基于交流采樣技術(shù)的發(fā)電機(jī)組電氣性能測(cè)試系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)

王 璐

（重慶第二師范學(xué)院 數(shù)學(xué)與信息工程系，重慶 400067）

1 引言

發(fā)電機(jī)組作為通信供電系統(tǒng)的后備電源，在整個(gè)通信系統(tǒng)中發(fā)揮著重要的作用，其供電質(zhì)量的高低直接影響通信設(shè)備效能的發(fā)揮。高效準(zhǔn)確的發(fā)電機(jī)組電氣性能測(cè)試系統(tǒng)，不僅能保證發(fā)電機(jī)組的供電質(zhì)量，還為研制新通信電源設(shè)備的定型提供可靠依據(jù)，是提高通信電源設(shè)備技術(shù)水平的重要手段。傳統(tǒng)的電氣性能測(cè)試設(shè)備存在自動(dòng)化程度低，對(duì)測(cè)試人員要求較高，負(fù)載準(zhǔn)備困難，測(cè)試周期長(zhǎng)，部分測(cè)試結(jié)果誤差大等諸多缺點(diǎn)。為此，利用現(xiàn)代控制技術(shù)，我們研制成功了一種基于交流采樣技術(shù)的發(fā)電機(jī)組電氣性能測(cè)試系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了對(duì)發(fā)電機(jī)組的電氣性能參數(shù)的準(zhǔn)確監(jiān)測(cè)，為改造和提升現(xiàn)有發(fā)電機(jī)組的電氣性能測(cè)試水平提供了一條切實(shí)可行的途徑。

2 系統(tǒng)主要功能

（1）自動(dòng)測(cè)量發(fā)電機(jī)組的輸出相電壓、線電壓、電流、有功功率、功率因數(shù)、頻率、相位等基本參數(shù)；

（2）按照內(nèi)燃機(jī)電站通用試驗(yàn)方法完成對(duì)電壓整定范圍、電壓和頻率的穩(wěn)態(tài)調(diào)整率、電壓和頻率的波動(dòng)率、電壓和頻率的瞬態(tài)調(diào)整率及其穩(wěn)定時(shí)間、在不對(duì)稱負(fù)載下的線電壓偏差、三相電壓不平衡量、相電壓波峰系數(shù)、線電壓波形正弦性畸變率、相電壓總諧波含量、電壓?jiǎn)蝹€(gè)諧波含量、頻率調(diào)制率、頻率漂移率等各種參數(shù)和性能的測(cè)試；

（3）步進(jìn)連續(xù)可調(diào)30KW以內(nèi)的交流負(fù)載，阻性負(fù)載分辨率為3W，感性負(fù)載分辨性為10Var，容性負(fù)載分辨率 7.5Var；

（4）可實(shí)現(xiàn) 0.6～1.0 之間功率因數(shù)的準(zhǔn)確設(shè)定；

（5）系統(tǒng)可自動(dòng)或手動(dòng)運(yùn)行，手動(dòng)運(yùn)行時(shí)可設(shè)置阻性負(fù)載功率、感性負(fù)載功率、容性負(fù)載功率、負(fù)載率和不平衡度，并可在監(jiān)控機(jī)上觀察輸出參數(shù)的變化，包括電壓、電流、功率、功率因數(shù)、頻率和諧波成份；

（6）數(shù)據(jù)報(bào)表功能，數(shù)據(jù)庫(kù)管理功能和試驗(yàn)報(bào)告自動(dòng)生成等辦公自動(dòng)化功能。

3 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及工作原理

3.1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

系統(tǒng)由電氣性能測(cè)試單元、智能負(fù)載單元和系統(tǒng)監(jiān)控管理單元組成，其原理框圖如下圖1所示。采用三級(jí)分布式結(jié)構(gòu)，電氣性能測(cè)試單元主要完成電氣參數(shù)的實(shí)時(shí)采集和分析，并通過(guò)CAN總線與系統(tǒng)上位機(jī)相聯(lián)，上位機(jī)主要負(fù)責(zé)對(duì)上傳來(lái)的大量數(shù)據(jù)進(jìn)行報(bào)表生成、波形顯示、數(shù)據(jù)庫(kù)的管理等功能，負(fù)載控制器通過(guò)RS－232通信方式接受來(lái)自電氣性能測(cè)試單元的指令和數(shù)據(jù)，單獨(dú)實(shí)現(xiàn)對(duì)負(fù)載的投合。

