飛機(jī)變頻供電系統(tǒng)多通道數(shù)據(jù)測(cè)試技術(shù)研究

摘 要：針對(duì)變頻供電系統(tǒng)，提出了一種電能質(zhì)量檢測(cè)分析測(cè)試方法。采用數(shù)字濾波技術(shù)實(shí)現(xiàn)變頻條件下的基波濾除，并通過(guò)FFT算法分析計(jì)算出畸變頻譜;通過(guò)多塊不同類(lèi)型板卡間同步采集技術(shù)，使得不同板卡間的所有采集通道實(shí)現(xiàn)同步采集;利用開(kāi)關(guān)信號(hào)狀態(tài)變換實(shí)時(shí)存儲(chǔ)技術(shù)，可以真實(shí)反映某一時(shí)間電網(wǎng)中所有接觸器的通斷情況，為電能質(zhì)量分析提供參考依據(jù)。

關(guān)鍵詞：變頻系統(tǒng);諧波分析;同步采集;數(shù)據(jù)處理

0 引言

現(xiàn)有的民用飛機(jī)交流電源系統(tǒng)共有3種，分別為恒速恒頻交流電源系統(tǒng)（CSCF）、變速恒頻交流電源系統(tǒng)（VSCF）以及變速變頻交流電源系統(tǒng)（VSVF）。與其他兩種電源系統(tǒng)相比，變速變頻交流電源系統(tǒng)省去了恒速恒頻交流電源系統(tǒng)中的恒速傳動(dòng)裝置（CSD）以及變速恒頻交流電源系統(tǒng)中的大功率變頻器，且其只有一次能源變換過(guò)程，因此具有體積小、重量輕、效率高、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單以及可靠性高等優(yōu)點(diǎn)。變頻電源系統(tǒng)彌補(bǔ)了恒頻裝置帶來(lái)的缺點(diǎn)和不足，提高了飛機(jī)電源系統(tǒng)的可靠性及效率，同時(shí)減輕了電源系統(tǒng)的重量，因而被空客、波音等眾多航空公司所采用。

我國(guó)對(duì)民用飛機(jī)的研究起步較晚，在變頻交流供電系統(tǒng)特性參數(shù)的測(cè)試上研究還比較少。開(kāi)展變頻條件下供電系統(tǒng)特性參數(shù)的測(cè)試原理與測(cè)量方法研究，設(shè)計(jì)一套適用于變頻交流供電系統(tǒng)特性參數(shù)測(cè)試的自動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)，可為多電飛機(jī)在設(shè)計(jì)、生產(chǎn)、裝配調(diào)試過(guò)程中及早發(fā)現(xiàn)問(wèn)題、解決問(wèn)題提供有效依據(jù)。同時(shí)，變頻供電系統(tǒng)作為飛機(jī)機(jī)載設(shè)備正常運(yùn)行的重要保障，十分需要對(duì)其進(jìn)行快速有效的電能質(zhì)量測(cè)試，因此針對(duì)變頻交流供電系統(tǒng)展開(kāi)電能質(zhì)量檢測(cè)的研究具有重要性和迫切性[1-2]。

1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)架構(gòu)

變頻交流供電系統(tǒng)電能質(zhì)量檢測(cè)系統(tǒng)主要用于滿(mǎn)足民用飛機(jī)電氣網(wǎng)絡(luò)試驗(yàn)需求，進(jìn)行發(fā)電、配電和典型用電設(shè)備輸入端的電氣參數(shù)測(cè)試，分析飛機(jī)電氣系統(tǒng)在穩(wěn)態(tài)、瞬態(tài)、轉(zhuǎn)換狀態(tài)以及故障狀態(tài)下的各種電氣特性參數(shù)，以評(píng)估被測(cè)對(duì)象的性能是否滿(mǎn)足相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)和設(shè)計(jì)規(guī)范的要求。

測(cè)試系統(tǒng)的總體架構(gòu)如圖1所示。PXI機(jī)箱是測(cè)試系統(tǒng)的核心部分，集成了中央處理器、總線(xiàn)控制器、數(shù)據(jù)采集模塊、內(nèi)部存儲(chǔ)設(shè)備等，可以根據(jù)用戶(hù)的需求綜合調(diào)控整個(gè)系統(tǒng)的工作。信號(hào)調(diào)理箱是電網(wǎng)與測(cè)試系統(tǒng)連接中的重要一環(huán)，被測(cè)信號(hào)通過(guò)調(diào)理電路完成信號(hào)的濾波、衰減，以達(dá)到數(shù)據(jù)采集板卡的幅值及測(cè)量精度要求。人機(jī)交互設(shè)備通過(guò)板卡的接口與測(cè)控計(jì)算機(jī)連接，便于測(cè)試人員對(duì)測(cè)試進(jìn)行控制與觀(guān)察。

