（电力系统及其自动化专业论文）船用同步发电机监控保护单元的研究.pdf

同济大学电子与信息工程学院 硕士学位论文 船用同步发电机监控保护单元的研究 姓名：李泽焱 申请学位级别：硕士 专业：电力系统及其自动化 指导教师：牟龙华 20090101 摘要 摘要 海上运输的不断发展客观上推动着船舶向大型化，高速化和自动化方向发 展，自六十年代以来对船舶电网提出了自动化的要求。船舶电站自动化的目的， 主要在于最大限度地保持船舶供电的连续性，提高供电设备的可靠性和供电质 量。船用发电机监控保护单元是针对船用发电机及其部分配电设备进行监测、 控制、保护的设备，是船舶电站的主要组成部分，也是实现整个船舶电站自动 控制系统功能的核心和重点。我国古代船舶在船体结构和动力方面，在世界造 船、航运史上创造了不少辉煌的记录，但是近百年来，我国船电工业落后西方 较大的距离。因此，从8 0 年代以来，我国积极从国外引进船用电气设备制造的 先进技术，加以消化吸收，并积极开展国际交流和学术交流活动，推动我国的 船舶电站向自动化方向的发展。 针对上述问题，本文首先对船用同步发电机及船舶电网进行了简要介绍， 对船用同步发电机监控保护单元的两大基本功能并网与功率平衡进行了深 入的原理分析，改进了并网与功率平衡的算法。同时，设计了以d s p i c 高速微 控制器为核心的船用同步发电机监控保护单元，详细介绍了其硬件电路原理。 根据嵌入式操作系统uc o s 的特点，介绍了基于嵌入式操作系统的船用同步发 电机监控保护单元的软件架构及其各功能模块的软件实现。最后，分析讨论了 同步发电机监控保护单元的试验数据并提出了不足之处与改进方法。 关键词：船舶电站，船用同步发电机，并网，功率平衡，保护测控 a b s t r a c t a b s t r a c t t h ec o n t i n u o u sd e v e l o p m e n to fm a r i t i m et r a n s p o r tp r o m o t e dt h ed e v e l o p m e n t o fs h i p ，w h i c hi sa i m e dt ob e1 a r g e s c a l e ，h i 曲s p e e da n da u t o m a t i z e d s i n c et h e6 0 s t h en e e df o ra u t o m a t i o no fm a r i n ep o w e r 鲥dh a sb e e np r o p o s e d t i l ep u r p o s eo f m a r i n ep o w e rs t a t i o na u t o m a t i o ni st om a i n t a i nt h ec o n t i n u i t yo fe l e c t r i c i t ys u p p l y , t o i m p r o v et h er e l i a b i l i t ya n dq u a l i t yo fp o w e rs u p p l ye q u i p m e r i t t h em o n i t o r i n ga n d p r o t e c t i o nu n i to fm a r i n eg e n e r a t o r , w h i c hi st h em a i nc o m p o n e n to ft h em a r i n e p o w e rs t a t i o na n dt h ec o r ea n dk e yp o i n to ft h er e a l i z a t i o no ft h ee n t i r es h i pp o w e r s t a t i o na u t o m a t i cc o n t r o ls y s t e m ，i st h em o n i t o r i n g , c o n t r o l l i n ga n dp r o t e c t i n g e q u i p m e n to fm a r i n eg e n e r a t o ra n dp a r t so fi t sd i s t r i b u t i o ne q u i p m e n t i nt h eh u l l s t r u c t u r ea n dp o w e rp a r t s ，c h i n a sa n c i e n ts h i p sm a d el o t so fb r i l l i a n tr e c o r d si nt h e w o r l d w i d es h i p b u i l d i n g , s h i p p i n gh i s t o r y b u ti nt h el a s tc e n t u r y , t h em a r i n ep o w e r i n d u s t r yo