3.2 系統(tǒng)工作原理

發(fā)電機(jī)組輸出的各路電流和電壓信號(hào)經(jīng)相應(yīng)的精密變換器轉(zhuǎn)換成0～4V的電壓，再經(jīng)16選1模擬開(kāi)關(guān)進(jìn)入電壓跟隨器，被選擇的這路信號(hào)經(jīng)16位高速A／D轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換成數(shù)據(jù)量進(jìn)入DSP進(jìn)行FFT分析，分析結(jié)果送入雙口RAM與三菱16位單片機(jī)（主控制器）進(jìn)行交互。上位機(jī)是系統(tǒng)的操作控制中心，通過(guò)CAN網(wǎng)卡與主控制器進(jìn)行數(shù)據(jù)、命令的交互，一方面獲得測(cè)量數(shù)據(jù)，形成報(bào)表，存入數(shù)據(jù)庫(kù)，自動(dòng)生成試驗(yàn)報(bào)告，并通過(guò)RS－485方式將實(shí)時(shí)電氣參數(shù)傳給現(xiàn)場(chǎng)LED顯示屏顯示出來(lái)；另一方面根據(jù)待測(cè)機(jī)組的額定參數(shù)確定具體的測(cè)試項(xiàng)目，并將其發(fā)給主控制器，主控制器再控制智能負(fù)載完成該項(xiàng)目的測(cè)試。智能負(fù)載由阻性、感性和容性負(fù)載柜及相應(yīng)的控制單元組成，電阻負(fù)載共有12組，每組分別有三相負(fù)載，各組功率值以3W為基數(shù)倍增，電感負(fù)載和電容負(fù)載各有11組，分別以10Var、7.5Var為基數(shù)倍增，智能負(fù)載控制器AT89S52與主控制器之間的數(shù)據(jù)通信采用了隔離型的RS－232方式。系統(tǒng)分為自動(dòng)或手動(dòng)兩種工作方式，自動(dòng)運(yùn)行時(shí)，負(fù)載控制器根據(jù)上位機(jī)的設(shè)定參數(shù)和主控制器測(cè)得的實(shí)時(shí)參數(shù)，自動(dòng)計(jì)算出負(fù)載開(kāi)關(guān)組合方案，控制交流接觸器完成負(fù)載的投合；而在手動(dòng)運(yùn)行時(shí)，負(fù)載由試驗(yàn)人員通過(guò)撥碼盤來(lái)設(shè)置。

4 電氣參數(shù)的測(cè)量原理

圖1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖

4.1 基于DFT的同步交流采樣算法

根據(jù)內(nèi)燃機(jī)電站通用試驗(yàn)方法，待測(cè)電氣參數(shù)都可以由電壓有效值、電流有效值、頻率、功率、功率因素等基本參數(shù)表示，測(cè)出這些基本參數(shù)即可實(shí)現(xiàn)相關(guān)電氣參數(shù)的監(jiān)測(cè)。

對(duì)于非正弦周期交流電壓u（t），若滿足狄里赫利條件，可分解為如下傅里葉級(jí)數(shù):

n取不同的值表示交流信號(hào)的不同諧波分量。按交流相量表示法，各諧波分量可表示為:

其中:

在 1個(gè)周期內(nèi)采樣 N 點(diǎn)，將式（3）、（4）用矩形離散法得到:

式中，uK為一個(gè)正弦波周期內(nèi)的第K個(gè)采樣值。顯然，各次諧波的幅值Umn和有效值Un分別為:

其中，n＝1時(shí)為基波的幅值和有效值。

根據(jù)“二表法”，利用采集到的發(fā)電機(jī)兩相線電壓UAB、UCB和兩相電流IA和IC， 可得有功功率P、無(wú)功功率Q和功率因數(shù)cosφ的表達(dá)式為:

根據(jù)香農(nóng)采樣定理，為了滿足分析100次以上的諧波成分，采樣頻率取為12.8KHz左右，即每個(gè)工頻周期內(nèi)確保采樣256個(gè)點(diǎn)（N＝256）。設(shè)采樣周期為 TS，若保證 T＝N*TS（N 為正整數(shù)），則可實(shí)現(xiàn)采樣頻率fs與待測(cè)信號(hào)頻率f完全同步，達(dá)到最優(yōu)測(cè)量效果。

