飛機(jī)電源品質(zhì)監(jiān)控的虛擬技術(shù)實現(xiàn)

楊篤偉+齊國紅

摘要：飛機(jī)電源品質(zhì)監(jiān)控十分重要，該文采用虛擬儀器技術(shù)，以便攜式工控機(jī)為基礎(chǔ)平臺，以虛擬示波器卡為核心設(shè)備，以通用化交互式語言為開發(fā)工具，構(gòu)建了便攜式的電源品質(zhì)監(jiān)控與分析設(shè)備，可在外場對飛機(jī)電源的多項核心指標(biāo)進(jìn)行綜合分析與判斷。

關(guān)鍵詞：電源；監(jiān)控；虛擬儀器

中圖分類號：TP393 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1009-3044（2017）17-0229-03

1概述

飛機(jī)電網(wǎng)在供電過程中，隨著用電設(shè)備接入的不同和所處狀態(tài)的不同，會造成電源品質(zhì)發(fā)生變化，比如說電壓不穩(wěn)、過電壓和產(chǎn)生諧波等，這些因素超過一定范圍會帶來電能的產(chǎn)生、傳輸和利用效率的明顯降低，使機(jī)載設(shè)備過熱、產(chǎn)生振動和噪聲，并使絕緣老化，壽命縮短。其中諧波還會引起供電電網(wǎng)局部發(fā)生并聯(lián)諧振或串聯(lián)諧振，使諧波含量被放大，致使電容器等設(shè)備燒毀。顯然，了解供電電網(wǎng)電能質(zhì)量的實際情況，特別是在現(xiàn)場環(huán)境下對其進(jìn)行相應(yīng)功能的監(jiān)控分析是十分重要也是極具意義的。

以往對飛機(jī)電網(wǎng)供電品質(zhì)監(jiān)控手段比較單一、簡單，多停留在傳統(tǒng)方法層面，即利用萬用表等分離式儀表測量即時電壓、電流值，從而籠統(tǒng)判斷整個供電系統(tǒng)的一段工作過程狀態(tài)，測試點少、測試指標(biāo)單一、不能動態(tài)判斷整個供電過程、無法掌握電網(wǎng)特性的細(xì)部特征，導(dǎo)致了監(jiān)控結(jié)果的較大偏差。目前，隨著裝備制造技術(shù)的不斷發(fā)展，電網(wǎng)供電品質(zhì)監(jiān)控被賦予了新的含義和內(nèi)容，對其提出了更高的要求，原因有二：一是機(jī)載用電設(shè)備數(shù)量不斷增多，各種耦合干擾不斷交織，增大了電源品質(zhì)的污染因素；二是大量精密自動化裝置被加裝，這些設(shè)備往往對電能質(zhì)量更加敏感，要求電網(wǎng)供電更穩(wěn)定、更干凈。所以，電源品質(zhì)綜合監(jiān)控分析的需求矛盾日益凸顯，為此，各種技術(shù)和手段也在不斷發(fā)展進(jìn)步并有些已成功應(yīng)用到不同領(lǐng)域中。本系統(tǒng)設(shè)計就是瞄準(zhǔn)當(dāng)今技術(shù)前沿，采用虛擬儀器技術(shù)，根據(jù)一線維護(hù)的具體測試要求，構(gòu)建適應(yīng)于苛刻現(xiàn)場條件綜合智能化的便攜式電源品質(zhì)監(jiān)控系統(tǒng)。

2電參數(shù)測試方法研究與實現(xiàn)

設(shè)備研制初期，首先依據(jù)GJB181A-2003和GJB5189-2003規(guī)定的內(nèi)容，探討數(shù)字式測試環(huán)境下飛機(jī)供電系統(tǒng)中部分關(guān)鍵電參數(shù)的有效測試問題，提出新的算法，在減少了計算量的同時提高了測量結(jié)果的準(zhǔn)確性，為電源監(jiān)控分析的軟硬件實現(xiàn)打下基礎(chǔ)。

