0 引　言

船舶电力系统故障主要包括：

1）电源、电缆故障。电源供应系统中的发电机、变压器等设备出现故障，导致电力供应不稳定或中断。电缆故障：船舶电力系统中的电缆损坏、短路、接触不良等问题，导致电力传输受阻或中断。

2）设备故障。船舶电力系统中的开关设备（如断路器、开关等）出现故障，导致电路无法正常开关或保护。船舶电力系统中的控制系统（如自动化控制系统）出现故障，导致电力系统无法正常运行或调节。

3）负载故障。船舶电力系统中的负载（如电动机、设备等）出现故障，导致电力系统负载过大或不平衡。

4）绝缘故障。船舶电力系统中的绝缘材料损坏或老化，导致电力系统绝缘不良，可能引发电击或电弧故障。

船舶电力系统故障可能会导致船舶停航、设备损坏、船员安全受到威胁等严重后果，因此需要及时发现和处理故障，并采取相应的修复措施。船舶电力系统的维护和检修工作非常重要，需要定期进行检查、测试和维护，以确保电力系统的正常运行和船舶的安全性。

本文提出一种船舶电力系统智能继电保护装置，分别从硬件和软件开发方面进行详细介绍。

1 船舶电力系统智能继电保护装置的硬件设计开发 1.1 整体方案设计

本文设计的智能继电保护系统主要由继电器、开关量输入/输出单元、逆变器单元、TMS320F2808处理器、滤波器、RS485、RS232等硬件组成，整体硬件设计方案原理图如图1所示。

1）TMS320F2808是一款数字信号处理器（DSP），具有高性能的运算能力和丰富的外设接口。在电路保护系统中，TMS320F2808用于控制和监测电路的状态，并进行相关的保护控制。

2）开关量输入/输出单元是用于检测和控制电路中的开关量信号的模块。可以检测电路中的开关状态，并将状态信息传输给TMS320F2808进行处理。同时，也可以接收TMS320F2808的控制信号，并控制相应的开关状态。

3）RS485和RS232是2种常用的串行通信接口标准。在电路保护系统中，RS485和RS232用于与外部设备进行通信，如与上位机或其他设备进行数据交换。RS485通常用于远距离通信，而RS232通常用于近距离通信。

智能继电保护系统的工作原理如下：

开关量输入/输出单元检测电路中的开关状态，并将状态信息传输给TMS320F2808。TMS320F2808接收开关量输入/输出单元传输的状态信息，并根据预设的保护逻辑进行判断和控制。如果TMS320F2808检测到电路中存在异常情况（如过流、过压、短路等），会发出相应的控制信号。控制信号通过RS485或RS232接口发送给外部设备，如断路器、继电器等，以执行相应的保护动作，如切断电路或报警。同时，TMS320F2808还可以将电路状态信息通过RS485或RS232接口发送给上位机或其他设备，以实现远程监测和数据交换。

1.2 智能继电保护系统的CPU单元设计

CPU单元是继电保护装置的核心，主要进行模数转换、外部开关量信号处理判断、控制信号的输出，其核心部件是TMS320F2808处理器。

智能继电保护系统的CPU单元工作原理如图2所示。

CPU和MUX之间通过程序总线和数据总线连接，程序存储器和数据存储器通过总线变换器接入CPU单元，同时CPU单元也外置了扩展程序存储器和扩展数据存储器，提高系统容量。

TMS320F2808是CPU单元的核心，本文采用的TMS320F2808是一款更适用于电气系统控制的DSP芯片，不仅具有强大的片内I/O和外设，还具有功率保护端口、外部存储器扩展接口，整体的抗干扰能力强。

1.3 继电保护系统的逆变器单元

逆变器在船舶电力系统中起到保护电路的重要作用，主要包括以下几个方面：

1）过载保护。逆变器可以监测电路中的电流，当电流超过逆变器的额定容量时，逆变器会自动切断电路以避免过载。这可以防止电路过载造成的损坏和故障。

2）短路保护。逆变器能够检测到电路中的短路情况，当短路发生时，逆变器会迅速切断电路，以防止电流过大损坏设备和引发火灾等安全问题。

3）过压/低压保护。逆变器可以监测电路中的电压，当电压超过逆变器的额定范围时，逆变器会自动切断电路以防止设备受到过高的电压损坏。当电压低于逆变器的额定范围时，逆变器会自动切断电路以防止设备受到过低的电压损坏。

