CN107219432A - 船舶电力推进系统电能质量检测方法及检测装置 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种船舶电力推进系统电能质量检测方法，该方法通过电压互感器PT和电流互感器CT获取电压信号和电流信号，并将上述信号送入信号调理电路进行滤波和电压值、电流值调整；经调理过后的电能信号一路经过A/D转换器传入DSP；一路通过锁相同步电路后传入DSP中进行数学运算；DSP运算得到电压有效值、电流有效值、有功功率、无功功率、功率因数、谐波，并将上述计算结果和原始采样数据传递给PCI控制器，PCI控制器通过PCI总线将接收到的数据发送至工控机进行实时显示和存储。本发明还提供一种船舶电力推进系统电能质量检测装置。本发明能实现对船舶电力推进系统电能质量的实时准确监测。
Description
技术领域
本发明属于电能质量检测领域，具体涉及一种船舶电力推进系统电能质量检测方法及检测装置。
背景技术
船舶电力推进系统是指使用电动机提供原动力，驱动螺旋桨运转进而为船舶提供动力的一种新型船舶动力系统。与传统的船舶动力系统相比，电力推进系统调速范围更广、驱动力更大、正反转切换更方便、体积更小、布局更灵活，维修更方便、震动和噪音更小，其作为一种新型的船舶动力系统，世界各国都在进行深入的研究。随着电力推进船舶的深入研究和实际应用，发现了一些新问题，比如船舶电力推进系统的电能质量问题。采用电力推进系统的船舶电网是一个独立小容量电网，受各种非线性负载的影响非常大；而且，越来越多的大容量非线性负载应用在船舶上，尤其是电动机前的大功率变频器或者逆变器、整流器等的使用会产生大量谐波注入电网，而船舶电网的绝大部分电力都是供给推进电动机，所以电力推进系统产生的电能质量污染问题可能严重影响船舶电网的电能质量。如何有效准确的监测船舶电力推进系统的电能质量，为电能质量问题的治理提供一个重要依据。
公开号为101871984A，公开日期为2010-10-27的专利申请，公开了一种船舶电能质量检测装置及检测方法，该检测装置包括电压传感器、电流传感器、信号调理电路、数据采集卡及计算机，使用数据采集卡采集电网信息，通过USB将数据传至计算机，数据的处理和运算、分析、显示、存储全部在计算机上完成。该装置的结构较为简单，但因数据的处理尤其是谐波信号的分析会占用大量的计算机资源，导致计算机运行缓慢，使整个系统实时性较差，稳定性不好，传输速率慢。
发明内容
本发明的目的在于提供一种船舶电力推进系统电能质量检测方法及检测装置，该方法和装置能实现对船舶电力推进系统电能质量的实时准确监测，其数学运算主要在DSP上完成，原始数据和测量结果使用PCI总线传至稳定性较好的工控机，测量结果在工控机端实时显示，原始数据和测量结果可为船舶电力电子装置的改进和电能质量改善装置提供数据指标。
本发明所采用的技术方案是：
一种船舶电力推进系统电能质量检测方法，包括如下步骤：
通过电压互感器PT和电流互感器CT分别从电力推进系统推进电机变频器前的三相线路中获取电压信号和电流信号，并将采集到的电压信号和电流信号送入信号调理电路进行滤波和电压值、电流值调整；
调理过后的电能信号(从A、B、C三个线路上分别采集的电压信号和电流信号)一路经过A/D转换器转换成DSP可识别的数字量信号，得到第一数据记录(即包括A线路采集到的128点电压值数据，128点电流值数据；B线路采集到的128点电压值数据，128点电流值数据；C线路采集到的128点电压值数据，128点电流值数据)；一路通过锁相同步电路，将电能信号(从A、B、C三个线路上分别采集的电压信号和电流信号)进行锁相倍频后作为采样频率输入DSP中进行数学运算；
通过DSP运算得到电压有效值、电流有效值、有功功率、无功功率、功率因数、谐波，并将计算结果和第一数据记录传递给PCI控制器，PCI控制器通过PCI总线将接收到的数据发送至工控机；通过工控机在界面上实时显示DSP发送过来的电能质量指标值(电压有效值、电流有效值、有功功率、无功功率、功率因数、谐波)，并将电能质量指标和第一数据记录存储至硬盘。