2.1直流電壓紋波

電壓紋波是“混疊”在直流電壓上的交流波形成分，電壓紋波是對交流波形進(jìn)行整流的固有效果，其特性和幅度取決于所用整流器的類型、濾波器的輸出、交流輸入端的特性以及電氣設(shè)備負(fù)載情況。電壓紋波可以干擾電路和數(shù)據(jù)傳輸，引起相關(guān)設(shè)備發(fā)熱。紋波的測量可對個體紋波成分進(jìn)行累計綜合。

2.2穩(wěn)態(tài)交流電壓

GJB181A-2003中將“交流電壓”定義為“相電壓每半波的均方根值”，將“穩(wěn)態(tài)交流電壓”定義為：不超過1s的時間間隔內(nèi)交流電壓的時間平均值。根據(jù)穩(wěn)態(tài)交流電壓的定義，采用公式（1）和（2）來計算穩(wěn)態(tài)交流電壓值，計算公式如下：

2.3交流供電電壓允許偏差

電壓偏差是衡量飛機(jī)供電系統(tǒng)正常運行與否的一項主要指標(biāo)，測量供電電壓允許偏差時采用實際測量電壓允許偏離其額定值的百分比。其數(shù)學(xué)表達(dá)式為：

電壓偏差（%）=（實際測量電壓-標(biāo)準(zhǔn)電網(wǎng)電壓）÷標(biāo)準(zhǔn)電網(wǎng)電壓×100% （3）

2.4交流電壓波形指標(biāo)

GJBl81A-2003中規(guī)定，交流電壓波形頻譜分析的范圍是10Hz-500kHz，由采樣定理可知采樣頻率應(yīng)在最高截止頻率的兩倍以上，至少為1MHz，該采樣率會造成低頻段采樣數(shù)據(jù)量過大，使得程序計算量大大增加?？刹捎梅诸l段處理技術(shù)來解決這一問題，具體解決步驟如下：

1）頻段劃分：按照GJBl81A-2003中交流電壓最大畸變頻譜圖，將頻段分為分為低頻段I（10 Hz-900Hz）、中低頻段Ⅱ（900Hz-10kHz）、中高頻段Ⅲ（10kHz-100kHz）、高頻段Ⅳ（100kHz-500kHz）。

2）信號抽?。涸诓煌l段上，對原信號進(jìn)行一定比率的等間隔的抽取（即每隔N個點抽取一個點），其中抽取數(shù)Fs根據(jù)經(jīng)驗或統(tǒng)計數(shù)據(jù)進(jìn)行設(shè)定，使得信號的采樣頻率降為Fs/N。這是因為非高頻段頻譜分析并不需要高達(dá)1MHz的采樣率，過分采集只會增加數(shù)據(jù)的冗余，對已采集數(shù)據(jù)進(jìn)行降低采樣處理使得頻譜分析的數(shù)據(jù)量大大減少，提高計算速度的同時又保證了計算準(zhǔn)確度。

3）濾波：經(jīng)降采樣處理后，各頻段數(shù)據(jù)量將降為原信號的1/N，再根據(jù)各頻段頻率范圍設(shè)計濾波器，濾除本頻段信號之外的分量。

4）頻譜分析：對濾波結(jié)果進(jìn)行離散傅立葉變換。

2.5交流諧波

交流諧波是存在于飛機(jī)供電系統(tǒng)中的一個周期性的正弦波分量，其頻率為基波頻率的整數(shù)倍。由于諧波的頻率是基波頻率的整數(shù)倍，也稱它為高次諧波。電網(wǎng)諧波主要的來源是各種非線性負(fù)載環(huán)節(jié)，如各種整流設(shè)備、調(diào)節(jié)設(shè)備以及電氣負(fù)荷設(shè)備。諧波影響會導(dǎo)致用電設(shè)備壽命縮短，電網(wǎng)損失加大，還會干擾保護(hù)繼電器、測量設(shè)備、控制和通信電路以及用戶電子設(shè)備等，使靈敏設(shè)備發(fā)生誤動作或元件故障。因此，諧波監(jiān)控與分析十分重要。

