孙清磊，杨 锋，罗宁昭

(1.海军装备部，北京 100841；2.海军工程大学，湖北 武汉 430033)

船舶电力系统综合记录分析仪研制

孙清磊1，杨 锋2，罗宁昭2

(1.海军装备部，北京 100841；2.海军工程大学，湖北 武汉 430033)

文章介绍了一种电力系统综合记录分析仪的硬件技术方案，该分析仪能够通过有效测试手段对不同船舶电网电力品质进行分析，通过分析可以及时排除电网和电气设备故障，提高船员发现故障、排除故障的能力。

船舶；电力系统；电能品质；分析

电力系统的安全运行是船舶生命力的重要保证，但船舶电力系统日趋复杂，电力系统故障呈多样化发展。船舶电力系统在实际运行中，由于设备老化或操作不当以及设备本身的问题，可能使系统出现各种故障或非正常运行状态，它们会使电力系统的安全可靠运行受到威胁，影响全船其他设备正常工作，严重者将导致装备的损坏或使整个电力系统的供电中断，影响航行安全。让船员能够提早地预测故障、及时发现和准确诊断故障、迅速有效处理故障是我们面临的重大课题。

船舶电网设备故障与系统故障表现为电网电力品质的变化，如电压和电流波形畸变、谐波异常、不平衡度增加、相角变化异常等。通常情况下，船舶电气设备正常运行，则船舶电力系统电网波形参数不存在问题，当电气设备在故障状态下运行(如绝缘损坏、接地电容损坏、不对称运行)时，它们在电力系统中会产生电力污染，对比记录测试数据与标准值的差别，可快速、安全、详细地定位和诊断电力系统和电气设备的故障。因此及时记录故障波形，并且通过有效测试手段对不同电网电力品质进行分析，可以进行准确判断分析，及时排除电网和电气设备故障。

由于没有相关维修保障设备支撑，现有船舶各电力系统在故障情况下均不便进行准确的记录和分析，只能依靠值班人员对于相应仪表指示的观察和故障现象的简单描述来推断可能故障。不仅对于船员素质提出了很高的要求，而且在很大程度依靠故障重现才能判断故障原因，往往是根据经验给出简单判断，无法实现事后对故障性质原因的准确分析。由于不具备电力系统长期运行参数的存储记录和故障波形对比分析，船员无法分析预测电力系统运行状态，完全是被动地应付各种系统故障，不利于装备的使用管理。船员仅依赖传统维修保障工具甚至不能确定故障部件，极大地影响了船舶电力系统设备的安全运行，导致即使是小故障也必须层层报修，客观上也造成了引进装备故障维修困难。

因此需要研制船舶电力系统综合记录分析仪，以准确可靠地测试电网不同故障，提高船员抢修能力[1-4]。

1 现有方案及问题

电能质量主要表现为电流、电压和频率的质量，国内外对电能质量确切的定义至今还没形成统一的共识。但大多数专家认为，对现代电能质量的定义应理解为“导致用户电力设备不能正常工作的电压、电流或频率偏差，造成用电设备故障或错误动作的任何电力问题都是电能质量问题”。根据这一定义，电能质量除了保证额定电压和额定频率下的正弦波形外，还包括所有电压瞬变现象，如冲击脉冲、电压跌落、瞬时间断等。这个定义概括了电能质量的成因和后果。

电能质量包括稳态和暂态2类电能质量问题。其中，稳态电能质量问题是指以波形畸变为特征而引起电能质量污染的问题，主要包括谐波(其特征指标是出现的谐波电压、电流的波形，各次谐波的幅值、相位、含有率)、电压闪变(其特征指标是波动幅值、调制频率等)、陷波(其特征指标是持续时间、幅值)、三相不对称(其特征指标是不平衡因子)。而暂态电能质量问题是指正弦波形受到暂态扰动而发生畸变，是以频谱和暂态持续时间为特征的，主要包括暂态谐振(其特征指标是波形、峰值和持续时间)、暂态脉冲(其特征指标是电压上升时间、峰值和持续时间)、瞬时电压上升和跌落(其特征指标是变化幅值、持续时间)。

