基于DSP的艦船電網(wǎng)智能脫扣器設(shè)計

吳浩偉，周 樑，楊 勇，徐正喜

(武漢第二船舶設(shè)計研究所，湖北 武漢 430064)

0 引言

國內(nèi)艦船電網(wǎng)目前所采用的斷路器，其短路保護(hù)原理主要是利用短路電流所產(chǎn)生的電磁力或熱效應(yīng)使斷路器保護(hù)跳閘，在某些場合已經(jīng)不能滿足現(xiàn)代艦船電力系統(tǒng)的發(fā)展需求。

隨著計算機(jī)和數(shù)字信號處理技術(shù)的飛速發(fā)展，基于微控制器的斷路器智能脫扣器迅速成為研究熱點［1－3］。此類智能脫扣器雖然采用了現(xiàn)代數(shù)字檢測和處理技術(shù)，但其檢測原理依然主要是利用檢測電流幅值來判定短路故障是否發(fā)生。此外，由于短路電流中不僅存在快速衰減的非周期分量，而且動態(tài)變化范圍大，加之檢測環(huán)節(jié)存在互感器磁飽和等多種因素的影響，直接對短路電流的幅值進(jìn)行準(zhǔn)確檢測十分困難，因此此類方法通常要求短路電流遠(yuǎn)大于額定值時才能準(zhǔn)確地做出短路故障判斷。由于受到線路阻抗、短路初始狀態(tài)以及短路電流上升率的影響，達(dá)到判斷閾值可能需要較長的時間，此類檢測方法的快速性難以得到保證。

針對三相三線不接地的艦船電力系統(tǒng)，由于電網(wǎng)的線纜長度較短、線路阻抗低，發(fā)生短路故障時電壓跌落、電流增大這一特征狀態(tài)明顯。利用這一特征狀態(tài)，本文提出了一種基于DSP的數(shù)字化智能脫扣器設(shè)計方案，通過實時檢測電網(wǎng)電壓和功率的異常變化來快速檢測電網(wǎng)中的短路故障。此外，利用本文所提出的虛擬功率的概念和計算方法，在短路故障情況下，瞬時功率檢測等同于短路電流的幅值檢測，而且其算法更簡單、更易于實現(xiàn)。通過對2個判據(jù)進(jìn)行綜合判斷，其檢測速度和判斷準(zhǔn)確性優(yōu)于傳統(tǒng)單一的電流檢測方案。

1 電壓快速檢測算法

在交流電壓幅值檢測算法上，常用的方法有:周期積分法、快速FFT算法、d/q算法等。周期積分法和快速FFT算法至少需要半周波的有效信息［4］，d/q算法一般更適用于三相對稱系統(tǒng)，而對于單相系統(tǒng)或者三相系統(tǒng)的非三相同時短路故障，通常不能直接運用［5］。

為考慮一般性，對任意交流信號u(t)=Usin(ωt+θ)，在采樣頻率為ωs下的連續(xù)3次數(shù)字采樣信號為:

式中，N為1個工頻周波內(nèi)的采樣次數(shù)。

由式(5)可以看到，對于任意正弦信號只需要3點連續(xù)的數(shù)字采樣信號就可以計算出信號的峰值，進(jìn)而得到信號的幅值。該算法簡單快速、適應(yīng)面廣。由于實際電壓波形中往往有大量諧波成分存在，以及算法本身會放大高頻噪聲，因此該算法的計算結(jié)果在實際使用中需要數(shù)字濾波器進(jìn)行濾波處理。

2 功率快速檢測算法

根據(jù)傳統(tǒng)功率理論，功率是系統(tǒng)單位時間內(nèi)的做功量，是1個平均值概念，因此即使通過快速FFT計算也需要1個周波才能得到功率信息，這樣的檢測速度不能滿足某些特殊領(lǐng)域內(nèi)快速檢測和快速保護(hù)的要求。

根據(jù)瞬時無功功率理論［6］，文獻(xiàn)［7］推導(dǎo)了三相無中線系統(tǒng)的瞬時有功功率計算公式為:

