船舶交流電網在線絕緣監測裝置研究

陳珊珊

(重慶電子工程職業學院，重慶401331)

0 引 言

隨著中國經濟的飛速發展，各國船運貿易隨之擴大，伴隨的是船舶體積增大及船只數量的大規模擴張，由此帶來船舶供電系統復雜度提升，同時航運海水的清濁、氣候的惡化對供電系統的絕緣層清濁影響尤其嚴重，電力系統絕緣層故障發生率較高。對絕緣層故障的快速、準確定位關系到整個航程的安全，所以研制一套智能、實時的在線絕緣監測裝置非常重要。

本文首先研究了絕緣監測的原理，并根據現代船舶電力系統特點，提出了一種基于單頻信號注入的絕緣故障監測法，與傳統雙頻信號監測進行了比較，該方法具有電路結構簡單、內部軟件算法復雜度低等特點。

最后，設計了基于DSP的智能絕緣在線監測裝置，闡述了整個裝置的功能點以及設計需求。并對電路、網絡結構等進行了詳細闡述，整個裝置對船舶電力系統的安全穩定發揮著重要作用。

1 絕緣監測技術原理

1.1 船舶電網接地方式

在傳統船舶電力系統中，普遍使用中性點不接地［1－2］方式來減小電力系統接地短路時的過載電流，使系統三相電力保持平衡，從而保證系統的安全，并保持了系統供電的穩定性與持續性。但是此方法正是由于短路時，接地殘留電流余量小，所以對短路點不能有效實時監測。一旦出現了電力系統絕緣層短路故障，定位只能通過人工對系統負載電纜進行排除，大大增加了短路排除時間，又有很大的安全隱患。同時，隨著船舶體積增大、電力系統供電容量也迅速擴大，電路越加復雜，就更加增加了排查故障的時間，中性點不接地已經越來越不能滿足現代船舶的安全要求。

中性點接地方式［3］隨后被逐漸重視，由于直接接地短路電流過大，現在一般采用非有效接地方式，分為如下3 種:

1)中性點經過較高電阻接地(NUS);2)中性點經過平弧圈接地(NES);3)經過平弧圈并且加高電阻接地。

以上3 種接地方式，既避免了直接接地短路電流

過大引起的災難，同時也避免了非接地方式電流過小造成的絕緣故障定位困難，是現代船舶電網常用的接地方式。

1.2 船舶絕緣監測常用技術

現代常用的船舶絕緣監測技術主要有4 種:直流疊加絕緣監測法、S 注入監測法、雙頻信號監測法和零序電流監測法。本文主要對雙頻法進行研究改進。

雙頻信號監測法原理如圖1所示。

圖1 雙頻信號絕緣監測電路Fig.1 Circuit of dual frequency signal insulationmonitoring

當支路i 絕緣層發生故障短路時，電阻大小將降為R，則上圖監測裝置中的電源E 會產生雙頻低頻正弦信號f1和f2。圖1 中Ea，Eb，Uf表示船舶發電系統三相電勢，Ca，Ci，Cn分別對應負載支路的接地電容，Ra為絕緣故障監測接地電阻，并且所有支路各接一個傳感器用來檢測支路漏電流。

當產生的正弦信號頻率為f1時，假設發生絕緣故障的支電路與地面電壓差值為Uf1，與地電流為If1;產生的正弦信號頻率為f2時，絕緣故障的支電路與地面電壓差值為Uf2，與地電流為If2，有如下方程組:

上述方程組可求得絕緣故障發生的支電路接地電阻大小，如下式:

當求得的電阻值小于閥值時，則表示此支路有絕緣故障發生。

2 單頻信號注入絕緣檢測法

2.1 監測原理

單頻信號注入絕緣監測原理圖和圖(1)一樣，只是注入為單一頻率正弦波信號f。

假設單頻信號頻率為f，母線與地面電壓差值為Uf，監測電路不直接接地，短路時的支路阻抗一般可以忽略不計，則等效電路圖如圖2所示。

圖2 單頻信號絕緣監測等效電路圖Fig.2 Equivalent circuit diagram of single frequency signal insulationmonitoring

當沒有發生絕緣故障時，流經各支路的電流為I1，Ii，…In，表達式如下:

當支路i 發生了絕緣故障，則流經此電路的電流Ii如下:

上式中ω=2πf，Cj，Ci，…，Cn為各支路的接地電容。

通過對比式(4)和式(5)可知，如果某支路發生了絕緣層故障，則經過此支路的電流比正常時要大，通過實時監測各支路的流經電流則可判斷此支路是否發生了絕緣層故障。

與雙頻信號注入不同的是，在單一頻率下，只需要通過對式(2)求解，可直接求出此支路的對地電阻，其阻抗如下式:

將上式分解為虛實方程:

求解上述兩式，即可得到此絕緣故障支路的對地電阻大小，從而實現了僅在注入單頻信號f下，對發生絕緣故障的支路在線電阻監測，選定固定的線路進行故障排除。

2.1 單頻信號監測法建模仿真

在此，本文構建了船舶供電電壓等級為0.4 kV的多支路電網模型，采用Matlab 軟件對其仿真，構造的仿真模型如圖3所示。

圖3 單頻信號監測仿真模型Fig.3 Simulationmodel of single frequency signal insulationmonitoring

系統用三相電源作為模擬電源，各支路理想均勻分布，參數設置如下:

正電阻大小為0.048 Ω/km，零序電阻為0.317 Ω/km;正電容大小為0.317 μF/km，零序電容為0.288 μF/km;正電感大小為0.612 mh/km，零序電感為0.392 mh/km。

