飞机变频供电系统多通道数据测试技术研究

摘 要：针对变频供电系统，提出了一种电能质量检测分析测试方法。采用数字滤波技术实现变频条件下的基波滤除，并通过FFT算法分析计算出畸变频谱;通过多块不同类型板卡间同步采集技术，使得不同板卡间的所有采集通道实现同步采集;利用开关信号状态变换实时存储技术，可以真实反映某一时间电网中所有接触器的通断情况，为电能质量分析提供参考依据。

关键词：变频系统;谐波分析;同步采集;数据处理

0 引言

现有的民用飞机交流电源系统共有3种，分别为恒速恒频交流电源系统（CSCF）、变速恒频交流电源系统（VSCF）以及变速变频交流电源系统（VSVF）。与其他两种电源系统相比，变速变频交流电源系统省去了恒速恒频交流电源系统中的恒速传动装置（CSD）以及变速恒频交流电源系统中的大功率变频器，且其只有一次能源变换过程，因此具有体积小、重量轻、效率高、结构简单以及可靠性高等优点。变频电源系统弥补了恒频装置带来的缺点和不足，提高了飞机电源系统的可靠性及效率，同时减轻了电源系统的重量，因而被空客、波音等众多航空公司所采用。

我国对民用飞机的研究起步较晚，在变频交流供电系统特性参数的测试上研究还比较少。开展变频条件下供电系统特性参数的测试原理与测量方法研究，设计一套适用于变频交流供电系统特性参数测试的自动测试系统，可为多电飞机在设计、生产、装配调试过程中及早发现问题、解决问题提供有效依据。同时，变频供电系统作为飞机机载设备正常运行的重要保障，十分需要对其进行快速有效的电能质量测试，因此针对变频交流供电系统展开电能质量检测的研究具有重要性和迫切性[1-2]。

1 系统设计架构

变频交流供电系统电能质量检测系统主要用于满足民用飞机电气网络试验需求，进行发电、配电和典型用电设备输入端的电气参数测试，分析飞机电气系统在稳态、瞬态、转换状态以及故障状态下的各种电气特性参数，以评估被测对象的性能是否满足相关标准和设计规范的要求。

测试系统的总体架构如图1所示。PXI机箱是测试系统的核心部分，集成了中央处理器、总线控制器、数据采集模块、内部存储设备等，可以根据用户的需求综合调控整个系统的工作。信号调理箱是电网与测试系统连接中的重要一环，被测信号通过调理电路完成信号的滤波、衰减，以达到数据采集板卡的幅值及测量精度要求。人机交互设备通过板卡的接口与测控计算机连接，便于测试人员对测试进行控制与观察。

本文所述飞机变频供电系统电能质量分析检测技术，主要解决飞机变频供电条件下所产生的四大问题：一是飞机供电系统结构复杂，供电系统的电能质量分析涉及大量通道的同时采集;二是测量飞机变频电压畸变频谱时，会因基波频率未知而造成滤波困难;三是为测量较高频率带宽，采用高速采集方式，导致数据分析量巨大、效率低下;四是飞机变频供电系统结构复杂，如何实现电网接触器状态变化下的实时存储以供电能异常原因的离线分析。本数据采集系统在LabVIEW平台下实现所有数据采集板卡的同步，将滤波器理论应用于畸变频谱分析中，使用数字陷波器的方法实现飞机变频电压基波的滤除，实现数字化滤波方式;同时采用队列的并行循环方式，将数据采集和数据处理分开执行，保证数据分析过程中不会出现溢出情况，提高了分析效率，同时结合Excel软件实时记录接触器状态变动，为飞机变频供电系统电能质量分析提供了新的方法。

2 系统设计方案

2.1    同步采集设计

在对飞机供电系统进行电能质量检测时，面临的首要问题是电网中电压等级较多，不同等级电压又涉及多个部件和汇流条的检测，同时还需兼顾各类交直电流检测，因而在同一时刻，需要大量通道进行数据采集，单块板卡已无法完成如此庞大的工作。如何实现板卡间的同步测量以利于各类数据间的对比分析显得尤为重要。实现多板卡测量同步，可以为三相电压电流的各个参数分析提供一个准确的数据来源，避免因为板卡不同步而造成的参数误差。本文在同步模拟数据采样时，将各类板卡分为主从两大类，选择一块板卡作为主板卡，提供波形同步的标准，其余板卡为从板卡，跟随主板卡同步波形。其软件设计流程图如图2所示。

