交直流電量高速同步監測系統研究與應用

王 錄 劉彥強 陳 朋 李 睿

交直流電量高速同步監測系統研究與應用

王 錄 劉彥強 陳 朋 李 睿

（中國酒泉衛星發射中心，蘭州 732750）

針對交直流電力電量混合系統在航天發射、衛星測控等場景中的應用越來越廣泛的現狀，為滿足系統性能調試和運行狀態評估需求，可靠保障航天發射和衛星測控設備關鍵系統的穩定運行，本文采用數字信號處理（DSP）技術研制完成14通道高精度無間隙交直流電力電量監測系統。通過在勵磁發電機組特性試驗、不間斷電源（UPS）電池放電測試、高精度測控設備直流伺服系統機電性能測試等項目中的應用證明，該監測系統可提高發電機組性能測試精度，降低傳統測試方法的風險，通過數據深度分析協助發現隱藏在衛星測控設備機械系統中的運行缺陷。

發電機組；同步；測控；監測；伺服

0 引言

現代航天發射場已經成為各種交直流混合電子電力設備最廣泛的應用場景之一，各大型電力電子設備如運載火箭燃料加注系統中的可控硅（silicon controlled rectifier, SCR）軟啟動器、相控陣雷達、大型光電經緯儀、核心計算服務器、通信設備等得到高密度部署應用?；谳d人航天飛行等重大任務的高可靠性供電要求，處于長距離輸電尾端的航天發射場供電網通常配置有故障時刻實現電壓支撐的汽輪發電機組[1]?？紤]到關鍵核心計算服務器和通信設備的可靠運行和數據安全，大型在線式雙變換不間斷電源（uninterruptible power supply, UPS）成為航天發射場關鍵核心負荷供電保障標配[2]。另外，大型脈沖雷達、相控陣雷達為實現天線、陣面目標的精確驅動控制，都配備有不同類型的三相交流轉受控可調直流的伺服驅動功率驅動器[3]。各風光儲新能源電站，都配備有交直流混合的雙向變流器[4]。

以上各類型電力電子設備均存在三相交流電壓、三相交流電流、直流電壓、直流電流等相互關聯的交直流電力電量。為確保各關鍵設備安全可靠運行，便于故障時刻定位和原因分析，迫切需要實現各種交直流電力電量的同步高速監測和24h連續高速記錄。通過關聯各電力電量關系，能夠及時掌握各交直流設備運行狀態；通過對交直流電量數據進行深度分析，可以發現隱藏在交直流設備內部的安全隱患，從而使各設備以最佳狀態運行。

文獻[5]應用可編程邏輯控制器（programmable logic controller, PLC）及模擬信號擴展單元，采集水輪發電機組的3種振動信號進行分析，用于監測水輪機組運行工況，其主要不足是該類型監測數據采集由PLC程序讀取驅動，因此數據定時和采集密度受限，關鍵時刻可能出現故障振動信息漏采缺陷。文獻[6]通過將24bit分辨率、128kS/s采樣率的監測裝置應用于高壓并聯電抗器振動運行工況分析，采用電抗器歷史與當前采集數據縱向比對的分析方法，監測高壓電抗器的運行工況，其主要不足是采樣率未與電網運行頻率嚴格同步，因此通過監測系統監測的振動工況無法與電氣參數緊密關聯，不能全面反映系統運行工況。

本文采用數字信號處理（digital signal pro- cessing, DSP）技術研制完成14通道交直流混合電量高速同步監測系統，通過鎖相環方式使監測系統數據采樣率嚴格與交流電源系統頻率同步，實現交直流電力電量最短10ms（半個電網周波）、最長160ms（8個電網周波）無縫隙高密度監測，緊密關聯反映系統運行工況的參量與系統運行頻率，最后通過系統在發電機組試驗、UPS逆變器測試、測控設備伺服驅動系統運行工況監測中的應用，表明其在交直流電力電量場景中的應用價值。

1 電力電量采集通道配置

1.1 自并勵汽輪發電機組特性試驗監測

部署于航天發射場的自并勵直流勵磁汽輪發電機組，重大任務前需要對其勵磁機的空載和負載特性、發電機的空載和短路特性進行測試[7]。測試工況下需同時對直流勵磁機自并勵電壓和電流、發電機勵磁電壓和轉子電流、發電機端相電壓、發電機端電流多個交直流電量進行同步測試。汽輪發電機組特性試驗同步觀測信號見表1。

