摘要:分析了船舶中頻電站電量測量、自動同步合閘并車這兩大關鍵技術難點,提供了基于ARM和CPLD技術解決這些難點的方案,并且給出了運用此方案的船舶中頻電站監控系統實例,該方案的成功實施保證了系統實現中頻電站的自動控制、調頻調載、測量報警顯示等功能,使得電站自動控制適用領域更廣。
關鍵詞:船舶、艦船工程;中頻電站;電量測量;自動同步;聯鎖保護;調頻調載
Abstract: Two technical key points of marine medium frequency power station, electric parameter measurement and automatic synchronization, are analyzed. A design for these two tasks based o n ARM and CPLD technology is proposed and an example of application o f the design in a medium frequency power station system is given. The design ensures auto-control, monitoring , alarm, display, frequency and lo ad distribution functions so as to ex tend normal power station automatic control to a wider area and to acceleration of the modernization o f power stat ion automation techno log y in China.
Key words: ship, naval engineering ; medium frequency power Station; electric parameter measurement; automatic synchronous; interlock protect ion; frequency and load control
艦船電站自動化是艦船機艙自動化的一個重要組成部分、也是艦船現代化的重要標志。通信技術、微處理器技術、控制技術的進步、艦船向大型化、高速化、自動化方向的迅猛發展,對艦船電站自動化系統在供電品質等方面提出了更高要求。眾所周知，工頻(50Hz)電站自動控制技術已廣泛應用于各型號艦船，可以實現對不同原動機組自動控制，多個電站發電機組自動控制及發電機組的有功、無功綜合調控等功能。然而，中頻(400Hz)電站自動控制是國內外公認的難題,我們在這方面進行了深入研究，解決了中頻電量測量、中頻自動同步并車這兩個關鍵技術難點，成功研制出了中頻電站監控系統，并已在實船運行。
1 中頻電站電量測量
1. 1 技術要點分析
中頻電量測量與工頻電量測量的目的相同，都是采樣交流電壓、電流,送入CPU(Central Processing Unit)計算它們的幅值、頻率以及有功功率。由于中頻頻率是工頻頻率的8倍。一方面要達到同樣的測頻誤差范圍，中頻頻率的測量精度要求大大提高；另一方面要滿足頻率采樣實時性，中頻電量的采樣處理時間要求也大大提高，兩方面的兼顧成了中頻頻率測量的難度。中頻電站供電原理為：由雙饋電動機拖動中頻同步發電機。利用交流勵磁變頻器實現電動機調速，從而調節發電機頻率。發電機與電動機同軸，發電機電樞繞組輸出接中頻電網。電動機轉子與勵磁變頻器連接，電動機定子繞組與工頻電網連接。工頻電網也為勵磁變頻器提供電源。中頻電站供電如圖1所示。
由于大量電力電子設備的使用,發電機輸出的中頻電壓、電流中夾雜著大量諧波成分，這對中頻測量中的濾波設計提出了更高的要求。隨著頻率的大幅上升，原來在工頻電量測量中可以不考慮的電路分布電阻、電容參數，芯片的時間響應在中頻電量測量中不容忽視。
1. 2 電量測量模塊設計
為了從整體上提高測量控制性能，解決中頻電量測量的技術難點，選用ARM(Advanced RISC Machines)7系列32位單片機作為CPU，用NXP公司的LPC2300系列ARM7TDMI-S處理器，它可在最高72MHz的CPU頻率下運行，有豐富的軟硬件資源。中頻機組控制器電路結構如圖2。
中頻頻率測量使用其32位可編程定時器/計數器，它有事件捕獲功能，即在輸入信號產生沿跳變時，會將當前計數值TC 裝入捕獲寄存器，并產生捕獲中斷，捕獲事件類型可選擇——上升沿，下降沿，雙邊沿。這樣中頻正弦信號經過脈沖整形后，可由ARM的高速定時器對其周期進行計數，從而得到頻率。LPC2300系列的時鐘系統如圖3所示。
外部主振蕩器輸入時鐘范圍32~50MHz，鎖相環PLL(Plase Locked Loop)倍頻后輸出時鐘范圍275~550MHz，然后由可編程分頻器來設置定時器計數時鐘，可見選擇范圍非常寬。
設CPU定時器計數周期為T0，信號頻率為fs ，信號周期為Ts ，m個信號周期采樣一次，采樣一次的計數值為n，則兩次采樣時間間隔為m Ts。
信號頻率：
CPU計數的分辨極限就是每變化一個計數值的信號頻率變化：
由于n≥1，n+1≈n，經化簡演算可得:
1個信號周期需采樣一次(m=1)。信號頻率fs=400Hz，鎖相環PLL的輸出選擇最佳頻率288MHz，6分頻成CPU頻率48MHz，定時器計數時鐘不分頻仍為48MHz，則T0=1/(48MHz)，根據式(3)，CPU計數分辨極限△f=0.0033Hz?？紤]到頻率調節和并車要求，中頻頻率測量需要精確到0.1Hz，為30個計數值，能可靠分辨，同時能保證頻率每周期進行刷新，這為頻率調節控制提供了保證。
