一种船舶电站控制系统仿真测试平台的设计

李新领， 何 勰

(上海船舶运输科学研究所 航运技术与安全国家重点实验室, 上海 200135)



一种船舶电站控制系统仿真测试平台的设计

李新领， 何 勰

(上海船舶运输科学研究所 航运技术与安全国家重点实验室, 上海 200135)

针对新型船舶电站控制系统的特点和功能，设计一种高性能、高稳定性的测试管理平台。分析该测试平台的设备组成和测试内容。重点阐述数字仿真平台、信号调理装置和测试管理台的功能及实现方法，并通过运行测试验证了该平台的有效性。

船舶、舰船工程； 船舶电站； 测试； 仿真

0 引 言

20世纪中后期，随着微电子技术、计算机技术、自动测控技术和各种智能技术不断发展，世界各国开始研究开发自动测试系统(Automatic Test System，ATS)[1]。ATS 发展至今共出现GPIB 总线、VXI 总线和PXI 总线等3代总线[2]，其中：PXI总线是 NI 公司于 1997 年提出的，以 Compact PCI 为基础，具有开放性的 PCI 扩展总线；PXI 总线汲取了 PCI 规范的优点，增加了多种触发、同步信号，符合工业标准，在机械、电气和软件特性方面优于PCI 总线[3]。

上海船舶运输科学研究所研制出一种新型船舶电站控制系统。该控制系统凭借ARM Cortex-M4内核及Cyclone II系列FPGA的高性能，选用ARM+FPGA作为核心架构，可在单个模块内完成电站控制器的所有功能，实现发电机组控制、交流电量采集、直流模拟量测算和准同步并车控制等算法[4]。

这里基于PXI总线系统搭建仿真测试平台，用于全面检验新型船舶电站控制系统的功能，具有高性能和高稳定性等优点。

1 船舶电站控制系统

新型船舶电站控制系统主要有以下几个功能：

(1) 具有手动、半自动、全自动和越控等4种工作模式，可根据需要自由切换；

(2) 可自动调节机组电压、频率至设定值；

(3) 可根据负载需求实现自动增机和减机；

图1 新型船舶电站控制系统的硬件框图

(4) 可实现发电机机组与电网母线的自动准同步并车；

(5) 在并网运行时，在网机组可实现有功功率和无功功率的自动转移；

(6) 有故障报警功能和故障增机功能；

(7) 有重载控制功能；

(8) 所有实现过程均满足相应的时间要求。

新型船舶电站控制系统的硬件是基于ARM+FPGA架构的，框图见图1，其中，ARM Cortex-M4位于CPU核心板上，FPGA位于电站控制主板上。

2 仿真测试平台的设备组成和测试内容

2.1 仿真测试平台的设备组成

为尽可能地模拟电站实际环境，验证船舶电站控制系统的各项功能指标，仿真测试平台的设备组成需包含数字仿真平台、信号调理装置和测试管理台(见图2)。各平台之间通过双冗余的CAN网络或以太网连通。

图2 船舶电站控制系统仿真测试平台的设备组成

1) 数字仿真平台包括仿真服务器和辅助设备，负责同步发电机、原动机及其附属设备、主电网和负载等的数字仿真。

2) 信号调理装置安装在试验模拟屏内，用于实现不同设备接口的信号转换与调理。信号调理装置分为仿真信号模拟装置、模拟表头驱动装置及晶体管-晶体管逻辑(Transistor-Transistor Logic,TTL)电平与无源触点转换装置。