按上述方案，A/D转换器每采集一个点，锁相同步电路的锁相环发出一个A/D中断，DSP响应中断并存储数据，当采集一个周期，采集数据点达到128时，DSP计算一次电网电能质量参数—电压有效值、电流有效值、有功功率、无功功率、功率因数、谐波。
按上述方案，所述界面包括电能质量基本参数界面、谐波数据界面、波形显示界面、报警阀值界面、历史数据界面和远程通讯界面，各界面之间可手动切换；电能质量基本参数界面主要显示电网各质量指标实时值；谐波数据界面显示实时的谐波情况；波形显示界面显示当前的电压、电流波形和各次谐波、基波波形；报警阀值界面显示各电能质量参数的上下限值，可手动输入，若检测值超过限值就会发出警报声报警；历史数据界面可查询历史三个月内各任意时间的电能质量参数监测值；远程通讯界面显示遥控主机IP地址，可手动输入。
按上述方案，所述电压有效值其中，N为采集的128点电压值数据序列最大值,即N＝127，u(k)为k点的电压值，k为采集的128点电压值数据序列编号,取值范围0～127；
所述电流有效值其中，i(k)为k点的电流值，N为采集的128点电压值数据序列最大值,即N＝127，k为采集的128点电压值数据序列编号,取值范围0～127；
所述有功功率包括单相有功功率和三相有功功率，
所述单相有功功率其中，N为采集的128点电压值数据序列最大值,即N＝127，u(k)为k点的电压值，i(k)为k点的电流值，k为采集的128点电压值数据序列编号,取值范围0～127；
所述三相有功功率其中，uA(k)为A线路采集的128点电压值数据序列的第k点的电压值，uB(k)为B线路采集电压值数据序列的第k点电压值,uC(k)为C线路采集电压值数据序列的第k点电压值；iA(k)为A线路采集的128点电流值数据序列的第k点的电流值，iC(k)为C线路采集电流值数据序列的第k点电流值，k为采集的128点电压值数据序列编号,取值范围0～127，N为采集的128点电压值数据序列最大值,即N＝127；
所述无功功率其中：P为三相有功功率，S为视在功率；
所述功率因数其中，视在功率S＝UdId；
所述谐波的计算过程为：
1)、读取采集的128点电压信号；
2)、进行加窗处理，即将上述电压信号分别乘Hanning窗；
3)、加窗后的函数进行FFT处理；
4)、计算各次谐波幅值。
按上述方案，加窗处理函数v(n)＝x(n)w(n)，其中，x(n)为采集到的数据函数，w(n)为Hanning窗函数,
式中，N为采集的128点电压值数据序列最大值,即N＝127；
FFT处理函数
其中,k的含义为采集的128点电压值数据序列编号,取值范围0～127，N的含义为采集的128点电压值数据序列最大值，即N＝127，j是虚数，j2＝-1；
通过Hanning窗可以有效消去高频干扰和漏能；从频谱分析可以知道，汉宁窗主瓣加宽并降低，旁瓣则显著减小，减小泄漏的能力明显优于矩形窗。
本发明还提供一种上述船舶电力推进系统电能质量检测方法所采用的装置，其包括：
电压互感器PT，用于采集电力推进系统推进电机变频器前的三相线路的电压信号；
电流互感器CT，用于采集电力推进系统推进电机变频器前的三相线路的电流信号；
信号调理电路，用于将电压互感器PT和电流互感器CT传来的电压信号和电流信号转换到可用范围的低电压和电流信号；
A/D转换器，用于对信号调理电路调理后的电压值、电流值进行采样得到第一数据记录(即包括A线路采集到的128点电压值数据，128点电流值数据；B线路采集到的128点电压值数据，128点电流值数据；C线路采集到的128点电压值数据，128点电流值数据)，并将采样后的数据通过并行方式送到DSP信号处理模块进行计算处理；
锁相同步电路，将电能信号(从A、B、C三个线路上分别采集的电压信号和电流信号)进行锁相倍频后输出的信号作为采样频率输入DSP中进行数学运算，锁相同步电路保证快速的周期信号跟踪，避免由于信号采样的不同步而导致计算产生频谱泄露；由于本系统采用快速傅里叶变换(FFT)算法测量，必须保证采集的信号刚好是周波的整数倍，以避免由于信号采样的不同步而导致计算产生频谱泄露；
