CN105699846A - 电力推进船舶电能质量污染源的监测装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种电力推进船舶电能质量污染源的监测装置，包括信号采集装置(2)、信号转换装置(3)、信号处理装置(4)、数据存储装置(5)和人机交互装置(6)，所述信号采集装置(2)与船舶电网(1)连接，信号转换装置(2)与信号采集装置(3)的输出端连接，信号转换装置(3)输出端与数据存储装置(5)连接，数据存储装置(5)连接信号处理装置(4)与人机交互装置(6)连接。本发明能提高船舶电网供电质量，为电能质量的优化和治理提供了理论的基础，对船舶电网污染源的监测和定向的技术发展有着重大意义。

Description

电力推进船舶电能质量污染源的监测装置

技术领域

本发明涉及一种监测装置，更具体地说，涉及一种电力推进船舶电能质量污染源的监测装置。

背景技术

电力推进系统船舶与传统推进系统相比，具有操作方便、机动性好，振动小，有利于船舶控制环境污染等优点，因此船舶电力推进系统已成为当今船舶行业的重点研究和发展对象，发达国家也正在大力研制将电力推进技术应用于下一代新型战舰并取得了重大的进展。随着大量非线性电力电子元器件在船舶电力推进系统上应用和非线性负荷的出现，诸如电压间断、短时冲击、闪变及陷波等波形干扰越来越多的从各电力设备馈入系统，对船舶电力系统的正常运行造成干扰。另外，船上用电设备引起的各种故障和振荡现象，均可能诱发船舶电力系统事故，造成供电的暂时中断，降低供电可靠性。

船舶电力系统中引起电能质量不良的污染源有很多，各设备对电网输电质量的要求也不尽相同。鉴于各种船舶电力设备对电能质量敏感度的变化，电能质量的范围会进一步变大，分类愈加细化，要求愈加提高。当前，几乎所有的电能质量的限制只局限于针对电压或者电流，多用来评估供电系统的其中一个结点在某一时间段内的电能质量等级。但是，监测电能质量指标只是单纯的给出各个污染源对电网影响的总和，未能反映电能质量污染源的源头，也不能对未来电能质量的优化与治理作指导。

电网中电压的骤升骤降很少出现，但是危害比较大。目前，在控制自动化中变频器等大规模敏感性电力电子器件应用的越来越多，即使只是持续几十分之一秒的电压骤升骤降都有可能导致设备停止工作，造成巨大损失，故电压骤升骤降一直是影响电力设备正常工作的最严重的暂态电能质量问题。然而，由于这种电压的极端变化持续时间极短，极难定位，其定向一直是工程的难题。

闪变是电能质量的一个重要的指标，其是指电压波动妨碍连接在公共连接点上的其他电器设备的正常运行，即:当大容量负荷的参数发生周期性变化，将会导致节点电压波动或闪变，并在供电系统中传播，影响其他负荷的正常运行。由于有多个用电负荷连接在相应的公共节点上，仅仅监测某个节点电压只能评估电压波动或闪变的严重程度，并不能判断闪变干扰的污染源。

监测谐波污染源是对电能质量监测的传统方法之一，其中绝大多数使用临界阻抗法和功率流向法。临界阻抗法虽然经过了理论的假设，但是由于实际参数的获取困难，不利于在线使用，实用价值缺乏。基于“污染源是向外输送能量”的假设的功率流向法是目前常用的方法之一，而实际上鉴于多谐波源供电网络的复杂性，线性负荷大多不会注入谐波功率，只是单纯的消耗功率。在一些情况下，谐波源反而可能会吸收谐波功率，造成系统“漏判”，因而不能用“是否向网络注入谐波功率”作为谐波源的判断依据。

发明内容

本发明要解决的技术问题在于，提供一种有效避免污染信号提高船舶电网供电质量的电力推进船舶电能质量污染源的监测装置。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：构造一种电力推进船舶电能质量污染源的监测装置，包括信号采集装置、信号转换装置、信号处理装置、数据存储装置和人机交互装置，所述信号采集装置与船舶电网连接，信号采集装置的输出端与信号转换装置连接，信号转换装置的输出端与数据存储装置连接，数据存储装置连接信号处理装置与人机交互装置连接；

