CN101047317A - 船舶电站发电机的数字同步指示、控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种船舶电站发电机的数字同步控制方法，通过对电网和待并发电机的正弦电压信号整形后进行隔离整形成方波信号；对所得的方波宽度检测得正弦波周期，对方波跳变检测得正弦波相位数值，并存储连续的检测所得的正弦波周期和相位数值；根据存储的最近连续正弦波周期和相位数值计算电网和待并发电机正弦电压信号频率、频差、相位、相位差；当计算所得的频差和相位差达到控制要求时，发出控制信号实现同步并车。采用这种方法把检测、指示、控制融于一体，嵌入在同步指示表内，独立完成检测、指示和控制，并且具有数据通信功能，还可用于分布计算机控制系统和计算机仿真系统。

Description

船舶电站发电机的数字同步指示、控制方法

技术领域

本发明涉及一种同步指示、控制方法，特别涉及一种船舶电站发电机的数字同步指示、控制方法。

背景技术

目前广泛使用的船舶电站同步指示整步表的工作方法，采用模拟技术，该工作方法需要：整形、反相、相位比较、滤波和频差符号鉴别五个环节。工作波形见附图5，将输入电网和待并发电机的正弦波电压信号U_W、U_F，通过一个整形电路，把电网和待并发电机的正弦波改造成同频率的矩形波U_W’、U_F’，一路经反相连接到“同或”门的输入，由“同或”门实现相位比较，对上述两个矩形波U_W’、U_F’电平比较，相同出高电平，不相同出低电平，得波形U_C，再经与非门倒相整形成U_D，电网和待并发电机的矩形波U_W’、U_F’越接近，相同部分越多，说明相位差越小，经滤波后得到相位差三角波，用差频三角波模拟信号去驱动显示电路，点亮点式显示器中的发光二极管。另一路经由D触发器组成频差符号鉴别电路(图略)，判别频差符号+、-，输出一个二位信号，如U_W＞U_F输出“0，1”，U_W＜U_F输出“1，0”，该信号控制顺时针/逆时针显示。

由于采用中小规模集成电路制作，改变显示方式，需重新设计电路连接，所以显示方式单一。这种工作方式只具有同步指示功能，根据发光二极管被点亮的部位，判断船舶电站的同步情况，此外这种工作方式不适用分布式计算机控制系统和船舶电站计算机仿真系统，在用于计算机仿真船舶电站同步指示时，为了驱动显示电路，要求仿真计算机必须用A/D转换接口输出差频三角波的模拟信号，以便点亮相应的点式显示电路中的发光二极管。同时，为了满足仿真计算机CRT显示器与整步表上指示一致，还必须把整步表上显示的状态信息读入仿真计算机，要求仿真计算机增加数字量的输入接口。因此，采用上述模拟式整步表仿真，需要对整步表进行改装，使其能直接接收差频三角波模拟信号，还使仿真计算机I/O接口变得繁琐，而且在仿真使用时，当计算机刚接通电源还未运行程序时，模拟式整步表的点式显示器发光二极管的点亮会出现混乱错误现象。

发明内容

本发明的目的在于克服上述采用模拟信号技术的不足，提供一种嵌入式数字同步检测、指示、控制方法，无需用施密特与非门、异或门、D触发器等中小规模集成电路通过电路连接实现相位比较，产生差频三角波信号去驱动显示电路，而是采用数字测量脉冲周期和相位方法，通过数字信号处理，实现同步检测、指示、控制。同步角度指示采用数字输出显示，简化显示电路，而且准确性高。

本发明为了达到上述目的所采取技术方案是包括步骤：

a.对电网和待并发电机的正弦电压信号整形后进行隔离整形成方波信号；

b.通过对步骤a中所得的方波宽度检测得正弦波周期，对方波跳变检测得正弦波相位数值，并存储连续的检测所得的正弦波周期和相位数值；

c.通过对步骤b中存储的最近连续正弦波周期和相位数值计算电网和待并发电机正弦电压信号频率、频差、相位、相位差；

d.将步骤c中计算所得的频差和相位差与预设阀值比较，达到控制要求时，发出控制信号实现同步并车。

本发明可采用双光电隔离器对电网和待并发电机的正弦电压信号整形后进行隔离整形成方波信号，所得的方波信号同原始的正弦强电信号隔离，但周期和相位同原始的正弦电压信号完全相同。

