船舶電力系統(tǒng)綜合記錄分析儀研制

孫清磊，楊 鋒，羅寧昭

(1.海軍裝備部，北京 100841；2.海軍工程大學(xué)，湖北 武漢 430033)

船舶電力系統(tǒng)綜合記錄分析儀研制

孫清磊1，楊 鋒2，羅寧昭2

(1.海軍裝備部，北京 100841；2.海軍工程大學(xué)，湖北 武漢 430033)

文章介紹了一種電力系統(tǒng)綜合記錄分析儀的硬件技術(shù)方案，該分析儀能夠通過有效測(cè)試手段對(duì)不同船舶電網(wǎng)電力品質(zhì)進(jìn)行分析，通過分析可以及時(shí)排除電網(wǎng)和電氣設(shè)備故障，提高船員發(fā)現(xiàn)故障、排除故障的能力。

船舶；電力系統(tǒng)；電能品質(zhì)；分析

電力系統(tǒng)的安全運(yùn)行是船舶生命力的重要保證，但船舶電力系統(tǒng)日趨復(fù)雜，電力系統(tǒng)故障呈多樣化發(fā)展。船舶電力系統(tǒng)在實(shí)際運(yùn)行中，由于設(shè)備老化或操作不當(dāng)以及設(shè)備本身的問題，可能使系統(tǒng)出現(xiàn)各種故障或非正常運(yùn)行狀態(tài)，它們會(huì)使電力系統(tǒng)的安全可靠運(yùn)行受到威脅，影響全船其他設(shè)備正常工作，嚴(yán)重者將導(dǎo)致裝備的損壞或使整個(gè)電力系統(tǒng)的供電中斷，影響航行安全。讓船員能夠提早地預(yù)測(cè)故障、及時(shí)發(fā)現(xiàn)和準(zhǔn)確診斷故障、迅速有效處理故障是我們面臨的重大課題。

船舶電網(wǎng)設(shè)備故障與系統(tǒng)故障表現(xiàn)為電網(wǎng)電力品質(zhì)的變化，如電壓和電流波形畸變、諧波異常、不平衡度增加、相角變化異常等。通常情況下，船舶電氣設(shè)備正常運(yùn)行，則船舶電力系統(tǒng)電網(wǎng)波形參數(shù)不存在問題，當(dāng)電氣設(shè)備在故障狀態(tài)下運(yùn)行(如絕緣損壞、接地電容損壞、不對(duì)稱運(yùn)行)時(shí)，它們?cè)陔娏ο到y(tǒng)中會(huì)產(chǎn)生電力污染，對(duì)比記錄測(cè)試數(shù)據(jù)與標(biāo)準(zhǔn)值的差別，可快速、安全、詳細(xì)地定位和診斷電力系統(tǒng)和電氣設(shè)備的故障。因此及時(shí)記錄故障波形，并且通過有效測(cè)試手段對(duì)不同電網(wǎng)電力品質(zhì)進(jìn)行分析，可以進(jìn)行準(zhǔn)確判斷分析，及時(shí)排除電網(wǎng)和電氣設(shè)備故障。

由于沒有相關(guān)維修保障設(shè)備支撐，現(xiàn)有船舶各電力系統(tǒng)在故障情況下均不便進(jìn)行準(zhǔn)確的記錄和分析，只能依靠值班人員對(duì)于相應(yīng)儀表指示的觀察和故障現(xiàn)象的簡(jiǎn)單描述來推斷可能故障。不僅對(duì)于船員素質(zhì)提出了很高的要求，而且在很大程度依靠故障重現(xiàn)才能判斷故障原因，往往是根據(jù)經(jīng)驗(yàn)給出簡(jiǎn)單判斷，無法實(shí)現(xiàn)事后對(duì)故障性質(zhì)原因的準(zhǔn)確分析。由于不具備電力系統(tǒng)長(zhǎng)期運(yùn)行參數(shù)的存儲(chǔ)記錄和故障波形對(duì)比分析，船員無法分析預(yù)測(cè)電力系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)，完全是被動(dòng)地應(yīng)付各種系統(tǒng)故障，不利于裝備的使用管理。船員僅依賴傳統(tǒng)維修保障工具甚至不能確定故障部件，極大地影響了船舶電力系統(tǒng)設(shè)備的安全運(yùn)行，導(dǎo)致即使是小故障也必須層層報(bào)修，客觀上也造成了引進(jìn)裝備故障維修困難。

