楊勇 耿攀 袁陽

(1. 武漢第二船舶設(shè)計(jì)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(wǎng)結(jié)構(gòu)保護(hù)研究中，采用了以兩臺(tái)大功率逆變電源、綜合動(dòng)力系統(tǒng)集中監(jiān)控臺(tái)、交流主配電板、交流系統(tǒng)運(yùn)行保護(hù)裝置為核心的交流電網(wǎng)結(jié)構(gòu)。大功率逆變電源與傳統(tǒng)發(fā)電機(jī)不同，系統(tǒng)保護(hù)要求也不同。系統(tǒng)發(fā)生短路發(fā)生時(shí)，大功率逆變電源輸出電流自動(dòng)限流至1300 A，500 ms以內(nèi)不停機(jī)，如果短路超過時(shí)間限制，交流系統(tǒng)運(yùn)行保護(hù)裝置自動(dòng)分?jǐn)鄶嗦菲?，以保護(hù)逆變電源和系統(tǒng)安全；當(dāng)兩臺(tái)逆變電源需要并聯(lián)運(yùn)行時(shí)，交流系統(tǒng)運(yùn)行保護(hù)裝置實(shí)時(shí)檢測(cè)兩臺(tái)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(lián)條件，限制并聯(lián)合閘的操作；在逆變電源并聯(lián)過程中，為防止電壓瞬間上升，保護(hù)裝置設(shè)置了過壓保護(hù)功能，保護(hù)逆變電源和系統(tǒng)設(shè)備；系統(tǒng)工作在逆變電源單機(jī)工作工況時(shí)，保護(hù)裝置實(shí)現(xiàn)誤操抑制功能，防止兩臺(tái)大功率逆變電源并聯(lián)?，F(xiàn)有斷路器不能滿足系統(tǒng)保護(hù)要求，根據(jù)大功率逆變電源運(yùn)行特性，專門研制了交流系統(tǒng)運(yùn)行保護(hù)裝置，作為交流電力系統(tǒng)保護(hù)設(shè)備。

交流系統(tǒng)運(yùn)行保護(hù)裝置直接控制對(duì)象為兩臺(tái)AC390 V 50 Hz大功率逆變電源輸出斷路器、交流母聯(lián)斷路器，按照綜合動(dòng)力系統(tǒng)集中監(jiān)控臺(tái)發(fā)出的指令，根據(jù)兩臺(tái)逆變電源狀態(tài)實(shí)現(xiàn)對(duì)兩臺(tái)逆變電源并聯(lián)運(yùn)行的控制和保護(hù)。確保交流電網(wǎng)供電的可靠性、安全性，提高系統(tǒng)運(yùn)行保護(hù)控制的自動(dòng)化水平。

1 實(shí)施方案

交流系統(tǒng)運(yùn)行保護(hù)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(tài)信號(hào)和兩臺(tái)大功率逆變電源的電壓、頻率等信號(hào)。

保護(hù)裝置主要實(shí)現(xiàn)下列功能：

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

（2）并聯(lián)保護(hù)：對(duì)兩臺(tái)大功率逆變電源輸出電壓的相位、頻率和電壓進(jìn)行檢測(cè)，設(shè)定壓差△U＜5%U額定，頻差△f＜0.2 Hz，△Ψ＜5°，上面三個(gè)條件都滿足，允許并聯(lián)合閘操作，任一條件不滿足，不允許系統(tǒng)并聯(lián)。如果滿足同步條件，允許進(jìn)行正常并網(wǎng)；如果不滿足同步條件，則檢測(cè)各個(gè)斷路器狀態(tài)，未合的斷路器不能閉合，阻止兩臺(tái)大功率逆變器完成并聯(lián)的操作；

（3）邏輯連鎖解除：當(dāng)綜合動(dòng)力系統(tǒng)集中監(jiān)控臺(tái)上交流系統(tǒng)運(yùn)行保護(hù)裝置“投入/切除”開關(guān)打在“切除”位置時(shí)，交流系統(tǒng)運(yùn)行保護(hù)裝置不投入工作，保護(hù)裝置內(nèi)合閘輸出回路的常閉觸點(diǎn)閉合，解除該邏輯聯(lián)鎖，使交流主配電板上Q21、Q22和Q24三個(gè)斷路器的合閘操作不受本裝置影響。

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

（5）過壓保護(hù)：實(shí)現(xiàn)對(duì)大功率逆變電源輸出電壓的過壓保護(hù)。當(dāng)大功率逆變電源輸出電壓高于額定電壓390 V的5%時(shí)，裝置控制大功率逆變電源輸出斷路器延時(shí)跳閘，延時(shí)時(shí)間在0.5～1 s范圍內(nèi)可調(diào)；

（6）誤操抑制：當(dāng)綜合動(dòng)力系統(tǒng)集中監(jiān)控臺(tái)上“獨(dú)立/并聯(lián)”開關(guān)打在“獨(dú)立”位置時(shí)，保護(hù)裝置通過邏輯判斷，抑制交流主配電板上Q21、Q22和 Q24這三個(gè)斷路器的同時(shí)合閘操作，阻止兩臺(tái)大功率逆變器并聯(lián)。

