可編程電子負(fù)載技術(shù)在DCS電源測試中的應(yīng)用

王 剛

（秦皇島發(fā)電有限責(zé)任公司，河北 秦皇島 066003）

0 引言

DCS電源模塊為系統(tǒng)各DPU（控制器）、I/O模板、端子板、接口設(shè)備供電，是整個系統(tǒng)的重要組成部分。為加強發(fā)電機組DCS系統(tǒng)的設(shè)備安全管理，避免因DCS系統(tǒng)電源問題引發(fā)機組不安全事件，國神集團專門制定下發(fā)了《關(guān)于加強DCS系統(tǒng)電源模塊檢查維護的工作的通知》[1]。目前，各發(fā)電企業(yè)DCS標(biāo)準(zhǔn)檢修項目只是在系統(tǒng)上電后對電源模塊的輸出電壓、電流進行檢測或進行冗余電源模塊的切換檢測，發(fā)現(xiàn)輸出電壓、電流與設(shè)計偏差較大的和不能正常切換時才進行處理或更換。這種檢修試驗只能保證在特定工況下的電源模塊是否工作正常，當(dāng)電源負(fù)載發(fā)生波動時，電源模塊是否還能正常工作是無法驗證的。而且，電源模塊隨著使用時間的增加會逐漸出現(xiàn)老化現(xiàn)象，抗干擾和負(fù)載波動的能力也會逐漸下降。一般情況下，一臺機組的DCS電源模塊是同一批次投入使用的，如果到達(dá)使用壽命后大面積地同時發(fā)生故障，將給DCS運行造成極大的風(fēng)險。所以，有必要采用一種測試裝置對DCS電源模塊進行變換負(fù)載工況下的性能檢測，為電源模塊的更換、匹配提供科學(xué)、有效的相關(guān)數(shù)據(jù)，以保證DCS系統(tǒng)的穩(wěn)定運行。

1 關(guān)鍵技術(shù)問題及創(chuàng)新點

1.1 關(guān)鍵技術(shù)問題

通過研發(fā)專用測試裝置和開發(fā)配套軟件，為電源模塊提供完善的測試項目，涵蓋DCS電源模塊主要測試內(nèi)容。根據(jù)所選擇的測試項目能夠自動生成測試程序并按順序進行測試，具備生成詳細(xì)測試報告及數(shù)據(jù)庫管理、報告生成打印和上位機通訊功能，同時具有自我診斷及全面的過電壓、過電流、過功率、過溫度等保護功能，以上是該測試裝置針對DCS電源的關(guān)鍵技術(shù)問題。

1.2 創(chuàng)新點

通過對DCS系統(tǒng)電源模塊進行科學(xué)有效的相關(guān)性能檢測，實現(xiàn)DCS系統(tǒng)電源模塊的性能狀態(tài)分析。解決電源模塊老化異常引起的DCS故障，甚至造成的機組降出力及非計劃停運風(fēng)險所帶來的經(jīng)濟損失和對電網(wǎng)負(fù)荷的影響。

2 DCS電源測試內(nèi)容

DCS電源系統(tǒng)是整個DCS系統(tǒng)的重要部件，對DCS的穩(wěn)定運行起著至關(guān)重要的作用。所以在日常檢修工作中對DCS電源設(shè)備進行測試，掌握電源的特性是非常必要的[2]。判斷電源是否能夠正常工作，主要從以下幾個方面進行。

1）輸入電壓：當(dāng)開關(guān)電源的輸入電壓發(fā)生變化時，保持輸出特性不變的輸入電壓變化范圍。這個范圍越寬，表示電源適應(yīng)外界的市電變化的能力越強，開關(guān)電源的工作范圍就越寬。

