摘 要：針對變頻供電系統(tǒng)，提出了一種電能質(zhì)量檢測分析測試方法。采用數(shù)字濾波技術(shù)實現(xiàn)變頻條件下的基波濾除，并通過FFT算法分析計算出畸變頻譜;通過多塊不同類型板卡間同步采集技術(shù)，使得不同板卡間的所有采集通道實現(xiàn)同步采集;利用開關(guān)信號狀態(tài)變換實時存儲技術(shù)，可以真實反映某一時間電網(wǎng)中所有接觸器的通斷情況，為電能質(zhì)量分析提供參考依據(jù)。

關(guān)鍵詞：變頻系統(tǒng);諧波分析;同步采集;數(shù)據(jù)處理

0 引言

現(xiàn)有的民用飛機交流電源系統(tǒng)共有3種，分別為恒速恒頻交流電源系統(tǒng)（CSCF）、變速恒頻交流電源系統(tǒng)（VSCF）以及變速變頻交流電源系統(tǒng)（VSVF）。與其他兩種電源系統(tǒng)相比，變速變頻交流電源系統(tǒng)省去了恒速恒頻交流電源系統(tǒng)中的恒速傳動裝置（CSD）以及變速恒頻交流電源系統(tǒng)中的大功率變頻器，且其只有一次能源變換過程，因此具有體積小、重量輕、效率高、結(jié)構(gòu)簡單以及可靠性高等優(yōu)點。變頻電源系統(tǒng)彌補了恒頻裝置帶來的缺點和不足，提高了飛機電源系統(tǒng)的可靠性及效率，同時減輕了電源系統(tǒng)的重量，因而被空客、波音等眾多航空公司所采用。

我國對民用飛機的研究起步較晚，在變頻交流供電系統(tǒng)特性參數(shù)的測試上研究還比較少。開展變頻條件下供電系統(tǒng)特性參數(shù)的測試原理與測量方法研究，設(shè)計一套適用于變頻交流供電系統(tǒng)特性參數(shù)測試的自動測試系統(tǒng)，可為多電飛機在設(shè)計、生產(chǎn)、裝配調(diào)試過程中及早發(fā)現(xiàn)問題、解決問題提供有效依據(jù)。同時，變頻供電系統(tǒng)作為飛機機載設(shè)備正常運行的重要保障，十分需要對其進行快速有效的電能質(zhì)量測試，因此針對變頻交流供電系統(tǒng)展開電能質(zhì)量檢測的研究具有重要性和迫切性[1-2]。

1 系統(tǒng)設(shè)計架構(gòu)

變頻交流供電系統(tǒng)電能質(zhì)量檢測系統(tǒng)主要用于滿足民用飛機電氣網(wǎng)絡(luò)試驗需求，進行發(fā)電、配電和典型用電設(shè)備輸入端的電氣參數(shù)測試，分析飛機電氣系統(tǒng)在穩(wěn)態(tài)、瞬態(tài)、轉(zhuǎn)換狀態(tài)以及故障狀態(tài)下的各種電氣特性參數(shù)，以評估被測對象的性能是否滿足相關(guān)標準和設(shè)計規(guī)范的要求。

測試系統(tǒng)的總體架構(gòu)如圖1所示。PXI機箱是測試系統(tǒng)的核心部分，集成了中央處理器、總線控制器、數(shù)據(jù)采集模塊、內(nèi)部存儲設(shè)備等，可以根據(jù)用戶的需求綜合調(diào)控整個系統(tǒng)的工作。信號調(diào)理箱是電網(wǎng)與測試系統(tǒng)連接中的重要一環(huán)，被測信號通過調(diào)理電路完成信號的濾波、衰減，以達到數(shù)據(jù)采集板卡的幅值及測量精度要求。人機交互設(shè)備通過板卡的接口與測控計算機連接，便于測試人員對測試進行控制與觀察。

