艦船綜合電力系統(tǒng)智能保護(hù)裝置設(shè)計(jì)

梁旭東 祝捷 胡亮燈

（1. 浙江凱靈船廠監(jiān)修室，舟山 316000； 2. 海軍駐沈陽(yáng)地區(qū)艦船配套軍事代表室，沈陽(yáng) 110168；3. 海軍工程大學(xué)艦船綜合電力技術(shù)國(guó)防科技重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，武漢 430033 ）

現(xiàn)代艦船采用綜合電力系統(tǒng)是艦船動(dòng)力平臺(tái)的一次跨越式發(fā)展，代表了艦船動(dòng)力系統(tǒng)的發(fā)展方向，未來(lái)艦船采用綜合電力系統(tǒng)是世界各國(guó)海軍的共識(shí)[1，2]，其優(yōu)越性體現(xiàn)為簡(jiǎn)化了整體動(dòng)力系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，易于進(jìn)行能量分配，從而有利于優(yōu)化總體設(shè)計(jì)[3，4]。同時(shí)隨著艦船電氣化、自動(dòng)化程度的日益提高，對(duì)艦船綜合電力系統(tǒng)保護(hù)提出了更高要求，以滿足綜合電力系統(tǒng)供電連續(xù)、可靠要求。

艦船綜合電力系統(tǒng)在保護(hù)方面存在以下幾個(gè)問(wèn)題[5]：

（1）綜合電力系統(tǒng)各工況容量差別大，同故障類(lèi)型在不同工況下故障電流有效值可能與正常工作電流有效值取值范圍重疊。若按照較小工況計(jì)算整定值則容易讓最大工況時(shí)斷路器誤動(dòng)作，若按照較大工況計(jì)算整定值則容易讓最小工況時(shí)斷路器拒動(dòng)；此外，時(shí)間電流原則對(duì)于故障類(lèi)型的識(shí)別能力較弱，不同工況下發(fā)生不同故障時(shí)，用于判斷故障類(lèi)型的數(shù)據(jù)取值范圍出現(xiàn)重疊，對(duì)故障的區(qū)分能力不好。

（2）綜合電力系統(tǒng)配電線路比較短，無(wú)法利用短路電流沿線路下降的方式實(shí)現(xiàn)保護(hù)的選擇性，只能依靠階梯延時(shí)。由于系統(tǒng)容量大，結(jié)構(gòu)復(fù)雜，負(fù)荷級(jí)數(shù)多，按時(shí)間原則整定時(shí)，靠近源側(cè)的開(kāi)關(guān)動(dòng)作延時(shí)將大幅增加，這樣將導(dǎo)致故障時(shí)母線電壓跌落時(shí)間增長(zhǎng)，增加了用電負(fù)荷因欠壓保護(hù)而退出運(yùn)行的幾率。此外，延時(shí)增加將難以滿足保護(hù)的快速性要求，不利于設(shè)備和系統(tǒng)的安全穩(wěn)定運(yùn)行。

上述難點(diǎn)使得傳統(tǒng)的時(shí)間電流原則難于適應(yīng)綜合電力系統(tǒng)保護(hù)的需求，尤其對(duì)于全艦動(dòng)力全部依靠電力的綜合電力系統(tǒng)，這樣的弊端將嚴(yán)重影響艦船的戰(zhàn)斗性能及可靠性、生命力水平。針對(duì)這些問(wèn)題，同時(shí)考慮到未來(lái)艦船綜合開(kāi)關(guān)保護(hù)裝置智能化與信息化的需求，開(kāi)展了基于BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的智能保護(hù)裝置開(kāi)發(fā)設(shè)計(jì)工作。

1 智能保護(hù)裝置硬件設(shè)計(jì)

智能保護(hù)裝置硬件主要由傳感器信號(hào)取樣電路、真有效值變換電路、信號(hào)調(diào)理電路、DSP芯片控制電路、數(shù)字量輸出電路、隔離固態(tài)繼電器控制電路等六部分構(gòu)成，如圖1虛框部分所示。

