基于綜合性能測(cè)試系統(tǒng)的電站電氣性能測(cè)試方法研究

楊明軍，余云加，余 琳，劉 進(jìn)，葉江勇

(廣州廣電計(jì)量檢測(cè)股份有限公司，廣東 廣州 510000)

1 引言

內(nèi)燃機(jī)電站主要通過(guò)掛車(chē)等車(chē)載平臺(tái)用于野外場(chǎng)所的供電，為保障供電設(shè)備的穩(wěn)定運(yùn)行，科學(xué)準(zhǔn)確地評(píng)價(jià)電站電氣性能指標(biāo)極為重要[1，2]。當(dāng)前，電站電氣性能指標(biāo)測(cè)試的主要技術(shù)手段是采用電能質(zhì)量分析儀、萬(wàn)用表、示波器、秒表等儀器儀表進(jìn)行人工檢測(cè)、記錄并計(jì)算的方式。這種傳統(tǒng)的測(cè)試方法：一是對(duì)試驗(yàn)工程師技術(shù)素養(yǎng)要求較高，且需要較長(zhǎng)的培訓(xùn)時(shí)間才能上手檢測(cè)；二是傳統(tǒng)測(cè)試方法測(cè)試精度不高，更依賴(lài)測(cè)試人員的經(jīng)驗(yàn)及測(cè)試水平，性能檢測(cè)的精度和效率也相對(duì)較低，對(duì)試驗(yàn)任務(wù)所承擔(dān)的人力成本、時(shí)間成本更高，傳統(tǒng)的檢測(cè)方法已經(jīng)完全不能滿(mǎn)足電站電氣性能檢測(cè)的需求[3，4]。因此，研究能夠滿(mǎn)足內(nèi)燃機(jī)電站高精度、高效率的電氣性能測(cè)試系統(tǒng)極為重要。同時(shí)，PLC控制、高精度傳感器檢測(cè)等虛擬儀器技術(shù)在其它類(lèi)型設(shè)備功能性能檢測(cè)中的成功應(yīng)用也為電站電氣性能綜合性能測(cè)試系統(tǒng)提供了技術(shù)保障[5，6]。為此，研究一種基于綜合性能測(cè)試系統(tǒng)電站電氣性能測(cè)試方法不僅是內(nèi)燃機(jī)電站檢測(cè)技術(shù)發(fā)展的需要，在技術(shù)上也完全可行[7，8]。

2 測(cè)試系統(tǒng)組成

測(cè)試系統(tǒng)主要由上位機(jī)、網(wǎng)絡(luò)通信模塊、控制系統(tǒng)、數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)、模擬負(fù)載、冷卻風(fēng)機(jī)等部分組成，系統(tǒng)組成見(jiàn)圖1所示。上位機(jī)為整個(gè)測(cè)試系統(tǒng)的核心，通過(guò)網(wǎng)絡(luò)通信模塊結(jié)合PLC控制技術(shù)，實(shí)現(xiàn)負(fù)載類(lèi)型選擇，負(fù)載自動(dòng)加載、卸載操作，負(fù)載功率因數(shù)設(shè)置以及冷卻風(fēng)機(jī)的開(kāi)關(guān)。數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)主要用于執(zhí)行上位機(jī)指令，采集測(cè)量?jī)?nèi)燃機(jī)電站電壓、電流以及頻率等信號(hào)，并將采集測(cè)量數(shù)據(jù)結(jié)果上傳給上位機(jī)。網(wǎng)絡(luò)通信模塊是上位機(jī)與控制系統(tǒng)和數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的通訊橋梁，采用TCP/IP技術(shù)完成網(wǎng)絡(luò)通信協(xié)議的轉(zhuǎn)換，將接收到的上位機(jī)指令發(fā)送到指定的端口，并將端口的返回信息轉(zhuǎn)換之后發(fā)給上位機(jī)。

圖1 系統(tǒng)組成

3 測(cè)試系統(tǒng)工作原理

測(cè)試系統(tǒng)針對(duì)交流電站(工頻/中頻)和直流電站研發(fā)，配備交流負(fù)載和直流負(fù)載，交流負(fù)載由阻性和感性負(fù)載兩部組成，根據(jù)測(cè)試電站類(lèi)型，可以實(shí)現(xiàn)功率因數(shù)0.6～1.0的交流負(fù)載組合[9]。測(cè)試系統(tǒng)采用上位機(jī)連同PLC進(jìn)行自動(dòng)控制，PLC執(zhí)行上位機(jī)指令，控制對(duì)應(yīng)接觸器的通斷，完成負(fù)載加載、卸載功能?？刂芇LC的控制碼由上位機(jī)根據(jù)加載的需要計(jì)算得出，控制碼采用網(wǎng)絡(luò)協(xié)議發(fā)送。發(fā)送的數(shù)據(jù)流通過(guò)網(wǎng)絡(luò)通信模塊發(fā)送給PLC?？刂拼a被PLC接收后，對(duì)相應(yīng)的輸出點(diǎn)置位，相關(guān)接觸器控制線包獲得220V操作電源，接觸器吸合，預(yù)期的負(fù)載回路接通，實(shí)現(xiàn)負(fù)載功率的調(diào)整。負(fù)載的控制原理見(jiàn)圖2所示。考慮到目前市場(chǎng)上主要的移動(dòng)電站功率，交流負(fù)載設(shè)計(jì)的最大功率為500 kW(功率因數(shù)0.6～1.0)，直流負(fù)載設(shè)計(jì)的最大功率為80 kW，負(fù)載采用多段分檔設(shè)計(jì)理念，阻性負(fù)載可以實(shí)現(xiàn)0.1 kW每步加載/卸載，感性負(fù)載可以實(shí)現(xiàn)0.1 kVar每步加載/卸載，滿(mǎn)足功率連續(xù)可調(diào)要求[10～12]。

