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移動(dòng)電站電氣性能測(cè)試系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2021-08-24 01:38韓啟龍時(shí)華峰矯英祺
關(guān)鍵詞:電站功率測(cè)試

趙 誠, 韓啟龍, 時(shí)華峰, 矯英祺

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

0 引言

移動(dòng)電站主要用于移動(dòng)車載平臺(tái)、 固定或野外場(chǎng)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(dòng)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(dòng)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(píng)價(jià)電源系統(tǒng)電氣性能成為考核裝備整體性能的重要項(xiàng)目。 因此,設(shè)計(jì)能夠滿足移動(dòng)電站電氣性能測(cè)試,且能夠適應(yīng)移動(dòng)電站應(yīng)用環(huán)境的測(cè)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(dòng)電站電氣性能測(cè)試系統(tǒng)。

1 系統(tǒng)組成及原理

1.1 系統(tǒng)組成

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

圖1 系統(tǒng)組成示意圖

1.2 系統(tǒng)測(cè)試原理

整個(gè)系統(tǒng)的負(fù)載單元包括工中頻和直流負(fù)載兩大部分。 工中頻負(fù)載包括感性負(fù)載和阻性負(fù)載,可以實(shí)現(xiàn)功率因數(shù)為0.8~1.0 的負(fù)載組合。直流負(fù)載只有阻性負(fù)載。負(fù)載控制與數(shù)據(jù)采集單元信號(hào)包括負(fù)載控制部分和數(shù)據(jù)采集部分。 負(fù)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(hào)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(hào)經(jīng)過傳感器和采集器轉(zhuǎn)變?yōu)閿?shù)字信號(hào)輸入計(jì)算機(jī)。 上位機(jī)單元由工作臺(tái)、液晶顯示器、工業(yè)計(jì)算機(jī)等組成。 測(cè)試數(shù)據(jù)的處理、管理以及輸出則由工控機(jī)內(nèi)部的測(cè)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(cè)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(jī)交互界面完成參數(shù)、波形顯示和測(cè)試報(bào)告生成、打印工作。系統(tǒng)程序還具有數(shù)據(jù)存儲(chǔ)及查詢功能. 可以實(shí)現(xiàn)測(cè)試參數(shù)、波形和測(cè)試報(bào)告的查詢功能。 系統(tǒng)測(cè)試原理見圖3。

圖3 系統(tǒng)測(cè)試原理框圖

2 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)依據(jù)

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

2.2 系統(tǒng)功能

測(cè)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(jìn)行綜合測(cè)試。 能完成對(duì)移動(dòng)電站整機(jī)電氣性能指標(biāo)的檢測(cè),具有穩(wěn)態(tài)三相電壓、電流、有功功率、頻率、運(yùn)行時(shí)間等基本測(cè)試功能。具有諧波分析,自動(dòng)測(cè)試負(fù)載突變時(shí)電壓、頻率的最大、最小值;能進(jìn)行不對(duì)稱負(fù)載測(cè)試;能進(jìn)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(cè)試;測(cè)試系統(tǒng)能按要求進(jìn)行發(fā)電設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)和參數(shù)進(jìn)行監(jiān)測(cè), 并可對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行管理和輸出; 通過發(fā)電設(shè)備測(cè)試臺(tái)上的測(cè)試軟件或者負(fù)載裝置的開關(guān)來增減測(cè)試容量并采集相關(guān)電量參數(shù)。

系統(tǒng)采用自動(dòng)測(cè)試功能設(shè)計(jì),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(dòng)配置工頻(0.7~1),中頻(0.8~1)功率因數(shù)的負(fù)載; 能按照設(shè)定功率的0、25%、50%、75%、100%、75%、50%、25%、0 的順序自動(dòng)加減載,自動(dòng)記錄測(cè)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(dòng)記錄測(cè)試結(jié)果;具有過壓、超溫、緊急停機(jī)、風(fēng)機(jī)自動(dòng)保護(hù)功能;可按國家技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行試驗(yàn),試驗(yàn)結(jié)果由計(jì)算機(jī)自動(dòng)記錄。

