移動電站電氣性能測試系統(tǒng)設(shè)計

趙 誠， 韓啟龍， 時華峰， 矯英祺

（1.中機科（北京）車輛檢測工程研究院有限公司 北京 102100；2.中國人民解放軍32379 部隊，北京 100071）

0 引言

移動電站主要用于移動車載平臺、 固定或野外場所，為用電設(shè)備和作業(yè)系統(tǒng)提供電力。隨著工程裝備信息化的發(fā)展，為了保證設(shè)備的可靠工作，各種裝備大多配備移動電站、自發(fā)電系統(tǒng)、車載式綜合電源等設(shè)備，并明確提出性能要求。移動電站及其他形式的供電單元已經(jīng)是現(xiàn)代裝備不可或缺的組成部分。科學(xué)系統(tǒng)的評價電源系統(tǒng)電氣性能成為考核裝備整體性能的重要項目。 因此，設(shè)計能夠滿足移動電站電氣性能測試，且能夠適應(yīng)移動電站應(yīng)用環(huán)境的測試設(shè)備顯得尤為重要。本文主要介紹一種高效、高精度，具有較好環(huán)境適應(yīng)性的移動電站電氣性能測試系統(tǒng)。

1 系統(tǒng)組成及原理

1.1 系統(tǒng)組成

測試系統(tǒng)是主要包括上位機（現(xiàn)有操作臺）、測控系統(tǒng)和負載三大部分，見圖1。 測試系統(tǒng)軟件平臺安裝在上位機中，軟件系統(tǒng)通過網(wǎng)絡(luò)總線與硬件測試系統(tǒng)相連；該硬件測試系統(tǒng)由阻性負載、 感性負載、控制系統(tǒng)、DSP 高速數(shù)據(jù)采集板、信號調(diào)理系統(tǒng)、高速數(shù)傳儀表以及冷卻風(fēng)機等組成。

圖1 系統(tǒng)組成示意圖

1.2 系統(tǒng)測試原理

整個系統(tǒng)的負載單元包括工中頻和直流負載兩大部分。 工中頻負載包括感性負載和阻性負載，可以實現(xiàn)功率因數(shù)為0.8～1.0 的負載組合。直流負載只有阻性負載。負載控制與數(shù)據(jù)采集單元信號包括負載控制部分和數(shù)據(jù)采集部分。 負載控制部分由可編程邏輯控制器和接觸器組成； 數(shù)據(jù)采集部分由數(shù)字表、電流互感器、電壓電流信號變換、波形采集DSP 板、網(wǎng)絡(luò)服務(wù)器組成，將模擬的電壓、電流信號經(jīng)過傳感器和采集器轉(zhuǎn)變?yōu)閿?shù)字信號輸入計算機。 上位機單元由工作臺、液晶顯示器、工業(yè)計算機等組成。 測試數(shù)據(jù)的處理、管理以及輸出則由工控機內(nèi)部的測試控制與數(shù)據(jù)采集軟件程序完成，系統(tǒng)軟件框圖見圖2。

圖2 測試系統(tǒng)軟件框圖

系統(tǒng)采集的數(shù)據(jù)經(jīng)數(shù)據(jù)處理程序處理后， 由人機交互界面完成參數(shù)、波形顯示和測試報告生成、打印工作。系統(tǒng)程序還具有數(shù)據(jù)存儲及查詢功能. 可以實現(xiàn)測試參數(shù)、波形和測試報告的查詢功能。 系統(tǒng)測試原理見圖3。

圖3 系統(tǒng)測試原理框圖

2 系統(tǒng)設(shè)計

2.1 系統(tǒng)設(shè)計依據(jù)

測試系統(tǒng)核心功能及技術(shù)參數(shù)指標主要依據(jù)國家標準，考慮到目前常規(guī)電源車、移動電站功率。 測試系統(tǒng)的工中頻負載適應(yīng)機組最大功率設(shè)計為1000kW，直流負載適應(yīng)機組最大功率為50kW。 為了能夠滿足相關(guān)標準測試要求，主要依據(jù)：GB/T 20136-2006 《內(nèi)燃機電站通用試驗方法》、GJB235B-2020《軍用交流移動電站通用規(guī)范》、GJB 1488A-2020《軍用內(nèi)燃機電站通用試驗方法》[1]。結(jié)合以上標準及目前電源及移動電站的發(fā)展水平和未來電源及移動電站發(fā)展趨勢確定系統(tǒng)的精度為0.5 級，能夠滿足試驗需求。

2.2 系統(tǒng)功能

測試系統(tǒng)能夠?qū)涣鳎üゎl/中頻）和直流發(fā)電設(shè)備類產(chǎn)品進行綜合測試。 能完成對移動電站整機電氣性能指標的檢測，具有穩(wěn)態(tài)三相電壓、電流、有功功率、頻率、運行時間等基本測試功能。具有諧波分析，自動測試負載突變時電壓、頻率的最大、最小值；能進行不對稱負載測試；能進行穩(wěn)態(tài)參數(shù)、突加、突卸、電壓、頻率曲線，及電壓、諧波曲線及諧波含量測試；測試系統(tǒng)能按要求進行發(fā)電設(shè)備運行狀態(tài)和參數(shù)進行監(jiān)測， 并可對數(shù)據(jù)進行管理和輸出； 通過發(fā)電設(shè)備測試臺上的測試軟件或者負載裝置的開關(guān)來增減測試容量并采集相關(guān)電量參數(shù)。

