一种基于交流采样技术的内燃机电站电气性能测试系统

摘要：提出一种基于交流采样技术的内燃机电站电气性能测试系统。该系统按照内燃机电站通用试验方法，实时智能调节阻性、容性和感性负载，在负载变化的同时，利用准同步预测顺序交流采样技术对电站输出波形进行高速采样，在多处理器的协同工作下，DSP芯片完成电站输出波形的FFT分析、十六位单片机对数据进行综合分析，得到内燃机电站的连续运行能力、谐波含量、突加/卸载能力和瞬态电压调整率等多项电气性能参数，同时将分析结果反馈给智能可调负载柜进行负载闭环调节。实际运行结果表明，该系统为内燃机电站电气性能测试提供了一种可行方案。关键词：内燃机电站；交流采样；谐波分析；CAN总线0前言内燃机电站作为固定通信台站和通信电源车的重要组成部分，是整个通信系统中不可缺少的供电装置。稳定可靠的供电，是通信装备发挥效能的前提。按照内燃机电站通用试验方法，对内燃机电站的电气性能测试主要包含以下功能：输出电压整定范围、电压和频率的稳态调整率、电压和频率的波动率、电压和频率的瞬态调整率及其稳定时间、加模拟电动机负载时的瞬态电压调整率、冷热态电压变化、在不对称负载下的线电压偏差、三相电压不平衡量、相电压波峰系数、线电压波形正弦性畸变率、相电压总谐波含量、电压单个谐波含量、频率调制量和频率调制率、频率漂移量和频率漂移率以及连续运行能力，对单相电站还进行开关电源的适配性测试等等。研制出一套高效准确的内燃机电站电气性能测试和试验设备，为新研制的通信电源装备的定型提供可靠依据，是提高通信电源装备技术水平的重要手段。1基于交流采样技术的电气参数计算为了实现对内燃机电站电气参数的测量，传统的采样方法是采用模拟电量变送器作为测量部件，变送器输出与输入成比例的直流电压，供微型计算机进行A/D采样。微机处理器通过采集这些直流电压的采样方式为直流采样。其缺点是变送器结构复杂、时滞较长。而交流采样是一项先进的采样技术，对内燃机电站电气参数测试来说，可以取代电压、电流、有功功率、无功功率、频率和功率因数变送器。且直流采样由硬件组成，一经定型后不宜改动，而交流采样技术基本上由软件处理完成，具有直流采样不可比拟的柔韧性。1.1采样定理和采样方式为了使采样信号反映被采样的模拟信号，ShannonC.E于1949年提出了Shannon采样定理：采样定理：若连续信号x（t）是有限带宽的，其频率的最高频率为fc，则对x（t）采样时，若保证采样频率：fs.2fc（或Ωs(2Ωc，Ts)π/Ωc）（1）那么，可由x（nTs），恢复出x（t），即x（nTs）保留了x（t）的全部信息。按照采样周期和被采样信号在时间上的相互关系，采样方式可分为异步采样和同步采样。同步采样消除了异步采样由于被采样信号的频率变化而引起采样误差的缺点，但同步采样硬、软件较异步采样要复杂得多。按照被采样信号的采样时间关系，采样方式还有同时采样和顺序采样之分。1.2交流采样算法下面简单介绍交流信号数学解析的傅氏算法及相关电量的求解方法。1.2.1谐波测量正弦交流电压信号可表示为u（t）=U（t）sin（ωt）（2）式中U（t）———电压幅值；ω———角频率；ω=2πf=2π/T。对于周期为T=2π/ω的非正弦交流电压u（t），一般满足狄里赫利条件，可分解为如下形式的傅里叶级数：u（t）=a02+&∞n=1（ancosnωt+bnsinωt）（3）式中式中a0=2T/T/2T/2u（t）dt=0an=2T/T/2T/2u（t）cosnωtdtbn=2T/T/2T/2u（t）sinnωtdtn取不同的值表示交流信号的不同频率分量（谐波分量）。按交流相量表示法，各谐波分量可表示为：Un=URn+jUIn（4）其中URn=bn=2T/T/2T/2u（t）sinnωtdt（5）UIn=an=2T/T/2T/2u（t）cosnωtdt（6）如果仅考虑基波分量，即取n=1，则式（5）、（6）可化为：UR=2T/T/2T/2u（t）sinωtdt（7）UI=2T/T/2T/2u（t）cosωtdt（8）假设一个周期内采样N个点，将式（7）、（8）用矩形离散法得到：UR=2N&N-1K=0UKsin（KTN）（9）UI=2N&N-1K=0UKcos（KTN）（10）式中，UK为一个正弦波周期内的第K个采样值。显然，基波信号的幅值Um和有效值U1分别为：Um=U2I+U2ヘR（11）谐波含量UH定义为：UH=&∞n=2U2ヘn（13）电压谐波总畸变率THD定义为：THD=UHU1×100%（14）显然，式（13）、（14）可以计算交流信号的谐波分量和畸变率，式（9）～（12）已经利用N个采样值计算出了交流信号基波的实部分量、虚部分量、信号幅值和有效值。在此基础上可以方便地计算出有功功率、无功功率和功率因数等参数。1.2.2功率计算采用“二表法”计算有功功率和无功功率，即利用计算机采集发电机两相线电压UAB、UCB和两相电流IA和IC来计算功率。则有功功率P、无功功率Q和功率因数cosφ的计算式为：P=UABRIAR+UABIIAI+UCBRICR+UCBIICIQ=UABIIAR-UARRIAI+UCBIICR-UCBRICIcosФ=Pヘp2+Q22内燃机电站电气性能测试系统在本系统中，采用多处理器协同工作方式，实现对发电机组的电气性能的自动测试。