船舶電力推進系統電能質量檢測方法及檢測裝置與流程

2023-05-15 12:09:36 1

本發明屬於電能質量檢測領域，具體涉及一種船舶電力推進系統電能質量檢測方法及檢測裝置。
背景技術：
：船舶電力推進系統是指使用電動機提供原動力，驅動螺旋槳運轉進而為船舶提供動力的一種新型船舶動力系統。與傳統的船舶動力系統相比，電力推進系統調速範圍更廣、驅動力更大、正反轉切換更方便、體積更小、布局更靈活，維修更方便、震動和噪音更小，其作為一種新型的船舶動力系統，世界各國都在進行深入的研究。隨著電力推進船舶的深入研究和實際應用，發現了一些新問題，比如船舶電力推進系統的電能質量問題。採用電力推進系統的船舶電網是一個獨立小容量電網，受各種非線性負載的影響非常大；而且，越來越多的大容量非線性負載應用在船舶上，尤其是電動機前的大功率變頻器或者逆變器、整流器等的使用會產生大量諧波注入電網，而船舶電網的絕大部分電力都是供給推進電動機，所以電力推進系統產生的電能質量汙染問題可能嚴重影響船舶電網的電能質量。如何有效準確的監測船舶電力推進系統的電能質量，為電能質量問題的治理提供一個重要依據。公開號為101871984a，公開日期為2010-10-27的專利申請，公開了一種船舶電能質量檢測裝置及檢測方法，該檢測裝置包括電壓傳感器、電流傳感器、信號調理電路、數據採集卡及計算機，使用數據採集卡採集電網信息，通過usb將數據傳至計算機，數據的處理和運算、分析、顯示、存儲全部在計算機上完成。該裝置的結構較為簡單，但因數據的處理尤其是諧波信號的分析會佔用大量的計算機資源，導致計算機運行緩慢，使整個系統實時性較差，穩定性不好，傳輸速率慢。技術實現要素：本發明的目的在於提供一種船舶電力推進系統電能質量檢測方法及檢測裝置，該方法和裝置能實現對船舶電力推進系統電能質量的實時準確監測，其數學運算主要在dsp上完成，原始數據和測量結果使用pci總線傳至穩定性較好的工控機，測量結果在工控機端實時顯示，原始數據和測量結果可為船舶電力電子裝置的改進和電能質量改善裝置提供數據指標。本發明所採用的技術方案是：一種船舶電力推進系統電能質量檢測方法，包括如下步驟：通過電壓互感器pt和電流互感器ct分別從電力推進系統推進電機變頻器前的三相線路中獲取電壓信號和電流信號，並將採集到的電壓信號和電流信號送入信號調理電路進行濾波和電壓值、電流值調整；調理過後的電能信號(從a、b、c三個線路上分別採集的電壓信號和電流信號)一路經過a/d轉換器轉換成dsp可識別的數字量信號，得到第一數據記錄(即包括a線路採集到的128點電壓值數據，128點電流值數據；b線路採集到的128點電壓值數據，128點電流值數據；c線路採集到的128點電壓值數據，128點電流值數據)；一路通過鎖相同步電路，將電能信號(從a、b、c三個線路上分別採集的電壓信號和電流信號)進行鎖相倍頻後作為採樣頻率輸入dsp中進行數學運算；通過dsp運算得到電壓有效值、電流有效值、有功功率、無功功率、功率因數、諧波，並將計算結果和第一數據記錄傳遞給pci控制器，pci控制器通過pci總線將接收到的數據發送至工控機；通過工控機在界面上實時顯示dsp發送過來的電能質量指標值(電壓有效值、電流有效值、有功功率、無功功率、功率因數、諧波)，並將電能質量指標和第一數據記錄存儲至硬碟。按上述方案，a/d轉換器每採集一個點，鎖相同步電路的鎖相環發出一個a/d中斷，dsp響應中斷並存儲數據，當採集一個周期，採集數據點達到128時，dsp計算一次電網電能質量參數—電壓有效值、電流有效值、有功功率、無功功率、功率因數、諧波。