CN102539916A - 船舶电力系统同步相量测量装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种船舶电力系统同步相量测量装置，包括处理器、模数转换模块、IIC扩展开关量输入模块、IIC扩展开关量输出模块、区域网络控制器模块、脉宽调制模块、第一和第二异步串口UART模块和以太网控制模块，船舶电力系统测量点的电压量和电流量以及电力系统继电器或者断路器的开关量，通过处理器进行计算和逻辑判断后，经IIC扩展开关量输出模块和脉宽调制PWM模块分别输出，再通过第一和第二异步串口UART模块、区域网络控制器CAN模块和/或所述以太网控制模块传输出去。本发明具备电力系统动态测量和瞬态测量的功能，可用于船舶电力系统暂态分析和动态监控，同时具备现场UART调试及以太网RJ45接口实现远程设备的固件升级功能。

Description

船舶电力系统同步相量测量装置

技术领域

本发明属于船舶电力系统的电量测量领域，具体涉及一种船舶电力系统的电量的同步相量测量装置(SPMU，Synchronized Phasor Measurement Unit)，适用于船舶电力系统动态监控的数据同步采集与获取。 

背景技术

船舶电力系统是具有空间属性的，这就决定了底层的传感器和执行器必须分散在不同的地理位置的各测量和反馈执行点上。此外，船舶电力系统也具有时间属性，即船舶电力系统设备和网络的状态随时间而变化。因此动态监控的时间统一性的要求必须通过一定措施对各测量节点的时钟进行同步，使其达到实时动态监控所需要的精度，从而建立全网统一的高精确性的时钟。 

同步相量测量技术与新兴的高精度时钟同步、计算机实时数据采集、处理及传输、数字信号处理等技术密切相关。同步相量测量装置是能够准确测量反映系统稳定性的最主要的状态量，母线电压包含幅值、频率和相位三个量。而传统以SCADA为代表的调度监测系统是在潮流水平上的电力系统稳态行为监测系统，缺点是不能监测和辨识电力系统的动态行为。部分带有同步定时的故障录波装置由于缺少相量算法和必要的通信联系，也无法实时观测和监督电力系统的动态行为，只能对母线电压的幅值和频率进行非同步测量，而对相角测量则显得力不从心，不能直接测量到相角，只能通过潮流和对一系列非线性方程组的求解计算。但这种潮流计算在船舶电力系统求解中往往为奇异方程，迭代不收敛，无法进行计算，且计算往往需要较长的时间，不能满足实时性要求，给电力系统的计算和控制带来了很多困难。 

随着电力系统规模越来越大，迫切需要一种实时反映船舶电力系统动态行为的监测手段，从而实现对电力系统的动态监测。网络同步时钟的出现，为进一步研究电力系统同步监测技术提供了一种新的手段，使电压相量的实时测量成为了可能。而同步相量测量装置可以在安装地点对电力系统相应的各种参数(主要是三相电压与电流的基波正序相量，包括幅值、频率、相位)进行同步的采集和实 时的计算，并根据不同的电力系统监控模式，将检测数据传送给监控网络中数据需求节点。现代大型船舶电力系统动态检测、控制以及各种高级应用等均需要依托于高精度的电网瞬时相量测量值，同步相量测量在所有电力动态监控系统中处于最基础的地位。 

而现有的同步相量测量装置一般都是通过异步串口的IEEE std 1344规约将数据传输到监控主机，而船舶底层信息传输方式一般底层采用CAN现场总线、顶层采用以太网的形式，采用异步串口的传输方式在船舶电力系统中受到很大制约。同时船舶电力系统的测量点受到空间位置的制约，部分同步相量测量装置不能到现场进行固件升级、程序下载等操作。 