DSP，短暂存储接收的数据，并进行多种电能质量参数的计算和使用FFT算法进行频率分析，将计算结果和原始数据传递给PCI控制器；
PCI控制器，用于接收DSP传来的数据，并将数据通过PCI总线传递给工控机；
工控机，用于接收并存储PCI控制器传来的数据，并在界面上进行电能质量参数的实时显示；
电源，用于为A/D转换器、DSP、PCI控制器、工控机供电。
本发明中，电压互感器PT、电流互感器CT、信号调理电路组成数据采集模块，A/D转换器、锁相同步电路、DSP组成数据处理模块，PCI控制器、工控机组成数据显示存储模块。
与现有技术相对比，本发明具有以下优点：
DSP负责处理大量的数据运算，工控机负责实时显示和数据的存储，充分发挥了DSP的强大计算能力和工控机的丰富资源；
采用PCI总线进行数据传输，满足大量数据的快速传递需求；
通过采用PCI总线、锁相同步电路等能实现对船舶电力推进系统电能质量的实时准确监测；
原始数据和测量结果存储在工控机中，可为船舶电力电子装置的改进和电能质量改善装置提供数据指标；
结构简单，稳定性好，在船舱复杂的电磁环境下可实时精确长时间的监测船舶电力推进系统电能质量，具有很强的实用性；
本检测装置具有一定的便携性，可安装在现场通过工控机联网远程实时在线监测，亦可携带到现场进行短时间电能质量检测；
本发明结构合理，控制灵活，实现代码编写简单，执行效率高，出错率低，可以充分发挥DSP强大的数据处理功能和工控机丰富的图形界面功能。
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是本发明船舶电力推进系统电能质量检测装置的结构框图；
图2是DSP主程序流程图；
图3是工控机主程序示意图；
图4是谐波计算子程序流程图。
其中：1-电源模块、2-数据处理模块、3-电能质量数据采集模块、4-数据的存储与显示模块、5-电压互感器PT、6-电流互感器CT、7-信号调理电路、8-锁相同步电路、9-工控机、10-PCI控制器、11-DSP、12-A/D转换器、13-电源。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
参见图1，一种船舶电力推进系统电能质量检测装置，主要包括电能质量数据采集模块3、数据处理模块2、数据的存储与显示模块4和电源模块；电能质量数据采集模块3包括电压互感器PT 5、电流互感器CT 6和信号调理电路7；数据处理模块2包括A/D转换器12、锁相同步电路8和DSP 11；数据的存储与显示模块4包括工控机9；电源模块1包括为数据处理模块2、数据的存储与显示模块4供电的电源13。
电压互感器PT 5采用上海欧宜电气有限公司生产的JSGW-0.5F，输入电压380V，输出电压3V，用于采集电力推进系统推进电机变频器前的三相线路的电压信号；
电流互感器CT 6采用上海欧宜电气有限公司生产的MES-140/100,变比2000/1，用于采集电力推进系统推进电机变频器前的三相线路的电流信号；
信号调理电路7，由依次连接的高阻抗调理电路、输入箝位保护电路、二阶抗混叠滤波器和输入缓冲电路组成，用于将电压互感器PT和电流互感器CT传来的电压信号和电流信号转换到可用范围的低电压和电流信号；
A/D转换器12，采用AD公司的AD73360采集芯片，其集成6路16位的模数转换器，最高采样频率可达64kS/s,通过串行接口与DSP连接，用于对信号调理电路调理后的电压值、电流值进行采样，并将采样后的数据通过并行方式送到DSP信号处理模块进行计算处理；
锁相同步电路8，采用集成锁相环芯片CD4046和计数芯片CD4040组成128倍频的锁相倍频电路，将电能信号进行锁相倍频后输出的信号作为采样频率输入DSP中进行数学运算，锁相同步电路保证快速的周期信号跟踪，避免由于信号采样的不同步而导致计算产生频谱泄露；由于本系统采用快速傅里叶变换(FFT)算法测量，必须保证采集的信号刚好是周波的整数倍，以避免由于信号采样的不同步而导致计算产生频谱泄露；