按上述方案，所述界面包括電能質量基本參數界面、諧波數據界面、波形顯示界面、報警閥值界面、歷史數據界面和遠程通訊界面，各界面之間可手動切換；電能質量基本參數界面主要顯示電網各質量指標實時值；諧波數據界面顯示實時的諧波情況；波形顯示界面顯示當前的電壓、電流波形和各次諧波、基波波形；報警閥值界面顯示各電能質量參數的上下限值，可手動輸入，若檢測值超過限值就會發出警報聲報警；歷史數據界面可查詢歷史三個月內各任意時間的電能質量參數監測值；遠程通訊界面顯示遙控主機ip地址，可手動輸入。按上述方案，所述電壓有效值其中，n為採集的128點電壓值數據序列最大值,即n＝127，u(k)為k點的電壓值，k為採集的128點電壓值數據序列編號,取值範圍0～127；所述電流有效值其中，i(k)為k點的電流值，n為採集的128點電壓值數據序列最大值,即n＝127，k為採集的128點電壓值數據序列編號,取值範圍0～127；所述有功功率包括單相有功功率和三相有功功率，所述單相有功功率其中，n為採集的128點電壓值數據序列最大值,即n＝127，u(k)為k點的電壓值，i(k)為k點的電流值，k為採集的128點電壓值數據序列編號,取值範圍0～127；所述三相有功功率其中，ua(k)為a線路採集的128點電壓值數據序列的第k點的電壓值，ub(k)為b線路採集電壓值數據序列的第k點電壓值,uc(k)為c線路採集電壓值數據序列的第k點電壓值；ia(k)為a線路採集的128點電流值數據序列的第k點的電流值，ic(k)為c線路採集電流值數據序列的第k點電流值，k為採集的128點電壓值數據序列編號,取值範圍0～127，n為採集的128點電壓值數據序列最大值,即n＝127；所述無功功率其中：p為三相有功功率，s為視在功率；所述功率因數其中，視在功率s＝udid；所述諧波的計算過程為：1)、讀取採集的128點電壓信號；2)、進行加窗處理，即將上述電壓信號分別乘hanning窗；3)、加窗後的函數進行fft處理；4)、計算各次諧波幅值。按上述方案，加窗處理函數v(n)＝x(n)w(n)，其中，x(n)為採集到的數據函數，w(n)為hanning窗函數,式中，n為採集的128點電壓值數據序列最大值,即n＝127；fft處理函數其中,k的含義為採集的128點電壓值數據序列編號,取值範圍0～127，n的含義為採集的128點電壓值數據序列最大值，即n＝127，j是虛數，j2＝-1；通過hanning窗可以有效消去高頻幹擾和漏能；從頻譜分析可以知道，漢寧窗主瓣加寬並降低，旁瓣則顯著減小，減小洩漏的能力明顯優於矩形窗。本發明還提供一種上述船舶電力推進系統電能質量檢測方法所採用的裝置，其包括：電壓互感器pt，用於採集電力推進系統推進電機變頻器前的三相線路的電壓信號；電流互感器ct，用於採集電力推進系統推進電機變頻器前的三相線路的電流信號；信號調理電路，用於將電壓互感器pt和電流互感器ct傳來的電壓信號和電流信號轉換到可用範圍的低電壓和電流信號；a/d轉換器，用於對信號調理電路調理後的電壓值、電流值進行採樣得到第一數據記錄(即包括a線路採集到的128點電壓值數據，128點電流值數據；b線路採集到的128點電壓值數據，128點電流值數據；c線路採集到的128點電壓值數據，128點電流值數據)，並將採樣後的數據通過並行方式送到dsp信號處理模塊進行計算處理；鎖相同步電路，將電能信號(從a、b、c三個線路上分別採集的電壓信號和電流信號)進行鎖相倍頻後輸出的信號作為採樣頻率輸入dsp中進行數學運算，鎖相同步電路保證快速的周期信號跟蹤，避免由於信號採樣的不同步而導致計算產生頻譜洩露；由於本系統採用快速傅立葉變換(fft)算法測量，必須保證採集的信號剛好是周波的整數倍，以避免由於信號採樣的不同步而導致計算產生頻譜洩露；dsp，短暫存儲接收的數據，並進行多種電能質量參數的計算和使用fft算法進行頻率分析，將計算結果和原始數據傳遞給pci控制器；pci控制器，用於接收dsp傳來的數據，並將數據通過pci總線傳遞給工控機；工控機，用於接收並存儲pci控制器傳來的數據，並在界面上進行電能質量參數的實時顯示；電源，用於為a/d轉換器、dsp、pci控制器、工控機供電。