大连海事大学

硕士学位论文

基于DSP的船舶电站自动控制装置

姓名：纪涛

申请学位级别：硕士

专业：电力系统及其自动化

指导教师：牛小兵

20090601

中文摘要

摘 要

船舶电站自动化是无人机舱的一个重要部分，是国内外船电专家一直在探索

和研究的课题。国外成熟的控制模式为船舶电站自动控制装置与PLC或继电器控

制电路配合，形成对船舶电站的自动控制。

本课题研究以TI公司TMS320LF2407A为核心控制器的船舶电站自动控制装

置，在Siemens S7．200完成的上层管理功能的配合下，实现船舶电站自动控制，

其研究对船舶电站自动化实现与发展是一次有意义的尝试和探索。

本文介绍基于DSP的船舶电站自动控制装置的软硬件设计，主要包括以下几

个方面的内容：

1)并车条件检测，包括电压差、频差、相位差检测与合闸提前量计算；

2) 自动调频调载，包括调速、恒频方法与实现有功功率分配、转移的方案；

3)自动增减机组，包括自动起动与自动解列停车；

4)安全检测与保护功能，包括过流保护、欠压保护、逆功率保护与电压、频

率异常报警；

5)抗干扰的软硬件设计。

本装置以两套发电机组为平台调试成功，能够在实验室环境下稳定运行，基

本达到设计性能指标的要求。同时，本装置可以应用于中小型陆用电站，具有较

强的通用性。

关键词：船舶电站；自动控制；DSP；并车；自动调频调载

英文摘要

Abstract

Automation of ship power station is all important part in unmanned engine room，

and a subject that researchers have strived to study on for decades．The mature control

mode employed in developed countries is automatic control device for ship power

station cooperating with PLC or relay control circuit to form the automatic ship power

station．

In this study，the TMS320LF2407A from TI company is utilized as the core

controller for automatic contr01 device．which cooperates with Siemens S7—200 that

achieves top management function to control the ship power station automatically，and

this is a meaningful attempt and exploration for the realization and development of

automatic ship power station．

The design of hardware and software for the automatic control device for ship

power station based on DSP is investigated in this thesis，including the following

aspects：

1)The detection of conditions for paralleling，including the detection of voltage，

frequency，and phase differences and the calculation of early closing time；

2)Automatic adjust frequency and load，including the speed governing，

constant-frequency approach and the realization of active power distribution

and shift；

3)Automatic connect and cut plant，including automatic start and automatic cut；

4)Security detection and protection,including the protection for over—current，

lack-voltage，reverse power and the alarm for voltage and frequency

abnormal；

5)Anti-jamming design of hardware and software．

The device is successfully debugged based on the platform of two gen—sets，and it

has been able to run stably and reliably in the laboratory environment and meets the

