基于DSP的船舶电站自动准同期装置研究

杨光明 厉孟

(海军驻武汉四三八厂军事代表室，武汉430061)

1 引言

船舶电站自动化是无人机舱的一个重要部分,而自动准同期并车是船舶电站自动化的一个重要内容。目前在国内已有多种模拟电路的自动并车装置，随着微机控制技术的发展，先进的微机控制的自动并车装置逐渐投入研制。微机控制的自动并车装置具有体积小、重量轻、成本低、控制灵活等显著的优越性。因此，自动并车实现微机控制成为必然的趋势。

本文介绍了一种基于 DSP技术的自动同期并车装置，该装置使用了少量的前置模拟有源滤波电路，其它部件都是数字器件，具有较强的抗干扰能力，采用有很强滤波功能的傅氏算法来计算电压差，并对计算结果做数字平滑滤波处理，减小电网尖峰干扰的影响；针对普通微机型自动并车装置常用的线性插值算法预报同期合闸相角易受干扰的缺点，采用最小二乘曲线拟合准确预报同期合闸点，提高了预报的精度，且算法具有极强的抗干扰性，使并车过程安全、可靠、快速，具有一定的实用价值。

2 同期并车装置基本原理

发电机并网的同期条件保证了发电机投入到电网运行时，冲击电流比较小，减小系统对发电机组的冲击，并迅速进入同步运行状态，减小对电力系统的扰动。

在实际并列操作中，并列的实际条件允许有一定的偏差。我们称之为准同期条件。发电机实际并网时的准同期条件是：

(1) 并列断路器两侧电源电压的电压差必须在允许的范围内；

(2) 并列断路器两侧电源电压的频率差必须在允许的范围内；

(3) 在并网合闸的瞬间，并列断路器两侧电源电压的相角差在允许的范围内。

装置利用 DSP 实时采集发电机和电网并列的所需信息，并对待并发电机的电压和频率作出自动调节，使得发电机与电网的电压幅值差、频率差能同时满足并列条件，然后快速捕捉合闸时机，在脉动电势S到达两电压向量重合（如图1所示的差频电压过零点）之前一定时间（越前时间）发出合闸指令，实现准同期自动并列操作。

图1 正弦波及其差频电压

3 交流电参量计算方法

在检测并车条件时，待并发电机电压和电网电压要基本相等，一般要使待并发电机电压略高于电网电压，待并发电机并入电网时会提供一定的无功负载，减轻了原有动力机组的压力，一般将电压差限定在5%以内。

交流采样是对被测信号的瞬时值进行采样，然后对采样值进行分析计算获取被测量的信息。交流采样的采样速率要求高，程序计算量相对较大，但它的采样值中所含信息量大，可通过不同的算法获取所关心的多种信息（如有效值、相位、谐波分量等等），实时性好，成为目前主要使用的采样方式。

图2所示为前置滤波电路和方波整形电路，该滤波电路的优点是直流增益为 1，设计合理的截至频率可以保证工频信号的增益衰减很小，避免滤波电路输出电压的再次定标；方波整形电路用于频率、相位测量，DSP在中断程序中捕获与电网电压同频的方波信号上升沿口，可以计算两路电压的频差和相差，而且在软件上稍作修改就可以实现采样频率的动态跟踪，可以准确的计算出两路电压差。

用微机实现交流电量的测量，有很多种算法，综合考虑各种算法的优劣，决定采用全波傅氏算法。它具有很强的滤波能力，适于各种周期量的采集，可以准确分解出基波和高次谐波分量。

图2 有源滤波和方波整形电路

设信号u(t)是周期函数，并且满足狄里赫利条件，则u(t)可以展开分解为三角级数[1]：

离散化后，有：

4 最小二乘曲线拟合预报同期点

常用的线性函数插值预测超前合闸相角算法，根据斜率公式来计算滑差角频率，再将断路器的恒定导前合闸时间tDC代入线性插值来预估超前合闸相角δYJ，从而判断是否满足合闸相角条件。在电网谐波干扰严重时，过零比较器测得的波形相角差是存在误差的。仅仅由最近两次的相角测量值来计算超前合闸相角，得出的计算结果会存在误差，特别是在电网电压出现的较大的跌落或干扰尖峰时，如果前端滤波电路无法滤除该干扰，由两次相角检测结果来预估超前合闸相角δYJ，极有可能发出误合闸脉冲。

