基于DSP的艦船電網智能脫扣器設計

吳浩偉，周 樑，楊 勇，徐正喜

(武漢第二船舶設計研究所，湖北 武漢 430064)

0 引言

國內艦船電網目前所采用的斷路器，其短路保護原理主要是利用短路電流所產生的電磁力或熱效應使斷路器保護跳閘，在某些場合已經不能滿足現代艦船電力系統的發展需求。

隨著計算機和數字信號處理技術的飛速發展，基于微控制器的斷路器智能脫扣器迅速成為研究熱點［1－3］。此類智能脫扣器雖然采用了現代數字檢測和處理技術，但其檢測原理依然主要是利用檢測電流幅值來判定短路故障是否發生。此外，由于短路電流中不僅存在快速衰減的非周期分量，而且動態變化范圍大，加之檢測環節存在互感器磁飽和等多種因素的影響，直接對短路電流的幅值進行準確檢測十分困難，因此此類方法通常要求短路電流遠大于額定值時才能準確地做出短路故障判斷。由于受到線路阻抗、短路初始狀態以及短路電流上升率的影響，達到判斷閾值可能需要較長的時間，此類檢測方法的快速性難以得到保證。

針對三相三線不接地的艦船電力系統，由于電網的線纜長度較短、線路阻抗低，發生短路故障時電壓跌落、電流增大這一特征狀態明顯。利用這一特征狀態，本文提出了一種基于DSP的數字化智能脫扣器設計方案，通過實時檢測電網電壓和功率的異常變化來快速檢測電網中的短路故障。此外，利用本文所提出的虛擬功率的概念和計算方法，在短路故障情況下，瞬時功率檢測等同于短路電流的幅值檢測，而且其算法更簡單、更易于實現。通過對2個判據進行綜合判斷，其檢測速度和判斷準確性優于傳統單一的電流檢測方案。

1 電壓快速檢測算法

在交流電壓幅值檢測算法上，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稱系統，而對于單相系統或者三相系統的非三相同時短路故障，通常不能直接運用［5］。

為考慮一般性，對任意交流信號u(t)=Usin(ωt+θ)，在采樣頻率為ωs下的連續3次數字采樣信號為:

式中，N為1個工頻周波內的采樣次數。

由式(5)可以看到，對于任意正弦信號只需要3點連續的數字采樣信號就可以計算出信號的峰值，進而得到信號的幅值。該算法簡單快速、適應面廣。由于實際電壓波形中往往有大量諧波成分存在，以及算法本身會放大高頻噪聲，因此該算法的計算結果在實際使用中需要數字濾波器進行濾波處理。

2 功率快速檢測算法

根據傳統功率理論，功率是系統單位時間內的做功量，是1個平均值概念，因此即使通過快速FFT計算也需要1個周波才能得到功率信息，這樣的檢測速度不能滿足某些特殊領域內快速檢測和快速保護的要求。

根據瞬時無功功率理論［6］，文獻［7］推導了三相無中線系統的瞬時有功功率計算公式為:

對于艦船電網和許多處于系統末端的低壓電網而言，由于電網規模通常較小，電纜的阻抗值也較小，當系統中出現直接金屬短路故障時，短路狀態下測量點的電壓幅值可能會降到幾乎為0。如果直接用當前電流和當前電壓通過式(6)來計算功率，可能會造成計算結果接近于0，從而失去判斷意義。

本算法在實現時，所用的電流值是當前的采樣值，而電壓值則是上1個周波對應時刻的電壓采樣值。這樣計算出的功率雖然是虛擬的，但當電網正常運行時，電網電壓周期性的重復，上1個周波的電壓與當前周波的電壓基本一致，計算的“虛擬功率”與實際功率基本相同;而當短路故障發生時，由于算法中所用的電壓值并不會立即發生變化，而只有電流值發生變化，此時虛擬功率的變化情況則完全對應著短路電流的變化，因此可以用檢測功率代替檢測電流來判斷短路故障是否發生。相對于幅值檢測算法，瞬時功率的檢測算法更為簡潔，檢測速度更快。

通過上述處理后，對于1個工頻周波采用樣點數為N的數字采樣系統，在第k拍采樣過程中，式(6)對應的數字表達為:

3 微處理器的選擇與算法實現

常見的微處理器主要有單片機和數字信號處理器(Digital Signal Processor，DSP)。相對于作為通用控制器的單片機而言，DSP芯片采用數據總線和程序總線相分離的特殊微處理器結構，其在1個指令周期內就可以完成1次乘法和1次加法運算，其計算速度更快，程序運行效率更高，是一種面向高速、密集型數值運算的實時處理芯片。

本裝置采用TI公司數字信號處理器TMS320F2407A做為主控芯片，該DSP芯片采用了高性能靜態CMOS技術，具有40MIPS的高速運算能力，具有32K字的FLASH程序存儲器、1.5K字的數據/程序RAM、544字雙口RAM和2K字單口RAM、16路10位A/D轉換通道，其豐富的外部接口和強大的數據處理功能，完全能滿足上述算法的計算需求。為了保證實時檢測和同步測量的要求，DSP的采樣和故障檢測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 脫扣信號輸出電路

圖1 快速檢測算法流程圖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使斷路器脫扣跳閘。為保證在短路故障下響應動作的快速性，本裝置在設計中采用了基于固態繼電器的保護信號輸出電路設計，如圖2所示。

圖2 脫扣信號輸出電路Fig.2 Break signal output diagram

固態繼電器CX240D5R具有高輸入阻抗、低輸出阻抗的特性，自身功耗小，響應速度快，只需要用簡單的電路就可以驅動其開關。由于固態繼電器采用電子開關代替傳統繼電器中電磁線圈和機械結構，開通過程的典型時間小于0.1 ms，動作速度遠遠高于傳統繼電器。

5 試驗結果

基于本文所提出的快速檢測方法和設計方案，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組成數字檢測系統，研制出艦船電網智能脫扣器，并利用所內的電力系統動態模擬試驗室完成相關試驗研究。

圖3和圖4為本智能脫扣器快速檢測電網三相和相間短路故障的試驗結果，Uab，Ubc，Uca分別為三相線電壓波形，Ia為A相電流，曲線S為本裝置檢測到短路故障后發出的保護信號。短路電流的峰值較大，超出了記錄范圍，因而電流波形出現了一定的削頂現象。保護信號S為外接的直流12 V電平信號，為了能和電壓電流波形在同一窗口內清晰地觀察，在記錄時將其幅值適當放大。

由試驗結果可見，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未上升到峰值之前做出判斷，其檢測判斷時間僅為2～4 ms，相比與常規的短路電流檢測方案，其檢測速度大大提高。

由于試驗裝置的電流互感器并未采用高飽和倍數的專用互感器，僅采用了常規測量用的普通電流互感器，從實驗波形中也可以看到，檢測到的互感器二次側電流出現磁飽和現象。但即便如此，快速檢測裝置依然能準確地判斷出短路故障，體現出本方案對檢測器件具有良好的適應性。

6 結語

針對常規智能脫扣器通過電流幅值判斷短路故障、檢測速度較慢的問題，本文提出了實時檢測電網電壓幅值和瞬時有功功率，通過對電壓的異常跌落和功率的異常變化進行綜合判斷來識別短路故障的快速檢測方案，并基于DSP TMS320F2407A研制出數字化智能脫扣器。相關試驗結果表明，本文研制的智能脫扣器能快速、有效的檢測出電力系統中的短路故障，具有良好的適用性和廣闊的應用前景。

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