移动电站电气性能测试系统设计

2021-08-24韩启龙时华峰矫英祺

机电产品开发与创新 2021年4期

赵诚，韩启龙，时华峰，矫英祺

（1.中机科（北京）车辆检测工程研究院有限公司北京 102100；2.中国人民解放军32379 部队，北京 100071）

0 引言

移动电站主要用于移动车载平台、固定或野外场所，为用电设备和作业系统提供电力。随着工程装备信息化的发展，为了保证设备的可靠工作，各种装备大多配备移动电站、自发电系统、车载式综合电源等设备，并明确提出性能要求。移动电站及其他形式的供电单元已经是现代装备不可或缺的组成部分。科学系统的评价电源系统电气性能成为考核装备整体性能的重要项目。因此，设计能够满足移动电站电气性能测试，且能够适应移动电站应用环境的测试设备显得尤为重要。本文主要介绍一种高效、高精度，具有较好环境适应性的移动电站电气性能测试系统。

1 系统组成及原理

1.1 系统组成

测试系统是主要包括上位机（现有操作台）、测控系统和负载三大部分，见图1。测试系统软件平台安装在上位机中，软件系统通过网络总线与硬件测试系统相连；该硬件测试系统由阻性负载、感性负载、控制系统、DSP 高速数据采集板、信号调理系统、高速数传仪表以及冷却风机等组成。

图1 系统组成示意图

1.2 系统测试原理

整个系统的负载单元包括工中频和直流负载两大部分。工中频负载包括感性负载和阻性负载，可以实现功率因数为0.8～1.0 的负载组合。直流负载只有阻性负载。负载控制与数据采集单元信号包括负载控制部分和数据采集部分。负载控制部分由可编程逻辑控制器和接触器组成；数据采集部分由数字表、电流互感器、电压电流信号变换、波形采集DSP 板、网络服务器组成，将模拟的电压、电流信号经过传感器和采集器转变为数字信号输入计算机。上位机单元由工作台、液晶显示器、工业计算机等组成。测试数据的处理、管理以及输出则由工控机内部的测试控制与数据采集软件程序完成，系统软件框图见图2。

图2 测试系统软件框图

系统采集的数据经数据处理程序处理后，由人机交互界面完成参数、波形显示和测试报告生成、打印工作。系统程序还具有数据存储及查询功能. 可以实现测试参数、波形和测试报告的查询功能。系统测试原理见图3。

图3 系统测试原理框图

2 系统设计

2.1 系统设计依据

测试系统核心功能及技术参数指标主要依据国家标准，考虑到目前常规电源车、移动电站功率。测试系统的工中频负载适应机组最大功率设计为1000kW，直流负载适应机组最大功率为50kW。为了能够满足相关标准测试要求，主要依据：GB/T 20136-2006 《内燃机电站通用试验方法》、GJB235B-2020《军用交流移动电站通用规范》、GJB 1488A-2020《军用内燃机电站通用试验方法》[1]。结合以上标准及目前电源及移动电站的发展水平和未来电源及移动电站发展趋势确定系统的精度为0.5 级，能够满足试验需求。

2.2 系统功能

测试系统能够对交流（工频/中频）和直流发电设备类产品进行综合测试。能完成对移动电站整机电气性能指标的检测，具有稳态三相电压、电流、有功功率、频率、运行时间等基本测试功能。具有谐波分析，自动测试负载突变时电压、频率的最大、最小值；能进行不对称负载测试；能进行稳态参数、突加、突卸、电压、频率曲线，及电压、谐波曲线及谐波含量测试；测试系统能按要求进行发电设备运行状态和参数进行监测，并可对数据进行管理和输出；通过发电设备测试台上的测试软件或者负载装置的开关来增减测试容量并采集相关电量参数。

系统采用自动测试功能设计，主要有：能够自行设定三相电压显示、三相电流显示、交流总功率显示、交流频率显示；能按照功率自动配置工频（0.7～1），中频（0.8～1）功率因数的负载；能按照设定功率的0、25%、50%、75%、100%、75%、50%、25%、0 的顺序自动加减载，自动记录测试结果；能够按照设定功率的0～100%突加载、100%～0 突减载，自动记录测试结果；具有过压、超温、紧急停机、风机自动保护功能；可按国家技术标准进行试验，试验结果由计算机自动记录。

系统采用多个分档的设计理念，适应更多机种的测试需要，满足加载功率可调，功率段百分比加载或按照所需功率加载，并能连续可调。电阻负载按0.1kW 步进加载，电抗负载按0.1kVar 步进加载。

2.3 结构设计

测试系统箱体采用电阻/电抗负载采用分段编码组合方式。交流测试单元采用箱体下进风上出风形式，所有元器件安装在箱体的正面电气层，箱体后半部分上面装有电阻模块和风机冷却系统，下面装有电抗模块，顶部有吊环。电气控制层与电缆进线室隔开，箱体检修方便。各门关闭后，箱体完全密闭，内部元件可得到最大保护。箱体所有的门均外开，开启角度大于90°，并设定位固定装置。