高速可編程的CPU定時器也為精確測量中頻功率因數和軟件計算中頻有功功率提供了條件。電壓和電流進行異或得到的相位差就是功率因數角，此信號進行CPU定時器捕捉就能計算cosθ和sinθ。再結合電壓、電流幅值的測量就能計算有功、無功功率，并據此進行功率分配。為了最大程度的消除400Hz附近的干擾，設計400Hz有源帶通濾波器，對元器件參數進行了精確匹配，通帶增益Au=1，帶寬300~500Hz，400Hz為特征頻率，實測99.9%的400Hz信號能通過濾波器，品質因數Q=2.75，通帶外高低頻干擾高度衰減。實測帶通濾波幅頻特性如圖4。
選擇微型電壓、電流互感器采樣外部交流模擬量送入內部電路板。并且選擇線性光耦器件，對400Hz電量轉換通道單獨進行直流模擬量光耦隔離，通過這種隔離措施,能有效屏蔽干擾。在調試過程中進行仔細數據比對，隔離電路線性度好，精度高。軟件上進行數字遞推濾波處理和限幅限頻處理。這樣就能進一步消除模擬量和頻率信號瞬間動態波動產生的干擾。
2 中頻電站自動同步并車
2.1 技術要點分析
雖然船規中對中頻自動同步并車沒有明確的要求，僅對工頻自動同步并車作了規定，但是考慮到并車的根本目的都是使待并發電機并網時無大的沖擊電流，并網后能快速而穩定的同步運行。所以中頻電站自動同步并車要求沿用工頻的要求，就是進行自動準同步并車必須滿足以下3個條件：待并機組和電網電壓幅值、頻率及相位一致。
當對中頻電壓幅值準確測量時，很容易對其進行調節來滿足幅值差要求。
待并機組頻率必須略高于在網機組頻率，使并車后待并機組被迅速拉入同步，可避免逆功率情況，提高并聯運行的穩定性。考慮到執行機構的動作時間，必須提前恒定時間發出合閘命令，才能使合閘相位滿足要求。計算出中頻同步并車的最佳頻差和最佳超前相位是保證安全并車合閘的關鍵。
設△θT為兩個電壓矢量的每周期相位差，fG為發電機電壓頻率，fW為電網電壓頻率，TS 為頻差周期，tq 為超前相位，tZ為執行機構動作時間。則有：
頻差周期太長將影響并車時間，太短將使同步相位捕捉十分困難，一般認為2.5~5s是理想的時間范圍。由式(5)得頻差范圍為0.2~0.4Hz。取tZ=150ms，可得超前相位tq=75~150s?？梢娭蓄l并車的理想合閘相位很小，準確捕捉是一個難點。
對于150ms的執行動作時間，工頻情況下只需在合閘命令發出后經過7.5個周期，機組就能并網，頻率不易波動，而中頻情況下需要經過60個周期，頻率波動的可能性大大提高，即需要頻率調節的快速響應，這是中頻自動同步并車的又一個難點。
2. 2 自動同步模塊設計
為測量捕捉中頻相位和處理復雜的電站控制邏輯，選用ALTERA公司MAX7000系列的CPLD(Complex Programmable Logic Device)，EPM7192SQI160-10。它是納秒級的高速邏輯器件，有124個可編程I/O引腳,可接入時鐘，可在線編程，功耗低。這樣在CPLD中把電網和發電機電壓異或提取相位脈沖，依靠CPLD內部的集成定時計數模塊可以精確地計算每個時點的相位值。CPU調頻有死區，所以不同并車時刻，頻率穩定狀態不同，導致頻差有差別，且頻差對理想超前相位起決定性作用。CPU把實時頻差通過總線傳遞給CPLD，CPLD可以根據頻差動態地調整合閘相位理想值進行捕捉。同時硬件上通過單穩志觸發電路設置一個相對寬的相位范圍，即使CPU計算頻差存在誤差，仍然保證合閘在安全的相位差范圍內。這樣的軟硬件雙重相位捕捉精確、可靠，解決了中頻相位測量捕捉的難點。
高速CPU對于中頻頻率的精確測量為調頻的快速響應提供了保障。頻率調節采用分段式比列調節控制策略，按頻差偏離程度把頻率分成4個區域,越靠近400Hz區域越小，400Hz附近的最小區域就是調節死區。每個頻率區域有不同的比例調節系書Kn ，調頻脈沖寬度Tn=Kn.△f頻率偏離越遠，Kn越大，脈沖越長。這樣從頻率控制層面上實現了快速、平滑的調頻，當中頻機組執行機構能快速動作時，中頻合閘并車就有了穩定的頻率環境。中頻自動同步并車控制流程(圖5)。
采用上述控制策略后實測中頻合閘波形圖如圖6所示。
3 采用該技術的船舶電站監控系統實例
某船中頻電站監控系統監控的對象是由雙跨接線聯接的綜合性中頻電站。其分前后配電區域，每個區域有3臺中頻發電機組。中頻電站系統單線原理和網絡通訊圖(圖7)。每臺發電機組配置一個控制器模塊和一個測量模塊；聯鎖保護模塊來完成雙跨接線聯鎖保護功能。中頻電源綜合管理裝置通過艦電數據轉換裝置從網絡上接收各機組數據，并發送命令。系統采用冗余的CAN(Controller Area Network)現場總線網絡通訊，具有通用性、實時性、可擴展性和互連性。
考慮到系統的魯棒性，整個網絡由若干個網絡節點組成，每個節點做到了既相互聯系，又相互獨立，任何一個節點的損壞，不會影響整個網絡的正常工作，達到了危險分散的目的。系統實現了各機組的自動起動、首機自動投入、自動整同步并車、自動有功功率調節、自動解列分閘、自動停機、發電機組安全保護、雙跨接線綜合控制及保護功能。
4 結語
融合了400Hz交流電量測量技術，自動同步并車技術的中頻電站監控系統在投入運行時，實現了對電參數的精確測量和對中頻機組的可靠控制。任意組態下，并聯中頻機組有功功率、頻率穩定自動調整，使得中頻電站機組長期并聯運行更加安全。
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作者：龔喜文,張丹瑞,林軼棟,何勰