fc h i n aw a sh u g e l yb e h i n dt h ew e s t t h e r e f o r e ，s i n c et h e8 0 s ，c h i n ah a s g r e a t l yi m p o r t e da d v a n c e dt e c h n o l o g i e si nm a r i n ee l e c t r i c a le q u i p m e n tm a n u f a c t u r e f r o ma b r o a d t h e nc h i n ad i g e s t e da n da b s o r b e dt h e m ，c a r r i e do u tl o t so f i n t e r n a t i o n a l e x c h a n g e s a n da c a d e m i c e x c h a n g e a c t i v i t i e st o p r o m o t e t h e d e v e l o p m e n to fa u t o m a t i o no fo u rc o u n t r y sm a r i n ep o w e rs t a t i o na u t o m a t i o n i nr e s p o n s et ot h e s ei s s u e s f i r s tt h ea u t h o r b r i e f l yi n t r o d u c e dm a r i n e s y n c h r o n o u sg e n e r a t o ra n dm a r i n ep o w e rg r i d s t h e ng r i d c o n n e c t i o na n dp o w e r b a l a n c e ，t h et w ob a s i cf u n c t i o n so ft h em o n i t o t i n ga n dp r o t e c t i o nu n i to fm a r i n e s y n c h r o n o u sg e n e r a t o r , w e r ei nd e p t ha n a l y z e di np r i n c i p l ea n dt h ea l g o r i t h m so f t h e mw e r ei m p r o v e d i nt h em e a n t i m e ，t h ea u t h o rd e s i g n e da m o n i t o r i n g ，c o n t r o l l i n g a n dp r o t e c t i o nd e v i c eo fam a r i n es y n c h r o n o u sg e n e r a t o lw h i c hu s e sd s p i c a h i g l l s p e e dm i c r o c o n t r o u e r , a st h ec o r ec o n t r o l l e r t h e nt h ea u t h o ri n t r o d u c e di t s h a r d w a r ec i r c u i tp r i n c i p l e a c c o r d i n gt ot h ef e a t u r eo fuc o s a ne m b e d d e d o p e r a t i n gs y s t e m ，t h ea u t h o ri n t r o d u c e dt h es o f t w a r ea r c h i t e c t u r eo ft h em o n i t o t i n g a n dp r o t e c t i o nu n i to ft h em a r i n es y n c h r o n o u sg e n e r a t o ra n dt h er e a l i z a t i o no fi t s f u n c t i o nm o d u l e s ，w h i c hi sb a s e do nt h ee m b e d d e do p e r a t i n gs y s t e m f i n a l l y , t h e a u t h o ra n a l y z e da n dd i s c u s s e dt e s td a t ao ft h em o n i t o r i n ga n dp r o t e c t i o no f s y n c h r o n o u sg e n e r a t o ru n i ta n dm a d et h ei n s u 伍c i e n c i e sa n dd e v e l