對于艦船電網(wǎng)和許多處于系統(tǒng)末端的低壓電網(wǎng)而言，由于電網(wǎng)規(guī)模通常較小，電纜的阻抗值也較小，當(dāng)系統(tǒng)中出現(xiàn)直接金屬短路故障時，短路狀態(tài)下測量點的電壓幅值可能會降到幾乎為0。如果直接用當(dāng)前電流和當(dāng)前電壓通過式(6)來計算功率，可能會造成計算結(jié)果接近于0，從而失去判斷意義。

本算法在實現(xiàn)時，所用的電流值是當(dāng)前的采樣值，而電壓值則是上1個周波對應(yīng)時刻的電壓采樣值。這樣計算出的功率雖然是虛擬的，但當(dāng)電網(wǎng)正常運行時，電網(wǎng)電壓周期性的重復(fù)，上1個周波的電壓與當(dāng)前周波的電壓基本一致，計算的“虛擬功率”與實際功率基本相同;而當(dāng)短路故障發(fā)生時，由于算法中所用的電壓值并不會立即發(fā)生變化，而只有電流值發(fā)生變化，此時虛擬功率的變化情況則完全對應(yīng)著短路電流的變化，因此可以用檢測功率代替檢測電流來判斷短路故障是否發(fā)生。相對于幅值檢測算法，瞬時功率的檢測算法更為簡潔，檢測速度更快。

通過上述處理后，對于1個工頻周波采用樣點數(shù)為N的數(shù)字采樣系統(tǒng)，在第k拍采樣過程中，式(6)對應(yīng)的數(shù)字表達(dá)為:

3 微處理器的選擇與算法實現(xiàn)

常見的微處理器主要有單片機(jī)和數(shù)字信號處理器(Digital Signal Processor，DSP)。相對于作為通用控制器的單片機(jī)而言，DSP芯片采用數(shù)據(jù)總線和程序總線相分離的特殊微處理器結(jié)構(gòu)，其在1個指令周期內(nèi)就可以完成1次乘法和1次加法運算，其計算速度更快，程序運行效率更高，是一種面向高速、密集型數(shù)值運算的實時處理芯片。

本裝置采用TI公司數(shù)字信號處理器TMS320F2407A做為主控芯片，該DSP芯片采用了高性能靜態(tài)CMOS技術(shù)，具有40MIPS的高速運算能力，具有32K字的FLASH程序存儲器、1.5K字的數(shù)據(jù)/程序RAM、544字雙口RAM和2K字單口RAM、16路10位A/D轉(zhuǎn)換通道，其豐富的外部接口和強(qiáng)大的數(shù)據(jù)處理功能，完全能滿足上述算法的計算需求。為了保證實時檢測和同步測量的要求，DSP的采樣和故障檢測算法均在周期中斷中完成，其軟件算法的流程圖如圖1所示。

4 脫扣信號輸出電路

圖1 快速檢測算法流程圖Fig.1 Fast detecting algorithm flowchart

利用斷路器的外部脫扣端子，本裝置可以輸出脫扣信號使斷路器脫扣跳閘。為保證在短路故障下響應(yīng)動作的快速性，本裝置在設(shè)計中采用了基于固態(tài)繼電器的保護(hù)信號輸出電路設(shè)計，如圖2所示。

圖2 脫扣信號輸出電路Fig.2 Break signal output diagram

固態(tài)繼電器CX240D5R具有高輸入阻抗、低輸出阻抗的特性，自身功耗小，響應(yīng)速度快，只需要用簡單的電路就可以驅(qū)動其開關(guān)。由于固態(tài)繼電器采用電子開關(guān)代替?zhèn)鹘y(tǒng)繼電器中電磁線圈和機(jī)械結(jié)構(gòu)，開通過程的典型時間小于0.1 ms，動作速度遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于傳統(tǒng)繼電器。

5 試驗結(jié)果

基于本文所提出的快速檢測方法和設(shè)計方案，以DSP做主控芯片，配合12位的A/D芯片AD7864以及通用電壓電流互感器DVDI-01組成數(shù)字檢測系統(tǒng)，研制出艦船電網(wǎng)智能脫扣器，并利用所內(nèi)的電力系統(tǒng)動態(tài)模擬試驗室完成相關(guān)試驗研究。

