船舶電力系統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，湖北 武漢 430033)

船舶電力系統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，湖北 武漢 430033)

文章介紹了一種電力系統綜合記錄分析儀的硬件技術方案，該分析儀能夠通過有效測試手段對不同船舶電網電力品質進行分析，通過分析可以及時排除電網和電氣設備故障，提高船員發現故障、排除故障的能力。

船舶；電力系統；電能品質；分析

電力系統的安全運行是船舶生命力的重要保證，但船舶電力系統日趨復雜，電力系統故障呈多樣化發展。船舶電力系統在實際運行中，由于設備老化或操作不當以及設備本身的問題，可能使系統出現各種故障或非正常運行狀態，它們會使電力系統的安全可靠運行受到威脅，影響全船其他設備正常工作，嚴重者將導致裝備的損壞或使整個電力系統的供電中斷，影響航行安全。讓船員能夠提早地預測故障、及時發現和準確診斷故障、迅速有效處理故障是我們面臨的重大課題。

船舶電網設備故障與系統故障表現為電網電力品質的變化，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，船舶電氣設備正常運行，則船舶電力系統電網波形參數不存在問題，當電氣設備在故障狀態下運行(如絕緣損壞、接地電容損壞、不對稱運行)時，它們在電力系統中會產生電力污染，對比記錄測試數據與標準值的差別，可快速、安全、詳細地定位和診斷電力系統和電氣設備的故障。因此及時記錄故障波形，并且通過有效測試手段對不同電網電力品質進行分析，可以進行準確判斷分析，及時排除電網和電氣設備故障。

由于沒有相關維修保障設備支撐，現有船舶各電力系統在故障情況下均不便進行準確的記錄和分析，只能依靠值班人員對于相應儀表指示的觀察和故障現象的簡單描述來推斷可能故障。不僅對于船員素質提出了很高的要求，而且在很大程度依靠故障重現才能判斷故障原因，往往是根據經驗給出簡單判斷，無法實現事后對故障性質原因的準確分析。由于不具備電力系統長期運行參數的存儲記錄和故障波形對比分析，船員無法分析預測電力系統運行狀態，完全是被動地應付各種系統故障，不利于裝備的使用管理。船員僅依賴傳統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設備的安全運行，導致即使是小故障也必須層層報修，客觀上也造成了引進裝備故障維修困難。

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

1 現有方案及問題

電能質量主要表現為電流、電壓和頻率的質量，國內外對電能質量確切的定義至今還沒形成統一的共識。但大多數專家認為，對現代電能質量的定義應理解為“導致用戶電力設備不能正常工作的電壓、電流或頻率偏差，造成用電設備故障或錯誤動作的任何電力問題都是電能質量問題”。根據這一定義，電能質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象，如沖擊脈沖、電壓跌落、瞬時間斷等。這個定義概括了電能質量的成因和后果。

電能質量包括穩態和暫態2類電能質量問題。其中，穩態電能質量問題是指以波形畸變為特征而引起電能質量污染的問題，主要包括諧波(其特征指標是出現的諧波電壓、電流的波形，各次諧波的幅值、相位、含有率)、電壓閃變(其特征指標是波動幅值、調制頻率等)、陷波(其特征指標是持續時間、幅值)、三相不對稱(其特征指標是不平衡因子)。而暫態電能質量問題是指正弦波形受到暫態擾動而發生畸變，是以頻譜和暫態持續時間為特征的，主要包括暫態諧振(其特征指標是波形、峰值和持續時間)、暫態脈沖(其特征指標是電壓上升時間、峰值和持續時間)、瞬時電壓上升和跌落(其特征指標是變化幅值、持續時間)。

美國和歐洲的部分國家于20世紀90年代初就已對電能質量問題逐漸展開了全面的研究。從所適用的功率理論的擴展，到電能質量評價指標體系的建立，提出了各種電能質量分析的方法，并研制了各種手持式單相電能質量分析儀、便攜式電能質量分析儀、在線式電能質量監測儀，但這些分析儀僅限于穩態電能質量分析，并且不適用于船舶電網的電制及強電磁干擾環境。

我國對早期的電能質量問題，如電壓偏差和頻率偏差、電力諧波污染等已經進行了多年的研究，但面對現代電力系統的發展和新的用電特性的變化，全面的電能質量理論研究工作才剛剛起步。可喜的是，近些年來，我國已頒布了6項電能質量指標標準，大量關于電能質量測試分析的文獻不斷出現，表明我國在理論方面是能夠跟上世界潮流的，只是檢測設備方面還落后于西方一些發達國家。FLUKE公司的430系列電能質量分析儀等先進的陸地電力系統電力品質測試儀表雖然功能非常強大，但它們僅限于陸地電網穩態電能質量分析，并不適用于船舶電網的測量，具體表現為以下不足。

1)只能實現50 Hz交流電網電信號數據的采集、存儲、分析，不能同時實現直流電網、50 Hz交流電網以及400 Hz中頻等電網的參數測量。

2)不能針對獨立電力系統的電網頻率易波動等特點，開發頻率實時跟蹤與測試功能。

3)進口的測試儀器則是根據歐洲標準和美國標準來分析計算的，并且不能自行設定標準，不符合船舶電力品質分析的要求。

4)不能根據用戶需求設置任意電力品質事件的自動觸發、記錄與捕捉。

在了解國內外研究陸用電網電力品質方法的基礎上，我們確定了船舶電力系統電力品質測試系統的總體技術方案。

2 技術方案

2.1系統組成

設備可劃分為3個部分：信號采集部分、信號處理部分、結果輸出部分，其結構如圖1。

圖1 船舶電力系統綜合測試記錄儀總體布局圖

信號采集部分一般由傳感器、信號調理、采樣與A/D轉換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)，用來將電網電氣信號轉換為可測量的低值電壓或電流信號。信號調理部分完成輸入模擬信號的隔離、放大等功能。A/D轉換部分將輸入的模擬量在設定的采樣頻率下轉化為一定位數的數字量。信號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調理成為適合計算機處理的數字量。