为了进一步对数据的处理，提高干扰抑制能力，建立队列，把检测到的数据先存入到队列中，队列的先进先出(FIFO)特点使队列中存放最近几次的周期和相位数值，通过计算得出电网和待并发电机正弦电压信号频率，频差，相位，相位差，当频差符合并车要求，相位差达到一个预定值时，发出“可以合闸”开关量控制信号实现准确同步并车。

本发明的实现可由嵌入式单片机(MCU)完成，充分挖掘单片微机的采集测试、数据处理、控制功能，具有突出的优点。

1)由于单片机集成度高，价廉，外围电路简单，使该方法的实现价格低。

2)波形转换由双光电隔离器实现，既提高波形质量，又安全可靠。

3)程序实现本发明的方法不同于在先用硬件电路连接方法，显示方式灵活，适用180点环形角度形式显示。

4)功能全，把检测、指示、控制融于一体，独立完成检测、指示和控制。

5)具有数据通信功能，可用于分布计算机控制系统和计算机仿真系统。

附图说明

图1为本发明周期相位差检测工作波形图；

图2为本发明计算机程序实现的主流程图；

图3为本发明一个实施例的实时处理流程图；

图4为本发明一个实施例的另一个实时处理流程图；

图5为目前广泛使用的同步控制方法的相位差检测工作波形图。

具体实施方式

以下结合附图对本发明作进一步描述；

图1为本发明周期相位差检测工作波形图，在本实施例中对原始的正弦电压信号采用二个双光电隔离耦合器组成推拉式脉冲整形，提高开关速度，保证时域一致性。

如图1所示：周期检测，用方波电平作为门控信号，高电平门打开，低电平门关闭，门打开时固定的晶振时钟脉冲，通过门进行计数，门关闭时，时钟脉冲禁止，停止计数，方波下降沿读取计数值n，则方波高电平时间T`＝nt_c。其中t_c为时钟脉冲的周期，通过检测方波高电平期间计数值，求出正弦波周期的检测值。

相位差检测用二个方波下跳变时间作为基准值，当电网方波U`<sub>w</sub>下跳变时开始，用固定的时钟脉冲计数，当待并机方波U`_f下跳变时停止计数，间隔时间即相位差。

图2为本发明计算机程序实现的主流程图，如图2所示：

步骤1：复位，开始；

步骤2：初始化系统，包括：初始化专用寄存器，堆栈指针，存储单元设置；

步骤3：判断是不是仿真系统，如果是，则转到接收仿真计算机数据的分支步骤24，如果不是仿真系统，则进行到步骤4；

步骤4：判断是不是分布式系统，如是分布系统进行到步骤5，否则进行到步骤6；

步骤5：如是分布系统则要进行数据传输和上位机通信；

步骤6：自检；

步骤7：判断有没有实时信号，如果没有，则跳到步骤4，如果有实时信号，则进行到步骤8；

步骤8：判断待并发电机是否要并网，如果不是则进行到步骤22，如果待并发电机需要并网，则进行到步骤9；

步骤9：判断需不需要对电网频率进行检测，如果不需要，则进行到步骤12，如果需要，则进行到步骤10；

步骤10：对电网频率数字修整、滤波，然后进行到步骤11；

步骤11：计算电网频率数据并且存储，然后进行到步骤12；

步骤12：判断是否要进行待并机频率检测，如果不需要，则进行到步骤15，如果需要，则进行到步骤13；

步骤13：对待并机频率数字修整、滤波，然后进行到步骤14；

步骤14：计算待并机频率数据并且存储，然后进行到步骤15；

步骤15：判断是否需要相位差检测，如果不要，则回到步骤4，如果需要则进行到步骤16；

步骤16：对对相位差数字修整、滤波，然后进行到步骤17；

步骤17：计算相位差数据并且存储，然后进行到步骤18；

步骤18：对相位差数据进行角度编码，进行到步骤19；

步骤19：输出显示相位差值，进行到步骤20；

步骤20：根据计算所得的电网频率数据、待并机频率数据、相位差和预设的阀值相比较，判断是否符合并车条件，如果不符合，则跳回步骤4，如果符合并车条件，则进行到步骤21；

