交直流电量高速同步监测系统研究与应用

王 录 刘彦强 陈 朋 李 睿

交直流电量高速同步监测系统研究与应用

王 录 刘彦强 陈 朋 李 睿

（中国酒泉卫星发射中心，兰州 732750）

针对交直流电力电量混合系统在航天发射、卫星测控等场景中的应用越来越广泛的现状，为满足系统性能调试和运行状态评估需求，可靠保障航天发射和卫星测控设备关键系统的稳定运行，本文采用数字信号处理（DSP）技术研制完成14通道高精度无间隙交直流电力电量监测系统。通过在励磁发电机组特性试验、不间断电源（UPS）电池放电测试、高精度测控设备直流伺服系统机电性能测试等项目中的应用证明，该监测系统可提高发电机组性能测试精度，降低传统测试方法的风险，通过数据深度分析协助发现隐藏在卫星测控设备机械系统中的运行缺陷。

发电机组；同步；测控；监测；伺服

0 引言

现代航天发射场已经成为各种交直流混合电子电力设备最广泛的应用场景之一，各大型电力电子设备如运载火箭燃料加注系统中的可控硅（silicon controlled rectifier, SCR）软启动器、相控阵雷达、大型光电经纬仪、核心计算服务器、通信设备等得到高密度部署应用。基于载人航天飞行等重大任务的高可靠性供电要求，处于长距离输电尾端的航天发射场供电网通常配置有故障时刻实现电压支撑的汽轮发电机组[1]。考虑到关键核心计算服务器和通信设备的可靠运行和数据安全，大型在线式双变换不间断电源（uninterruptible power supply, UPS）成为航天发射场关键核心负荷供电保障标配[2]。另外，大型脉冲雷达、相控阵雷达为实现天线、阵面目标的精确驱动控制，都配备有不同类型的三相交流转受控可调直流的伺服驱动功率驱动器[3]。各风光储新能源电站，都配备有交直流混合的双向变流器[4]。

以上各类型电力电子设备均存在三相交流电压、三相交流电流、直流电压、直流电流等相互关联的交直流电力电量。为确保各关键设备安全可靠运行，便于故障时刻定位和原因分析，迫切需要实现各种交直流电力电量的同步高速监测和24h连续高速记录。通过关联各电力电量关系，能够及时掌握各交直流设备运行状态；通过对交直流电量数据进行深度分析，可以发现隐藏在交直流设备内部的安全隐患，从而使各设备以最佳状态运行。

文献[5]应用可编程逻辑控制器（programmable logic controller, PLC）及模拟信号扩展单元，采集水轮发电机组的3种振动信号进行分析，用于监测水轮机组运行工况，其主要不足是该类型监测数据采集由PLC程序读取驱动，因此数据定时和采集密度受限，关键时刻可能出现故障振动信息漏采缺陷。文献[6]通过将24bit分辨率、128kS/s采样率的监测装置应用于高压并联电抗器振动运行工况分析，采用电抗器历史与当前采集数据纵向比对的分析方法，监测高压电抗器的运行工况，其主要不足是采样率未与电网运行频率严格同步，因此通过监测系统监测的振动工况无法与电气参数紧密关联，不能全面反映系统运行工况。

本文采用数字信号处理（digital signal pro- cessing, DSP）技术研制完成14通道交直流混合电量高速同步监测系统，通过锁相环方式使监测系统数据采样率严格与交流电源系统频率同步，实现交直流电力电量最短10ms（半个电网周波）、最长160ms（8个电网周波）无缝隙高密度监测，紧密关联反映系统运行工况的参量与系统运行频率，最后通过系统在发电机组试验、UPS逆变器测试、测控设备伺服驱动系统运行工况监测中的应用，表明其在交直流电力电量场景中的应用价值。

1 电力电量采集通道配置

1.1 自并励汽轮发电机组特性试验监测

部署于航天发射场的自并励直流励磁汽轮发电机组，重大任务前需要对其励磁机的空载和负载特性、发电机的空载和短路特性进行测试[7]。测试工况下需同时对直流励磁机自并励电压和电流、发电机励磁电压和转子电流、发电机端相电压、发电机端电流多个交直流电量进行同步测试。汽轮发电机组特性试验同步观测信号见表1。

