可編程電子負載技術在DCS電源測試中的應用

王 剛

（秦皇島發電有限責任公司，河北 秦皇島 066003）

0 引言

DCS電源模塊為系統各DPU（控制器）、I/O模板、端子板、接口設備供電，是整個系統的重要組成部分。為加強發電機組DCS系統的設備安全管理，避免因DCS系統電源問題引發機組不安全事件，國神集團專門制定下發了《關于加強DCS系統電源模塊檢查維護的工作的通知》[1]。目前，各發電企業DCS標準檢修項目只是在系統上電后對電源模塊的輸出電壓、電流進行檢測或進行冗余電源模塊的切換檢測，發現輸出電壓、電流與設計偏差較大的和不能正常切換時才進行處理或更換。這種檢修試驗只能保證在特定工況下的電源模塊是否工作正常，當電源負載發生波動時，電源模塊是否還能正常工作是無法驗證的。而且，電源模塊隨著使用時間的增加會逐漸出現老化現象，抗干擾和負載波動的能力也會逐漸下降。一般情況下，一臺機組的DCS電源模塊是同一批次投入使用的，如果到達使用壽命后大面積地同時發生故障，將給DCS運行造成極大的風險。所以，有必要采用一種測試裝置對DCS電源模塊進行變換負載工況下的性能檢測，為電源模塊的更換、匹配提供科學、有效的相關數據，以保證DCS系統的穩定運行。

1 關鍵技術問題及創新點

1.1 關鍵技術問題

通過研發專用測試裝置和開發配套軟件，為電源模塊提供完善的測試項目，涵蓋DCS電源模塊主要測試內容。根據所選擇的測試項目能夠自動生成測試程序并按順序進行測試，具備生成詳細測試報告及數據庫管理、報告生成打印和上位機通訊功能，同時具有自我診斷及全面的過電壓、過電流、過功率、過溫度等保護功能，以上是該測試裝置針對DCS電源的關鍵技術問題。

1.2 創新點

通過對DCS系統電源模塊進行科學有效的相關性能檢測，實現DCS系統電源模塊的性能狀態分析。解決電源模塊老化異常引起的DCS故障，甚至造成的機組降出力及非計劃停運風險所帶來的經濟損失和對電網負荷的影響。

2 DCS電源測試內容

DCS電源系統是整個DCS系統的重要部件，對DCS的穩定運行起著至關重要的作用。所以在日常檢修工作中對DCS電源設備進行測試，掌握電源的特性是非常必要的[2]。判斷電源是否能夠正常工作，主要從以下幾個方面進行。

1）輸入電壓：當開關電源的輸入電壓發生變化時，保持輸出特性不變的輸入電壓變化范圍。這個范圍越寬，表示電源適應外界的市電變化的能力越強，開關電源的工作范圍就越寬。

2）輸出電壓：電壓范圍表示電源工作在額定范圍內，所有同型號電源最終輸出的電壓范圍。負載穩定度，也稱負載調整率、電流調整率。在額定電壓下，負載電流從零變化到最大時，輸出電壓的最大相對變化量，常用百分數表示，有時也用絕對變化量表示。

3）負載調整率：負載電流保持為額定范圍內的任何值，輸入電壓在規定的范圍內變化所引起的輸出電壓相對變化為△Uo/Uo（百分值）。

4）紋波及噪聲（Vp-p）：在額定輸出電壓和負載電流下，輸出電壓的紋波（包括噪聲）的絕對值的大小，通常以峰峰值或有效值表示。

5）效率：輸出功率比輸入功率。

6）沖擊電流：沖擊電流是指輸入電壓按規定時間間隔接通或斷開時，輸入電流達到穩定狀態前所通過的最大瞬間電流。

7）過流保護：是一種電源負載保護功能，以避免發生包括輸出端子上的短路在內的過負載輸出電流對電源和負載的損壞。過流的給定值一般是額定電流的110%～130%[3]。

