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        船舶電力系統(tǒng)的監(jiān)測與繼電保護(hù)應(yīng)用研究

        2010-08-10 02:56:12卞根發(fā)
        船電技術(shù) 2010年9期
        關(guān)鍵詞:測控繼電保護(hù)船舶

        卞根發(fā)

        (廈門海洋職業(yè)技術(shù)學(xué)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(hù)是保證船舶供配電網(wǎng)絡(luò)安全運(yùn)行的關(guān)鍵系統(tǒng)。繼電保護(hù)系統(tǒng)在保護(hù)電力系統(tǒng)安全、可靠運(yùn)行、維護(hù)和故障排除等方面發(fā)揮重要作用。速動(dòng)性、選擇性、靈敏性和可靠性是船舶電力系統(tǒng)繼電保護(hù)的四個(gè)基本要求。傳統(tǒng)檢測裝置基于手工操作,只能進(jìn)行有限幾個(gè)性能指標(biāo)檢測,存在精度不高和工作效率低下等缺點(diǎn)。隨著電子技術(shù)和計(jì)算機(jī)技術(shù)不斷發(fā)展,尤其單片機(jī)技術(shù)在智能儀器儀表的廣泛應(yīng)用,為滿足實(shí)際需要,開發(fā)新一代高性能、實(shí)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(jí)管理、分散控制和高可靠性的優(yōu)點(diǎn),引入高效實(shí)用的DCS,簡化傳統(tǒng)測控系統(tǒng)結(jié)構(gòu),既便于維護(hù),又為船舶電氣信息化發(fā)展和應(yīng)用提供了良好平臺(tái)。由于現(xiàn)代船舶電力繼電保護(hù)系統(tǒng)日趨復(fù)雜和精細(xì),傳統(tǒng)的晶體管型以及集成電路繼電保護(hù)已經(jīng)難以滿足需要,正逐漸被微電腦繼電保護(hù)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(hù)測試系統(tǒng)。

        2 系統(tǒng)功能

        該船舶微電腦繼電保護(hù)測試系統(tǒng)具有如下主要功能:(1)測量發(fā)電機(jī)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(chǔ)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(shè)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(jī)會(huì)話方式鍵入,并可利用功能鍵進(jìn)行如下操作和控制:設(shè)置報(bào)警參數(shù)、設(shè)置打印格式、能耗監(jiān)測、設(shè)置屏蔽采集項(xiàng)、特性試驗(yàn)、負(fù)荷特性試驗(yàn)、耐久試驗(yàn)、顯示測量后存入數(shù)據(jù)、修正日期和時(shí)鐘等功能。

        3 系統(tǒng)硬件

        船舶電力系統(tǒng)的繼電保護(hù)要完成在電力系統(tǒng)中的應(yīng)用,首先必須要能夠區(qū)分系統(tǒng)的正常運(yùn)行狀態(tài)及故障運(yùn)行狀態(tài)。系統(tǒng)在不同的運(yùn)行狀態(tài)時(shí)電氣參數(shù)會(huì)發(fā)生變化,繼電保護(hù)測試系統(tǒng)正是根據(jù)這個(gè)特點(diǎn)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(jí)?,F(xiàn)場級(jí)不僅能獨(dú)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(zhuǎn)換模塊,組成RS-485網(wǎng)絡(luò)分布式監(jiān)控系統(tǒng)(NDCS)。另外,當(dāng)某個(gè)測控儀通道出現(xiàn)故障時(shí),不影響對其它測控儀監(jiān)控,而當(dāng)網(wǎng)絡(luò)出現(xiàn)故障時(shí),也不影響現(xiàn)場控制級(jí)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(shè)置了各種聲光報(bào)警及LED參數(shù)頻閃,越限值在檢測前通過人機(jī)會(huì)話方式設(shè)定,檢測結(jié)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(shí)器可使系統(tǒng)因干擾或軟故障等原因出現(xiàn)異常時(shí),系統(tǒng)自動(dòng)恢復(fù)運(yùn)行,具有自檢自報(bào)功能。電源斷電檢測,當(dāng)發(fā)生斷電時(shí)可將該瞬間狀態(tài)及數(shù)據(jù)等全部保護(hù)起來,一旦來電整個(gè)系統(tǒng)能實(shí)現(xiàn)補(bǔ)償運(yùn)行。實(shí)時(shí)日歷鐘能自動(dòng)記錄主機(jī)檢測的日期與時(shí)間,也可用LED顯示日期與時(shí)間。本系統(tǒng)設(shè)計(jì)的繼電保護(hù)測試系統(tǒng)的硬件主要包括:輸入信號(hào)的預(yù)處理電路、單片機(jī)系統(tǒng)、液晶顯示器、電池充電電路、打印機(jī)等等,系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示。

        圖1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖

        系統(tǒng)硬件中輸入信號(hào)的預(yù)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(guān)、模數(shù)轉(zhuǎn)換器等環(huán)節(jié)組成[2]。系統(tǒng)將輸入至保護(hù)測試裝置的電流、電壓等模擬量準(zhǔn)確地轉(zhuǎn)換成所需的數(shù)字量;單片機(jī)系統(tǒng)主要完成測試所需的功能程序,同時(shí)對輸入信號(hào)的預(yù)處理系統(tǒng)輸入的原始數(shù)據(jù)進(jìn)行分析處理,從而實(shí)現(xiàn)繼電保護(hù)測試功能;內(nèi)置電池,可實(shí)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(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)通訊[4]。