发电机组特性测试往往需多名技术人员协同参与，不仅要物理分解励磁机输出线路测量励磁电流，还要同时观察多个直流电压和电流、交流电压和电流计量仪表，耗费人力多、试验过程长、判读精度和同步性较差，直接影响对空载特性和短路特性曲线的准确拟制，无法精确地测定发电机同步电抗，甚至可能出现物理分隔励磁线路过程中由于疏忽而引起发电机失磁的重大故障。

表1 汽轮发电机组特性试验同步观测信号

1.2 双变换不间断电源放电测试监测

双变换UPS是能够提供持续、稳定、不间断的交流电的重要电源设备，其主要由电池组、整流器、电池变流器、逆变器等组成[8]，具有应急情况下提供能源输出的直流电池组和将直流转换为交流的逆变器。在线式双变换UPS组成框图如图1所示。

图1 在线式双变换UPS组成框图

整流器实现三相交流到直流的变换，电池变流器实现电池电压与整流电压的协调转换，逆变器通过其脉宽调制（pulse width modulation, PWM）和绝缘栅双极晶体管（insulated gate bipolar transistor, IGBT）实现直流至交流电压的稳定调节和变换。为准确掌握UPS供电能力，同时为确保电池组良好工作状态，需定期对电池充放电能力进行准确评估，此时需进行交直流电力电量的同步观测。在线式双变换UPS同步观测信号见表2。

表2 在线式双变换UPS同步观测信号

1.3 抛物面天线功率驱动器状态监测

在航天发射场各大中型测控设备中，为实现雷达等精密测控设备的抛物面天线的高精度和极低转速精准快速控制，一般选择高精度直流伺服电动机作为动力元件，因此伺服功率驱动器在实现三相交流到可控直流的过程中存在交直流转换，系统的部分机电运行工况可由交直流电量的频谱信息体现。图2为常见的三相零式可逆功率驱动器[9]，大功率伺服功率驱动器同步观测信号见表3。

图2 三相零式可逆功率驱动器

表3 大功率伺服功率驱动器同步观测信号

2 DSP交直流混合电量监测系统设计

该交直流电力电量监测系统由高速同步监测前端和交直流电量分析记录软件两部分组成。交直流电量混合监测系统组成如图3所示。

其中，高速同步监测前端配置实现电量信号隔离和敏感功能的信号整理板、实现各电量高速同步锁相和采集发送的DSP采集板及电源等部件；交直流电量分析记录软件在通用计算平台运行，实现交流电力事件无缝隙分析和故障录波、交直流电力电量参数计算和存储、各电量曲线的关联和绘制。系统对电量事件的监测分辨率达到10ms，可实现对电力系统、交直流混合系统运行工况的实时在线监测。

图3 交直流电量混合监测系统组成

2.1 信号整理板传感器配置

信号整理板共配置4个交流电流、5个交流电压、2个直流电压、2个直流电流、1个4～20mA规格隔离电量高精度传感器，实现共14个隔离电量信号的高速同步监测。

2.2 DSP信号采集主板设计

采集主板配置有数字信号处理器（digital signal processor, DSP）、RS 485总线和RS 232串口、以太网接口、16路同步模拟量AD（analog to digital）转换芯片、静态随机存取存储器（static random access memory, SRAM）、闪存（flash）、先入先出（first input first output, FIFO）、复杂可编程逻辑器件（complex programmable logic device, CPLD）等芯片[11]，主要实现交流电压、交流电流、直流电压、直流电流、4～20mA传感器共14路传感器输出模拟信号的调理、抗混叠滤波、数字化及网络发送功能。DSP采集板锁相环示意图如图4 所示。

为实现谐波高精度测量，AD转换设计有外同步工作模式和内同步工作模式。外同步模式可以选择ABC三相电压和ABC三相电流为锁相基准，内同步模式选择监测前端DSP微型处理器计数器产生触发监测脉冲，与电网频率不存在同步关系。监测系统处于测量工作模式时，通过软件界面可以选择外同步工作模式，此时AD采样频率是在交流电压真实频率基础上锁相产生，因此AD采样脉冲与交流电压波形严格同步，减少了AD采样的频谱泄漏，从而提高了系统谐波测量快速傅里叶变换（fast Fourier transform, FFT）精度。