因此需要研制船舶電力系統(tǒng)綜合記錄分析儀，以準(zhǔn)確可靠地測(cè)試電網(wǎng)不同故障，提高船員搶修能力[1-4]。

1 現(xiàn)有方案及問題

電能質(zhì)量主要表現(xiàn)為電流、電壓和頻率的質(zhì)量，國(guó)內(nèi)外對(duì)電能質(zhì)量確切的定義至今還沒形成統(tǒng)一的共識(shí)。但大多數(shù)專家認(rèn)為，對(duì)現(xiàn)代電能質(zhì)量的定義應(yīng)理解為“導(dǎo)致用戶電力設(shè)備不能正常工作的電壓、電流或頻率偏差，造成用電設(shè)備故障或錯(cuò)誤動(dòng)作的任何電力問題都是電能質(zhì)量問題”。根據(jù)這一定義，電能質(zhì)量除了保證額定電壓和額定頻率下的正弦波形外，還包括所有電壓瞬變現(xiàn)象，如沖擊脈沖、電壓跌落、瞬時(shí)間斷等。這個(gè)定義概括了電能質(zhì)量的成因和后果。

電能質(zhì)量包括穩(wěn)態(tài)和暫態(tài)2類電能質(zhì)量問題。其中，穩(wěn)態(tài)電能質(zhì)量問題是指以波形畸變?yōu)樘卣鞫痣娔苜|(zhì)量污染的問題，主要包括諧波(其特征指標(biāo)是出現(xiàn)的諧波電壓、電流的波形，各次諧波的幅值、相位、含有率)、電壓閃變(其特征指標(biāo)是波動(dòng)幅值、調(diào)制頻率等)、陷波(其特征指標(biāo)是持續(xù)時(shí)間、幅值)、三相不對(duì)稱(其特征指標(biāo)是不平衡因子)。而暫態(tài)電能質(zhì)量問題是指正弦波形受到暫態(tài)擾動(dòng)而發(fā)生畸變，是以頻譜和暫態(tài)持續(xù)時(shí)間為特征的，主要包括暫態(tài)諧振(其特征指標(biāo)是波形、峰值和持續(xù)時(shí)間)、暫態(tài)脈沖(其特征指標(biāo)是電壓上升時(shí)間、峰值和持續(xù)時(shí)間)、瞬時(shí)電壓上升和跌落(其特征指標(biāo)是變化幅值、持續(xù)時(shí)間)。

美國(guó)和歐洲的部分國(guó)家于20世紀(jì)90年代初就已對(duì)電能質(zhì)量問題逐漸展開了全面的研究。從所適用的功率理論的擴(kuò)展，到電能質(zhì)量評(píng)價(jià)指標(biāo)體系的建立，提出了各種電能質(zhì)量分析的方法，并研制了各種手持式單相電能質(zhì)量分析儀、便攜式電能質(zhì)量分析儀、在線式電能質(zhì)量監(jiān)測(cè)儀，但這些分析儀僅限于穩(wěn)態(tài)電能質(zhì)量分析，并且不適用于船舶電網(wǎng)的電制及強(qiáng)電磁干擾環(huán)境。

我國(guó)對(duì)早期的電能質(zhì)量問題，如電壓偏差和頻率偏差、電力諧波污染等已經(jīng)進(jìn)行了多年的研究，但面對(duì)現(xiàn)代電力系統(tǒng)的發(fā)展和新的用電特性的變化，全面的電能質(zhì)量理論研究工作才剛剛起步。可喜的是，近些年來，我國(guó)已頒布了6項(xiàng)電能質(zhì)量指標(biāo)標(biāo)準(zhǔn)，大量關(guān)于電能質(zhì)量測(cè)試分析的文獻(xiàn)不斷出現(xiàn)，表明我國(guó)在理論方面是能夠跟上世界潮流的，只是檢測(cè)設(shè)備方面還落后于西方一些發(fā)達(dá)國(guó)家。FLUKE公司的430系列電能質(zhì)量分析儀等先進(jìn)的陸地電力系統(tǒng)電力品質(zhì)測(cè)試儀表雖然功能非常強(qiáng)大，但它們僅限于陸地電網(wǎng)穩(wěn)態(tài)電能質(zhì)量分析，并不適用于船舶電網(wǎng)的測(cè)量，具體表現(xiàn)為以下不足。

