基于虛擬儀器技術的飛機供電系統諧波分析

戰祥新+郝世勇+司劍飛+姚銀虎

摘 ?要： 傅里葉變換是分析飛機供電系統諧波含量等參數的主要方法，但該方法計算量大、實時性差。在此通過分析國軍標諧波參數標準，利用LabVIEW虛擬儀器技術，構建了簡單實用的程序分析飛機供電系統諧波。相對傳統分析方法可以快速得到供電系統的諧波特征參數，使用方便、實時性好。通過傳感器、信號采集模塊等建立了某型飛機地面電源測試系統，對采集的系統波形采用LabVIEW諧波分析程序，可以實時顯示系統的諧波含量等特征參數，判斷出該系統的供電質量。

關鍵詞： 虛擬儀器; 供電系統; 諧波分析程序; 電源測試系統

中圖分類號： TN98?34; TP724 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻標識碼： A ? ? ? ? ? ? ? ? ?文章編號： 1004?373X（2014）24?0115?03

Harmonic analysis of airplane power supply system based on virtual instrument technology

ZHAN Xiang?xin， HAO Shi?yong， SI Jian?fei， YAO Yin?hu

（Qingdao Branch， Naval Aeronautical Engineering Academy， Qingdao 266041， China）

Abstract： The Fourier transform is the main method for analyzing harmonic component and other parameters of airplane power supply system， but it has the disadvantages of more calculation and poor real?time performance. A simple and practical program was established in this paper to analyze harmonic of airplane power supply on the basis of virtual instrument technology by analyzing the military standard of harmonic parameters， which can quickly get the characteristic parameters of harmonic wave in power supply. The program has convenient application and perfect real?time performance. A ground testing system of power supply for a certain airplane was built up with sensors and signal acquisition module. With the harmonic analysis program LabVIEW for acquired system waveform， the real?time harmonic content and other characteristic parameters can be displayed and the power supply quality of the system can be judged.

Keywords： virtual instrument; power supply system; harmonic analysis program; power supply test system

現代飛機的發展，多電技術是一個重要的發展方向，越來越多的飛機關鍵系統采用電能作為工作能源。而應用電能的電力電子器件及非線性負載的廣泛使用，給飛機供電系統造成了大量諧波干擾和波形畸變，嚴重干擾飛機無線電等航電設備的正常工作，影響了飛機的安全飛行。為此，各國都制定了一些相應的飛機供電標準，如RTCA?DO?160E，GJB181?1986，GJB181A?2003等，對諧波含量及諧波檢測提出了要求[1?3]。如何準確、快速的完成諧波含量分析以便于采取相應的處理措施，就成為保證飛機供電質量的一個首要任務。

1 ?飛機供電系統諧波分析及相關標準

諧波通常是指一個周期電氣量（比如交流電壓、交流電流等）的正弦波分量，其頻率為基波頻率的整數倍數。理想的飛機供電系統中，電壓和電流都是標準正弦波，其額定頻率為400 Hz，由于大容量的變壓整流器、變流器、大功率無線電設備等非線性負載的影響，供電系統中不可避免地產生諧波分量。當諧波含量達到一定程度時，會使供電系統的波形發生畸變，對飛機的用電設備產生嚴重的干擾。

1.1 ?諧波電壓含量和諧波電流含量

諧波電壓含量和諧波電流含量分別定義為：

[UH=n=2MU2n] ? ? ? ? ? （1）

[IH=n=2MI2n] ? ? ? ? ? （2）

式中：[Un]為第n次諧波電壓有效值;[In]第n次諧波電流有效值;[M]諧波的最高次數。

1.2 諧波電壓總諧波畸變率和電流總諧波畸變率[4]

電壓總諧波畸變率[THDu]和電流總諧波畸變率[THDi]分別定義為：

[THDu=UHU1×100%] ? ? ?（3）

[THDi=IHI1×100%] ? ? ? （4）

式中：[U1]為信號的基波電壓有效值;[I1]為信號的基波電流有效值;[n]次諧波電壓含有率[HRUn]和[n]次諧波電流含有率[HRIn]分別定義為：

[HRUn=UnU1×100%] ? ? ?（5）

[HRIn=InI1×100%] ? ? ? （6）

1.3 ?交流畸變系數

根據GJB5189?2003《飛機供電特性參數測試方法》，交流畸變系數的定義是交流畸變與電壓基波分量方均根值之比，測試時應先求出交流畸變，即交流波形除基波以外電壓的方均根值[4]，按式（7）計算：

[UJJ=1TWi=1n（uJJi）2?Δt] ? ? ? ? ? （7）

式中：[UJJ]為交流畸變，單位為V;[TW]為小于并最接近1 s期間整數個電壓周波所對應的時間，單位為s;[uJJi]為交流畸變波形采樣點的電壓瞬時值，單位為V;[n]為總采樣次數（[n?Δt≈TW]）;[i]為采樣序列，[i=1，2，???，n]; [Δt]為采樣周期，單位為s。