3) 测试管理台的工控机上装有智能组态软件，能将测试平台设置为不同的船舶电站形式，完成各项参数的设置;同时，通过网络获取机组仿真状态，对仿真模型下达指令。

各设备间的连接和接口方法见表1。

2.2 仿真测试平台的测试内容

仿真测试平台的信号流框图见图3。

仿真测试平台的主要测试内容包括以下几个方面。

1) 精度测试：设置数字仿真平台，向被测系统输入标准电量信号，检验被测系统上传至网络的电参数值；测试管理台负责与标准信号值比较，并计算误差范围。

表1 船舶电站控制系统仿真测试平台的设备接口方法

图3 船舶电站控制系统仿真测试平台的信号流框图

2) 输出性能测试：根据配置帧设置动作时间，接入示波器检验被测系统输出的动作脉宽是否符合设置要求。

3) 网络性能测试：测试管理台可设置所有配置帧，自动向被测系统发送和接收反馈帧，检验网络帧配置的正确性及周期的正确性。

4) 动态功能测试：检验被测系统在负荷动态变动时的各电参数采集处理的精度及稳定性；检验被测系统单机运行时调节频率、电压的稳定性；检验被测系统多机组运行时负荷分配差是否满足设计要求；检验被测系统在超前频率、滞后频率和超限电压等条件下的调速、调压及同步并车功能，并捕捉控制系统的输出动作时间，检验超前时间是否满足设计要求。

3 数字仿真平台

数字仿真平台是基于NI公司的PXI平台搭建的硬件在环测试平台。平台硬件一般由机箱、系统控制器和外围模块等3部分组成。

1) 机箱选用的是NI 8槽PXIe/PXI 混合机箱 PXIe-1062Q。该机箱可为系统提供坚固的模块化封装，机箱中的高性能PXI背板包含有 PCI总线、定时总线及触发总线。

2) 系统控制器是NI高性能控制器 PXIe-8135。无需使用外部 PC机，PXI机箱即可成为一个完整和独立的系统。该控制器集成有CPU、硬盘驱动器、RAM、以太网口、视频输出、串口、USB和其他一些外围设备。

3) 外围模块使用的是多功能RIO模块PXI-7852R。其提供的可编程FPGA(Field-Prograrmable Gate Array)板卡拥有8路模拟输入、8路模拟输出和速率高达40 MHz的96条数字线，能应对高速、高实时性的任务，满足系统对于模拟量输出和开关量I/O实时仿真的要求。

平台仿真的数学模型包括同步发电机模型、原动机和调试器模型、励磁控制模型及负载模型。在MATLAB/Simulink环境中，调用和配置Simulink自带的六阶状态空间模型，动态、静态负载模型，创建基于一阶惯性环节的原动机和调速器模型，最后连接一种典型的可控硅励磁调节系统的模型，即可满足船舶电站对最小系统进行仿真的需要。

该平台硬件在环仿真的实现框图见图4。

图4 硬件在环仿真的实现框图

4 信号调理装置

4.1 仿真信号模拟装置

数字仿真系统输出幅值为0～10 V的电压信号，用于模拟三相电压和三相电流信号，而电站控制系统能采集的是有效值为0～30 mA的电流信号。仿真信号模拟装置的作用就是实现电压信号到电流信号的转换。该设计选用超低噪、低输入偏置电流、宽带宽JFET精密运算放大器AD8513，实现正负电流的输出。

仿真信号模拟装置实现原理图见图5，前一级为运算放大器有源滤波电路，也是一个电压跟随器，作用是保证反馈信号的变化不会影响到输入电压；后一级电路为Howland电流源电路，电流流过高精度电阻R6，形成电压信号反馈给正输入端电阻R5。

Howland电流源电路的输出电流可通过式(1)计算得出。

(1)

此外，需匹配R7=R5,R8=R6。

4.2 模拟表头驱动装置

模拟表头驱动装置的功能是通过双冗余CAN(Controller Area Network)通信网络，从测试管理台接受指定CAN通信包，解析后输出4～20 mA电流，用于驱动电压表、电流表、频率表、功率表和功率因数表。装置选用16位精密数模转换器(DAC)AD5422，内置的可编程电流源可配置输出4～20 mA电流，其内部电压-电流转换原理见图6。

图5 仿真信号模拟装置实现原理图

图6 AD522内部电压-电流转换原理图

针对0～20 mA、0～24 mA和4～20 mA电流输出范围，AD5422的输出电流分别表示为

(2)