1)只能實(shí)現(xiàn)50 Hz交流電網(wǎng)電信號(hào)數(shù)據(jù)的采集、存儲(chǔ)、分析，不能同時(shí)實(shí)現(xiàn)直流電網(wǎng)、50 Hz交流電網(wǎng)以及400 Hz中頻等電網(wǎng)的參數(shù)測(cè)量。

2)不能針對(duì)獨(dú)立電力系統(tǒng)的電網(wǎng)頻率易波動(dòng)等特點(diǎn)，開發(fā)頻率實(shí)時(shí)跟蹤與測(cè)試功能。

3)進(jìn)口的測(cè)試儀器則是根據(jù)歐洲標(biāo)準(zhǔn)和美國(guó)標(biāo)準(zhǔn)來分析計(jì)算的，并且不能自行設(shè)定標(biāo)準(zhǔn)，不符合船舶電力品質(zhì)分析的要求。

4)不能根據(jù)用戶需求設(shè)置任意電力品質(zhì)事件的自動(dòng)觸發(fā)、記錄與捕捉。

在了解國(guó)內(nèi)外研究陸用電網(wǎng)電力品質(zhì)方法的基礎(chǔ)上，我們確定了船舶電力系統(tǒng)電力品質(zhì)測(cè)試系統(tǒng)的總體技術(shù)方案。

2 技術(shù)方案

2.1系統(tǒng)組成

設(shè)備可劃分為3個(gè)部分：信號(hào)采集部分、信號(hào)處理部分、結(jié)果輸出部分，其結(jié)構(gòu)如圖1。

圖1 船舶電力系統(tǒng)綜合測(cè)試記錄儀總體布局圖

信號(hào)采集部分一般由傳感器、信號(hào)調(diào)理、采樣與A/D轉(zhuǎn)換3部分組成，其中傳感器多采用電壓互感器(PT)和電流互感器(CT)，用來將電網(wǎng)電氣信號(hào)轉(zhuǎn)換為可測(cè)量的低值電壓或電流信號(hào)。信號(hào)調(diào)理部分完成輸入模擬信號(hào)的隔離、放大等功能。A/D轉(zhuǎn)換部分將輸入的模擬量在設(shè)定的采樣頻率下轉(zhuǎn)化為一定位數(shù)的數(shù)字量。信號(hào)采集部分的功能就是在允許失真率的條件下將原始電氣信號(hào)調(diào)理成為適合計(jì)算機(jī)處理的數(shù)字量。

信號(hào)處理部分是對(duì)采集到的數(shù)字信號(hào)進(jìn)行一系列的計(jì)算分析和綜合處理，包括濾波、時(shí)頻分析等操作，計(jì)算出各種電力品質(zhì)指標(biāo)參數(shù)，以得到齊全完整的電力品質(zhì)信息，是電力品質(zhì)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)開發(fā)與研制過程中的重要環(huán)節(jié)。

結(jié)果輸出部分用于實(shí)現(xiàn)信號(hào)處理部分計(jì)算結(jié)果的顯示、存儲(chǔ)、打印等功能，以棒形圖、曲線圖、圖表等形式定性、定量地顯示出監(jiān)測(cè)結(jié)果。

2.2信號(hào)采集系統(tǒng)原理設(shè)計(jì)

采集部分主要完成對(duì)船舶電網(wǎng)電壓、電流信號(hào)的數(shù)據(jù)采集，通過A/D轉(zhuǎn)換單元將數(shù)據(jù)通過壓縮后傳輸?shù)接?jì)算機(jī)分析軟件中作進(jìn)一步的詳細(xì)分析。該部件主要由傳感器、信號(hào)調(diào)理模塊、A/D轉(zhuǎn)換部分組成，其組成框圖如圖2所示。