發電機組特性測試往往需多名技術人員協同參與，不僅要物理分解勵磁機輸出線路測量勵磁電流，還要同時觀察多個直流電壓和電流、交流電壓和電流計量儀表，耗費人力多、試驗過程長、判讀精度和同步性較差，直接影響對空載特性和短路特性曲線的準確擬制，無法精確地測定發電機同步電抗，甚至可能出現物理分隔勵磁線路過程中由于疏忽而引起發電機失磁的重大故障。

表1 汽輪發電機組特性試驗同步觀測信號

1.2 雙變換不間斷電源放電測試監測

雙變換UPS是能夠提供持續、穩定、不間斷的交流電的重要電源設備，其主要由電池組、整流器、電池變流器、逆變器等組成[8]，具有應急情況下提供能源輸出的直流電池組和將直流轉換為交流的逆變器。在線式雙變換UPS組成框圖如圖1所示。

圖1 在線式雙變換UPS組成框圖

整流器實現三相交流到直流的變換，電池變流器實現電池電壓與整流電壓的協調轉換，逆變器通過其脈寬調制（pulse width modulation, PWM）和絕緣柵雙極晶體管（insulated gate bipolar transistor, IGBT）實現直流至交流電壓的穩定調節和變換。為準確掌握UPS供電能力，同時為確保電池組良好工作狀態，需定期對電池充放電能力進行準確評估，此時需進行交直流電力電量的同步觀測。在線式雙變換UPS同步觀測信號見表2。

表2 在線式雙變換UPS同步觀測信號

1.3 拋物面天線功率驅動器狀態監測

在航天發射場各大中型測控設備中，為實現雷達等精密測控設備的拋物面天線的高精度和極低轉速精準快速控制，一般選擇高精度直流伺服電動機作為動力元件，因此伺服功率驅動器在實現三相交流到可控直流的過程中存在交直流轉換，系統的部分機電運行工況可由交直流電量的頻譜信息體現。圖2為常見的三相零式可逆功率驅動器[9]，大功率伺服功率驅動器同步觀測信號見表3。

圖2 三相零式可逆功率驅動器

表3 大功率伺服功率驅動器同步觀測信號

2 DSP交直流混合電量監測系統設計

該交直流電力電量監測系統由高速同步監測前端和交直流電量分析記錄軟件兩部分組成。交直流電量混合監測系統組成如圖3所示。

其中，高速同步監測前端配置實現電量信號隔離和敏感功能的信號整理板、實現各電量高速同步鎖相和采集發送的DSP采集板及電源等部件；交直流電量分析記錄軟件在通用計算平臺運行，實現交流電力事件無縫隙分析和故障錄波、交直流電力電量參數計算和存儲、各電量曲線的關聯和繪制。系統對電量事件的監測分辨率達到10ms，可實現對電力系統、交直流混合系統運行工況的實時在線監測。

圖3 交直流電量混合監測系統組成

2.1 信號整理板傳感器配置

信號整理板共配置4個交流電流、5個交流電壓、2個直流電壓、2個直流電流、1個4～20mA規格隔離電量高精度傳感器，實現共14個隔離電量信號的高速同步監測。

2.2 DSP信號采集主板設計

采集主板配置有數字信號處理器（digital signal processor, DSP）、RS 485總線和RS 232串口、以太網接口、16路同步模擬量AD（analog to digital）轉換芯片、靜態隨機存取存儲器（static random access memory, SRAM）、閃存（flash）、先入先出（first input first output, FIFO）、復雜可編程邏輯器件（complex programmable logic device, CPLD）等芯片[11]，主要實現交流電壓、交流電流、直流電壓、直流電流、4～20mA傳感器共14路傳感器輸出模擬信號的調理、抗混疊濾波、數字化及網絡發送功能。DSP采集板鎖相環示意圖如圖4 所示。

為實現諧波高精度測量，AD轉換設計有外同步工作模式和內同步工作模式。外同步模式可以選擇ABC三相電壓和ABC三相電流為鎖相基準，內同步模式選擇監測前端DSP微型處理器計數器產生觸發監測脈沖，與電網頻率不存在同步關系。監測系統處于測量工作模式時，通過軟件界面可以選擇外同步工作模式，此時AD采樣頻率是在交流電壓真實頻率基礎上鎖相產生，因此AD采樣脈沖與交流電壓波形嚴格同步，減少了AD采樣的頻譜泄漏，從而提高了系統諧波測量快速傅里葉變換（fast Fourier transform, FFT）精度。