在建模仿真中，接地電阻R－15Ω，f=12.5 Hz，傅里葉級數采樣頻率為20，仿真結果如表1所示。

表1 仿真計算結果Tab.1 Simulation result

從表1 可以看出，單頻信號監測能夠有效的計算絕緣故障支路對地電阻大小，實現故障定位。

3 基于DSP的在線監測裝置設計

3.1 軟硬件設計方案

基于大型船舶供電電網支路繁雜，絕緣監測系統需要提取各支路的電流﹑電壓等信號，對故障的判斷需要進行大量的邏輯判斷及信息比較，因此所選用的硬件需要滿足實時快速的計算，本系統選擇了高性能DSP 處理器來實現全部的監測功能，而邏輯判斷則采用小型ARM 來實現，插件配置圖如圖4所示。

圖4 監測裝置通訊系統結構Fig.4 Communication system structure of insulationmonitoring

監測系統內部通信與外部通信利用不同的網絡結構，外部使用通用的以太網，內部采用ModBus協議通信，CAN 總線保護內部通信，對于此實時監控系統，具有如下2個特點:

1)內部結構清晰明了，內部通信和外部通信有效分開。

2)電路結構簡單，節點數少，有利用系統實現。

DSP 軟件主要對整個電網系統各支路的數據進行采集﹑監測數據計算﹑邏輯判斷﹑故障記錄﹑電路檢測以及內部外部信息交換等功能。軟件功能如下。

圖5 監測系統軟件功能模塊Fig.5 Software functionmodule of insulationmonitoring

為了滿足對精度以及通信時效性，DSP下頻電路采樣周期為24，經過A/D 轉換，對脈沖數字化后存入數據庫;測量技術與監測計算，針對單頻信號注入采用傅里葉變換計算出支路電壓、電流的實部、虛部，最后計算電流幅度;絕緣故障邏輯判斷對上一步驟計算出的實部﹑虛部的值和閥值進行比較，判斷出故障的具體支路;故障數據記錄，把出現故障的支路統計入數據庫，方便查詢;信息交換，把故障信息發送至外部進行顯示。

3.2 DSP 系統硬件結構及嵌入軟件流程

本在線監測裝置采用了型號為TMS320C6713B的DSP，主頻為225 MHz，內部采用了容量為256 kB的高速緩存，有效支持了高速的數據處理，可較好的滿足大型變壓器對實時信號的要求。整體系統結構如圖6所示。

如圖6，在線監測系統利用DSP的數據并行處理同時對64 路支路電路信號進行采樣計算，有效的降低了絕緣故障判斷時間，提高了智能在線絕緣監測裝置的實時性。

DSP 信號處理器主要利用定時中斷服務程序來對各采樣信號進行處理，每當定時器中斷來臨，則主程序被中斷信號終止，進行中斷處理。

程序進入中斷處理，首先進行A/D 采樣，DSP接受采樣信號;然后進行傅里葉變換計算在線絕緣裝置各支路電壓幅值及整個電網零序電壓;接著注入本算法的單頻低頻信號源，DSP 對低頻信號電流、電壓、絕緣值進行計算，可判斷系統故障電路，如果有則進行報警及保存，沒有則直接保存。整個DSP 內部軟件流程如圖7所示。

4 結 語

圖7 基于DSP的軟件處理流程Fig.7 Software process based on DSP

本文首先研究了現代船舶絕緣監測技術原理，重點對雙頻信號注入監測的算法原理以及電路結構進行了闡述，針對此方法需要注入兩路不同頻率的信號進行監測計算，計算復雜較高，不利用監測系統的實施性，提出了一種單頻信號注入監測，并對算法進行了詳細的說明及仿真。另外，本文研究了現有的船舶智能在線絕緣監測裝置系統，利用DSP的并行信號處理，對單頻率信號注入監測法，設計了基于DSP的信號處理以及ARM的邏輯控制的在線絕緣監測裝置，可同時對64 支路電路信號進行采樣及監測計算﹑邏輯判斷，有效的提升了監測系統的時效性。

［1］SEPPO H，MATTI L，ERKKI A.A method for detection and location of high resistance earth faults ［C］//IEEE Catalogue No98EX137，1998:495－500.

［2］GAN Z，DONG X Z，BO Z Q，et al.A new protection scheme for high impedance fault using adaptive trip and reclosure technique［C］//IEEE，2002:295－299.

［3］葉華，程劍，李運成.基于CADDS5的艙室絕緣建模方法及其應用［J］.艦船科學技術，2007(6):12－14.

［4］BUTLER K L，SARMA N D R，WHITCOMB C A，et al.Shipboard systems deploy automated protection［J］.IEEE Computer Applications in Power，1998，11(2):31－36.

［5］AMIT S，BRIAN K J.Evaluation of grounding and protectionmethods for a shipboard power system.Electric Ship Technoogies Symposium［C］//IEEE，2005:117－124.

［6］王小鋒，馬俊，劉春林，等.艦船通海系統管路腐蝕影響因素及控制方法淺析［J］.艦船科學技術，2009(6):54－57.

［7］ZERO Sequence Parameters Measurement for Ineffectively Earthed Power Systems，Transmission and Distribution Conference and Exhibition:Asia and Pacific［C］//IEEE/PES，2005:1－5.

［8］ZENG Xiang-jun，YIN Xiang-gen，CHEN Des-hu，et al.New principle for grounding fault feeder inmV distribution with neutral ineffectively earthed［J］.Journal of Southeast University(English Edition)，2000，16(1):64－69.