圖2 采集部分原理圖

實(shí)時(shí)的電壓和電流信號(hào)經(jīng)過電壓互感器(PT)和電流互感器(CT)的轉(zhuǎn)換，成為可處理的低電平信號(hào)，經(jīng)過信號(hào)調(diào)理電路，完成對(duì)信號(hào)的濾波，濾除測(cè)量要求之外的高次諧波。調(diào)制好的信號(hào)由NI(美國(guó)國(guó)家儀器有限公司)的NIDAQ模塊完成信號(hào)的采集、對(duì)信號(hào)的濾波，濾除測(cè)量要求之外的高次諧波，并經(jīng)由高速USB接口傳送給計(jì)算機(jī)，由專門開發(fā)的電能分析處理軟件處理。

2.3信號(hào)采集程序流程(如圖3)

2.3.1 初始化

信號(hào)處理模塊的軟件運(yùn)行于微控制器上，對(duì)整個(gè)數(shù)據(jù)采樣過程等進(jìn)行控制，并發(fā)送采樣數(shù)據(jù)。在加電啟動(dòng)并完成自檢后，數(shù)據(jù)處理模塊和數(shù)據(jù)采集模塊進(jìn)行通訊測(cè)試，若測(cè)試失敗，則報(bào)錯(cuò)退出，測(cè)試成功進(jìn)入等待狀態(tài)。等待時(shí)，數(shù)據(jù)處理模塊向數(shù)據(jù)采集模塊發(fā)送各種所要求的采樣參數(shù)，如采樣方式、采樣長(zhǎng)度、采樣頻率等。當(dāng)數(shù)據(jù)采集模塊得到所有的參數(shù)后，對(duì)采樣進(jìn)行設(shè)置，然后等待“啟動(dòng)采樣”指令，完成采樣模塊的初始化。

2.3.2 采樣方式

采樣方式有同步采樣和非同步采樣2種。所謂同步采樣是指采樣頻率隨被采樣信號(hào)頻率的變化而變化的，采樣頻率的變化是為了保證在每個(gè)采樣周期內(nèi)得到相同的采樣點(diǎn)數(shù)。采取同步采樣方式是為了提高諧波分析的精度。嚴(yán)格的同步采樣的實(shí)現(xiàn)是相當(dāng)困難的。非同步采樣方式是指采樣頻率是固定不變的值，在系統(tǒng)開始采樣時(shí)確定，并且在整個(gè)采樣過程中采樣頻率保持不變。

圖3 信號(hào)采集程序流程圖

由于電壓和電流的頻率變化是在一定范圍內(nèi)小幅變化，因此采用非同步方式同樣可以滿足要求。

2.3.3 數(shù)據(jù)通訊

測(cè)試系統(tǒng)采用多路同時(shí)采樣，每個(gè)采樣間隔采集交流三相電壓、三相電流，直流電壓、直流電流。為提高通訊的速度和效率，數(shù)據(jù)通訊采用簡(jiǎn)單的控制方式，測(cè)量結(jié)果由專用通信接口直接傳送給上位機(jī)。

采集模塊采用高速USB與上位機(jī)連接，向上位機(jī)傳送數(shù)據(jù)速率為480 Mbit/s,具有足夠的帶寬，使數(shù)據(jù)無延時(shí)地向上傳送，達(dá)到數(shù)據(jù)處理的實(shí)時(shí)性要求，同時(shí)簡(jiǎn)化了PC連接。

2.4硬件設(shè)計(jì)