function requirements．In addition,this device Can be also applied to small and

medium·sized power station on land with commonality．

Key words：Ship Power Station；Automation Control；DSP；Paraflel；Automatic

Adjust Frequency and Load

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原创性声明

本人郑重声明：本论文是在导师的指导下，独立进行研究工作所取得的成果，

撰写成埔≠硕士学位论文 ==基王旦墨￡鲍墼堑鱼堂自麴控鱼』筮量：：。除论文中已

经注明引用的内容外，对论文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以

明确方式标明。本论文中不包含任何未加明确注明的其他个人或集体已经公开发

表或未公开发表的成果。本声明的法律责任由本人承担。

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论文储虢红请导师躲突膨日期：佣年≯彤日

基于DSP的船舶电站自动控制装置

第1章绪论

1．1船舶电站自动化概述

机舱自动化从整个发展过程来看，大致为每10年发生一次飞跃，20世纪30

年代出现液压控制技术，20世纪40年代出现电气控制技术，20世纪50年代出现

电气一机械控制技术，并发展了单项自动控制设备，20世纪60年代出现气动控制，

并随着主机、辅机和各种自动化设备的可靠性日益提高开始发展遥控技术。1961

年日本“金华山丸"号远洋货船交付营运，标志着船舶自动化的开始。

船舶电站自动化是机舱自动化中的重要组成部分之一。船舶电站自动化装置，

从60年代采用继电器控制技术及其后来的晶体管分立元件控制技术到70年代的

小规模集成电路及其后来的中大规模集成数字、模拟电路控制技术，至80年代的

微处理控制技术，90年代的PLC控制技术，约在70年代末已形成了比较完善的

船舶自动电力管理系统。

船舶电网失电会造成整船瘫痪，电站的可靠供电是全船所有设备正常运行的

必要条件，电站可靠供电的保证则取决于电站控制系统及电站机组、发电机控制

屏等方面。

船舶电站自动化管理功能按三大系统细分大概有：

控制系统：

1)发电机组的自动起动控制；

2)发电机组的自动并车操作；

3)并联运行中功率的自动分配、转移和电网频率的自动调整；

4)取决于负荷大小的发电机组运行台数管理；

5)大功率负荷投入管理。

安全系统：

1)发电机组机、电故障的自动处理与报警及负载自动分级重合闸；

2)发电机组自动或故障状态下解列、停机控制；

31发电机组的安全保护。

第1章绪论

监视及报警系统：

1)发电机组运行状态显示、故障监视、故障诊断及自动记录；

2)运行中系统给定参数的监视与修改。

作为电站的重要内容之一的电压调节，迄今为止一般均未包含在自动电站管

理系统中，这是因为电压调节器通常与励磁装置组成一体，安装在发电机上。由

于励磁装置是由发电机剩磁电压建立起来的发电机电压供电的，所以它与外部电

压无关。另外电压调节器的功能有限，因此若将电压调节器组合于电力自动管理

系统中，并没有什么优越性，且发电机制造厂家己保证发电机电压及并联运行时

无功分配问题均得到令人满意的程度【1】。

1．2国内外研究现状

目前国内外在船舶电站自动控制器方面的研究主要是在控制器核心的选择以

及应用方面。一种是基于可编程控制器技术，这一新型控制设备以其独特的适应

性、灵活性以及较高的可靠性迅速地被应用到工作环境恶劣、可靠性要求高的船

舶领域，如德国西门子公司的船舶电站控制系统SIMOS PMA53。但用PLC来实

现并车功能，其所需的信号仍需另行调理，如果功能稍复杂则需较昂贵的高数高

速计数模块及模拟模块，因此方案并不十分理想，此外由于PLC的循环扫描的性

质导致的定时不准确，这在特定场合下是不允许的【21。另一种是基于单片机控制

技术，目前单片机的集成度越来越高，可靠性以及稳定性方面有了很大改善，同

时在性价比方面较可编程控制器有明显优势，已经被越来越多的应用于船舶电站

自动控制器的设计，如国内的上海驷博监控控制技术工程有限公司的SB．98DA．I

船舶电站自动控制装置，控制单元为Intel 80C196中央处理器。

从目前掌握的情况来看，国外大公司较成熟的方案仍是将电站的自动控制功

能集中在基于微控制器的模块中，形成单独的装置，并与其它PLC或继电器控制

电路结合，形成完整的自动化电站，并且电站控制器具有较多的保护功能，某些

功能与发电机主开关功能重合，形成多重保护，如DEIF公司的GPC系列电站自

动控制装置。

基于DSP的船舶电站自动控制装置

1．3本课题研究的主要内容

本课题基于DSP的船舶电站自动控制装置，使用TI公司的TMS320LF2407A

作为核心控制器，并与Siemens S7．200 PLC相配合，是一种集中控制的船舶电站

自动控制器。本研究和设计重点放在各自动单元的开发研究上，采用相关的控制

方法，达到自动船舶电站对于自动并车、自动调频调载、自动增减运行机组以及

故障检测和报警等性能的要求。

本课题主要研究以下几个方面的内容：

1)分析研究船舶电站自动控制装置的整体结构，所要完成的主要功能，分析

技术难点并指出具体的解决方案。 ·

2)检测三个并车条件以及计算合闸提前量。特别介绍采用D触发器的方式

实现并车时相位差的检测，检测角度的范围达到0-3600，克服异或方式检测相位

差只有0—1800的缺陷，此种方法对于逆功检测和无功功率控制也具有重要意义。

3)自动调频调载的设计。包括调速、恒频方法以及有功功率分配和转移的方

案。在多机组并联运行负载分配的实现上，本设计采用CAN总线的解决方案，

利用CAN总线实现在网机组之间的通信，交换功率信息从而实现负载分配和转

移。

4)自动增减运行机组。为实现船舶电站经济合理运行，自动控制装置根据当

前电网功率以及设定参数做出判断，决定是否需要增加或解列机组。

51装置抗干扰措施的研究。船舶上电磁环境复杂，为了提高装置运行的可靠

性，本设计在硬件以及软件上采取一定的措施减小外界电磁干扰对控制装置的影

响。

基于DSP的船舶电站自动控制装置

第2章基于DSP的船舶电站自动控制装置硬件设计

2．1 TMS320LF2407A DSP芯片概述

TMS320LF2407A DSP是为了满足控制应用而设计的，它把一个高性能16位

的DSP内核和片内外设集成在一个芯片上，体现了SoC的技术发展趋势。其处

理速度为40MIPS，为诸多领域提供了先进的数字解决方案。DSP芯片内含有丰

富的硬件资源，大大减少了用户硬件设计方面的工作。

该DSP芯片有如下性能和特点：

>由于采用了高性能的静态CMOS制造技术，因此该DSP具有低功耗和高

速度的特点。工作电压3．3V，有四种低功耗工作方式。单指令周期最短为25ns

(40MHz)，最高运算速度可达40MIPS，四级指令执行流水线。低功率有利于

电池供电的应用场合，而高速度适用于电动机的实时控制。

>片内集成了32K字的Flash程序存储器、2K字的单口RAM、544字的双

口RAM，因而使该芯片很方便地进行产品开发。可编程的密码保护功能能够充

分地维护用户的知识产权。

>提供外扩展64K字程序存储器、64K字数据存储器、64K字I／O端口的能

力。

>两个专用于电动机控制的事件管理器(EV)，每一个都包含：两个16位

通用定时器；8个16位脉宽调制(PWM)输出通道；一个能够快速封锁输出的

外部引脚PDPINT X(其状态可以从COMCON X寄存器获得；可防止上下桥臂直

通的可编程死区功能；三个捕捉单元；一个增量式光电位置编码器接口。

>可编程看门狗定时器，保证程序运行的安全性。

>16通道的10位A／D转换器，具有可编程自动排序功能，四个起动A／D

转换的触发源，最快A／D转换时间为500ns。

>控制器局域网(CAN)2．0B模块。

>41个通用I／O引脚。

>32位累加器和32位中央算术逻辑单元(CALU)；16位x16位并行乘法

第2章基于DSP的船舶电站自动控制装置硬件设计

器，可实现单指令周期的乘法运算：五个外部中断。

>很宽的工作温度范围，普通级：-40。C、85。C；特殊级：-40。C～125"C[31。

2．2基于DSP的船舶电站自动控制装置系统结构

本设计的电站自动控制功能集中在基于TMS320LF2407A DSP的模块中，形

成单独的装置，并与Siemens S7．200 PLC配合，形成GPC+PLC的控制模式，完

成对电站的自动控制，并且控制装置具有对电站的各种保护功能，与发电机主开

关对电站的保护功能形成冗余保护。

PLC与电站自动控制装置在电站管理系统中完成不同的功能，PLC完成上层

管理功能，如通过判断汇流排无电与备机顺序发出起动机组信号；电站自动控制

装置完成底层功能，如接收到来自PLC的起动信号后，控制本台机组起动、并车、

调频调载等。同时，由于自动控制装置驱动能力不足以及抗干扰设计的要求，PLC

接收自动控制装置的信号并驱动相应继电器动作。另外，为了充分利用PLC强大

的逻辑判断功能，减少自动控制装置的设计工作，PLC完成部分逻辑判断功能。

I／O接口功能分配如下表所示：

表2．1 I／O接口分配表

Ab．2．1 I／O distribution tab

本设计系统框图如图2．1所示，并作相关说明如下：

一6一

基于DSP的船舶电站自动控制装置

汇 发流 电 !排 发 机 n

、

电 组 控发 机 状 制电 电 态 信机 流 信 号电 号压

I |r l l

信 信 光 光号 号 耦 耦调 调 隔 隔理 理 离 离

I

J ， ， J J I●

电 并 电 电

!一

压电 生 流

流有 压 相 有方效 方

位 效 波值 波

差 值

l 一卜r 1 ， ●

之 之—- —-口

捕 捕。

碧雾垂 夸 夸转 捉 捉 转换 口 口 换 口 口

口 口

‘TMS320LF2407A

， I I ：发 发 报

电 电 并 警机 组 奎 藏 g 旦组 加 解 警

Z ≥譬

起 减 列 动驱 拐 夏

停 速 信 作动 恕

8信 信 号 信

器

号 号 号

I I9 液Z 晶

总 按～线 键

图2．1基于DSP的船舶电站自动控制装置系统框图

Fig．2．1 Automatic control device of ship power station system diagram

一7一

第2章基于DSP的船舶电站自动控制装置硬件设计

1)电压、电流信号采集

DSP需要采集汇流排、发电机电压以及发电机电流。变压器、电流互感器将

大电压电流信号转换为适合处理的二次信号，经信号调理电路转换为电压、电流

有效值以及电压方波。电压、电流有效值接DSP的A／D转换输入口，经A／D转

换可得汇流排、发电机电压以及发电机电流有效值大小；电压方波接DSP捕捉口，

经计算可得电压频率；发电机电压方波与汇流排电压方波经电路处理之后可得相

位差方波，此方波接DSP捕捉口，可得并车所需相位差；发电机电压方波与发电

机电流方波经电路处理之后可得功率因数角方波，此方波接DSP捕捉口，可得功

率因数角，具体电路见后叙所述。

2)DSP接收的发电机组状态信号以及来自上层PLC的控制信号

发电机组状态信号有ACB开关状态等；来自PLC的控制信号有发电机组的

起／停控制信号以及手动／自动模式选择信号等。由于控制信号为+24v开关信号，

为了保证DSP的工作安全与稳定，必须经分压和光电隔离后才可接DSP的I／O

接口。

31 DSP发出的控制信号以控制机组运转

DSP发出的控制信号主要有发电机组的启／停、an／减速、并车／解列以及报警／

报警动作信号，信号经过放大后直接驱动板载24V继电器，控制外部电路或者输

入到PLC，由PLC驱动相应外部继电器动作。

41 DSP与外部通信

①机组间进行有功功率的分配时需要在网机组控制器之间通信，以取得各机

组所承担的有功功率。本设计采用CAN总线的方式，进行控制器之间的通信。

DSP本身具有控制器局域网(CAN)2．0B模块，接驱动芯片后与CAN总线相连。

②本设计采用液晶显示机组运行参数，通过按键输入所需参数，液晶显示与

按键由单片机AT89S52控制，参数的交互需要DSP与AT89S52进行串行异步通

f言I口o

③为了控制装置掉电之后参数不至于丢失，本设计采用2K16位串行E2PROM

AT24C02进行参数的存储，DSP模拟IIC总线与之交换信息。

一8一

基于DSP的船舶电站自动控制装置

2．3船舶同步发电机组的并车条件以及实现方案

2．3．1同步发电机组并联运行意义

随着船舶吨位的增加和电气化、自动化程度的提高，船舶电站容量在不断的

增加，因此主电站通常设有三台甚至更多的发电机组。根据船舶不同运行工况所

需用电量的不同，可以使用一台、两台或三台以上的发电机组通过主配电板汇流

排(母线)共同向全船负荷供电，这就是通常所说的并联运行。

同步发电机组的并联运行有许多优点：

>能增加电站的可靠性；

> 能使发电机经常处于最佳运行状态；

>能使电能得到合理地使用；

>能减少备用发电机组的数量等。

2．3．2同步发电机组的并车条件

一台发电机组在投入电力系统之前，它的某些参数必须要满足一定的要求，

才允许进行并车操作，而后进入并联运行。所以，待并发电机组在并车前要通过

并车装置进行适当的操作，使这些参数符合并车条件。

1)理想并车条件

对于一个运行中的电站，三相同步发电机准确同步并车操作时，最理想的情

况是满足下面四个条件：

①待并发电机组的电压与电网(或运行机组)电压的相序一致；

②待并发电机组的电压与电网(或运行机组)电压的有效值大小相等，即

UG=UB．

③待并发电机组的频率与电网(或运行机组)频率相等，即fo=厶；

④待并发电机组电压的相位与电网(或运行机组)电压的相位～致，即

晚=磊。

符合上述四个条件，则待并发电机的电压相量与电网(或运行机组)的电压

相量完全重合。若在此瞬间将待并发电机主开关合闸投入电网(并车操作)，‘则

第2章基于DSP的船舶电站自动控制装置硬件设计

在待并机组与电网(或运行机组)间不会产生冲击电流，这是准确同步的理想情

况。

2)实际并车条件

除第一个条件外，实际并车操作时，要达到理想并车条件是很困难的。以下

分析不满足任一并车条件时发生的情况，以及实际并车应该达到的条件。

①假设待并发电机组与电网(或运行机组)的频率相等、相位～致，但电压

大小不等时并车，即石=六、名=名但U≠U2。

当电压不等时投入待并机，则在发电机主开关ACB两端就有电压差△U存

在，△U产生环流』，H，对两台发电机起均压作用。由于并车瞬间两台机组间呈现

的阻抗主要是发电机的超瞬变电抗五”，它比稳定时的发电机同步电抗Z小的

多。因此，不大的电压差也会产生很大的冲击电流。

②假设待并发电机与电网电压大小相等、频率相等，但相位不～致时并车，

即Ul=U2、石=六但名≠如。

如果待并发电机电压以的相位超前于运行发电机电压U的相位为

磊=4。一氏，由于两者频率相等，所以这个相位差磊在并车前任何时刻均保持不

变，由于瓯的存在即使两台发电机组的电压数值相等，并车瞬间在待并机组主开

关ACB的动、静触点之间仍有电压差△u，其大小为△u=2usin冬，从上式可Z

看出，当80=1800时，△U=2U，此时电压差为最大。

如果并车时的相位差较大，则过大的△U将在并车时产生很大的冲击电流，

在发电机轴上也会形成很大的冲击转矩。由于船用同步发电机转子的转动惯量不

大，在这种冲击转矩的作用下，两台机组的转子可能发生扭轴，也可能产生较大

幅度的相对摆动(即所谓的“振荡”)，或者由于自整步作用不足以克服两机组

间太大的相位差，终于失步而跳闸。

③假设待并机组与电网电压大小相等、相位一致，单频率不等时并车，即

U=U2、名=名但Z≠五。

基于DSP的船舶电站自动控制装置

假设当合闸瞬间f=0时刻，两台机组的电压相量是重合的，但经过址时刻后，

由于石>石，所以％相量超前U相量一个万角，相位差万=2,r(A一／：)△f同样产

生一个电压差AU，其结果同前一情况类似，也会出现环流。如果并车时两机组

的频率相差不大，则由于自整步的作用，能互相拉入同步，但如果两机组频率相

差太大，自整步的作用又不够，将造成失步而跳闸，严重时可能会导致全船失电。

从上面分析可知，当并车的任一条件不满足时，发电机间必然将产生冲击电

流。当冲击电流在许可范围内时，它能帮助同步发电机并车，将两台机组拉入同

步。但当并车条件超出允许范围时，过大的冲击电流可能会导致并车失败或者使

系统电压下降，甚至出现跳电、损坏机组等事故，这些都是应该避免的【41。

CB／T 3 1 52．92《船舶电站自动控制装置技术条件》4．3．4．3规定：

“当采用自动准同期并联时，其主要性能参数为：

a)允许电压差为±5％～±10％额定值；

b)允许频率差O．15-43．5Hz可调；

c)导前时间为O．1~0．35s可调。"

实际并车条件应尽可能靠近理想并车条件即％=UB、芘=兀、名=名，因

此CB／T 3152．92规定的电压差±5％一±10％额定值可以认为仅规定最大电压差为

±10％额定值，根据理想并车条件uG=U。，最小电压差可以为零。

本设计的电站自动控制装置对于实际并车条件的检测如下：

a)允许的最大电压差为±O．5％额定值，即一2~+2V；

b)允许的频率差为+o．1---+0．3I-Iz，即待并机频率大于电网频率0．1~o．3Hz；

c)导前时间为0．01-43．5s可调。

2．3．3本设计实现同步发电机组并车的方案

以下具体介绍检测并车三个条件硬件电路：

1)频差检测

第2章基于DSP的船舶电站自动控制装置硬件设计

3ll∥器◆图2．2方波转换电路

Fig．2．2 Square-wave conversion circuit

频率的检测是依靠DSP对方波信号跳变的捕捉功能，因此首先要将采集的正

弦波信号转换为方波信号，图2．2为本设计采用的方波转换电路，此电路主要包

括三部分：二阶滤波、过零比较与电压跟随。

为了消除干扰并防止可能的波形畸变，同时考虑滤波性能与设计难度，电路

中加入二阶低通滤波电路，VCVS式低通滤波器典型电路如图2．3所示(KF=1)。

C

Cl工图2．3 KF=I滤波电路图

Fig．2．3 Kv=I filter circuit

截止频率石与C的对应关系如表2．2所示。

UO

表2．2fo与C的对应关系

Tab．2．2 The relationship betweenfo andC

fo(14z) C(／．tF)L(Hz) C(∥，)

10～102 1～0．1 104～105 103～．102

102～103 0．1～O．01 105～106 102～10

本设计滤波电路输入电压波形频率范围为0-50Hz，查表选取电容C=0．1／．tF。

Kr=1时墨=1．422KQ，R2=5．399Kf2，cl=0．33C，因此本设计采用的KF=1的

基于DSP的船舶电站自动控制装置

二阶滤波电路参数选取如下所示：

RI=1．4KQ，R2=5．3Kf2，C=0．1／dF，C1=O．033／．tF

二阶滤波必然导致时间延迟，并车相位检测电路中使用二阶滤波必须考虑此

时间延迟对相位捕捉的影响。

其中

％2丽1 2而萧霖菰击丽纛蒜萧263吡6

￡=圭c蜃+鹰与1 c

代入传递函数可得

5．3x103×0．033×10呻．f1．4x103×O．033×10。0、，、，1．4×103×0．1×10_o ＼『5．3×10’×0．1×10_o

7一+．J—I=I，，1

—￡一+2×0．7×兰 +16390．62 6390．6

1

兰： +2．2×104s+140839768．36

wo=2n'f=2，rx50=100x代入上式

G(jwo)2百桶么：—；』：0．9976≈1

√1+0．072

口：arc协业：4．004。l

同时，根据自动控制理论，线性连续系统正弦稳态响应是一个与输入信号同

频率的正弦信号，但幅度变为原来的H倍，相位改变么p。

输入信号儿=5sin(100rot)

输出信号You,=5x0．9976x sin(100m+4．004)

幅值衰减可忽略不计，时间延迟乃=4．004。／360。幸20ms=0．222ms，相对于

一13一

第2章基于DSP的船舶电站白动控制装置硬件设计

主开关lOOms左右的动作时间．o．222ms的时间延迟对并车的影响可忽略不计。

图2 3与图2．5为二阶滤渡效果图，其中输入电压信号模拟发电机电压波形畸

变以显示滤波效果。

蓁匡蓁霾“翥亭三；三妻主垂三三三三妾图2．5二阶滤波输出电压信号

Fig,2 5 Secortd-olxierfilteroutputvoltage signal

利用图2．2所示电路，分别取得待并机AB线电压与汇流排AB线电压方波，

并接入DSP捕捉口，经DSP计算可得待并机与汇流排电压频率，当待并机电压

频率大于汇流排电压频率0 1-4)31-1z，即达到并车条件对于频率的要求。

21电压差检测

对于交流电的电压测量。我们采用单片集成的有效值变换器AD536AJ，将

经过变压器降压的交流电信号转换为精确的直流信号，送DSP进行模数转换后

完成对电压有效值的采集，经计算可得并车时电压差，当待并机电压与汇流排电

压相差+--0 5％额定电压以内，即可达到并车条件对于电压的要求。电压有效值测

量电路如图2．6所示。

基于DSP的船舶电站自动控制装置

图2．6电压有效值测量电路

Fig．2．6 Voltage RMS measurement circuit

图中的R1和R2为偏置电阻，两电阻的公共连接端接到AD536AJ的COM，

由于AD536AJ的COM内部为CMOS电路，阻抗较高，流经COM端的电流仅

为数／dA。Cinl为输入隔直电容，CAVl为平均电容，它与内部的电阻R(25k．q)