步骤21：输出并车控制信号，控制同步合闸，然后跳回步骤4；

步骤22：当不需要待并发电机并网时，对电网频率数字滤波，然后进行到步骤23；

步骤23：对电网频率数据计算并存储，然后跳回步骤4；

步骤24：当判断为仿真系统时，接收仿真计算机数据，然后进行到步骤25；

步骤25：对接受的仿真数据进行处理，计算仿真结果，然后进行到步骤26；

步骤26：对步骤25中所得的数据软件译码，然后进行到步骤27；

步骤27：输出显示仿真数据，然后跳回步骤24。

在程序实现中，检测到的数字信息(数据)经处理后才能显示和控制，数据处理包括数据信号分析、数值计算、排队、滤波、校正(补偿)、相位差角度编码转换等。

为实现现场控制，提高干扰抑制能力，建立了队列，在队列的一端rear进行插入操作，而在队列的另一端front进行删除操作。当输入数据到达(rear+1)％maxsize＝front时，表示队列已满，以后需进行删除，式中％取模运算，maxsize为队列深度。队列中存放最近n次的周期和相位差的检测值。

在队列存储的基础上采用剔除平均法，抑制干扰，剔除不连续的最大最小值，对剩余的n-2次检测数据求平均，已足够消除快速的随即干扰，如电网频率 $f_w=(n-2)/({\mathrm{\&Sigma;}}_1^n\mathrm{Twi}-\mathrm{Tw}\max -\mathrm{Tw}\min -e)$ 式中T_wi为i次电网周期检测值，e为由器件和程序执行时间而引起的误差。

数值计算，为避免计算过程的溢出，挖掘了在定点机上实现浮点运算的方法。如T_w1定标位值Q为Q₁，T_w2的Q值为Q₂，且Q₁＞Q₂，T_w1+T_w2的Q值为Q₃，T_w1+T_w2可以描述为：temp＝T_w2《(Q₁-Q₂)。

           temp＝T_w1+temp

若Q₁＞＝Q₃ T_w1+T_w2＝temp》(Q₁-Q₃)

否则T_w1+T_w2＝temp《(Q₃-Q₁)

式中temp为暂存数据；》代表右移；《代表左移

程序设计采用模块化设计方法。检测、数据处理、同步指示、并车控制、通信都由多个模块程序完成。本发明主流程中电网频率检测、电网频率数字修正，滤波，电网频率数据计算，存储，待并机频率检测，待并机频率数字修正，滤波，待并机频率数据计算，存储，相位差检测、数字修正、滤波、数据计算、存储都编写成模块程序，模块化设计和结构化编码。这样做思路清晰，有条不紊的一步一步进行，既严谨又方便，当一个系统被分解成为若干个相对独立、功能单一的模块时，每个模块就可单独的进一步设计，编写，测试和修改。

本发明对实时性要求很高，采用两种方法达到实时性要求：

1)启用门控信号：利用计算机中定时/计数器的软、硬件控制实现，指令使软件控制信号GATE＝1后，启用方波电平作为门控信号，当方波电平高电平，门打开进行计数，达到跟踪方波信号上跳变实时要求。

2)使用计算机的中断功能：当方波信号下跳变时，立即向计算机发中断请求，实现实时处理。

实时流程实时要求性高，比较精练。流程完成任务有：根据操作状态，把计数器的数据压缩后保存到相应的存储单元，再交替改变操作。如门控信号Enable/Unable，相位差长时间标识Label，标识后返回，二个流程完成任务是不一样的。