圖4 DSP采集板鎖相環示意圖

為便于系統24h連續監測，監測系統設計了電流通道增益調節、采樣率選擇、自適應和非自適應工作模式、交流電量有效值計算點數選擇等功能，顯著提高了監測系統對現場運行環境的適應性和連續監測免干預性能。

2.3 監測精度分配及估算

直接影響監測系統精度的因素主要有外部電流互感器精度、監測裝置內的電壓傳感器精度、電流傳感器精度、AD采樣精度、算法精度及其他因素。

1）直接測量參數精度估算

為保證電壓、電流直接測量電量的精度和電壓、電流有效值及其他功率、功率因數等間接測量參數的精度，不考慮監測裝置外部電流傳感器精度的直接測量參數精度估算見表4。

采用方均根合成方式，從表4可以看出，只要位于監測裝置外部的電流互感器的運行電流到達額定數值的20%以上，則直接測量電壓、電流瞬時相對誤差滿足小于1%的測量精度要求。

表4 直接測量參數精度估算

2）間接測量參數精度估算

對于間接測量參數如電壓、電流有效值，計算公式為

式中：rmsi、rmsi分別為電壓、電流有效值；為FFT計算點數；u為相第點電壓同步采樣瞬時值；i為相第點電流同步采樣瞬時值。假設電壓、電流瞬時值相對誤差分別為seu、sei，以下利用同步采樣電壓、電流瞬時值相對誤差計算相電壓有效值、相電流有效值相對誤差。

同理可知，電壓、電流有效值相對誤差與瞬時值相對誤差一致。

3）電壓、電流有效值監測精度

通過在不同場景應用比對測試，監測裝置交流電壓、交流電流有效值實時監測精度見表5。

表5 交流電壓、交流電流有效值實時監測精度

2.4 電量分析軟件主要功能

電量分析軟件通過以太網用戶數據報協議（user datagram protocol, UDP）與同步監測前端進行高速數據交換，實現包括三相電壓有效值、三相電流有效值、三相有功功率、視在功率和功率因數、電網頻率、每相電壓、電流的各次諧波含量及諧波總畸變率、奇次諧波總畸變率、偶次諧波總畸變率、諧波含有率、三相電壓、電流的不平衡度等參數的實時無縫隙監測[12]；實現直流電壓、直流電流采樣數據的濾波和零偏糾正；實現各電量參數關聯曲線繪制功能；實現高速監測交流電壓電能質量事件并完成故障錄波功能。

24h連續不間斷參數密度可以選擇為半電網周波10ms、電網周波20ms、2電網周波40ms、4電網周波80ms和8電網周波160ms，按照電能參數計算規范，默認情況選擇8電網周波160ms進行交直流電量參數無縫隙記錄。

為快速捕獲電壓跌落等事件，分析軟件采用半周波有效值監測方法實現電壓跌落事件的無縫隙監測。電壓跌落事件錄波如圖5所示，半周波電壓有效值跌落深度如圖6所示。

圖5 電壓跌落事件錄波

圖6 半周波電壓有效值跌落深度

3 發電機組特性試驗監測應用

發電機正常運行時，勵磁控制器工作在電壓閉環模式，發電機勵磁控制器根據采集到的發電機電量參數，計算出占空比，形成相應的觸發脈沖，驅動IGBT功率開關，實現對勵磁機輸出電壓L的控制，從而改變發電機轉子電流F，達到調節發電機定子電壓和無功功率的目的。

發電機組特性試驗時控制器設置在恒角度模式，手動調整占空比，實現對勵磁電流、勵磁機端電壓、發電機轉子電流、發電機端電壓的控制。

3.1 發電機組特性試驗中電流監測

勵磁機空載特性、勵磁機帶載特性試驗不再分解勵磁機直流電流回路，發電機短路特性試驗不再分解三相定子電流回路，實現了各特性試驗的快速無接觸在線監測。發電機空載特性試驗曲線如圖7所示，發電機短路特性試驗曲線如圖8所示。

