船舶電力系統(tǒng)的監(jiān)測與繼電保護(hù)應(yīng)用研究

卞根發(fā)

（廈門海洋職業(yè)技術(shù)學(xué)院，廈門 361012 ）

1 引言

隨著我國造船工業(yè)的快速發(fā)展，船舶電站的供配電系統(tǒng)也日趨現(xiàn)代化，勢必對(duì)船舶電力系統(tǒng)的安全性提出了更高的要求，船舶電力系統(tǒng)的繼電保護(hù)是保證船舶供配電網(wǎng)絡(luò)安全運(yùn)行的關(guān)鍵系統(tǒng)。繼電保護(hù)系統(tǒng)在保護(hù)電力系統(tǒng)安全、可靠運(yùn)行、維護(hù)和故障排除等方面發(fā)揮重要作用。速動(dòng)性、選擇性、靈敏性和可靠性是船舶電力系統(tǒng)繼電保護(hù)的四個(gè)基本要求。傳統(tǒng)檢測裝置基于手工操作，只能進(jìn)行有限幾個(gè)性能指標(biāo)檢測，存在精度不高和工作效率低下等缺點(diǎn)。隨著電子技術(shù)和計(jì)算機(jī)技術(shù)不斷發(fā)展，尤其單片機(jī)技術(shù)在智能儀器儀表的廣泛應(yīng)用，為滿足實(shí)際需要，開發(fā)新一代高性能、實(shí)用的光電傳感器測控系統(tǒng)勢在必行。分布式監(jiān)控系統(tǒng)具有分級(jí)管理、分散控制和高可靠性的優(yōu)點(diǎn)，引入高效實(shí)用的DCS，簡化傳統(tǒng)測控系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，既便于維護(hù)，又為船舶電氣信息化發(fā)展和應(yīng)用提供了良好平臺(tái)。由于現(xiàn)代船舶電力繼電保護(hù)系統(tǒng)日趨復(fù)雜和精細(xì)，傳統(tǒng)的晶體管型以及集成電路繼電保護(hù)已經(jīng)難以滿足需要，正逐漸被微電腦繼電保護(hù)系統(tǒng)所取代[1]。而本系統(tǒng)正是根據(jù)船舶電力系統(tǒng)這一要求研制了微電腦繼電保護(hù)測試系統(tǒng)。

2 系統(tǒng)功能

該船舶微電腦繼電保護(hù)測試系統(tǒng)具有如下主要功能：(1)測量發(fā)電機(jī)的三相交流電壓、電流以及線電壓之間、相電壓與相電流之間的相位差；(2)測試、繪制、存儲(chǔ)和打印各主要參數(shù)；(3)大尺寸的真彩液晶顯示，全功能中英文菜單，操作直觀簡便；(4)具有多種附加功能如：a、頻率測量；b、測量有功功率、無功功率和功率因數(shù)；c、判別三相電源相序；d、測量零序電流；e、檢查電源變壓器等接線組別；f、檢查三相功率表接線的正確與否；g、測量設(shè)備的漏電流等。在檢測屏上配有鍵盤及LED顯示，檢測參數(shù)、測試條件、檢測環(huán)境等，可通過人機(jī)會(huì)話方式鍵入，并可利用功能鍵進(jìn)行如下操作和控制：設(shè)置報(bào)警參數(shù)、設(shè)置打印格式、能耗監(jiān)測、設(shè)置屏蔽采集項(xiàng)、特性試驗(yàn)、負(fù)荷特性試驗(yàn)、耐久試驗(yàn)、顯示測量后存入數(shù)據(jù)、修正日期和時(shí)鐘等功能。