构成低通滤波器，以获得平均值电压，有效值电压通过AD536AJ的第8脚输出。

传统的有效值变换器大多为近似有效值计算，对于复杂信号和大动态范围

的信号存在着转换精度不高的缺点。真RMS．DC转换器AD536AJ根据数学表达

Vrms=√么曙(所聆2)=Avg(Vin2／／Vrms)计算的是真有效值，得到了精度的保证。

本设计选用的芯片AD536AJ的最大转换误差为O．2％，按本装置需检测的最大电

压400V计算，可得AD536AJ电压采集最大误差为400Vx O．2％=0．8V。

31相位差检测与合闸提前量的确定

对于相位差检测现普遍解决方案是将汇流排和发电机交流电压波形成方波，

两路方波相异或得到相位差波形的方法，这种方法的优点是每个周期可以产生两

次相位波形，因而对减少并车时间有利，缺陷是其检测相位的范围只有1800，因

而不能区分相位是超前还是滞后，因此如果并车后没有及时调整功率，则易导致

发电机逆功而跳闸，这在汇流排频率处于波动的情况下更易发生。为了克服检测

相位的范围只有1800的缺陷，本自动装置设计的相位检测采用D触发器的方式，

电路如图2．7所示。

第2章基于DSP的船舶电站自动控制装置硬件设计

口霪受塾匿口壁匦豳匿

．=F

图2．7相位差检测电路

Fig．2．7 Phase slips detection circuit

经上述电路产生的相位波形如图2．8所示。

L

汇流排

电压 I发电机

电压 l

相位差

图2．8电压与相位波形图

Fig．2．8 Phase and voltage waveform

由图2．8可见相位羞的检测范围相位可达3600。相位差波形信号送到

TMS320LF2407A的捕获端口，TMS320LF2407A的捕获口能设为上升沿或下降沿

捕获。初次设为上升沿捕获，在上升沿捕获的中断服务程序里设置捕获端口下次

为下降沿触发中断，而在下降沿的中断服务子程序里再将下次中断的触发方式为

上升沿，因此读出两次中断对应在捕获端口FIFO里的值相减即可得到相位差波

形的时间长度从而得到相位差。在TMS320LF2407A时钟频率为20MHz，捕获频

率为11128分频，电压频率为50Hz时相位的分辨率可达．

基于DSP的船舶电站自动控制装置

128×土×10-e

———型L—一×360。≈0．1 15。20×10叫

换算成角度则最大可测角度为O．1150×65535=75360。对于频率的测量也是

利用捕获口，不难计算此时频率的测量范围约为2．4Hz～1MHz。

图2．9曲线①与曲线②分别表示异或方式与D触发器方式检测相位差范围。

发电机主开关具有固有动作时间TK，因此合闸信号必须在相位差为零之前发

出，如果提前的时间TZ恰好等于开关的固有动作时间TK，那么开关正好是在两

个电压相位一致的时候闭合，从而达到了准确同步的目的，所以计算因主开关固

有动作时间导致的合闸提前量Tz是并车时刻捕捉的关键。

差频三角波理论波形是线性的，即使差频正弦波在接近00的小角度内有近似

的线性关系【5】’即图2．9曲线①所示的差频三角波具有线性关系。基于差频三角

波波形线性理论，可以认为相位差与时间存在线性关系。因此，本设计采用D触

发器方式检测的相位差与时间同样存在线性关系，即图2．9曲线②是线性的，己

知相位差最大值为3600，只要另知周期1／△厂即可得具体的线性关系，图2．9为合

闸提前量捕捉示意图。

～ +。。。’-·．_’···’～、～’+‘～+···’～-··‘··．．．．‘～．‘．‘～。～‘～‘‘+．_-．。～．．．．．．．

1／ 、、、、．．

歹＼ ／TAr

／／ 卜＼ IP 。

图2．9合闸提前量捕捉示意图

Fig．2．9 Breaker delay schematic diagram

’其中af=Gen—Fre-Bar一丹P (2．1)

基于线性特性，可以利用如下公式计算o YJ：，

第2章基于DSP的船舶电站自动控制装置硬件设计

oYJ=360。×瓦×Af (2．2)

由于DSP通过检测相位差方波高电平时间来达到检测相角的目的，因此必须

将o YJ转换成与之对应的相位差方波高电平时间TF，公式如下：

弓=oYJ／Bar一乃P／3600 (2．3)

将式(2．2)代入式(2．3)可得

耳=360。×瓦X矽／Bar一乃P／3600=瓦×矽／Bar一丹P (2．4)

本设计主开关固有动作时间TK=lOOms(可进行参数设定)，在Af=O．1Hz，

Bar一肌=50Hz的情况下，根据公式(2．4)可得：

耳=100msx0．1Hz／50Hz=0．2ms ·

此时oYJ=360。×100msx0．1舷=3．6。

当DSP检测到相位差方波高电平时间等于TF的时刻即为合闸提前量TZ所要

求的时刻，此时发出合闸脉冲可达到准确同步的目的。

2．4船舶电站调频调载原理及实现方案

调频调载的基本功能：

1)应当能自动维持电网的频率为额定值；

2)按参与并联运行各机组的容量以既定的比例或其他既定的方式自动控制

负荷分配；

3)接收“解列”指令时，能自动控制负载转移。

自动调频调载装置实质是针对原动机调速器的二次调节，但是调频调载装置

不能改善调速器的动态性能，当动态过程结束，系统稳定后，由于调速器的有差

特性及其不一致等原因，系统的频率和功率分配就会显示出静差，自动装置只是

根据这个静差来进行校正。为使装置避开动态过程，一般采用延时来实现【51。

2．4．1频率调整及有功功率分配的意义

频率是衡量电能质量的主要指标之一。船舶电力系统的频率波动，会对电力

系统运行的可靠性和经济性带来严重的影响。它不仅影响无线电通信、航海仪器

等电子设备的正常工作，而且更严重的是使电动机运行恶化。如果电网上同时有

基于DSP的船舶电站自动控制装置

几台发电机并联运行时，当各机组的频率波动时，将引起各机组有功负载分配不

均匀，甚至使有的机组过载，有的机组转入电动机状态工作，即发生逆功率的情

况，最终导致保护装置动作，使主开关跳闸。

船舶主电站通常都是由几台容量不太大的同容量、同型号的同步发电机组成

的。当采用多台机组并联供电时，几乎都是将系统的总负荷(包括有功功率和无

功功率)平均地分配给参与并联运行的各台机组；当不同容量的发电机并联运行

时，则是将系统的负荷依照各台发电机的容量按同一百分比来进行分配，这样有

利于发挥并联运行各机组容量。否则，当一台机组的功率接近额定值，另一台机

组的功率甚小时，若系统的负荷再增加，两机的负荷功率都将增加，这就可能使

一机组过载，而另一机组离满载还较远，显然这是不利的15】。

2．4．2调速器及其调速特性

并联运行发电机组间有功功率的分配与各机的调速特性有关。调速器是根据

原动机的实际转速与给定转速之间的差值，对转速进行自动调整的装置。由于电

力系统要求供电电压的频率维持恒定，因此调速器应为定速调速器，即通过调速

器调节维持原动机转速不变。调速的种类很多，先后出现了机械式、电液式、电

子调速器等多种型式，但无论哪种型式，都包括测量比较、执行等环节，其工作

原理都是测出转速偏差后，根据偏差的大小和符号去调节原动机。

柴油机的转速刀(或电网的频率厂)与柴油机输出的功率P之间的关系，称

为柴油机的调速特性。当调速弹簧的预紧力为一定时，可得出一条调速特性曲线。

在一定的负载转矩下，通过手动或调速器伺服电动机压紧或放松弹簧，使套筒下

移或上移，油门开度增大或减小，转速将变高或降低。当负载转矩改变时，则将

在新转速基础上依不变的斜率使转速随之改变。故调速特性是一族连续可调的平

行特性曲线，如图2．10所示。由于一次调节不能保持转速恒定，为维持额定转速

和频率，就必须人为地(手动或自动)调节调速弹簧的预紧力，使特性曲线平行

下移或上移，这种操作称为二次调节【纠。

第2章基于DSP的船舶电站自动控制装置硬件设计

上J／Pn

图2．10调速特性曲线

Fig．2．1 0 Adjustment characteristic curve

2．4．3并联运行机组间有功功率的转移和分配

调节并联运行发电机的功率就是改变发电机输入的机械功率。船上多采用同

容量、同型号的发电机，因此，希望并联运行时各机组承担的有功功率相等。现

阻两台发电机组并联运行为例，说明如何进行有功功率的转移操作。

P／2 P P

图2．1 1有功功率转移示意图

Fig．2．1 1 Active power shift diagram

设1稃发电机运行与A点，输出的有功功率为P，2拌发电机为并入发电机，浮

接在电网上，处于空载状态，运行于B点，两机的频率一功率特性分别如

图2．13曲线1和曲线2所示。要实现有功功率的转移，具体操作步骤如下：

其方法是通过操作调速器伺服电动机的控制开关(在发电机控制屏上)，使伺

基于DSP．的船舶电站自动控制装置

服电动机正转或反转，改变调速弹簧的预紧力，使其调速特性曲线向上或向下平

移。在转移负载时，为保持电网的频率不变，必须同时向相反方向调节两机组的

调速控制开关，例如操作1#发电机的调速控制开关转向“减速”，使伺服电动机

反转，其调速特性向下平移，同时操作2{}i}发电机的调速控制开关转向“升速”，

使其调速特性向上平移，最终两机的调速特性曲线分别为①、②并交于C点。此

时，每台发电机组承担的有功功率均为P／2，频率仍为电网的额定频率，这是并

车合闸后必须进行的操作。

当两台发电机组并联运行需解列一台时，也应同时反向调节原动机的调速控

制开关，在电网电压的频率保持不变的情况下，将负荷全部转移至运行的机组，

当需解列的机组的有功功率接近为零时，将该发电机的主开关断开。在并联运行

中若出现功率分配偏差较大时，也要按上述操作进行功率按发电机容量比例均匀

分配。如果出现电网频率偏离额定值时，可同时向同方向操作两机组的调速开关，

使频率上升或下降。

采用带有有差调速特性的机组并联，实现功率分配和稳定电网频率是最简单

的调频方法，称为“有差调节法”。现以两台具有有差调速特性的发电机组并联运

行的系统为例，说明“有差调节法"的工作方式。

P1-P2 P1 P2 P

图2．12有差特性

Fig．2．1 2 Offset characteristic

如图2．12所示，两台发电机同时具有有差特性并联运行于共同频率石下，当

第2章基于DSP的船舶电站自动控制装置硬件设计

频率五与两特性曲线都有稳定的交点，1撑发电机和2撑发电机承担的有功功率为

只=昱。当系统的有功功率增加时，系统的频率下降为石，石与两特性曲线仍有

稳定的交点，两机组各自承担的功率分别为名’和罡’。

1j||}发电机功率增加量为：

纰=毒 (2．5)

2≠f发电机功率增加量为：

必：学’

(2．6)2

E：、 。

式中：矽是电网频率变化量。

根据功率平衡关系有：

△P=们+必=一(≤+篆)2二[-1／l 1——_L——

≮。K：

或矽=-K。×△P (2．7)

式中巧=击称为(两台机组)并联系统的平均调差系数。疋，疋：

将平均调差系数K。代入各机组功率增加量公式(2．5)、(2．6)中可得：

触：△尸。竖 (2．8)1

Knl’

