基于交流采样技术的发电机组电气性能测试系统的实现

王 璐

（重庆第二师范学院 数学与信息工程系，重庆 400067）

1 引言

发电机组作为通信供电系统的后备电源，在整个通信系统中发挥着重要的作用，其供电质量的高低直接影响通信设备效能的发挥。高效准确的发电机组电气性能测试系统，不仅能保证发电机组的供电质量，还为研制新通信电源设备的定型提供可靠依据，是提高通信电源设备技术水平的重要手段。传统的电气性能测试设备存在自动化程度低，对测试人员要求较高，负载准备困难，测试周期长，部分测试结果误差大等诸多缺点。为此，利用现代控制技术，我们研制成功了一种基于交流采样技术的发电机组电气性能测试系统，实现了对发电机组的电气性能参数的准确监测，为改造和提升现有发电机组的电气性能测试水平提供了一条切实可行的途径。

2 系统主要功能

（1）自动测量发电机组的输出相电压、线电压、电流、有功功率、功率因数、频率、相位等基本参数；

（2）按照内燃机电站通用试验方法完成对电压整定范围、电压和频率的稳态调整率、电压和频率的波动率、电压和频率的瞬态调整率及其稳定时间、在不对称负载下的线电压偏差、三相电压不平衡量、相电压波峰系数、线电压波形正弦性畸变率、相电压总谐波含量、电压单个谐波含量、频率调制率、频率漂移率等各种参数和性能的测试；

（3）步进连续可调30KW以内的交流负载，阻性负载分辨率为3W，感性负载分辨性为10Var，容性负载分辨率 7.5Var；

（4）可实现 0.6～1.0 之间功率因数的准确设定；

（5）系统可自动或手动运行，手动运行时可设置阻性负载功率、感性负载功率、容性负载功率、负载率和不平衡度，并可在监控机上观察输出参数的变化，包括电压、电流、功率、功率因数、频率和谐波成份；

（6）数据报表功能，数据库管理功能和试验报告自动生成等办公自动化功能。

3 系统结构及工作原理

3.1 系统结构

系统由电气性能测试单元、智能负载单元和系统监控管理单元组成，其原理框图如下图1所示。采用三级分布式结构，电气性能测试单元主要完成电气参数的实时采集和分析，并通过CAN总线与系统上位机相联，上位机主要负责对上传来的大量数据进行报表生成、波形显示、数据库的管理等功能，负载控制器通过RS－232通信方式接受来自电气性能测试单元的指令和数据，单独实现对负载的投合。

3.2 系统工作原理

发电机组输出的各路电流和电压信号经相应的精密变换器转换成0～4V的电压，再经16选1模拟开关进入电压跟随器，被选择的这路信号经16位高速A／D转换器转换成数据量进入DSP进行FFT分析，分析结果送入双口RAM与三菱16位单片机（主控制器）进行交互。上位机是系统的操作控制中心，通过CAN网卡与主控制器进行数据、命令的交互，一方面获得测量数据，形成报表，存入数据库，自动生成试验报告，并通过RS－485方式将实时电气参数传给现场LED显示屏显示出来；另一方面根据待测机组的额定参数确定具体的测试项目，并将其发给主控制器，主控制器再控制智能负载完成该项目的测试。智能负载由阻性、感性和容性负载柜及相应的控制单元组成，电阻负载共有12组，每组分别有三相负载，各组功率值以3W为基数倍增，电感负载和电容负载各有11组，分别以10Var、7.5Var为基数倍增，智能负载控制器AT89S52与主控制器之间的数据通信采用了隔离型的RS－232方式。系统分为自动或手动两种工作方式，自动运行时，负载控制器根据上位机的设定参数和主控制器测得的实时参数，自动计算出负载开关组合方案，控制交流接触器完成负载的投合；而在手动运行时，负载由试验人员通过拨码盘来设置。