发明内容

针对现有技术中的不足，本发明的目的在于提出一种船舶电力系统同步相量测量装置，采用异步串口、区域网络控制器CAN、以太网接口的方式，解决目前陆用电力系统市场上的同步相量测量装置仅仅通过异步串口数据传输的问题，从而实现多种通信接口的同步数据无缝传输。同时，采用以太网远程在线配置方式，完成设备程序的固件升级、串口波特率、IP地址配置等操作，解决船舶电力系统的测量点受到空间位置的制约，部分同步相量测量装置不能到现场进行固件升级、程序下载等操作带来的问题，从而大大方便了使用者。 

实现本发明的目的所采用的具体技术方案如下： 

一种船舶电力系统同步相量测量装置，包括处理器、模数转换模块、IIC扩展开关量输入模块、IIC扩展开关量输出模块、区域网络控制器CAN模块、脉宽调制PWM模块、第一异步串口UART模块、第二异步串口UART模块和以太网控制模块， 

船舶电力系统测量点的电压模拟量和电流模拟量通过所述模数转换模块转换为数字量，进入处理器进行快速傅里叶计算，获得电力系统测量点的频率、相位和幅值；同时，所述IIC扩展开关量输入模块采集的船舶电力系统继电器或者断路器的开关量的无源触点信号，经所述处理器进行数值计算和逻辑判断后，得到开关量控制信号和模拟量输出控制信号，并分别通过所述IIC扩展开关量输出模块和脉宽调制PWM模块输出； 

得到的频率、相位和幅值以及开关量控制和模拟量输出控制信号即为获得的 同步数据，所述同步数据通过所述第一异步串口UART模块、第二异步串口UART模块、区域网络控制器CAN模块和/或所述以太网控制模块传输出去，即实现同步相量测量。 

作为本发明的进一步改进，IIC扩展开关量输入模块包括光耦隔离器件、开关量输入扩展单元和IIC模块，船舶电力系统继电器或者断路器的开关量的无源触点信号通过光耦隔离器件进行隔离转换，再进入所述开关量输入扩展单元通过IIC总线实现多路扩展，然后进入所述IIC模块，实现开关量信号采集。 

作为本发明的进一步改进，IIC扩展开关量输出模块包括继电器输出、开关量输出扩展单元和IIC模块，经所述处理器数值计算和逻辑判断得到的输出开关量，通过该IIC模块所述进入开关量输出扩展单元，并通过IIC总线实现多路扩展，再通过继电器输出。 

作为本发明的进一步改进，区域网络控制器CAN模块包括端子接口、高压光电隔离收发器和CAN模块，同步数据通过所述CAN模块实现链路层协议的转换，再进入该高压光电隔离收发器实现光电隔离及电平转换，然后通过端子接口实现通信。 

作为本发明的进一步改进，第一异步串口UART1模块包括DB9接口、光耦隔离、RS232电平转换单元和UART模块，同步数据通过UART模块实现数据转换，再进入RS232电平转换单元完成差分电平转换，然后进入光电隔离实现光电隔离，再通过DB9接口传输出去。 

作为本发明的进一步改进，DB9接口的其中三路实现RS232软件流控制通信，其余的6路实现JTAG串行通信，以用于设备外部调试。 

作为本发明的进一步改进，第二异步串口UART2模块包括端子接口、光耦隔离、RS485电平转换单元和UART模块，同步数据通过UART模块实现数据转换，再进入RS485完成差分电平转换，然后进入光电隔离实现光电隔离，再通过端子接口传输出去。

作为本发明的进一步改进，以太网控制模块包括PTP硬件支持单元、1∶1网络隔离变压器以及RJ45接口，同步数据及同步时钟信号通过所述PTP硬件支持单元进行本地时钟维护和捕获时间戳，并通过以太网控制器实现链路层协议转换，然后进入该1∶1网络隔离变压器，并最终通过RJ45接口实现同步数据的传 输和同步时钟的对时。 