、

鹋：△尸．竖 (2．9)。

Kn2、 。

由此可见，有差调节法中，当系统负荷发生变化k,P时，将引起系统频率的

变化，af由式公式(2．7)确定。当各机组的调差系数疋不同时，功率分配也会变

化，这由公式(2．8)、(2．9)决定，各机组的功率变化量与△P成正比，与各自的调差

系数成反比。

综E所述。当采用有差调速特性的机组并联运行时，各机组可以有确定的功

基于DSP的船舶电站自动控制装置

率分配，频率也可以稳定在一定的范围内。但是，当系统总负荷变化时，由于调

差系数的分散性和燃油控制系统的不一致，功率分配一般是不均匀的。若调速器

选配恰当，则在调速器的自动调节下，可以获得较满意的功率分配，频差也不会

太大。这对于运行管理工作显然有利。否则，要保证功率均分、频率恒定，必须

经常进行手动调节，或者依赖“自动调频调载”装置来自动调整f51。

2．4．4本设计实现自动调频调载的方案

本控制装置采用了虚有差调节法实现有功功率的自动分配，具体设计从自动

调频调载要实现的三个基本功能考虑：

1)应当能自动维持电网的频率为额定值。

CB／T 3439—92《船舶电站调频调载装置技术条件》4．3．1规定：

“自动调节电网频率，当电站的负载为0～1000,4额定有功负载时，电网稳态

频率与额定频率之差应保持在±0．6％额定频率范围内(I级)，或±1％额定频率

范围内(II级)。”

I级或者II级的性能要求按用户需要确定，本装置的稳频设计要求达到II级

要求，即电网稳态频率与额定频率之差应保持在±1％额定频率范围内。

①调速方法

本控制装置调速采用变脉冲宽度的调节方法，即在不同频差时采用不同占空

比的方波进行调速，在尽量消除稳态误差与超调量的前提下保证快的相应速度，

经试验验证，这种方法可以达到良好的调速效果，只有一两个震荡，响应速度也

控制在可接受的范围内。

本设计采用软件PWM实现变脉冲宽度的调节，时基为lOOms，针对不同机

组可灵活选用脉冲周期时间与占空比。

图2．13中的数据为本装置针对实验室调试平台选取的调速参数，其中脉冲周

期为10个时基即1秒。

第2章基于DSP的船舶电站自动控制装置硬件设计

万汲o L

＼．＼

50L

45 48 49．5 50．5 52 55Hz

＼ 。＼100％占空比 20％占空比 O％占空I 七 【0％占窄l 七20％占空比 100％占空吐

J

死区

图2．13频率与方波占空比关系

Fig．2．1 3 The relationship between仔equency and square waveform

②恒频方法

自动调频调载采用虚有差调节法，当系统出现频差或功率差时，自动控制装

置就会发出变脉宽的脉冲信号，去调节调速器弹簧的“预紧”力，使机组加大或

关小油门，从而改变机组的输出功率和系统的频率。因此，当自动调频调载装置

进行有功功率转移时也必然会引起频率变化，为了避免此种原因引起的频率变化，

本装置设定了有功功率功率分配的不灵敏区。CB／T 3439．92《船舶电站调频调载

装置技术条件》4．3．2规定：“对具备并联运行条件的机组，能自动调节机组间的

有功负荷分配的均衡性。负载在电站总额定负载的20％--100％范围变化时，当无

功负载分配差度不大于10％，装置应能保证其有功负载分配差度为不大于5％(I

级)，或不大于10％(II级)。”所以，设置不灵敏区是可行的，这样不仅可以防

止调节的动作过于频繁，以致使调节传动链中的机械磨损过大，而且是为了二次

基于DSP的船舶电站自动控制装置

调节系统工作的稳定性。

本装置灵敏区的设置，首先保证恒频，在恒频的基础上，使有功功率“均分”，

因为满足CB／T 3439．92规定的功率均分条件相当容易。设计成这种调节特性的调

节器，能使系统既快速又平稳地完成自动调节工作。经调试整定本装置设定的功

率调整死区为单机额定功率的±10％，电网稳态频率与额定频率之差保持在±1％

额定频率范围内。

2)按参与并联运行各机组的容量以既定的比例或其他既定的方式自动控制

负荷分配。

进行有功功率的分配，首先需要计算各在网机组的有功功率，根据公式

P=x／3UIcosg'可知有功功率的计算需要电压电流有效值以及功率因素角；取得本

机组有功功率后需要各在网机组间进行通信，通过通信获得其他在网机组的有功

功率，从而计算平均功率，依据功率差发出控制信号，进行调频调载。

以下具体分析电压电流有效值的获得，功率因数角的获得以及通过CAN总

线通信获取各在网机组的功率。

①电压电流有效值的获得

电压电流有效值的测量采用如图2．6所示的有效值测量电路，输入信号为峰

值为5V的电压电流正弦波信号，经过有效值直流转换芯片AD536AJ的转换，分

压后得到O一3．3V的输入电压电流信号的直流有效值，此直流信号直接输入DSP

的A／D转换接口，经DSP计算即可得到电压电流有效值。

②功率因数角的获得 ．

计算功率的第三个值是功率因素cosq，，功率因素的检测方法很多，对于船舶

电站来说检测功率因数和计算功率主要用于功率分配和运行管理，不是计量收费，

因此不需要十分精确。不考虑三相不平衡，较为简单实用的方法仍是相电压和相

电流的相位差，通过余弦函数计算得到cos c,o。文献【7]中提到用电压和电流方波波

形相异或产生相位波形，然后利用DSP的捕获来计算出相位差的办法。然而这种

方法的缺陷是相角的检测范围只有1800，无法检测电流相位超前与滞后电压相位

大于900的状态，即发电机处于逆功时的功率因数角。此外，无论发电机或负载

第2章基于DSP的船舶电站自动控制装置硬件设计

是三角接法还是星型接法，经过互感器隔离送到DSP的只能是发电机线电压和线

电流信号，实际空载时仍会有电流方波，本设计通过程序来解决，在发电机主开

关合闸之前禁用用于检测功率因数角的DSP捕捉口。本自动装置设计的功率因数

角检测电路采用与相位检测相同的电路，即图2．7所示电路，其中D触发器74HC74

的时钟信号CLK为UAB电压方波，清零信号CLR为IA电流方波。

ua

UBc

图2．14电压与电流相位图

Fig．2．14 Voltage and current phase diagram

分析图2．8可知，本设计可检测到的电压UAB与电流IA相位差的范围为0。

～360。，将电压UAB与电流IA相位差方波送到DSP捕捉口，经过计算可得UAB电

压与IA电流相位差臼，由图2．14可知，在功率因数为1即UA与IA同向情况下

UAB超前IA 30。，因此功率因数角矽=0—30。，范围为一30。~+330。，COSCp即为发

电机功率因数。表2．3显示功率因数角与发电机状态的关系。

表2．3功率因数角与发电机状态关系

Tab．2．3 The relationship between Power factor angle and generator status

功率因数角范围 发电机状态

-300-4)o 2700～3300

00、，900

900一2700

提供容性功率

提供感性功率

逆功状态

③通过CAN总线通信获取各在网机组的功率

控制器局域网(ControllerAreaNetwork，CAN)是一种有效支持分布式控制

或实时控制的现场总线，具有高性能和可靠性的特点，随着检测和控制技术的广

泛应用，必然要求系统连接或分布更多的传感器和控制开关。在当今的众多总线

基于DSP的船舶电站自动控制装置

系统中，CAN总线不仅其成本低廉，还可以进行牢靠而高速的通信，而深受欢迎。

CAN总线可采用双绞线、同轴电缆或管线作为传输介质；它的直接通讯距离最远

可达10Km，通信速率(通信比特率)可高达1Mbps；总线上可挂设备数最多可

达110个。同时由于CAN现场总线本身所具有的数据校验和错误处理功能，保

证DSP之间数据通信的可靠性，可有效防止来自现场的干扰。因此，在船舶电站

自动控制系统中，采用CAN现场总线传输在网机组功率等有关状态信息，不仅

可以增强整个并联系统的抗干扰能力，提高系统的可靠性，而且有效降低系统的

安装和维护成本。

TI公司的TMS320LF2407A型DSP中内嵌的CAN控制器模块是一个完整的、

完全支持CAN2．0B协议的CAN控制器。它集成了CAN协议的物理层和数据链

路层功能，可以完成对通信数据的成帧处理，包括位填充、数据块编码、循环冗

余检验、优先级判别等工作【4】o

为了使各在网机组取得功率分配的平均值以及提高系统可靠性，本设计采用

CAN总线的方案，电路如图2．15所示。各机组发送本机组有功功率到CAN总线，

同时接收CAN总线上其它机组有功功率，DSP通过计算可得平均值，即为本机

组应负载的有功功率大小。

Cl

图2．15 CAN接口电路图

Fig．2．1 5 CAN bus interface circuit

SN65HVD230是TI公司生产的3．3V CAN收发器，该器件适用于较高通讯速

率、良好抗干扰能力和高可靠性CAN总线的串行通信，引脚功能如下表所示：

第2章基于DSP的船舶电站自动控制装置硬件设计

表2．4 SN65HVD230的引脚功能

Tab．2．4 SN65HVD230 pins function

考虑本设计CAN总线通信字节信息量很小，仅为发电机功率等信息，对于

通信速度没有很高的要求，同时考虑到收发器必须满足电磁兼容等条件，因此采

用斜率控制方式，斜率电阻选取推荐值10K，匹配电阻选取120Q。

④恒定脉冲宽度转移有功功率

为了减小有功功率转移引起的频率波动并保证系统工作的稳定性，本设计采

用脉冲周期为1s，占空比为10％的脉冲进行有功功率的转移。

3)接收“解列”指令时，能自动控制负载转移。

CB／T 3439．92《船舶电站调频调载装置技术条件》4．3．3规定：

“具有负载转移功能，在接到指令后，自动转移待解列机组的有功负载到额

定有功负载的0-20％范围内。’’

本装置在接到解列指令后，采用脉冲周期为1s，占空比为10％的脉冲将待解

列机组的有功负载到额定有功负载的10％范围后，解列停车。

2．5自动增减运行机组

在船舶电站自动控制装置中，发电机根据电站的运行情况和实际负荷的需要，

按预定的顺序自动起动备用机组，并能自动投入、转移负荷以及自动解列停机，

此称为自动增减运行机组。

基于DSP的船舶电站自动控制装置

2．5．1机组的自动起动

CB／T 3152．92《船舶电站自动控制装置技术条件》规定：

“4．3．3机组的自动起动

4．3．3．1机组的自动起动程序应根据机组的操作步骤和暖机要求，在相应的产

品技术条件中予以明确。

4．3．3．2遇有下列情况之一时，机组应自动起动。

a． 电站起用时，对有预先设定机组的装置，优先机组应先起动。

b． 当电站负荷增大到某一数值时，或根据使用要求，按规定程序起动备用机

组。

c．集控方式有人工起动指令时。

d．当电网失电时，并应满足从备用机组自动起动到它投网恢复供电的时间不

超过45秒。

e． 当运行机组发生故障时，例如电压超出允许值，频率过低，热工参数超过

允许值等。

4．3-3．3机组在自动起动时，如果机组的起动未获得成功，则装置应自动形成

下一条的起动指令；当形成机组连续起动的情况时，其起动次数不超过三次。

4．3．3．4当装置所控制的机组超过一台，在某台机组自动起动失败时，装置应

将起动指令自动转移到下台机组。

4．3．3．5机组的自动起动和运行都应有指示。

4．3．3．6电站处于瞬态过程中，例如大容量异步电动机起动时，应不导致机组

的自动起动。”

结合以上CB／T 3152．92对于机组自动起动的性能要求，本装置对于机组自动

起动的设计如下：

PLC完成逻辑判断功能，发出本机组起动信号；自动控制装置检测电压、频

率、功率等参数，发出备用机组起动信号，同时接收PLC的起动信号，控制本机

组起动、运行参数达到性能要求。针对CB／T 3 152．92 4．3．3．2 b与4．3．3．6的要求，

本装置设定参数为：若本机组功率达到额定功率80％，延时5s后发出起动备用机

第2章基于DSP的船舶电站自动控制装置硬件设计

组信号。

2．5．2机组的自动解列与停机

CB／T 3152．92《船舶电站自动控制装置技术条件》规定：

“4．3．5机组的自动解列与停机

4．3．5．1当电站的负荷减少到一定数值时，或根据使用要求，在平滑地自动转

移负荷后，指定的机组自动解列、停机。

4．3．5．2当运行的机组发生一般故障时，应在平滑地自动转移负荷后，自动解

列、停机。

4．3．5．3当运行机组发生超速达112％～115％额定转速，或者油压过低等严重

故障时，应自动应急停机。但是，当应急柴油发电机组发生油压过低时，只提供

报警信号。”