o p i n gm e t h o d s k e yw o r d s ：m a r i n ep o w e rs t a t i o n ，m a r i n es y n c h r o n o u sg e n e r a t o r , g r i d - c o n n e c t i o n ， p o w e rb a l a n c e ，p r o t e c t i o na n dm o n i t o r i n g 2 学位论文版权使用授权书 本人完全了解同济大学关于收集、保存、使用学位论文的规定， 同意如下各项内容：按照学校要求提交学位论文的印刷本和电子版 本；学校有权保存学位论文的印刷本和电子版，并采用影印、缩印、 扫描、数字化或其它手段保存论文；学校有权提供目录检索以及提供 本学位论文全文或者部分的阅览服务；学校有权按有关规定向国家有 关部门或者机构送交论文的复印件和电子版；在不以赢利为目的的前 提下，学校可以适当复制论文的部分或全部内容用于学术活动。 学位论文作者签名： 专 微 卅年7 月7 日 经指导教师同意，本学位论文属于保密，在年解密后适用 本授权书。 指导教师签名：学位论文作者签名： 年月日年月日 同济大学学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师指导下，进行 研究工作所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本学位论文 的研究成果不包含任何他人创作的、已公开发表或者没有公开发表的 作品的内容。对本论文所涉及的研究工作做出贡献的其他个人和集 体，均己在文中以明确方式标明。本学位论文原创性声明的法律责任 由本人承担。 签名： 加p 年 杏牧 ；月 ) 日 第一章绪论 1 1 引言 第一章绪论 船舶电站是指船舶上将非电能形式的能量转为符合要求的电能，并向船舶 电网供电的设备的总称。它由原动机、发电机和主配电装置组成。其是船舶电 力系统的核心，船舶电站自动化是机舱自动化的重要组成部分。船舶电站自动 化的目的，主要在于最大限度地保持船舶供电的连续性，提高供电设备的可靠 性和供电质量。船舶电站运行的可靠性、经济性对保证船舶安全、经济的航行 具有重要意义。为了实现船舶电站自动化，需要满足两方面要求：一方面是单 元自动化，即船舶发电机组的起动、并联运行、频率调节、负荷分配与转移、 解列和停机以及各种保护功能须具有自动操作的能力；另一方面是在各个单元 自动功能的基础上，进行总体规划，使各单元自动功能按所设定的逻辑联系起 来，形成一个有机的整体系统。 随着船舶自动化程度的不断提高，国外工业化国家在八十年代中期就开始 了“未来船舶”的研究工作。我国古代船舶在船体结构和动力方面，在世界造 船、航运史上创造了不少辉煌的记录。但是近百年来，我国船电工业落后西方 较大的距离，目前其仍处于落后状态，据中国船舶工业总公司的统计资料显示， 中国船用配套设备国产化率仅为2 0 - 3 0 ，在配套设备中，船舶电气与监控系统 国产化率更低，大约有9 0 来自国外。从8 0 年代开始，我国积极从国外引进船 用电气设备制造的先进技术，加以消化吸收，并积极开展国际交流和学术交流 活动，按i e c 标准修订我国船电设备的标准，以适应船舶向大型化、自动化方 向发展的需要。 船用发电机监控单元是对船用发电机及其部分配电设备进行检测、控制、 保护的设备，是船舶电站的主要组成部分，也是实现整个船舶电站自动控制系 统功能的核心和重点。可见，开发具有自主产权的船舶发电机配套设备替代进 口产品，意义非常明显。 1 2 船用同步发电机组网的现状与发展综述 第一章绪论 在国际上，船舶自动化的进展十分迅速，已经渐渐淘汰二十世纪六七十年 代的由继电器、接触器组成的有触点控制系统与由晶体管分立元件或集成元件 组成的逻辑控制系统。在8 0 年代中期以来，随着计算机技术特别是微型计算机 技术的飞速发展，计算机在自动化领域的应用越来越广。可编程序控制器( p l c ) 控制、单片机控制、s t d 和p c 工业总线控制等工业控制途径都能够较好的用于 生产实践，并已推广应用到船舶自动控制上。如：w o o d w a r d 公司于1 9 9 5 年推 出了专用于电站控制的计算机分布式( d e s ) 控制系统，完成了柴油机控制、同 步并联运行、频率控制和系统监测等全部自动化任务。美国o n a n 公司也推出了 智能化电站控制系统p o w e r c o m m a n d ，可以实现全部电站自动化任务。同时，局 域网络化控制技术也越来越受到厂商的青睐，越来越多地被使用在了船舶控制 上。如德国西门子公司的未来型系统，丹麦s t l 公司的i s c 系统，美国的s p e r r y 公司的航行管理系统等。在上述系统中都包括电站计算机控制子系统。所以说， 以计算机与微处理器为控制核心，网络化集散式的控制系统，代表了船舶电力 系统自动化发展的方向【1 6 , 1 7 , 2 0 - 2 4 。 我国这方面也进行过一些研究，但是和世界主要造船国家相比，我国这方 面有较大差距，主要原因是我国的技术不够先进，尚未与国际接轨。