梁旭東 祝捷 胡亮燈

（1. 浙江凱靈船廠監(jiān)修室，舟山 316000； 2. 海軍駐沈陽地區(qū)艦船配套軍事代表室，沈陽 110168；3. 海軍工程大學艦船綜合電力技術國防科技重點實驗室，武漢 430033 ）

現(xiàn)代艦船采用綜合電力系統(tǒng)是艦船動力平臺的一次跨越式發(fā)展，代表了艦船動力系統(tǒng)的發(fā)展方向，未來艦船采用綜合電力系統(tǒng)是世界各國海軍的共識[1，2]，其優(yōu)越性體現(xiàn)為簡化了整體動力系統(tǒng)結構，易于進行能量分配，從而有利于優(yōu)化總體設計[3，4]。同時隨著艦船電氣化、自動化程度的日益提高，對艦船綜合電力系統(tǒng)保護提出了更高要求，以滿足綜合電力系統(tǒng)供電連續(xù)、可靠要求。

艦船綜合電力系統(tǒng)在保護方面存在以下幾個問題[5]：

（1）綜合電力系統(tǒng)各工況容量差別大，同故障類型在不同工況下故障電流有效值可能與正常工作電流有效值取值范圍重疊。若按照較小工況計算整定值則容易讓最大工況時斷路器誤動作，若按照較大工況計算整定值則容易讓最小工況時斷路器拒動；此外，時間電流原則對于故障類型的識別能力較弱，不同工況下發(fā)生不同故障時，用于判斷故障類型的數(shù)據(jù)取值范圍出現(xiàn)重疊，對故障的區(qū)分能力不好。

（2）綜合電力系統(tǒng)配電線路比較短，無法利用短路電流沿線路下降的方式實現(xiàn)保護的選擇性，只能依靠階梯延時。由于系統(tǒng)容量大，結構復雜，負荷級數(shù)多，按時間原則整定時，靠近源側(cè)的開關動作延時將大幅增加，這樣將導致故障時母線電壓跌落時間增長，增加了用電負荷因欠壓保護而退出運行的幾率。此外，延時增加將難以滿足保護的快速性要求，不利于設備和系統(tǒng)的安全穩(wěn)定運行。

上述難點使得傳統(tǒng)的時間電流原則難于適應綜合電力系統(tǒng)保護的需求，尤其對于全艦動力全部依靠電力的綜合電力系統(tǒng)，這樣的弊端將嚴重影響艦船的戰(zhàn)斗性能及可靠性、生命力水平。針對這些問題，同時考慮到未來艦船綜合開關保護裝置智能化與信息化的需求，開展了基于BP神經(jīng)網(wǎng)絡的智能保護裝置開發(fā)設計工作。

1 智能保護裝置硬件設計

智能保護裝置硬件主要由傳感器信號取樣電路、真有效值變換電路、信號調(diào)理電路、DSP芯片控制電路、數(shù)字量輸出電路、隔離固態(tài)繼電器控制電路等六部分構成，如圖1虛框部分所示。

圖1 智能保護裝置示意圖

1.1 傳感器信號取樣電路

電壓電流傳感器輸出的都是電流信號，必須經(jīng)過I/V變換才能進行采集，于是設置了圖2所示電路，其中虛框所示部分為電流傳感器輸出等效電路。

圖2 傳感器信號取樣電路

圖中，IS、RS分別為傳感器等效的電流、電阻，R1為傳感器與I/V變換電路之間單芯導線電阻，RL為I/V變換器，R2為I/V變換電路與DSP模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊之間單芯導線電阻，RT為DSP模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊通道輸入等效阻抗。

1.2 真有效值變換電路[6]

真有效值(RMS-DC)變換電路如圖3所示，它可以直接測得輸入信號的真實有效值，并和輸入波形無關。本裝置中選用的AD637真有效值變換器其可測量的信號有效值可高達 7 V，也是 AD公司RMS-DC產(chǎn)品中精度最高、帶寬最寬的，此外，該芯片動態(tài)范圍、波峰因數(shù)、穩(wěn)定時間諸參數(shù)也都很好。

真有效值變換器工作原理如下：

圖3 真有效值變換電路

Vrms為信號的有效值，T為測量時間，V（t）為信號的波形瞬時值。V（t）是一個時間的函數(shù),但不一定是周期性的。對等式的兩邊進行平方得：

右邊的積分項可以用一個平均來近似：

這樣式（2）可以簡化為：

等式兩邊除以Vrms得：

式錯誤！未找到引用源。是測量任意波形信號真實有效值的基礎，AD637真有效值直流變換器也正是基于該原理來得到信號有效值的。圖 4為其等效的RMS-DC的電路。

1.3 信號調(diào)理電路

該調(diào)理電路包括輸入濾波電路和輸出限幅電路兩部分，如圖5所示。

濾波電路采用了二階RC低通濾波環(huán)節(jié)，其相對于一階電路濾波效果更好，輸出電壓在高頻段下降更快；輸出部分采用二極管D1、D2用來鉗制電壓以達到限幅目的，通過此電路使輸出電壓確保在DSP28335內(nèi)置A/D轉(zhuǎn)換芯片能轉(zhuǎn)換電壓0～3 V范圍之內(nèi)，以保護控制芯片，在輸出端并上一個電容能使輸出波形進一步平穩(wěn)。