结合以上CB／T 3152．92对于机组自动解列与停机的性能要求，本装置对于自

动解列与停机的设计如下：

针对CB／T 3152．92 4．3．5．1的要求，本装置设定参数为：若本机组功率达到额

定功率30％，且处于“第一备用’’，延时30s后发出解列备用机组的指令，在平滑

地自动转移负荷后，备用机组解列、停机。

2．6安全检测及保护功能

船舶电力系统在运行中，可能出现各种不正常运行和故障情况，主要有过载、

短路、过压、欠压、过频和逆功率等。这些不正常运行和故障发生后，往往会造

成重要设备损坏或供电中断，从而带来极大的损失。为了保证船舶电力系统安全

可靠的供电，需要在电力系统中设置安全检测及保护功能，避免不正常运行或故

障情况的发生。在本装置的安全检测及保护程序中，对各种参数进行检测，～旦

发生参数越限，立即执行相应的保护动作并给出故障指示。

中国船级社《钢制海船入级规范》(2006)规定对于发电机的保护必须有：过

载和短路保护、欠压保护、逆功率保护。

本装置设置了过流、欠压、逆功率保护和电压异常、频率异常故障报警。其

基于DSP的船舶电站自动控制装置

咩过流、欠压和逆功率保护是发电机主断路器必须具有的保护功能，与本装置的

保j j功能构成多重保护，提高了对发电机保护的可靠性。

2．6．1过流保护

兰电网负载过大或并联机组间负荷分配很不均匀等原因，可能造成发电机过

流。长寸间过流会引起发电机组过热、绝缘老化及损坏等，这对电站运行的寿命

影响很夕。所以应设置保护环节，当电流参数越限时，延时确认后主开关跳闸。

中国，!皆级社《钢制海船入级规范》(2006)2．5．6．1规定：

“应采用能同时分断所有绝缘极的断路器作发电机的过载和短路保护，其过

载保护应与发电机的热容量相适应。并应满足下列要求：．

(1 J过载10％～50％之间，经少于2min的延时断路器应分断，建议整定在发

电机额疋电流．的125％～135％，延时15～30s断路器分断；

(2)过电流大于50％，但小于发电机的稳态短路电流，经与系统选择性保护

所要求的短i暂延时后断路器应分断。

断路器的短延时脱扣器建议按下列规定进行整定：始动值为发电机额定电流

的200％～250％，延时时间：直流最长为O．2s，交流最长为0．6s；

(3)在可能有3台及以上发电机并联连接的情况下，还应设有瞬时脱扣器，

并应整定在稍大于其所保护发电机的最大短路电流下断路器瞬时分断。"

针对2．5．6．1(1)规定的长延时，本装置检测发电机电流大于额定电流125％，

延时20s后发出ACB 触发信号；．open

针对2．5．6．1(2)规定的短延时，本装置检测发电机电流大于额定电流200％，

延时0．6s后发出ACB open触发信号；

针对2．5．6．1(3)规定的瞬时脱扣，考虑本装置电流互感器最大工作电流的限

制，同时考虑发电机主开关具有瞬时脱扣功能，因此本装置不再设瞬时脱扣功能。

2．6．2欠压保护

发电机组在欠压情况下运行将引起发电机电流增加、电动机转矩下降、发电

机过热、绝缘损坏，这对发电机组本身和异步电动机的运行等都是不利的。所以

一旦出现欠压现象，立即采取保护措施。

第2章基于DSP的船舶电站自动控制装置硬件设计

中国船级社《钢制海船入级规范》(2006)2．5．6．5规定：

“并联运行的发电机应设有欠电压保护并能满足下列要求：

(1)当电机不发电情况下闭合断路器时应瞬时动作；

(2)当电压降低至额定电压的70％一35％时，应经系统选择性保护要求^勺延时

后动作。"

本装置检测发电机电压大于额定电压70％，立即发出ACB 9pen触发信号。

2．6．3逆功率保护

发电机并网运行时，若其中一台发电机组因调速器故障使燃油供油中断，或

调频调载功能发生故障，会造成发电机组的逆功率运行，该同步发电机组不是发

出有功功率，而是从电网吸收功率。发电机组在逆功情况下运行对原动机是不利

的，也会造成另一台机组因过载而跳闸，引起全船供电中断。逆功率超过限值，

延时确认后将逆功机组切除，同时发出报警指示。

中国船级社《钢制海船入级规范》(2006)2．5．6．4规定：

“并联运行的交流发电机应设有延时3一10s动作的逆功率保护。并联运行的

直流发电机应设在瞬时或经短暂延时(少于ls)动作的逆电流保护。并联运行的

发电机的逆功率(或逆电流)值按原动机的类型不同可整定为：

(1)原动机为柴油机：发电机额定功率(电流)的8％～15％；

(2)原动机为涡轮机：发电机额定功率(电流)的2％-6％。"

本装置检测逆功率限值为10％P。，延时5s后发出ACB 触发信号。．open

2．6．4故障报警的设置

除了以上对发电机的保护功能外，本装置还设置了电压异常、频率异常报警。

中国船级社《钢制海船入级规范》(2006)第4篇电气装置1．2．2．2规定，电

气设备在稳态电压波动+6‰一10％、稳态频率波动±5％范围内可以稳定工作，因

此本装置对于：

1)电压异常报警范围为超过+6％～-10％额定电压；

2)频率异常报警范围为超过±5％额定频率。

基于DSP的船舶电站自动控制装置

第3章基于DSP的船舶电站自动控制装置软件设计

软件设计采用模块化的设计方法，一方面整个程序结构简单清晰，便于编写

调试；另一方面，便于以后系统升级，以及在类似的研究中避免重复劳动。系统

程序主要包括自动准同步并车以及自动调频调载。

主程序流程框图如下：

应l调速程序J

壹CAN通信f

奁I稳频程序『

立{功率分配I

壶1报警检测l

图3．1主程序流程图

Fig．3．1 Main program flow chart

主程序循环执行流程图中子函数，等待中断，在中断中完成频率检测、电压

枪涮，相付善枪洲、茸坌笺功能．

3．1自动准同步并车的软件设计

自动准同步并车工作流程如下：

1)系统初始化后，一直处于等待状态，直到控制装置接收到来自PLC的起

动控制信号。

2)当自动控制装置接收到控制信号后，发出机组起动信号，机组起动，同时

第3章基于DSP的船舶电站自动控制装置软件设计

发电机建压起频。

3)首先电压检测，检测电压是否达到设定范围，如果没有达到，则等待电压

手动调整，如果调整时间超过设定值，进行电压异常报警。

4)电压检测的同时进行频率的检测，检测频率是否达到设定范围，如果没有

达到，则进行频率自动调整，如果调整时间超过设定值，进行频率异常报警。

5)电压、频率满足条件后，检测汇流排电压，如果汇流排无电，则直接合闸；

如果汇流排有电，则要进行合闸时刻的捕捉，计算在现有频差下由于合闸提前量

而产生的相位差，并且捕捉此相位差，在合闸时刻准确合闸。

自动准同步并车程序流程如图3．2所示。

基于DSP的船舶电站自动控制装置

YES一

，

电压检测

≤≥>÷电压调整卜—逦匦至多p一电曩茎常

YES

发出合闸 -<适鎏声 合『甲J装置

指令 失效报警

图3．2自动准同步并车程序流程图

Fig．3．2 Automatic quasi—synchronous program flow chart

自动准同步并车部分程序如下所示：

if(4PIVR==0x38)

／*CAP6检测B相电机与B相电网电压相

位差即并车时的相位差幸，

{cap6flag++；

if(cap6flag==1 1

{木CAPCONB=0xb6aS；}

／*CAP6检查下降沿}／

if(cap6flag==2)

一35一

蛊一；◇一空<

第3章基于DSP的船舶电站自动控制装置软件设计

{time72牛CAP6FIFO；

asm(”NOP”)；

asm(”NOP”)；

flsm(”NOP”)；

asm(”NOP”)；

time8=木CAP6FIFO；

cross0_ph--time8-time7；

产cross0 为相位差方波高电平持_ph

续时间的脉冲数牛／

ph【9】=ph[8】；

ph【8】=ph[7】；

ph[7]：ph[6】；

ph[6]=ph【5】；

ph【5]：ph[4】；

ph【4】=ph【3】；

ph【3】=ph【2】；

ph【2]=ph【1】；

phil】=ph【0】；

ph[0]=cross0__ph；

产滑动窗口|c／

if(fie_stand==1&&v_stand2 21、

严本机频率、电压是否满足宰／

if(gen_fre—bar_fie<=5)

产并车频率条件是否满足条件}／

iffAorM_flag==0x000 1)

严是否为自动并车宰／

if(bar．．vol B>300)

严电网有电幸／

if(ACBciose_flag==Ox00001

严主开关未合闸事／

{fre_cross=close__genfre—close_barfre；

a=360幸(Set_ACBdealy／1 00000．0、率fie_cross；

b=a幸(1．0／bar_fie奉1 0000)／360．0+1 000．O；

c：(unsigned int)(b／3．2)；

产计算主开关固有时间导致的提前量+／

if(ph[O]<c)

iffph[O]<ph[1】<ph[2】<ph[3】<ph[41)

／*N达合闸时N*／

{cross_ok=l； 严合闸幸／

木PCDATDIR J：司x000 1；

严如果并车结束，关闭此中断·／

木CAPCONB=0xb6a4；

／*CAP6检查上升沿水／

cap6fla鲫；asm(”clrc NTM”)；

return；

)

)

幸CAPCONB=0xb6a4；

严CAP6检查上升沿+／

cap6fl卿；)

母EVBIFRCI=0X0004；

asm(”eke INn∥)；

3．2自动调频调载的软件设计 ．

自动调频调载的软件设计包含以下三个方面：

1)按参与并联运行各机组的容量以既定的比例或其他既定的方式自动控制

负荷分配。

①首先通过CAN总线，判断是否为单机运行，如果有其它在网机组则取得

其它在网机组的功率。

②如果为单机运行，直接结束；如果为并联运行，首先计算平均功率，然后

进行平均功率与本机功率的比较，．决定本机进行加速操作还是进行减速操作，来

一36—

基于DSP的船舶电站自动控制装置

调整本机功率，从而进行功率的分配。

自动负荷分配程序流程如图3．3所示。

@

t

f计算调速l

占空比

_●一———．——．．．——·-·】E-—一————．．，—二!!——·——·——————．．～⋯⋯一@图3．3自动负荷分配程序流程图

Fig．3．3 Power sharing automation program flow chart

自动负荷分配部分程序如下：

void PowerAverage0

{unsigned int timecountl，timecount2：

if(PMS==01

严是否需要进行功率自动分配·／

iffAorM_flag==0x0000

／幸手动状态则完全复位计数器宰／

一37一

挈蛰率盎

第3章基于DSP的船舶电站自动控制装置软件设计

{PAcounterl=O：

PAcounter2=0；

PAIlag即；

)

if(PMS==11

／·延时，避开合闸后调速器一次调节宰／

iffAorM_flag==Ox000 1)

if(ACBclose_flag==0x0020)

if(genl_power>0)

／幸自动状态而且ACB合闸且另一台机组

合闸(即功率>O)则开始延时木／

iffPAflag==0、

{PAcounterl---timecount；

PAflag=l；)

PAcounter2---timecount；

if(PAcounter2-PAcounterl>10、

产大于lS进行均功}／

{PAflag--O； 严复位标志位木／

PApoweF(power+genl_power)／2；

严计算平均功率十／

if(power<(PApower+((1 OO—deadband)／100．0)

))

产软件实现PWM调速幸／

／幸如果实际功率小于均功的功率贝,U；OIJ速幸／

f*PCDATDIR&=OxFFFB；

|卑close decelerate IOPC2鼻|

+PADATDIRI=Ox0004；

净open accelerate IOPA2★|

timecount 1--timecount；

timecount2=timecount；

while(timecount2-fimecountI<=1 1

{timecount2---timecount；}

严延时lOOms即加速lOOms*／

+PCDATDIR&=OxFFFB；

产close decelerate IOPC2*／

木PADATDIR&=0xFFFB；

／+close accelerate IOPA2*／．

timecountl---timecount；

timecount2---timecount；

while(timecount2一timecountl<---9)

{timecount2--fimecount；}

严延时900ms停止加速900ms_c／

}

if(power>(PApower+((100+deadband)／100．0)