作为本发明的进一步改进，以太网控制模块同时用于与各模块实现同步时钟的亚微妙定时，完成整个装置的网络同步时钟。 

本发明的有益效果是：船舶同步相量测量装置兼备静态、动态、暂态功能，能够准确测量反映系统稳定性的最主要的状态量--母线电压包含幅值、频率和相位三个量，实时反映船舶电力系统动态行为的监测手段，从而实现对电力系统的动态监控分析，保证船舶电力系统的稳定运行。同时通信接口有符合国际标准的物理异步串口RS232、异步串口RS485、区域网络控制现场CAN和以太网接口，可与外界设备无缝连接。 

附图说明

图1.本发明船舶电力系统同步相量测量装置原理框图。 

图2.船舶电力系统网络主时钟NMC原理框图。

图3.电压信号变换隔离及采样单元框图。 

图4.电流信号变换隔离及采样单元框图。 

图5.16路开关量隔离输入单元框图。 

图6.16路开关量继电器输出单元框图。 

图7.RS232通信接口单元框图。 

图8.RS485通信接口单元框图。 

图9.CAN总线通信接口单元框图。 

图10.以太网通信接口模块框图。 

图11.供电电源模块框图。 

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步说明。 

本实施例的船舶电力系统同步相量测量装置采用可拆装的四部分铝制壳体设计，方便内部电路板安装。采用四面筋状散热设计，上下四个可调椭圆形孔设计，方便现场安装。对外输入输出接口采用可整体拆装的接口端子，方便工业以及船舶电气设备安装接线。突破传统同步测量仅仅能够实现异步串口的数据传输方式，本装置采用多接口数据传输方式，通信接口有符合国际标准的物理异步串口RS232、异步串口RS485、区域网络控制现场CAN和以太网接口，可与外界设备无缝连接。同步时钟采用以太网IEEE1588 V2版本的时钟同步协议。为解决船 舶电力系统的测量点受到空间位置的制约，装置采用以太网远程在线配置方式，配置包括串口波特率、IP地址等，同时还能完成设备程序的固件升级等操作，从而大大方便了使用者。 

如图1所示，测量装置包括处理器内核、模数转换(ADC)模块、IIC扩展开关量输入模块、IIC扩展开关量输出模块、区域网络控制器CAN模块、第一异步串口UART模块、第二异步串口UART模块和支持精确时钟同步协议PTP的以太网控制模块。其中模数转换(ADC)模块、IIC扩展开关量输入模块、IIC扩展开关量输出模块、区域网络控制器CAN模块、第一异步串口UART模块、第二异步串口UART模块和支持精确时钟同步协议PTP的以太网控制模块分别连接到处理器上。 

模数转换(ADC)模块主要包括：3路闭环霍尔电压传感器、滤波电路、隔离放大电路的电压采样通道；3路闭环霍尔电流传感器、滤波电路、隔离放大电路组成的电流采样通道，分别实现电压电流的采样与转换。 

IIC扩展开关量输入模块主要包括：光耦隔离、开关量输入扩展单元、IIC模块。船舶电力系统继电器或者断路器的开关量的无源触点信号通过光耦隔离进行隔离转换，进入开关量输入扩展单元通过IIC总线实现多路扩展，进入IIC模块，最终实现开关量信号采集。 

IIC扩展开关量输出模块包括：继电器输出、开关量输出扩展单元、IIC模块。处理器内核数值计算和逻辑判断后，得到的输出开关量，通过IIC模块，进入开关量输出扩展单元通过IIC总线实现多路扩展，通过继电器输出。 

区域网络控制器CAN模块包括：端子接口、高压光电隔离收发器、CAN模块，同步数据通过CAN模块实现链路层协议的转换，进入高压光电隔离收发器实现光电隔离及电平转换，通过端子接口实现通信。 

第一异步串口UART1模块主要包括：DB9接口、光耦隔离、RS232电平转换单元、UART模块。通过DB9串口的2、3、5三路实现RS232软件流控制通信，同时利用剩余的6路实现JTAG串行通信，从而方便设备外部调试。 

第二异步串口UART2模块主要包括：端子接口、光耦隔离、RS485电平转换单元、UART模块。同步数据通过UART2实现数据转换，进入RS485实现差分电平转换，进入光电隔离实现光电隔离，通过端子接口实现通信。 