交流畸變系數的計算公式為：

[kJJ=UJJU1] ? ? ? ? ? （8）

式中：[kJJ]為交流畸變系數;[UJJ]為交流畸變，單位為V;[U1]為基波分量方均根值，單位為V。

1.4 ?波峰系數

波峰系數的定義：按規定的采樣頻率同時采集穩態時三相電壓瞬時值，采集時間各相均取大于并最接近1 s期間整數個電壓周波所對應的時間，并且各相采集起始瞬間的時間差互不超過1個電壓周波所對應的時間。測量并計算各相每個半波電壓波形峰值的絕對值與方均根值之比的極值[4]。

按式（8）計算其波峰系數為：

[Fi=UpiUi] ? ? ? ? ?（9）

式中：[Fi]為波峰系數;[Upi]為每半波的峰值電壓，單位為V;[Ui]為對應半波電壓的方均根值，單位為V。

從所得一系列[Fi]中求出極值。

按所規定的采樣頻率采集穩態交流畸變波形瞬時值，采集時間取穩態交流電壓所對應的時間[TW]：將所采集的數據用離散傅里葉變換算法計算出每一頻率分量的幅度即為交流畸變頻譜。

國軍標對飛機供電系統中諧波含量等參數都做了相應要求，如國軍標GJB181A?2003規定：變頻交流供電系統正常工作時的穩態特性范圍為畸變系數0.05最大，波峰系數為1.31～1.51;GJB572?88 中要求飛機地面電源供電相電壓波形總諧波含量不超過基波電壓的5%，單次諧波含量不超過基波電壓的4%等。因而準確的測量分析供電系統的諧波參數是否合格是衡量飛機供電質量的一個重要方面。

2 ?諧波分析方法

由于諧波具有非線性、隨機性等特點，影響因素復雜，因此對諧波進行準確測量和分析都比較困難。目前應用最多的是基于傅立葉變換（FFT）的諧波分析法。

飛機供電系統屬中頻系統，諧波檢測很難實現同步采樣和采樣數據的整數倍截斷，FFT諧波檢測結果存在柵欄效應和頻譜泄漏現象，使檢測出來的頻率、幅值和相位不準，無法滿足系統諧波分析的要求[5]。為了提高分析效果，必須改進變換方法，如通過插值補點來改變信號抽樣率、通過加窗函數來減少頻譜泄露和通過插值修正來減小柵欄效應等方法，在一定程度上彌補誤差。但這又增加了計算的數據量、分析變換的復雜性。

3 ?基于虛擬儀器的供電系統諧波分析

傳統諧波分析方法數據分散、計算量大、編程復雜、實時性差。LabVIEW軟件是基于虛擬儀器技術的圖形化編程語言，利用LabVIEW軟件提供的函數及子VI可以很容易的實現對飛機供電系統的諧波分析[6]。例如，對一標準的10 Hz方波信號進行諧波分析，其程序框圖如圖1所示。

通過LabVIEW軟件中的FFT分析函數，可以得到該方波的頻譜圖，如圖2所示。同時，可以計算出各次諧波電壓的含有率[HRUn]、電壓總諧波畸變率[THDu]、波峰系數等指標。

對某型飛機地面電源供電測試系統，應用諧波分析程序，分析結果如圖4所示。

4 ?結 ?語

應用LabVIEW虛擬儀器技術，可以很容易的實現對飛機供電系統的諧波分析，避免傳統測試分析系統計算量大、實時性差的特點。通過傳感器、信號采集模塊等構建飛機供電測試系統，對采集的系統波形采用LabVIEW分析軟件進行諧波分析，可以迅速快捷的得出系統的諧波含量等特征參數，判斷出系統的供電質量。

參考文獻

[1] 國防科學技術工業委員會.GJB181?1986 飛機供電特性及對用電設備的要求[S].北京：國防科學技術工業委員會，1986.

[2] 國防科學技術工業委員會.GJB572?88 飛機地面電源供電特性及一般要求[S].北京：國防科學技術工業委員會，1988.

[3] 中國人民解放軍總裝備部.GJB181A?2003 飛機供電特性[S].北京：中國人民解放軍總裝備部，2003.

[4] 國防科學技術工業委員會.GJB5189?2003 飛機供電特性參數測試方法[S].北京：國防科學技術工業委員會，2003.

[5] 房國志，楊超，趙洪.基于FFT和小波包變換的電力系統諧波檢測方法[J].電力系統保護與控制，2012，40（5）：75?79.

[6] 唐求，王耀南，郭斯羽.電力系統諧波及其檢測方法研究[J].電子測量與儀器學報，2009，23（5）：29?33.