圖7 發電機空載特性試驗曲線

圖7中的上升、下降測試曲線明顯存在磁滯特性，圖8中的發電機短路特性曲線的線性特性與物理特性一致。

圖8 發電機短路特性試驗曲線

3.2 三相繞組的電流、電壓相位特性監測

采用整周期FFT測量定子電壓和定子電流相位。假設該電網電壓信號采用M級截斷傅里葉級數近似表示為

固定頻率采樣模式下的和見表6。

表6 固定頻率采樣模式下N和M

令

則

基于上述原理，該交直流電量監測裝置實現了監測發電機定子三相繞組電壓和電流相位特性的功能。三相短路特性試驗中的定子電流相位特性曲線如圖9所示。

從圖9可知，發電機三相定子電流相位差平均值分別為120.110°、120.699°、119.191°，彌補了原人工測試中無法監測定子電流相位的缺陷。

3.3 發電機同步電抗計算測定

1）空載和短路特性函數擬合

為便于利用發電機的空載和短路特性求得發電機同步電抗，利用Matlab基于最小二乘原理對試驗結果進行曲線擬合，得到擬合空載特性和短路特性函數。

發電機三相短路時，端電壓為零，短路電流僅和自身阻抗有關。根據實際測定，電樞電阻遠小于同步電抗，可以忽略不計，因此短路電流近似為純感性，電樞磁動勢為純去磁作用的直軸磁動勢。所以，發電機三相短路時氣隙的合成磁動勢很小，使電機的磁路處于不飽和狀態，短路特性為一條過原點的直線。

根據短路特性試驗數據，得到短路特性曲線函數為

式中：為短路電流；L為勵磁電流。

利用空載特性的初始試驗數據，可得到磁路不飽和時機端相電壓和勵磁電流的函數關系（即氣隙線）為

式中，0為發電機輸出機端相電壓。

實際運行時，發電機的主磁路會出現飽和，利用完整空載特性試驗數據得到空載特性曲線函 數為

根據以上函數擬合結果，繪制出發電機短路特性、空載特性及氣隙線的曲線如圖10所示。

2）同步電抗計算

4 不間斷電源監測測試

考慮到航天發射與測控領域應用場景復雜、安全等級要求高等因素，目前UPS電池組主要以鉛酸蓄電池為主。由于主要承擔應急狀態下供電，因此蓄電池大多數處于長期的浮充電狀態下。大量運行統計資料表明，長期處于浮充狀態會造成蓄電池的陽極極板鈍化，使蓄電池內阻急劇增大、蓄電池的實際容量遠低于其標準容量，最終導致蓄電池所能提供的實際后備供電時間大大縮短，減少其使用壽命[13]。因此，為克服以上不利因素、維持蓄電池良好工作狀態，一般每半年進行一次假負載深度容量測試放電。

在蓄電池容量放電測試中，需要測定交流電壓、交流電流和電池組直流電壓、直流電流。同時，此測試過程還可以完成UPS逆變器效率等參數的測試。某250kV?A不間斷電源配置(40×150A?h)×2電池組，采用90kW阻性負載進行放電深度和逆變器效率測試。電池組放電深度測試數據見表7，UPS逆變器效率測試數據見表8。

表7 電池組放電深度測試數據

表8 UPS逆變器效率測試數據

額定電壓220V下，受內部安裝高精度電流傳感器、電壓傳感器及0.5kW步進功率閉環控制等環節影響，90kW阻性負載額定功率能夠精確控制在1%誤差之內。Ⅰ類不間斷電源在各種負載情況下的輸出電壓控制精度均在1%之內，交直流電量采集監測系統的電壓、電流精度均小于1%。按照二項式精度綜合理論，放電深度測試和逆變器效率測試的綜合精度小于1.73%。

由表7、表8可知，放電測試過程中，UPS負載在6min之內就加到90kW，因此整個電池組的放電速率可以采用90kW交流負載時的放電速率，即204/2/150=0.68，通過查詢電池放電曲線，可以得到此放電速率下理論放電安時數為88.5A?h，實際放電安時數為64.65A?h，則放電深度為64.65/88.5= 73.05%。