3 系統(tǒng)硬件

船舶電力系統(tǒng)的繼電保護(hù)要完成在電力系統(tǒng)中的應(yīng)用，首先必須要能夠區(qū)分系統(tǒng)的正常運(yùn)行狀態(tài)及故障運(yùn)行狀態(tài)。系統(tǒng)在不同的運(yùn)行狀態(tài)時(shí)電氣參數(shù)會(huì)發(fā)生變化，繼電保護(hù)測試系統(tǒng)正是根據(jù)這個(gè)特點(diǎn)來判斷系統(tǒng)是否出現(xiàn)問題。系統(tǒng)選用具有很高可靠性和適用于工業(yè)環(huán)境IPC (Industrial Personal Computer)，IPC作為管理站，自主開發(fā)測控儀作為現(xiàn)場級(jí)?，F(xiàn)場級(jí)不僅能獨(dú)立工作，而且提供RS-485通信接口，在IPC的RS-232端口加一塊MODELll02 RS232／R 485接口轉(zhuǎn)換模塊，組成RS-485網(wǎng)絡(luò)分布式監(jiān)控系統(tǒng)(NDCS)。另外，當(dāng)某個(gè)測控儀通道出現(xiàn)故障時(shí)，不影響對(duì)其它測控儀監(jiān)控，而當(dāng)網(wǎng)絡(luò)出現(xiàn)故障時(shí)，也不影響現(xiàn)場控制級(jí)正常工作。在檢測中為防止某些參數(shù)引起參數(shù)超限，系統(tǒng)還設(shè)置了各種聲光報(bào)警及LED參數(shù)頻閃，越限值在檢測前通過人機(jī)會(huì)話方式設(shè)定，檢測結(jié)束后可將檢測數(shù)據(jù)以選擇方式或全部參數(shù)打印方式輸出。監(jiān)控定時(shí)器可使系統(tǒng)因干擾或軟故障等原因出現(xiàn)異常時(shí)，系統(tǒng)自動(dòng)恢復(fù)運(yùn)行，具有自檢自報(bào)功能。電源斷電檢測，當(dāng)發(fā)生斷電時(shí)可將該瞬間狀態(tài)及數(shù)據(jù)等全部保護(hù)起來，一旦來電整個(gè)系統(tǒng)能實(shí)現(xiàn)補(bǔ)償運(yùn)行。實(shí)時(shí)日歷鐘能自動(dòng)記錄主機(jī)檢測的日期與時(shí)間，也可用LED顯示日期與時(shí)間。本系統(tǒng)設(shè)計(jì)的繼電保護(hù)測試系統(tǒng)的硬件主要包括：輸入信號(hào)的預(yù)處理電路、單片機(jī)系統(tǒng)、液晶顯示器、電池充電電路、打印機(jī)等等，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖

系統(tǒng)硬件中輸入信號(hào)的預(yù)處理電路是由電壓形成回路、前置模擬低通濾波器、多路模擬開關(guān)、模數(shù)轉(zhuǎn)換器等環(huán)節(jié)組成[2]。系統(tǒng)將輸入至保護(hù)測試裝置的電流、電壓等模擬量準(zhǔn)確地轉(zhuǎn)換成所需的數(shù)字量；單片機(jī)系統(tǒng)主要完成測試所需的功能程序，同時(shí)對(duì)輸入信號(hào)的預(yù)處理系統(tǒng)輸入的原始數(shù)據(jù)進(jìn)行分析處理，從而實(shí)現(xiàn)繼電保護(hù)測試功能；內(nèi)置電池，可實(shí)現(xiàn)交、直流兩用，操作攜帶方便；另外，具有RS232C和RS485串行通訊接口，便于和PC機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)通訊[4]。

系統(tǒng)前端電力線路或設(shè)備上的電壓與電流信號(hào)分別通過三個(gè)電壓互感器和三個(gè)電流互感器進(jìn)行取樣隔離并降低至較低的數(shù)量級(jí)。其中PT采用精密電壓互感器，該精密電壓互感器屬于V／I變換型，即將交流高電壓信號(hào)轉(zhuǎn)變?yōu)樾‰娏餍盘?hào)，為滿足A／D轉(zhuǎn)換器輸入信號(hào)的要求，還需進(jìn)行I／V 變換，將電流量還原為電壓量，其中電壓互感器為精密型的與I／V變換電路連接，Ua、Ub和Uc的變換方式是相同的。三只鉗形電流互感器CT在不破壞被測線路的基礎(chǔ)上，從被測回路中取得三相電流信號(hào)。

船舶電力的繼電保護(hù)系統(tǒng)如何準(zhǔn)確地測量各相位差是非常重要的。通常在穩(wěn)定的大信號(hào)中做到這一點(diǎn)是較容易的，但在小電流測量時(shí)就有一定的難度，本系統(tǒng)中電流I下限為10 mA，此時(shí)電流通過鉗形電流互感器耦合進(jìn)來的信號(hào)強(qiáng)度非常微弱，再經(jīng)沿途的相關(guān)傳輸電路，最終到達(dá)測量點(diǎn)時(shí)已有一定失真，上下波形不對(duì)稱，過零點(diǎn)移位產(chǎn)生相移。所以在進(jìn)行相位測量之前需進(jìn)行許多預(yù)處理，如相移矯正、波形矯正及放大等。電壓V相位測量采用高頻脈沖計(jì)數(shù)法，先將相位轉(zhuǎn)換成一定寬度的方波，該方波的寬度與相位成正比關(guān)系，再用高頻脈沖對(duì)方波進(jìn)行計(jì)時(shí)，從而準(zhǔn)確的測出方波的寬度即時(shí)間值，同時(shí)測出交流波周期，經(jīng)微機(jī)運(yùn)算后得出相位值。

