142kVA军用交流移动电站智能测试系统设计与实现.pdf
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1、文章针对军用交流移动电站的测试需求,研制了一种142 kVA军用交流移动电站的智能测试系统,介绍了该系统的硬件组成和软件设计特点。该系统以控制单元和DSP高速多通道同步采集卡为核心,通过对三相电压、电流的高速、高精度采集,结合LabVIEW平台下开发的测试软件,实现了满足移动电站测试要求的智能测试系统。经实际应用证明该智能测试系统具有测试结果准确,自动化程度高,工作稳定可靠,操作简便安全,能够灵活展开和转移的特点。关键词:军用交流电站;智能测试系统;稳态测试;瞬态测试;LabVIEWDoi:10.3969/j.issn.1003-4250.2023.02.012中图分类号:TM624文献标志码
2、:A文章编号:10 0 3-42 50(2 0 2 3)0 2-0 0 48-0 71引言军用交流移动电站是现代武器系统中不可或缺的电力保障设备,直接关系各类武器平台作战效能的发挥 。因此,为了保证军用交流移动电站的电气性能稳定可靠,无论是其研发、生产调试、出厂检验和维修保障都需要进行严格的测试,确保其各项功能、性能指标 2 1-5。目前,由于军用电站型号多、品种复杂,针对军用交流电站的负载测试设备存在体积大、难以移动转场、负载复用率低、测试通用性差等问题 6 -7 。随着武器装备信息化建设的进一步推进,急需一种测试简单高效、复用率高,通用性好、体积小巧、测试准确度高的军用电站智能测试系统。本
3、文设计了一种军用交流移动电站智能测试系统,系统以功能单元模块化的方式进行设计。在LabVIEW平台下,以虚拟仪器技术和软面板交互技术,实现了快速自动模拟负载加载,高速数据采集及实时数据处理功能。该智能测试系统在实际应用中展开迅速,操作简便,测试准确,为军用电站的设计生产人员、后勤技术保障人员在军用移动电站的设计生产、出厂检验以及各类后勤保障性能测试及故障诊断任务中提供便利。2系统组成及功能本智能测试系统支持对军用交流移动电站的主要性能测试流程及主要测试项的全面自动化设计,使测试人员仅通过人机操作接口选择搭配测试流程及待测参数,实现准确、高效、便捷的测试工作。根据国军标GJB1488-1992规
4、定,测试系统能够进行稳态参数测量、瞬态参数测试 8-9 ,并显示或打印波形曲线、波形分析图表等测试结果。测试系统具备三相电压显示、三相电流显示、交流总功率显示、交流频率显示功能,能够按照测试功率要求自动配置0.7 1功率因数的负载,并自动按照设定功率的0、2 5%、50%、7 5%、10 0%、7 5%、50%、25%、0 的顺序自动加减载测试。同时,测试系统能够按照设定功率的0 10 0%突加载、10 0%0 突减载测试。测试人员可以在上述测试流程中读取交流发电装置的电压、频率、功率因数、有功功率、无功功率,以及电压稳态调整率、频率稳态调整率、电压波动率、频率波动率、电压瞬态调整率及稳定时间
5、,频率瞬态调整率及稳定时间 10 ,线电压畸变率、电压总谐波含量和2 50 次谐波含量等关键量值。本智能测试系统的硬件组成如图1所示,该系49移动电源原与车辆2023年第2 期统主要由控制单元、信号调理采集单元、负载分配单元实现对交流移动电站的测试。此外系统还有人机交互界面、主备供电单元、温度控制单元等辅助组成模块 11-14 220V/50Hz工频市200V/400Hz电系统供电被测移动电站备份G电源远程1电压电流传感器PCI控制单元一同步本地4电阻式采集工控机模块触控屏幕RS-485信号调理断采集单元本地手动PLC控制面板控制系统工作电源配电控制中间控制继电器相序阵列自动切换中间控制温度继
6、电器传感器接触器散热风机阵列阵列负载分配单元图1系统硬件组成控制单元是本智能测试系统的控制核心,能够部署测试软件,主要负责测试过程中的负载加载、电压电流信号采集处理、人机界面输入输出的主要功能。控制单元通过其PLC系统控制特定的中间继电器阵列控制负载分配单元,根据测试人员控制软件上配置的测试过程把相应的阻性负载、感性负载正确加载。信号调理单元则及时将被测移动电站各相电流、电压信号通过同步ADC采集模块经PCIe总线传递回控制单元的本地工控机,通过测试软件对主要被测电压、频率、功率因数、有功功率、电压调整率、谐波等数据进行计算和记录,并实现数据、图表的展示和打印。系统控制方式灵活多样,用户可以通