我国是船 舶制造、维修、运输的大国，船舶的制造、维修市场空间巨大，国产化的高科 技含量的控制产品市场需求迫切，潜力巨大。 船用同步发电机的并网与功率调节技术是本文的主要研究。目前国内外主 要采用模拟控制、数字控制两大类的方案来实现该功能，并将其作为船舶电站 功能的重要组成部分。一类方案是采用模拟量控制装置来实现自动并网与功率 平衡，如德国西门子公司的e e a 一2 2 船舶电站自动控制系统就是其中的一种， “e p f 一3 型自动调频调载装置9 9 9 “s g a 2 3 发电机自动控制单元 也是采用模拟 量的控制装置。这种方案的优点在于，其已经发展比较成熟，并已得到广泛的 应用，经过了大量的实践检验。但其缺点也是十分明显的，模拟量控制装置是 依靠大量硬件来实现控制的功能，元件繁多，电路复杂，价格昂贵。另一类方 案是采用数字控制装置来实现同样的功能。如上海船研所c y 8 8 0 0 型电站微机控 制系统( 采用8 0 9 8 单片机为控制核心) ，利用微机进行自动并联运行，电路简 单，控制准确，避开了使用大量硬件，体现了数字控制的先进性，但其装置的 抗干扰能力略显薄弱【2 5 - - 3 0 1 。 随着微机控制技术的进一步发展，由于数字量控制装置拥有着控制操作方 2 第一章绪论 便，使用元器件少，节约成本，所占空间小等其它装置无法比拟的优点，在其 经过了越来越多的实践检验之后，必将得到越来越广泛的应用。 1 3 船用发电机监控保护单元的功能要求与应用现状 本监控单元拟采用微控制器作为其控制的核心，其控制保护功能的各项技 术指标如下： 1 ) 柴油机转速的微调，保证同步发电机发出的电能频率恒定，调节精度： 5 0 0 5 h z ； 2 ) 同步发电机有功与无功功率的控制与调节，调节精度：0 5 ( 为 发电机的额定功率) ； 3 ) 同步发电机输出电压的控制与调节，调节精度：2 5 虬( q 为发电 机的额定电压) ； 4 ) 发电机组的并网控制，精度要求： ( a ) 并网合闸频差可调范围0 1 o 5 h z ； ( b ) 并网合闸电压调节精度2 5 虬( 以为发电机的额定电压) ； ( c ) 并网频率跟踪范围3 h z ； 5 ) 发电机组的解列控制，当发电机组功率转移至机组额定功率5 以下停 机解列。 本监控单元同步发电机保护功能及其各项技术指标如下： 1 ) 过流( 短路) 保护 动作要求：速断保护，响应时间在l o o m s 以内。 2 ) 过载保护 动作要求：根据基于热积累的发电机反时限特性，按过载程度的不同 与过载持续时间的差别进行保护。 3 ) 逆功率保护 动作要求：逆功功率大于额定功率的2 0 ，且持续5 s ，判定为逆功。 4 ) 过压保护 动作要求：发电机组当前电压大于1 2 5 额定电压，动作电压可调，动 第一章绪论 作时间小于l s ， 5 ) 欠压保护 动作要求： 作时间小于5 s ， 6 ) 断相保护 动作要求： 时间小于l s 。 闭锁3 s 后装置单元自动复位。 发电机组当前电压小于7 0 额定电压，动作电压可调，动 闭锁3 s 后自动复位。 发电机组三分钟内累计一定次数检测出三相不平衡，动作 本监控单元其它功能要求： 1 ) 通信功能，实现与上位机通讯组网，上位机可查询本发电机的运行方式 与参数、运行状态、发生故障后的有关故障信息，遥控、各种参数远方修改， 实现“四遥功能。 2 ) 故障追忆功能，记录一定次数故障类型、时间，包括保护动作次数、故 障电流、电压值等。 3 ) 自检与故障诊断的功能，保护测控单元主要器件的自诊断，输入信号回 路的自诊断等。 我国现有海船众多，有些船舶只由一台发电机单独构成供电系统，但绝大 多数船舶的供电系统均由多台发电机组成。其中，绝大部分的供电系统仍采用 手动或技术相对落后的自动调频调载装置。这类装置大部分通过可编程序控制 器p l c 来实现统一管理。装置将操作管理程序事先没定在p l c 内，在配电显 示板上直接操作。目前，国外发达国家利用p l c 配合计算机或者是利用微控制 器控制供电系统的并网与功率平衡，将其作为构成船舶全自动电站的一部分， 其将操作管理程序外接到机舱监控报警系统中，与机舱监控报警系统合并为一 体，在该系统电脑中绘制船舶电站网络的模拟图，只需要点击相应的图标，就 可以控制所有的主发电机。这样，只需要操作一台装于集控台的电脑，就可以 达到所有的控制功能。该模式j 下是以后船舶电站控制的发展方向，其不但可以 使操作步骤大大简化，而且还能通过卫星网络对船舶电网在岸上实现远程监控。 该装置功能比较完善，技术也较先进，但造价十分昂贵。所以，将微控制器用 于船舶电站的并网与自动调频调载、并实现发电机的保护测控功能，是一次大 胆的尝试和有益的探索。 4 第一章绪论 1 4 本文的主要研究内容 本文主要研究了船用同步发电机并网与功率平衡方法及其算法实现，并开 发设计个智能高效、功能集成、适用面广的船用同步发电机监控保护单元及 其软件系统。 本文的研究内容主要分为以下几个部分： ( 1 ) 简要介绍船舶电网的功能及其发展现状，分析当前船用同步发电机监 控系统的局限，提出本装置的设计思路。 ( 2 ) 深入分析船用同步发电机的并网操作，结合现有并网操作方案，提出 并网操作算法的改进措施，并进行了算法分析与仿真。 ( 3 ) 深入分析船用同步发电机的功率平衡操作，提出并网操作算法的改进 措施，并进行了算法分析与仿真。 ( 4 ) 利用d s p i c 3 0 f 系列微处理器设计船用同步发电机监控保护单元，并介 绍各模块功能及设计要点。 ( 5 ) 介绍嵌入式操作系统g c o s 的特点，分析如何用g c o s 实现本装置软 件系统，并通过分任务的方式介绍了各个功能模块的软件结构及其编写方式。 ( 6 ) 介绍船用同步发电机监控保护单元的试验方案，通过现场实验数据给 出装置的存在问题分析与改进措施。 第三章船用同步发电机与船舶电网 第二章船用同步发电机与船舶电网 2 1 船用同步发电机及船舶电网简介 船用电力系统与地面电力系统的主要区别在于：船用电力系统是一个孤立 系统，其发电装置距用电装置比较近。船用电力系统的工程难度也较地面电力 系统大，必须使用更严格的工程措施来防止设备之间出现短路，其控制系统通 常都是一个高度集成、高度协同的整体。 船舶电力系统是独立电网，一般船舶只有一个电站，电站的容量就是电网 的容量。电网的容量相对负载来说是有限的。大容量负载启动时的冲击电流将 引起电网电压的急剧波动，因此对发电机调压器和原动机调速器的动态性能有 较高的要求。 在独立的电网中，调节运行发电机的电压或原动机的转速，将直接影响电 网的电压和频率，不像陆上的无穷大的电网，调节一台发电机的电压或频率， 无法左右电网的电压或频率，调节只能通过改变本身有功或无功功率的承担取 得平衡。基于这个概念，船舶电网对调节并联运行发电机的有功和无功功率分 配是很有必要的【3 。 船舶电力系统通常只有一个电站工作，任何导致断电的事故都将危及船舶 航行的安全。考虑到在无人看管的情况下运行，提出了船舶电站自动化的要求。 要求在未酿成断电事故之前限制事故扩大，启动备用机组投入运行，替换故障 机组，保证船舶电力系统供电的连续性。即使断电也应使断电时间最短。由于 船舶电站只局限在船舶的小范围内供电，线路距离短，阻抗低，而供电发电机 的台数又随船舶运行工况的不同而有所变化，因此在保护配合方面有较高的要 求。 目前，我国船舶电网的发电机均为同步发电机，其转子上的磁化绕组携带 直流电流，当原动机驱动转子转动时，三相定子绕组会在转子电流所产生磁场 的作用下，感应出三相正弦电压。感应电压的频率f ( h z ) 与转子的转速1 1 ( r m i n ) 以及同步发电机的极数p 成j 下比。即 f = ( p 2 ) 木( n 6 0 ) 三相正弦电压为 6 第三章船用同步发电机与船舶电网 2 2 船用同步发电机及船舶电网的功能 ( 2 1 ) 海上运输的不断发展客观上推动着船舶向大型化，高速化和自动化方向发 展，自二十世纪六十年代以来对船舶电网提出了自动化的要求。船舶电网自动 化的好处有：维持电网供电的持续性和可靠性，增强船舶运行的生命力；提高 船舶电网供电的质量；改善船员工作条件，减轻值班强度；提高劳动生产率， 提高船舶运行的经济指标。 船舶电网自动化通常包括以下功能： 1 对相关的电气参数和机械动作信号能够进行自动监测、报警、记录、显 示、打印，并有逻辑判断功能控制发电机组； 2 根据负载的情况发电机自动启动、投入运行和停车； 3 能限制多台机组同时接入及短路后的多次接入； 4 发电机和主母线自动同步和自动并车； 5 发电机组自动调整电压、自动调整各个机组之间的无功功率的分配； 6 发电机组自动调整频率、自动调整各个机组之问的有功功率的分配； 7 自动分级卸载，指船舶电站超负荷时自动卸掉一部分非重要的负载，并 可以实现多次卸载，以适应不同程度的过载条件，保证对船舶上的重要负载的 连续供电； 8 负载自动分级启动，其含义包括：一是指船舶电网从断电状态恢复供电 时，为了限制过大的冲击电流，使负载自动的分级启动，重要的负载先启动； 二是指自动分级卸载后，被卸去的负载在保证不引起发电机组重新过载的前提 下再次投入运行； 9 电气及机械故障时能够自动保护； 1 0 发电机组自动解列，发电机并联运行于轻载状态下，按确定顺序使运行 机组逐步退出电网，直到其余运行发电机组脱离轻载状态为止； 1 1 重载查询； o 叫j矿幻 c 、| 眨 m ， 一 一 f f 哩 缈 鳓 彩 ll，j、啊懈懈 1 1 鲫 驯 趾 反k 瓯 = = = 巳巳气 第三章船用同步发电机与船舶电网 1 2 主电站和应急电站供电的自动转换。 2 3 当前船用同步发电机及船舶电网监控系统的局限 为了实现上节提到的各种功能，早期船舶电站采用的是以继电器、接触器 为代表的有触点控制系统，后来逐渐被以晶体管分立元件和集成元件为核心的 无触点系统所代替。二十世纪七十年代，伴随着集成电路的集成度日新月异的 提高，微处理器诞生了。微处理器刚一出现便以它强大的运算能力、超常的运 行速度以及操作的简易赢得了工业界的青睐。一时间，微处理器在工业领域的 普及成为业界的一件大事，它的影响是深远的，直接导致了生产力的大幅度提 高，从而推动了社会经济的发展。