信號處理部分是對采集到的數字信號進行一系列的計算分析和綜合處理，包括濾波、時頻分析等操作，計算出各種電力品質指標參數，以得到齊全完整的電力品質信息，是電力品質監測系統開發與研制過程中的重要環節。

結果輸出部分用于實現信號處理部分計算結果的顯示、存儲、打印等功能，以棒形圖、曲線圖、圖表等形式定性、定量地顯示出監測結果。

2.2信號采集系統原理設計

采集部分主要完成對船舶電網電壓、電流信號的數據采集，通過A/D轉換單元將數據通過壓縮后傳輸到計算機分析軟件中作進一步的詳細分析。該部件主要由傳感器、信號調理模塊、A/D轉換部分組成，其組成框圖如圖2所示。

圖2 采集部分原理圖

實時的電壓和電流信號經過電壓互感器(PT)和電流互感器(CT)的轉換，成為可處理的低電平信號，經過信號調理電路，完成對信號的濾波，濾除測量要求之外的高次諧波。調制好的信號由NI(美國國家儀器有限公司)的NIDAQ模塊完成信號的采集、對信號的濾波，濾除測量要求之外的高次諧波，并經由高速USB接口傳送給計算機，由專門開發的電能分析處理軟件處理。

2.3信號采集程序流程(如圖3)

2.3.1 初始化

信號處理模塊的軟件運行于微控制器上，對整個數據采樣過程等進行控制，并發送采樣數據。在加電啟動并完成自檢后，數據處理模塊和數據采集模塊進行通訊測試，若測試失敗，則報錯退出，測試成功進入等待狀態。等待時，數據處理模塊向數據采集模塊發送各種所要求的采樣參數，如采樣方式、采樣長度、采樣頻率等。當數據采集模塊得到所有的參數后，對采樣進行設置，然后等待“啟動采樣”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頻率的變化而變化的，采樣頻率的變化是為了保證在每個采樣周期內得到相同的采樣點數。采取同步采樣方式是為了提高諧波分析的精度。嚴格的同步采樣的實現是相當困難的。非同步采樣方式是指采樣頻率是固定不變的值，在系統開始采樣時確定，并且在整個采樣過程中采樣頻率保持不變。

圖3 信號采集程序流程圖

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 數據通訊

測試系統采用多路同時采樣，每個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，數據通訊采用簡單的控制方式，測量結果由專用通信接口直接傳送給上位機。

采集模塊采用高速USB與上位機連接，向上位機傳送數據速率為480 Mbit/s,具有足夠的帶寬，使數據無延時地向上傳送，達到數據處理的實時性要求，同時簡化了PC連接。

2.4硬件設計

船舶電力系統綜合記錄分析儀整體結構如圖4，整體可分為3個部分。

圖4 船舶電力系統綜合記錄分析儀結構示意圖

2.4.1 接入測試信號單元

接入測試信號單元由3個電流鉗和4個帶鱷魚夾的電壓測試線組成。

電流鉗分別與三線母線如圖1按次序連接在母線上，用戶應根據測試對象配置不同規格的電流鉗以獲得滿意的測量效果。注意電流鉗標志的待測母線電流方向。三相母線穿過電流鉗的鉗口方向要一致，符合電流輸出的實際方向。電流鉗將拾取的電流信號轉換成電壓信號。

帶鱷魚夾的電壓測試線分紅、黃、藍和黑4種顏色，對應待測電壓A相、B相、C相和中性點(無中性點可不接黒色測試線)。電壓測試線將待測電壓信號接入信號采集單元處理。

2.4.2 輸入信號采集單元

輸入信號采集單元由接線端子如圖5所示，將對應電流信號、電壓信號接入內信號拾取、處理模塊，并由USB串口通信線向移動式筆記本電腦傳送數據。

圖5 輸入信號測試單元的接線端子示意圖

電流信號、電壓信號接入要嚴格按照相序接入，否則會造成數據分析錯誤。

2.4.3 數據處理單元

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

信號采集單元傳上來的數據；軟件以LabVIEW開發系統設計的軟件實現數據的顯示、存儲和分析等功能。

3 結束語

該記錄分析儀的研制，采用先進的集成數據采集技術和信號處理算法，解決了不同類型船舶電力系統信號的實時采集、跟蹤計算和數據分析等一系列關鍵問題，實現了對船舶電力系統故障進行綜合記錄分析的目標，在技術開發領域處于國內領先地位，所開發的船舶電力系統綜合記錄分析儀具有很大的經濟意義和推廣應用價值。

[1]楊進，肖湘寧.電能質量監測技術發展新趨勢—網絡化、信息化、標準化[J].電力自動化設備，2004,24(11):82-87.

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[4]段成剛，歐陽森，宋政湘，等.新型在線實時電能質量監測設備的設計[J].電網技術，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，大學本科，主要從事艦船技術保障工作。

2014-06-27