7、过控制单元的本地工控机触摸屏、键鼠组合等输入设备操作测试软件完成标准自动测试流程,也可以通过控制单元的预留以太网口,使用部署有测试软件的远程PC机完成上述测试。此外,测试人员可以通过本地按键编组完成基本的阻性负载、感性负载加载,实时查看测试结果。本智能测试系统正常工作时由市电供电,无市电时可自被测对象取电,通过系统备份电源供电,保证正常测试工作。系统中有闭环控温的散热风机阵列,确保连续满负荷运行时能够及时散热。本智能测试系统上部安装密封防雨檐结构,适应恶劣环境。其下部安装有移动脚轮,便于测试人员根据需要对测试系统进行转场作业,其系统外观如图2。图2系统外观3系统硬件设计3.1负载分配单元设计测
8、试系统能够实现功率因数0.7(滞后)1的配置,电感负载按0.1kVar步进加载,且电阻负载按0.1kW步进加载。因此,每相电阻负载和电感负载均采用并联分档投掷方式实现负载步进加载,采用接触器来控制负载档位投掷。被测移动电站接线方式为三相三线制,负载采用角型接线方式。设计时按照不小于111kW的有功功率裕量进行设计,阻性负载共分12 档,见表1。表1电阻负载分段加载编组设计配置功率0.1kW0.2kW0.2kW0.5kW1kW2kW2kW5kW10kW20kW20kW50kW档位档位档位档位档位档位档位档位档位档位档位档位档位AB相阻值/21200600600240120606048484848
9、48BC相阻值/Q120060060024012060604848484848CA相阻值/2120060060024012060604848484848数量/支3333333612242460502023年第2 期与车辆移动电源电阻负载组合共需要接触器36 个,控制这些开关的状态很容易获得平衡负载时功率的0%、25%、50%、7 5%、10 0%、7 5%、50%、2 5%、0%等负载组合;通过不平衡地投掷控制每相的负载就可以模拟不对称负载的加载状态;同步断开全部接触器即可实现10 0%0 的突减载。由于负载有功功率要求不小于10 0 kW,根据下式计算电感负载。S(1)(2)上式中S代表视在
10、功率,P代表有功功率,Q代表无功功率,为功率因数。P这里取10 0 kW,取0.7,可以求出无功功率Q取值约为10 2 kvar。电感负载按0.1kVar步进加载,设置电感负载组合见表2。由表2 可知,感性负载加载共需要接触器36个,电感负载无功功率总和为111kVar可以实现功率因数0.7 1的设置。负载分配单元接受来自控制单元的指令实现自动加载、减载动作,是实现对被测移动电站准确测量的基础。每档负载回路采用接触器一熔断器控制保护模式。3.2信号调理采集单元信号调理单元主要由对被测移动电站三相输出进行信号采集的3个电压传感器、3个电流传感器以及具有6 通道同步采集功能的ADC采集卡组成。为了
11、确保对被测移动电站进行精确的三相输出电流和电压测量,ADC采集卡必须能够同时对6个通道(3个电压和3个电流)进行同步采样,才能使得采集的数据有意义,从而据此计算单次谐波等量值 15-16 。本测试系统采用了一款单独设计的 6通道同步ADC采集卡,以DSP为核心各通道的转换完全严格同步,转换后的数据采用数据保持,确保了数据的准确性 17 。为了能够采集被测移动电站的50 次谐波,该采集板卡具备16 位采样分辨率以及50 0 kS/s/ch的高速采样速率。该采集卡支持PCIe总线,可以安装在系统本地工控机的PCIe插槽中。电压传感器精度0.1%(Ta=+25),电压测量范围为10 0 0 V,输出
12、电压为10 V,其失调电压为5mV,响应时间1uS,其响应带宽为0 30 0 kHz。电流传感器原边额定电流为30 0 A,原边过载电流为土6 0 0 A,额定输出电流为土2 0 0 mA,精度为0.0 1%(T a=+2 5),其动态响应时间1uS,带宽为0-300kHz。两种传感器具有检测精度高,响应速度快,带宽适用的特点,实际应用中也很好地实现了设计目的。3.3控制单元设计控制单元是系统中枢,控制单元的工作原理如图3所示。表2电感负载分段加载编组设计配置功率0.1kvar0.2kvar0.2kvar0.5kvar1kvar2kvar2kvar5kvar10kvar20kvar20kvar