直流测试单元设计为箱体右进风，左出风。正面面板上装有总电源、直流多功能电量表、负载总控，带指示灯。箱体背面为直流输出动力电缆、网络接口、远程电压信号和操作工作电源的航空插座。机箱底部装四只滚轮可移动。冷却空气从右侧进入，热空气水平从左侧排出。机箱的正面为对开门，背面盖板和顶盖均为封闭式平板。布置见图4。

图4 测试系统结构布置

2.4 软硬件设计方案

系统采用自顶向下的模块化设计，从功能上可划分为上位机、网络通信模块、控制系统、数据采集系统、高速数传仪表和负载等六大主功能模块，其功能模块见图5。

图5 测试系统框图

（1）上位机。上位机由计算机和测试系统软件组成，实现与用户的人机交互，对整个测试系统进行控制指令下达，完成对所有测试数据的分析处理、计算存储，并生成波形曲线和试验分析报表。

（2）网络通信模块。网络通信模块完成网络通信协议与通讯协议的转换，由网络转换器以及信号调理电路组成。该模块接收上位机网络协议下的指令控制码，通过信号调理系统转换成其它模块认可的信号属性，从而对整个测试过程进行控制；同时该模块接收控制系统、数据采集系统和高速数传仪表的反馈信号或测试数据，再次通过信号调理系统转换成网口认可的网络协议下的数据码，上传给上位机作为下一步指令的数据源和基准。

（3）控制系统。控制系统是以PLC 及其电路组成的硬件系统，主要用于根据上位机下达的指令，控制阻性负载和感性负载的实时功率调整、功率因数调整、加减载、量程选择及风机控制等。

（4）数据采集。不同加载方式对应的暂态波形有着明显的区别，相对感应电机，阻感负载的电流暂态过程相对较短，电流波形稳定快，但是暂态过程中的电流变化率均达到30A/ms，需要很高的电流跟踪速度满足测试需求[2]。系统运用高速AD 采样与DSP 信号处理技术进行数据采集[3]。完成对交流电源电气参量的测试、瞬态试验下的波形取样，并完成PFT、频谱分析与谐波等运算功能。系统软件对下位机（即硬件系统）发出控制和采集指令，并将硬件系统的运行状态与被测电站的电气性能数据进行分析和处理，并显示到交互界面上。软件的功能见图6，主要包括人机交互界面、用户信息管理摸块、参数设置模块、数据分析与处理模块、数据管理模块、数据通信模块以及数据库。

图6 测试系统软件框图

人机交互界面是用户操作与显示的平台界面，该模块将用户的操作转换为指令代码，下达给各功能模块，进一步控制下位机，以图表的形式显示给用户。用户信息管理模块主要是对用户的登录、注册以及密码等相关信息的管理。控制参数的设置是对负载的加载、减载、卸载与调整的过程进行设置，以实现对被测电站设置不同的工况；测试参数设置包括对电站额定参数进行进择或设定，以及手动与自动稳态瞬态试验的设定等，见图7。数据分析与处理模块对硬件系统测试过程中获取的各种试验数据进行分析、计算与处理，并分配到其它功能模块中，以实现整个测试过程的监测和数据获取。

图7 参数设定

试验结束后还可以通过数据查询功能直接查找数据报告，设定查询关键字即可筛选所要的数据报告。

2.5 系统适应性设计

（1）维修性设计。全系统采用模块组合设计，各设备采用隔离式结构，功能板卡之间相互独立，更换维修方便快捷。系统带有故障自检功能，可完成一般常见故障的自我检测；采集板卡与数传仪表等电子部件采用一体化设计，便于故障定位，且可整体更换，提高维修效率；阻性负载部分均为可分离原件，便于单件更换；内部结构留有足够的操作和维修空间。

（2）安全性设计。系统电阻负载单根功率电阻的耐压为DC2500V 或AC1500V/50Hz 时1 分钟不击穿，通过多根合金电阻串联，可保证耐压值达到10kV。电阻负载固定在绝缘材质板上，密闭处理，即使在潮湿天气也能保证绝缘性和安全性，并可预防相邻电阻因内阻下降造成的短路事故。各种板卡接插件具有防插错功能，电源输入采用具有防插错功能的航空插头，软件中具有安全警告措施；箱体备有便于与地线相连的接地端子并有明显的标志；可直接与外界接触的带电部件有明显高压警示标志。系统还设计了多种保护功能：①过压保护：负载输入电压超过警戒值时，自动卸载并报警；②短路、过流保护：电阻/电感负载每档配有断路器，短路或电流过大时自动卸载；③温度保护：负载温度超过警戒值时，自动卸载并报警；④风机风量保护：风机的风量不足时，自动卸载并报警；⑤紧急停止：可手动一键强制卸载，急停锁定状态下不能加载；⑥安全监控：可通过软件报警提示，监控负载状态，异常停机保护时，提示停机原因。

（3）环境适应性设计[4]。系统设备外壳采用防雨设计，可在2mm/min 的降雨强度下正常工作。选用温度适应范围更广的电子元器件，系统可实现温度-40℃～+50℃、海拔高度≤4500m 条件下正常工作。