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

        船舶電力的繼電保護(hù)系統(tǒng)如何準(zhǔn)確地測量各相位差是非常重要的。通常在穩(wěn)定的大信號(hào)中做到這一點(diǎn)是較容易的,但在小電流測量時(shí)就有一定的難度,本系統(tǒng)中電流I下限為10 mA,此時(shí)電流通過鉗形電流互感器耦合進(jìn)來的信號(hào)強(qiáng)度非常微弱,再經(jīng)沿途的相關(guān)傳輸電路,最終到達(dá)測量點(diǎn)時(shí)已有一定失真,上下波形不對稱,過零點(diǎn)移位產(chǎn)生相移。所以在進(jìn)行相位測量之前需進(jìn)行許多預(yù)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(jì)數(shù)法,先將相位轉(zhuǎn)換成一定寬度的方波,該方波的寬度與相位成正比關(guān)系,再用高頻脈沖對方波進(jìn)行計(jì)時(shí),從而準(zhǔn)確的測出方波的寬度即時(shí)間值,同時(shí)測出交流波周期,經(jīng)微機(jī)運(yùn)算后得出相位值。

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

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

        選用的A/D轉(zhuǎn)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(zhuǎn)換器,具有內(nèi)部高帶寬采樣保持電路,采樣速率133 kHz,它將多路轉(zhuǎn)換開關(guān)、基準(zhǔn)電壓源、時(shí)鐘電路和轉(zhuǎn)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(jì)算。對于測試量U、I、P、Q的計(jì)算,采用離散的采樣點(diǎn)累加和計(jì)算公式,對整流后的波形在一個(gè)周期內(nèi)等間隔取采樣點(diǎn)為N,采樣結(jié)束后,計(jì)算出各采樣點(diǎn)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(shè)計(jì),通過以上措施及程序的周密設(shè)置,使該系統(tǒng)在船舶上遇到高頻等干擾及較惡劣的機(jī)艙環(huán)境中也能正常運(yùn)行,檢測出的各項(xiàng)參數(shù)精度均可達(dá)到國際標(biāo)準(zhǔn),符合要求。

        4 系統(tǒng)軟件

        系統(tǒng)測試軟件設(shè)計(jì)采用了模塊化的設(shè)計(jì)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(zhuǎn)換、數(shù)據(jù)通訊、設(shè)備控制、人機(jī)交互和報(bào)警等基本功能,以及數(shù)據(jù)存儲(chǔ)、分析、打印等輔助的數(shù)據(jù)管理功能。計(jì)算機(jī)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(dǎo)下完成光電轉(zhuǎn)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(diǎn),規(guī)劃系統(tǒng)的功能模塊,同時(shí),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(chǔ)上。整個(gè)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(shè)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(shí)采集工作參數(shù),直觀顯示所測試數(shù)據(jù),同時(shí),實(shí)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(jìn)行分析和統(tǒng)計(jì)。

        系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)是以模塊化結(jié)構(gòu)、全開放指導(dǎo)思想,保證系統(tǒng)實(shí)時(shí)性,運(yùn)行時(shí)盡量減少人工干預(yù)和操作、系統(tǒng)初始化參數(shù)在線可調(diào)、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(gè)模塊是初始化,即設(shè)置中斷方式、內(nèi)部 RAM工作單元預(yù)設(shè)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(nèi)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(xiàng)目類型,然后進(jìn)行相應(yīng)測量,測量完畢上送測量結(jié)果,接著進(jìn)行下一輪判斷;如果是鍵功能處理命令,則進(jìn)一步判斷執(zhí)行動(dòng)作。利用AT89C52的串行通訊口及MAX485芯片的接口電路實(shí)現(xiàn)與IPC通訊。AT89C52單片機(jī)提供與計(jì)算機(jī)或其他串行設(shè)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(jī)應(yīng)用系統(tǒng)與計(jì)算機(jī)通信操作接口的人機(jī)界面非常友好。

        5 結(jié)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(shè)備有機(jī)結(jié)合在一起,既可集中管理、集中控制又可分散控制,獨(dú)立操作;既可在線修改也可集中監(jiān)測,控制精度高,反應(yīng)及時(shí)準(zhǔn)確。該船舶電腦智能繼電保護(hù)測試系統(tǒng)經(jīng)在“華興輪”上長時(shí)間試運(yùn)行證明,性能穩(wěn)定,可靠性高,測量準(zhǔn)確可靠,操作極為方便。除用于船舶電力網(wǎng)繼電保護(hù)系統(tǒng)的參數(shù)測量外,也可用于船舶交流電機(jī)的故障檢修,船用交流電氣設(shè)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(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)。保證了船舶電力系統(tǒng)檢測的準(zhǔn)確性,消除了船舶輪機(jī)管理人員的人為誤差,同時(shí)還可節(jié)省大量的人力物力,大大提高了工作效率。經(jīng)實(shí)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(jì)效益。

        :

        [1]李世平.PC計(jì)算機(jī)測控技術(shù)及應(yīng)用[M].西安:西安電子科技大學(xué)出版社,2003.

        [2]宋浩,田豐編著.單片機(jī)原理及應(yīng)用[M].北京:清華大學(xué)出版社,2005.

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

        [4]張洪潤,易濤編著.單片機(jī)應(yīng)用技術(shù)[M].北京:清華大學(xué)出版社,2003.

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

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