8）過壓保護：是一種對端子間過大電壓進行負載保護的功能。一般規定為輸出電壓的130%～150%[3]。

9）輸出欠壓保護：當輸出電壓在標準值以下時，檢測輸出電壓下降或為保護負載及防止誤操作而停止電源并發出報警信號，多為輸出電壓的80%～30%左右[3]。

10）電源并聯匹配：DCS電源多采用電源并聯形式，相同輸出電壓的電源并聯，電壓不變，承受負荷的能力會增加[4]。由于兩個電源（即使是所有指標相同）很難做到絕對一致，并聯總會有環流的情況發生，因而對兩塊電源能否匹配，在安裝前進行負載能力測試的意義就非常大了。

以上這些方面的測試，有些是可以通過簡單的測量工具，如數字式萬用表測量的，但是大多數的數據是無法直接測量的，只能使用專用的測試儀表來進行。因此，采用一種測試裝置能夠對電源的輸入、輸出項集中進行測試是很有必要的。

根據實際的使用要求聯合天津電氣科學研究院共同研制、開發了一套DCS電源測試裝置。該測試裝置采用最新直流電子負載技術，根據DCS系統電源的特性要求進行了優化，可以通過上位計算機配合專門開發的軟件，同時對多達6個通道的DCS電源進行測試，可以根據測試結果對電源特性進行分析，形成圖表，提供用戶完善的測試項目。區別于傳統測試系統，該測試裝置讓用戶無需編輯程序，只要在系統提供的20個測試大項以及近上百個測試參數中，根據自己的需求選擇測試項目，該測試裝置會按順序自動進行測試，輕松完成。

包括身份驗證、數據糾錯、數據更新、移動辦公等功能。系統通過綁定用戶手機號碼，建立數據使用分級制，根據用戶的級別，以實時驗證碼的方式定義系統的查詢范圍、修改權限等，在系統內建立用戶自己的數據庫。同時，為方便數據的獲取與查詢，開發了iOS、Android系統的移動客戶端，實現數據的實時查詢。

3 DCS電源測試裝置的技術特點

3.1 電源負載測試

采用輸入可編程直流電子負載，圖1為測試系統的基本界面。

圖1 基本測試界面Fig.1 Basic test interface

通過計算機，可以設定電流測試、電壓測試、負載測試和功率測試。圖2是一塊DCS電源輸出項為5V時的基本測試數據，根據要求可以對6個通道進行同時加載。

圖2 5V測試界面Fig.2 5V Test interface

用戶可以根據通道數和功率數功率需求，在6個負載模組中自由選配，通過主機框控制面板控制或通過內置LAN/USB接口，可以由上位機進行控制。該系統具有斜率可調和list帶載波形編輯的功能，自動測試功能更可以設定在CC/CV/CR等不同工作模式下，方便快速精確測試。該系統具有自我診斷及全面的過電壓、過電流、過功率、過溫度等保護功能，防止由于誤操作或環境因素導致的儀器受損或人身傷害。

3.2 電源拉載試驗

3.2.1 可自由配置的模組化結構

采用可抽換模組式設計，用戶可根據需要自由選配模組。而且每個負載模組和主控模組單元之中都具有高性能微處理芯片。它們之間采用平行架構，因此具有高測試速度。負載模組之間由系統同步控制，也可以同步測試具有多路輸出的電源。

3.2.2 峰值電壓、電流測試功能

開關電源的動態電流測試往往需要示波器抓取瞬時電壓及電流波形來獲取峰值電壓Vpk和峰值電流Ipk的值。該系統具有數字化數據采集功能，無需示波器幫助即可輕松獲取Vpk和Ipk的值。

3.3 測試項目編輯功能

裝置的自動測試系統提供了測試項目編輯功能，除了系統自附的測試項目，用戶可以自行建立新測試項目，以滿足所有電源供應器的測試需求。用戶還可以自定義參數變量，同時支持測試項公共參數以全局變量方式填寫，以滿足用戶進階測試的需要，節約測試時間。該測試裝置可以讓用戶把多個編輯好的測試項目連接起來，組成測試程序，系統會按順序自動進行測試，大量減少測試時間。