圖2 負(fù)載控制原理

測(cè)試系統(tǒng)根據(jù)內(nèi)燃機(jī)電站相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)測(cè)試要求，實(shí)現(xiàn)了對(duì)交直流電站綜合電氣性能測(cè)試，能夠完成的測(cè)試指標(biāo)包括：電壓、電流、頻率、電壓和頻率的穩(wěn)態(tài)調(diào)整率及電壓和頻率的波動(dòng)率、電壓和頻率的瞬態(tài)調(diào)整率及其穩(wěn)定時(shí)間、不對(duì)稱(chēng)負(fù)載下的線電壓偏差、三相電壓不平衡值等，并完成電站過(guò)電壓、欠電壓、過(guò)頻、欠頻等安全性測(cè)試。測(cè)試系統(tǒng)通過(guò)自動(dòng)控制設(shè)計(jì)，在上位機(jī)軟件實(shí)現(xiàn)三相電壓及電流、交流頻率、總功率的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，并按照電站功率和功率因數(shù)自動(dòng)匹配負(fù)載設(shè)置，按照被測(cè)試電站功率實(shí)現(xiàn)負(fù)載設(shè)置功率的0、25%、50%、75%、100%、75%、50%、25%、0按順序自動(dòng)切換及0～100%和100%～0的負(fù)載突加和突減，并自動(dòng)記錄每個(gè)功率狀態(tài)下的電壓、電流和頻率數(shù)值，并按照標(biāo)準(zhǔn)要求實(shí)現(xiàn)對(duì)不同電氣指標(biāo)的自動(dòng)計(jì)算[13～15]。

4 測(cè)試系統(tǒng)上位機(jī)軟件

測(cè)試系統(tǒng)上位機(jī)軟件主要依據(jù)內(nèi)燃機(jī)電站電氣性能相關(guān)測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)編制軟件控制程序和數(shù)據(jù)處理分析評(píng)價(jià)算法。通過(guò)上位機(jī)軟件發(fā)出指令，控制負(fù)載加載/卸載，使被測(cè)電站能夠工作于不同工況狀態(tài)，對(duì)于每一種工況，被測(cè)量電站的電壓、電流、功率等性能參數(shù)經(jīng)過(guò)信號(hào)變換電路，送入A/D，在計(jì)算機(jī)程序控制下，被測(cè)量經(jīng)A/D采集，并根據(jù)提前編入標(biāo)準(zhǔn)的數(shù)據(jù)處理程序，對(duì)采集數(shù)據(jù)進(jìn)行分析處理計(jì)算，最終變換為電氣性能指標(biāo)的相應(yīng)值。通過(guò)上位機(jī)軟件的功能選擇模塊，可以完成交流(工頻 /中頻)和直流電站進(jìn)行電氣性能的穩(wěn)態(tài)試驗(yàn)、瞬態(tài)試驗(yàn)等項(xiàng)目的指標(biāo)測(cè)試，試驗(yàn)過(guò)程中通過(guò)人機(jī)交互界面實(shí)現(xiàn)測(cè)試動(dòng)態(tài)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，并自動(dòng)生成測(cè)試報(bào)告。

測(cè)試系統(tǒng)的人機(jī)交互界面是用戶(hù)操作與顯示終端，通過(guò)人機(jī)交互界面，將操作指令下發(fā)給控制系統(tǒng)和數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，人機(jī)界面功能框圖如圖3所示，軟件界面包括用戶(hù)登錄、負(fù)載設(shè)置、控制參數(shù)設(shè)置、測(cè)試項(xiàng)目選擇、數(shù)據(jù)保存和報(bào)告生成等功能。

圖3 測(cè)試系統(tǒng)上位機(jī)軟件主界面

5 結(jié)論與討論

本文針對(duì)傳統(tǒng)電站電氣性能參數(shù)測(cè)試存在測(cè)試儀表操作復(fù)雜、耗時(shí)長(zhǎng)、精度低等問(wèn)題，結(jié)合相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)要求，研究并設(shè)計(jì)完成了一種運(yùn)用自動(dòng)控制、檢測(cè)和傳感器等虛擬儀器技術(shù)并結(jié)合相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)電站電氣性能指標(biāo)要求的綜合分析評(píng)價(jià)算法的軟硬件測(cè)試系統(tǒng)，可實(shí)現(xiàn)對(duì)交流(工頻/中頻)電站、直流電站穩(wěn)態(tài)性能、瞬態(tài)性能等多項(xiàng)核心電氣性能參數(shù)一站式高效、精準(zhǔn)測(cè)試和分析。

測(cè)試系統(tǒng)為電站電氣性能參數(shù)測(cè)試提供了一種代替?zhèn)鹘y(tǒng)儀表測(cè)試的智能化測(cè)試方案，測(cè)試系統(tǒng)穩(wěn)定性強(qiáng)、精度高，能夠科學(xué)系統(tǒng)地評(píng)價(jià)電站電氣性能指標(biāo)。同時(shí)電站綜合性能測(cè)試系統(tǒng)的研究也為電站電氣性能測(cè)試提供了一種采用國(guó)產(chǎn)化技術(shù)的思路。