本系統(tǒng)采用基于傅立葉變換的諧波檢測方法。FFT方法是當(dāng)今諧波檢測中應(yīng)用最廣泛的一種諧波檢測方法，測量時間是信號周期的整數(shù)倍和采樣頻率大于奈奎斯特采樣頻率時，這個方法檢測精度高，實現(xiàn)簡單，功能多且使用方便，在頻譜分析和諧波檢測兩方面均得到廣泛應(yīng)用。

3設(shè)備組成及工作原理

本系統(tǒng)采用虛擬儀器技術(shù)（NI），利用高性能的模塊化硬件和高效靈活的軟件，構(gòu)建具有數(shù)據(jù)處理功能的虛擬數(shù)字存儲示波器，通過二次開發(fā)的相應(yīng)各種電能分析模塊來進(jìn)行各種電參數(shù)智能監(jiān)控和分析，可以完成對電源信號的輸入及獲取、電壓參數(shù)及時間頻率參數(shù)的自動測量、信號的波形顯示及存儲回放、信號特征值提取和狀態(tài)判別等功能。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示，以便攜式通用計算機(jī)為基礎(chǔ)平臺，基于多功能的DAQ采集卡和LabVIEW開發(fā)平臺來設(shè)計具有數(shù)字存儲示波器、數(shù)字萬用表、數(shù)字頻率計三者功能于一體的功能強大的電子測試儀器，可實現(xiàn)數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)處理、波形顯示、波形存儲和回放、頻譜分析以及故障判據(jù)等功能。

3.1硬件構(gòu)成和基本工作原理

基本硬件包括研華便攜式計算機(jī)、示波器探頭和DAQ數(shù)據(jù)采集板卡。其中，DAQ數(shù)據(jù)采集板卡是本系統(tǒng)研發(fā)的核心，選用NI公司生產(chǎn)的PCI-5015虛擬數(shù)字化儀，示波器卡作為基礎(chǔ)開發(fā)，雖價格較貴，但其優(yōu)勢明顯，一是通道數(shù)多，可滿足三路交流和一路直流通道的同步監(jiān)控，滿足系統(tǒng)實時性和動態(tài)性要求；二是由NI公司直接研制，可以做到虛擬儀器軟硬件資源的無縫銜接，底層軟件資源豐富靈活，方便二次開發(fā)，適應(yīng)性強，可靠性高。DAQ數(shù)據(jù)采集板卡通過PCI總線插在便攜式計算機(jī)中，其外形如圖2所示。

DAQ數(shù)據(jù)采集板卡集成了信號檢測電路和數(shù)據(jù)采集邏輯兩部分，其原理圖如圖3所示。

信號檢測電路是信號輔助調(diào)理電路，接收探頭傳感器傳送過來的電源設(shè)備物理模擬量信號，從混合信號中提取出待測量的微弱有用信號。在采集信號時，根據(jù)奈奎斯特采樣定理指出：時間連續(xù)信號轉(zhuǎn)換成離散信號時，需要在一個周期內(nèi)的采樣次數(shù)多于2次。為保證信號質(zhì)量，選用的采樣頻率經(jīng)常大于采樣定理所指出的最小采樣頻率，達(dá)到信號最高頻率的3～4倍甚至更高。因由電壓測量中傳來的信號含有高次諧波，所以必須進(jìn)行濾波，這里用的是二階RC有源低通濾波器作為抗混疊濾波器。電壓信號經(jīng)低通濾波器后，為了滿足MD轉(zhuǎn)換器對信號電平的要求，經(jīng)過了電平轉(zhuǎn)換。MD轉(zhuǎn)換器采用一種高速、低功耗、多通道同時采樣保證無失碼的雙12位逐次逼近型A/D轉(zhuǎn)換器，其基準(zhǔn)電壓由內(nèi)部電路提供，轉(zhuǎn)換精度為±1LSB。為了保證海量數(shù)據(jù)的交換，A/D轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換完成后的數(shù)據(jù)存儲在大規(guī)模SRAM陣列中。

經(jīng)變換輸出后的多路標(biāo)準(zhǔn)信號在DAQ數(shù)據(jù)采集板卡中進(jìn)行處理，通過PCI系統(tǒng)總線交換到高性能計算機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，確保了測量過程的實時行和完整性，可拓展至對多路電源信號的同時監(jiān)控。由于DAQ數(shù)據(jù)采集板卡采用PCI計算機(jī)總線標(biāo)準(zhǔn)，所以需用計算機(jī)底層的硬件驅(qū)動程序來對應(yīng)管理。