圖3 峰值電壓、電流圖Fig.3 Peak voltage and current diagram

圖4 測試項目編輯界面Fig.4 Test project editing interface

4 應用成效

4.1 應用情況

4.2 達到的應用效果

1）通過研制、使用測試裝置，實現了DCS系統電源模塊單體電源模塊性能測試、狀態評估、雙電源模塊互換性及匹配性測試的功能。

圖5 DCS電源測試裝置外觀Fig.5 Appearance of DCS power test device

2）實現模塊化檢測項目，能夠根據用戶需要自行選擇檢測項目，自動生成檢測程序并自動執行相應檢測。

3）通過開發專用軟件實現變換負載工況下的自動程序檢測及生成數據報告，并通過對性能數據資料的分析管理摸索，實現DCS電源模塊使用、更換周期化管理。

4）采用專用測試裝置對DCS電源模塊進行變換負載工況下的性能檢測，為電源模塊的更換、匹配提供科學、有效的相關數據，以保證DCS系統的穩定運行。

4.3 直接和間接經濟效益

利用電源測試裝置對DCS電源模塊進行檢測工作，節約了返廠檢測的高額成本。秦皇島電廠各臺機組DCS電源模塊在裝總數量為226塊，返廠檢測費用1000元/塊。按每年開展一次等級檢修，檢修期間返廠檢測費用每年需22.6萬元，以DCS的常規壽命周期10年計算，總共可節約費用226萬元[6]。

通過對DCS電源模塊的性能檢測，使電源模塊為DPU（控制器）、I/O模板、端子板、接口設備提供合格、穩定的高品質電源，防止因電源模塊長時間供電異常對各重要部件壽命產生的影響，對降低DCS維護成本也有著間接的經濟效益。

4.4 與當前國內同類技術的綜合比較

目前，國內的DCS普遍采用多控制器、多子系統設計方式，電源模塊數量較多，為保證安全且采用冗余配置。而在電源的維護方面，基本停留在故障后更換和檢修期間的維護檢查、返廠測試等方式。返廠測試存在著數量較大、成本較高以及運輸風險和工期風險。對于為維護檢查，以目視手段和輸出空載測試為主，不足以反應電源模塊的真實使用狀態。同時，由于DCS多采用電源并聯形式的冗余配置，由于兩組電源模塊性能很難做到絕對一致，所以并聯后總會有環流的情況發生，當環流較大時會影響供電系統的穩定運行。

可編程電子負載技術成熟，市場上可采購到各種性能優異、測試功能眾多的電子負載產品及配套軟件，但缺乏具有針對DCS電源特性要求的電源測試裝置及維護管理軟件平臺。該DCS電源模塊測試裝置以北京日立公司的PS7050電源模塊為試驗對象，針對其輸入、輸出結構研制專用的配合接口，方便與可編程電子負載裝置的連接。使用成熟、適用的可編程電子負載產品，模擬多種工況下的負載變化，并得出科學、有效的試驗數據。拓展開發的檢測軟件，將可編程電子負載裝置、通訊接口線以及電腦主機、打印設備整合為一套專用的DCS電源模塊測試裝置。通過分析試驗數據判斷DCS電源模塊的性能優劣，制定更換計劃，或者將性能相近的電源模塊組合、搭配使用，以保證其穩定運行。

5 結束語

隨著機組控制系統自動化水平的提高，各集團公司對機組DCS系統的安全運行重視程度日漸提高。具有針對性的測試裝置實現了對電源模塊性能檢測和狀態判斷，并根據檢測數據分析結果超前預防電源模塊老化和性能下降，以及通過數據管理實現電源模塊維護、更換周期化，即將成為各發電廠DCS電源系統維護管理趨勢，并且有可能進一步推廣至其它重要系統的電源管理維護中[7]。圍繞這套電源測試裝置開展的“DCS電源模塊性能檢測在設備管理中的應用研究”項目，獲國神集團2020年度科技進步三等獎，2021年6月該電源測試裝置獲得國家實用新型專利授權。