支持精确时钟同步协议PTP的以太网控制模块主要包括：PTP硬件支持单元、1∶1网络隔离变压器、RJ45接口。同步数据及同步时钟信号通过PTP硬件支持单元进行本地时钟维护和捕获时间戳，通过以太网控制器实现链路层协议转换，进入1∶1网络隔离变压器，最终通过RJ45接口实现同步数据的传输和同步时钟的对时。 

电力系统测量点的电压模拟量(3路)和电流模拟量(3路)通过模数转换模块，将模拟量数据转换为数字量，进入处理器内核进行快速傅里叶计算，估计电力系统测量点的频率、相位和幅值，同时IIC扩展开关量输入模块将船舶电力系统继电器或者断路器的开关量的无源触点信号进行采集，数值计算和逻辑判断后，将通过IIC扩展开关量输出模块和脉宽调制PWM模块分别输出继电器开关量控制和模拟量输出控制信号。最后针对不同的通信对象的接口，分别采用第一异步串口UART模块、第二异步串口UART模块、区域网络控制器CAN模块或支持精确时钟同步协议PTP的以太网控制模块将数据传输出去。 

同时支持精确时钟同步协议PTP的以太网控制模块不仅实现同步数据的传输，也用于与其他同步相量测量模块实现同步时钟的亚微妙定时，完成整个装置的网络同步时钟。 

测量船舶电力系统负载节点三相瞬时基波电压相量、三相瞬时基波电压相量、序量值、开关量等的实时数据及同步实时时标； 

测量船舶电力系统发电机端节点三相瞬时基波电压相量、三相瞬时基波电压相量、序量值、开关量等的实时数据及同步实时时标；可使用多种通信协议方式根据相关的通信规约将同步相量数据传输到主站。 

通过串口UART1模块DB9接口进行现场设备调试功能；通过以太网的RJ45接口实现远程设备的固件升级功能。 

如图3、4，本发明船舶电力系统同步相量测量装置的电压传感器采用闭环霍尔电压传感器、电流传感器采用闭环霍尔电流传感器。从而实现原边电压与副边输出信号高度隔离，同时采用霍尔次补偿原理，即由霍尔元件输出信号控制补偿电流流过次级线圈产生的磁场补偿，当原边与副边的磁场达到平衡时，其补偿电流可精确反应到原边电压值。同时采用了滤波电路和隔离放大电路，从而很好的抑制了共模噪声串入系统。 

如图5、6，开关量输入采用4个光耦隔离单元，从而实现了16路开关量的输入与输出在电气上完全隔离，使夹杂在输入开关量中的各种干扰脉冲都被隔离在输入回路一侧，同时光电耦合器能够使输入回路和输出回路之间具有1KV左右的耐压。开关量继电器输出采用两级晶体三级管作为驱动继电器线圈，继电器的线圈和触点之间没有电气联系，从而避免了强电和弱电信号之间的直接接触，实现了抗干扰隔离。 

如图7、8，异步串口RS232通信模块和RS485通信模块，都采用了高速光电隔离单元，从而实现传输的稳定和抗干扰。其中RS232接口采用DB9的方式，采用无硬件控制的方式的3线通信方式，同时将剩余的接口用于处理器JTAG调试接口，从而使装置底层调试无需打开设备即可完成基础软件的调试，工程操作非常方便。其中RS485外部接口为接线端子。 

如图9、10，区域网络控制器CAN模块，采用高压光电隔离收发器实现输入输出的隔离，外部端口为接线端子。以太网模块采用1∶1网络隔离变压器以及RC滤波电路，外部接口为RJ45。 

如图11，电源模块采用开关电源与线性LDO电源相结合的设计结构。开关电源主要用于增大输出功率；线性电源，其用于给处理器IO及内核供电。线性电源主要用于处理器IO及内核供电。将模拟电源和数字电源分离开来，采用单点接地的方式来为了减少干扰提高EMI的性能。电源输入为直流输入DC18-58V，输出分别是DC+5V、数字DC3.3V、模拟DC3.3V。 

