基于DSP的舰船交流电力系统保护装置设计

杨勇 耿攀 袁阳

(1. 武汉第二船舶设计研究所，武汉 430064；2. 海军驻431厂军事代表室，辽宁葫芦岛 125004)

0 引言

在电网结构保护研究中，采用了以两台大功率逆变电源、综合动力系统集中监控台、交流主配电板、交流系统运行保护装置为核心的交流电网结构。大功率逆变电源与传统发电机不同，系统保护要求也不同。系统发生短路发生时，大功率逆变电源输出电流自动限流至1300 A，500 ms以内不停机，如果短路超过时间限制，交流系统运行保护装置自动分断断路器，以保护逆变电源和系统安全；当两台逆变电源需要并联运行时，交流系统运行保护装置实时检测两台大功率逆变电源输出电压的频率、电压和相位，如果不满足并联条件，限制并联合闸的操作；在逆变电源并联过程中，为防止电压瞬间上升，保护装置设置了过压保护功能，保护逆变电源和系统设备；系统工作在逆变电源单机工作工况时，保护装置实现误操抑制功能，防止两台大功率逆变电源并联。现有断路器不能满足系统保护要求，根据大功率逆变电源运行特性，专门研制了交流系统运行保护装置，作为交流电力系统保护设备。

交流系统运行保护装置直接控制对象为两台AC390 V 50 Hz大功率逆变电源输出断路器、交流母联断路器，按照综合动力系统集中监控台发出的指令，根据两台逆变电源状态实现对两台逆变电源并联运行的控制和保护。确保交流电网供电的可靠性、安全性，提高系统运行保护控制的自动化水平。

1 实施方案

交流系统运行保护装置上电工作后，开始接收交流主配电板上断路器各断路器的状态信号和两台大功率逆变电源的电压、频率等信号。

保护装置主要实现下列功能：

（1）欠压保护：当大功率逆变电源输出电压低于额定电压390V的70%时，保护装置控制大功率逆变电源输出断路器延时跳闸，延时时间在0.5 s～1 s内可调。交流主配电板上两台大功率逆变电源断路器 Q21和 Q22短延时保护时间为 400 ms，大功率逆变电源设置的短路限流保护时间为 500 ms，保护装置在这里做为后备保护；

（2）并联保护：对两台大功率逆变电源输出电压的相位、频率和电压进行检测，设定压差△U＜5%U额定，频差△f＜0.2 Hz，△Ψ＜5°，上面三个条件都满足，允许并联合闸操作，任一条件不满足，不允许系统并联。如果满足同步条件，允许进行正常并网；如果不满足同步条件，则检测各个断路器状态，未合的断路器不能闭合，阻止两台大功率逆变器完成并联的操作；

（3）逻辑连锁解除：当综合动力系统集中监控台上交流系统运行保护装置“投入/切除”开关打在“切除”位置时，交流系统运行保护装置不投入工作，保护装置内合闸输出回路的常闭触点闭合，解除该逻辑联锁，使交流主配电板上Q21、Q22和Q24三个断路器的合闸操作不受本装置影响。

（4）断电保护：若装置断电，或内部电源模块故障，保护装置内合闸输出回路的常闭触点闭合，解除该逻辑联锁，使交流主配电板上Q21、Q22和母联Q24三个断路器的合闸操作不受本装置影响；

（5）过压保护：实现对大功率逆变电源输出电压的过压保护。当大功率逆变电源输出电压高于额定电压390 V的5%时，装置控制大功率逆变电源输出断路器延时跳闸，延时时间在0.5～1 s范围内可调；

（6）误操抑制：当综合动力系统集中监控台上“独立/并联”开关打在“独立”位置时，保护装置通过逻辑判断，抑制交流主配电板上Q21、Q22和 Q24这三个断路器的同时合闸操作，阻止两台大功率逆变器并联。

控制系统结构图见图 1。输入信号包括两台大功率逆变电源的电压信号、断路器的状态信号和逆变电源的工作状态信号等；输出信号包括断路器合闸回路和分闸回路控制信号。

2 电路设计

硬件电路包括两台逆变电源的电压检测电路、A/D转换电路、断路器信号检测及隔离电路等。

图1 控制系统结构图

图2 硬件框图

DSP TMS320LF2407A内置10位A/D转换器，转换精度不满足使用要求，在本设计中，选用4路输入、12位并行输出A/D转换芯片AD7864，其接口特性容易与TMS320LF2407A配合。

2.1 电压信号隔离采样电路

逆变电源电压信号经变压器、调理电路、RC滤波，经A/D转换后将信号送入DSP。

2.2 DSP电路

处理 A/D变换数据和输入的开关量信号，输出驱动保护信号。A/D采样数据经 FFT和相关计算后，得到输入交流电压信号的电压有效值和相位，计算出交流电压信号频率和相位差。

2.3 开关量信号隔离电路

当开关量信号输入/输出时，经过光耦的隔离作用，使输入/输出信号与 DSP周围电路在电路上进行了隔离，可以有效保护DSP芯片。

图3 主程序流程图

3 保护装置软件设计

软件设计采用 C语言和汇编语言混合编程，采样中断服务程序需进行大量数据计算，采用汇编语言可以提高 CPU执行程序效率，主程序采用 C语言编程，提高了程序的可读性，程序结构的清晰。程序流程图如图3所示。A/D采样子程序采用中断查询方式，采样频率 1600 Hz。

4 试验验证

在电力系统动态模拟试验室构建试验台架，验证了保护装置的工作性能。

（1）当逆变电源独立工作时，实现两台逆变器的欠压/过压控制保护；实现防止两台逆变器并联的误操抑制功能。

（2）当系统处于逆变电源预并联工作状态时，检测各断路器的状态信号，检测两台逆变电源输出的电压信号，当电压差△U＜5%U额定，频差△f＜0.2 Hz，△Ψ＜5°时允许并联合闸，任一条件不满足都不允许系统并联。并网完成后，实时检测电网电压信号，如有异常，相应断路器分闸，以保护系统安全。

图4 欠压保护跳闸波形图

图4中，某一路电压信号低于电网额定电压的70%后，相应断路器跳闸。

5 结语

本文介绍了一种舰船交流电力系统保护装置的设计与实现，在系统处于不同工作状态下实现系统欠压与过压保护、误操抑制保护和非同期合闸保护，达到了设计的预期要求。装置经过试验室调试、系统联调后已交付使用，运行稳定。

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