本發明中，電壓互感器pt、電流互感器ct、信號調理電路組成數據採集模塊，a/d轉換器、鎖相同步電路、dsp組成數據處理模塊，pci控制器、工控機組成數據顯示存儲模塊。與現有技術相對比，本發明具有以下優點：dsp負責處理大量的數據運算，工控機負責實時顯示和數據的存儲，充分發揮了dsp的強大計算能力和工控機的豐富資源；採用pci總線進行數據傳輸，滿足大量數據的快速傳遞需求；通過採用pci總線、鎖相同步電路等能實現對船舶電力推進系統電能質量的實時準確監測；原始數據和測量結果存儲在工控機中，可為船舶電力電子裝置的改進和電能質量改善裝置提供數據指標；結構簡單，穩定性好，在船艙複雜的電磁環境下可實時精確長時間的監測船舶電力推進系統電能質量，具有很強的實用性；本檢測裝置具有一定的便攜性，可安裝在現場通過工控機聯網遠程實時在線監測，亦可攜帶到現場進行短時間電能質量檢測；本發明結構合理，控制靈活，實現代碼編寫簡單，執行效率高，出錯率低，可以充分發揮dsp強大的數據處理功能和工控機豐富的圖形界面功能。附圖說明下面將結合附圖及實施例對本發明作進一步說明，附圖中：圖1是本發明船舶電力推進系統電能質量檢測裝置的結構框圖；圖2是dsp主程序流程圖；圖3是工控機主程序示意圖；圖4是諧波計算子程序流程圖。其中：1-電源模塊、2-數據處理模塊、3-電能質量數據採集模塊、4-數據的存儲與顯示模塊、5-電壓互感器pt、6-電流互感器ct、7-信號調理電路、8-鎖相同步電路、9-工控機、10-pci控制器、11-dsp、12-a/d轉換器、13-電源。具體實施方式為了使本發明的目的、技術方案及優點更加清楚明白，以下結合附圖及實施例，對本發明進行進一步詳細說明。應當理解，此處所描述的具體實施例僅用以解釋本發明，並不用於限定本發明。參見圖1，一種船舶電力推進系統電能質量檢測裝置，主要包括電能質量數據採集模塊3、數據處理模塊2、數據的存儲與顯示模塊4和電源模塊；電能質量數據採集模塊3包括電壓互感器pt5、電流互感器ct6和信號調理電路7；數據處理模塊2包括a/d轉換器12、鎖相同步電路8和dsp11；數據的存儲與顯示模塊4包括工控機9；電源模塊1包括為數據處理模塊2、數據的存儲與顯示模塊4供電的電源13。電壓互感器pt5採用上海歐宜電氣有限公司生產的jsgw-0.5f，輸入電壓380v，輸出電壓3v，用於採集電力推進系統推進電機變頻器前的三相線路的電壓信號；電流互感器ct6採用上海歐宜電氣有限公司生產的mes-140/100,變比2000/1，用於採集電力推進系統推進電機變頻器前的三相線路的電流信號；信號調理電路7，由依次連接的高阻抗調理電路、輸入箝位保護電路、二階抗混疊濾波器和輸入緩衝電路組成，用於將電壓互感器pt和電流互感器ct傳來的電壓信號和電流信號轉換到可用範圍的低電壓和電流信號；a/d轉換器12，採用ad公司的ad73360採集晶片，其集成6路16位的模數轉換器，最高採樣頻率可達64ks/s,通過串行接口與dsp連接，用於對信號調理電路調理後的電壓值、電流值進行採樣，並將採樣後的數據通過並行方式送到dsp信號處理模塊