圖1 智能保護(hù)裝置示意圖

1.1 傳感器信號(hào)取樣電路

電壓電流傳感器輸出的都是電流信號(hào)，必須經(jīng)過(guò)I/V變換才能進(jìn)行采集，于是設(shè)置了圖2所示電路，其中虛框所示部分為電流傳感器輸出等效電路。

圖2 傳感器信號(hào)取樣電路

圖中，IS、RS分別為傳感器等效的電流、電阻，R1為傳感器與I/V變換電路之間單芯導(dǎo)線電阻，RL為I/V變換器，R2為I/V變換電路與DSP模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊之間單芯導(dǎo)線電阻，RT為DSP模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊通道輸入等效阻抗。

1.2 真有效值變換電路[6]

真有效值(RMS-DC)變換電路如圖3所示，它可以直接測(cè)得輸入信號(hào)的真實(shí)有效值，并和輸入波形無(wú)關(guān)。本裝置中選用的AD637真有效值變換器其可測(cè)量的信號(hào)有效值可高達(dá) 7 V，也是 AD公司RMS-DC產(chǎn)品中精度最高、帶寬最寬的，此外，該芯片動(dòng)態(tài)范圍、波峰因數(shù)、穩(wěn)定時(shí)間諸參數(shù)也都很好。

真有效值變換器工作原理如下：

圖3 真有效值變換電路

Vrms為信號(hào)的有效值，T為測(cè)量時(shí)間，V（t）為信號(hào)的波形瞬時(shí)值。V（t）是一個(gè)時(shí)間的函數(shù),但不一定是周期性的。對(duì)等式的兩邊進(jìn)行平方得：

右邊的積分項(xiàng)可以用一個(gè)平均來(lái)近似：

這樣式（2）可以簡(jiǎn)化為：

等式兩邊除以Vrms得：

式錯(cuò)誤！未找到引用源。是測(cè)量任意波形信號(hào)真實(shí)有效值的基礎(chǔ)，AD637真有效值直流變換器也正是基于該原理來(lái)得到信號(hào)有效值的。圖 4為其等效的RMS-DC的電路。

1.3 信號(hào)調(diào)理電路

該調(diào)理電路包括輸入濾波電路和輸出限幅電路兩部分，如圖5所示。

濾波電路采用了二階RC低通濾波環(huán)節(jié)，其相對(duì)于一階電路濾波效果更好，輸出電壓在高頻段下降更快；輸出部分采用二極管D1、D2用來(lái)鉗制電壓以達(dá)到限幅目的，通過(guò)此電路使輸出電壓確保在DSP28335內(nèi)置A/D轉(zhuǎn)換芯片能轉(zhuǎn)換電壓0～3 V范圍之內(nèi)，以保護(hù)控制芯片，在輸出端并上一個(gè)電容能使輸出波形進(jìn)一步平穩(wěn)。

圖3 RMS-DC變換的原理

圖4 信號(hào)調(diào)理電路

二階RC低通濾波原理：

根據(jù)圖5可以寫(xiě)出濾波器傳遞函數(shù)：

典型二階低通濾波器傳遞函數(shù)標(biāo)準(zhǔn)形式[7]：

其中A是電壓增益；wc是截止角頻率；Q是品質(zhì)因數(shù)。對(duì)比式（6）、（7）易得信號(hào)調(diào)理電路的截止頻率fp，如式（8）所示。

一般設(shè)定低通濾波截止頻率fp=3f0，其中f0為系統(tǒng)正常運(yùn)行頻率。此外，設(shè)計(jì)時(shí)需注意R1為kΩ級(jí)而R2為Ω級(jí)，電容C1比電容C2的值大至少一個(gè)數(shù)量級(jí)。

