一种船舶发电机组自动并车的软件实现方法

费 翔

（上海船舶运输科学研究所 研发中心，上海200135）

0 引 言

随着现代电气技术的飞速发展，船上的用电设备及半导体器件逐渐增多，对电能质与量的需求日益增加，同时要求船舶电站自动化水平不断提高。船舶电站自动化的主要内容是连续保质供电及合理分配：一方面电能要满足船上用电负荷的不断变化，保证电网频率和电压的稳定；另一方面还要充分考虑电能使用的经济性和使用效率。发电机组的自动并车控制作为船舶电站控制系统中一项基本且关键的功能，在保证电能质量、连续性及合理分配上都有着重要作用。

船用三相同步发电机并车时，待并发电机组与运行发电机组（电网）之间必须满足如下条件［1］：

1.待并发电机组电压U2与运行发电机（电网）电压U1相等，即U2＝U1。

2.待并发电机组频率f2与运行发电机（电网）频率f1相等，即f2＝f1。

实际运行中很难实现上述理想条件，因此标准要求电压差不大于电网额定电压的10%，频率差在＋0.5 Hz以内，相位差控制在±10°以内。满足上述条件后，可以基本认为发电机并车时不会产生很大的冲击电流，并且合闸后发电机组能迅速进入同步运行，不致产生任何不良后果。

通常自动并车的方法就是通过检测待并发电机组与电网的电压差、频差和相位差，当三要素同时满足并车条件时，发出合闸指令，实现并车操作。以往硬件并车方法中相位差的检测通常是完全通过硬件电路来判定的。硬件电路的设计方法需要先假定待并机组、电网的频率及主开关合闸延时时间，并由此计算固定的超前时间值来整定相关硬件检测设备，根据捕捉到的脉冲宽度决定是否发出允许合闸指令。其硬件电路的时间常数等受RC值制约，其硬件设备的调整过程较为繁琐且效率不高，对于电网频率的实际波动无法应变。

1 船舶发电机组自动并车软件方法简述与比较

一种自动并车的软件新方法核心是越前时间的计算（见图1）。

图1 越前时间计算原理图

当检测到上述待并机组电压相位滞后于电网电压的时间tz后，即可在该时刻发出合闸指令，从而使实际合闸相位差趋于0。

若以空间旋转的矢量表示电网电压及机组电压，以常用的追击问题考虑合闸问题，设电网及待并机组角速度分别为wG与ww，对应频率为fG与fw，任一时刻情况（见图2a）检测到待并机组电压相位滞后于电网电压的时间为t，经延时tx后发出合闸指令，并经主开关固有动作时间和软件计算延迟时间tk达到相位差为0情况（见图2（b））。则有：

待并机组及电网电压经方波转换后，设电网电压频率为fw、周期为Tw，待并机组电压频率为fG、周期为TG，待并机组电压相位滞后于电网电压的时间为tz，主开关固有动作时间和软件计算延迟时间和为tk。若二者能在同相点合闸，此时的tz值可由1个以Tw、TG、tk为变量的函数关系来确定［2］，即

我不听你的解释！我今天听你的解释，明天听他的解释，我这个县委书记还要不要做事？周书记说完很牛B地挥了一下手，有些要将我赶出去的意思，我的气就在周书记那一挥手间窜了起来，我从椅子上站起来，突然间变得气宇轩昂理直气壮，我拍着周书记的桌子说，周书记，你不用赶我走，我会离开的，但在走之前我要告诉你，我不会去当什么狗屁林业局长，我孙东西对此不感兴趣！就地免职也罢，开除公职也罢，我孙东西一切由你！我把话说完一拍屁股走出了他的办公室。

图2 机组及电网相位追击初末图

通过对上述两种方法地比较，不难发现，第2种方法的特点是消耗系统资源小，只需1次检测时间差（或相位差）即可计算得到延时时间，不需反复检测比较是否符合要求。但其对机组及电网频率的稳定性有较高的要求，如果在离合闸时刻较远处确定电网及机组频率计算延时值，遇到频率波动无法忽略不计的情况将累计误差并造成计算结果的偏差。而第1种情况虽然时时需检测，却避免了这种情况，因此在研究中采用第1种方法的思路。

2 软件实现

自动并车软件的实现是根据当前实时的频差和相位差及其变化趋势，考虑主开关合闸延时及程序执行时间等延时，采用相应的算法动态计算出合闸指令发出时的越前时间，应用高精度计数器捕捉待并机组与电网的相位差时间，当捕捉到该差值时，发出合闸指令，保证实际合闸时间（相位差为0的时刻）。

2.1 电压及频率条件判断

实时读入待并机组及电网的电压幅值和频率，计算其电压差及频率差值是否满足条件，若不满足则经等待延时后继续读入并计算，直至待并机组调频调载及调压程序完成调节，使电压差和频率差满足条件后进入相位差判断流程。