13、50kvar档位档位档位档位档位档位档位档位档位档位档位档位档位AB相阻值477.465238.732238.73295.49347.75023.87023.8709.5504.7752.3872.3870.955/mHBC相阻值477.465238.732238.73295.49347.75023.87023.8709.5504.7752.3872.3870.955/mHCA相阻值477.465238.732238.73295.49347.75023.87023.8709.5504.7752.3872.3870.955/mH数量/个33333333333351移动电源原与车辆2023年第2
14、期本地以太网以太网远程PC工控机RS-485交换机RS-485以太网HUB以太网RS-485数显RS-485本地PLC本地PLC表头CPU1CPU2DIO-1DIO-2DIO-3DIO-4开关量输出用于负载加载控制报警巡检DI图3控制单元原理控制单元主要由本地工控机及PLC组成。工控机支持PCIe总线插槽,可以安装信号采集调理单元的同步ADC采集卡。PLC共使用2 个,其中CPU1主要接受本地工控机的指令实现加减载功能的自动化、智能化;CPU2实现巡检和保护功能。CPU1搭配4块开关量模块提供7 2 路继电器DO输出控制电阻、电感负载组合的加载。CPU1通过RS485-HUB与工控机的RS48
15、5接口卡相连,以Modus-RTU协议互相通信,CPU1接收上位工控机的控制指令。同时,CPU1与本地数码显示表头以RS-485接口连接刷新基本显示数据。CPU2配套扩展数字量输入模块,用于接受巡检报警的开关量输入。此外,工控计算机、CPU1及CPU2以网络交换机互联,实现基于Modbus-TCP通讯协议的互联控制,远程PC也可以通过交换机接入控制回路,进行远程控制和检测。4软件设计在对移动电站的各项标准测试过程中,涉及大量的数据采集与计算、特征提取与分析、波形变换与显示过程,采用LabVIEW虚拟仪器技术,借助其集成化开发环境、交互式编译方法、丰富的控件资源以及库函数(如FFT,矩阵计算等)
16、,极大地提高了开发效率。4.1系统软件组成测试软件主要包括虚拟仪表面板(测试页面)、负载分配单元控制单元、数据采集与数据处理单元以及数据输出与管理模块。测试软件运行高效,使用便捷,显示简洁明了。软件整体框架设计采用生产者-消费者模式,开辟出三个线程:线程一:处理与PLC的串口通信,发送指令完成负载组合加载和卸载动作的控制;线程二:处理数据采集(三相电压、三相电流等基本数据)和算法处理(包括频率,瞬态和稳态调整率、波动率等算法以及谐波分析等);线程三:用来处理数据存储和读取。系统主程序流程图如图4所示。开始可不设定通信串口设定选择默认指标设定N连线N文Y启动风机Y稳态测试瞬态测试测试记录N离线Y
17、N是否退出Y结束图4系统主程序框图4.2虚拟仪表面板LabVIEW软件控件资源丰富,非常便于生成虚拟仪表面板,用于实时显示经过计算处理的测试数据,这些数据经过采集接口、数据采集与数据处理单元在虚拟面板上实时刷新。各类测试结果以图表、码盘、波形、曲线的方式实时显示,非常适合用作清晰明了的输入输出人机交互。测试软件的典型人机交互面板界面分别如图5、2023年第2 期52与车辆移动电源图6、图7、图8、图9 所示。超通行舒网100200特翻丰旺行机裁试编无当负叔无预设负载4001SaVA办事图5主测试界面波形罐停打印连续曲线清空全部曲线电压曲线电流曲线功车曲线功率因数曲线频率曲线4000380038
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- 142 kVA 军用 交流 移动 电站 智能 测试 系统 设计 实现
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