圖3和圖4為本智能脫扣器快速檢測電網(wǎng)三相和相間短路故障的試驗結(jié)果，Uab，Ubc，Uca分別為三相線電壓波形，Ia為A相電流，曲線S為本裝置檢測到短路故障后發(fā)出的保護(hù)信號。短路電流的峰值較大，超出了記錄范圍，因而電流波形出現(xiàn)了一定的削頂現(xiàn)象。保護(hù)信號S為外接的直流12 V電平信號，為了能和電壓電流波形在同一窗口內(nèi)清晰地觀察，在記錄時將其幅值適當(dāng)放大。

由試驗結(jié)果可見，不論是三相還是相間短路故障，本裝置均可以在短路電流遠(yuǎn)未上升到峰值之前做出判斷，其檢測判斷時間僅為2～4 ms，相比與常規(guī)的短路電流檢測方案，其檢測速度大大提高。

由于試驗裝置的電流互感器并未采用高飽和倍數(shù)的專用互感器，僅采用了常規(guī)測量用的普通電流互感器，從實驗波形中也可以看到，檢測到的互感器二次側(cè)電流出現(xiàn)磁飽和現(xiàn)象。但即便如此，快速檢測裝置依然能準(zhǔn)確地判斷出短路故障，體現(xiàn)出本方案對檢測器件具有良好的適應(yīng)性。

6 結(jié)語

針對常規(guī)智能脫扣器通過電流幅值判斷短路故障、檢測速度較慢的問題，本文提出了實時檢測電網(wǎng)電壓幅值和瞬時有功功率，通過對電壓的異常跌落和功率的異常變化進(jìn)行綜合判斷來識別短路故障的快速檢測方案，并基于DSP TMS320F2407A研制出數(shù)字化智能脫扣器。相關(guān)試驗結(jié)果表明，本文研制的智能脫扣器能快速、有效的檢測出電力系統(tǒng)中的短路故障，具有良好的適用性和廣闊的應(yīng)用前景。

［1］劉俊，馬志瀛，等.基于改進(jìn)梯度校正法的短路電流在線實時計算［J］.電工技術(shù)學(xué)報，2007，22(10):65 －70.LIU Jun，MA Zhi-ying，et al.Online real-time calculation of short-circuit current based on improved gradient estimation algorithm［J］.TransactionsofChina Electrotechnical Society，2007，22(10):65 －70.

［2］夏天偉，任繼武，李海波.智能脫扣器的研究［J］.電工技術(shù)雜志，2001，(4):23 －25.XIA Tian-wei，REN Ji-wu，LI Hai-bo.The research of intelligent release［J］.Electrotechnical Journal，2001，(4):23－25.

［3］張吉，林鶴云.基于DSP的智能化斷路器及其主算法的實現(xiàn)［J］.電氣傳動，2004，23(7):69 －71.ZHANG Ji，LIN He-yun.Intelligent circuit breaker basedon DSP and the realization of the main algorithm［J］.Techniques of Automation and Applications，2004，23(7):69－71.

［4］徐永海，肖湘寧，楊以涵，等.基于dq變換和ANN的電能質(zhì)量擾動辨識［J］.電力系統(tǒng)自動化，2001，14(1):24－27.XU Yong-hai，XIAO Xiang-ning，YANG Yi-han，et al.Power quality disturbance identification using dq conversion based neural classifier［J］.Automation of Electric Power Systems，2001，14(1):24 －27.

［5］趙國亮，劉寶志，肖湘寧，等.一種無延時的改進(jìn)d-q變換在動態(tài)電壓擾動識別中的應(yīng)用［J］.電網(wǎng)技術(shù)，2004，23(7):69－71.ZHAO Guo-liang，LIU Bao-zhi，XIAO Xiang-ning，et al.Application of improved dq transform without time delay in dynamic voltage disturbance indentificationl［J］.Power System Technology，2004，23(7):69 －71.

［6］AKAGI N A， et al. Instantaneous reactive power components comprising switching devices without energy storage components［J］.IEEE Transactions on IA，1984，20(3):625－630.

［7］吳浩偉，周樑，孫朝暉，等.電力系統(tǒng)短路故障快速檢測方案研究［J］.電力系統(tǒng)保護(hù)與控制，2010，38(24):88－92.WU Hao-wei，ZHOU liang，SUN Zhao-hui，et al.Study on fast detecting scheme of power system fault［J］.Power System Proctection and Control，2010，38(24):88 －92.