船舶电力系统智能继电保护系统中的逆变器电路如图3所示。

逆变器电路的核心组成包括直流输入电压采集电路、驱动保护电路、电流采集电路和负载电压采集电路。

逆变器电路的输入/输出功率 ${P_0}$ 、 ${Q_0}$ 满足：

$ \begin{gathered}P_0\text{ = }\frac{V_0E\sin\left(\delta\mathrm{_{in}}-\delta\mathrm{_{out}}\right)}{wl}，\\ Q_0=\frac{V_0\left(V_1-E\right)\cos\left(\delta_{\mathrm{i\mathrm{n}}}-\delta_{\mathrm{out}}\right)}{wl}。\\ \end{gathered} $

式中： ${V_0}$ 为电路的输出电压； $ \delta\mathrm{_{out}} $ 为电压的相位角； $E$ 为输入电压幅值； $ \delta_{\mathrm{in}} $ 为输入电压相位角； $w$ 为交流电的频率； $l$ 为电感。

2 基于虚拟仪器技术的电力系统智能继电保护系统开发 2.1 智能保护系统的软件开发

船舶电力系统继电保护装置的软件系统开发基于Microsoft VS 2008，该软件系统开发涵盖了SCD文件解析、定值巡检、异常警告等功能。

本文开发的船舶继电保护系统软件主程序流程图如图4所示。

基于VS系统^[2]针对船舶电力继电保护系统开发的功能包括：

1）数据建模功能

数据建模功能是指针对船舶电力系统电站、电力网络、拓扑结构等进行建模，当船舶电力系统中投入新变电站使用或装置发生变化时，数据建模功能可实现相对独立的更新，建模时会按设备列表进行电路中继电器的运行状态获取，并将电路保护装置的电压等级、类型等参数进行合理的设置。

2）在线监测与数据分析功能

通过监测继电器的输入和输出信号，可以实时监测继电器的工作状态，检测继电器是否正常运行，以及是否存在异常情况。通过收集和分析继电保护电路的运行数据，可以获得有关保护电路的性能和可靠性的信息。这些数据可以用于评估系统的工作质量，并进行预测性维护^[4]。

3）历史数据查看功能

基于VS系统的数据库，可以实现船舶智能继电保护系统的历史数据查看功能，这些历史数据包括继电器变位、逆变器电压、逆变器电流等信息，利用数据库的相关功能，还可以实现分时间段、类型的过滤查询，提供更为精准的数据。

2.2 基于虚拟仪器LabVIEW电力系统继电保护装置仿真

虚拟仪器LabVIEW由前端界面、虚拟仪器模块、数据采集与处理模块等组成，实现了虚拟仪器的开发和应用。它具有图形化编程、灵活性高、可扩展性强、数据处理能力强等特点，广泛应用于科学研究、工程测试、自动化控制等领域。

虚拟仪器LabVIEW的结构与原理如图5所示。

虚拟仪器模块包括DAQ数据采集板、VXI仪器等，前端界面为系统与用户的交互窗口。

虚拟仪器LabVIEW的关键要素包括：

1）前端界面。LabVIEW使用前端界面来实现用户与虚拟仪器的交互，前端界面可以包括图形化的控制面板和数据显示面板，用户可以通过控制面板设置参数、启动测量和控制操作，并通过数据显示面板观察测量结果。

2）虚拟仪器模块。LabVIEW的虚拟仪器模块是由图形化编程语言G语言编写的程序，可以模拟示波器、信号发生器、频谱分析仪等仪器的功能。虚拟仪器模块可以通过拖拽和连接的方式进行组合，实现复杂的测量和控制功能。LabVIEW使用数据流编程的方式进行图形化编程，数据流编程是一种基于数据流的并行计算模型，每个节点表示一个操作或函数，数据通过节点之间的连线进行传递。LabVIEW^[4]中的虚拟仪器模块和用户自定义的程序都可以表示为数据流图，通过连接和配置节点，实现数据的处理和控制。

3）数据采集和处理模块。LabVIEW提供了丰富的数据采集和处理功能。它支持各种传感器和设备的接口，可以实时采集和处理模拟信号和数字信号。LabVIEW提供了丰富的信号处理和数据分析函数，可以进行滤波、谱分析、统计分析等操作。

本文结合虚拟仪器LabVIEW搭建了船舶电力系统继电保护系统的仿真测试平台，原理如图6所示：

仿真测试平台对继电器回路电压、电阻温升信号进行监测。其中，电压是智能继电保护系统的关键参数，同时也是继电器回路绝缘性检测的关键参数，图7为仿真测试平台采集的电路电压与温度数据曲线。

可知，电力系统电路电压呈正弦变化趋势，幅值为±25V，温升在20℃～50℃之间。

3 结　语

为了提高船舶电力系统的可靠性，本文基于继电器和逆变器保护原理，搭建了一种智能继电保护系统，从系统的关键硬件组成、软件程序开发和系统的仿真测试进行研究。基于虚拟仪器LabVIEW的测试平台数据表明，该继电保护系统具有较好的电压、温升保护效果。