美国和欧洲的部分国家于20世纪90年代初就已对电能质量问题逐渐展开了全面的研究。从所适用的功率理论的扩展，到电能质量评价指标体系的建立，提出了各种电能质量分析的方法，并研制了各种手持式单相电能质量分析仪、便携式电能质量分析仪、在线式电能质量监测仪，但这些分析仪仅限于稳态电能质量分析，并且不适用于船舶电网的电制及强电磁干扰环境。

我国对早期的电能质量问题，如电压偏差和频率偏差、电力谐波污染等已经进行了多年的研究，但面对现代电力系统的发展和新的用电特性的变化，全面的电能质量理论研究工作才刚刚起步。可喜的是，近些年来，我国已颁布了6项电能质量指标标准，大量关于电能质量测试分析的文献不断出现，表明我国在理论方面是能够跟上世界潮流的，只是检测设备方面还落后于西方一些发达国家。FLUKE公司的430系列电能质量分析仪等先进的陆地电力系统电力品质测试仪表虽然功能非常强大，但它们仅限于陆地电网稳态电能质量分析，并不适用于船舶电网的测量，具体表现为以下不足。

1)只能实现50 Hz交流电网电信号数据的采集、存储、分析，不能同时实现直流电网、50 Hz交流电网以及400 Hz中频等电网的参数测量。

2)不能针对独立电力系统的电网频率易波动等特点，开发频率实时跟踪与测试功能。

3)进口的测试仪器则是根据欧洲标准和美国标准来分析计算的，并且不能自行设定标准，不符合船舶电力品质分析的要求。

4)不能根据用户需求设置任意电力品质事件的自动触发、记录与捕捉。

在了解国内外研究陆用电网电力品质方法的基础上，我们确定了船舶电力系统电力品质测试系统的总体技术方案。

2 技术方案

2.1系统组成

设备可划分为3个部分：信号采集部分、信号处理部分、结果输出部分，其结构如图1。

图1 船舶电力系统综合测试记录仪总体布局图

信号采集部分一般由传感器、信号调理、采样与A/D转换3部分组成，其中传感器多采用电压互感器(PT)和电流互感器(CT)，用来将电网电气信号转换为可测量的低值电压或电流信号。信号调理部分完成输入模拟信号的隔离、放大等功能。A/D转换部分将输入的模拟量在设定的采样频率下转化为一定位数的数字量。信号采集部分的功能就是在允许失真率的条件下将原始电气信号调理成为适合计算机处理的数字量。

信号处理部分是对采集到的数字信号进行一系列的计算分析和综合处理，包括滤波、时频分析等操作，计算出各种电力品质指标参数，以得到齐全完整的电力品质信息，是电力品质监测系统开发与研制过程中的重要环节。

结果输出部分用于实现信号处理部分计算结果的显示、存储、打印等功能，以棒形图、曲线图、图表等形式定性、定量地显示出监测结果。

2.2信号采集系统原理设计

采集部分主要完成对船舶电网电压、电流信号的数据采集，通过A/D转换单元将数据通过压缩后传输到计算机分析软件中作进一步的详细分析。该部件主要由传感器、信号调理模块、A/D转换部分组成，其组成框图如图2所示。

图2 采集部分原理图

实时的电压和电流信号经过电压互感器(PT)和电流互感器(CT)的转换，成为可处理的低电平信号，经过信号调理电路，完成对信号的滤波，滤除测量要求之外的高次谐波。调制好的信号由NI(美国国家仪器有限公司)的NIDAQ模块完成信号的采集、对信号的滤波，滤除测量要求之外的高次谐波，并经由高速USB接口传送给计算机，由专门开发的电能分析处理软件处理。

2.3信号采集程序流程(如图3)

2.3.1 初始化

信号处理模块的软件运行于微控制器上，对整个数据采样过程等进行控制，并发送采样数据。在加电启动并完成自检后，数据处理模块和数据采集模块进行通讯测试，若测试失败，则报错退出，测试成功进入等待状态。等待时，数据处理模块向数据采集模块发送各种所要求的采样参数，如采样方式、采样长度、采样频率等。当数据采集模块得到所有的参数后，对采样进行设置，然后等待“启动采样”指令，完成采样模块的初始化。