本文所述飛機(jī)變頻供電系統(tǒng)電能質(zhì)量分析檢測(cè)技術(shù)，主要解決飛機(jī)變頻供電條件下所產(chǎn)生的四大問(wèn)題：一是飛機(jī)供電系統(tǒng)結(jié)構(gòu)復(fù)雜，供電系統(tǒng)的電能質(zhì)量分析涉及大量通道的同時(shí)采集;二是測(cè)量飛機(jī)變頻電壓畸變頻譜時(shí)，會(huì)因基波頻率未知而造成濾波困難;三是為測(cè)量較高頻率帶寬，采用高速采集方式，導(dǎo)致數(shù)據(jù)分析量巨大、效率低下;四是飛機(jī)變頻供電系統(tǒng)結(jié)構(gòu)復(fù)雜，如何實(shí)現(xiàn)電網(wǎng)接觸器狀態(tài)變化下的實(shí)時(shí)存儲(chǔ)以供電能異常原因的離線(xiàn)分析。本數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)在LabVIEW平臺(tái)下實(shí)現(xiàn)所有數(shù)據(jù)采集板卡的同步，將濾波器理論應(yīng)用于畸變頻譜分析中，使用數(shù)字陷波器的方法實(shí)現(xiàn)飛機(jī)變頻電壓基波的濾除，實(shí)現(xiàn)數(shù)字化濾波方式;同時(shí)采用隊(duì)列的并行循環(huán)方式，將數(shù)據(jù)采集和數(shù)據(jù)處理分開(kāi)執(zhí)行，保證數(shù)據(jù)分析過(guò)程中不會(huì)出現(xiàn)溢出情況，提高了分析效率，同時(shí)結(jié)合Excel軟件實(shí)時(shí)記錄接觸器狀態(tài)變動(dòng)，為飛機(jī)變頻供電系統(tǒng)電能質(zhì)量分析提供了新的方法。

2 系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案

2.1? ? 同步采集設(shè)計(jì)

在對(duì)飛機(jī)供電系統(tǒng)進(jìn)行電能質(zhì)量檢測(cè)時(shí)，面臨的首要問(wèn)題是電網(wǎng)中電壓等級(jí)較多，不同等級(jí)電壓又涉及多個(gè)部件和匯流條的檢測(cè)，同時(shí)還需兼顧各類(lèi)交直電流檢測(cè)，因而在同一時(shí)刻，需要大量通道進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，單塊板卡已無(wú)法完成如此龐大的工作。如何實(shí)現(xiàn)板卡間的同步測(cè)量以利于各類(lèi)數(shù)據(jù)間的對(duì)比分析顯得尤為重要。實(shí)現(xiàn)多板卡測(cè)量同步，可以為三相電壓電流的各個(gè)參數(shù)分析提供一個(gè)準(zhǔn)確的數(shù)據(jù)來(lái)源，避免因?yàn)榘蹇ú煌蕉斐傻膮?shù)誤差。本文在同步模擬數(shù)據(jù)采樣時(shí)，將各類(lèi)板卡分為主從兩大類(lèi)，選擇一塊板卡作為主板卡，提供波形同步的標(biāo)準(zhǔn)，其余板卡為從板卡，跟隨主板卡同步波形。其軟件設(shè)計(jì)流程圖如圖2所示。

圖3為不同數(shù)據(jù)采集設(shè)備未加同步波形，圖4為不同數(shù)據(jù)采集設(shè)備加同步波形，對(duì)比發(fā)現(xiàn)，通過(guò)主從板卡設(shè)置后，不同板卡在數(shù)據(jù)采集時(shí)實(shí)現(xiàn)了同步。

2.2? ? 濾波設(shè)計(jì)

飛機(jī)變頻供電系統(tǒng)的電壓信號(hào)經(jīng)調(diào)理電路衰減后，利用高速采集板卡進(jìn)行數(shù)據(jù)采集。傳統(tǒng)的恒頻供電系統(tǒng)基波頻率恒定，一般采用有源濾波器濾除基波，而飛機(jī)變頻供電系統(tǒng)基波頻率在360～800 Hz變化，本文通過(guò)將數(shù)字濾波方法運(yùn)用在變頻系統(tǒng)上實(shí)現(xiàn)變頻系統(tǒng)的數(shù)據(jù)采集。具體設(shè)計(jì)如下：

編程調(diào)用“數(shù)字IIR濾波器”函數(shù)，設(shè)置IIR濾波器參數(shù)：拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)為“Butterworth”，類(lèi)型為“Bandstop”，階數(shù)為4階。因?yàn)樽冾l交流供電系統(tǒng)的電壓基頻在360～800 Hz可變，所以濾波器的低截止頻率和高截止頻率也隨基頻變化而變化。預(yù)設(shè)合適的帶寬范圍，以基頻為中心頻率減去帶寬的一半作為低截止頻率，以基頻為中心頻率加上帶寬的一半作為高截止頻率[3]。圖5為未經(jīng)數(shù)字濾波前電壓信號(hào)的幅頻特性曲線(xiàn)，經(jīng)數(shù)字濾波后得到電壓信號(hào)的幅頻特性曲線(xiàn)如圖6所示，讀取數(shù)值比較可見(jiàn)濾波器阻帶內(nèi)衰減增益為60 dB。