DSP 11，采用德州仪器公司的TMS320F2812，其数据信号处理能力出色，可拓展性好，接口丰富，满足系统对精度和实时性的要求，价格合理，用于短暂存储接收的数据，并进行多种电能质量参数的计算和使用FFT算法进行频率分析，将计算结果和原始数据传递给PCI控制器；
PCI控制器10，采用PLX公司的PCI9030，具有符合PCI2.2标准的总线接口，用于接收DSP传来的数据，并将数据通过PCI总线传递给工控机；
工控机9，采用研华公司的一体化工作站ACP-4001，自带一个6.4英寸的液晶显示屏、推拉式键盘和触控板。操作系统使用Windows XP专业版，安装VC++6.0编程软件，用于接收并存储PCI控制器传来的数据，并在界面上进行电能质量参数的实时显示，在工控机上可随时手动查看历史电能质量指标和原始数据记录；
电源13，用于为A/D转换器、DSP、PCI控制器、工控机供电。
一种采用上述船舶电力推进系统电能质量检测装置进行质量检测的方法，包括如下步骤：
通过电压互感器PT和电流互感器CT分别从电力推进系统推进电机变频器前的三相线路中获取电压信号和电流信号，并将采集到的电压信号和电流信号送入信号调理电路进行滤波和电压值、电流值调整；
调理过后的电能信号(从A、B、C三个线路上分别采集的电压信号和电流信号)一路经过A/D转换器转换成DSP可识别的数字量信号，得到第一数据记录(即包括A线路采集到的128点电压值数据，128点电流值数据；B线路采集到的128点电压值数据，128点电流值数据；C线路采集到的128点电压值数据，128点电流值数据。)；一路通过锁相同步电路，将电能信号(从A、B、C三个线路上分别采集的电压信号和电流信号)进行锁相倍频后作为采样频率输入DSP中进行数学运算；
DSP运算得到电压有效值、电流有效值、有功功率、无功功率、功率因数、谐波，并将计算结果和第一数据记录传递给PCI控制器，PCI控制器通过PCI总线将接收到的数据发送至工控机；工控机在界面上实时显示DSP发送过来的电能质量指标值(电压有效值、电流有效值、有功功率、无功功率、功率因数、谐波)，并将电能质量指标和原始数据存储至硬盘。
本发明中，A/D转换器每采集一个点，锁相同步电路的锁相环发出一个A/D中断，DSP响应中断并存储数据，当采集一个周期，采集数据点达到128时，DSP计算一次电网电能质量参数—电压有效值、电流有效值、有功功率、无功功率、功率因数、谐波。
本发明中，电压有效值其中，N为采集的128点电压值数据序列最大值,即N＝127，u(k)为k点的电压值，k为采集的128点电压值数据序列编号,取值范围0～127。
电流有效值其中，i(k)为k点的电流值，N为采集的128点电压值数据序列最大值,即N＝127，k为采集的128点电压值数据序列编号,取值范围0～127；
有功功率包括单相有功功率和三相有功功率，
单相有功功率其中，N为采集的128点电压值数据序列最大值,即N＝127，u(k)为k点的电压值，i(k)为k点的电流值，k为采集的128点电压值数据序列编号,取值范围0～127；
三相有功功率其中，uA(k)为A线路采集的128点电压值数据序列的第k点的电压值，uB(k)为B线路采集电压值数据序列的第k点电压值,uC(k)为C线路采集电压值数据序列的第k点电压值；iA(k)为A线路采集的128点电流值数据序列的第k点的电流值，iC(k)为C线路采集电流值数据序列的第k点电流值，k为采集的128点电压值数据序列编号,取值范围0～127，N为采集的128点电压值数据序列最大值,即N＝127。
无功功率其中：P为三相有功功率；S为视在功率。
功率因数其中，视在功率S＝UdId。
参见图4，谐波的计算过程为：
1)、读取采集的128点电压信号；
2)、进行加窗处理，即将上述电压信号分别乘Hanning窗；加窗处理函数v(n)＝x(n)w(n，)其中，x(n)为采集到的数据函数，w(n)为Hanning窗函数,
式中，N为采集的128点电压值数据序列最大值,即N＝127；