图4 DSP采集板锁相环示意图

为便于系统24h连续监测，监测系统设计了电流通道增益调节、采样率选择、自适应和非自适应工作模式、交流电量有效值计算点数选择等功能，显著提高了监测系统对现场运行环境的适应性和连续监测免干预性能。

2.3 监测精度分配及估算

直接影响监测系统精度的因素主要有外部电流互感器精度、监测装置内的电压传感器精度、电流传感器精度、AD采样精度、算法精度及其他因素。

1）直接测量参数精度估算

为保证电压、电流直接测量电量的精度和电压、电流有效值及其他功率、功率因数等间接测量参数的精度，不考虑监测装置外部电流传感器精度的直接测量参数精度估算见表4。

采用方均根合成方式，从表4可以看出，只要位于监测装置外部的电流互感器的运行电流到达额定数值的20%以上，则直接测量电压、电流瞬时相对误差满足小于1%的测量精度要求。

表4 直接测量参数精度估算

2）间接测量参数精度估算

对于间接测量参数如电压、电流有效值，计算公式为

式中：rmsi、rmsi分别为电压、电流有效值；为FFT计算点数；u为相第点电压同步采样瞬时值；i为相第点电流同步采样瞬时值。假设电压、电流瞬时值相对误差分别为seu、sei，以下利用同步采样电压、电流瞬时值相对误差计算相电压有效值、相电流有效值相对误差。

同理可知，电压、电流有效值相对误差与瞬时值相对误差一致。

3）电压、电流有效值监测精度

通过在不同场景应用比对测试，监测装置交流电压、交流电流有效值实时监测精度见表5。

表5 交流电压、交流电流有效值实时监测精度

2.4 电量分析软件主要功能

电量分析软件通过以太网用户数据报协议（user datagram protocol, UDP）与同步监测前端进行高速数据交换，实现包括三相电压有效值、三相电流有效值、三相有功功率、视在功率和功率因数、电网频率、每相电压、电流的各次谐波含量及谐波总畸变率、奇次谐波总畸变率、偶次谐波总畸变率、谐波含有率、三相电压、电流的不平衡度等参数的实时无缝隙监测[12]；实现直流电压、直流电流采样数据的滤波和零偏纠正；实现各电量参数关联曲线绘制功能；实现高速监测交流电压电能质量事件并完成故障录波功能。

24h连续不间断参数密度可以选择为半电网周波10ms、电网周波20ms、2电网周波40ms、4电网周波80ms和8电网周波160ms，按照电能参数计算规范，默认情况选择8电网周波160ms进行交直流电量参数无缝隙记录。

为快速捕获电压跌落等事件，分析软件采用半周波有效值监测方法实现电压跌落事件的无缝隙监测。电压跌落事件录波如图5所示，半周波电压有效值跌落深度如图6所示。

图5 电压跌落事件录波

图6 半周波电压有效值跌落深度

3 发电机组特性试验监测应用

发电机正常运行时，励磁控制器工作在电压闭环模式，发电机励磁控制器根据采集到的发电机电量参数，计算出占空比，形成相应的触发脉冲，驱动IGBT功率开关，实现对励磁机输出电压L的控制，从而改变发电机转子电流F，达到调节发电机定子电压和无功功率的目的。

发电机组特性试验时控制器设置在恒角度模式，手动调整占空比，实现对励磁电流、励磁机端电压、发电机转子电流、发电机端电压的控制。

3.1 发电机组特性试验中电流监测

励磁机空载特性、励磁机带载特性试验不再分解励磁机直流电流回路，发电机短路特性试验不再分解三相定子电流回路，实现了各特性试验的快速无接触在线监测。发电机空载特性试验曲线如图7所示，发电机短路特性试验曲线如图8所示。