2.3? ? 數(shù)據(jù)處理設(shè)計(jì)

飛機(jī)變頻供電系統(tǒng)電能質(zhì)量分析涉及大量的數(shù)據(jù)采集和分析，為了提高數(shù)據(jù)處理的效率，將基于生產(chǎn)者/消費(fèi)者模板的應(yīng)用程序運(yùn)用在飛機(jī)變頻供電系統(tǒng)電能質(zhì)量分析上，采用隊(duì)列的并行循環(huán)方式將數(shù)據(jù)采集和數(shù)據(jù)處理分開(kāi)執(zhí)行。這樣當(dāng)產(chǎn)生數(shù)據(jù)的速度比處理數(shù)據(jù)的速度快時(shí)，大量的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)到隊(duì)列中緩沖，處理時(shí)再?gòu)年?duì)列中提取，避免了數(shù)據(jù)溢出等問(wèn)題。傳統(tǒng)分析在數(shù)據(jù)的數(shù)量上遠(yuǎn)遠(yuǎn)少于飛機(jī)變頻供電系統(tǒng)電能質(zhì)量分析的數(shù)據(jù)量，所以不存在使用生產(chǎn)者/消費(fèi)者模式將數(shù)據(jù)存入隊(duì)列的情況。

2.4? ? 數(shù)字量存儲(chǔ)設(shè)計(jì)

飛機(jī)變頻供電系統(tǒng)中涉及大量的接觸器，在對(duì)供電系統(tǒng)進(jìn)行電能質(zhì)量檢測(cè)的過(guò)程中，飛機(jī)電網(wǎng)的各類(lèi)接觸器可能會(huì)在不同狀態(tài)間切換，即會(huì)產(chǎn)生大量的接通與關(guān)斷信息。當(dāng)電能質(zhì)量發(fā)生異常時(shí)，故障接觸器的位置定位與時(shí)刻定位的快速性與準(zhǔn)確性將直接影響實(shí)驗(yàn)人員對(duì)故障原因的分析與判斷。為解決此問(wèn)題，實(shí)現(xiàn)接觸器數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確記錄，構(gòu)建了TDMS數(shù)據(jù)保存模式、數(shù)據(jù)采集模式和常用辦公軟件Excel之間的數(shù)據(jù)傳輸橋梁。具體方法是在測(cè)試過(guò)程中可以選擇數(shù)據(jù)采集存儲(chǔ)模式，利用TDMS存儲(chǔ)模塊對(duì)數(shù)據(jù)記錄的路徑、方式等進(jìn)行設(shè)置，并且可以利用常用辦公軟件Excel打開(kāi)并查閱具體數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)了在接觸器狀態(tài)變化情況下以Excel表格形式進(jìn)行1/0形式記錄，并保存變化時(shí)刻，以達(dá)到離線(xiàn)分析效果。表1為某次試驗(yàn)Excel表格所記錄的數(shù)據(jù)，閱讀表格可知接觸器狀態(tài)發(fā)生變化的時(shí)間與各類(lèi)發(fā)生變化的接觸器的編號(hào)。當(dāng)檢測(cè)到電網(wǎng)發(fā)生異常情況時(shí)，技術(shù)人員在事后可以通過(guò)保存的具體數(shù)據(jù)排查到故障發(fā)生的時(shí)間、接觸器種類(lèi)，以此來(lái)分析故障原因。

3 結(jié)語(yǔ)

為實(shí)現(xiàn)飛機(jī)變頻交流供電系統(tǒng)的電能質(zhì)量檢測(cè)，本文提出了一種飛機(jī)變頻交流供電系統(tǒng)電能質(zhì)量分析技術(shù)。針對(duì)飛機(jī)變頻供電系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)時(shí)的基波寬變頻特性，設(shè)計(jì)了一套軟件，可供實(shí)時(shí)分析與離線(xiàn)分析，并提供良好的人機(jī)互動(dòng)界面。采用數(shù)字濾波技術(shù)實(shí)現(xiàn)變頻條件下的基波濾除，并通過(guò)FFT算法分析計(jì)算出畸變頻譜;利用多塊不同類(lèi)型板卡間同步采集技術(shù)，使得不同板卡間的所有采集通道實(shí)現(xiàn)同步采集;利用開(kāi)關(guān)信號(hào)狀態(tài)變換實(shí)時(shí)存儲(chǔ)技術(shù)，可以真實(shí)反映某一時(shí)間電網(wǎng)中所有接觸器的通斷情況，為電能質(zhì)量分析提供參考依據(jù);基于生產(chǎn)者/消費(fèi)者模式的大數(shù)據(jù)量分析技術(shù)，解決了在高速采集情況下可能出現(xiàn)的數(shù)據(jù)溢出問(wèn)題。通過(guò)驗(yàn)證，該技術(shù)可以實(shí)現(xiàn)變頻系統(tǒng)的電能質(zhì)量測(cè)試。

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收稿日期：2020-11-08

作者簡(jiǎn)介：劉衛(wèi)芳（1989—），女，山東東平人，碩士，工程師，研究方向：飛機(jī)配電。