系統(tǒng)采用多個(gè)分檔的設(shè)計(jì)理念, 適應(yīng)更多機(jī)種的測(cè)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(fù)載按0.1kW 步進(jìn)加載,電抗負(fù)載按0.1kVar 步進(jìn)加載。

2.3 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

測(cè)試系統(tǒng)箱體采用電阻/電抗負(fù)載采用分段編碼組合方式。交流測(cè)試單元采用箱體下進(jìn)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(jī)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(jìn)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(hù)。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(cè)試單元設(shè)計(jì)為箱體右進(jìn)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(fù)載總控,帶指示燈。箱體背面為直流輸出動(dòng)力電纜、網(wǎng)絡(luò)接口、遠(yuǎn)程電壓信號(hào)和操作工作電源的航空插座。 機(jī)箱底部裝四只滾輪可移動(dòng)。 冷卻空氣從右側(cè)進(jìn)入,熱空氣水平從左側(cè)排出。 機(jī)箱的正面為對(duì)開門,背面蓋板和頂蓋均為封閉式平板。 布置見圖4。

圖4 測(cè)試系統(tǒng)結(jié)構(gòu)布置

2.4 軟硬件設(shè)計(jì)方案

系統(tǒng)采用自頂向下的模塊化設(shè)計(jì),從功能上可劃分為上位機(jī)、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(fù)載等六大主功能模塊,其功能模塊見圖5。

圖5 測(cè)試系統(tǒng)框圖

(1)上位機(jī)。 上位機(jī)由計(jì)算機(jī)和測(cè)試系統(tǒng)軟件組成,實(shí)現(xiàn)與用戶的人機(jī)交互, 對(duì)整個(gè)測(cè)試系統(tǒng)進(jìn)行控制指令下達(dá),完成對(duì)所有測(cè)試數(shù)據(jù)的分析處理、計(jì)算存儲(chǔ),并生成波形曲線和試驗(yàn)分析報(bào)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(hào)調(diào)理電路組成。該模塊接收上位機(jī)網(wǎng)絡(luò)協(xié)議下的指令控制碼,通過信號(hào)調(diào)理系統(tǒng)轉(zhuǎn)換成其它模塊認(rèn)可的信號(hào)屬性, 從而對(duì)整個(gè)測(cè)試過程進(jìn)行控制;同時(shí)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(hào)或測(cè)試數(shù)據(jù), 再次通過信號(hào)調(diào)理系統(tǒng)轉(zhuǎn)換成網(wǎng)口認(rèn)可的網(wǎng)絡(luò)協(xié)議下的數(shù)據(jù)碼,上傳給上位機(jī)作為下一步指令的數(shù)據(jù)源和基準(zhǔn)。

(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(jī)下達(dá)的指令,控制阻性負(fù)載和感性負(fù)載的實(shí)時(shí)功率調(diào)整、功率因數(shù)調(diào)整、加減載、量程選擇及風(fēng)機(jī)控制等。

(4)數(shù)據(jù)采集。不同加載方式對(duì)應(yīng)的暫態(tài)波形有著明顯的區(qū)別,相對(duì)感應(yīng)電機(jī),阻感負(fù)載的電流暫態(tài)過程相對(duì)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(dá)到30A/ms, 需要很高的電流跟蹤速度滿足測(cè)試需求[2]。系統(tǒng)運(yùn)用高速AD 采樣與DSP 信號(hào)處理技術(shù)進(jìn)行數(shù)據(jù)采集[3]。完成對(duì)交流電源電氣參量的測(cè)試、瞬態(tài)試驗(yàn)下的波形取樣,并完成PFT、頻譜分析與諧波等運(yùn)算功能。 系統(tǒng)軟件對(duì)下位機(jī)(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(yùn)行狀態(tài)與被測(cè)電站的電氣性能數(shù)據(jù)進(jìn)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(jī)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(cè)試系統(tǒng)軟件框圖

