柴油發電機組輸出特性現場檢定裝置的設計與實現

張 丹，薛 開，黃文浩

(1.中國人民解放軍92493部隊，遼寧 葫蘆島 125001； 2.哈爾濱工程大學 機電工程學院，哈爾濱 150001 )

柴油發電機組輸出特性現場檢定裝置的設計與實現

張 丹1，薛 開2，黃文浩2

(1.中國人民解放軍92493部隊，遼寧 葫蘆島 125001； 2.哈爾濱工程大學 機電工程學院，哈爾濱 150001 )

針對原有柴油發電機組的專用控制器功能單一、結構復雜、測量精度低等問題，設計了一款柴油發電機輸出特性現場檢定裝置系統；采用以STM32高性能處理器為核心的硬件平臺，基于總線控制的模塊化設計，其中包括基于485總線控制交流電子負載模塊、電能質量分析模塊以及溫度采集模塊;最后編寫具有框架式的上位機顯控界面，完成實時的數據顯示、存儲、記錄，以及交流電子負載的控制;實驗結果表明：柴油發電機組輸出特性現場檢定裝置系統能夠為被測柴油發電機組提供交流電子負載，實時測量柴油發電機組的輸出電壓、電流、功率、頻率等信息，能夠與檢定技術人員進行實時信息交互，檢驗柴油發電機組的輸出特性是否滿足技術指標要求。

柴油發電機組；電能質量分析；檢定裝置

0 引言

近些年來，由于船舶系統規模的擴大，各系統自動化水平的提高，促使船用電力系統發生變化，船用發電機組容量不斷增加，對供電的連續性和電能質量要求更高。船用柴油發電機組為船上各種設備提供充足的動力保障，有效保證了供電的連續性，保證了供電系統的可靠性和穩定性，發電機組時刻發揮著重要的安全保障作用。在工程項目進行驗收時，由于沒有專門的儀器對柴油發電機組進行加載試機，無法測試各項輸出指標及帶載能力能否達到設計要求，直接影響工程驗收；其次，柴油發電機組加裝降噪設備后對機組的輸出功率存在一定影響，無法測試機組輸出功率損失量。柴油發電機組輸出特性現場檢定裝置，能夠實現柴油發電機組性能、容量、控制和狀態管理功能的現場檢定，通過多次典型數據的積累可分析專用設備計量特性的變化趨勢，實現設備計量特性變化特征的預判，為設備計量管理提供參考依據，從而提高設備的可靠性。

1 系統設計

柴油發電機組輸出特性現場檢定裝置主要由硬件和軟件兩部分，系統主要由交流電子負載模塊、電量采集模塊、溫度采集模塊、數據處理軟件以及人機交互系統組成，系統組成框圖如圖1所示。

圖1 柴油發電機組輸出特性現場檢定裝置系統框圖

其系統主要工作流程為：

1)系統上電后，用戶根據試驗檢測需要，通過觸屏輸入設定交流電子負載輸出模擬負荷，嵌入式計算機通過串口向交流電子負載發送指令，控制交流電子負載的輸出阻性負載。

2)電量采集模塊實時采集被測柴油發電機組輸出的三相電壓、三相電流、頻率等相關信息，經模數轉換后，將模擬量轉換為數字量經串口發送給嵌入式計算機。

3)溫度采集模塊實時采集系統環境溫度，經模數轉換后，將模擬量轉換為數字量經串口發送給嵌入式計算機。

4)嵌入式計算機通過串口接收電量采集模塊和溫度采集模塊的測量信息，數據處理系統實時解算交流電路中三相電壓、三相電流的有效值以及有功功率、無功功率、功率因數等相關參數，并對采集到的電壓、電流進行快速傅里葉變換處理，實現對系統諧波、驟變的檢測分析。

5)數據處理系統同時實時記錄解算出的各種參數及設備的工作狀態，并根據用戶需求生成測試報告。

6)最終在人機交互系統上顯示設備的運行狀態、電量信息以及放電曲線等。

主要技術指標：

1)功率測量范圍：0～100 kW，最大允許誤差：±1%。

2)電壓測量范圍：0～1000 V，最大允許誤差：±0.5%。

3)電流測量范圍：0～300 A，最大允許誤差：±0.5%。

2 硬件設計

2.1 電量溫度采集模塊電路設計

設計采用32位的STM32F103作為主芯片，其帶有16位高精度的A/D、UART、SPI接口。完全可以滿足設計要求，且成本低，可靠性高等特點。電量采集模塊組成系統框圖如圖2所示。

圖2 電量采集模塊組成系統框圖

2.1.1 三相電壓檢測信號調理電路

該電路是將三相電壓轉換成處理器A/D可輸入的電壓范圍，該信號調理電路運用運放電路中的差動電路來實現。

電壓傳感器外接原邊電阻，將電壓信號轉換為電流信號，電壓傳感器再隔離測量。額定測量電流范圍為：±5 mA，額定電壓輸出為2.5±0.625 V，基準電壓為2.5 V。額定測量電壓為220 V，選用100 K精密電阻，則額定測量電流為2.2 mA，因此額定電壓輸出為2.5±0.275 V。電壓檢測電路如圖3所示。