圖3 RMS-DC變換的原理

圖4 信號調(diào)理電路

二階RC低通濾波原理：

根據(jù)圖5可以寫出濾波器傳遞函數(shù)：

典型二階低通濾波器傳遞函數(shù)標準形式[7]：

其中A是電壓增益；wc是截止角頻率；Q是品質(zhì)因數(shù)。對比式（6）、（7）易得信號調(diào)理電路的截止頻率fp，如式（8）所示。

一般設定低通濾波截止頻率fp=3f0，其中f0為系統(tǒng)正常運行頻率。此外，設計時需注意R1為kΩ級而R2為Ω級，電容C1比電容C2的值大至少一個數(shù)量級。

1.4 DSP芯片控制電路[8]

DSP控制芯片采用的是TI公司最高主頻150 MHz，含有12位16個通道模數(shù)轉(zhuǎn)化器(ADC)的TMS320F28335芯片。文中智能保護裝置正是采用了該芯片內(nèi)置 16個通道 ADC進行模數(shù)轉(zhuǎn)換的。TMS320F28335是一款浮點DSP控制器，它與以往的定點 DSP相比，該器件A/D轉(zhuǎn)換更精確快速，且浮點DSP芯片實現(xiàn)算法，編程比較簡單，算法結果精度較高。智能保護程序包括多處指數(shù)運算和除法運算，由于該處理器增加了單精度浮點運算單元 FPU，相對于常用的控制芯片F(xiàn)MS320F2812(定點型)，程序運算時間將大大減少。此外，該處理器采用內(nèi)部1.9 V供電，外部3.3 V供電，因而功耗大大降低。同時為減少噪聲反射，對輸入DSP的16路模擬量先通過SDA32二極管陣列芯片進行高速并行線降噪。

1.5 數(shù)字量輸出隔離控制電路

數(shù)字量輸出隔離控制電路包括6N137高速光耦隔離電路[9]和 JGX-1685FXC磁隔離固態(tài)繼電器[10]控制分勵脫扣器電路兩部分，電路示意圖如圖6所示。6N137高速光耦芯片和JGX-1685FXC磁隔離固態(tài)繼電器導通關斷時間短，能滿足系統(tǒng)保護實時要求。

6N137 高速光耦芯片的特點是：最大連續(xù)功率100 V/μs，光耦速度10 Mbd，低電流輸入能力5 mA。

圖5 數(shù)字量輸出隔離控制電路

JGX-1685FXC磁隔離直流輸出固體繼電器特點：TTL邏輯電路兼容輸入，直流輸入；輸入輸出采用磁隔離技術；功率場效應管、IGBT輸出，其主要參數(shù)如表1所示。注:負載如為感性負載，則須在負載端反并二極管。

表1 固體繼電器主要參數(shù)

2 智能保護裝置軟件設計

智能算法采用的BP(Back-Propagation Network)神經(jīng)網(wǎng)絡，它是一種單向傳播的多層前向網(wǎng)絡，由Werboss在他的博士畢業(yè)論文中提出[11]，目前該算法已成為最為廣泛的神經(jīng)網(wǎng)絡學習算法，它突出的優(yōu)點就是具有很強的非線性映射能力和柔性的網(wǎng)絡結構，使其在智能保護的應用中尤有著獨特的優(yōu)勢[12]。

智能保護裝置程序可分為以下幾個過程：

1) 關中斷，硬件初始化；

2) AD采樣中斷，對目標電力系統(tǒng)進行數(shù)據(jù)采集；

3) 數(shù)據(jù)采集后，進入 BP網(wǎng)絡智能保護程序；

4) 對采集來的數(shù)據(jù)進行歸一化；

5) 計算BP隱層、輸出層參數(shù)；

6) 輸出智能程序的決策、判斷結果；

7) 程序結束。

智能保護裝置程序流程如圖7所示。

圖7 智能保護裝置程序流程圖

3 智能保護裝置性能測試

智能保護裝置性能測試最理想的方式是進行物理試驗，但條件有限且進行物理短路試驗極具破壞力和危險性，一旦保護裝置設計中有不周全的地方，將付出高昂的代價?？紤]到安全和經(jīng)濟性，采取基于Hypersim實時仿真系統(tǒng)進行閉環(huán)試驗，以驗證智能保護裝置有效可行。

3.1 Hypersim閉環(huán)測試系統(tǒng)[13～16]

Hypersim是加拿大魁北克TransEnergie科技公司開發(fā)的一種電力系統(tǒng)全數(shù)字仿真系統(tǒng)，主要用于電磁暫態(tài)仿真、仿真模型研究、閉環(huán)實時測試、控制系統(tǒng)仿真等。其中Hypersim閉環(huán)實時測試是通過A/D，D/A，D/I、D/O接口，可將外部硬件設備聯(lián)接到 Hypersim模擬的電力系統(tǒng)環(huán)境中，形成閉環(huán)回路。Hypersim系統(tǒng)對裝置進行實時閉環(huán)測試的原理如圖8所示。