4 电气参数的测量原理

图1 系统结构框图

4.1 基于DFT的同步交流采样算法

根据内燃机电站通用试验方法，待测电气参数都可以由电压有效值、电流有效值、频率、功率、功率因素等基本参数表示，测出这些基本参数即可实现相关电气参数的监测。

对于非正弦周期交流电压u（t），若满足狄里赫利条件，可分解为如下傅里叶级数:

n取不同的值表示交流信号的不同谐波分量。按交流相量表示法，各谐波分量可表示为:

其中:

在 1个周期内采样 N 点，将式（3）、（4）用矩形离散法得到:

式中，uK为一个正弦波周期内的第K个采样值。显然，各次谐波的幅值Umn和有效值Un分别为:

其中，n＝1时为基波的幅值和有效值。

根据“二表法”，利用采集到的发电机两相线电压UAB、UCB和两相电流IA和IC， 可得有功功率P、无功功率Q和功率因数cosφ的表达式为:

根据香农采样定理，为了满足分析100次以上的谐波成分，采样频率取为12.8KHz左右，即每个工频周期内确保采样256个点（N＝256）。设采样周期为 TS，若保证 T＝N*TS（N 为正整数），则可实现采样频率fs与待测信号频率f完全同步，达到最优测量效果。

4.2 “三点”法实现频率跟踪

由于发电机组运行时，输出信号频率在50HZ附近波动，测完周期T后信号周期变为Tnew＝T＋△Tf，若实测时，在N一定的情况下，不改变采样频率fs必然会产生同步误差△Tf＝Tnew－T＝ Tnew－N＊TS，要减少频率波动所致的测量误差，就需动态调整采样频率fs。

如下图2所示，取采样起始点，第N－1个点和第 N 个点的采样值，即 uK＝0，uK＝N－1和 uK＝N，有:

求出△Tf即可跟踪到被测信号的频率变化，实际信号周期为Tnew＝T＋△Tf，用一个滑动窗来存放周期，将该组数据取平均后作为下一次采样的测量周期，则新的采样频率为 fs＝N／Tnew。

图2 频率跟踪示意图

5 测试结果分析

假设待采样信号频率分别为49HZ，50HZ，51HZ，波形为 u（t）＝，采用和不采用“三点”法频率校正后的测试结果如下表1所示。

由表1可知:进行“三点”频率跟踪后，得到精度很高的实际频率，再由此频率可获得高精度的测量数据。

利用该系统对TCY－777型发电机组进行测试，其线电压波形正弦性畸变率变化曲线和满载时线电压波形单个谐波含量如图3、4所示。

6 结束语

本系统固定通信台站发电机组为对象，根据内燃机通用试验方法，通过研制分布式电气性能测试系统，实现了对发电机组电气性能参数的实时采集和控制、远程自动监控。系统采样先进的同步交流采样技术和频率跟踪算法，提高了测试精度；通过设计智能负载，在很大程度上提高了测试的自动化程度，并能满足各种测试项目的要求；运用CAN总线技术极大地提高了系统的可靠性、实时性。系统开发的性价比高，已在多家通信电源站投入使用。

表1 不采用和采用“三点”法频率校正测试结果对比表

图3 线电压波形正弦性畸变率测试结果

图4 线电压波形单个谐波含量测试结果

［1］Bin Zhou， Ming Lei， Zhiyong Li， et al， “Real－time high performance electric harmonic analysis device，” Chinese Journal of Scientific Instrument， vol.25， no.4， pp.400－401， 2004.

［2］Xiaoning Cao， Huaren Wu， Kewei Long， “Study and implement in integrated metrical instrument of intelligent electric power parameters，” Chinese Journal of Scientific Instrument， vol.27， no.6， pp.206－208， 2006.

［3］R.K.Mudi， N.R.Pal， ”A robust self－turning scheme for PI－ and PD－type fuzzy controllers，” IEEE Transactions on Fuzzy Systems， vol.7，no.1，pp.2－16，Feb 1999.