吳浩偉，周 樑，楊 勇，徐正喜

(武漢第二船舶設(shè)計(jì)研究所，湖北 武漢 430064)

0 引言

國(guó)內(nèi)艦船電網(wǎng)目前所采用的斷路器，其短路保護(hù)原理主要是利用短路電流所產(chǎn)生的電磁力或熱效應(yīng)使斷路器保護(hù)跳閘，在某些場(chǎng)合已經(jīng)不能滿足現(xiàn)代艦船電力系統(tǒng)的發(fā)展需求。

隨著計(jì)算機(jī)和數(shù)字信號(hào)處理技術(shù)的飛速發(fā)展，基于微控制器的斷路器智能脫扣器迅速成為研究熱點(diǎn)［1－3］。此類智能脫扣器雖然采用了現(xiàn)代數(shù)字檢測(cè)和處理技術(shù)，但其檢測(cè)原理依然主要是利用檢測(cè)電流幅值來(lái)判定短路故障是否發(fā)生。此外，由于短路電流中不僅存在快速衰減的非周期分量，而且動(dòng)態(tài)變化范圍大，加之檢測(cè)環(huán)節(jié)存在互感器磁飽和等多種因素的影響，直接對(duì)短路電流的幅值進(jìn)行準(zhǔn)確檢測(cè)十分困難，因此此類方法通常要求短路電流遠(yuǎn)大于額定值時(shí)才能準(zhǔn)確地做出短路故障判斷。由于受到線路阻抗、短路初始狀態(tài)以及短路電流上升率的影響，達(dá)到判斷閾值可能需要較長(zhǎng)的時(shí)間，此類檢測(cè)方法的快速性難以得到保證。

針對(duì)三相三線不接地的艦船電力系統(tǒng)，由于電網(wǎng)的線纜長(zhǎng)度較短、線路阻抗低，發(fā)生短路故障時(shí)電壓跌落、電流增大這一特征狀態(tài)明顯。利用這一特征狀態(tài)，本文提出了一種基于DSP的數(shù)字化智能脫扣器設(shè)計(jì)方案，通過(guò)實(shí)時(shí)檢測(cè)電網(wǎng)電壓和功率的異常變化來(lái)快速檢測(cè)電網(wǎng)中的短路故障。此外，利用本文所提出的虛擬功率的概念和計(jì)算方法，在短路故障情況下，瞬時(shí)功率檢測(cè)等同于短路電流的幅值檢測(cè)，而且其算法更簡(jiǎn)單、更易于實(shí)現(xiàn)。通過(guò)對(duì)2個(gè)判據(jù)進(jìn)行綜合判斷，其檢測(cè)速度和判斷準(zhǔn)確性優(yōu)于傳統(tǒng)單一的電流檢測(cè)方案。

1 電壓快速檢測(cè)算法

在交流電壓幅值檢測(cè)算法上，常用的方法有:周期積分法、快速FFT算法、d/q算法等。周期積分法和快速FFT算法至少需要半周波的有效信息［4］，d/q算法一般更適用于三相對(duì)稱系統(tǒng)，而對(duì)于單相系統(tǒng)或者三相系統(tǒng)的非三相同時(shí)短路故障，通常不能直接運(yùn)用［5］。

為考慮一般性，對(duì)任意交流信號(hào)u(t)=Usin(ωt+θ)，在采樣頻率為ωs下的連續(xù)3次數(shù)字采樣信號(hào)為:

式中，N為1個(gè)工頻周波內(nèi)的采樣次數(shù)。

由式(5)可以看到，對(duì)于任意正弦信號(hào)只需要3點(diǎn)連續(xù)的數(shù)字采樣信號(hào)就可以計(jì)算出信號(hào)的峰值，進(jìn)而得到信號(hào)的幅值。該算法簡(jiǎn)單快速、適應(yīng)面廣。由于實(shí)際電壓波形中往往有大量諧波成分存在，以及算法本身會(huì)放大高頻噪聲，因此該算法的計(jì)算結(jié)果在實(shí)際使用中需要數(shù)字濾波器進(jìn)行濾波處理。