))

／幸如果实际功率大于均功的功率则减速奉／

{*PADATDIR&=0xFFFB；

产close accelerate IOPA2·／

*PCDATDIRI=0x0004；

净open decelerate IOPC2★l

timecountl--timecount；

timecount2--timecount；

while(timecount2qimecountI<=1)

{timecount2--timecount；}

产延时lOOms即减速lOOms*／

4PCDATDlR&=0xFFFB；

伊close decelerate IOPC2*／

*PADATDlR&=0xFFFB；

净close accelerate IO峙K登l

timecountl=timeeount；

timecount2=timecount；

while(timecount2-timecount1<---9)

{timecount2--timecount；}

严延时900ms停止减速900ms幸／

)

iff(PApower}((1 00一deadband)／1 00．O))<=pOW

er<=(PApower奎((1 00+deadband)／l 00．0)))

产如果实际在死区设定范围则不动作奉／．

{·PCDAlDIR&=0xFFFB；

产close decelerate IOPC2*／

*PADA丁DIR&=0xFFFB；

件close accelerate IOPA2*／

>

>

)

2)应当能自动维持电网的频率为额定值。

在进行调频调载的过程中必然引起频率的变化，根据CB／T 3439．92《船舶

一38—

基丁二DSP的船舶电站自动控制装置

电站调频调载装置技术条件》4．3．1规定，电网稳态频率与额定频率之差应保持在

±1％额定频率范围内(II级)，因此必须进行稳频操作。

稳频程序流程如图3．4所示。

E

<繇7元；磊i吨>．YES《堡竺兰兰里眵。?。

NO

稳频部分程序如下：

——JL一、结束_⋯一 ⋯⋯一

、．、．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．一／7

图3．4稳频程序流程图

Fig．3．4 Frequency stabilization program flow chart

void speed()

{unsigned int timecountl，timecount2；

if(AorM．』ag：=0x000 1)

／*PD0为1时即为自动状态，开始调速宰／

{if(gen_fre<480)

{*PCDATDIR&=0xFFFB；

／*close decelerate IOPC2雒|

宰PADATDIRI=0x0004；

／*open accelerate IOPA2奉／

)

iff(gen_ffe>=480)&&(gen—fre<=499))

{掌PCDATI)IR&=0xFFFB；

一39一

／*close decelerate IOPC2≮l

*PADATDIRI=0x0004；

／*open accelerate IOPA2·／

timecountl=timecount；

timecount2---timecount；

while(timecount24imecount1<=2、

{timecount2--timecount；}

／}延时200ms加速200ms*／

*PCDArDIR&=0xFFFB：

／*close decelerate IOPC：2*／

+PADATDIR&=0xFFFB；

／*close accelerate IOPA2*／

第3章基于DSP的船舶电站自动控制装置软件设计

timecountl----timecount；

timecount2---timecount；

while(timecount2-timecountI<-81

{timecount2---timecount；}

产延时800ms停止加速800ms宰／

)

if((gen_fre>499)&&(gen_fre<=501))

ff．re stand=l：

严频率达到要求fre stand=l+／

*PCDATDIR&=OxFFFB；

／*close decelerate IOPC2*／

*PADATDIR&=0xFFFB；

／*close accelerate IOPA2*／

)

else{fie_stand=0；}

／}频率未达到要求f-re stand=0*／

if(gen_fre>50 1)

*PCDATDIRI=ox0004：

／*open decelerate IOPC2宰／

timecountl--timecount；

timecount2--timecount；

while(timecount2-timecount 1<．1 1

{fimecount2=timecount；}

产延时100ms减速lOOms*／

*PCDATDIR&=OxFFFB；

严close decelerate IoPC2*／

*PADATDIR&=OxFFFB：

严close accelerate IOPA2*／

timecountl---timecount：

timecount2---timecount；

while(timecount2-timecountl<---9)

{timecount2----timecount；}

产延时900ms停止减速900ms宰／

)

{*PADATDIR&=OxFFFB； j

／*close accelerate IOPA2幸／

3)接收“解列”指令时，能自动控制负载转移。

接收到“解列”指令后，本机减速，另一台在网机组升速，进行负载转移。

待解列机组执行DE load子程序，另一台在网机组执行UP load子程序。

DE load子程序流程图3．5所示：

—·40—-

基于DSP的船舶电站自动控制装置

／，．———————一’．( 开始 )

-。遮禽≥一-c<堡收到解列信号?：：一一～＼—／YES● 一

@

NO

结束 )、、．．．．．．．．，—．．．．．．．．．／／

图3．5DE load程序流程图

Fig．3．5 DE—load program flow chart

DE load子程序如下：

void DE LOAD()

{unsigned im timecountl，timecount2；

if(stopsl)严要求停止本机奉／

{if(power>=15)

产进行卸载枣／

{宰PADATDIR&=0xFFFB；

／*close accelerate IOPA2}／

幸PCDATDIR]=0x0004；

||open decelerate IOPC2’|

timecount 1=timecount；

timecount2---timecount；

while(timecount2-timecountl<．11

{timecount2--timecount；}

产延时100ms减速lOOms*／

}PCDATDIR&=0xFFFB：

／*close decelerate IOPC2★|

宰I!ADAIDIR&=0xFFFB；

／*close accelerate IOPA2*／

timecount l---timecount；

timecount2=t,imecount；

while(timecount2-timecountl<---9)

{timecount2--timecount；}

严延时900ms停止减速900ms幸／)

if(power<25&&ACBclose_flag-一-0x0020){’PEDATDIRI=0X0020；

宰PBDATDIRI=0X0080；)

／幸卸载完毕，进行分闸，发出停机信号木／

}

if(stop==01

{幸PBDATDIR&=0XFF7F；

)

)

3．3自动增减机组的软件设计

为了保证机组经济安全运行，需要根据电网负荷大小确定在网机组的数量，

自动增减机组的工作流程如下：

一41—

第3章基于DSP的船舶电站自动控制装置软件设计

1)本机负荷与设定额定负荷进行比较，如果大于额定负荷的80％，延时5s

后发出起动信号，起动下一台机组。

2)如果本机负荷小于额定负荷的30％，延时30s后进入负载转移子程序，当

负载转移到可分段限值后断开ACB，停止本机组运行。

自动增减机组程序流程如图3．6所示

㈤

■@图3．6自动增减机组程序流程图

Fig．3．6 Automatic mcgee or decrease unit process flow chart

自动增减机组部分程序如下所示：

if(ACBclose_flag----0x0020)

／木本机组是否合闸奉／

{pf----cos(((float)power__ph)+3．1 4／1 80．O)；

／宰计算功率因数木／

powe—unsigned int)

fgen_vol_A木gen_cur_A木pf*O．1 732)；

基于DSP的船舶电站自动控制装置

严计算功率幸／

if(StopNext_flag==o、

宰PBDATDIR&=OXFF7F；

{if(power<(Set_Jower宰0．3))

产如果功率小于额定功率的30％，则停止

另一台在网机组十／

if(gen l_power!=O)

严是否单机运行，不存在另一台机组幸／

{if(fla93==0)

{StopNext_counterl----timecount；

fla93=1；)

StopNext_counter2=timecount；

if(StopNext_counter2一StopNext_counterI>2

set_stopnext) ·

p延时到设定延时时间宰／

{*PBDATDIRI=0X0080；

水PBDATDIR&=0XFFEF；

木PFDATDIR&=0XFn汴：

op_flag=O；

StopNext_flag=l；

}

，

else

{fla93=0；StopNext_coumerl=0；

StopNext_counter2=0；}

>

if(StopNext_fla92=01

iffStartNext_flag==0、

iffopaction_flag==0))

／幸功率在20％与80％之间，关闭输出+／

{*PBDATDIR&=0XFF7F；

幸PBDATDIR&=0XFFEF；

幸PFDATDIR&=0XFFEF；

C巾_nag=o；

if(StartNext_flag==01

{牛PBDATDIR&=0XFFEF；

if(((Set__power木0．8)<pow啪&&(power<

Set．一power))

严如果功率大于额定功率的80％，则起

动下台机组·／

if(genl_power==01

产是否单机运行，下台机组已经在网丰／

(if(fla94==∞

{StartNext counterl--timecount；

fla9421；)

StartNext_counter2=timecount；

if(StartNext counter2一StartNext_counterl>=

set starmext)

严延时到设定延时时间幸／

{*PBDATDIRI=0X00 1 0；

奉PBDATDIR&=0XFF7F；

木PFDATDIR&=0XFFEF；

StartNext_flag=l；

Op_flag-=0；

)

)

else

{fla94=0；StartNext_counterl=0；

StartNext_counter2=0；}

)