2）輸出電壓：電壓范圍表示電源工作在額定范圍內(nèi)，所有同型號電源最終輸出的電壓范圍。負(fù)載穩(wěn)定度，也稱負(fù)載調(diào)整率、電流調(diào)整率。在額定電壓下，負(fù)載電流從零變化到最大時，輸出電壓的最大相對變化量，常用百分?jǐn)?shù)表示，有時也用絕對變化量表示。

3）負(fù)載調(diào)整率：負(fù)載電流保持為額定范圍內(nèi)的任何值，輸入電壓在規(guī)定的范圍內(nèi)變化所引起的輸出電壓相對變化為△Uo/Uo（百分值）。

4）紋波及噪聲（Vp-p）：在額定輸出電壓和負(fù)載電流下，輸出電壓的紋波（包括噪聲）的絕對值的大小，通常以峰峰值或有效值表示。

5）效率：輸出功率比輸入功率。

6）沖擊電流：沖擊電流是指輸入電壓按規(guī)定時間間隔接通或斷開時，輸入電流達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)前所通過的最大瞬間電流。

7）過流保護：是一種電源負(fù)載保護功能，以避免發(fā)生包括輸出端子上的短路在內(nèi)的過負(fù)載輸出電流對電源和負(fù)載的損壞。過流的給定值一般是額定電流的110%～130%[3]。

8）過壓保護：是一種對端子間過大電壓進行負(fù)載保護的功能。一般規(guī)定為輸出電壓的130%～150%[3]。

9）輸出欠壓保護：當(dāng)輸出電壓在標(biāo)準(zhǔn)值以下時，檢測輸出電壓下降或為保護負(fù)載及防止誤操作而停止電源并發(fā)出報警信號，多為輸出電壓的80%～30%左右[3]。

10）電源并聯(lián)匹配：DCS電源多采用電源并聯(lián)形式，相同輸出電壓的電源并聯(lián)，電壓不變，承受負(fù)荷的能力會增加[4]。由于兩個電源（即使是所有指標(biāo)相同）很難做到絕對一致，并聯(lián)總會有環(huán)流的情況發(fā)生，因而對兩塊電源能否匹配，在安裝前進行負(fù)載能力測試的意義就非常大了。

以上這些方面的測試，有些是可以通過簡單的測量工具，如數(shù)字式萬用表測量的，但是大多數(shù)的數(shù)據(jù)是無法直接測量的，只能使用專用的測試儀表來進行。因此，采用一種測試裝置能夠?qū)﹄娫吹妮斎搿⑤敵鲰椉羞M行測試是很有必要的。

根據(jù)實際的使用要求聯(lián)合天津電氣科學(xué)研究院共同研制、開發(fā)了一套DCS電源測試裝置。該測試裝置采用最新直流電子負(fù)載技術(shù)，根據(jù)DCS系統(tǒng)電源的特性要求進行了優(yōu)化，可以通過上位計算機配合專門開發(fā)的軟件，同時對多達(dá)6個通道的DCS電源進行測試，可以根據(jù)測試結(jié)果對電源特性進行分析，形成圖表，提供用戶完善的測試項目。區(qū)別于傳統(tǒng)測試系統(tǒng)，該測試裝置讓用戶無需編輯程序，只要在系統(tǒng)提供的20個測試大項以及近上百個測試參數(shù)中，根據(jù)自己的需求選擇測試項目，該測試裝置會按順序自動進行測試，輕松完成。

包括身份驗證、數(shù)據(jù)糾錯、數(shù)據(jù)更新、移動辦公等功能。系統(tǒng)通過綁定用戶手機號碼，建立數(shù)據(jù)使用分級制，根據(jù)用戶的級別，以實時驗證碼的方式定義系統(tǒng)的查詢范圍、修改權(quán)限等，在系統(tǒng)內(nèi)建立用戶自己的數(shù)據(jù)庫。同時，為方便數(shù)據(jù)的獲取與查詢，開發(fā)了iOS、Android系統(tǒng)的移動客戶端，實現(xiàn)數(shù)據(jù)的實時查詢。

