的傅氏算法來(lái)計(jì)算電壓差，并對(duì)計(jì)算結(jié)果做數(shù)字平滑濾波處理，減小電網(wǎng)尖峰干擾的影響；針對(duì)普通微機(jī)型自動(dòng)并車裝置常用的線性插值算法預(yù)報(bào)同期合閘相角易受干擾的缺點(diǎn)，采用最小二乘曲線擬合準(zhǔn)確預(yù)報(bào)同期合閘點(diǎn)，提高了預(yù)報(bào)的精度，且算法具有極強(qiáng)的抗干擾性，使并車過程安全、可靠、快速，具有一定的實(shí)用價(jià)值。

2 同期并車裝置基本原理

發(fā)電機(jī)并網(wǎng)的同期條件保證了發(fā)電機(jī)投入到電網(wǎng)運(yùn)行時(shí)，沖擊電流比較小，減小系統(tǒng)對(duì)發(fā)電機(jī)組的沖擊，并迅速進(jìn)入同步運(yùn)行狀態(tài)，減小對(duì)電力系統(tǒng)的擾動(dòng)。

在實(shí)際并列操作中，并列的實(shí)際條件允許有一定的偏差。我們稱之為準(zhǔn)同期條件。發(fā)電機(jī)實(shí)際并網(wǎng)時(shí)的準(zhǔn)同期條件是：

(1) 并列斷路器兩側(cè)電源電壓的電壓差必須在允許的范圍內(nèi)；

(2) 并列斷路器兩側(cè)電源電壓的頻率差必須在允許的范圍內(nèi)；

(3) 在并網(wǎng)合閘的瞬間，并列斷路器兩側(cè)電源電壓的相角差在允許的范圍內(nèi)。

裝置利用 DSP 實(shí)時(shí)采集發(fā)電機(jī)和電網(wǎng)并列的所需信息，并對(duì)待并發(fā)電機(jī)的電壓和頻率作出自動(dòng)調(diào)節(jié)，使得發(fā)電機(jī)與電網(wǎng)的電壓幅值差、頻率差能同時(shí)滿足并列條件，然后快速捕捉合閘時(shí)機(jī)，在脈動(dòng)電勢(shì)S到達(dá)兩電壓向量重合（如圖1所示的差頻電壓過零點(diǎn)）之前一定時(shí)間（越前時(shí)間）發(fā)出合閘指令，實(shí)現(xiàn)準(zhǔn)同期自動(dòng)并列操作。

圖1 正弦波及其差頻電壓

3 交流電參量計(jì)算方法

在檢測(cè)并車條件時(shí)，待并發(fā)電機(jī)電壓和電網(wǎng)電壓要基本相等，一般要使待并發(fā)電機(jī)電壓略高于電網(wǎng)電壓，待并發(fā)電機(jī)并入電網(wǎng)時(shí)會(huì)提供一定的無(wú)功負(fù)載，減輕了原有動(dòng)力機(jī)組的壓力，一般將電壓差限定在5%以內(nèi)。

交流采樣是對(duì)被測(cè)信號(hào)的瞬時(shí)值進(jìn)行采樣，然后對(duì)采樣值進(jìn)行分析計(jì)算獲取被測(cè)量的信息。交流采樣的采樣速率要求高，程序計(jì)算量相對(duì)較大，但它的采樣值中所含信息量大，可通過不同的算法獲取所關(guān)心的多種信息（如有效值、相位、諧波分量等等），實(shí)時(shí)性好，成為目前主要使用的采樣方式。

圖2所示為前置濾波電路和方波整形電路，該濾波電路的優(yōu)點(diǎn)是直流增益為 1，設(shè)計(jì)合理的截至頻率可以保證工頻信號(hào)的增益衰減很小，避免濾波電路輸出電壓的再次定標(biāo)；方波整形電路用于頻率、相位測(cè)量，DSP在中斷程序中捕獲與電網(wǎng)電壓同頻的方波信號(hào)上升沿口，可以計(jì)算兩路電壓的頻差和相差，而且在軟件上稍作修改就可以實(shí)現(xiàn)采樣頻率的動(dòng)態(tài)跟蹤，可以準(zhǔn)確的計(jì)算出兩路電壓差。