2 功率快速檢測(cè)算法

根據(jù)傳統(tǒng)功率理論，功率是系統(tǒng)單位時(shí)間內(nèi)的做功量，是1個(gè)平均值概念，因此即使通過(guò)快速FFT計(jì)算也需要1個(gè)周波才能得到功率信息，這樣的檢測(cè)速度不能滿足某些特殊領(lǐng)域內(nèi)快速檢測(cè)和快速保護(hù)的要求。

根據(jù)瞬時(shí)無(wú)功功率理論［6］，文獻(xiàn)［7］推導(dǎo)了三相無(wú)中線系統(tǒng)的瞬時(shí)有功功率計(jì)算公式為:

對(duì)于艦船電網(wǎng)和許多處于系統(tǒng)末端的低壓電網(wǎng)而言，由于電網(wǎng)規(guī)模通常較小，電纜的阻抗值也較小，當(dāng)系統(tǒng)中出現(xiàn)直接金屬短路故障時(shí)，短路狀態(tài)下測(cè)量點(diǎn)的電壓幅值可能會(huì)降到幾乎為0。如果直接用當(dāng)前電流和當(dāng)前電壓通過(guò)式(6)來(lái)計(jì)算功率，可能會(huì)造成計(jì)算結(jié)果接近于0，從而失去判斷意義。

本算法在實(shí)現(xiàn)時(shí)，所用的電流值是當(dāng)前的采樣值，而電壓值則是上1個(gè)周波對(duì)應(yīng)時(shí)刻的電壓采樣值。這樣計(jì)算出的功率雖然是虛擬的，但當(dāng)電網(wǎng)正常運(yùn)行時(shí)，電網(wǎng)電壓周期性的重復(fù)，上1個(gè)周波的電壓與當(dāng)前周波的電壓基本一致，計(jì)算的“虛擬功率”與實(shí)際功率基本相同;而當(dāng)短路故障發(fā)生時(shí)，由于算法中所用的電壓值并不會(huì)立即發(fā)生變化，而只有電流值發(fā)生變化，此時(shí)虛擬功率的變化情況則完全對(duì)應(yīng)著短路電流的變化，因此可以用檢測(cè)功率代替檢測(cè)電流來(lái)判斷短路故障是否發(fā)生。相對(duì)于幅值檢測(cè)算法，瞬時(shí)功率的檢測(cè)算法更為簡(jiǎn)潔，檢測(cè)速度更快。

通過(guò)上述處理后，對(duì)于1個(gè)工頻周波采用樣點(diǎn)數(shù)為N的數(shù)字采樣系統(tǒng)，在第k拍采樣過(guò)程中，式(6)對(duì)應(yīng)的數(shù)字表達(dá)為:

3 微處理器的選擇與算法實(shí)現(xiàn)

常見的微處理器主要有單片機(jī)和數(shù)字信號(hào)處理器(Digital Signal Processor，DSP)。相對(duì)于作為通用控制器的單片機(jī)而言，DSP芯片采用數(shù)據(jù)總線和程序總線相分離的特殊微處理器結(jié)構(gòu)，其在1個(gè)指令周期內(nèi)就可以完成1次乘法和1次加法運(yùn)算，其計(jì)算速度更快，程序運(yùn)行效率更高，是一種面向高速、密集型數(shù)值運(yùn)算的實(shí)時(shí)處理芯片。

本裝置采用TI公司數(shù)字信號(hào)處理器TMS320F2407A做為主控芯片，該DSP芯片采用了高性能靜態(tài)CMOS技術(shù)，具有40MIPS的高速運(yùn)算能力，具有32K字的FLASH程序存儲(chǔ)器、1.5K字的數(shù)據(jù)/程序RAM、544字雙口RAM和2K字單口RAM、16路10位A/D轉(zhuǎn)換通道，其豐富的外部接口和強(qiáng)大的數(shù)據(jù)處理功能，完全能滿足上述算法的計(jì)算需求。為了保證實(shí)時(shí)檢測(cè)和同步測(cè)量的要求，DSP的采樣和故障檢測(cè)算法均在周期中斷中完成，其軟件算法的流程圖如圖1所示。