系統(tǒng)采用自動測試功能設(shè)計，主要有：能夠自行設(shè)定三相電壓顯示、三相電流顯示、交流總功率顯示、交流頻率顯示；能按照功率自動配置工頻（0.7～1），中頻（0.8～1）功率因數(shù)的負載； 能按照設(shè)定功率的0、25%、50%、75%、100%、75%、50%、25%、0 的順序自動加減載，自動記錄測試結(jié)果；能夠按照設(shè)定功率的0～100%突加載、100%～0 突減載，自動記錄測試結(jié)果；具有過壓、超溫、緊急停機、風(fēng)機自動保護功能；可按國家技術(shù)標準進行試驗，試驗結(jié)果由計算機自動記錄。

系統(tǒng)采用多個分檔的設(shè)計理念， 適應(yīng)更多機種的測試需要，滿足加載功率可調(diào)，功率段百分比加載或按照所需功率加載， 并能連續(xù)可調(diào)。 電阻負載按0.1kW 步進加載，電抗負載按0.1kVar 步進加載。

2.3 結(jié)構(gòu)設(shè)計

測試系統(tǒng)箱體采用電阻/電抗負載采用分段編碼組合方式。交流測試單元采用箱體下進風(fēng)上出風(fēng)形式，所有元器件安裝在箱體的正面電氣層，箱體后半部分上面裝有電阻模塊和風(fēng)機冷卻系統(tǒng)，下面裝有電抗模塊，頂部有吊環(huán)。電氣控制層與電纜進線室隔開，箱體檢修方便。各門關(guān)閉后，箱體完全密閉，內(nèi)部元件可得到最大保護。箱體所有的門均外開，開啟角度大于90°，并設(shè)定位固定裝置。

直流測試單元設(shè)計為箱體右進風(fēng)，左出風(fēng)。正面面板上裝有總電源、直流多功能電量表、負載總控，帶指示燈。箱體背面為直流輸出動力電纜、網(wǎng)絡(luò)接口、遠程電壓信號和操作工作電源的航空插座。 機箱底部裝四只滾輪可移動。 冷卻空氣從右側(cè)進入，熱空氣水平從左側(cè)排出。 機箱的正面為對開門，背面蓋板和頂蓋均為封閉式平板。 布置見圖4。

圖4 測試系統(tǒng)結(jié)構(gòu)布置

2.4 軟硬件設(shè)計方案

系統(tǒng)采用自頂向下的模塊化設(shè)計，從功能上可劃分為上位機、網(wǎng)絡(luò)通信模塊、控制系統(tǒng)、數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)、高速數(shù)傳儀表和負載等六大主功能模塊，其功能模塊見圖5。

圖5 測試系統(tǒng)框圖

（1）上位機。 上位機由計算機和測試系統(tǒng)軟件組成，實現(xiàn)與用戶的人機交互， 對整個測試系統(tǒng)進行控制指令下達，完成對所有測試數(shù)據(jù)的分析處理、計算存儲，并生成波形曲線和試驗分析報表。

（2）網(wǎng)絡(luò)通信模塊。網(wǎng)絡(luò)通信模塊完成網(wǎng)絡(luò)通信協(xié)議與通訊協(xié)議的轉(zhuǎn)換， 由網(wǎng)絡(luò)轉(zhuǎn)換器以及信號調(diào)理電路組成。該模塊接收上位機網(wǎng)絡(luò)協(xié)議下的指令控制碼，通過信號調(diào)理系統(tǒng)轉(zhuǎn)換成其它模塊認可的信號屬性， 從而對整個測試過程進行控制；同時該模塊接收控制系統(tǒng)、數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)和高速數(shù)傳儀表的反饋信號或測試數(shù)據(jù)， 再次通過信號調(diào)理系統(tǒng)轉(zhuǎn)換成網(wǎng)口認可的網(wǎng)絡(luò)協(xié)議下的數(shù)據(jù)碼，上傳給上位機作為下一步指令的數(shù)據(jù)源和基準。

（3） 控制系統(tǒng)。 控制系統(tǒng)是以PLC 及其電路組成的硬件系統(tǒng)，主要用于根據(jù)上位機下達的指令，控制阻性負載和感性負載的實時功率調(diào)整、功率因數(shù)調(diào)整、加減載、量程選擇及風(fēng)機控制等。