1.4 DSP芯片控制電路[8]

DSP控制芯片采用的是TI公司最高主頻150 MHz，含有12位16個(gè)通道模數(shù)轉(zhuǎn)化器(ADC)的TMS320F28335芯片。文中智能保護(hù)裝置正是采用了該芯片內(nèi)置 16個(gè)通道 ADC進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換的。TMS320F28335是一款浮點(diǎn)DSP控制器，它與以往的定點(diǎn) DSP相比，該器件A/D轉(zhuǎn)換更精確快速，且浮點(diǎn)DSP芯片實(shí)現(xiàn)算法，編程比較簡(jiǎn)單，算法結(jié)果精度較高。智能保護(hù)程序包括多處指數(shù)運(yùn)算和除法運(yùn)算，由于該處理器增加了單精度浮點(diǎn)運(yùn)算單元 FPU，相對(duì)于常用的控制芯片F(xiàn)MS320F2812(定點(diǎn)型)，程序運(yùn)算時(shí)間將大大減少。此外，該處理器采用內(nèi)部1.9 V供電，外部3.3 V供電，因而功耗大大降低。同時(shí)為減少噪聲反射，對(duì)輸入DSP的16路模擬量先通過(guò)SDA32二極管陣列芯片進(jìn)行高速并行線降噪。

1.5 數(shù)字量輸出隔離控制電路

數(shù)字量輸出隔離控制電路包括6N137高速光耦隔離電路[9]和 JGX-1685FXC磁隔離固態(tài)繼電器[10]控制分勵(lì)脫扣器電路兩部分，電路示意圖如圖6所示。6N137高速光耦芯片和JGX-1685FXC磁隔離固態(tài)繼電器導(dǎo)通關(guān)斷時(shí)間短，能滿足系統(tǒng)保護(hù)實(shí)時(shí)要求。

6N137 高速光耦芯片的特點(diǎn)是：最大連續(xù)功率100 V/μs，光耦速度10 Mbd，低電流輸入能力5 mA。

圖5 數(shù)字量輸出隔離控制電路

JGX-1685FXC磁隔離直流輸出固體繼電器特點(diǎn)：TTL邏輯電路兼容輸入，直流輸入；輸入輸出采用磁隔離技術(shù)；功率場(chǎng)效應(yīng)管、IGBT輸出，其主要參數(shù)如表1所示。注:負(fù)載如為感性負(fù)載，則須在負(fù)載端反并二極管。

表1 固體繼電器主要參數(shù)

2 智能保護(hù)裝置軟件設(shè)計(jì)

智能算法采用的BP(Back-Propagation Network)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，它是一種單向傳播的多層前向網(wǎng)絡(luò)，由Werboss在他的博士畢業(yè)論文中提出[11]，目前該算法已成為最為廣泛的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)學(xué)習(xí)算法，它突出的優(yōu)點(diǎn)就是具有很強(qiáng)的非線性映射能力和柔性的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，使其在智能保護(hù)的應(yīng)用中尤有著獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)[12]。

智能保護(hù)裝置程序可分為以下幾個(gè)過(guò)程：

1) 關(guān)中斷，硬件初始化；

2) AD采樣中斷，對(duì)目標(biāo)電力系統(tǒng)進(jìn)行數(shù)據(jù)采集；

3) 數(shù)據(jù)采集后，進(jìn)入 BP網(wǎng)絡(luò)智能保護(hù)程序；

4) 對(duì)采集來(lái)的數(shù)據(jù)進(jìn)行歸一化；

5) 計(jì)算BP隱層、輸出層參數(shù)；

6) 輸出智能程序的決策、判斷結(jié)果；

7) 程序結(jié)束。

智能保護(hù)裝置程序流程如圖7所示。

圖7 智能保護(hù)裝置程序流程圖

3 智能保護(hù)裝置性能測(cè)試

智能保護(hù)裝置性能測(cè)試最理想的方式是進(jìn)行物理試驗(yàn)，但條件有限且進(jìn)行物理短路試驗(yàn)極具破壞力和危險(xiǎn)性，一旦保護(hù)裝置設(shè)計(jì)中有不周全的地方，將付出高昂的代價(jià)?？紤]到安全和經(jīng)濟(jì)性，采取基于Hypersim實(shí)時(shí)仿真系統(tǒng)進(jìn)行閉環(huán)試驗(yàn)，以驗(yàn)證智能保護(hù)裝置有效可行。

