基于DSP的艦船交流電力系統(tǒng)保護裝置設計

楊勇 耿攀 袁陽

(1. 武漢第二船舶設計研究所，武漢 430064；2. 海軍駐431廠軍事代表室，遼寧葫蘆島 125004)

0 引言

在電網(wǎng)結構保護研究中，采用了以兩臺大功率逆變電源、綜合動力系統(tǒng)集中監(jiān)控臺、交流主配電板、交流系統(tǒng)運行保護裝置為核心的交流電網(wǎng)結構。大功率逆變電源與傳統(tǒng)發(fā)電機不同，系統(tǒng)保護要求也不同。系統(tǒng)發(fā)生短路發(fā)生時，大功率逆變電源輸出電流自動限流至1300 A，500 ms以內(nèi)不停機，如果短路超過時間限制，交流系統(tǒng)運行保護裝置自動分斷斷路器，以保護逆變電源和系統(tǒng)安全；當兩臺逆變電源需要并聯(lián)運行時，交流系統(tǒng)運行保護裝置實時檢測兩臺大功率逆變電源輸出電壓的頻率、電壓和相位，如果不滿足并聯(lián)條件，限制并聯(lián)合閘的操作；在逆變電源并聯(lián)過程中，為防止電壓瞬間上升，保護裝置設置了過壓保護功能，保護逆變電源和系統(tǒng)設備；系統(tǒng)工作在逆變電源單機工作工況時，保護裝置實現(xiàn)誤操抑制功能，防止兩臺大功率逆變電源并聯(lián)。現(xiàn)有斷路器不能滿足系統(tǒng)保護要求，根據(jù)大功率逆變電源運行特性，專門研制了交流系統(tǒng)運行保護裝置，作為交流電力系統(tǒng)保護設備。

交流系統(tǒng)運行保護裝置直接控制對象為兩臺AC390 V 50 Hz大功率逆變電源輸出斷路器、交流母聯(lián)斷路器，按照綜合動力系統(tǒng)集中監(jiān)控臺發(fā)出的指令，根據(jù)兩臺逆變電源狀態(tài)實現(xiàn)對兩臺逆變電源并聯(lián)運行的控制和保護。確保交流電網(wǎng)供電的可靠性、安全性，提高系統(tǒng)運行保護控制的自動化水平。

1 實施方案

交流系統(tǒng)運行保護裝置上電工作后，開始接收交流主配電板上斷路器各斷路器的狀態(tài)信號和兩臺大功率逆變電源的電壓、頻率等信號。

保護裝置主要實現(xiàn)下列功能：

（1）欠壓保護：當大功率逆變電源輸出電壓低于額定電壓390V的70%時，保護裝置控制大功率逆變電源輸出斷路器延時跳閘，延時時間在0.5 s～1 s內(nèi)可調(diào)。交流主配電板上兩臺大功率逆變電源斷路器 Q21和 Q22短延時保護時間為 400 ms，大功率逆變電源設置的短路限流保護時間為 500 ms，保護裝置在這里做為后備保護；

（2）并聯(lián)保護：對兩臺大功率逆變電源輸出電壓的相位、頻率和電壓進行檢測，設定壓差△U＜5%U額定，頻差△f＜0.2 Hz，△Ψ＜5°，上面三個條件都滿足，允許并聯(lián)合閘操作，任一條件不滿足，不允許系統(tǒng)并聯(lián)。如果滿足同步條件，允許進行正常并網(wǎng)；如果不滿足同步條件，則檢測各個斷路器狀態(tài)，未合的斷路器不能閉合，阻止兩臺大功率逆變器完成并聯(lián)的操作；

（3）邏輯連鎖解除：當綜合動力系統(tǒng)集中監(jiān)控臺上交流系統(tǒng)運行保護裝置“投入/切除”開關打在“切除”位置時，交流系統(tǒng)運行保護裝置不投入工作，保護裝置內(nèi)合閘輸出回路的常閉觸點閉合，解除該邏輯聯(lián)鎖，使交流主配電板上Q21、Q22和Q24三個斷路器的合閘操作不受本裝置影響。

（4）斷電保護：若裝置斷電，或內(nèi)部電源模塊故障，保護裝置內(nèi)合閘輸出回路的常閉觸點閉合，解除該邏輯聯(lián)鎖，使交流主配電板上Q21、Q22和母聯(lián)Q24三個斷路器的合閘操作不受本裝置影響；