所述信号处理装置包括谐波分析处理装置、闪变分析处理装置与电压骤升骤降处理装置，谐波分析处理装置、闪变分析处理装置与电压骤升骤降处理装置分别与数据存储装置连接。

按上述方案，所述电压骤升骤降分析处理装置分析处理过程如下：读取信号采集装置存储在数据存储装置中的各个节点的电压和电流数据信号，基于周期的小波变换分析法，构造分析电压幅值的变化曲线；判断在持续的设定时间内，电压的幅值是否超过预设值的10％；如果在这段时间电压幅值超过预设值，则计算其对应的区域的母线上每条线路的电流，并基于周期的小波变换分析法，构造分析电流幅值的变化曲线；将采集到的电压和电流幅值变化曲线进行对比，如果电压电流同时上升或下降，则本线路不是电压骤升骤降的污染源，如果两者一升一降，则本线路是电压骤升骤降的污染源；最后将数据处理的结果储存到数据存储装置中。

按上述方案，所述谐波分析处理装置分析处理过程如下：读取存储在数据存储装置中的各个节点的电压和电流数据信号，并对一个基频周期的电压电流数据进行相应的变换计算，得到对应谐波的电压的幅值和相位及电流的幅值和相位；根据上一步计算的结果计算功率因素；根据船舶电网系统参数和相应的负荷协议容量确定负荷的谐波电流的限制，并与变换所得的电流幅值进行比较，确定超过此限值的谐波；计算超过限值的谐波的阻抗；在频域定义和计算对应负荷所具有的非线性度NLR，与设定的基准值比较，若大于设定值，则所对应的电压电流信号的来源为谐波污染源。

按上述方案，所述闪变分析处理装置分析处理过程如下：读取存储在数据存储装置中的各个节点的电压和电流数据信号，跟踪对应的基波幅值和相位，从而确定基波的阻抗，跟踪基波阻抗的变化趋势；然后计算某个负荷单独接入的时候，公共节点的电压曲线；根据变换计算所得的数据对定量时间作频谱分析，得到此时间的闪变强度；将此闪变强度值与系统设定的基准值作比较，若大于设定值，则所对应的电压电流信号的来源为闪变污染源；将分析处理的结果储存到数据存储装置5中。

按上述方案，所述信号采集装置包括A/D转换装置、抗混叠滤波器与可编程数字采集器，A/D转换装置与信号采集装置的输出端连接，A/D转换装置的输出端与抗混叠滤波器连接，抗混叠滤波器的输出端与可编程数字采集器连接。

按上述方案，所述信号处理装置包括谐波分析处理装置、闪变分析处理装置与电压骤升骤降处理装置，谐波分析处理装置、闪变分析处理装置与电压骤升骤降处理装置分别与数据存储装置连接。

按上述方案，所述数据存储装置包括扩展数据存储装置与程序存储装置。

按上述方案，人机交互装置包括显示屏、键盘与数据管理系统，显示屏、键盘与数据管理系统分别与数据存储装置连接。

实施本发明的电力推进船舶电能质量污染源的监测装置，具有以下有益效果：

1、实现了电力推进船舶电能质量污染源的在线定位功能，为船舶电力系统提供有效的集中处理，有效避免了污染信号的大范围传播，提高船舶电网供电质量，为电能质量的优化和治理提供了理论的基础，对船舶电网污染源的监测和定向的技术发展有着重大意义；

2、可以实现对闪变污染源的监测和定向，对电压和电流信号进行了联合分析，判断电压或电流中含有的闪变污染成分来源，达到闪变污染源定位的目的，也可以实现对谐波污染源的监测和定向，改进了传统谐波功率流向判断理论的缺陷，闪变污染源的监测和定向，对电压和电流信号进行了联合分析，并第一次应用到船舶电网的监测中，判断电压或电流中含有的，闪变污染成分来源，达到闪变污染源定位的目的有较好的在线监测能力，能够实时发现问题，及时处理，防止其对整个系统的进一步影响。

附图说明

下面将结合附图及实施例对本发明作进一步说明，附图中：

图1是本发明电力推进船舶电能质量污染源的监测装置的结构框图。

具体实施方式

为了对本发明的技术特征、目的和效果有更加清楚的理解，现对照附图详细说明本发明的具体实施方式。

如图1所示，本发明的电力推进船舶电能质量污染源的监测装置包括信号采集装置2、信号转换装置3、信号处理装置4、数据存储装置5和人机交互装置6。

信号采集装置2与船舶电网1连接，采集船舶电网1各个节点的电压电流信号，再传输到信号采集装置3。信号采集装置3包括A/D转换装置、抗混叠滤波器与可编程数据采集器。本例中选择的A/D转换装置中的芯片为A/D转换AD7658，可编程数字采集器选择的是ALTERA公司生产的FPGA单片机芯片，型号为EPIK30QC208-3N。A/D转换装置与信号采集装置2的输出端连接，A/D转换装置的输出端与抗混叠滤波器连接，抗混叠滤波器的输出端与可编程数字采集器连接。A/D转换装置将通过信号采集装置2采集到的电压电流信号经过高精度量化为数字信号，再经过抗混叠滤波器进行滤波优化，最后通过可编程数据采集器实现高速的实时数据采集，将最后得到的数字信号存储到数据存储装置5中。