如果保留过去的N个相角测量值，用多项式来进行最小二乘曲线拟合，由多个测量数据的加权值来预估超前合闸相角δYJ，这样可以避免因单个数据的误差而发出误合闸脉冲[2]。下面是依据一次多项式进行曲线拟合，并采用了过去九个数据测量点来预估超前合闸相角的计算过程：

设拟合函数δ(t)=a0+a1t，取权函数ω(x)=1，即认为每个观测点对预估值的影响相同。其中，δ(t)是随时间变化的相角差，测量时间t近似认为是等间距的9个时间点。

根据正规方程组ATAa=ATδ，这里基函数为φ0=1，φ1=t；系数向量a=(a0,a1)T；

相位测量值向量：

系数矩阵：

因为系数向量a=(ATA)-1ATδ，可得系数向量如下：

只要测得过去九个点的相角测量值，将其代入式（6）和式（7），求得拟合函数的系数a0、a1。如果期望断路器触点闭合的瞬间，待并发电机电压和电网电压的瞬时相位近似为零，还需将时间t=4+tDC/T（T是电网电压的周期，近似认为是20 ms，可以离线整定t，避免除法运算）代入拟合函数，如果求得预报相角差δ略大于360°，就认为捕捉到合闸时机，马上发出合闸脉冲。

在极端情况下两侧频差Δf=0.25 Hz，20 ms内角度差变化计算如下：

Δφ=2× 3.14× 0.25× 2 0× 1 0-3= 0.0157（弧度）=1.8°（角度）

即算法本身将给同期并车带来最大 1.8°的误差，能满足工程要求。

为了验证最小二乘曲线拟合的优越性，模拟了一组测量所得相角差值，假设电网频率为 50 Hz，待并发电机为 50.2 Hz，断路器的超前动作时间tDC=100 ms。下表中九个数据点中最后的两个相角差相对理想的相角差（理想的曲线δ(t)=347.04+1.44t有±1°的误差：

表1 测量相角差数据表

把数据代入方程（6）（7），计算得拟合曲线为δ=347.4+1.4567t，将t=4+100/20=9代入，得到断路器主触电闭合瞬间得相角差δ=360.5103°，可见最后两个点的数据对超前相角预估产生的误差不大于0.6°。可见最小二乘曲线拟合在抗干扰性方面具有较强的优势。

5 同期合闸试验

同期合闸试验采用了工频电网和函数信号发生器HP33120A作为输入信号，电网的频率范围在 49.95～50.05Hz波动，信号发生器输出频率定为50.20 Hz，即频差在0.15～0.25 Hz 波动，满足频差条件。四通道示波器 TSD3014B的 CH1通道是电网电压信号，CH2通道是带并发电机电压信号，CH3是输出合闸波形，采用示波器的数学功能MATH通道(CH1-CH2)，即M通道显示两个不同频率电压相减产生的差频电压波形，其过零点表示相角差为零。图3显示了合闸的实测波形，断路器动作时间假定为100 ms，图中箭头指向合闸信号发出100 ms后差频电压瞬时值，可以认为合闸相角差就在0度左右，达到同期并车装置评定的较高标准。

6 结论

采用最小二乘曲线拟合算法预估，计算过程更为简单，计算过程只有加减运算和少量的乘法运算。这样的运算正好符合DSP的指令特点，所有的累加和乘法只需要单个机器时钟周期，避免使用间接除法指令耗费大量的运算时间；而且最小二乘曲线拟合算法保留了过去多个数据点的信息，使得超前合闸相角预估的结果精度更高、可信度也更高，非常适合在谐波严重、电网品质较差的船舶电站中使用。

图3 合闸波形

[1] 杨艳秋, 曹龙汉, 李建勇, 文武松. 一种基于交流采样技术的内燃机电站电气性能测试系统. 移动电源与车辆, 2005, 4.

[2] 李红. 数值分析. 武汉: 华中科技大学出版社, 2003.