3.1 Hypersim閉環(huán)測(cè)試系統(tǒng)[13～16]

Hypersim是加拿大魁北克TransEnergie科技公司開(kāi)發(fā)的一種電力系統(tǒng)全數(shù)字仿真系統(tǒng)，主要用于電磁暫態(tài)仿真、仿真模型研究、閉環(huán)實(shí)時(shí)測(cè)試、控制系統(tǒng)仿真等。其中Hypersim閉環(huán)實(shí)時(shí)測(cè)試是通過(guò)A/D，D/A，D/I、D/O接口，可將外部硬件設(shè)備聯(lián)接到 Hypersim模擬的電力系統(tǒng)環(huán)境中，形成閉環(huán)回路。Hypersim系統(tǒng)對(duì)裝置進(jìn)行實(shí)時(shí)閉環(huán)測(cè)試的原理如圖8所示。

3.2 搭建的仿真模型

基于 Hypersim實(shí)時(shí)仿真系統(tǒng)中構(gòu)建了艦船超大電力系統(tǒng)的局部網(wǎng)絡(luò)仿真模型，如圖 9。發(fā)電機(jī)G1、G2容量分別為7 MW和40 MW的電站。

圖6 Hypersim系統(tǒng)閉環(huán)測(cè)試原理圖

圖9 仿真網(wǎng)絡(luò)故障示意圖

圖7 斷路器Brk1、Brk2、Brk3電流有效值波形

3.3 智能保護(hù)裝置測(cè)試方法

具體測(cè)試方法如下：

（1）通過(guò)模擬量輸出接口，將典型網(wǎng)絡(luò)中相關(guān)的電流電壓特征仿真信號(hào)輸出給智能保護(hù)硬件裝置；

（2）智能保護(hù)硬件裝置依據(jù)特征信號(hào)進(jìn)行故障判斷、故障定位，形成斷路器動(dòng)作策略；

（3）動(dòng)作策略通過(guò)開(kāi)關(guān)量輸入接口輸入給Hypersim實(shí)時(shí)仿真平臺(tái)，控制典型網(wǎng)絡(luò)仿真系統(tǒng)中相關(guān)斷路器的通斷。

3.4 仿真結(jié)果及分析

對(duì)系統(tǒng)中 F1點(diǎn)母線短路故障進(jìn)行若干次實(shí)時(shí)仿真實(shí)驗(yàn)，F(xiàn)1點(diǎn)短路時(shí)，發(fā)電機(jī)出口端斷路器Brk1、Brk2和母聯(lián)斷路器 Brk3的 A、B相電流有效值波形如圖10所示。

從圖10中可看出，短路故障發(fā)生后，所設(shè)計(jì)的智能保護(hù)裝置能夠檢測(cè)出故障的發(fā)生，發(fā)出開(kāi)關(guān)跳閘信號(hào)，并將跳閘信號(hào)通過(guò)開(kāi)關(guān)量輸入接口同時(shí)對(duì)其它幾種短路情況進(jìn)行了仿真驗(yàn)證，進(jìn)一步驗(yàn)證了智能保護(hù)裝置設(shè)計(jì)的有效性。

4 結(jié)束語(yǔ)

本文基于 BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，設(shè)計(jì)了艦船綜合電力系統(tǒng)智能保護(hù)裝置，并結(jié)合Hypersim實(shí)時(shí)閉環(huán)測(cè)試平臺(tái)對(duì)該裝置進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)測(cè)試，結(jié)果表明設(shè)計(jì)的智能保護(hù)裝置可以很好地實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)故障的有效保護(hù)，滿足艦船綜合電力系統(tǒng)保護(hù)選擇性、速動(dòng)性要求。

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