基于交流采樣技術的發電機組電氣性能測試系統的實現

王 璐

（重慶第二師范學院 數學與信息工程系，重慶 400067）

1 引言

發電機組作為通信供電系統的后備電源，在整個通信系統中發揮著重要的作用，其供電質量的高低直接影響通信設備效能的發揮。高效準確的發電機組電氣性能測試系統，不僅能保證發電機組的供電質量，還為研制新通信電源設備的定型提供可靠依據，是提高通信電源設備技術水平的重要手段。傳統的電氣性能測試設備存在自動化程度低，對測試人員要求較高，負載準備困難，測試周期長，部分測試結果誤差大等諸多缺點。為此，利用現代控制技術，我們研制成功了一種基于交流采樣技術的發電機組電氣性能測試系統，實現了對發電機組的電氣性能參數的準確監測，為改造和提升現有發電機組的電氣性能測試水平提供了一條切實可行的途徑。

2 系統主要功能

（1）自動測量發電機組的輸出相電壓、線電壓、電流、有功功率、功率因數、頻率、相位等基本參數；

（2）按照內燃機電站通用試驗方法完成對電壓整定范圍、電壓和頻率的穩態調整率、電壓和頻率的波動率、電壓和頻率的瞬態調整率及其穩定時間、在不對稱負載下的線電壓偏差、三相電壓不平衡量、相電壓波峰系數、線電壓波形正弦性畸變率、相電壓總諧波含量、電壓單個諧波含量、頻率調制率、頻率漂移率等各種參數和性能的測試；

（3）步進連續可調30KW以內的交流負載，阻性負載分辨率為3W，感性負載分辨性為10Var，容性負載分辨率 7.5Var；

（4）可實現 0.6～1.0 之間功率因數的準確設定；

（5）系統可自動或手動運行，手動運行時可設置阻性負載功率、感性負載功率、容性負載功率、負載率和不平衡度，并可在監控機上觀察輸出參數的變化，包括電壓、電流、功率、功率因數、頻率和諧波成份；

（6）數據報表功能，數據庫管理功能和試驗報告自動生成等辦公自動化功能。

3 系統結構及工作原理

3.1 系統結構

系統由電氣性能測試單元、智能負載單元和系統監控管理單元組成，其原理框圖如下圖1所示。采用三級分布式結構，電氣性能測試單元主要完成電氣參數的實時采集和分析，并通過CAN總線與系統上位機相聯，上位機主要負責對上傳來的大量數據進行報表生成、波形顯示、數據庫的管理等功能，負載控制器通過RS－232通信方式接受來自電氣性能測試單元的指令和數據，單獨實現對負載的投合。

3.2 系統工作原理

發電機組輸出的各路電流和電壓信號經相應的精密變換器轉換成0～4V的電壓，再經16選1模擬開關進入電壓跟隨器，被選擇的這路信號經16位高速A／D轉換器轉換成數據量進入DSP進行FFT分析，分析結果送入雙口RAM與三菱16位單片機（主控制器）進行交互。上位機是系統的操作控制中心，通過CAN網卡與主控制器進行數據、命令的交互，一方面獲得測量數據，形成報表，存入數據庫，自動生成試驗報告，并通過RS－485方式將實時電氣參數傳給現場LED顯示屏顯示出來；另一方面根據待測機組的額定參數確定具體的測試項目，并將其發給主控制器，主控制器再控制智能負載完成該項目的測試。智能負載由阻性、感性和容性負載柜及相應的控制單元組成，電阻負載共有12組，每組分別有三相負載，各組功率值以3W為基數倍增，電感負載和電容負載各有11組，分別以10Var、7.5Var為基數倍增，智能負載控制器AT89S52與主控制器之間的數據通信采用了隔離型的RS－232方式。系統分為自動或手動兩種工作方式，自動運行時，負載控制器根據上位機的設定參數和主控制器測得的實時參數，自動計算出負載開關組合方案，控制交流接觸器完成負載的投合；而在手動運行時，負載由試驗人員通過撥碼盤來設置。

4 電氣參數的測量原理

圖1 系統結構框圖

4.1 基于DFT的同步交流采樣算法

根據內燃機電站通用試驗方法，待測電氣參數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表示，測出這些基本參數即可實現相關電氣參數的監測。

對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數:

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

其中:

在 1個周期內采樣 N 點，將式（3）、（4）用矩形離散法得到:

式中，uK為一個正弦波周期內的第K個采樣值。顯然，各次諧波的幅值Umn和有效值Un分別為:

其中，n＝1時為基波的幅值和有效值。

根據“二表法”，利用采集到的發電機兩相線電壓UAB、UCB和兩相電流IA和IC， 可得有功功率P、無功功率Q和功率因數cosφ的表達式為:

根據香農采樣定理，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，即每個工頻周期內確保采樣256個點（N＝256）。設采樣周期為 TS，若保證 T＝N*TS（N 為正整數），則可實現采樣頻率fs與待測信號頻率f完全同步，達到最優測量效果。

4.2 “三點”法實現頻率跟蹤

由于發電機組運行時，輸出信號頻率在50HZ附近波動，測完周期T后信號周期變為Tnew＝T＋△Tf，若實測時，在N一定的情況下，不改變采樣頻率fs必然會產生同步誤差△Tf＝Tnew－T＝ Tnew－N＊TS，要減少頻率波動所致的測量誤差，就需動態調整采樣頻率fs。

如下圖2所示，取采樣起始點，第N－1個點和第 N 個點的采樣值，即 uK＝0，uK＝N－1和 uK＝N，有:

求出△Tf即可跟蹤到被測信號的頻率變化，實際信號周期為Tnew＝T＋△Tf，用一個滑動窗來存放周期，將該組數據取平均后作為下一次采樣的測量周期，則新的采樣頻率為 fs＝N／Tnew。

圖2 頻率跟蹤示意圖

5 測試結果分析

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

由表1可知:進行“三點”頻率跟蹤后，得到精度很高的實際頻率，再由此頻率可獲得高精度的測量數據。

利用該系統對TCY－777型發電機組進行測試，其線電壓波形正弦性畸變率變化曲線和滿載時線電壓波形單個諧波含量如圖3、4所示。

6 結束語

本系統固定通信臺站發電機組為對象，根據內燃機通用試驗方法，通過研制分布式電氣性能測試系統，實現了對發電機組電氣性能參數的實時采集和控制、遠程自動監控。系統采樣先進的同步交流采樣技術和頻率跟蹤算法，提高了測試精度；通過設計智能負載，在很大程度上提高了測試的自動化程度，并能滿足各種測試項目的要求；運用CAN總線技術極大地提高了系統的可靠性、實時性。系統開發的性價比高，已在多家通信電源站投入使用。

表1 不采用和采用“三點”法頻率校正測試結果對比表

圖3 線電壓波形正弦性畸變率測試結果

圖4 線電壓波形單個諧波含量測試結果

［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，Feb 1999.