通過計算各放電時段直流功率與交流功率的比值，可以測得該UPS實際逆變器平均效率為92.8%。

5 拋物面天線功率驅動系統監測

測控設備直流伺服系統主要負責將交流供電轉化為可控的直流電壓源，從而調整直流電機電樞電壓控制天線轉速，達到自動跟蹤不同飛行速度空間目標的能力。其存在與發電機組類似的三相交流電壓、三相交流電流、直流電壓、直流電流等電力電量的監測需求。

其中，三相零式可逆功率驅動器目前在大型測控設備中的應用較多。通過不同數量功率驅動器的組合，可以組成單電機驅動伺服系統和雙電機驅動伺服系統。雙電機驅動系統如圖11所示，主要由直流伺服電動機、減速箱、大齒輪及天線負載等 組成。

圖11 雙電機驅動系統

從圖11可見，該伺服系統內部存在交流電壓、交流電流及直流電壓、直流電流。通過電量監測系統，監測直流電機的電流d1、d2并進行FFT頻譜分析，可以確定伺服系統的各關鍵部件工作情況。

通過采用該監測系統對兩臺機械結構類型一致的10m和5.5m拋物面天線功率放大器的交流電壓、電機直流電壓、電機直流電流進行高密度監測，將其中的電機直流電流進行FFT頻譜分析，得到10m、5.5m天線直流電機12.8kHz頻譜分別如圖12（天線運行速度2.01°/s，機械系統理論頻率5.032Hz）、圖13（天線運行速度4.16°/s，機械系統理論頻率3.42Hz）所示。

圖12 某10m天線直流電機12.8kHz頻譜

圖13 某5.5m天線直流電機12.8kHz頻譜

從圖12和圖13可見，驅動10m天線的直流電機電流12.8kHz采樣時主頻譜為5.138Hz，與理論機械頻譜基本一致，其余頻譜主要成分為供電系統50Hz及其諧波的頻譜。而驅動5.5m天線直流電機直流電流12.8kHz采樣中主頻譜并非理論轉速頻譜3.42Hz，其余無法解釋的復雜頻譜分量為主要成分。由此可見，5.5m天線驅動系統的直流電機運行狀態存在較大不確定性，通過對該伺服系統的機電部件進行檢查和維護，使伺服系統整體性能得到改善。

6 結論

本文通過綜合應用物理隔離的傳感器技術和數字信號處理技術，研制完成的交直流電力電量高速同步監測系統能夠高密度同步獲取各交直流混合系統各種電量的關聯變化。獲取的發電機特性試驗數據擬合曲線與發電機空載和短路理論特性一致，測得的發電機飽和同步電抗符合同類型發電機參數，為分析靜態穩定性提供了可靠數據來源。另外，借助該監測系統改進了交直流混合電力電子設備的測試監測技術，從而可準確掌握交直流混合電力電子設備的內部運行工況，提高運行特性的測試精度，消除傳統測試方法耗時耗力、風險大的缺陷，整體提高現代航天發射場先進電子電力設備的運行維護水平，確保各種載人飛行任務和衛星發射中電力電子設備的可靠穩定運行。

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Research and application of high speed synchronous monitoring system for alternating current and direct current hybrid electricity systems

WANG Lu LIU Yanqiang CHEN Peng LI Rui

(Jiuquan Satellite Launch Center in China, Lanzhou 732750)

This article focuses on the increasingly widespread practical needs of AC/DC hybrid electricity systems in various scenarios such as space launching, satellite measurement and control. In order to meet the needs of the performance debugging and operational status evaluation of AC/DC hybrid electricity systems, reliably ensure the stable operation of key systems for space launching and satellite measurement and control, a 14 channel high-precision and gapless AC/DC electricity monitoring system is developed by using digital signal processing (DSP) technology. The application of this monitoring system in performance test of excitation generator sets, test of uninterruptible power supply (UPS) battery discharge, and the electromechanical performance test of high-precision measurement and control equipment DC servo system shows that it can improve accuracy of the performance testing of generator sets, reduce the risks of traditional testing methods, and help to discover hidden operational defects in the mechanical systems of satellite measurement and control equipment through deep data analysis.

generator set; synchronization; measurement and control; monitoring; servo

中國酒泉衛星發射中心“發電機特性試驗裝置與數據分析研究”（20190103FD001）

2023-05-08

2023-06-16

王 錄（1971—），男，甘肅蘭州人，碩士，正高級工程師，研究方向為雷達伺服控制系統、雷達供電。