3 DCS電源測試裝置的技術(shù)特點

3.1 電源負(fù)載測試

采用輸入可編程直流電子負(fù)載，圖1為測試系統(tǒng)的基本界面。

圖1 基本測試界面Fig.1 Basic test interface

通過計算機，可以設(shè)定電流測試、電壓測試、負(fù)載測試和功率測試。圖2是一塊DCS電源輸出項為5V時的基本測試數(shù)據(jù)，根據(jù)要求可以對6個通道進行同時加載。

圖2 5V測試界面Fig.2 5V Test interface

用戶可以根據(jù)通道數(shù)和功率數(shù)功率需求，在6個負(fù)載模組中自由選配，通過主機框控制面板控制或通過內(nèi)置LAN/USB接口，可以由上位機進行控制。該系統(tǒng)具有斜率可調(diào)和list帶載波形編輯的功能，自動測試功能更可以設(shè)定在CC/CV/CR等不同工作模式下，方便快速精確測試。該系統(tǒng)具有自我診斷及全面的過電壓、過電流、過功率、過溫度等保護功能，防止由于誤操作或環(huán)境因素導(dǎo)致的儀器受損或人身傷害。

3.2 電源拉載試驗

3.2.1 可自由配置的模組化結(jié)構(gòu)

采用可抽換模組式設(shè)計，用戶可根據(jù)需要自由選配模組。而且每個負(fù)載模組和主控模組單元之中都具有高性能微處理芯片。它們之間采用平行架構(gòu)，因此具有高測試速度。負(fù)載模組之間由系統(tǒng)同步控制，也可以同步測試具有多路輸出的電源。

3.2.2 峰值電壓、電流測試功能

開關(guān)電源的動態(tài)電流測試往往需要示波器抓取瞬時電壓及電流波形來獲取峰值電壓Vpk和峰值電流Ipk的值。該系統(tǒng)具有數(shù)字化數(shù)據(jù)采集功能，無需示波器幫助即可輕松獲取Vpk和Ipk的值。

3.3 測試項目編輯功能

裝置的自動測試系統(tǒng)提供了測試項目編輯功能，除了系統(tǒng)自附的測試項目，用戶可以自行建立新測試項目，以滿足所有電源供應(yīng)器的測試需求。用戶還可以自定義參數(shù)變量，同時支持測試項公共參數(shù)以全局變量方式填寫，以滿足用戶進階測試的需要，節(jié)約測試時間。該測試裝置可以讓用戶把多個編輯好的測試項目連接起來，組成測試程序，系統(tǒng)會按順序自動進行測試，大量減少測試時間。

圖3 峰值電壓、電流圖Fig.3 Peak voltage and current diagram

圖4 測試項目編輯界面Fig.4 Test project editing interface

4 應(yīng)用成效

4.1 應(yīng)用情況

4.2 達(dá)到的應(yīng)用效果

1）通過研制、使用測試裝置，實現(xiàn)了DCS系統(tǒng)電源模塊單體電源模塊性能測試、狀態(tài)評估、雙電源模塊互換性及匹配性測試的功能。

圖5 DCS電源測試裝置外觀Fig.5 Appearance of DCS power test device

2）實現(xiàn)模塊化檢測項目，能夠根據(jù)用戶需要自行選擇檢測項目，自動生成檢測程序并自動執(zhí)行相應(yīng)檢測。

3）通過開發(fā)專用軟件實現(xiàn)變換負(fù)載工況下的自動程序檢測及生成數(shù)據(jù)報告，并通過對性能數(shù)據(jù)資料的分析管理摸索，實現(xiàn)DCS電源模塊使用、更換周期化管理。

4）采用專用測試裝置對DCS電源模塊進行變換負(fù)載工況下的性能檢測，為電源模塊的更換、匹配提供科學(xué)、有效的相關(guān)數(shù)據(jù)，以保證DCS系統(tǒng)的穩(wěn)定運行。

