基于DSP的艦船交流電力系統保護裝置設計

楊勇 耿攀 袁陽

(1. 武漢第二船舶設計研究所，武漢 430064；2. 海軍駐431廠軍事代表室，遼寧葫蘆島 125004)

0 引言

在電網結構保護研究中，采用了以兩臺大功率逆變電源、綜合動力系統集中監控臺、交流主配電板、交流系統運行保護裝置為核心的交流電網結構。大功率逆變電源與傳統發電機不同，系統保護要求也不同。系統發生短路發生時，大功率逆變電源輸出電流自動限流至1300 A，500 ms以內不停機，如果短路超過時間限制，交流系統運行保護裝置自動分斷斷路器，以保護逆變電源和系統安全；當兩臺逆變電源需要并聯運行時，交流系統運行保護裝置實時檢測兩臺大功率逆變電源輸出電壓的頻率、電壓和相位，如果不滿足并聯條件，限制并聯合閘的操作；在逆變電源并聯過程中，為防止電壓瞬間上升，保護裝置設置了過壓保護功能，保護逆變電源和系統設備；系統工作在逆變電源單機工作工況時，保護裝置實現誤操抑制功能，防止兩臺大功率逆變電源并聯。現有斷路器不能滿足系統保護要求，根據大功率逆變電源運行特性，專門研制了交流系統運行保護裝置，作為交流電力系統保護設備。

交流系統運行保護裝置直接控制對象為兩臺AC390 V 50 Hz大功率逆變電源輸出斷路器、交流母聯斷路器，按照綜合動力系統集中監控臺發出的指令，根據兩臺逆變電源狀態實現對兩臺逆變電源并聯運行的控制和保護。確保交流電網供電的可靠性、安全性，提高系統運行保護控制的自動化水平。

1 實施方案

交流系統運行保護裝置上電工作后，開始接收交流主配電板上斷路器各斷路器的狀態信號和兩臺大功率逆變電源的電壓、頻率等信號。

保護裝置主要實現下列功能：

（1）欠壓保護：當大功率逆變電源輸出電壓低于額定電壓390V的70%時，保護裝置控制大功率逆變電源輸出斷路器延時跳閘，延時時間在0.5 s～1 s內可調。交流主配電板上兩臺大功率逆變電源斷路器 Q21和 Q22短延時保護時間為 400 ms，大功率逆變電源設置的短路限流保護時間為 500 ms，保護裝置在這里做為后備保護；

（2）并聯保護：對兩臺大功率逆變電源輸出電壓的相位、頻率和電壓進行檢測，設定壓差△U＜5%U額定，頻差△f＜0.2 Hz，△Ψ＜5°，上面三個條件都滿足，允許并聯合閘操作，任一條件不滿足，不允許系統并聯。如果滿足同步條件，允許進行正常并網；如果不滿足同步條件，則檢測各個斷路器狀態，未合的斷路器不能閉合，阻止兩臺大功率逆變器完成并聯的操作；

（3）邏輯連鎖解除：當綜合動力系統集中監控臺上交流系統運行保護裝置“投入/切除”開關打在“切除”位置時，交流系統運行保護裝置不投入工作，保護裝置內合閘輸出回路的常閉觸點閉合，解除該邏輯聯鎖，使交流主配電板上Q21、Q22和Q24三個斷路器的合閘操作不受本裝置影響。

（4）斷電保護：若裝置斷電，或內部電源模塊故障，保護裝置內合閘輸出回路的常閉觸點閉合，解除該邏輯聯鎖，使交流主配電板上Q21、Q22和母聯Q24三個斷路器的合閘操作不受本裝置影響；

（5）過壓保護：實現對大功率逆變電源輸出電壓的過壓保護。當大功率逆變電源輸出電壓高于額定電壓390 V的5%時，裝置控制大功率逆變電源輸出斷路器延時跳閘，延時時間在0.5～1 s范圍內可調；

（6）誤操抑制：當綜合動力系統集中監控臺上“獨立/并聯”開關打在“獨立”位置時，保護裝置通過邏輯判斷，抑制交流主配電板上Q21、Q22和 Q24這三個斷路器的同時合閘操作，阻止兩臺大功率逆變器并聯。

控制系統結構圖見圖 1。輸入信號包括兩臺大功率逆變電源的電壓信號、斷路器的狀態信號和逆變電源的工作狀態信號等；輸出信號包括斷路器合閘回路和分閘回路控制信號。

2 電路設計

硬件電路包括兩臺逆變電源的電壓檢測電路、A/D轉換電路、斷路器信號檢測及隔離電路等。

圖1 控制系統結構圖

圖2 硬件框圖

DSP TMS320LF2407A內置10位A/D轉換器，轉換精度不滿足使用要求，在本設計中，選用4路輸入、12位并行輸出A/D轉換芯片AD7864，其接口特性容易與TMS320LF2407A配合。

2.1 電壓信號隔離采樣電路

逆變電源電壓信號經變壓器、調理電路、RC濾波，經A/D轉換后將信號送入DSP。

2.2 DSP電路

處理 A/D變換數據和輸入的開關量信號，輸出驅動保護信號。A/D采樣數據經 FFT和相關計算后，得到輸入交流電壓信號的電壓有效值和相位，計算出交流電壓信號頻率和相位差。

2.3 開關量信號隔離電路

當開關量信號輸入/輸出時，經過光耦的隔離作用，使輸入/輸出信號與 DSP周圍電路在電路上進行了隔離，可以有效保護DSP芯片。

圖3 主程序流程圖

3 保護裝置軟件設計

軟件設計采用 C語言和匯編語言混合編程，采樣中斷服務程序需進行大量數據計算，采用匯編語言可以提高 CPU執行程序效率，主程序采用 C語言編程，提高了程序的可讀性，程序結構的清晰。程序流程圖如圖3所示。A/D采樣子程序采用中斷查詢方式，采樣頻率 1600 Hz。

4 試驗驗證

在電力系統動態模擬試驗室構建試驗臺架，驗證了保護裝置的工作性能。

（1）當逆變電源獨立工作時，實現兩臺逆變器的欠壓/過壓控制保護；實現防止兩臺逆變器并聯的誤操抑制功能。

（2）當系統處于逆變電源預并聯工作狀態時，檢測各斷路器的狀態信號，檢測兩臺逆變電源輸出的電壓信號，當電壓差△U＜5%U額定，頻差△f＜0.2 Hz，△Ψ＜5°時允許并聯合閘，任一條件不滿足都不允許系統并聯。并網完成后，實時檢測電網電壓信號，如有異常，相應斷路器分閘，以保護系統安全。

圖4 欠壓保護跳閘波形圖

圖4中，某一路電壓信號低于電網額定電壓的70%后，相應斷路器跳閘。

5 結語

本文介紹了一種艦船交流電力系統保護裝置的設計與實現，在系統處于不同工作狀態下實現系統欠壓與過壓保護、誤操抑制保護和非同期合閘保護，達到了設計的預期要求。裝置經過試驗室調試、系統聯調后已交付使用，運行穩定。

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