(3)

(4)

式(2)～式(4)中：D为载入DAC代码的十进制等效值；N为DAC的位分辨率；AD5422为16位DAC。因此，N=16，2N=65 536。

4.3 TTL电平与无源触点转换装置

TTL电平与无源触点转换装置用于兼容仿真服务器接口与按钮、旋钮和LED显示灯。数字仿真系统的开关量I/O口都是基于TTL电平的，而常规配电屏开关量I/O口为无源开关量触点。

TTL电平与无源触点转换原理图见图7，芯片SN74LVC4245PW可将3.3 V电压转换为5 V，MC1413用于驱动继电器实现无源触点的断开和闭合；四路光电耦合器PS2502-4实现无源触点到TTL电平的转换。

图7 TTL电平与无源触点转换原理图

5 测试管理台

测试管理台中安装有智能组态软件，该软件具有人性化的人机界面，点击选择后可切换为不同船型的电力监控系统，形象直观地展示当前实船装备状态、电站系统单线原理、机组运行状态、模拟报警显示和模拟功率趋势等，反映系统整体的状态及各设备的运行情况；同时，还可实现电站系统的各项操作功能。

图8为组态软件在某工况下正常运行时的用户界面。电站系统包含2台三相交流发电机组G1和G2，机组模拟启动成功，额定电压为390 V，转速为1 500 r/min。G1合闸成功，带有有功功率为500 kW、功率因数为0.8的负载，电流为925 A；G2未合闸，空载运行。图8中还有模拟功率趋势曲线、系统单线图和双冗余CAN通信的工作状态指示灯。

图8 测试管理台的用户界面

6 结 语

针对新型船舶电站控制系统的实际测试需求，设计了一种针对该系统的仿真测试平台。数字仿真系统实现了同步发电机、原动机及其附属设备、主电网和负载等数学模型的数字仿真。信号调理装置解决了不同装置之间的接口不兼容问题。最后，给出了测试管理台运行的试验结果示例。试验结果表明，该设计满足对新型船舶电站控制系统进行仿真测试的要求。

[1] 廖红才.一种基于PXI的导弹舵系统测试仪的设计和实现[D].长沙:国防科技大学,2012.

[2] 阎长清,吴石增.现代微型计算机总线技术的发展[J].微型机与应用,1999,18(1):4-6.

[3] 张娅琳.基于PXI和虚拟仪器的测试系统研究[D].天津:天津大学,2007.

[4] 于春鹏,龚喜文.基于ARM+FPGA架构的船舶电站控制器的设计[J].中国航海,2015,38(4):34-37.

[5] 张妍懿,金振华，熊溪，等.基于Veristand的混合动力快速原型控制系统[J].电子测量技术,2014,37(8):132-135.

[6] 戎辉, 张明路，张小俊.基于Veristand的硬件在环测试系统设计[J].科学技术与工程,2016,16(8): 167-170.

[7] 吴志良.船舶电站及其自动化系统[M].大连:大连海事大学出版社,2010.

[8] 倪以信,陈寿孙,张宝霖.动态电力系统的理论和分析[M]. 北京:清华大学出版社,2002.

A Simulation and Test Platform for Ship Power Station Control System

LI Xinling, HE Xie

(StateKeyLaboratoryofNavigationandSafetyTechnology,ShanghaiShip&ShippingResearchInstitute,Shanghai200135,China)

A test management platform for the new ship power station control system is developed. The platform features high performance and high stability. The structure and the functions of the platform are introduced. The digital real-time simulator, signal conditioning devices, and the test management system are expounded in detail. The effectiveness of the platform is verified through trial operation.

ship; navel engineering; ship power; test; simulation

2016-06-21

李新领(1987—)，男，河南周口人，助理工程师，主要从事轮机自动化的研究。

1674-5949(2016)03-0012-06

U665.12

A