4.3 直接和間接經(jīng)濟效益

利用電源測試裝置對DCS電源模塊進行檢測工作，節(jié)約了返廠檢測的高額成本。秦皇島電廠各臺機組DCS電源模塊在裝總數(shù)量為226塊，返廠檢測費用1000元/塊。按每年開展一次等級檢修，檢修期間返廠檢測費用每年需22.6萬元，以DCS的常規(guī)壽命周期10年計算，總共可節(jié)約費用226萬元[6]。

通過對DCS電源模塊的性能檢測，使電源模塊為DPU（控制器）、I/O模板、端子板、接口設(shè)備提供合格、穩(wěn)定的高品質(zhì)電源，防止因電源模塊長時間供電異常對各重要部件壽命產(chǎn)生的影響，對降低DCS維護成本也有著間接的經(jīng)濟效益。

4.4 與當(dāng)前國內(nèi)同類技術(shù)的綜合比較

目前，國內(nèi)的DCS普遍采用多控制器、多子系統(tǒng)設(shè)計方式，電源模塊數(shù)量較多，為保證安全且采用冗余配置。而在電源的維護方面，基本停留在故障后更換和檢修期間的維護檢查、返廠測試等方式。返廠測試存在著數(shù)量較大、成本較高以及運輸風(fēng)險和工期風(fēng)險。對于為維護檢查，以目視手段和輸出空載測試為主，不足以反應(yīng)電源模塊的真實使用狀態(tài)。同時，由于DCS多采用電源并聯(lián)形式的冗余配置，由于兩組電源模塊性能很難做到絕對一致，所以并聯(lián)后總會有環(huán)流的情況發(fā)生，當(dāng)環(huán)流較大時會影響供電系統(tǒng)的穩(wěn)定運行。

可編程電子負(fù)載技術(shù)成熟，市場上可采購到各種性能優(yōu)異、測試功能眾多的電子負(fù)載產(chǎn)品及配套軟件，但缺乏具有針對DCS電源特性要求的電源測試裝置及維護管理軟件平臺。該DCS電源模塊測試裝置以北京日立公司的PS7050電源模塊為試驗對象，針對其輸入、輸出結(jié)構(gòu)研制專用的配合接口，方便與可編程電子負(fù)載裝置的連接。使用成熟、適用的可編程電子負(fù)載產(chǎn)品，模擬多種工況下的負(fù)載變化，并得出科學(xué)、有效的試驗數(shù)據(jù)。拓展開發(fā)的檢測軟件，將可編程電子負(fù)載裝置、通訊接口線以及電腦主機、打印設(shè)備整合為一套專用的DCS電源模塊測試裝置。通過分析試驗數(shù)據(jù)判斷DCS電源模塊的性能優(yōu)劣，制定更換計劃，或者將性能相近的電源模塊組合、搭配使用，以保證其穩(wěn)定運行。

5 結(jié)束語

隨著機組控制系統(tǒng)自動化水平的提高，各集團公司對機組DCS系統(tǒng)的安全運行重視程度日漸提高。具有針對性的測試裝置實現(xiàn)了對電源模塊性能檢測和狀態(tài)判斷，并根據(jù)檢測數(shù)據(jù)分析結(jié)果超前預(yù)防電源模塊老化和性能下降，以及通過數(shù)據(jù)管理實現(xiàn)電源模塊維護、更換周期化，即將成為各發(fā)電廠DCS電源系統(tǒng)維護管理趨勢，并且有可能進一步推廣至其它重要系統(tǒng)的電源管理維護中[7]。圍繞這套電源測試裝置開展的“DCS電源模塊性能檢測在設(shè)備管理中的應(yīng)用研究”項目，獲國神集團2020年度科技進步三等獎，2021年6月該電源測試裝置獲得國家實用新型專利授權(quán)。