控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖見圖 1。輸入信號(hào)包括兩臺(tái)大功率逆變電源的電壓信號(hào)、斷路器的狀態(tài)信號(hào)和逆變電源的工作狀態(tài)信號(hào)等；輸出信號(hào)包括斷路器合閘回路和分閘回路控制信號(hào)。

2 電路設(shè)計(jì)

硬件電路包括兩臺(tái)逆變電源的電壓檢測(cè)電路、A/D轉(zhuǎn)換電路、斷路器信號(hào)檢測(cè)及隔離電路等。

圖1 控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

圖2 硬件框圖

DSP TMS320LF2407A內(nèi)置10位A/D轉(zhuǎn)換器，轉(zhuǎn)換精度不滿足使用要求，在本設(shè)計(jì)中，選用4路輸入、12位并行輸出A/D轉(zhuǎn)換芯片AD7864，其接口特性容易與TMS320LF2407A配合。

2.1 電壓信號(hào)隔離采樣電路

逆變電源電壓信號(hào)經(jīng)變壓器、調(diào)理電路、RC濾波，經(jīng)A/D轉(zhuǎn)換后將信號(hào)送入DSP。

2.2 DSP電路

處理 A/D變換數(shù)據(jù)和輸入的開關(guān)量信號(hào)，輸出驅(qū)動(dòng)保護(hù)信號(hào)。A/D采樣數(shù)據(jù)經(jīng) FFT和相關(guān)計(jì)算后，得到輸入交流電壓信號(hào)的電壓有效值和相位，計(jì)算出交流電壓信號(hào)頻率和相位差。

2.3 開關(guān)量信號(hào)隔離電路

當(dāng)開關(guān)量信號(hào)輸入/輸出時(shí)，經(jīng)過光耦的隔離作用，使輸入/輸出信號(hào)與 DSP周圍電路在電路上進(jìn)行了隔離，可以有效保護(hù)DSP芯片。

圖3 主程序流程圖

3 保護(hù)裝置軟件設(shè)計(jì)

軟件設(shè)計(jì)采用 C語言和匯編語言混合編程，采樣中斷服務(wù)程序需進(jìn)行大量數(shù)據(jù)計(jì)算，采用匯編語言可以提高 CPU執(zhí)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(jié)構(gòu)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(yàn)驗(yàn)證

在電力系統(tǒng)動(dòng)態(tài)模擬試驗(yàn)室構(gòu)建試驗(yàn)臺(tái)架，驗(yàn)證了保護(hù)裝置的工作性能。

（1）當(dāng)逆變電源獨(dú)立工作時(shí)，實(shí)現(xiàn)兩臺(tái)逆變器的欠壓/過壓控制保護(hù)；實(shí)現(xiàn)防止兩臺(tái)逆變器并聯(lián)的誤操抑制功能。

（2）當(dāng)系統(tǒng)處于逆變電源預(yù)并聯(lián)工作狀態(tài)時(shí)，檢測(cè)各斷路器的狀態(tài)信號(hào)，檢測(cè)兩臺(tái)逆變電源輸出的電壓信號(hào)，當(dāng)電壓差△U＜5%U額定，頻差△f＜0.2 Hz，△Ψ＜5°時(shí)允許并聯(lián)合閘，任一條件不滿足都不允許系統(tǒng)并聯(lián)。并網(wǎng)完成后，實(shí)時(shí)檢測(cè)電網(wǎng)電壓信號(hào)，如有異常，相應(yīng)斷路器分閘，以保護(hù)系統(tǒng)安全。

圖4 欠壓保護(hù)跳閘波形圖

圖4中，某一路電壓信號(hào)低于電網(wǎng)額定電壓的70%后，相應(yīng)斷路器跳閘。

5 結(jié)語

本文介紹了一種艦船交流電力系統(tǒng)保護(hù)裝置的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)，在系統(tǒng)處于不同工作狀態(tài)下實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)欠壓與過壓保護(hù)、誤操抑制保護(hù)和非同期合閘保護(hù)，達(dá)到了設(shè)計(jì)的預(yù)期要求。裝置經(jīng)過試驗(yàn)室調(diào)試、系統(tǒng)聯(lián)調(diào)后已交付使用，運(yùn)行穩(wěn)定。

[1]管小銘. 船舶電力系統(tǒng)及自動(dòng)化[M]. 大連： 大連海事大學(xué)出版社, 1999.

[2]劉和平, 王維俊, 江渝, 鄧力等. TMS320LF240x DSP C語言開發(fā)應(yīng)用[M]. 北京航空航天大學(xué)出版社, 2003.

[3]朱玉璽, 崔如春, 鄺小磊. 計(jì)算機(jī)控制技術(shù)[M]. 電子工業(yè)出版社, 2005.