（5）過壓保護：實現(xiàn)對大功率逆變電源輸出電壓的過壓保護。當大功率逆變電源輸出電壓高于額定電壓390 V的5%時，裝置控制大功率逆變電源輸出斷路器延時跳閘，延時時間在0.5～1 s范圍內(nèi)可調(diào)；

（6）誤操抑制：當綜合動力系統(tǒng)集中監(jiān)控臺上“獨立/并聯(lián)”開關打在“獨立”位置時，保護裝置通過邏輯判斷，抑制交流主配電板上Q21、Q22和 Q24這三個斷路器的同時合閘操作，阻止兩臺大功率逆變器并聯(lián)。

控制系統(tǒng)結構圖見圖 1。輸入信號包括兩臺大功率逆變電源的電壓信號、斷路器的狀態(tài)信號和逆變電源的工作狀態(tài)信號等；輸出信號包括斷路器合閘回路和分閘回路控制信號。

2 電路設計

硬件電路包括兩臺逆變電源的電壓檢測電路、A/D轉換電路、斷路器信號檢測及隔離電路等。

圖1 控制系統(tǒng)結構圖

圖2 硬件框圖

DSP TMS320LF2407A內(nèi)置10位A/D轉換器，轉換精度不滿足使用要求，在本設計中，選用4路輸入、12位并行輸出A/D轉換芯片AD7864，其接口特性容易與TMS320LF2407A配合。

2.1 電壓信號隔離采樣電路

逆變電源電壓信號經(jīng)變壓器、調(diào)理電路、RC濾波，經(jīng)A/D轉換后將信號送入DSP。

2.2 DSP電路

處理 A/D變換數(shù)據(jù)和輸入的開關量信號，輸出驅動保護信號。A/D采樣數(shù)據(jù)經(jīng) FFT和相關計算后，得到輸入交流電壓信號的電壓有效值和相位，計算出交流電壓信號頻率和相位差。

2.3 開關量信號隔離電路

當開關量信號輸入/輸出時，經(jīng)過光耦的隔離作用，使輸入/輸出信號與 DSP周圍電路在電路上進行了隔離，可以有效保護DSP芯片。

圖3 主程序流程圖

3 保護裝置軟件設計

軟件設計采用 C語言和匯編語言混合編程，采樣中斷服務程序需進行大量數(shù)據(jù)計算，采用匯編語言可以提高 CPU執(zhí)行程序效率，主程序采用 C語言編程，提高了程序的可讀性，程序結構的清晰。程序流程圖如圖3所示。A/D采樣子程序采用中斷查詢方式，采樣頻率 1600 Hz。

4 試驗驗證

在電力系統(tǒng)動態(tài)模擬試驗室構建試驗臺架，驗證了保護裝置的工作性能。

（1）當逆變電源獨立工作時，實現(xiàn)兩臺逆變器的欠壓/過壓控制保護；實現(xiàn)防止兩臺逆變器并聯(lián)的誤操抑制功能。

（2）當系統(tǒng)處于逆變電源預并聯(lián)工作狀態(tài)時，檢測各斷路器的狀態(tài)信號，檢測兩臺逆變電源輸出的電壓信號，當電壓差△U＜5%U額定，頻差△f＜0.2 Hz，△Ψ＜5°時允許并聯(lián)合閘，任一條件不滿足都不允許系統(tǒng)并聯(lián)。并網(wǎng)完成后，實時檢測電網(wǎng)電壓信號，如有異常，相應斷路器分閘，以保護系統(tǒng)安全。

圖4 欠壓保護跳閘波形圖

圖4中，某一路電壓信號低于電網(wǎng)額定電壓的70%后，相應斷路器跳閘。

5 結語

本文介紹了一種艦船交流電力系統(tǒng)保護裝置的設計與實現(xiàn)，在系統(tǒng)處于不同工作狀態(tài)下實現(xiàn)系統(tǒng)欠壓與過壓保護、誤操抑制保護和非同期合閘保護，達到了設計的預期要求。裝置經(jīng)過試驗室調(diào)試、系統(tǒng)聯(lián)調(diào)后已交付使用，運行穩(wěn)定。

[1]管小銘. 船舶電力系統(tǒng)及自動化[M]. 大連： 大連海事大學出版社, 1999.

[2]劉和平, 王維俊, 江渝, 鄧力等. TMS320LF240x DSP C語言開發(fā)應用[M]. 北京航空航天大學出版社, 2003.

[3]朱玉璽, 崔如春, 鄺小磊. 計算機控制技術[M]. 電子工業(yè)出版社, 2005.