進行計算處理；鎖相同步電路8，採用集成鎖相環晶片cd4046和計數晶片cd4040組成128倍頻的鎖相倍頻電路，將電能信號進行鎖相倍頻後輸出的信號作為採樣頻率輸入dsp中進行數學運算，鎖相同步電路保證快速的周期信號跟蹤，避免由於信號採樣的不同步而導致計算產生頻譜洩露；由於本系統採用快速傅立葉變換(fft)算法測量，必須保證採集的信號剛好是周波的整數倍，以避免由於信號採樣的不同步而導致計算產生頻譜洩露；dsp11，採用德州儀器公司的tms320f2812，其數據信號處理能力出色，可拓展性好，接口豐富，滿足系統對精度和實時性的要求，價格合理，用於短暫存儲接收的數據，並進行多種電能質量參數的計算和使用fft算法進行頻率分析，將計算結果和原始數據傳遞給pci控制器；pci控制器10，採用plx公司的pci9030，具有符合pci2.2標準的總線接口，用於接收dsp傳來的數據，並將數據通過pci總線傳遞給工控機；工控機9，採用研華公司的一體化工作站acp-4001，自帶一個6.4英寸的液晶顯示屏、推拉式鍵盤和觸控板。作業系統使用windowsxp專業版，安裝vc++6.0編程軟體，用於接收並存儲pci控制器傳來的數據，並在界面上進行電能質量參數的實時顯示，在工控機上可隨時手動查看歷史電能質量指標和原始數據記錄；電源13，用於為a/d轉換器、dsp、pci控制器、工控機供電。一種採用上述船舶電力推進系統電能質量檢測裝置進行質量檢測的方法，包括如下步驟：通過電壓互感器pt和電流互感器ct分別從電力推進系統推進電機變頻器前的三相線路中獲取電壓信號和電流信號，並將採集到的電壓信號和電流信號送入信號調理電路進行濾波和電壓值、電流值調整；調理過後的電能信號(從a、b、c三個線路上分別採集的電壓信號和電流信號)一路經過a/d轉換器轉換成dsp可識別的數字量信號，得到第一數據記錄(即包括a線路採集到的128點電壓值數據，128點電流值數據；b線路採集到的128點電壓值數據，128點電流值數據；c線路採集到的128點電壓值數據，128點電流值數據。)；一路通過鎖相同步電路，將電能信號(從a、b、c三個線路上分別採集的電壓信號和電流信號)進行鎖相倍頻後作為採樣頻率輸入dsp中進行數學運算；dsp運算得到電壓有效值、電流有效值、有功功率、無功功率、功率因數、諧波，並將計算結果和第一數據記錄傳遞給pci控制器，pci控制器通過pci總線將接收到的數據發送至工控機；工控機在界面上實時顯示dsp發送過來的電能質量指標值(電壓有效值、電流有效值、有功功率、無功功率、功率因數、諧波)，並將電能質量指標和原始數據存儲至硬碟。本發明中，a/d轉換器每採集一個點，鎖相同步電路的鎖相環發出一個a/d中斷，dsp響應中斷並存儲數據，當採集一個周期，採集數據點達到128時，dsp計算一次電網電能質量參數—電壓有效值、電流有效值、有功功率、無功功率、功率因數、諧波。本發明中，電壓有效值其中，n為採集的128點電壓值數據序列最大值,即n＝127，u(k)為k點的電壓值，k為採集的128點電壓值數據序列編號,取值範圍0～127。電流有效值其中，i(k)為k點的電流值，n為採集的128點電壓值數據序列最大值,即n＝127，k為採集的128點電壓值數據序列編號,取值範圍0～127；有功功率包括單相有功功率和三相有功功率，單相有功功率其中，n為採集的128點電壓值數據序列最大值,即n＝127，u(k)為k點的電壓值，i(k)為k點的電流值，k為採集的128點電壓值數據序列編號,取值範圍0～127；三相有功功率其中，ua(k)為a線路採集的128點電壓值數據序列的第k點的電壓值，ub(k)為b線路採集電壓值數據序列的第k點電壓值,uc(k)為c線路採集電壓值數據序列的第k點電壓值；ia(k)為a線路採集的128點電流值數據序列的第k點的電流值，ic(k)為c線路採集電流值數據序列的第k點電流值，k為採集的128點電壓值數據序列編號,取值範圍0～127，n為採集的128點電壓值數據序列最大值,即n＝127。