图3为本发明一个实施例的实时处理流程图；如图3所示：

步骤301：开始中断int0然后进行到步骤302；

步骤302：关中断，然后进行到步骤303；

步骤303：判断是否测电网频率，如果是，则进行到步骤304，否则进行到步骤306；

步骤304：读取电网频率数，然后进行到步骤305；

步骤305：改变定时/计数器0工作方式，定时/计数器0立即启动，然后进行到步骤308；

步骤306：如果不测电网频率则判断相位差是否已读取，如果是则进行到步骤307，如果没有则进行到步骤309；

步骤307：改变定时/计数器0工作方式，定时/计数器0待启动，然后进行到步骤308；

步骤308：设置处理标志，然后进行到步骤310；

步骤309：设置超次标志，然后进行到步骤310；

步骤310：关中断，然后进行到步骤311；

步骤311：返回int0。

图4为本发明一个实施例的另一个实时处理流程图，如图4所示：

步骤401：开始中断int1，然后进行到步骤402；

步骤402：关中断，然后进行到步骤403；

步骤403：读取待并发电机频率数，然后进行到步骤404；

步骤404：定时/计数器1清0，定时/计数器1待启动，然后进行到步骤405；

步骤405：判断是否检测相位差，如果是，则进行到步骤406，否则进行到步骤408；

步骤406：读取相位差数，然后进行到步骤407；

步骤407：设置相位差读取标志，然后进行步骤408；

步骤408：设置处理标志，进行步骤409；

步骤409：关中断，进行步骤410；

步骤410：返回int1。

实时信号由方波下降沿引起，进入实时流程。实时流程返回后，进入有实时信号后流程处理，根据信号分析结果，如电网频率检测，则进行电网频率队列删除，插入操作、数据滤波、数值补偿、频率差计算。如相位差检测，则进行相位差队列删除，插入操作、数据滤波、数值补偿、相位差计算、频率差计算、相位差辨别。当符合并车条件时，发“可以合闸”并车信号和相位差显示，否则只输出相位差角度编码供显示电路显示。

本实施例可采用单片机，基于MCU的嵌入式开发，对于指示信号的显示，由于单片微机并行输入/输出(I/O)口有限，如直接用单片微机驱动点亮半导体发光二极管显示器LED，180个半导体发光管就需要180个I/O口引脚。为了节省I/O引脚，在本实施例中显示采用同步角度转换再外围译码方法(类似二级译码)，一般的二级译码是指采用行、列方式的译码方法。在本发明中单片微机可自定义实现输出适合外围译码(二级译码)的角度二进制编码。二级译码由外围译码电路实现，采用用分组方法可点亮18-180个发光二极管。

本发明可适用于仿真系统和分布式系统，在本实施例中采用RS-485总线标准，RS-485总线标准采用一对平衡差分信号线传输信号，能有效抑制远距离传输中的噪声干扰，适用于计算机网络以及分布式工业控制系统中，实现485通信需要有一个485通信接口，按通信协议要求的通信程序，接口采用MAX485作为转换芯片，以满足RS-485电气标准。在测控系统中，下位机实时性较高，所以采用串行中断方式进行通信，通信协议采用8个数据位，1个停止位，无奇偶校验位。

Claims (3)

1.一种船舶电站发电机的数字同步指示、控制方法，

包括步骤：

a.对电网和待并发电机的正弦电压信号整形后进行隔离整形成方波信号；

b.通过对步骤a中所得的方波宽度检测得正弦波周期，对方波跳变检测得正弦波相位数值，并存储连续的检测所得的正弦波周期和相位数值；

c.通过对步骤b中存储的最近连续正弦波周期和相位数值计算电网和待并发电机正弦电压信号频率、频差、相位、相位差；

d.将步骤c中计算所得的频差和相位差与预设阀值比较，达到控制要求时，发出控制信号实现同步并车。

2.如权利要求1所述的一种船舶电站发电机的数字同步指示、控制方法，其特征在于：所述的方波信号同原始的正弦强电信号隔离，周期和相位同原始的正弦电压信号完全相同。

3.如权利要求1所述的一种船舶电站发电机的数字同步指示、控制方法，其特征在于：所述的相位差转换为同步角度指示，输出显示。

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