八十年代以来，由微处理器控制的船舶电站 也开始出现，然而相形之下，微处理器在船舶工业中的应用还不及其它行业深 入，现有的船舶电站仍以分立元件的运用为主。 随着时间的推移，现代船舶电网渐渐呈现出如下的发展趋势【l 州4 】： 1 从常规的继电器、分立元件形式的控制发展到无触点控制，大规模集成 电路，结构化、模块化。采用了微机，包括可编程控制器，使控制部分的体积 重量大大减小、工作可靠性大大提高，控制方式也由硬件控制变成以软件控制 为主，使功能的组合、扩展或修改变的很容易。维护方便，模块通用性好。 2 计算机控制由大型机集中控制方式发展到多微机分散控制方式，使工作 的可靠性大大提高，进而出现由多级计算机构成的分布式控制系统、应用光纤 通讯和网络技术。对过流、欠压、逆功率等多数参数的监测报警和控制；电压、 频率、功率、电流、功率因数等参数及主开关通断状态等也在软配电板上有指 示。可随时实现全部点或选定点的召唤打印记录，这些记录可代替传统日志。 当被检测的参数值超出允许范围，则发出声光报警并自动打印记录，被测量参 数值的上下限可方便地整定和修改。 3 信号处理由模拟量信号处理发展到尽可能多的使用数字量信号处理和 通讯。 4 由就地人工分散控制发展到集控站控制，特别是对机舱的遥控，实现了 无人值班机舱。 我国船舶电网监控系统相对于西方发达国家仍比较落后，电网监控智能化， 网络化的程度不高。近些年来，我国虽然也在这方面做了许多研究，也取得了 第二章船用同步发电机与船舶电网 一定的成果m , 4 7 , 4 9 1 。但是，目前我国的大多数的电网监控系统仍以p l c 控制器 或是低端的单片机为其控制核心。在结构上大多采用分布式控制系统，尽管分 布式控制系统已经得到了很大的发展与完善，使控制系统趋于综合和成熟。但 是其仍存在两大缺点1 ) 分布式系统使用非标准的通信网络，各个公司的标准不 同，因此其是一个封闭式的系统且不具有开放互连性；2 ) 主从式的分布式系统 网络为三层结构模式：操作站控制站一现场仪表，其系统成本高而且容易因 系统总体网络失效而造成系统瘫痪。由于分布式控制系统的以上缺陷，目前有 日益为工业现场总线技术所取代的趋势h 4 , 4 5 。 但是随着近年来嵌入式微控制器的飞速发展，许多功能更强大、运算速度 更快的微控制器正逐步登上电气控制领域的舞台。许多船舶时下正使用的以p l c 或低端单片机为核心的监控系统，虽然在功能上能勉强满足电网监控的需要。 但由于其在运算速度与网络接口上天生的缺陷，使得其不能很好地适应目前船 舶电站网络化与智能化的发展趋势。 2 4 船用同步发电机监控保护单元的设计思路 基于上节所说明的目前我国船舶电网监控系统的局限，本监控保护单元将 采用以微控制器为核心，集监测、监控、保护与通信为一体的单元设计方案。 微控制器采用目前流行的高性能1 6 位单片机、集控制特点和d s p 高速运算的优 点于一身的控制芯片。在拥有高性能的微控制器的同时，丰富完善其网络接口， 以目前流行的c a n 工业控制总线为主，传统的r s 2 3 2 4 8 5 通信接口为辅，构建 其可靠性多样性组网手段，使之可以适应船舶电站网络化的不同需要。监控保 护单元将利用微控制器强大的逻辑计算与分析能力，完成与发电机相关的所有 模拟量的采集分析计算的工作，同时根据计算的结果，完成同步发电机所有的 保护、控制功能操作。 同时本监控保护单元利用嵌入式操作系统完成其软件设计，将流行的嵌入 式操作系统移植到监控保护单元使用的微控制器上，由其完成测控保护系统的 全部软、硬件资源的分配、调度，控制、协调并发活动。监控保护单元利用嵌 入式操作系统，可以提高充分发掘高速c p u 的潜力，其可靠性与开发效率，缩 短其开发周期。 嵌入式操作系统拟采用| lc 0 s l i ，其是著名的源代码公开的实时内核， 9 第三章船用同步发电机与船舶电网 是专为嵌入式应用而设计的，可用于8 位，1 6 位和3 2 位单片机或数字信号处 理器( d s p ) 。它在原版本l ac o s 的基础上做了重大改进与升级，并有了近十年 的使用实践，有许多成功应用该实时内核的实例。其具有公开源代码的特点， 因此比较容易就能把操作系统移植到本监控保护单元所用的硬件平台上；同时， 由于其绝大部分源代码是用c 语言写的，移植起来十分方便；它的可裁剪性， 使监控保护单元可以有选择的使用需要的系统服务，减少程序的存储空间，使 其更具有专用性。基于上述的各个特点，用uc o s i i 作为监控保护单元的软 件操作系统是十分合适的。 2 。5 本章小结 本章主要介绍了船用同步发电机及船舶电网的功能、船舶电网监控系统的 功能及其目前发展的现状。通过分析国内外船舶电站自动化发展的趋势，指出 了目前我国在船舶电网监控技术上的局限与不足。在此基础上，给出了本船用 同步发电机监控保护单元的设计思路。 l o 第二章基丁微控制器的同步发电机并网方法分析 第三章基于微控制器的同步发电机并网方法分析 3 1 同步发电机并网的概念和意义 船舶电力系统，随着其容量的越来越大，单台的发电机组已经无法满足其 供电的需求。