3.2軟件組成和基本設(shè)計原理

虛擬儀器的設(shè)計有多個軟件平臺可供二次開發(fā)，如VC、VB、c++和LabVIEW等等，本系統(tǒng)軟件采用LabVIEW開發(fā)環(huán)境為平臺，原因是LabVIEW為NI公司開發(fā)的圖形化編輯編譯平臺，方便用戶交互和軟件功能調(diào)整。系統(tǒng)軟件設(shè)計采用自頂向下的模塊化設(shè)計方法，強調(diào)“合適性、結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性、可擴(kuò)展性、可復(fù)用性”軟件設(shè)計原則，便于今后根據(jù)用戶需求進(jìn)行再設(shè)計。本系統(tǒng)軟件設(shè)計原理從三個方面考慮，一是計算機(jī)交互界面總體控制流程的實現(xiàn)；二是物理量的采集與數(shù)據(jù)處理；三是后期的數(shù)據(jù)處理與加工。

3.2.1總體控制流程

本系統(tǒng)是軟硬件相互結(jié)合的虛擬儀器平臺，在電網(wǎng)各種電參數(shù)的測量與監(jiān)控分析過程中，應(yīng)首先能控制數(shù)字化儀等硬件正常工作感測外部信息，其次能完成數(shù)據(jù)的轉(zhuǎn)換、傳輸、處理和判斷等功能，所有這些應(yīng)由軟件用戶界面交互式管理，同時考慮本系統(tǒng)可同步完成多通道電參數(shù)的監(jiān)控分析，所以各項功能模塊的實現(xiàn)采用Windows多任務(wù)調(diào)度模式。系統(tǒng)工作總體控制流程圖如圖4所示。

3.2.2物理量采集與數(shù)據(jù)處理

物理量采集與數(shù)據(jù)處理主要完成對采集通道的控制，原始采樣數(shù)據(jù)的轉(zhuǎn)換、傳輸和計算，包括電壓有效值的計算、電壓偏差計算、頻率偏差計算、諧波計算和紋波計算等，計算完成后保留數(shù)據(jù)。其中，數(shù)據(jù)處理模塊軟件流程圖如圖5所示。

流程圖中FFT算法采用快速算法FFT。其基本思想是：可以將一個長度為N的序列的離散傅里葉變換逐次分解為較短的傅里葉離散變換來計算，這些短序列可重新組合成原序列，而總的運算次數(shù)卻比直接計算少得多，從而達(dá)到提高速度的目的。

3.2.3電源監(jiān)控與分析模塊的實現(xiàn)

后期對數(shù)據(jù)進(jìn)一步進(jìn)行處理和加工，采用交互界面完成各電參數(shù)綜合顯示、分析和判斷，達(dá)到既定的電源品質(zhì)監(jiān)控與分析目的。按功能模塊包括以下內(nèi)容：采集開關(guān)啟動監(jiān)控過程；在采集與監(jiān)控狀態(tài)下進(jìn)行參數(shù)的設(shè)置、測量與顯示；進(jìn)行硬件采集時基的設(shè)置、觸發(fā)通道的設(shè)置、觸發(fā)模式的設(shè)置；對于計算機(jī)模擬示波器面板上的波形進(jìn)行位置調(diào)整、縮放和捕捉；調(diào)取計算機(jī)內(nèi)存儲的波形再次顯示、分析和打??；利用各種高效的數(shù)字信號處理技術(shù)，對電源頻域信號進(jìn)行分析，依據(jù)判據(jù)確定故障。

4結(jié)束語

本研究利用虛擬儀器技術(shù)設(shè)計了便攜式的飛機(jī)電源品質(zhì)監(jiān)控設(shè)備，具有操作簡單、應(yīng)用靈活等特點，完成后在機(jī)務(wù)一線工作中進(jìn)行了試用，完全可以滿足飛機(jī)外場的電源品質(zhì)測試需求，收到了很好效果，促進(jìn)提高了維護(hù)保障工作效率。