系统由智能可调负载柜、电气性能测试单元、LED现场参数显示屏、数据通信通道等几部分组成，系统结构如图1所示。智能可调负载柜由阻性、感性和容性负载及相应的控制单元组成。阻性负载共有12组，每组分别有A、B、C三相负载，这12组负载的功率值以3W为基数按2N倍增；感性负载和容性负载各有11组，分别以10Var、7.5Var为基数按2N倍增。每组负载与电流母线之间通过交流接触器连接，交流接触器是在控制器AT89C52的控制下闭合或断开的，交流接触器与控制器之间通过I/O驱动单元联系。驱动单元采用光电隔离器，并用三级驱动方式，避免交流接触器动作时产生的强大电磁干扰对控制器产生影响，保证了系统的可靠运行。可调负载柜与测量装置之间的数据通信采用了隔离型的RS-232C方式。为了增加系统的灵活性，系统可自动或手动运行，自动运行时，负载由系统自动调节，而在手动运行时，负载可由试验人员通过拨码盘设置。电气性能测试单元是系统的核心，该单元的关键技术采用了准同步预测顺序采样方式，主要由V/I采集单元、频率测量单元、数字信号处理单元、数据存储单元、主控制器及相应通信接口组成。V/I采集单元由精密V/I变换器、多路模拟开关、电压跟随器、16位高速A/D转换器和DSP数字信号处理器组成。通过对电站输出的V/I15路信号进行采样，其中电流9路（20A、40A和60A量程各三路）、电压6路（300V和450V量程各三路），各路电流和电压信号经过相应的精密变换器转换成0～4V交流电压，经16选1模拟开关选择一路信号进入电压跟随器，经16位高速A/D转换器进行模/数转换，转换后的数据送入数字信号处理单元由DSP进行DIT-FFT分析，分析结果送入双口RAM供十六位单片机分析。监控台是系统的操作控制中心，配置有研华工控机一台（P4/2.4G/256M/40G），工控机内配置有工业级CAN总线网卡、INTEL自适应网卡、HP1010激光打印机、LED显示屏。监控中心的工控机配置相应的测量控制软件及ORACLE9.0数据库软件，通过CAN网卡与测量装置进行数据命令交互，获得测量数据和波形，并对数据进行相应的分析处理，形成报表，存入数据库，自动生成试验报告。测试过程中的电气基本参数由LED显示屏指示，方便现场操作人员了解电站的运行状态。数据通信通道式系统的神经，从数据通信量和可靠性方面考虑，分别采用了隔离型CAN总线和RS232串行通信方式。3系统测试结果在电力系统中，被采样信号U（t）常含有丰富的谐波成份，但其谐波成分（即谐波幅值）随着谐波频率的上升而逐渐减弱。由实际系统中分析100次以上的谐波成分的需要得U（t）信号的最高频率为：fc=50×100=5kHz由采样定理式（1）得：fs.2fc=10kHz理论上讲，采样频率越高，采样信号能越精确地代表被采样的信号，但基于实际需要和硬件成本的限制，该系统的采样频率取为12.8kHz左右，即每个工频周期（50Hz时为20ms）内确保采样256个点。本系统采用准同步预测顺序采样方式，即采用软件频率跟踪上一个正弦波周期的频率，此频率值作为本次256个采样点的时标，如图2所示，用软件计算出过零点1和过零点2之间的时间，用一个滑动窗来存放周期，将该组数据取平均后作为新的采样周期。共用一个A/D，顺序采集三路电压和三路电流值，对电压/电流有效值没有影响，但对有功/无功功率以及功率因数的计算会造成影响，因此，需利用软件自动对测量相位差和测量值进行补偿，实现准同步采样。在内燃机电站正常供电后，电气性能测试单元利用准同步预测顺序交流采样技术对电站输出电流、电压和频率进行采样，16位DSP芯片（TMS320F206）对采样数据进行FFT分析，将得到的电压和电流波形的实部、虚部，并传送给双口RAM，16位单片机对这些数据进行综合分析，得到电压/电流的有效值、功率和谐波含量等参数。同时单片机这些数据从不同的串行总线分别传送给智能可调负载柜和监控管理计算机。负载柜根据数据实时调节各种负载，使负载保持在给定范围内；监控管理计算机将数据保存在ORACLE数据库，绘出波形，并进行相应的分析处理，形成报表，进行文档管理。DSP芯片的出现使FFT的实现变得更为方便。由于多数DSP芯片都能在一个指令周期内完成一次乘加运算，而且提供专门的FFT指令（如，实现FFT所必须的比特反转等），使得FFT算法在DSP芯片上实现的速度更快。本系统采用基2DFTFFT的蝶形算法实现复杂的计算。该系统对TCY-777、TCY-770、TCY-701、DF3000等多型发电机组进行各项目的测试，并通过对电压和电流进行离散傅立叶变换（DFT）得到机组的电气性能参数，图3～图7是部分测试结果的波形。4结论基于交流采样技术的内燃机电站电气性能测试系统，智能负载调节柜的驱动单元采用了光电隔离器，并通过三级驱动来保证系统的可靠运行；采用准同步预测交流采样技术对内燃机电站的输出信号进行高速交流采样，并在数字信号处理单元由DSP进行DIT-FFT分析，保证了电气性能测试的精确性；通过CAN网卡与测量装置进行数据、命令交互，获得测量数据和波形，并由LED显示测试过程中的电气基本参数，方便现场操作人员了解电站的运行状态。总之，该系统具有很高的可靠度、精确度、并且操作方便，故该系统的设计方案为内燃机电站电气性能的测试系统的研究提供了一个很好的参考模。