基于DSP的舰船电网智能脱扣器设计

吴浩伟，周 樑，杨 勇，徐正喜

(武汉第二船舶设计研究所，湖北 武汉 430064)

0 引言

国内舰船电网目前所采用的断路器，其短路保护原理主要是利用短路电流所产生的电磁力或热效应使断路器保护跳闸，在某些场合已经不能满足现代舰船电力系统的发展需求。

随着计算机和数字信号处理技术的飞速发展，基于微控制器的断路器智能脱扣器迅速成为研究热点［1－3］。此类智能脱扣器虽然采用了现代数字检测和处理技术，但其检测原理依然主要是利用检测电流幅值来判定短路故障是否发生。此外，由于短路电流中不仅存在快速衰减的非周期分量，而且动态变化范围大，加之检测环节存在互感器磁饱和等多种因素的影响，直接对短路电流的幅值进行准确检测十分困难，因此此类方法通常要求短路电流远大于额定值时才能准确地做出短路故障判断。由于受到线路阻抗、短路初始状态以及短路电流上升率的影响，达到判断阈值可能需要较长的时间，此类检测方法的快速性难以得到保证。

针对三相三线不接地的舰船电力系统，由于电网的线缆长度较短、线路阻抗低，发生短路故障时电压跌落、电流增大这一特征状态明显。利用这一特征状态，本文提出了一种基于DSP的数字化智能脱扣器设计方案，通过实时检测电网电压和功率的异常变化来快速检测电网中的短路故障。此外，利用本文所提出的虚拟功率的概念和计算方法，在短路故障情况下，瞬时功率检测等同于短路电流的幅值检测，而且其算法更简单、更易于实现。通过对2个判据进行综合判断，其检测速度和判断准确性优于传统单一的电流检测方案。

1 电压快速检测算法

在交流电压幅值检测算法上，常用的方法有:周期积分法、快速FFT算法、d/q算法等。周期积分法和快速FFT算法至少需要半周波的有效信息［4］，d/q算法一般更适用于三相对称系统，而对于单相系统或者三相系统的非三相同时短路故障，通常不能直接运用［5］。

为考虑一般性，对任意交流信号u(t)=Usin(ωt+θ)，在采样频率为ωs下的连续3次数字采样信号为:

式中，N为1个工频周波内的采样次数。

由式(5)可以看到，对于任意正弦信号只需要3点连续的数字采样信号就可以计算出信号的峰值，进而得到信号的幅值。该算法简单快速、适应面广。由于实际电压波形中往往有大量谐波成分存在，以及算法本身会放大高频噪声，因此该算法的计算结果在实际使用中需要数字滤波器进行滤波处理。

2 功率快速检测算法

根据传统功率理论，功率是系统单位时间内的做功量，是1个平均值概念，因此即使通过快速FFT计算也需要1个周波才能得到功率信息，这样的检测速度不能满足某些特殊领域内快速检测和快速保护的要求。

根据瞬时无功功率理论［6］，文献［7］推导了三相无中线系统的瞬时有功功率计算公式为:

对于舰船电网和许多处于系统末端的低压电网而言，由于电网规模通常较小，电缆的阻抗值也较小，当系统中出现直接金属短路故障时，短路状态下测量点的电压幅值可能会降到几乎为0。如果直接用当前电流和当前电压通过式(6)来计算功率，可能会造成计算结果接近于0，从而失去判断意义。

本算法在实现时，所用的电流值是当前的采样值，而电压值则是上1个周波对应时刻的电压采样值。这样计算出的功率虽然是虚拟的，但当电网正常运行时，电网电压周期性的重复，上1个周波的电压与当前周波的电压基本一致，计算的“虚拟功率”与实际功率基本相同;而当短路故障发生时，由于算法中所用的电压值并不会立即发生变化，而只有电流值发生变化，此时虚拟功率的变化情况则完全对应着短路电流的变化，因此可以用检测功率代替检测电流来判断短路故障是否发生。相对于幅值检测算法，瞬时功率的检测算法更为简洁，检测速度更快。