4.2 “三點(diǎn)”法實(shí)現(xiàn)頻率跟蹤

由于發(fā)電機(jī)組運(yùn)行時(shí)，輸出信號(hào)頻率在50HZ附近波動(dòng)，測(cè)完周期T后信號(hào)周期變?yōu)門new＝T＋△Tf，若實(shí)測(cè)時(shí)，在N一定的情況下，不改變采樣頻率fs必然會(huì)產(chǎn)生同步誤差△Tf＝Tnew－T＝ Tnew－N＊TS，要減少頻率波動(dòng)所致的測(cè)量誤差，就需動(dòng)態(tài)調(diào)整采樣頻率fs。

如下圖2所示，取采樣起始點(diǎn)，第N－1個(gè)點(diǎn)和第 N 個(gè)點(diǎn)的采樣值，即 uK＝0，uK＝N－1和 uK＝N，有:

求出△Tf即可跟蹤到被測(cè)信號(hào)的頻率變化，實(shí)際信號(hào)周期為Tnew＝T＋△Tf，用一個(gè)滑動(dòng)窗來(lái)存放周期，將該組數(shù)據(jù)取平均后作為下一次采樣的測(cè)量周期，則新的采樣頻率為 fs＝N／Tnew。

圖2 頻率跟蹤示意圖

5 測(cè)試結(jié)果分析

假設(shè)待采樣信號(hào)頻率分別為49HZ，50HZ，51HZ，波形為 u（t）＝，采用和不采用“三點(diǎn)”法頻率校正后的測(cè)試結(jié)果如下表1所示。

由表1可知:進(jìn)行“三點(diǎn)”頻率跟蹤后，得到精度很高的實(shí)際頻率，再由此頻率可獲得高精度的測(cè)量數(shù)據(jù)。

利用該系統(tǒng)對(duì)TCY－777型發(fā)電機(jī)組進(jìn)行測(cè)試，其線電壓波形正弦性畸變率變化曲線和滿載時(shí)線電壓波形單個(gè)諧波含量如圖3、4所示。

6 結(jié)束語(yǔ)

本系統(tǒng)固定通信臺(tái)站發(fā)電機(jī)組為對(duì)象，根據(jù)內(nèi)燃機(jī)通用試驗(yàn)方法，通過(guò)研制分布式電氣性能測(cè)試系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了對(duì)發(fā)電機(jī)組電氣性能參數(shù)的實(shí)時(shí)采集和控制、遠(yuǎn)程自動(dòng)監(jiān)控。系統(tǒng)采樣先進(jìn)的同步交流采樣技術(shù)和頻率跟蹤算法，提高了測(cè)試精度；通過(guò)設(shè)計(jì)智能負(fù)載，在很大程度上提高了測(cè)試的自動(dòng)化程度，并能滿足各種測(cè)試項(xiàng)目的要求；運(yùn)用CAN總線技術(shù)極大地提高了系統(tǒng)的可靠性、實(shí)時(shí)性。系統(tǒng)開(kāi)發(fā)的性價(jià)比高，已在多家通信電源站投入使用。

表1 不采用和采用“三點(diǎn)”法頻率校正測(cè)試結(jié)果對(duì)比表

圖3 線電壓波形正弦性畸變率測(cè)試結(jié)果

圖4 線電壓波形單個(gè)諧波含量測(cè)試結(jié)果

［1］Bin Zhou， Ming Lei， Zhiyong Li， et al， “Real－time high performance electric harmonic analysis device，” Chinese Journal of Scientific Instrument， vol.25， no.4， pp.400－401， 2004.

［2］Xiaoning Cao， Huaren Wu， Kewei Long， “Study and implement in integrated metrical instrument of intelligent electric power parameters，” Chinese Journal of Scientific Instrument， vol.27， no.6， pp.206－208， 2006.

［3］R.K.Mudi， N.R.Pal， ”A robust self－turning scheme for PI－ and PD－type fuzzy controllers，” IEEE Transactions on Fuzzy Systems， vol.7，no.1，pp.2－16，F(xiàn)eb 1999.