判斷電壓與電流之間的相位關(guān)系是超前還是滯后，系統(tǒng)采用74ALS74，其帶有預(yù)置、清零輸入、上跳沿觸發(fā)的邊沿觸發(fā)器[3]。根據(jù)D觸發(fā)器的特性，輸出狀態(tài)與D端狀態(tài)相同，即S與C端都為高電平，時(shí)鐘脈沖CP為上升沿時(shí)，輸出Q端與D端同為低或高電平。由兩種情況相位波形可知，當(dāng)Q端為高電平時(shí)，電壓V超前于電流I；當(dāng)Q端為低電平時(shí)，電壓V滯后于電流I。

系統(tǒng)硬件為保證電壓、電流信號(hào)的快速、高精度測量，首先將交流信號(hào)進(jìn)行線性整流，采用高速A／D轉(zhuǎn)換器對(duì)整流后的波形采樣，采樣波數(shù)應(yīng)取偶數(shù)，使得原交流正、負(fù)半周被采樣的次數(shù)相等，這樣即使交流信號(hào)的正、負(fù)半周不對(duì)稱，也能進(jìn)行精確測量。

選用的A／D轉(zhuǎn)換器是MAX186，它是一種低功耗8通道的串行l(wèi)2位逐次逼近型A／D轉(zhuǎn)換器，具有內(nèi)部高帶寬采樣保持電路，采樣速率133 kHz，它將多路轉(zhuǎn)換開關(guān)、基準(zhǔn)電壓源、時(shí)鐘電路和轉(zhuǎn)換電路集成在一塊芯片上，可以與各種微處理器接口，所需外圍器件很少，使用方便[5]。

系統(tǒng)的主要參數(shù)計(jì)算。對(duì)于測試量U、I、P、Q的計(jì)算，采用離散的采樣點(diǎn)累加和計(jì)算公式，對(duì)整流后的波形在一個(gè)周期內(nèi)等間隔取采樣點(diǎn)為N，采樣結(jié)束后，計(jì)算出各采樣點(diǎn)的幅值。

為提高系統(tǒng)硬件的抗干擾能力，對(duì)電網(wǎng)干擾問題采用UPS不間斷電源，而對(duì)現(xiàn)場采用濾波電路，通道干擾采用光電隔離，空間干擾采用多種屏蔽，并對(duì)系統(tǒng)硬件的接地也做了精心設(shè)計(jì)，通過以上措施及程序的周密設(shè)置，使該系統(tǒng)在船舶上遇到高頻等干擾及較惡劣的機(jī)艙環(huán)境中也能正常運(yùn)行，檢測出的各項(xiàng)參數(shù)精度均可達(dá)到國際標(biāo)準(zhǔn)，符合要求。

4 系統(tǒng)軟件

系統(tǒng)測試軟件設(shè)計(jì)采用了模塊化的設(shè)計(jì)思想，系統(tǒng)監(jiān)控軟件功能模塊規(guī)劃為: 系統(tǒng)管理、監(jiān)控管理、瀏覽打印等。因此，所開發(fā)監(jiān)控軟件必須具有數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換、數(shù)據(jù)通訊、設(shè)備控制、人機(jī)交互和報(bào)警等基本功能，以及數(shù)據(jù)存儲(chǔ)、分析、打印等輔助的數(shù)據(jù)管理功能。計(jì)算機(jī)監(jiān)控主要利用對(duì)各控制器工作參數(shù)全面監(jiān)視和控制，在系統(tǒng)的監(jiān)督和指導(dǎo)下完成光電轉(zhuǎn)速傳感器測控工作。根據(jù)系統(tǒng)的功能需求和VB6.0軟件的特點(diǎn)，規(guī)劃系統(tǒng)的功能模塊，同時(shí)，系統(tǒng)中的功能模塊建立在通訊程序和數(shù)據(jù)庫及數(shù)據(jù)表的基礎(chǔ)上。整個(gè)程序的主控程序如圖2所示。