3.2 搭建的仿真模型

基于 Hypersim實時仿真系統(tǒng)中構建了艦船超大電力系統(tǒng)的局部網(wǎng)絡仿真模型，如圖 9。發(fā)電機G1、G2容量分別為7 MW和40 MW的電站。

圖6 Hypersim系統(tǒng)閉環(huán)測試原理圖

圖9 仿真網(wǎng)絡故障示意圖

圖7 斷路器Brk1、Brk2、Brk3電流有效值波形

3.3 智能保護裝置測試方法

具體測試方法如下：

（1）通過模擬量輸出接口，將典型網(wǎng)絡中相關的電流電壓特征仿真信號輸出給智能保護硬件裝置；

（2）智能保護硬件裝置依據(jù)特征信號進行故障判斷、故障定位，形成斷路器動作策略；

（3）動作策略通過開關量輸入接口輸入給Hypersim實時仿真平臺，控制典型網(wǎng)絡仿真系統(tǒng)中相關斷路器的通斷。

3.4 仿真結果及分析

對系統(tǒng)中 F1點母線短路故障進行若干次實時仿真實驗，F(xiàn)1點短路時，發(fā)電機出口端斷路器Brk1、Brk2和母聯(lián)斷路器 Brk3的 A、B相電流有效值波形如圖10所示。

從圖10中可看出，短路故障發(fā)生后，所設計的智能保護裝置能夠檢測出故障的發(fā)生，發(fā)出開關跳閘信號，并將跳閘信號通過開關量輸入接口同時對其它幾種短路情況進行了仿真驗證，進一步驗證了智能保護裝置設計的有效性。

4 結束語

本文基于 BP神經(jīng)網(wǎng)絡，設計了艦船綜合電力系統(tǒng)智能保護裝置，并結合Hypersim實時閉環(huán)測試平臺對該裝置進行了實驗測試，結果表明設計的智能保護裝置可以很好地實現(xiàn)系統(tǒng)故障的有效保護，滿足艦船綜合電力系統(tǒng)保護選擇性、速動性要求。

[1] 馬偉明. 艦船動力發(fā)展的方向－綜合電力系統(tǒng)[J].海軍工程大學學報,2002,14(6):1-5,9.

[2] Benatmane M，Maltby R. Integrated Electric Power and Propulsion System on Land-An Overview[C].IEEE ESTS’07，Arlington，American，2007：7-13.

[3] 鄭定泰. 水面艦艇綜合電力系統(tǒng)的技術進展[J]. 艦船科學技術,2005,27(5):5-12.

[4] 楊秀霞,張曉鋒,張毅. 艦船電力系統(tǒng)的發(fā)展趨勢[J].中國修船,2004,(3):12-14.

[5] 胡亮燈, 葉志浩, 方明, 鄧鐵輝. 綜合電力系統(tǒng)不同容量機組并聯(lián)時整定保護的考慮[J]. 中國高校電力系統(tǒng)及其自動化專業(yè)第二十五屆學術年會,2009.10.

[6] http://www.datesheet5.com:AD637JQ.pdf.

[7] 牛燕煒. 有源低通濾波器的設計與仿真分析[J]. 現(xiàn)代電子技術,2007,12(251): 181-183.

[8] http://www.datesheet5.com:tms320f28335.pdf..

[9] http://www.datesheet5.com:6N137.pdf..

[10] http://www.datesheet5.com:JGX-1685FXC-010-400.p df..

[11] Werbos P J. Beyond Regression: New Tools for Prediction and Analysis in the Behavioral Sciences. Ph D Thesis,Harvard University,Cambridge,MA,1974.

[12] Mohamed E A,Rao N D. Artificial Natural Network Based Fault Diagnostic System for Electric Power Distribution Feeders[J]. Electric Power Systems Research,1995, 35(4):1-10.

[13] V. Q. Do, J.-C. Soumagne, G. Sybille, G. Turmel, P.Giroux, G. Cloutier,S. Poulin. Hypersim, an Integrated Real-Time Simulator for Power Networks and Control Systems. ICDS’99, Vasteras, Sweden, May 1999,pp 1-6.

[14] H. Su, K. W. Chan, L. A. Snider, J. C. Soumagne.Advancements on the Integration of Electromagnetic Transients Simulator and Transient Stability Simulator.IPST’05 in Montreal, Canada on June 19-23,2005,Paper No. IPST05 - 238.

[15] P. Sugree, U. Putchong, K. Voratas. Fast Simulation Model for Grid Scheduling Using Hypersim. in Proc.2003 Winter Simulation Conference, vol. 2, pp.1494-1500, Dec. 2003.

[16] A. 0. Barry, F. Guay, S. Guerette, P. Giroux. Digital Real-time Simulation for Distribution System. in Proc.2000 IEEE International Conference on Transmission and Distribution Construction, Operation and Live-Line Maintenance, pp. 252-258, Oct. 2000.