图3为不同数据采集设备未加同步波形，图4为不同数据采集设备加同步波形，对比发现，通过主从板卡设置后，不同板卡在数据采集时实现了同步。

2.2    滤波设计

飞机变频供电系统的电压信号经调理电路衰减后，利用高速采集板卡进行数据采集。传统的恒频供电系统基波频率恒定，一般采用有源滤波器滤除基波，而飞机变频供电系统基波频率在360～800 Hz变化，本文通过将数字滤波方法运用在变频系统上实现变频系统的数据采集。具体设计如下：

编程调用“数字IIR滤波器”函数，设置IIR滤波器参数：拓扑结构为“Butterworth”，类型为“Bandstop”，阶数为4阶。因为变频交流供电系统的电压基频在360～800 Hz可变，所以滤波器的低截止频率和高截止频率也随基频变化而变化。预设合适的带宽范围，以基频为中心频率减去带宽的一半作为低截止频率，以基频为中心频率加上带宽的一半作为高截止频率[3]。图5为未经数字滤波前电压信号的幅频特性曲线，经数字滤波后得到电压信号的幅频特性曲线如图6所示，读取数值比较可见滤波器阻带内衰减增益为60 dB。

2.3    数据处理设计

飞机变频供电系统电能质量分析涉及大量的數据采集和分析，为了提高数据处理的效率，将基于生产者/消费者模板的应用程序运用在飞机变频供电系统电能质量分析上，采用队列的并行循环方式将数据采集和数据处理分开执行。这样当产生数据的速度比处理数据的速度快时，大量的数据存储到队列中缓冲，处理时再从队列中提取，避免了数据溢出等问题。传统分析在数据的数量上远远少于飞机变频供电系统电能质量分析的数据量，所以不存在使用生产者/消费者模式将数据存入队列的情况。

2.4    数字量存储设计

飞机变频供电系统中涉及大量的接触器，在对供电系统进行电能质量检测的过程中，飞机电网的各类接触器可能会在不同状态间切换，即会产生大量的接通与关断信息。当电能质量发生异常时，故障接触器的位置定位与时刻定位的快速性与准确性将直接影响实验人员对故障原因的分析与判断。为解决此问题，实现接触器数据的准确记录，构建了TDMS数据保存模式、数据采集模式和常用办公软件Excel之间的数据传输桥梁。具体方法是在测试过程中可以选择数据采集存储模式，利用TDMS存储模块对数据记录的路径、方式等进行设置，并且可以利用常用办公软件Excel打开并查阅具体数据，实现了在接触器状态变化情况下以Excel表格形式进行1/0形式记录，并保存变化时刻，以达到离线分析效果。表1为某次试验Excel表格所记录的数据，阅读表格可知接触器状态发生变化的时间与各类发生变化的接触器的编号。当检测到电网发生异常情况时，技术人员在事后可以通过保存的具体数据排查到故障发生的时间、接触器种类，以此来分析故障原因。

3 结语

为实现飞机变频交流供电系统的电能质量检测，本文提出了一种飞机变频交流供电系统电能质量分析技术。针对飞机变频供电系统稳态时的基波宽变频特性，设计了一套软件，可供实时分析与离线分析，并提供良好的人机互动界面。采用数字滤波技术实现变频条件下的基波滤除，并通過FFT算法分析计算出畸变频谱;利用多块不同类型板卡间同步采集技术，使得不同板卡间的所有采集通道实现同步采集;利用开关信号状态变换实时存储技术，可以真实反映某一时间电网中所有接触器的通断情况，为电能质量分析提供参考依据;基于生产者/消费者模式的大数据量分析技术，解决了在高速采集情况下可能出现的数据溢出问题。通过验证，该技术可以实现变频系统的电能质量测试。

[参考文献]

[1] 李伟.基于PC机下飞机供电系统参数测试及软件设计[D].南京：南京航空航天大学，2004.

[2] 张晓斌，于泉，郑先成.新支线飞机电网试验负载管理系统的设计与实现[J].计算机测量与控制，2008，16（7）：1004-1006.

[3] 刘妍.飞机变频交流供电特性参数测试技术研究[D].南京：南京航空航天大学，2013.

收稿日期：2020-11-08

作者简介：刘卫芳（1989—），女，山东东平人，硕士，工程师，研究方向：飞机配电。