3)、加窗后的函数进行FFT处理；FFT处理函数n＝0,1…N-1；
其中,k的含义为采集的128点电压值数据序列编号,取值范围0～127，N的含义为采集的128点电压值数据序列最大值，即N＝127，j是虚数，j2＝-1；
4)、计算各次谐波幅值。
本发明中，DSP的软件设计流程图如附图2所示，主要流程为：软件开始执行后首先进入主程序的入口，进行DSP的初始化和外部设备(主要是锁相同步电路)的初始化，锁相环工作稳定后打开A/D中断，程序进入死循环，A/D转换器每采集一个点锁相环发出一个A/D中断，DSP响应中断采集并存储数据，当采集一个周期，采集数据点达到128时，DSP计算一次电网电能质量参数——电压有效值、电流有效值、有功功率、无功功率、功率因数、谐波等，同时发出PCI中断，通知上位机并将计算结果和原始采集数据上传至工控机，DSP进入数据采集—>采集数据点满128点—>计算电网电能质量参数—>上传至工控机的循环。
如附图3所示，工控机接收DSP上传的数据并存储至硬盘，将信息实时显示在软件中显示，工控机电能质量监控软件主要界面包括六个界面，电能质量基本参数界面、谐波数据界面、波形显示界面、报警阀值界面、历史数据界面、和远程通讯界面，电能质量基本参数界面主要显示电网各质量指标实时值；谐波数据界面显示实时的谐波情况；波形显示界面显示当前的电压、电流波形和各次谐波、基波波形；报警阀值界面可手动修改各电能质量参数的上下限值，若检测值超过限值程序就会发出警报声报警；历史数据界面可查询历史三个月内各任意时间的电能质量参数监测值；远程通讯界面可手动输入遥控主机IP地址，实现工控机与遥控主机的数据传输和远程监控及控制。在工控机上可手动操作选择切换到任意界面显示。
本发明不仅对船舶电能质量推进系统的常规电能质量参数进行了测量，还可有效监测到谐波、功率因数等电能质量参数。
测试实例
为了测试本船舶电力推进系统电能质量检测装置的实际性能，使用深圳市星龙科技股份有限公司生产的XL-803型三相程控标准功率源进行校验，校验结果如下。
表1无谐波注入时的三相电压、电流有效值测量结果
| 项目 | 给定(V) | 测量(V) | 误差(％) | 给定(A) | 测量(A) | 误差(％) |
| A相电压/电流 | 220.01 | 219.81 | 0.13 | 5 | 5.01 | 0.2 |
| B相电压/电流 | 219.99 | 219.64 | 0.16 | 5 | 4.98 | 0.4 |
| C相电压/电流 | 220.00 | 219.60 | 0.18 | 5 | 4.98 | 0.4 |
表2有谐波注入时的三相电压各次谐波测量结果
注：由于B相、C相和A相计算方法均相同，这里仅仅验证A相
表3三相功率及功率因数测量结果
经检验，本系统的电能质量基本参数测量和21次以内的谐波测量的准确度基本满足国家标准GB/T19862-2005《电能质量检测设备通用要求》要求，达到了设计的基本目标，是一个具有创新性的电能质量监测系统。
Claims (6)
1.一种船舶电力推进系统电能质量检测方法，其特征在于包括如下步骤：
通过电压互感器PT和电流互感器CT分别从电力推进系统推进电机变频器前的三相线路中获取电压信号和电流信号，并将采集到的电压信号和电流信号送入信号调理电路进行滤波和电压值、电流值调整；
调理过后的电能信号一路经过A/D转换器转换成DSP可识别的数字量信号；一路通过锁相同步电路，将电能信号进行锁相倍频后作为采样频率输入DSP中进行数学运算；
通过DSP运算得到电压有效值、电流有效值、有功功率、无功功率、功率因数、谐波，并将计算结果和原始采样数据传递给PCI控制器，PCI控制器通过PCI总线将接收到的数据发送至工控机；通过工控机在界面上实时显示DSP发送过来的电能质量指标值，并将电能质量指标和原始数据存储至硬盘。
2.根据权利要求1所述的船舶电力推进系统电能质量检测方法，其特征在于：A/D转换器每采集一个点，锁相同步电路的锁相环发出一个A/D中断，DSP响应中断并存储数据，当采集一个周期，采集数据点达到128时，DSP计算一次电网电能质量参数—电压有效值、电流有效值、有功功率、无功功率、功率因数、谐波。