为了满足船舶供电的可靠性和经济性，电站一般装有两台或两台 以上的同步发电机组作为主电源。这两台或两台以上的同步发电机组，通过公 共母线向全船供电，其输出功率可以根据工况和负荷的需要实时进行调节。这 就是船舶同步发电机组的并车运行。 船舶电力系统的工况变化较多且频繁，因而用电量变化也很大( 例如船舶 在停泊和装卸货两种不同工况工作时，用电量可能相差3 倍甚至更多) 。因此在 船舶电力系统运行中，同步发电机的并车操作是一项基本操作，极为频繁。随 着船舶电力系统容量的不断增大，船舶发电机的单机容量也越来越大，不恰当 的并车操作将导致十分严重后果。 当并车操作不当时，电网企图将发电机拉入同步，必将导致发电机产生极 大的冲击电流。但是，过大的冲击电流将导致并车失败，供电中断，严重者甚 至可能造成机组的损坏。同时，由于强行同步而引起的电网电压的瞬时大幅度 跌落，则会影响负载的运行或使保护装置动作。所以，采取恰当的并车操作， 是船舶电力系统需要解决的重要问题之一【3 8 】。 船用同步发电机组并车方法从操作原理的角度可分为两类：准同步法和自 同步法。 自同步法是利用原动机将未经调整的发电机转速带至接近同步转速，然后 即将发电机主开关合闸，并依靠立即给发电机加上励磁，利用发电机机组间自 整步作用而将发电机拉入同步，使之与电力系统并联运行。这种方法优点是操 作简单，合闸迅速，但冲击电流和冲击转矩大，压降也大，而船上的电力系统 容量又较小，因而这种方法不能保证电能质量，故较为少用。 准同步法是目前船舶上普遍采用的一种方法。它要求待并发电机与电网的 电压，频率和相位等条件都达到一定要求时，再合上主开关。因此它造成的冲 击电流，冲击转矩和母线电压的下降都很小，其缺点是操作复杂，如果是手动 操作，则需要专业人员的操作才能完成【4 8 , 5 0 】。 第三章基于微控制器的同步发电机并网方法分析 要实现准同步并车，必须满足如下四个条件： 1 ) 待并网机组的电压与运行机组( 或电网) 的电压大小相等； 2 ) 待并网机组电压的初相位与运行机组( 或电网) 电压的初相位相同； 3 ) 待并网机组电压的频率与运行机组( 或电网) 电压的频率大小相等； 4 ) 待并网机组的相序与运行机组( 或电网) 的相序一致； 这样，在并网投入瞬间，待并网发电机即不输出电流也不输入电流，对电 网的冲击为零，是最理想状态。 本监控保护单元要求实现的自动准同步并车功能是指能够代替工作人员完 成并车的各项操作，使待并发电机能够迅速而准确的投入并联运行。因此，对 自动并车装置的基本要求是： 1 ) 检测待并发电机与船舶电网电压差，频率差和相位差，当任何一个条件 不符合并车要求时，装置将实现闭锁，不允许发出合闸指令。 2 ) 检测待并发电机电压与船舶电网电压的频率差，并根据频差的大小和方 向自动地对待并发电机发出调频信号，减小频差，创造合闸条件。 3 ) 当电压差，频率差在允许范围内时，要能顾及发电机并网开关继电器的 固有动作时间，相应地提前发出合闸指令，实现自动准同步并车( 电压、频率 具体要求在文中第一章提及) 。 3 2 同步发电机自动并网的实现方法 迄今为止，几乎所有的自动并联运行装置都利用脉动电压的特性进行工作， 脉动电压也被称为差频电压，它是指待并发同步电机电压频率与电网电压频率 不一致但差值不大，电压的幅值相等或接近相等时，这两个交流电压的差。设 电网电压与同步发电机电压为 ( 3 1 ) 式中： 1 ) “、分别代表电网电压与同步发电机电压，其是一组典型的差频 电压。 1 2 九卜破 f + 呵 口叫 r s = = s “ m ，、【 第三章基丁微控制器的同步发电机并网方法分析 2 ) u 缈、u 岱分别代表电网电压与同j 步。友、电机电压的幅值，在实际并网中， 一般先把其调节至大致相等，即u = u 届= u 。 3 ) 嘶、略分别代表电网电压与同步发电机电压的频率。 4 ) 加、九分别代表电网电压与同步发电机电压的初始相位。 令“f = “矽一，寻找同步发电机自动并网操作的最佳并入点，即是求并网 时刻t ，令 b = 0 ( 3 2 ) 进一步推导可得 甜f = 2 u s i n ( 里墨芝三二= 堡皆) c 。s ( 由于式( 3 3 ) 的余弦部分将两频率相加， 仅考虑式中的正弦部分，令u f = o 贝j j 堕! 二堕! 盘二盘= 尼万 2- 令九一蟊= 0 ，则 ( 3 3 ) 频率较高，故暂时不予以考虑， ( 尼= 0 ，l ，2 ) ( 3 4 ) f = 堕= 7 ( 后：o ，1 ，2 ) ( 3 5 ) c o w 一国s w 一) s 由式( 3 5 ) 可以看出，电网电压与同步发电机电压的过零点是一个周期性 出现的点，其与电网电压与同步发电机电压的频率差名一疋密切相关，电压 差的过零点周期与频率差成反比，频率差越小则电压差的过零点周期越长。这 就是根据脉动特性进行并网的原理。 但是，实际的船舶电网与理论的推导有着较大的差距，首先同步发电机的 并网动作需要有并网断路器，其断路器的吸合不是瞬时的，大约需要几十到几 百毫秒的时间，这对于工频周期2 0 毫秒的电网来说，是一个无法忽略的时间级 别。