圖2 主控程序流程圖

各軟件模塊的主要功能與作用如下：

系統(tǒng)管理模塊：完成用戶的增減、注冊(cè)、密碼設(shè)置、完成系統(tǒng)初始化處理、系統(tǒng)自檢、系統(tǒng)退出功能；

監(jiān)控管理模塊：定時(shí)采集工作參數(shù),直觀顯示所測試數(shù)據(jù)，同時(shí)，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)故障診斷及處理；

瀏覽打印模塊：用于查詢和打印某批次測試參數(shù)，便于進(jìn)行分析和統(tǒng)計(jì)。

系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)是以模塊化結(jié)構(gòu)、全開放指導(dǎo)思想，保證系統(tǒng)實(shí)時(shí)性，運(yùn)行時(shí)盡量減少人工干預(yù)和操作、系統(tǒng)初始化參數(shù)在線可調(diào)、工作狀態(tài)直觀顯示，以便于監(jiān)控和操作。測控與IPC通訊是分布式系統(tǒng)集中管理和分散控制的方式。

系統(tǒng)軟件中的采樣中斷程序是由各功能處理模塊子程序組成的。程序入口的第一個(gè)模塊是初始化，即設(shè)置中斷方式、內(nèi)部 RAM工作單元預(yù)設(shè)初值、外部接口芯片初始化等。經(jīng)過初始化后，根據(jù)鍵盤按下內(nèi)容判斷是測量程序還是鍵功能處理程序。如果是測量命令，先判斷測量項(xiàng)目類型，然后進(jìn)行相應(yīng)測量，測量完畢上送測量結(jié)果，接著進(jìn)行下一輪判斷；如果是鍵功能處理命令，則進(jìn)一步判斷執(zhí)行動(dòng)作。利用AT89C52的串行通訊口及MAX485芯片的接口電路實(shí)現(xiàn)與IPC通訊。AT89C52單片機(jī)提供與計(jì)算機(jī)或其他串行設(shè)備連接的異步通訊口，而VB6.0提供便于圖形化接口的串口操作控件一Mscomm，使AT89C52單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)與計(jì)算機(jī)通信操作接口的人機(jī)界面非常友好。

5 結(jié)語

船舶電力網(wǎng)引入電腦智能檢測系統(tǒng)，可使船舶電力系統(tǒng)與船舶電氣設(shè)備有機(jī)結(jié)合在一起，既可集中管理、集中控制又可分散控制，獨(dú)立操作；既可在線修改也可集中監(jiān)測，控制精度高，反應(yīng)及時(shí)準(zhǔn)確。該船舶電腦智能繼電保護(hù)測試系統(tǒng)經(jīng)在“華興輪”上長時(shí)間試運(yùn)行證明，性能穩(wěn)定，可靠性高，測量準(zhǔn)確可靠，操作極為方便。除用于船舶電力網(wǎng)繼電保護(hù)系統(tǒng)的參數(shù)測量外，也可用于船舶交流電機(jī)的故障檢修，船用交流電氣設(shè)備的相序檢查及常規(guī)電工測量。該系統(tǒng)還具有能耗低，抗干擾能力強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)。保證了船舶電力系統(tǒng)檢測的準(zhǔn)確性，消除了船舶輪機(jī)管理人員的人為誤差，同時(shí)還可節(jié)省大量的人力物力，大大提高了工作效率。經(jīng)實(shí)踐證明及行業(yè)專家論證該系統(tǒng)具有較高的科技含量和經(jīng)濟(jì)效益。

:

[1]李世平.PC計(jì)算機(jī)測控技術(shù)及應(yīng)用[M].西安：西安電子科技大學(xué)出版社，2003.

[2]宋浩，田豐編著.單片機(jī)原理及應(yīng)用[M].北京：清華大學(xué)出版社，2005.

[3]羅鈺玲主編.電力系統(tǒng)微機(jī)繼電保護(hù)[M].北京：人民郵電出版社，2005.

[4]張洪潤，易濤編著.單片機(jī)應(yīng)用技術(shù)[M].北京：清華大學(xué)出版社，2003.

[5]楊氣遜，黃少鋒編著.微型機(jī)繼電保護(hù)[M].北京：中國電力出版社，2005.