圖3 電壓檢測電路

由差分放大電路疊加原理可知，

ACVOLA=ACVOL_A+VREF_A=

當R13=R5和R14=R1時，

2.1.2 三相電流檢測信號調理電路

三相電流檢測信號調理電路測量原理與三相電壓檢測電路基本相同，由于電流傳感器無基準電壓輸出，故條例電路運用運放電路中的跟隨電路來實現。

額定測量電流范圍為：±150A，額定電壓輸出為2.5±0.625V。電壓檢測電路如圖4所示。

圖4 電流檢測電路

2.1.3 頻率檢測信號調理電路

通過比較器把輸入電壓的正弦波整形為方波型式然后ARM通過捕捉方波的上升沿或下降沿來觸發內部定時器中斷，以計數方式來計算一個周波的時間從而計算出輸入的電壓頻率。頻率檢測信號調理電路如圖5所示。

圖5 頻率檢測信號調理電路

2.1.4 溫度檢測調理電路

本設計選用DS18B20作為測溫傳感器，通過DS18B20直接讀取被測溫度值，進行數據轉換，該器件的物理化學性能穩定，線性度好，在-55℃～+125℃最大線性偏差小于0.01℃。該器件可直接向ARM傳輸數字信號，采用了單總線的數據傳輸，便于ARM處理及控制。溫度檢測調理電路如圖6所示。

圖6 溫度檢測調理電路

2.2 通訊接口模塊

柴油發電機組輸出特性現場檢定裝置系統包含交流電子負載、電量采集模塊、溫度采集模塊等及部分，因此采用RS-232，因此要使RS-485總線可以與上位機通訊，則需將RS-485轉換成RS-232，利用Modbus協議與上位機通訊，RS-485接口采用MAX422與MAX232轉換成RS-232接口。通過該串口接收下位機監測到的參數，也可以通過此串口設置交流電子負載的控制參數。

3 軟件設計

柴油發電機組輸出特性現場檢定裝置的上位機監控軟件是整個系統的核心部分，根據被測柴油發電機組的額定輸出，對交流電子負載的輸出進行智能控制以及控制策略計算，測試參數的采集以及數據的集中處理，監控界面的實時顯示等。針對上位機監控軟件所要實現的功能，監控軟件由數據采集子系統、通信子系統、數據管理子系統與人機交互子系統和控制策略軟件構成。數據庫作為中間支承層，支撐通信子系統、人機交互子系統和控制策略等應用軟件的運行；由于交流電子負載、電量采集模塊、溫度采集模塊之間的通信協議不同，因此通信子系統完成與各個采集裝置的報文收發和解釋任務，并將協議統一處理成Modbus標準通信協議；人機交互子系統實現整個系統的人機界面的顯示以及系統維護等功能。系統計算軟件流程如圖7所示。

圖7 系統計算軟件流程圖

4 結果分析

項目樣機研制完成后進行了性能指標的檢測，試驗結果如下。

表1 交流電壓測試數據

表2 交流電流測試數據

試驗結果表明，交流電壓和交流電流的實測值均小于允許誤差限，系統滿足設計要求，達到了設計的目的，可以用于設備配套油機的現場檢測。

5 結束語

本文通過對柴油發電機組輸出特性現場檢定裝置系統的研究，設計了基于STM32的電量采集模塊，實現狀態參數的檢測，完成了硬件設計和軟件設計。經實驗對比分析可知，本設計能夠有效的提高測量精度和響應時間，對于大負載導致發電機電壓變化可以快速的響應顯示，并且能夠現場輸出檢定結果，實現了柴油發電機組進行在線檢定和檢測，非常適合目前開展的柴油發電機組現場檢定工作，隨著柴油發電機組現場檢定工作的深入開展與推廣，其應用前景非常廣闊，不僅提高檢定工作效率，而且必將促進設備的發展。

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Diesel Generating Set Output Characteristic Field Prover System

Zhang Dan1，Xue Kai2，Huang Wenhao2

(1.Center of Metrology，Unit 92493，Huludao 125001,China； 2.College of Mechanical and Electrical Engineering，Harbin Engineering University，Harbin 150001，China)

A diesel generating set output characteristic field prover system is designed to overcome the defects such as single controller function, complex structure and low measurement precision. The STM32 processor with high performance is adopted as the core of hardware platform based on the modular design of the 485 control bus including AC electronic load module, electric energy quality analysis module and the temperature acquisition module. Finally, the framework of the host computer display control interface is completed to display,storage and record the real-time data as well as the control of the exchange of electronic load.The experimental results show that the diesel generating set output characteristic field prover system can provide AC electronic load for the measured diesel generators, measure the voltage, current, power, frequency, etc. information.The technicians work with real-time information exchange to determine the output characteristics of the diesel generator set whether to meet the technical requirements

diesel generator set; power quality analysis; detecting device

2016-10-17；

2017-01-05。

張 丹(1969-)，男，遼寧人，高級工程師，主要從事儀器計量測試、監測故障診斷方向的研究。

薛 開(1964-)，男，哈爾濱人，哈爾濱工程大學教授，博士生導師，主要從事制造業信息化、艦船設備測控、機器視覺等方向的研究。

1671-4598(2017)05-0026-03DOI：10.16526/j.cnki.11-4762/tp

TP

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