3.根据权利要求1所述的船舶电力推进系统电能质量检测方法，其特征在于：所述界面包括电能质量基本参数界面、谐波数据界面、波形显示界面、报警阀值界面、历史数据界面和远程通讯界面，电能质量基本参数界面主要显示电网各质量指标实时值；谐波数据界面显示实时的谐波情况；波形显示界面显示当前的电压、电流波形和各次谐波、基波波形；报警阀值界面显示各电能质量参数的上下限值，若检测值超过限值就会发出警报声报警；历史数据界面可查询历史三个月内各任意时间的电能质量参数监测值；远程通讯界面显示遥控主机IP地址。
4.根据权利要求1或2所述的船舶电力推进系统电能质量检测方法，其特征在于：所述电压有效值其中，N为采集的128点电压值数据序列最大值,即N＝127，u(k)为k点的电压值，k为采集的128点电压值数据序列编号,取值范围0～127；
所述电流有效值其中，i(k)为k点的电流值，N为采集的128点电压值数据序列最大值,即N＝127，k为采集的128点电压值数据序列编号,取值范围0～127；
所述有功功率包括单相有功功率和三相有功功率，
所述单相有功功率其中，N为采集的128点电压值数据序列最大值,即N＝127，u(k)为k点的电压值，i(k)为k点的电流值，k为采集的128点电压值数据序列编号,取值范围0～127；
所述三相有功功率其中，uA(k)为A线路采集的128点电压值数据序列的第k点的电压值，uB(k)为B线路采集电压值数据序列的第k点电压值,uC(k)为C线路采集电压值数据序列的第k点电压值；iA(k)为A线路采集的128点电流值数据序列的第k点的电流值，iC(k)为C线路采集电流值数据序列的第k点电流值，k为采集的128点电压值数据序列编号,取值范围0～127，N为采集的128点电压值数据序列最大值,即N＝127；
所述无功功率其中：P为三相有功功率，S为视在功率；
所述功率因数其中，视在功率S＝UdId；
所述谐波的计算过程为：
1)、读取采集的128点电压信号；
2)、进行加窗处理，即将上述电压信号分别乘Hanning窗；
3)、加窗后的函数进行FFT处理；
4)、计算各次谐波幅值。
5.根据权利要求4所述的船舶电力推进系统电能质量检测方法，其特征在于：
加窗处理函数v(n)＝x(n)w(n)，其中，x(n)为采集到的数据函数，w(n)为Hanning窗函数,
式中，N为采集的128点电压值数据序列最大值,即N＝127；
FFT处理函数n＝0,1…N-1；
其中,k的含义为采集的128点电压值数据序列编号,取值范围0～127，N的含义为采集的128点电压值数据序列最大值，即N＝127。
6.一种权利要求1-5任一所述的船舶电力推进系统电能质量检测方法所采用的装置，其特征在于包括：
电压互感器PT，用于采集电力推进系统推进电机变频器前的三相线路的电压信号；
电流互感器CT，用于采集电力推进系统推进电机变频器前的三相线路的电流信号；
信号调理电路，用于将电压互感器PT和电流互感器CT传来的电压信号和电流信号转换到可用范围的低电压和电流信号；
A/D转换器，用于对信号调理电路调理后的电压值、电流值进行采样，并将采样后的数据通过并行方式送到DSP信号处理模块进行计算处理；
锁相同步电路，将电能信号进行锁相倍频后输出的信号作为采样频率输入DSP中进行数学运算，锁相同步电路保证快速的周期信号跟踪，避免由于信号采样的不同步而导致计算产生频谱泄露；
DSP，短暂存储接收的数据，并进行多种电能质量参数的计算和使用FFT算法进行频率分析，将计算结果和原始数据传递给PCI控制器；
PCI控制器，用于接收DSP传来的数据，并将数据通过PCI总线传递给工控机；
工控机，用于接收并存储PCI控制器传来的数据，并在界面上进行电能质量参数的实时显示；
电源，用于对A/D转换器、DSP、PCI控制器、工控机供电。
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