本文所述飛機變頻供電系統(tǒng)電能質(zhì)量分析檢測技術(shù)，主要解決飛機變頻供電條件下所產(chǎn)生的四大問題：一是飛機供電系統(tǒng)結(jié)構(gòu)復(fù)雜，供電系統(tǒng)的電能質(zhì)量分析涉及大量通道的同時采集;二是測量飛機變頻電壓畸變頻譜時，會因基波頻率未知而造成濾波困難;三是為測量較高頻率帶寬，采用高速采集方式，導(dǎo)致數(shù)據(jù)分析量巨大、效率低下;四是飛機變頻供電系統(tǒng)結(jié)構(gòu)復(fù)雜，如何實現(xiàn)電網(wǎng)接觸器狀態(tài)變化下的實時存儲以供電能異常原因的離線分析。本數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)在LabVIEW平臺下實現(xiàn)所有數(shù)據(jù)采集板卡的同步，將濾波器理論應(yīng)用于畸變頻譜分析中，使用數(shù)字陷波器的方法實現(xiàn)飛機變頻電壓基波的濾除，實現(xiàn)數(shù)字化濾波方式;同時采用隊列的并行循環(huán)方式，將數(shù)據(jù)采集和數(shù)據(jù)處理分開執(zhí)行，保證數(shù)據(jù)分析過程中不會出現(xiàn)溢出情況，提高了分析效率，同時結(jié)合Excel軟件實時記錄接觸器狀態(tài)變動，為飛機變頻供電系統(tǒng)電能質(zhì)量分析提供了新的方法。

2 系統(tǒng)設(shè)計方案

2.1? ? 同步采集設(shè)計

在對飛機供電系統(tǒng)進行電能質(zhì)量檢測時，面臨的首要問題是電網(wǎng)中電壓等級較多，不同等級電壓又涉及多個部件和匯流條的檢測，同時還需兼顧各類交直電流檢測，因而在同一時刻，需要大量通道進行數(shù)據(jù)采集，單塊板卡已無法完成如此龐大的工作。如何實現(xiàn)板卡間的同步測量以利于各類數(shù)據(jù)間的對比分析顯得尤為重要。實現(xiàn)多板卡測量同步，可以為三相電壓電流的各個參數(shù)分析提供一個準確的數(shù)據(jù)來源，避免因為板卡不同步而造成的參數(shù)誤差。本文在同步模擬數(shù)據(jù)采樣時，將各類板卡分為主從兩大類，選擇一塊板卡作為主板卡，提供波形同步的標準，其余板卡為從板卡，跟隨主板卡同步波形。其軟件設(shè)計流程圖如圖2所示。

圖3為不同數(shù)據(jù)采集設(shè)備未加同步波形，圖4為不同數(shù)據(jù)采集設(shè)備加同步波形，對比發(fā)現(xiàn)，通過主從板卡設(shè)置后，不同板卡在數(shù)據(jù)采集時實現(xiàn)了同步。

2.2? ? 濾波設(shè)計

飛機變頻供電系統(tǒng)的電壓信號經(jīng)調(diào)理電路衰減后，利用高速采集板卡進行數(shù)據(jù)采集。傳統(tǒng)的恒頻供電系統(tǒng)基波頻率恒定，一般采用有源濾波器濾除基波，而飛機變頻供電系統(tǒng)基波頻率在360～800 Hz變化，本文通過將數(shù)字濾波方法運用在變頻系統(tǒng)上實現(xiàn)變頻系統(tǒng)的數(shù)據(jù)采集。具體設(shè)計如下：

編程調(diào)用“數(shù)字IIR濾波器”函數(shù)，設(shè)置IIR濾波器參數(shù)：拓撲結(jié)構(gòu)為“Butterworth”，類型為“Bandstop”，階數(shù)為4階。因為變頻交流供電系統(tǒng)的電壓基頻在360～800 Hz可變，所以濾波器的低截止頻率和高截止頻率也隨基頻變化而變化。預(yù)設(shè)合適的帶寬范圍，以基頻為中心頻率減去帶寬的一半作為低截止頻率，以基頻為中心頻率加上帶寬的一半作為高截止頻率[3]。圖5為未經(jīng)數(shù)字濾波前電壓信號的幅頻特性曲線，經(jīng)數(shù)字濾波后得到電壓信號的幅頻特性曲線如圖6所示，讀取數(shù)值比較可見濾波器阻帶內(nèi)衰減增益為60 dB。