一43—

第3章基于DSP的船舶电站自动控制装置软件设计

3．4串行通信与模拟IIC通信

本设计的显示单元采用AT89S52单片机控制液晶屏及按键，进行机组运行参

数的显示与控制参数的输入，这就需要DSP与AT89S52之间进行数据通讯，本

设计采用异步串行通信实现DSP与显示单元的通信；控制参数一旦输入，需要在

系统失电的情况下进行保存，以便在系统加电复位后可以在原控制参数的控制下

继续运行，这就需要使用E2PROM进行参数保存，本设计采用模拟IIC通信实现

DSP与E2PROM参数存储芯片的通信。

3．4．1异步串行通信实现DSP与显示单元的通信

异步通信所采用起止式异步协议一般用在速率较慢的场合(小于19．2Kbit／s)。

在异步通信方式下，接口自动生成起止式的帧数据格式。每个字符及伴随位作为

一帧，构成一个字符的那些数据单元被称为数据位，在数据位的前后要加上起始

位、停止位和奇偶校验位。一个字符所使用的数据位根据不同协议而不同，通常

为8位或7位。由于一帧仅包含一个字符，缺乏必要的数据格式，传输数据时可

以参照各种文件传输协议制定自己的包格式。

本设计制定的I包格式H1帧地址H3帧数据I，数据帧采用ASCII码进行传输，

三帧数据可以传输三位十进制数，能够满足系统对于数据宽度的要求；地址帧采

用十六进制数进行传输，双方约定每一帧十六进制数所代表的意义，同时注意避

开数据帧已经使用的30H～39H区域。采用这种包格式每一次通信可以传输一个参

数的数据。

数据发送采用定时方式，每lOOms发送一个数据包，及一帧地址与三帧数据，

完成一个参数的数据发送；数据接收采用中断方式，首先根据第一帧数据寻找此

参数在内存中预先规定的存储单元地址，然后将此后接收到的三帧数据存储在规

定的内存单元，完成一个参数的数据存储。

1)液晶显示机组运行参数包括：汇流排电压与频率、发电机电压与频率、发

电机电流、功率因数、功率、ACB状态、手动与自动状态等。

2)按键输入参数包括：额定功率、额定电压、额定电流、过载电流大小与动

基于DSP的船舶电站自动控制装置

作时间、逆功率大小与动作时间、ACB合闸提前量等。

3．4．2模拟IIC通信实现DSP与E2PROM的通信

IIC总线是一种简单的双向二线制同步串行总线，它只需要两根线，和并口

相比具有编程简单，方便外扩器件的优点。IIC简单的结构便于产品的改型和升

级，改型升级时只需要移去或增加总线上相应的IIC器件即可，非常方便。但是

现在DSP如TMS320LF2407A没有专门的IIC接口，使用起来很不方便，需要外

接接口芯片，这样就会增加硬件上的开销，利用DSP的两个引脚软件模拟IIC时

序和IIC接口器件进行通讯，可以大大节省DSP的接口资源，简化硬件电路设计，

是目前性价比较高的IIC接口设计方案。

IIC总线只有两条线，一条时数据线SDA，一条是时钟SCL，所有的数据传

输是通过这两条线实现的。IIC总线在标准模式下的数据传输速度为100KB／s，传

输的字节为8位。主从器件传输的一次数据称为一帧，由起动信号、地址码、数

据字节、应答信号和停止信号组成，总线的具体协议如下表所示：

表3．1 IIC总线协议

Tab．3．1 IIC BUS protocol

总线状态 时 序

总线空闲 SCL和SDA都保持高电平状态。

SCL保持高电平的状态，SDA出现下降沿视在开始传输数据。出现开始开始信号

信号以后，总线被认为忙。

在数据传送开始以后，SCL为高电平的时候，SDA的数据必须保持稳定，总线忙

只有当SCL为低电平的时候才允许SDA上的数据改变。

接收数据的lC每收到1字节(8bit)数据，向发送数据的IC发出低电平应答信号

脉冲信号，视为已收到信号。

每个被传送的数据位由SDA上的高低电平来表示，并在SCL上产生一个时

钟脉冲，时钟脉冲高电平期间，SDA数据线上的数据必须稳定。首先传输最高位，

在每个字节后必须有个响应位，主器件收发每个字节必须发时钟应答脉冲。

E2PROM保存的主要参数包括：

第3章基于DSP的船舶电站自动控制装置软件设计

发电机的额定电压、额定电流、额定功率、额定频率、过载电流大小与动作

时间、逆功率大小与动作时间、ACB合闸提前量等。

基于DSP的船舶电站自动控制装置

第4章抗干扰的软硬件设计

干扰是生产、生活中的客观存在，充分认识干扰的来源、干扰的方式，才可

能减小和避免干扰的影响。单片机系统的干扰源主要有电子元器件自身的热噪声，

电气和电子设备产生的电磁干扰，大功率设备对电网产生的影响，大功率广播、

电视、通讯等设备所产生的电磁波，系统自身电路的过渡过程，印制板电路设计

布局不合理等。干扰可以沿各种线路侵入微机系统。工业环境中的干扰一般以脉

冲形式进入单片机系统，渠道主要有三条，一是空间干扰(场干扰)，高电压、大

电流、电火花等电磁信号以场的形式从空间侵入微机系统；二是过程通道干扰，

干扰通过与系统相连的前向通道、后向通道等进入；三是供电系统的干扰，电网

中各种浪涌电压入侵，系统的接地装置不良或布线欠妥，电磁信号通过供电线路

进入系统。一般情况下空间干扰在强度上远小于其他两种，故微机系统应重点防

止过程通道与供电系统的干扰【6】。

4．1抗干扰的硬件措施

硬件系统的可靠性设计是单片机系统可靠性的根本。如果硬件措施得当，可

将绝大部分干扰拒之系统之外，但仍会有少数干扰进入单片机系统，故软件的抗

干扰措施也必不可少。软件的抗干扰措施是以CPU为代价，如果没有硬件消除绝

大多数干扰，CPU将疲于奔命，严重影响系统的工作效率和实时性。因此，一个

成功的抗干扰系统是由硬件和软件相结合的【6】。常见的硬件抗干扰措施有：

1)提供一个稳定、可靠的电源

良好的电源是系统稳定工作的基础，对系统的可靠性起着至关重要的作用。

在选用电源时应考虑电源的容量、电压的输入范围及其纹波噪声；绝不应该使电

源工作在满负荷状态下，否则会使电源中的功率芯片发热，电压输出纹波增大；

一般来说，电源输出功率应大于实际功率的50％～100％。

本设计对于电源技术参数的要求：输入电压DC+24V，输出电压DC+5V，输

出电流1．5A。考虑电源工作效率与抗干扰的性能以及以上技术参数的要求，本设

计选用开关电源AMC2576．5．0，输入电压范围7V≤巧Ⅳs 40V，输出电压+5V，输

第4章抗干扰的软硬件设计

出最大电流可达3A，完全满足电源输出功率应大于实际功率的50％～100％的要

求，设计电路如下所示：

ol

i=。

图4．1 AMC2576．5．0电路

Fig．4．1 AMC2576·5．0 circuit

2)模拟地与数字地的共地处理

现在有许多PCB板不再是单一功能电路(数字或模拟电路)，而是由数字电路

和模拟电路混合构成的。因此在布线时就需要考虑它们之间互相干扰问题，特别

是地线上的噪音干扰。数字电路的频率高，模拟电路的敏感度强，对信号线来说，

高频的信号线尽可能远离敏感的模拟电路器件，对地线来说，整个PCB对外界只有

一个结点，所以必须在PCB内部进行处理数、模共地的问题，而在板内部数字地和

模拟地实际上是分开的它们之间互不相连，只是在PCB与外界连接的接口处模拟地

与数字地有一点连接，对这一点的共地处理有四种解决方法：用磁珠连接；用电

容连接；用电感连接；用0欧姆电阻连接。磁珠的等效电路相当于带阻限波器，只

对某个频点的噪声有显著抑制作用，使用时需要预先估计噪点频率，以便选用适

当型号。对于频率不确定或无法预知的情况，磁珠不合。电容隔直通交，造成浮

地。电感体积大，杂散参数多，不稳定。0欧姆电阻相当于很窄的电流通路，能够

有效地限制环路电流，使噪声得到抑制。O电阻在所有频带上都有衰减作用(欧姆

电阻也有阻抗)，这点比磁珠强。

本设计采用0欧姆电阻进行模拟地与数字地的共地处理，在大面积覆铜处理

时，将地线分成两个网络，在PCB板总电源处采用0欧姆电阻作共地处理。

3)光电隔离措施

通过光电耦合器可以切断两个电路间的电气联系，信号通过光路进行传递，

基于DSP的船舶电站自动控制装置

发光管和晶体管之间无导线连接，能有效抑制尖峰脉冲和各种噪声的干扰，从而

能有效地防止干扰从过程通道进入处理器。

本设计中光耦应用于开关信号的控制信号传输与隔离，最主要考虑的是其响

应速度能否满足要求，对光耦的线性特性要求并不严格，因此本设计选用的光耦

器件为TLP521．2，其开关时间为3筇，满足本设计对于响应速度的要求。

4)电路板的抗干扰措施

计算机和电子电路组成的测控系统中有数字、模拟、高频、低频等各种信号，

要求印制电路板(PCB)布线应尽量减少同一电路板上不同部分的各种耦合干扰。

本设计遵循电路板的一般布线原则：

a)电源线、地线的布线尽量加粗和缩短以减少环路电阻，转角要圆滑；

b)低频电路部分的接地尽量采用单点并联接地方式，至少应部分串联后再并

联接地；

c)高频电路宜采用多点就近接地；

d)对于高频元件如晶振电路、A／D转换器等周围尽量用复铜栅格形式地箔包

围； ·

e)信号线尽可能远离电源线，模拟输入线与数字信号线不可平行并排；

D 重要的信号不得远行绕布，必要时可改用外连接线；

g)电源和低频信号连接线宜用小于节距的双绞线。多根信号线用一扁平排线

连接时，信号线间应插入隔离地线【刀。

另外，将整个装置按其功能分为DSP控制核心板、电压信号采集板、电流信

号采集与控制输出板、连接底板，有效的降低了由于继电器动作、变压器、电流

互感器工作等产生的电磁信号对DSP工作的干扰。

5)减少电磁辐射对系统的影响

在船舶运行的控制环境中，锚机、舵机、变压器、继电器组等感性器件端口、

吸合的瞬间，会产生很大的电流变化，甚至产生电弧，这都会对周围产生很大的

电磁辐射，这种辐射会使模拟信号产生严重的畸变，有时还会造成单片机控制系

统程序跑飞或者死机。减少这种电磁干扰的有效方法是增加距离，即将小信号和

第4章抗干扰的软硬件设计

数字信号远离干扰源，将控制器屏蔽起来【81。

本设计将控制装置封装在一个屏蔽金属盒内，金属盒的外壳与船体相连，以

达到减少电磁辐射对控制装置影响的目的。

4．2抗干扰的软件措施

单片机应用系统往往工作于较恶劣的环境中，尽管采用了各种硬件抗干扰措

施但并不能将干扰消除，这时要充分发挥单片机在软件编程方面的灵活性，采用

各种软件抗干扰措施与硬件措施相结合，提高单片机应用系统的抗干扰能力。单

片机应用系统的干扰作用于数字量输入输出过程以及程序运行过程中，与硬件抗

干扰不同软件抗干扰主要是从干扰形成后的抑制或消除上着手。

1)输入多次采样及数字滤波

干扰对单片机的输入，会造成输入信号瞬间采样的误差或误读。要排除干扰

的影响，通常采取重复采样、加权平均的方法。比如对于外部加电平采样(如按

键)，采取软件每隔10ms读一次按键或连续读若干次，每次读出的数据都相同时

确认输入的键值。采集数据时，可以考虑程序数字滤波处理，常用的数字滤波方

式有：程序判断滤波、中值滤波、算数平均滤波、递推平均滤波、防脉冲干扰平

均值滤波、一阶滞后滤波等。

本设计在电网及电机频率的采集程序中采用判断滤波的方法，对采集的频率

值进行程序判断，由于电站的频率变化范围为0～55Hz，对于采集到的超出此范围

的频率值不予采信。

21采用指令冗余

在程序一些关键的部位人为地插入一些空操作命令指令NOP，当程序“跑飞"

到某条单字节指令上时，就不会发生将操作数当成指令来执行的错误。比如对

MCS．51单片机来说，所有的指令都不会超过3个字节，而且有很多单字节指令，

当程序跳飞到某一条单字节指令上，便自动执行真正的指令，从而拦截住失控的

程序流。因此，在关键指令前面插入两条NOP指令，则该条指令就不会被前面冲

下来的失控程序拆散，而会得到完整的执行，从而使程序重新纳入正常轨道，这

就是指令冗余技术。所谓“关键"指令主要是指对程序流向起决定作用的指令以

基于DSP的船舶电站自动控制装置

及某些对系统工作状态至关重要的指令。应该注意的是在一个程序中指令冗余不

能使用过多，否则会降低程序的执行效率。

本设计程序中每个子函数最后都有如下冗余指令：

asm(”NOP”)；aSlTI(”NOP ”)；asm(”NOP ”)；asm(”NOP ”)；

3) “看门狗”技术

当跳飞的程序落到非程序的数据表格区，或跳飞到程序在没有碰到冗余指令

之前，已经自动形成一个死循环，则指令冗余和软件陷阱均无法使失控程序摆脱

死循环，这时可采用“看门狗”(WATCHDOG)技术解决。“看门狗”技术就是不

断监视程序循环运行的时间，若发现时间超过正常的循环时间，则认为系统陷入

了死循环。这时可用软件程序来起动WATCHDOG使CPU复位，转入正轨运行。

TMS320LF2407A WD定时器的操作独立于CPU，并且一直被使能，它不需

要任何CPU的初始化操作来起动由于片内时钟模块以产生的独立时钟信号

WDCLK。

WDCLK是一低频时钟，当“看门狗”被使能时，它经CLKOUT得到，其关

系为：

WDCLK=CLKOU，T／512

因此看门狗的溢出时间可如下计算：

Toverflow=257÷(WDCNTR的时钟频率)×1000(ms)

本程序中使用的外部晶振10MHZ，倍频为1，因此CLKOUT为10MHZ，计

算可得“看门狗”溢出时间：

WDCLK=10000000／512=19531．25

Toverflow=257+(19531．25／16)x1000(ms)=210．48ms

4)软件陷阱

当程序误跳入非程序区时，可用软件陷阱加以解决。在非程序区，可每间隔

一段地址，设置拦截失控程序的指令，将捕获的程序引向出错处理程序或将系统

重新复位，使程序转入正轨。本设计在非程序区有如下软件陷阱：

asm(”NOP”)；asm(”NOP ”)；asm(”NOP ”)；asm(”NOP ”)；

*WDCRI=0x0038；产向WD测试位写1 1 1，引起系统重新复位·／

第4章抗干扰的软硬件设计

由于软件陷阱都安排在程序正常执行不到的地方，故不会影响程序执行效率。

5)开机自检

开机后首先对控制装置的硬件及软件状态进行检测，一旦发现不正常，就进

行声光或其它形式的出错提示，等待相应的处理。开机自检程序包括对RAM、I／O

口状态等的检测。

检查RAM读写是否正常，实际操作是向RAM单元写“00H”， 读出也应为

“00H”；再向其写“FFH”，读出也应为“FFH"。如果RAM单元读出与写入数

据不一致，说明RAM存储器出错。

I／O口状态和其他接口电路检查，需首先确定它们在待机时应处的状态，然

后检测单片机的I／O口在待机状态下是否正常(如是否有短路或开路等现象)。对

扩展的E2PROM、A／D转换电路等，均通过软件进行测量，确定是否有故障。只

有各项检查均正常，程序方能继续执行，否则应提示出错【9】。

基于DSP的船舶电站自动控制装置

第5章调试试验平台及调试结果

5．1本设计调试试验平台

本设计调试平台采用匡垂垂卜匡垂堕雯蚕蒌亟叠遁夔囹基本模型来模拟船舶发电机组，如图5．1所示。此系统可模拟有两台柴油发电机组供电的船舶电

力系统，其发电机的原动机是由两台三相异步电动机来模拟，三相异步电动机的

转速由变频器调节。

一变登器·#卜叫电动机1#卜叫发电机-#卜／-● T 扛

}．--⋯一{ GPc }-．-⋯⋯⋯一 疯 一负载

一变纛2#H电动机2#H发电机2#眵一徘

一变频器2#卜叫电动机2#卜叫发电机2#卜_7一

图5．1调试平台模型

Fig．5．1 Debug platform model

此系统除具备两套同轴连接的三相异步电动机(容量3．2kw)、三相交流同步

发电机(容量3kW、自带调压器)等主体设备之外，还具备以下基本控制屏：

1)岸电控制屏

岸电控制屏主要由岸电电源输入开关，1群、2#变频器电源开关，主电源(变

压器输入)开关，主电源(变压器输出AC380V)开关，主电源(变压器输出AC220V)