用微機(jī)實(shí)現(xiàn)交流電量的測(cè)量，有很多種算法，綜合考慮各種算法的優(yōu)劣，決定采用全波傅氏算法。它具有很強(qiáng)的濾波能力，適于各種周期量的采集，可以準(zhǔn)確分解出基波和高次諧波分量。

圖2 有源濾波和方波整形電路

設(shè)信號(hào)u(t)是周期函數(shù)，并且滿足狄里赫利條件，則u(t)可以展開分解為三角級(jí)數(shù)[1]：

離散化后，有：

4 最小二乘曲線擬合預(yù)報(bào)同期點(diǎn)

常用的線性函數(shù)插值預(yù)測(cè)超前合閘相角算法，根據(jù)斜率公式來(lái)計(jì)算滑差角頻率，再將斷路器的恒定導(dǎo)前合閘時(shí)間tDC代入線性插值來(lái)預(yù)估超前合閘相角δYJ，從而判斷是否滿足合閘相角條件。在電網(wǎng)諧波干擾嚴(yán)重時(shí)，過零比較器測(cè)得的波形相角差是存在誤差的。僅僅由最近兩次的相角測(cè)量值來(lái)計(jì)算超前合閘相角，得出的計(jì)算結(jié)果會(huì)存在誤差，特別是在電網(wǎng)電壓出現(xiàn)的較大的跌落或干擾尖峰時(shí)，如果前端濾波電路無(wú)法濾除該干擾，由兩次相角檢測(cè)結(jié)果來(lái)預(yù)估超前合閘相角δYJ，極有可能發(fā)出誤合閘脈沖。

如果保留過去的N個(gè)相角測(cè)量值，用多項(xiàng)式來(lái)進(jìn)行最小二乘曲線擬合，由多個(gè)測(cè)量數(shù)據(jù)的加權(quán)值來(lái)預(yù)估超前合閘相角δYJ，這樣可以避免因單個(gè)數(shù)據(jù)的誤差而發(fā)出誤合閘脈沖[2]。下面是依據(jù)一次多項(xiàng)式進(jìn)行曲線擬合，并采用了過去九個(gè)數(shù)據(jù)測(cè)量點(diǎn)來(lái)預(yù)估超前合閘相角的計(jì)算過程：

設(shè)擬合函數(shù)δ(t)=a0+a1t，取權(quán)函數(shù)ω(x)=1，即認(rèn)為每個(gè)觀測(cè)點(diǎn)對(duì)預(yù)估值的影響相同。其中，δ(t)是隨時(shí)間變化的相角差，測(cè)量時(shí)間t近似認(rèn)為是等間距的9個(gè)時(shí)間點(diǎn)。

根據(jù)正規(guī)方程組ATAa=ATδ，這里基函數(shù)為φ0=1，φ1=t；系數(shù)向量a=(a0,a1)T；

相位測(cè)量值向量：

系數(shù)矩陣：

因?yàn)橄禂?shù)向量a=(ATA)-1ATδ，可得系數(shù)向量如下：

只要測(cè)得過去九個(gè)點(diǎn)的相角測(cè)量值，將其代入式（6）和式（7），求得擬合函數(shù)的系數(shù)a0、a1。如果期望斷路器觸點(diǎn)閉合的瞬間，待并發(fā)電機(jī)電壓和電網(wǎng)電壓的瞬時(shí)相位近似為零，還需將時(shí)間t=4+tDC/T（T是電網(wǎng)電壓的周期，近似認(rèn)為是20 ms，可以離線整定t，避免除法運(yùn)算）代入擬合函數(shù)，如果求得預(yù)報(bào)相角差δ略大于360°，就認(rèn)為捕捉到合閘時(shí)機(jī)，馬上發(fā)出合閘脈沖。