通过上述处理后，对于1个工频周波采用样点数为N的数字采样系统，在第k拍采样过程中，式(6)对应的数字表达为:

3 微处理器的选择与算法实现

常见的微处理器主要有单片机和数字信号处理器(Digital Signal Processor，DSP)。相对于作为通用控制器的单片机而言，DSP芯片采用数据总线和程序总线相分离的特殊微处理器结构，其在1个指令周期内就可以完成1次乘法和1次加法运算，其计算速度更快，程序运行效率更高，是一种面向高速、密集型数值运算的实时处理芯片。

本装置采用TI公司数字信号处理器TMS320F2407A做为主控芯片，该DSP芯片采用了高性能静态CMOS技术，具有40MIPS的高速运算能力，具有32K字的FLASH程序存储器、1.5K字的数据/程序RAM、544字双口RAM和2K字单口RAM、16路10位A/D转换通道，其丰富的外部接口和强大的数据处理功能，完全能满足上述算法的计算需求。为了保证实时检测和同步测量的要求，DSP的采样和故障检测算法均在周期中断中完成，其软件算法的流程图如图1所示。

4 脱扣信号输出电路

图1 快速检测算法流程图Fig.1 Fast detecting algorithm flowchart

利用断路器的外部脱扣端子，本装置可以输出脱扣信号使断路器脱扣跳闸。为保证在短路故障下响应动作的快速性，本装置在设计中采用了基于固态继电器的保护信号输出电路设计，如图2所示。

图2 脱扣信号输出电路Fig.2 Break signal output diagram

固态继电器CX240D5R具有高输入阻抗、低输出阻抗的特性，自身功耗小，响应速度快，只需要用简单的电路就可以驱动其开关。由于固态继电器采用电子开关代替传统继电器中电磁线圈和机械结构，开通过程的典型时间小于0.1 ms，动作速度远远高于传统继电器。

5 试验结果

基于本文所提出的快速检测方法和设计方案，以DSP做主控芯片，配合12位的A/D芯片AD7864以及通用电压电流互感器DVDI-01组成数字检测系统，研制出舰船电网智能脱扣器，并利用所内的电力系统动态模拟试验室完成相关试验研究。

图3和图4为本智能脱扣器快速检测电网三相和相间短路故障的试验结果，Uab，Ubc，Uca分别为三相线电压波形，Ia为A相电流，曲线S为本装置检测到短路故障后发出的保护信号。短路电流的峰值较大，超出了记录范围，因而电流波形出现了一定的削顶现象。保护信号S为外接的直流12 V电平信号，为了能和电压电流波形在同一窗口内清晰地观察，在记录时将其幅值适当放大。

由试验结果可见，不论是三相还是相间短路故障，本装置均可以在短路电流远未上升到峰值之前做出判断，其检测判断时间仅为2～4 ms，相比与常规的短路电流检测方案，其检测速度大大提高。

由于试验装置的电流互感器并未采用高饱和倍数的专用互感器，仅采用了常规测量用的普通电流互感器，从实验波形中也可以看到，检测到的互感器二次侧电流出现磁饱和现象。但即便如此，快速检测装置依然能准确地判断出短路故障，体现出本方案对检测器件具有良好的适应性。

6 结语

针对常规智能脱扣器通过电流幅值判断短路故障、检测速度较慢的问题，本文提出了实时检测电网电压幅值和瞬时有功功率，通过对电压的异常跌落和功率的异常变化进行综合判断来识别短路故障的快速检测方案，并基于DSP TMS320F2407A研制出数字化智能脱扣器。相关试验结果表明，本文研制的智能脱扣器能快速、有效的检测出电力系统中的短路故障，具有良好的适用性和广阔的应用前景。

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