2.3.2 采样方式

采样方式有同步采样和非同步采样2种。所谓同步采样是指采样频率随被采样信号频率的变化而变化的，采样频率的变化是为了保证在每个采样周期内得到相同的采样点数。采取同步采样方式是为了提高谐波分析的精度。严格的同步采样的实现是相当困难的。非同步采样方式是指采样频率是固定不变的值，在系统开始采样时确定，并且在整个采样过程中采样频率保持不变。

图3 信号采集程序流程图

由于电压和电流的频率变化是在一定范围内小幅变化，因此采用非同步方式同样可以满足要求。

2.3.3 数据通讯

测试系统采用多路同时采样，每个采样间隔采集交流三相电压、三相电流，直流电压、直流电流。为提高通讯的速度和效率，数据通讯采用简单的控制方式，测量结果由专用通信接口直接传送给上位机。

采集模块采用高速USB与上位机连接，向上位机传送数据速率为480 Mbit/s,具有足够的带宽，使数据无延时地向上传送，达到数据处理的实时性要求，同时简化了PC连接。

2.4硬件设计

船舶电力系统综合记录分析仪整体结构如图4，整体可分为3个部分。

图4 船舶电力系统综合记录分析仪结构示意图

2.4.1 接入测试信号单元

接入测试信号单元由3个电流钳和4个带鳄鱼夹的电压测试线组成。

电流钳分别与三线母线如图1按次序连接在母线上，用户应根据测试对象配置不同规格的电流钳以获得满意的测量效果。注意电流钳标志的待测母线电流方向。三相母线穿过电流钳的钳口方向要一致，符合电流输出的实际方向。电流钳将拾取的电流信号转换成电压信号。

带鳄鱼夹的电压测试线分红、黄、蓝和黑4种颜色，对应待测电压A相、B相、C相和中性点(无中性点可不接黒色测试线)。电压测试线将待测电压信号接入信号采集单元处理。

2.4.2 输入信号采集单元

输入信号采集单元由接线端子如图5所示，将对应电流信号、电压信号接入内信号拾取、处理模块，并由USB串口通信线向移动式笔记本电脑传送数据。

图5 输入信号测试单元的接线端子示意图

电流信号、电压信号接入要严格按照相序接入，否则会造成数据分析错误。

2.4.3 数据处理单元

该单元由硬件和软件2部分组成。硬件，即移动式笔记本电脑，经USB串口通信线，接收输入

信号采集单元传上来的数据；软件以LabVIEW开发系统设计的软件实现数据的显示、存储和分析等功能。

3 结束语

该记录分析仪的研制，采用先进的集成数据采集技术和信号处理算法，解决了不同类型船舶电力系统信号的实时采集、跟踪计算和数据分析等一系列关键问题，实现了对船舶电力系统故障进行综合记录分析的目标，在技术开发领域处于国内领先地位，所开发的船舶电力系统综合记录分析仪具有很大的经济意义和推广应用价值。

[1]杨进，肖湘宁.电能质量监测技术发展新趋势—网络化、信息化、标准化[J].电力自动化设备，2004,24(11):82-87.

[2]朱永强，尹忠东，方云辉，等.电能质量监测技术综述[J].电气时代，2007，27(1)：49-52.

[3]赵逸众，肖湘宁，姜旭.现代电能质量监测技术的发展动态[J].电气技术，2006(1)：13-17.

[4]段成刚，欧阳森，宋政湘，等.新型在线实时电能质量监测设备的设计[J].电网技术，2004，28(2)：60-63.

This paper presents a hardware solution on power quality analyzer which is used on shipboard,the analyzer can test grid power quality from different vessels to find fault effectively and eliminate the fault quickly.

ship;power system;power quality；analysis

U665.12

10.13352/j.issn.1001-8328.2014.06.011

孙清磊(1973-)，男，河南方城人，工程师，大学本科，主要从事舰船技术保障工作。

2014-06-27