在極端情況下兩側(cè)頻差Δf=0.25 Hz，20 ms內(nèi)角度差變化計(jì)算如下：

Δφ=2× 3.14× 0.25× 2 0× 1 0-3= 0.0157（弧度）=1.8°（角度）

即算法本身將給同期并車帶來(lái)最大 1.8°的誤差，能滿足工程要求。

為了驗(yàn)證最小二乘曲線擬合的優(yōu)越性，模擬了一組測(cè)量所得相角差值，假設(shè)電網(wǎng)頻率為 50 Hz，待并發(fā)電機(jī)為 50.2 Hz，斷路器的超前動(dòng)作時(shí)間tDC=100 ms。下表中九個(gè)數(shù)據(jù)點(diǎn)中最后的兩個(gè)相角差相對(duì)理想的相角差（理想的曲線δ(t)=347.04+1.44t有±1°的誤差：

表1 測(cè)量相角差數(shù)據(jù)表

把數(shù)據(jù)代入方程（6）（7），計(jì)算得擬合曲線為δ=347.4+1.4567t，將t=4+100/20=9代入，得到斷路器主觸電閉合瞬間得相角差δ=360.5103°，可見最后兩個(gè)點(diǎn)的數(shù)據(jù)對(duì)超前相角預(yù)估產(chǎn)生的誤差不大于0.6°。可見最小二乘曲線擬合在抗干擾性方面具有較強(qiáng)的優(yōu)勢(shì)。

5 同期合閘試驗(yàn)

同期合閘試驗(yàn)采用了工頻電網(wǎng)和函數(shù)信號(hào)發(fā)生器HP33120A作為輸入信號(hào)，電網(wǎng)的頻率范圍在 49.95～50.05Hz波動(dòng)，信號(hào)發(fā)生器輸出頻率定為50.20 Hz，即頻差在0.15～0.25 Hz 波動(dòng)，滿足頻差條件。四通道示波器 TSD3014B的 CH1通道是電網(wǎng)電壓信號(hào)，CH2通道是帶并發(fā)電機(jī)電壓信號(hào)，CH3是輸出合閘波形，采用示波器的數(shù)學(xué)功能MATH通道(CH1-CH2)，即M通道顯示兩個(gè)不同頻率電壓相減產(chǎn)生的差頻電壓波形，其過零點(diǎn)表示相角差為零。圖3顯示了合閘的實(shí)測(cè)波形，斷路器動(dòng)作時(shí)間假定為100 ms，圖中箭頭指向合閘信號(hào)發(fā)出100 ms后差頻電壓瞬時(shí)值，可以認(rèn)為合閘相角差就在0度左右，達(dá)到同期并車裝置評(píng)定的較高標(biāo)準(zhǔn)。

6 結(jié)論

采用最小二乘曲線擬合算法預(yù)估，計(jì)算過程更為簡(jiǎn)單，計(jì)算過程只有加減運(yùn)算和少量的乘法運(yùn)算。這樣的運(yùn)算正好符合DSP的指令特點(diǎn)，所有的累加和乘法只需要單個(gè)機(jī)器時(shí)鐘周期，避免使用間接除法指令耗費(fèi)大量的運(yùn)算時(shí)間；而且最小二乘曲線擬合算法保留了過去多個(gè)數(shù)據(jù)點(diǎn)的信息，使得超前合閘相角預(yù)估的結(jié)果精度更高、可信度也更高，非常適合在諧波嚴(yán)重、電網(wǎng)品質(zhì)較差的船舶電站中使用。

圖3 合閘波形

[1] 楊艷秋, 曹龍漢, 李建勇, 文武松. 一種基于交流采樣技術(shù)的內(nèi)燃機(jī)電站電氣性能測(cè)試系統(tǒng). 移動(dòng)電源與車輛, 2005, 4.

[2] 李紅. 數(shù)值分析. 武漢: 華中科技大學(xué)出版社, 2003.