（4）數(shù)據(jù)采集。不同加載方式對應(yīng)的暫態(tài)波形有著明顯的區(qū)別，相對感應(yīng)電機，阻感負載的電流暫態(tài)過程相對較短，電流波形穩(wěn)定快，但是暫態(tài)過程中的電流變化率均達到30A/ms， 需要很高的電流跟蹤速度滿足測試需求[2]。系統(tǒng)運用高速AD 采樣與DSP 信號處理技術(shù)進行數(shù)據(jù)采集[3]。完成對交流電源電氣參量的測試、瞬態(tài)試驗下的波形取樣，并完成PFT、頻譜分析與諧波等運算功能。 系統(tǒng)軟件對下位機（即硬件系統(tǒng)）發(fā)出控制和采集指令，并將硬件系統(tǒng)的運行狀態(tài)與被測電站的電氣性能數(shù)據(jù)進行分析和處理，并顯示到交互界面上。 軟件的功能見圖6，主要包括人機交互界面、用戶信息管理摸塊、參數(shù)設(shè)置模塊、數(shù)據(jù)分析與處理模塊、數(shù)據(jù)管理模塊、數(shù)據(jù)通信模塊以及數(shù)據(jù)庫。

圖6 測試系統(tǒng)軟件框圖

人機交互界面是用戶操作與顯示的平臺界面， 該模塊將用戶的操作轉(zhuǎn)換為指令代碼，下達給各功能模塊，進一步控制下位機，以圖表的形式顯示給用戶。用戶信息管理模塊主要是對用戶的登錄、 注冊以及密碼等相關(guān)信息的管理。 控制參數(shù)的設(shè)置是對負載的加載、減載、卸載與調(diào)整的過程進行設(shè)置， 以實現(xiàn)對被測電站設(shè)置不同的工況；測試參數(shù)設(shè)置包括對電站額定參數(shù)進行進擇或設(shè)定，以及手動與自動穩(wěn)態(tài)瞬態(tài)試驗的設(shè)定等，見圖7。 數(shù)據(jù)分析與處理模塊對硬件系統(tǒng)測試過程中獲取的各種試驗數(shù)據(jù)進行分析、計算與處理，并分配到其它功能模塊中，以實現(xiàn)整個測試過程的監(jiān)測和數(shù)據(jù)獲取。

圖7 參數(shù)設(shè)定

試驗結(jié)束后還可以通過數(shù)據(jù)查詢功能直接查找數(shù)據(jù)報告，設(shè)定查詢關(guān)鍵字即可篩選所要的數(shù)據(jù)報告。

2.5 系統(tǒng)適應(yīng)性設(shè)計

（1）維修性設(shè)計。 全系統(tǒng)采用模塊組合設(shè)計，各設(shè)備采用隔離式結(jié)構(gòu)，功能板卡之間相互獨立，更換維修方便快捷。 系統(tǒng)帶有故障自檢功能，可完成一般常見故障的自我檢測； 采集板卡與數(shù)傳儀表等電子部件采用一體化設(shè)計，便于故障定位，且可整體更換，提高維修效率；阻性負載部分均為可分離原件，便于單件更換；內(nèi)部結(jié)構(gòu)留有足夠的操作和維修空間。

（2）安全性設(shè)計。 系統(tǒng)電阻負載單根功率電阻的耐壓為DC2500V 或AC1500V/50Hz 時1 分鐘不擊穿， 通過多根合金電阻串聯(lián)，可保證耐壓值達到10kV。 電阻負載固定在絕緣材質(zhì)板上，密閉處理，即使在潮濕天氣也能保證絕緣性和安全性， 并可預(yù)防相鄰電阻因內(nèi)阻下降造成的短路事故。各種板卡接插件具有防插錯功能，電源輸入采用具有防插錯功能的航空插頭， 軟件中具有安全警告措施； 箱體備有便于與地線相連的接地端子并有明顯的標志；可直接與外界接觸的帶電部件有明顯高壓警示標志。系統(tǒng)還設(shè)計了多種保護功能：①過壓保護：負載輸入電壓超過警戒值時，自動卸載并報警；②短路、過流保護：電阻/電感負載每檔配有斷路器，短路或電流過大時自動卸載；③溫度保護：負載溫度超過警戒值時，自動卸載并報警；④風(fēng)機風(fēng)量保護：風(fēng)機的風(fēng)量不足時，自動卸載并報警；⑤緊急停止：可手動一鍵強制卸載，急停鎖定狀態(tài)下不能加載；⑥安全監(jiān)控：可通過軟件報警提示，監(jiān)控負載狀態(tài)，異常停機保護時，提示停機原因。

（3）環(huán)境適應(yīng)性設(shè)計[4]。 系統(tǒng)設(shè)備外殼采用防雨設(shè)計，可在2mm/min 的降雨強度下正常工作。 選用溫度適應(yīng)范圍更廣的電子元器件， 系統(tǒng)可實現(xiàn)溫度-40℃～+50℃、海拔高度≤4500m 條件下正常工作。

3 結(jié)束語

結(jié)合國家標準要求，在考慮環(huán)境適應(yīng)性、測試效率及穩(wěn)定性、結(jié)合運輸及保存等多方面的因素，應(yīng)用高效的數(shù)據(jù)采集、分析技術(shù)，實現(xiàn)了交流、直流移動電站的多項測試功能。該系統(tǒng)自動化程度高、便于運輸、適應(yīng)性強，能夠較好的適應(yīng)與不同場景的測試需求。