数据存储装置5包括扩展数据存储装置与程序存储装置，扩展数据存储装置采用多个RAM芯片，型号为CY7C027。程序存储装置为FLASH。数据存储装置5连接信号处理装置4，信号处理装置4包括谐波分析处理装置、闪变分析处理装置与电压骤升骤降装置，谐波分析处理装置、闪变分析处理装置与电压骤升骤降装置分别与数据存储装置5连接。信号处理装置4选用TI公司的型号为TMS320C6727B的DSP处理芯片。波分析处理装置可以对谐波污染源的监测和定向，改进了传统谐波功率流向判断理论的缺陷，且具有分析简单可靠的优点，有较好的在线监测能力。电压骤升骤降装置可以对电压骤升骤降的监测和定位，利用小波分析方法实时捕捉电压波形，一旦发现对应的暂态过程，马上监测对应线路电流有效值的变化曲线，进而判断电压的变化与本线路的关系，从而达到监测和定位电压骤升骤降的目的。闪变分析处理装置可以对闪变污染源的监测和定向，对电压和电流信号进行了联合分析，并第一次应用到船舶电网的监测中，判断电压或电流中含有的闪变污染成分来源，达到闪变污染源定位的目的。

数据存储装置5与人机交互装置6连接，人机交互装置6包括显示屏601、键盘602与数据管理系统603，显示屏601、键盘602与数据管理系统603分别与数据存储装置5连接。人机交互装置主要由ARM9CPU和CF卡等组成。ARM9CPU是基于一个支持实时仿真和嵌入式跟踪16/32位的LPC2292微控制器，带有256KB嵌入的高速Flash存储器。数据存储装置5将信号采集装置3、信号处理装置4和人机交互装置6整个连接起来，实现数据的存储和中转的功能。将采集到的信号转换处理后上传并显示到人机交互装置6的显示屏601中，能够实时发现问题，及时处理，防止其对整个系统的进一步影响。

工作原理和工作过程:

1、信号采集装置2实时采集船舶电网1中的电压和电流信号，并将该信号上传到信号采集装置3中，信号采集装置3中的A/D转换装置经过数模转换、量化以后，在经过抗叠滤波器的滤波处理，且可编程数据采集器可实现高精度量化数字信号，最后存储到数据存储装置5作为原始数据。

2、信号处理装置4中包括电压骤升骤降分析处理装置，谐波分析处理装置以及闪变分析处理装置；

S1、电压骤升骤降分析处理装置，其分析处理步骤如下：读取信号采集装置3存储在数据存储装置5中的各个节点的电压和电流数据信号，基于周期的小波变换分析法，构造分析电压幅值的变化曲线；判断在持续的设定时间内，电压的幅值是否超过预设值的10％；如果在这段时间电压幅值超过预设值，则计算其对应的区域的母线上每条线路的电流，并基于周期的小波变换分析法，构造分析电流幅值的变化曲线；将采集到的电压和电流幅值变化曲线进行对比，如果电压电流同时上升或下降，则本线路不是电压骤升骤降的污染源，如果两者一升一降，则本线路是电压骤升骤降的污染源；最后将数据处理的结果储存到数据存储装置5中；

S2、谐波分析处理装置，其分析处理步骤如下：读取存储在数据存储装置5中的各个节点的电压和电流数据信号，并对一个基频周期的电压电流数据进行相应的变换计算，得到对应谐波的电压的幅值和相位及电流的幅值和相位；根据上一步计算的结果计算功率因素；根据船舶电网1系统参数和相应的负荷协议容量确定负荷的谐波电流的限制，并与变换所得的电流幅值进行比较，确定超过此限值的谐波；计算超过限值的谐波的阻抗；在频域定义和计算对应负荷所具有的非线性度NLR，与设定的基准值比较，若大于设定值，则所对应的电压电流信号的来源为谐波污染源。

S3、闪变分析处理装置，其分析处理步骤如下：读取存储在数据存储装置5中的各个节点的电压和电流数据信号，跟踪对应的基波幅值和相位，从而确定基波的阻抗，跟踪基波阻抗的变化趋势；然后计算某个负荷单独接入的时候，公共节点的电压曲线；根据变换计算所得的数据对定量时间作频谱分析，得到此时间的闪变强度；将此闪变强度值与系统设定的基准值作比较，若大于设定值，则所对应的电压电流信号的来源为闪变污染源；将分析处理的结果储存到数据存储装置5中。