Claims (9)

1.一种船舶电力系统同步相量测量装置，包括处理器、模数转换模块、IIC扩展开关量输入模块、IIC扩展开关量输出模块、区域网络控制器CAN模块、脉宽调制PWM模块、第一异步串口UART模块、第二异步串口UART模块和以太网控制模块，其特征在于，

所述船舶电力系统测量点的电压模拟量和电流模拟量通过所述模数转换模块转换为数字量，进入处理器进行快速傅里叶计算，获得电力系统测量点的频率、相位和幅值；同时，所述IIC扩展开关量输入模块采集的船舶电力系统继电器或者断路器的开关量的无源触点信号，经所述处理器进行数值计算和逻辑判断后，得到开关量控制信号和模拟量输出控制信号，并分别通过所述IIC扩展开关量输出模块和脉宽调制PWM模块输出；

所述获得的频率、相位和幅值以及开关量控制信号和模拟量输出控制信号即为获得的同步数据，该同步数据通过所述第一异步串口UART模块、第二异步串口UART模块、区域网络控制器CAN模块和/或所述以太网控制模块传输出去，即实现同步相量测量。

2.根据权利要求1所述的同步相量测量装置，其特征在于，所述IIC扩展开关量输入模块包括光耦隔离器件、开关量输入扩展单元和IIC模块，船舶电力系统继电器或者断路器的开关量的无源触点信号通过光耦隔离器件进行隔离转换，再进入所述开关量输入扩展单元通过IIC总线实现多路扩展，然后进入所述IIC模块，实现开关量信号采集。

3.根据权利要求1或2所述的同步相量测量装置，其特征在于，所述IIC扩展开关量输出模块包括继电器输出、开关量输出扩展单元和IIC模块，经所述处理器数值计算和逻辑判断得到的输出开关量，通过该IIC模块进入开关量输出扩展单元，并通过IIC总线实现多路扩展，再通过继电器输出。

4.根据权利要求1-3之一所述的同步相量测量装置，其特征在于，所述区域网络控制器CAN模块包括端子接口、高压光电隔离收发器和CAN模块，同步数据通过所述CAN模块实现链路层协议的转换，再进入该高压光电隔离收发器实现光电隔离及电平转换，然后通过端子接口实现通信。

5.根据权利要求1-4之一所述的同步相量测量装置，其特征在于，所述第一异步串口UART1模块包括DB9接口、光耦隔离、RS232电平转换单元和UART模块，同步数据通过UART模块实现数据转换，再进入RS232电平转换单元完成差分电平转换，然后进入光电隔离实现光电隔离，再通过DB9接口传输出去。

6.根据权利要求5所述的同步相量测量装置，其特征在于，所述DB9接口的其中三路实现RS232软件流控制通信，其余的六路实现JTAG串行通信，以用于设备外部调试。

7.根据权利要求1-6之一所述的同步相量测量装置，其特征在于，所述第二异步串口UART2模块包括端子接口、光耦隔离、RS485电平转换单元和UART模块，同步数据通过UART模块实现数据转换，再进入RS485完成差分电平转换，然后进入光电隔离实现光电隔离，再通过端子接口传输出去。

8.根据权利要求1-7之一所述的同步相量测量装置，其特征在于，所述以太网控制模块包括PTP硬件支持单元、1∶1网络隔离变压器以及RJ45接口，同步数据及同步时钟信号通过所述PTP硬件支持单元进行本地时钟维护和捕获时间戳，并通过以太网控制器实现链路层协议转换，然后进入该1∶1网络隔离变压器，并最终通过RJ45接口实现同步数据的传输和同步时钟的对时。

9.根据权利要求8所述的同步相量测量装置，其特征在于，所述以太网控制模块同时用于与各模块实现同步时钟的亚微妙定时，完成整个装置的网络同步时钟。

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