船舶電力系統(tǒng)綜合記錄分析儀整體結(jié)構(gòu)如圖4，整體可分為3個(gè)部分。

圖4 船舶電力系統(tǒng)綜合記錄分析儀結(jié)構(gòu)示意圖

2.4.1 接入測(cè)試信號(hào)單元

接入測(cè)試信號(hào)單元由3個(gè)電流鉗和4個(gè)帶鱷魚夾的電壓測(cè)試線組成。

電流鉗分別與三線母線如圖1按次序連接在母線上，用戶應(yīng)根據(jù)測(cè)試對(duì)象配置不同規(guī)格的電流鉗以獲得滿意的測(cè)量效果。注意電流鉗標(biāo)志的待測(cè)母線電流方向。三相母線穿過電流鉗的鉗口方向要一致，符合電流輸出的實(shí)際方向。電流鉗將拾取的電流信號(hào)轉(zhuǎn)換成電壓信號(hào)。

帶鱷魚夾的電壓測(cè)試線分紅、黃、藍(lán)和黑4種顏色，對(duì)應(yīng)待測(cè)電壓A相、B相、C相和中性點(diǎn)(無中性點(diǎn)可不接黒色測(cè)試線)。電壓測(cè)試線將待測(cè)電壓信號(hào)接入信號(hào)采集單元處理。

2.4.2 輸入信號(hào)采集單元

輸入信號(hào)采集單元由接線端子如圖5所示，將對(duì)應(yīng)電流信號(hào)、電壓信號(hào)接入內(nèi)信號(hào)拾取、處理模塊，并由USB串口通信線向移動(dòng)式筆記本電腦傳送數(shù)據(jù)。

圖5 輸入信號(hào)測(cè)試單元的接線端子示意圖

電流信號(hào)、電壓信號(hào)接入要嚴(yán)格按照相序接入，否則會(huì)造成數(shù)據(jù)分析錯(cuò)誤。

2.4.3 數(shù)據(jù)處理單元

該單元由硬件和軟件2部分組成。硬件，即移動(dòng)式筆記本電腦，經(jīng)USB串口通信線，接收輸入

信號(hào)采集單元傳上來的數(shù)據(jù)；軟件以LabVIEW開發(fā)系統(tǒng)設(shè)計(jì)的軟件實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的顯示、存儲(chǔ)和分析等功能。

3 結(jié)束語

該記錄分析儀的研制，采用先進(jìn)的集成數(shù)據(jù)采集技術(shù)和信號(hào)處理算法，解決了不同類型船舶電力系統(tǒng)信號(hào)的實(shí)時(shí)采集、跟蹤計(jì)算和數(shù)據(jù)分析等一系列關(guān)鍵問題，實(shí)現(xiàn)了對(duì)船舶電力系統(tǒng)故障進(jìn)行綜合記錄分析的目標(biāo)，在技術(shù)開發(fā)領(lǐng)域處于國(guó)內(nèi)領(lǐng)先地位，所開發(fā)的船舶電力系統(tǒng)綜合記錄分析儀具有很大的經(jīng)濟(jì)意義和推廣應(yīng)用價(jià)值。

[1]楊進(jìn)，肖湘寧.電能質(zhì)量監(jiān)測(cè)技術(shù)發(fā)展新趨勢(shì)—網(wǎng)絡(luò)化、信息化、標(biāo)準(zhǔn)化[J].電力自動(dòng)化設(shè)備，2004,24(11):82-87.

[2]朱永強(qiáng)，尹忠東，方云輝，等.電能質(zhì)量監(jiān)測(cè)技術(shù)綜述[J].電氣時(shí)代，2007，27(1)：49-52.

[3]趙逸眾，肖湘寧，姜旭.現(xiàn)代電能質(zhì)量監(jiān)測(cè)技術(shù)的發(fā)展動(dòng)態(tài)[J].電氣技術(shù)，2006(1)：13-17.

[4]段成剛，歐陽森，宋政湘，等.新型在線實(shí)時(shí)電能質(zhì)量監(jiān)測(cè)設(shè)備的設(shè)計(jì)[J].電網(wǎng)技術(shù)，2004，28(2)：60-63.

This paper presents a hardware solution on power quality analyzer which is used on shipboard,the analyzer can test grid power quality from different vessels to find fault effectively and eliminate the fault quickly.

ship;power system;power quality；analysis

U665.12

10.13352/j.issn.1001-8328.2014.06.011

孫清磊(1973-)，男，河南方城人，工程師，大學(xué)本科，主要從事艦船技術(shù)保障工作。

2014-06-27