开关，DC24V控制电源开关，继电保护电路电源开关，照明电源开关，以及相应

的指示灯组成。该屏为本实验设备提供各种主电源以及控制电源。

21 1荐、2；fj}发电机控制屏

发电机控制屏主要由测量仪表(电压表、电流表、功率表、频率表、励磁电

流表、功率因数表)及其转换开关(手动、自动)，发电机主断路器，励磁电压调

节器，主开关合闸、分闸按钮，以及发电机运行状态指示灯等组成。该控制屏可

以实现机组的手动及自动切换，发电机组的起动、停止，手动调频调载及手动调

整电压的功能。

第5章调试试验平台及调试结果

3)同步控制屏

同步控制屏主要由同步状态指示灯，同步指示表，备车顺序选择开关，两台

机组的控制方式(本地、遥控)选择开关，起动、停止按钮等组成。该屏可以实

现两台发电机组的并联运行操作，既可以由人工方式实现手动并车，又可以实现

自动控制下的准同步自动并车。

41负载控制屏

负载控制屏主要由负载工作状态选择开关(电站、继电保护实验)．负载工作

方式选择开关(电站、预投)，负载性质选择开关(阻性、感性)，以及负载电流

指示等组成。该控制屏可以提供的负载如下：

电阻负载：由两只三层瓷盘变阻器及24只管型电阻组成，分成两组．可分别

进行调整，电阻的接入由设在面板上的转换开关、自动开关及多只插座实现各种

接线方式及阻值的调整，每组最大功率为：3×l lkW，最大电流每相为2 5A。

感性负载：由一只三相调压器及一台无功电抗器组成，本实验装置的感性负

载，其无功功率为2kvar，无功电流每相最大为10A。无功电抗值由设在面板上的

旋钮开关进行调整。

图5．2调试平台控制屏

Fig．5 2Debugplatform contTolpanel

5 2本设计调试结果

电路板及样机如下图所示：

图5．3发电机组

Fig 5 3Generator sd

基于DSP的船舶电站自动控制装置

图5 4电流采集板

Fig 5 4Current collectionplate

图5．6DSP控制板

Fig．5 6 DSP control plate

舔图5．8样机显示部分 l生I 5．9样机控制部分

Fig 5 8 Prototype displaypart Fig．5 9 Prototypeconlrol part

第5章调试试验平台及调试结果

图510样机

Fig 5 10 Pmmlype

参数显示厦设定界面如图5．11所示，为了模拟实船电站，电流与有功功率放

大100倍显示。

◆翻511参数显示及设定

Fig．511 Parameter di∞lay and setting

样机在上述试验平台上进行联机调试，运行良好，达到了预定的设计目标。

单机运行控制状态时，静态频率误差为±O 21-Iz，电压与频率超过设定值时，发出

报警准确无误。当单台机组功率超过额定功率80％延时5s后，下台机组自动起动，

基于DSP的船舶电站自动控制装置

准同步并车极为准确，实验过程中没有产生过误动作。并车成功后，控制器对两

台机组进行调频调载时，静态频率误差为±0．2Hz，有功功率分配±10％P。之内，

满足船用同步发电机调频调载的精度要求。当其中一台机组的功率低于额定功率

30％延时30s后将负载转移，当有功功率小于10％额定功率时，解列信号发出准

确无误。

结 论

结 论

将DSP应用于船舶电站，实现船舶电站的自动控制，其研究对船舶电站自动

化实现与发展是一次有意义的探索和尝试。与通用微处理器相比DSP具有更高的

运算速度与更丰富的接口资源，与PLC相比，DSP定时更为准确，性价比更高。

通过基于DSP的船舶电站自动控制装置的研究，对利用DSP进行船舶电站

的自动控制有了一定的认识。

1)采用DSP控制是一种良好的实现船舶电站自动控制的方案，运算速度快、

控制精度高、工作稳定，能够完成船舶电站自动控制性能的要求。

2)基于DSP的船舶电站自动控制装置，由于DSP接口单元丰富、集成度高，

可以减少外围电路的设计，因此成本低，性价比高，具有广阔的市场前景，可以

得到广泛应用。

3)目前，在抗干扰、稳定性方面，PLC具有很大优势，DSP与之相比仍有

差距，但基于本设计形成的样机，由于在硬件设计与软件编程中合理利用了抗干

扰措施，在多次的调试过程中能够稳定工作。因此，只要抗干扰措施使用合理，

选用DSP作为核心控制器能够满足船舶电站自动控制装置在稳定性方面的要求。

随着DSP在运算速度、集成度以及稳定性方面的不断提高，基于DSP的船

舶电站自动控制装置将有更大的发展。

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一62—

致 谢

致 谢

本装置的设计、调试以及本论文的成文都是在牛小兵导师的精心指导下完成

的，特别是在硬件设计与调试中，牛老师给予了很多建设性的意见。多年来牛老

师对我的悉心教导，使我获益匪浅，在这里向牛老师致以最崇高的敬意和最衷心

的感谢。

此装置为谭跃教授“基于DSP的电站自动控制系统"项目的一部分，非常感

谢谭老师给予我此次实践的机会，同时感谢谭老师在系统设计时给予的帮助。

同时感谢中国船级社大连分社梁峰总经理对予论文的审阅，在论文编写方面

给予的意见。

另外，感谢船电教研室邸老师、邱老师、于老师、邵老师等在实践环节中提

出的宝贵意见与指导，’感谢实验室张巍、李敏两位同学在整个系统设计与调试中

提供的帮助。

最后，祝福我的亲人、朋友工作顺利、身体健康。

研究生履历

研究生履历

姓 名 纪涛

性 别

出生日期

男

1983年5月5日

获学士学位专业及门类 工学

获学士学位单位 大连海事大学

获硕士学位专业及门类 工学

获硕士学位单位 大连海事大学

通信地址 ，辽宁省大连市凌海路1号

邮政编码 116026

电子邮箱 jitaozzn@163．com

基于DSP的船舶电站自动控制装置作者： 纪涛

学位授予单位： 大连海事大学

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负载的必要信息和参数，并加以分析、判断，在合适条件下自动采取适当的措施，处理电站运行中可能出现的各种情况，并根据电站的负载进行必要的

控制。

可编程逻辑控制器（PLC）作为控制系统的核心装置，功能强大、性能稳定可靠，在现代工业自动化生产中得到了广泛的应用。

本文研究的电站自动监控系统采用分布式结构，由一台工控机和三个发电机组子系统单元组成。各个发电机子系统由一组PLC控制模块构成，能够独

立完成发电机组的起动、并车、调频调载、停机解列等功能。工控机与三个PLC子系统间采用Profibus现场总线进行通信，构成了“双向”通信机制，彻

底下放了控制功能。本文着重阐述了子系统内重要PLC功能模块的实现方法，以及上位机MCGS组态软件进行界面设计的方案。通过对船舶电站总体功能的

分析，确定输入/输出点数，进行硬件选型和组态，并提出了实现船舶电站自动控制装置整体以及各部分功能的具体控制策略。

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散式船舶电站管理系统。

本文设计的电站管理系统由一个主站和三个子站组成。主站计算机是以Windows XP作为操作系统的工业PC控制机，使用图形操作界面实现数据采集

、查询、显示、记录等功能。每个子站由一台S7-300 PLC构成，独立控制一台发电机组，子站S7-300 PLC进行数据检测和控制。利用西门子公司的编程

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和自动停机模块等。

本文利用Simatic Net、Step7、WinCC等软件和Profibus总线实现了工业PC控制机和S7—300 PLC之间以及三个S7-300 PLC之间的通讯。根据船舶电

站管理系统的控制功能和操作规范，并利用WinCC进行了工业PC控制机监控单元的设计。

最后通过模拟试验，验证了基于可编程控制器(PLC)设计的集散式船舶电站控制系统运行的可靠性和经济性。

7.学位论文 任爽 基于嵌入式系统的船舶电站自动控制装置研究与设计 2008 随着电力电子技术和计算机技术的不断发展，船舶自动化系统得到飞速发展，现正朝着数字化、集成化、网络化、标准化、智能化的方向发展。电

站自动化是提高电站供电的可靠性、连续性及其质量指标的重要环节，对其进行研究有很重要的现实意义。本文以船舶电站为研究对象，将DSP控制器和

嵌入式系统相结合，完成了船舶电站自动控制装置的设计。

本系统采用TI公司TMS320LF2407A型号DSP为处理器，在其上移植uC/OS-Ⅱ操作系统，在此平台上完成数据采集、自动并车和调频调载等任务；采用

真有效值集成芯片提高数据采集的快速性和准确性，以可靠性高、抗干扰能力强的CAN总线作为数据传输总线，实现两台控制器之间的数据交换。

随着船舶电站功能的日益强大，其功能程序的复杂度也大大增加。复杂的程序设计使开发难度增大，开发周期加成，编程过程中人为出现的错误增

多。针对这一问题，本文重点研究了在处理器中移植操作系统，并在操作系统的平台上编写功能程序。通过对操作系统的性能分析，以及在实验室的调

试验证，取得了比较满意的结果。

8.期刊论文 王锦程.万曼影.赵新颖 CAN总线在船舶电站测控中的应用 -造船技术2005,""(2) CAN总线是现场总线的一种,它凭借卓越的特性、极高的可靠性与独特的设计,特别适合工业过程监控设备的互联.把CAN总线应用于船舶自动化已经成

为控制领域的一种趋势.本文探讨如何把CAN总线更好地应用于船舶电站的自动化控制.

9.学位论文 朱臣生 电站管理系统设计 2006 船舶电站管理系统是保证船舶正常航行的重要设备之一，随着船舶自动化要求的日益提高，设计船舶电站的自动化和智能化管理系统成为必然趋势

，在实际应用中具有重大现实意义。

本文首先介绍了船舶电力系统的一般特点、以及相关操作规范和要求，然后应用PLC设计和实现船舶电站管理系统的自动控制。本文控制的船舶电站

管理系统有三台柴油发电机和一台轴带发电机组成，基本要求为正常情况下有一台以上备用发电机，在网发电机出现故障时，备用发电机能根据备用顺

序自动起动并投入电网供电。

船舶电站管理系统包括主电站系统和应急电站系统两部分，主电网失电时，应急发电机系统自动起动，对船舶重要负载供电。本文详细阐述了船舶

电站管理系统的组成和配置，并利用PLC实现了自动管理功能，实现四台发电机的开关连锁、主电网失电管理、柴发超载自动并网管理、轴发超载自动并

网管理、卸载管理、轻载解列管理、柴发二类故障管理、电压、频率异常管理、轴带发电机退出使用管理、侧推询问合闸管理、应急汇流排失电管理等

功能。本文还详细描述了PLC控制的硬件和软件实现方法，对重要控制程序进行了解释与说明。

10.期刊论文 杨国豪.王恒.华增芳.解源 PLC船舶电站自动准同步并车装置 -航海技术2000,""(5) 此文在研究开发的基础上提出了一种新型的船舶电站PLC自动准同步并车控制装置的基本原理,介绍了利用PLC实现自动准同步并车控制的具体方案及

相应的软/硬件设计.

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