图7 发电机空载特性试验曲线

图7中的上升、下降测试曲线明显存在磁滞特性，图8中的发电机短路特性曲线的线性特性与物理特性一致。

图8 发电机短路特性试验曲线

3.2 三相绕组的电流、电压相位特性监测

采用整周期FFT测量定子电压和定子电流相位。假设该电网电压信号采用M级截断傅里叶级数近似表示为

固定频率采样模式下的和见表6。

表6 固定频率采样模式下N和M

令

则

基于上述原理，该交直流电量监测装置实现了监测发电机定子三相绕组电压和电流相位特性的功能。三相短路特性试验中的定子电流相位特性曲线如图9所示。

从图9可知，发电机三相定子电流相位差平均值分别为120.110°、120.699°、119.191°，弥补了原人工测试中无法监测定子电流相位的缺陷。

3.3 发电机同步电抗计算测定

1）空载和短路特性函数拟合

为便于利用发电机的空载和短路特性求得发电机同步电抗，利用Matlab基于最小二乘原理对试验结果进行曲线拟合，得到拟合空载特性和短路特性函数。

发电机三相短路时，端电压为零，短路电流仅和自身阻抗有关。根据实际测定，电枢电阻远小于同步电抗，可以忽略不计，因此短路电流近似为纯感性，电枢磁动势为纯去磁作用的直轴磁动势。所以，发电机三相短路时气隙的合成磁动势很小，使电机的磁路处于不饱和状态，短路特性为一条过原点的直线。

根据短路特性试验数据，得到短路特性曲线函数为

式中：为短路电流；L为励磁电流。

利用空载特性的初始试验数据，可得到磁路不饱和时机端相电压和励磁电流的函数关系（即气隙线）为

式中，0为发电机输出机端相电压。

实际运行时，发电机的主磁路会出现饱和，利用完整空载特性试验数据得到空载特性曲线函 数为

根据以上函数拟合结果，绘制出发电机短路特性、空载特性及气隙线的曲线如图10所示。

2）同步电抗计算

4 不间断电源监测测试

考虑到航天发射与测控领域应用场景复杂、安全等级要求高等因素，目前UPS电池组主要以铅酸蓄电池为主。由于主要承担应急状态下供电，因此蓄电池大多数处于长期的浮充电状态下。大量运行统计资料表明，长期处于浮充状态会造成蓄电池的阳极极板钝化，使蓄电池内阻急剧增大、蓄电池的实际容量远低于其标准容量，最终导致蓄电池所能提供的实际后备供电时间大大缩短，减少其使用寿命[13]。因此，为克服以上不利因素、维持蓄电池良好工作状态，一般每半年进行一次假负载深度容量测试放电。

在蓄电池容量放电测试中，需要测定交流电压、交流电流和电池组直流电压、直流电流。同时，此测试过程还可以完成UPS逆变器效率等参数的测试。某250kV∙A不间断电源配置(40×150A∙h)×2电池组，采用90kW阻性负载进行放电深度和逆变器效率测试。电池组放电深度测试数据见表7，UPS逆变器效率测试数据见表8。

表7 电池组放电深度测试数据

表8 UPS逆变器效率测试数据

额定电压220V下，受内部安装高精度电流传感器、电压传感器及0.5kW步进功率闭环控制等环节影响，90kW阻性负载额定功率能够精确控制在1%误差之内。Ⅰ类不间断电源在各种负载情况下的输出电压控制精度均在1%之内，交直流电量采集监测系统的电压、电流精度均小于1%。按照二项式精度综合理论，放电深度测试和逆变器效率测试的综合精度小于1.73%。

由表7、表8可知，放电测试过程中，UPS负载在6min之内就加到90kW，因此整个电池组的放电速率可以采用90kW交流负载时的放电速率，即204/2/150=0.68，通过查询电池放电曲线，可以得到此放电速率下理论放电安时数为88.5A∙h，实际放电安时数为64.65A∙h，则放电深度为64.65/88.5= 73.05%。