人機(jī)交互界面是用戶操作與顯示的平臺(tái)界面, 該模塊將用戶的操作轉(zhuǎn)換為指令代碼,下達(dá)給各功能模塊,進(jìn)一步控制下位機(jī),以圖表的形式顯示給用戶。用戶信息管理模塊主要是對(duì)用戶的登錄、 注冊(cè)以及密碼等相關(guān)信息的管理。 控制參數(shù)的設(shè)置是對(duì)負(fù)載的加載、減載、卸載與調(diào)整的過程進(jìn)行設(shè)置, 以實(shí)現(xiàn)對(duì)被測(cè)電站設(shè)置不同的工況;測(cè)試參數(shù)設(shè)置包括對(duì)電站額定參數(shù)進(jìn)行進(jìn)擇或設(shè)定,以及手動(dòng)與自動(dòng)穩(wěn)態(tài)瞬態(tài)試驗(yàn)的設(shè)定等,見圖7。 數(shù)據(jù)分析與處理模塊對(duì)硬件系統(tǒng)測(cè)試過程中獲取的各種試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析、計(jì)算與處理,并分配到其它功能模塊中,以實(shí)現(xiàn)整個(gè)測(cè)試過程的監(jiān)測(cè)和數(shù)據(jù)獲取。

圖7 參數(shù)設(shè)定

試驗(yàn)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(bào)告,設(shè)定查詢關(guān)鍵字即可篩選所要的數(shù)據(jù)報(bào)告。

2.5 系統(tǒng)適應(yīng)性設(shè)計(jì)

(1)維修性設(shè)計(jì)。 全系統(tǒng)采用模塊組合設(shè)計(jì),各設(shè)備采用隔離式結(jié)構(gòu),功能板卡之間相互獨(dú)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(cè); 采集板卡與數(shù)傳儀表等電子部件采用一體化設(shè)計(jì),便于故障定位,且可整體更換,提高維修效率;阻性負(fù)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(jì)。 系統(tǒng)電阻負(fù)載單根功率電阻的耐壓為DC2500V 或AC1500V/50Hz 時(shí)1 分鐘不擊穿, 通過多根合金電阻串聯(lián),可保證耐壓值達(dá)到10kV。 電阻負(fù)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(cuò)功能,電源輸入采用具有防插錯(cuò)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(biāo)志;可直接與外界接觸的帶電部件有明顯高壓警示標(biāo)志。系統(tǒng)還設(shè)計(jì)了多種保護(hù)功能:①過壓保護(hù):負(fù)載輸入電壓超過警戒值時(shí),自動(dòng)卸載并報(bào)警;②短路、過流保護(hù):電阻/電感負(fù)載每檔配有斷路器,短路或電流過大時(shí)自動(dòng)卸載;③溫度保護(hù):負(fù)載溫度超過警戒值時(shí),自動(dòng)卸載并報(bào)警;④風(fēng)機(jī)風(fēng)量保護(hù):風(fēng)機(jī)的風(fēng)量不足時(shí),自動(dòng)卸載并報(bào)警;⑤緊急停止:可手動(dòng)一鍵強(qiáng)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(bào)警提示,監(jiān)控負(fù)載狀態(tài),異常停機(jī)保護(hù)時(shí),提示停機(jī)原因。

(3)環(huán)境適應(yīng)性設(shè)計(jì)[4]。 系統(tǒng)設(shè)備外殼采用防雨設(shè)計(jì),可在2mm/min 的降雨強(qiáng)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(shí)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(biāo)準(zhǔn)要求,在考慮環(huán)境適應(yīng)性、測(cè)試效率及穩(wěn)定性、結(jié)合運(yùn)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(shí)現(xiàn)了交流、直流移動(dòng)電站的多項(xiàng)測(cè)試功能。該系統(tǒng)自動(dòng)化程度高、便于運(yùn)輸、適應(yīng)性強(qiáng),能夠較好的適應(yīng)與不同場(chǎng)景的測(cè)試需求。

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