無功功率其中：p為三相有功功率；s為視在功率。功率因數其中，視在功率s＝udid。參見圖4，諧波的計算過程為：1)、讀取採集的128點電壓信號；2)、進行加窗處理，即將上述電壓信號分別乘hanning窗；加窗處理函數v(n)＝x(n)w(n，)其中，x(n)為採集到的數據函數，w(n)為hanning窗函數,式中，n為採集的128點電壓值數據序列最大值,即n＝127；3)、加窗後的函數進行fft處理；fft處理函數n＝0,1…n-1；其中,k的含義為採集的128點電壓值數據序列編號,取值範圍0～127，n的含義為採集的128點電壓值數據序列最大值，即n＝127，j是虛數，j2＝-1；4)、計算各次諧波幅值。本發明中，dsp的軟體設計流程圖如附圖2所示，主要流程為：軟體開始執行後首先進入主程序的入口，進行dsp的初始化和外部設備(主要是鎖相同步電路)的初始化，鎖相環工作穩定後打開a/d中斷，程序進入死循環，a/d轉換器每採集一個點鎖相環發出一個a/d中斷，dsp響應中斷採集並存儲數據，當採集一個周期，採集數據點達到128時，dsp計算一次電網電能質量參數——電壓有效值、電流有效值、有功功率、無功功率、功率因數、諧波等，同時發出pci中斷，通知上位機並將計算結果和原始採集數據上傳至工控機，dsp進入數據採集—>採集數據點滿128點—>計算電網電能質量參數—>上傳至工控機的循環。如附圖3所示，工控機接收dsp上傳的數據並存儲至硬碟，將信息實時顯示在軟體中顯示，工控機電能質量監控軟體主要界面包括六個界面，電能質量基本參數界面、諧波數據界面、波形顯示界面、報警閥值界面、歷史數據界面、和遠程通訊界面，電能質量基本參數界面主要顯示電網各質量指標實時值；諧波數據界面顯示實時的諧波情況；波形顯示界面顯示當前的電壓、電流波形和各次諧波、基波波形；報警閥值界面可手動修改各電能質量參數的上下限值，若檢測值超過限值程序就會發出警報聲報警；歷史數據界面可查詢歷史三個月內各任意時間的電能質量參數監測值；遠程通訊界面可手動輸入遙控主機ip地址，實現工控機與遙控主機的數據傳輸和遠程監控及控制。在工控機上可手動操作選擇切換到任意界面顯示。本發明不僅對船舶電能質量推進系統的常規電能質量參數進行了測量，還可有效監測到諧波、功率因數等電能質量參數。測試實例為了測試本船舶電力推進系統電能質量檢測裝置的實際性能，使用深圳市星龍科技股份有限公司生產的xl-803型三相程控標準功率源進行校驗，校驗結果如下。表1無諧波注入時的三相電壓、電流有效值測量結果項目給定(v)測量(v)誤差(％)給定(a)測量(a)誤差(％)a相電壓/電流220.01219.810.1355.010.2b相電壓/電流219.99219.640.1654.980.4c相電壓/電流220.00219.600.1854.980.4表2有諧波注入時的三相電壓各次諧波測量結果註：由於b相、c相和a相計算方法均相同，這裡僅僅驗證a相表3三相功率及功率因數測量結果經檢驗，本系統的電能質量基本參數測量和21次以內的諧波測量的準確度基本滿足國家標準gb/t19862-2005《電能質量檢測設備通用要求》要求，達到了設計的基本目標，是一個具有創新性的電能質量監測系統。當前第1頁12