船舶電力系統(tǒng)的監(jiān)測與繼電保護應用研究

卞根發(fā)

（廈門海洋職業(yè)技術學院，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)的繼電保護是保證船舶供配電網(wǎng)絡安全運行的關鍵系統(tǒng)。繼電保護系統(tǒng)在保護電力系統(tǒng)安全、可靠運行、維護和故障排除等方面發(fā)揮重要作用。速動性、選擇性、靈敏性和可靠性是船舶電力系統(tǒng)繼電保護的四個基本要求。傳統(tǒng)檢測裝置基于手工操作，只能進行有限幾個性能指標檢測，存在精度不高和工作效率低下等缺點。隨著電子技術和計算機技術不斷發(fā)展，尤其單片機技術在智能儀器儀表的廣泛應用，為滿足實際需要，開發(fā)新一代高性能、實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)具有分級管理、分散控制和高可靠性的優(yōu)點，引入高效實用的DCS，簡化傳統(tǒng)測控系統(tǒng)結構，既便于維護，又為船舶電氣信息化發(fā)展和應用提供了良好平臺。由于現(xiàn)代船舶電力繼電保護系統(tǒng)日趨復雜和精細，傳統(tǒng)的晶體管型以及集成電路繼電保護已經(jīng)難以滿足需要，正逐漸被微電腦繼電保護系統(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測試系統(tǒng)。

2 系統(tǒng)功能

該船舶微電腦繼電保護測試系統(tǒng)具有如下主要功能：(1)測量發(fā)電機的三相交流電壓、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，可通過人機會話方式鍵入，并可利用功能鍵進行如下操作和控制：設置報警參數(shù)、設置打印格式、能耗監(jiān)測、設置屏蔽采集項、特性試驗、負荷特性試驗、耐久試驗、顯示測量后存入數(shù)據(jù)、修正日期和時鐘等功能。

3 系統(tǒng)硬件

船舶電力系統(tǒng)的繼電保護要完成在電力系統(tǒng)中的應用，首先必須要能夠區(qū)分系統(tǒng)的正常運行狀態(tài)及故障運行狀態(tài)。系統(tǒng)在不同的運行狀態(tài)時電氣參數(shù)會發(fā)生變化，繼電保護測試系統(tǒng)正是根據(jù)這個特點來判斷系統(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。現(xiàn)場級不僅能獨立工作，而且提供RS-485通信接口，在IPC的RS-232端口加一塊MODELll02 RS232／R 485接口轉換模塊，組成RS-485網(wǎng)絡分布式監(jiān)控系統(tǒng)(NDCS)。另外，當某個測控儀通道出現(xiàn)故障時，不影響對其它測控儀監(jiān)控，而當網(wǎng)絡出現(xiàn)故障時，也不影響現(xiàn)場控制級正常工作。在檢測中為防止某些參數(shù)引起參數(shù)超限，系統(tǒng)還設置了各種聲光報警及LED參數(shù)頻閃，越限值在檢測前通過人機會話方式設定，檢測結束后可將檢測數(shù)據(jù)以選擇方式或全部參數(shù)打印方式輸出。監(jiān)控定時器可使系統(tǒng)因干擾或軟故障等原因出現(xiàn)異常時，系統(tǒng)自動恢復運行，具有自檢自報功能。電源斷電檢測，當發(fā)生斷電時可將該瞬間狀態(tài)及數(shù)據(jù)等全部保護起來，一旦來電整個系統(tǒng)能實現(xiàn)補償運行。實時日歷鐘能自動記錄主機檢測的日期與時間，也可用LED顯示日期與時間。本系統(tǒng)設計的繼電保護測試系統(tǒng)的硬件主要包括：輸入信號的預處理電路、單片機系統(tǒng)、液晶顯示器、電池充電電路、打印機等等，系統(tǒng)結構框圖如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)結構框圖

系統(tǒng)硬件中輸入信號的預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、模數(shù)轉換器等環(huán)節(jié)組成[2]。系統(tǒng)將輸入至保護測試裝置的電流、電壓等模擬量準確地轉換成所需的數(shù)字量；單片機系統(tǒng)主要完成測試所需的功能程序，同時對輸入信號的預處理系統(tǒng)輸入的原始數(shù)據(jù)進行分析處理，從而實現(xiàn)繼電保護測試功能；內置電池，可實現(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機進行數(shù)據(jù)通訊[4]。