2.3? ? 數(shù)據(jù)處理設(shè)計

飛機變頻供電系統(tǒng)電能質(zhì)量分析涉及大量的數(shù)據(jù)采集和分析，為了提高數(shù)據(jù)處理的效率，將基于生產(chǎn)者/消費者模板的應(yīng)用程序運用在飛機變頻供電系統(tǒng)電能質(zhì)量分析上，采用隊列的并行循環(huán)方式將數(shù)據(jù)采集和數(shù)據(jù)處理分開執(zhí)行。這樣當產(chǎn)生數(shù)據(jù)的速度比處理數(shù)據(jù)的速度快時，大量的數(shù)據(jù)存儲到隊列中緩沖，處理時再從隊列中提取，避免了數(shù)據(jù)溢出等問題。傳統(tǒng)分析在數(shù)據(jù)的數(shù)量上遠遠少于飛機變頻供電系統(tǒng)電能質(zhì)量分析的數(shù)據(jù)量，所以不存在使用生產(chǎn)者/消費者模式將數(shù)據(jù)存入隊列的情況。

2.4? ? 數(shù)字量存儲設(shè)計

飛機變頻供電系統(tǒng)中涉及大量的接觸器，在對供電系統(tǒng)進行電能質(zhì)量檢測的過程中，飛機電網(wǎng)的各類接觸器可能會在不同狀態(tài)間切換，即會產(chǎn)生大量的接通與關(guān)斷信息。當電能質(zhì)量發(fā)生異常時，故障接觸器的位置定位與時刻定位的快速性與準確性將直接影響實驗人員對故障原因的分析與判斷。為解決此問題，實現(xiàn)接觸器數(shù)據(jù)的準確記錄，構(gòu)建了TDMS數(shù)據(jù)保存模式、數(shù)據(jù)采集模式和常用辦公軟件Excel之間的數(shù)據(jù)傳輸橋梁。具體方法是在測試過程中可以選擇數(shù)據(jù)采集存儲模式，利用TDMS存儲模塊對數(shù)據(jù)記錄的路徑、方式等進行設(shè)置，并且可以利用常用辦公軟件Excel打開并查閱具體數(shù)據(jù)，實現(xiàn)了在接觸器狀態(tài)變化情況下以Excel表格形式進行1/0形式記錄，并保存變化時刻，以達到離線分析效果。表1為某次試驗Excel表格所記錄的數(shù)據(jù)，閱讀表格可知接觸器狀態(tài)發(fā)生變化的時間與各類發(fā)生變化的接觸器的編號。當檢測到電網(wǎng)發(fā)生異常情況時，技術(shù)人員在事后可以通過保存的具體數(shù)據(jù)排查到故障發(fā)生的時間、接觸器種類，以此來分析故障原因。

3 結(jié)語

為實現(xiàn)飛機變頻交流供電系統(tǒng)的電能質(zhì)量檢測，本文提出了一種飛機變頻交流供電系統(tǒng)電能質(zhì)量分析技術(shù)。針對飛機變頻供電系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)時的基波寬變頻特性，設(shè)計了一套軟件，可供實時分析與離線分析，并提供良好的人機互動界面。采用數(shù)字濾波技術(shù)實現(xiàn)變頻條件下的基波濾除，并通過FFT算法分析計算出畸變頻譜;利用多塊不同類型板卡間同步采集技術(shù)，使得不同板卡間的所有采集通道實現(xiàn)同步采集;利用開關(guān)信號狀態(tài)變換實時存儲技術(shù)，可以真實反映某一時間電網(wǎng)中所有接觸器的通斷情況，為電能質(zhì)量分析提供參考依據(jù);基于生產(chǎn)者/消費者模式的大數(shù)據(jù)量分析技術(shù)，解決了在高速采集情況下可能出現(xiàn)的數(shù)據(jù)溢出問題。通過驗證，該技術(shù)可以實現(xiàn)變頻系統(tǒng)的電能質(zhì)量測試。

[參考文獻]

[1] 李偉.基于PC機下飛機供電系統(tǒng)參數(shù)測試及軟件設(shè)計[D].南京：南京航空航天大學，2004.

[2] 張曉斌，于泉，鄭先成.新支線飛機電網(wǎng)試驗負載管理系統(tǒng)的設(shè)計與實現(xiàn)[J].計算機測量與控制，2008，16（7）：1004-1006.

[3] 劉妍.飛機變頻交流供電特性參數(shù)測試技術(shù)研究[D].南京：南京航空航天大學，2013.

收稿日期：2020-11-08

作者簡介：劉衛(wèi)芳（1989—），女，山東東平人，碩士，工程師，研究方向：飛機配電。