其次，由于船用同步发电机的调速系统是一个具有较大延时的积分系统， 其电机转速的调节缓慢，但是作用时间较长。在并网过程中，发电机的频率变 化，对其并网也有很大的影响，所有必须对理论的算法进行修正。 首先，并网的时刻必须从式( 3 5 ) 所得出的理想并网时刻t 提前固定的时 第三章基于微控制器的同步发电机并网方法分析 间乃。这个l 就是并网合闸断路器所需要的吸合时间。这个吸合时间，对于不 同的断路器可能会有所区别，但是对于同一个断路器，其吸合时间大致是固定 的。并且该时间可以通过事先的试验测得，所以可以把其看作是恒量。 因此，可以把式( 3 5 ) 改写为： f = 堕一乃( 尼= 0 ，+ 1 2 ) ( 3 6 ) c o w 。c o s 即比理想并网时刻提前z 的时刻发出合闸动作命令。 其次，因为船用同步发电机的调速系统是一个具有较大延时的积分系统， 所以待并网同步发电机的频率不能看作一个恒量，其应为： c o s = c o o + j ：口( t ) d t ( 3 7 ) 口( f ) 为同步发电机角频率的加速度。 同时，由于同步发电机的逆功会对其产生较大的损害，一般希望同步发电 机尽量不要处于逆功的状态。因此，在并网瞬间，都尽量希望同步发电机的频 率要略高于电网频率，使同步发电机一旦并网就略微输出而不是吸收有功功率， 防止逆功状态的发生。所以，在并网时刻有： c o s ( 3 8 ) 综合式( 3 7 ) 与式( 3 8 ) ，可以进一步对式( 3 6 ) 进行改造： if = 堕一乃( 尼：0 ，1 ，2 ) 略一 ( 3 9 ) i l o ) s = c o o + 点a ( t ) d t 式( 3 9 ) 的t 值就是实际上的理想并网时刻。 但是，在装置的实际设计中，由于同步发电机与电网的频率与相位检测判 断都比较方便，且均采用数字化的检测方式，精确性也有一定的保证。因此， 可采用将时问量转换为相位差进行并车操作的方法，即将并网合闸时间转化为 相位差，在同步发电机与电网相角差为一定范围内时发出合闸信号。该方法可 以节省微控制器的计时器资源，简化算法结构，更能适应本监控保护单元的需 要。 矽= 仞t c o s t + 九一森 ( 3 1 0 ) 1 4 第三章基于微控制器的同步发电机并网方法分析 同理，式( 3 1 0 ) 即为同步发电机电压与电网电压的相位差，将式( 3 9 ) t 与缈。代入可得： i f 一国f + 蟊一加= 2 后万一t j ( c o s 一彩) 。 ( 3 1 1 ) 【= + a ( o d t 所以，根据式( 3 1 1 ) 得出在同步发电机电压与电网电压的相角差为识时 合闸，即可以达到无冲击电流合闸的效果。 苁= 一r 7 ( 一嘶+ f 口( t ) d t ) d t ( 3 1 2 ) 由于本设计采用基于数字信号处理的微处理器，所以将上式用数字化的方 式离散化，可得式( 3 1 3 ) 。 九= 一f ( 一c o + f a ( t ) d t ) d t 疗：互 = 一( 乃( 一) + ( ( a ( n a t ) a t ) a t ) ) ( 3 1 3 ) n = 0m = 0 行：互 一( c o ( n a t ) - c o w ) a t n = 0 由于本设计采用软件锁相测频的方法，所以同步发电机电压与电网电压每 一周波的频率微控制都能够进行实时的检测与计算。式( 3 1 3 ) 中的丁就是 周期检测的时间间隔。 船用同步发电机的调速系统是一个具有较大延时的系统，虽然其给监控保 护单元的控制系统增加了积分的环节，但是其变化的幅度不是特别的大且比较 规律，即同步发电机的角频率的加速度比较小且其比较规律。因此，可以根据 当前所采集的频率，通过分析得到将来的z 时问内，同步发电机频率变化的趋 势，因而可以通过此发电机角频率的加速度计算出未来z 时间内同步发电机的 频率，最后求得以的值。 所以根据上述的特点，可以利用迭代算法，进一步得出式( 3 1 4 ) ： 第三章基于微控制器的同步发电机并网方法分析 ( 3 1 4 ) 使用该算法，可以利用高速微控制器强大的计算能力，较快且准确地得到 并网合闸的相位角九的值。 3 3 同步发电机自动并网仿真分析 本自动并网算法采用e m t d c 软件进行仿真计算。e m t d c 软件是基于d e n n i s w o o d f o r d 博士于1 9 7 6 年在加拿大曼尼托巴水电局开发完成的e m t d c 初版逐渐 发展而来的。目前其己成为一种世界各国广泛使用的电力系统仿真软件，p s c a d 是其用户界面。p s c a d 的开发成功，使得用户能更方便地使用e m t d c 进行电力 系统分析，使电力系统复杂部分可视化成为可能，而且软件可以作为实时数字 仿真器的前置端，可模拟任意大小的交直流系统。 图3 1 为并网功能仿真模型结构图。 。稀并网发电机! 一乇圈 i 0 一一一 l 二， ：喇发i 也移l 图3 1 并网功能仿真模型结构图 在并网功能的仿真模型中，为了模拟船舶电网运行的实际情况，采用一台 同步发电机先行并网发电，其电压作为模拟的电网电