通过计算各放电时段直流功率与交流功率的比值，可以测得该UPS实际逆变器平均效率为92.8%。

5 抛物面天线功率驱动系统监测

测控设备直流伺服系统主要负责将交流供电转化为可控的直流电压源，从而调整直流电机电枢电压控制天线转速，达到自动跟踪不同飞行速度空间目标的能力。其存在与发电机组类似的三相交流电压、三相交流电流、直流电压、直流电流等电力电量的监测需求。

其中，三相零式可逆功率驱动器目前在大型测控设备中的应用较多。通过不同数量功率驱动器的组合，可以组成单电机驱动伺服系统和双电机驱动伺服系统。双电机驱动系统如图11所示，主要由直流伺服电动机、减速箱、大齿轮及天线负载等 组成。

图11 双电机驱动系统

从图11可见，该伺服系统内部存在交流电压、交流电流及直流电压、直流电流。通过电量监测系统，监测直流电机的电流d1、d2并进行FFT频谱分析，可以确定伺服系统的各关键部件工作情况。

通过采用该监测系统对两台机械结构类型一致的10m和5.5m抛物面天线功率放大器的交流电压、电机直流电压、电机直流电流进行高密度监测，将其中的电机直流电流进行FFT频谱分析，得到10m、5.5m天线直流电机12.8kHz频谱分别如图12（天线运行速度2.01°/s，机械系统理论频率5.032Hz）、图13（天线运行速度4.16°/s，机械系统理论频率3.42Hz）所示。

图12 某10m天线直流电机12.8kHz频谱

图13 某5.5m天线直流电机12.8kHz频谱

从图12和图13可见，驱动10m天线的直流电机电流12.8kHz采样时主频谱为5.138Hz，与理论机械频谱基本一致，其余频谱主要成分为供电系统50Hz及其谐波的频谱。而驱动5.5m天线直流电机直流电流12.8kHz采样中主频谱并非理论转速频谱3.42Hz，其余无法解释的复杂频谱分量为主要成分。由此可见，5.5m天线驱动系统的直流电机运行状态存在较大不确定性，通过对该伺服系统的机电部件进行检查和维护，使伺服系统整体性能得到改善。

6 结论

本文通过综合应用物理隔离的传感器技术和数字信号处理技术，研制完成的交直流电力电量高速同步监测系统能够高密度同步获取各交直流混合系统各种电量的关联变化。获取的发电机特性试验数据拟合曲线与发电机空载和短路理论特性一致，测得的发电机饱和同步电抗符合同类型发电机参数，为分析静态稳定性提供了可靠数据来源。另外，借助该监测系统改进了交直流混合电力电子设备的测试监测技术，从而可准确掌握交直流混合电力电子设备的内部运行工况，提高运行特性的测试精度，消除传统测试方法耗时耗力、风险大的缺陷，整体提高现代航天发射场先进电子电力设备的运行维护水平，确保各种载人飞行任务和卫星发射中电力电子设备的可靠稳定运行。

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Research and application of high speed synchronous monitoring system for alternating current and direct current hybrid electricity systems

WANG Lu LIU Yanqiang CHEN Peng LI Rui

(Jiuquan Satellite Launch Center in China, Lanzhou 732750)

This article focuses on the increasingly widespread practical needs of AC/DC hybrid electricity systems in various scenarios such as space launching, satellite measurement and control. In order to meet the needs of the performance debugging and operational status evaluation of AC/DC hybrid electricity systems, reliably ensure the stable operation of key systems for space launching and satellite measurement and control, a 14 channel high-precision and gapless AC/DC electricity monitoring system is developed by using digital signal processing (DSP) technology. The application of this monitoring system in performance test of excitation generator sets, test of uninterruptible power supply (UPS) battery discharge, and the electromechanical performance test of high-precision measurement and control equipment DC servo system shows that it can improve accuracy of the performance testing of generator sets, reduce the risks of traditional testing methods, and help to discover hidden operational defects in the mechanical systems of satellite measurement and control equipment through deep data analysis.

generator set; synchronization; measurement and control; monitoring; servo

中国酒泉卫星发射中心“发电机特性试验装置与数据分析研究”（20190103FD001）

2023-05-08

2023-06-16

王 录（1971—），男，甘肃兰州人，硕士，正高级工程师，研究方向为雷达伺服控制系统、雷达供电。