3、人机交互装置6对数据存储装置5的数据进行读取和管理并将其再显示器601上显示出来。

上面结合附图对本发明的实施例进行了描述，但是本发明并不局限于上述的具体实施方式，上述的具体实施方式仅仅是示意性的，而不是限制性的，本领域的普通技术人员在本发明的启示下，在不脱离本发明宗旨和权利要求所保护的范围情况下，还可做出很多形式，这些均属于本发明的保护之内。

Claims (7)

1.一种电力推进船舶电能质量污染源的监测与系统，其特征在于，包括信号采集装置(2)、信号转换装置(3)、信号处理装置(4)、数据存储装置(5)和人机交互装置(6)，所述信号采集装置(2)与船舶电网(1)连接，信号采集装置(2)的输出端与信号转换装置(3)连接，信号转换装置(3)的输出端与数据存储装置(5)连接，数据存储装置(5)连接信号处理装置(4)与人机交互装置(6)连接；

所述信号处理装置(4)包括谐波分析处理装置、闪变分析处理装置与电压骤升骤降处理装置，谐波分析处理装置、闪变分析处理装置与电压骤升骤降处理装置分别与数据存储装置(5)连接。

2.根据权利要求1所述的电力推进船舶电能质量污染源的监测装置，其特征在于，所述电压骤升骤降分析处理装置分析处理过程如下：读取信号采集装置(2)存储在数据存储装置(5)中的各个节点的电压和电流数据信号，基于周期的小波变换分析法，构造分析电压幅值的变化曲线；判断在持续的设定时间内，电压的幅值是否超过预设值的10％；如果在这段时间电压幅值超过预设值，则计算其对应的区域的母线上每条线路的电流，并基于周期的小波变换分析法，构造分析电流幅值的变化曲线；将采集到的电压和电流幅值变化曲线进行对比，如果电压电流同时上升或下降，则本线路不是电压骤升骤降的污染源，如果两者一升一降，则本线路是电压骤升骤降的污染源；最后将数据处理的结果储存到数据存储装置(5)中。

3.根据权利要求1所述的电力推进船舶电能质量污染源的监测装置，其特征在于，所述谐波分析处理装置分析处理过程如下：读取存储在数据存储装置(5)中的各个节点的电压和电流数据信号，并对一个基频周期的电压电流数据进行相应的变换计算，得到对应谐波的电压的幅值和相位及电流的幅值和相位；根据上一步计算的结果计算功率因素；根据船舶电网(1)系统参数和相应的负荷协议容量确定负荷的谐波电流的限制，并与变换所得的电流幅值进行比较，确定超过此限值的谐波；计算超过限值的谐波的阻抗；在频域定义和计算对应负荷所具有的非线性度NLR，与设定的基准值比较，若大于设定值，则所对应的电压电流信号的来源为谐波污染源。

4.根据权利要求1所述的电力推进船舶电能质量污染源的监测装置，其特征在于，所述闪变分析处理装置分析处理过程如下：读取存储在数据存储装置(5)中的各个节点的电压和电流数据信号，跟踪对应的基波幅值和相位，从而确定基波的阻抗，跟踪基波阻抗的变化趋势；然后计算某个负荷单独接入的时候，公共节点的电压曲线；根据变换计算所得的数据对定量时间作频谱分析，得到此时间的闪变强度；将此闪变强度值与系统设定的基准值作比较，若大于设定值，则所对应的电压电流信号的来源为闪变污染源；将分析处理的结果储存到数据存储装置(5)中。

5.根据权利要求1所述的电力推进船舶电能质量污染源的监测装置，其特征在于，所述信号采集装置(3)包括A/D转换装置、抗混叠滤波器与可编程数字采集器，A/D转换装置与信号采集装置(2)的输出端连接，A/D转换装置的输出端与抗混叠滤波器连接，抗混叠滤波器的输出端与可编程数字采集器连接。

6.根据权利要求1所述的电力推进船舶电能质量污染源的监测装置，其特征在于，所述数据存储装置(5)包括扩展数据存储装置(5)与程序存储装置。

7.根据权利要求1所述的电力推进船舶电能质量污染源的监测装置，其特征在于，人机交互装置(6)包括显示屏(601)、键盘(602)与数据管理系统(603)，显示屏(601)、键盘(602)与数据管理系统(603)分别与数据存储装置(5)连接。