2.2 相位差对应时间捕获

频率不同的待并机组及电网电压正弦波经方波转换后，两列波的相位差可以由两方波信号上升沿的时间差参照公式θ＝wΔt差换算得到，这里定义两上升沿时间差Δt为从电网电压方波上升沿触发到待并机组电压方波上升沿触发的时间间隔，w为电网电压角频率。由于待并机组电压频率高于电网电压频率，在相邻的2次相位差为0（实际为2π的整数倍相位角）的时刻间，Δt因采用先电网电压方波上升沿，后待并机组电压上升沿的时间段检测方式，将始终单调递减至0，故对于确定的相位差，有唯一的上升沿时间差与之对应。图3是由经方波转换后电网电压Uw与待并机组电压UG得到的上升沿时间差Δt。

图3 电网及待并机组电压方波信号及上升沿时间差波形图

图4 船舶发电机组自动并车软件流程图

传统的相位检测方法是直接采用两电压方波波形异或的方法，在相邻的2次相位差为0（实际为2π的整数倍相位角）的时刻间，该方法所得到的方波时间差Δt将是由0递增至最大，再减小到0的变化规律。导致这1周期中会有2个相同的时间差，为了达到转化相位差的目的还必须加入趋势判断以分辨两相位差的超前滞后关系。研究所采用的上升沿时间差检测法不会出现上述问题，一致的单调性使时间差与相位差一一对应，不用再趋势判断。

2.3 越前时间计算及相位差条件判断

在软件实现中，对待并机组及电网电压转换后的方波信号进行实时检测，读取电网电压方波上升沿触发到待并机组电压方波上升沿触发的时间差Δt。当检测到的时间差Δt与计算的tz值近似相等时（｜Δt－tz｜＜ε，ε为符合精度要求的足够小的数）发出合闸指令，以实现同相点合闸。

这里在确保合闸精度的前提下，以引入人为误差为代价使硬件要求得以降低。事实上检测到的时间差Δt未必能保证与t z相等，而理论做法如下：设每次检测到的待并机组及电网的频率为f G及f w，当检测到时，进入延时环节，延时Δt－t z－t 0（t 0为校验后的检测延时）后发出合闸指令。

图4为实现程序流程概述及流程图。

1）开始调用程序，读取已设定好的合闸总计延时tk，脉宽时间比较限值ε及脉宽检测次数限值N。

2）读入实时检测的待并机组及电网的电压、频率，计算电压差ΔU、频率差Δf，并判断ΔU、Δf是否满足条件。若是，进入“3）”；若否，执行电压或频率调节后重新执行“2）”。

3）根据tk待并机组及电网频率，计算提前越前时间tz。

4）计算当前比较次数n。读取实时检测的待并机组及电网的上升沿时间差Δt，若满足｜Δt－tk｜＜ε，发出合闸指令并进入“5）”；若否，判断当前比较次数是否不小于限值N，若是，返回执行“2）”，若否，重新执行“4）”。

5）读取合闸反馈，判断合闸是否成功。若是，结束程序；若否，报警后结束程序。

3 调试结果

3.1 调试准备及环境介绍

选择带2台以上发电机组的配电屏作为本次调试的控制对象。现场大致硬件环境布置情况见图5。实际调试时采用2台发电机组，1台在网运行，1台待并的方式，通过电量分析仪记录机组及电网的线电压波形合闸前后变化，判断该船舶发电机组自动并车软件的实现是否满足要求。

图5 调试硬件环境布置图

3.2 调试结果数据及分析

由于主开关实际合闸时间可能存在离散性，测定了从发出合闸指令到信号传至配电屏并实际合闸的延时时间，以便能更准确地进行软件并车合闸。从测试结果看，基本稳定于37 ms左右（见表1）。加上模块继电器动作时间的间隔（生产商给出的是5 ms），整定总延时时间为42 ms。

表1 发出合闸指令到信号传至配电屏实际合闸的延时时间

测试共进行了2组发电机频率与电网频率分别为fG＝50.460 Hz、fw＝50.010 Hz；fG＝50.251 Hz，fw＝49.800 Hz左右稳定共24项的合闸相位数据（见表2）。

不计频率差异，调试结果中，合闸相位角平均约为1.29°，最大正偏差为提前2.77°，最大负偏差为0.59°，能满足＜10°要求。而产生偏差的原因有：

2）调试机组及配电网电压波形存在谐波分量。经图像对比半周期波形前后时间长度不等。若改善电能（波形）质量将有效提高合闸精度。

表2 机组及电网不同频率时合闸相位情况

4 结 语

随着船舶电站自动化要求及电能质量要求日益增高，针对船舶发电机组软件自动并车的研究和应用越发必要。对船舶发电机组自动并车软件的具体原理和方法进行了阐述和比较，在软件实现中，对一些检测方法及参数阀值的整定进行了比较和尝试，并结合实际控制对象船舶发电机组进行了测试，均证明该种船舶发电机组自动并车软件方法具备可行性，能满足相关标准对于发电机并车合闸角的要求。

［1］ 杨冠城.电力系统自动装置原理［M］.北京：中国电力出版社，2007.

［2］ 时佳慧.嵌入式船舶电站控制装置的研究与设计［J］.上海船舶运输科学研究所学报，2008，31（2）：67－75.