4 脫扣信號(hào)輸出電路

圖1 快速檢測(cè)算法流程圖Fig.1 Fast detecting algorithm flowchart

利用斷路器的外部脫扣端子，本裝置可以輸出脫扣信號(hào)使斷路器脫扣跳閘。為保證在短路故障下響應(yīng)動(dòng)作的快速性，本裝置在設(shè)計(jì)中采用了基于固態(tài)繼電器的保護(hù)信號(hào)輸出電路設(shè)計(jì)，如圖2所示。

圖2 脫扣信號(hào)輸出電路Fig.2 Break signal output diagram

固態(tài)繼電器CX240D5R具有高輸入阻抗、低輸出阻抗的特性，自身功耗小，響應(yīng)速度快，只需要用簡(jiǎn)單的電路就可以驅(qū)動(dòng)其開關(guān)。由于固態(tài)繼電器采用電子開關(guān)代替?zhèn)鹘y(tǒng)繼電器中電磁線圈和機(jī)械結(jié)構(gòu)，開通過(guò)程的典型時(shí)間小于0.1 ms，動(dòng)作速度遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于傳統(tǒng)繼電器。

5 試驗(yàn)結(jié)果

基于本文所提出的快速檢測(cè)方法和設(shè)計(jì)方案，以DSP做主控芯片，配合12位的A/D芯片AD7864以及通用電壓電流互感器DVDI-01組成數(shù)字檢測(cè)系統(tǒng)，研制出艦船電網(wǎng)智能脫扣器，并利用所內(nèi)的電力系統(tǒng)動(dòng)態(tài)模擬試驗(yàn)室完成相關(guān)試驗(yàn)研究。

圖3和圖4為本智能脫扣器快速檢測(cè)電網(wǎng)三相和相間短路故障的試驗(yàn)結(jié)果，Uab，Ubc，Uca分別為三相線電壓波形，Ia為A相電流，曲線S為本裝置檢測(cè)到短路故障后發(fā)出的保護(hù)信號(hào)。短路電流的峰值較大，超出了記錄范圍，因而電流波形出現(xiàn)了一定的削頂現(xiàn)象。保護(hù)信號(hào)S為外接的直流12 V電平信號(hào)，為了能和電壓電流波形在同一窗口內(nèi)清晰地觀察，在記錄時(shí)將其幅值適當(dāng)放大。

由試驗(yàn)結(jié)果可見，不論是三相還是相間短路故障，本裝置均可以在短路電流遠(yuǎn)未上升到峰值之前做出判斷，其檢測(cè)判斷時(shí)間僅為2～4 ms，相比與常規(guī)的短路電流檢測(cè)方案，其檢測(cè)速度大大提高。

由于試驗(yàn)裝置的電流互感器并未采用高飽和倍數(shù)的專用互感器，僅采用了常規(guī)測(cè)量用的普通電流互感器，從實(shí)驗(yàn)波形中也可以看到，檢測(cè)到的互感器二次側(cè)電流出現(xiàn)磁飽和現(xiàn)象。但即便如此，快速檢測(cè)裝置依然能準(zhǔn)確地判斷出短路故障，體現(xiàn)出本方案對(duì)檢測(cè)器件具有良好的適應(yīng)性。

6 結(jié)語(yǔ)

針對(duì)常規(guī)智能脫扣器通過(guò)電流幅值判斷短路故障、檢測(cè)速度較慢的問(wèn)題，本文提出了實(shí)時(shí)檢測(cè)電網(wǎng)電壓幅值和瞬時(shí)有功功率，通過(guò)對(duì)電壓的異常跌落和功率的異常變化進(jìn)行綜合判斷來(lái)識(shí)別短路故障的快速檢測(cè)方案，并基于DSP TMS320F2407A研制出數(shù)字化智能脫扣器。相關(guān)試驗(yàn)結(jié)果表明，本文研制的智能脫扣器能快速、有效的檢測(cè)出電力系統(tǒng)中的短路故障，具有良好的適用性和廣闊的應(yīng)用前景。

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