系統(tǒng)前端電力線路或設備上的電壓與電流信號分別通過三個電壓互感器和三個電流互感器進行取樣隔離并降低至較低的數(shù)量級。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轉變?yōu)樾‰娏餍盘?，為滿足A／D轉換器輸入信號的要求，還需進行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上，從被測回路中取得三相電流信號。

船舶電力的繼電保護系統(tǒng)如何準確地測量各相位差是非常重要的。通常在穩(wěn)定的大信號中做到這一點是較容易的，但在小電流測量時就有一定的難度，本系統(tǒng)中電流I下限為10 mA，此時電流通過鉗形電流互感器耦合進來的信號強度非常微弱，再經(jīng)沿途的相關傳輸電路，最終到達測量點時已有一定失真，上下波形不對稱，過零點移位產生相移。所以在進行相位測量之前需進行許多預處理，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數(shù)法，先將相位轉換成一定寬度的方波，該方波的寬度與相位成正比關系，再用高頻脈沖對方波進行計時，從而準確的測出方波的寬度即時間值，同時測出交流波周期，經(jīng)微機運算后得出相位值。

判斷電壓與電流之間的相位關系是超前還是滯后，系統(tǒng)采用74ALS74，其帶有預置、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，時鐘脈沖CP為上升沿時，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Q端為高電平時，電壓V超前于電流I；當Q端為低電平時，電壓V滯后于電流I。

系統(tǒng)硬件為保證電壓、電流信號的快速、高精度測量，首先將交流信號進行線性整流，采用高速A／D轉換器對整流后的波形采樣，采樣波數(shù)應取偶數(shù)，使得原交流正、負半周被采樣的次數(shù)相等，這樣即使交流信號的正、負半周不對稱，也能進行精確測量。

選用的A／D轉換器是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轉換器，具有內部高帶寬采樣保持電路，采樣速率133 kHz，它將多路轉換開關、基準電壓源、時鐘電路和轉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)計算。對于測試量U、I、P、Q的計算，采用離散的采樣點累加和計算公式，對整流后的波形在一個周期內等間隔取采樣點為N，采樣結束后，計算出各采樣點的幅值。

為提高系統(tǒng)硬件的抗干擾能力，對電網(wǎng)干擾問題采用UPS不間斷電源，而對現(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，并對系統(tǒng)硬件的接地也做了精心設計，通過以上措施及程序的周密設置，使該系統(tǒng)在船舶上遇到高頻等干擾及較惡劣的機艙環(huán)境中也能正常運行，檢測出的各項參數(shù)精度均可達到國際標準，符合要求。

4 系統(tǒng)軟件

系統(tǒng)測試軟件設計采用了模塊化的設計思想，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)轉換、數(shù)據(jù)通訊、設備控制、人機交互和報警等基本功能，以及數(shù)據(jù)存儲、分析、打印等輔助的數(shù)據(jù)管理功能。計算機監(jiān)控主要利用對各控制器工作參數(shù)全面監(jiān)視和控制，在系統(tǒng)的監(jiān)督和指導下完成光電轉速傳感器測控工作。根據(jù)系統(tǒng)的功能需求和VB6.0軟件的特點，規(guī)劃系統(tǒng)的功能模塊，同時，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)表的基礎上。整個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、密碼設置、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：定時采集工作參數(shù),直觀顯示所測試數(shù)據(jù)，同時，實現(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)，便于進行分析和統(tǒng)計。

系統(tǒng)軟件設計是以模塊化結構、全開放指導思想，保證系統(tǒng)實時性，運行時盡量減少人工干預和操作、系統(tǒng)初始化參數(shù)在線可調、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。程序入口的第一個模塊是初始化，即設置中斷方式、內部 RAM工作單元預設初值、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，先判斷測量項目類型，然后進行相應測量，測量完畢上送測量結果，接著進行下一輪判斷；如果是鍵功能處理命令，則進一步判斷執(zhí)行動作。利用AT89C52的串行通訊口及MAX485芯片的接口電路實現(xiàn)與IPC通訊。AT89C52單片機提供與計算機或其他串行設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單片機應用系統(tǒng)與計算機通信操作接口的人機界面非常友好。

5 結語

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

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[1]李世平.PC計算機測控技術及應用[M].西安：西安電子科技大學出版社，2003.

[2]宋浩，田豐編著.單片機原理及應用[M].北京：清華大學出版社，2005.

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

[4]張洪潤，易濤編著.單片機應用技術[M].北京：清華大學出版社，2003.

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