交直流電量高速同步監(jiān)測(cè)系統(tǒng)研究與應(yīng)用

王 錄 劉彥強(qiáng) 陳 朋 李 睿

交直流電量高速同步監(jiān)測(cè)系統(tǒng)研究與應(yīng)用

王 錄 劉彥強(qiáng) 陳 朋 李 睿

（中國(guó)酒泉衛(wèi)星發(fā)射中心，蘭州 732750）

針對(duì)交直流電力電量混合系統(tǒng)在航天發(fā)射、衛(wèi)星測(cè)控等場(chǎng)景中的應(yīng)用越來(lái)越廣泛的現(xiàn)狀，為滿(mǎn)足系統(tǒng)性能調(diào)試和運(yùn)行狀態(tài)評(píng)估需求，可靠保障航天發(fā)射和衛(wèi)星測(cè)控設(shè)備關(guān)鍵系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行，本文采用數(shù)字信號(hào)處理（DSP）技術(shù)研制完成14通道高精度無(wú)間隙交直流電力電量監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。通過(guò)在勵(lì)磁發(fā)電機(jī)組特性試驗(yàn)、不間斷電源（UPS）電池放電測(cè)試、高精度測(cè)控設(shè)備直流伺服系統(tǒng)機(jī)電性能測(cè)試等項(xiàng)目中的應(yīng)用證明，該監(jiān)測(cè)系統(tǒng)可提高發(fā)電機(jī)組性能測(cè)試精度，降低傳統(tǒng)測(cè)試方法的風(fēng)險(xiǎn)，通過(guò)數(shù)據(jù)深度分析協(xié)助發(fā)現(xiàn)隱藏在衛(wèi)星測(cè)控設(shè)備機(jī)械系統(tǒng)中的運(yùn)行缺陷。

發(fā)電機(jī)組；同步；測(cè)控；監(jiān)測(cè)；伺服

0 引言

現(xiàn)代航天發(fā)射場(chǎng)已經(jīng)成為各種交直流混合電子電力設(shè)備最廣泛的應(yīng)用場(chǎng)景之一，各大型電力電子設(shè)備如運(yùn)載火箭燃料加注系統(tǒng)中的可控硅（silicon controlled rectifier, SCR）軟啟動(dòng)器、相控陣?yán)走_(dá)、大型光電經(jīng)緯儀、核心計(jì)算服務(wù)器、通信設(shè)備等得到高密度部署應(yīng)用?；谳d人航天飛行等重大任務(wù)的高可靠性供電要求，處于長(zhǎng)距離輸電尾端的航天發(fā)射場(chǎng)供電網(wǎng)通常配置有故障時(shí)刻實(shí)現(xiàn)電壓支撐的汽輪發(fā)電機(jī)組[1]?？紤]到關(guān)鍵核心計(jì)算服務(wù)器和通信設(shè)備的可靠運(yùn)行和數(shù)據(jù)安全，大型在線(xiàn)式雙變換不間斷電源（uninterruptible power supply, UPS）成為航天發(fā)射場(chǎng)關(guān)鍵核心負(fù)荷供電保障標(biāo)配[2]。另外，大型脈沖雷達(dá)、相控陣?yán)走_(dá)為實(shí)現(xiàn)天線(xiàn)、陣面目標(biāo)的精確驅(qū)動(dòng)控制，都配備有不同類(lèi)型的三相交流轉(zhuǎn)受控可調(diào)直流的伺服驅(qū)動(dòng)功率驅(qū)動(dòng)器[3]。各風(fēng)光儲(chǔ)新能源電站，都配備有交直流混合的雙向變流器[4]。

以上各類(lèi)型電力電子設(shè)備均存在三相交流電壓、三相交流電流、直流電壓、直流電流等相互關(guān)聯(lián)的交直流電力電量。為確保各關(guān)鍵設(shè)備安全可靠運(yùn)行，便于故障時(shí)刻定位和原因分析，迫切需要實(shí)現(xiàn)各種交直流電力電量的同步高速監(jiān)測(cè)和24h連續(xù)高速記錄。通過(guò)關(guān)聯(lián)各電力電量關(guān)系，能夠及時(shí)掌握各交直流設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)；通過(guò)對(duì)交直流電量數(shù)據(jù)進(jìn)行深度分析，可以發(fā)現(xiàn)隱藏在交直流設(shè)備內(nèi)部的安全隱患，從而使各設(shè)備以最佳狀態(tài)運(yùn)行。

文獻(xiàn)[5]應(yīng)用可編程邏輯控制器（programmable logic controller, PLC）及模擬信號(hào)擴(kuò)展單元，采集水輪發(fā)電機(jī)組的3種振動(dòng)信號(hào)進(jìn)行分析，用于監(jiān)測(cè)水輪機(jī)組運(yùn)行工況，其主要不足是該類(lèi)型監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)采集由PLC程序讀取驅(qū)動(dòng)，因此數(shù)據(jù)定時(shí)和采集密度受限，關(guān)鍵時(shí)刻可能出現(xiàn)故障振動(dòng)信息漏采缺陷。文獻(xiàn)[6]通過(guò)將24bit分辨率、128kS/s采樣率的監(jiān)測(cè)裝置應(yīng)用于高壓并聯(lián)電抗器振動(dòng)運(yùn)行工況分析，采用電抗器歷史與當(dāng)前采集數(shù)據(jù)縱向比對(duì)的分析方法，監(jiān)測(cè)高壓電抗器的運(yùn)行工況，其主要不足是采樣率未與電網(wǎng)運(yùn)行頻率嚴(yán)格同步，因此通過(guò)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)監(jiān)測(cè)的振動(dòng)工況無(wú)法與電氣參數(shù)緊密關(guān)聯(lián)，不能全面反映系統(tǒng)運(yùn)行工況。

本文采用數(shù)字信號(hào)處理（digital signal pro- cessing, DSP）技術(shù)研制完成14通道交直流混合電量高速同步監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，通過(guò)鎖相環(huán)方式使監(jiān)測(cè)系統(tǒng)數(shù)據(jù)采樣率嚴(yán)格與交流電源系統(tǒng)頻率同步，實(shí)現(xiàn)交直流電力電量最短10ms（半個(gè)電網(wǎng)周波）、最長(zhǎng)160ms（8個(gè)電網(wǎng)周波）無(wú)縫隙高密度監(jiān)測(cè)，緊密關(guān)聯(lián)反映系統(tǒng)運(yùn)行工況的參量與系統(tǒng)運(yùn)行頻率，最后通過(guò)系統(tǒng)在發(fā)電機(jī)組試驗(yàn)、UPS逆變器測(cè)試、測(cè)控設(shè)備伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)運(yùn)行工況監(jiān)測(cè)中的應(yīng)用，表明其在交直流電力電量場(chǎng)景中的應(yīng)用價(jià)值。

1 電力電量采集通道配置

1.1 自并勵(lì)汽輪發(fā)電機(jī)組特性試驗(yàn)監(jiān)測(cè)

部署于航天發(fā)射場(chǎng)的自并勵(lì)直流勵(lì)磁汽輪發(fā)電機(jī)組，重大任務(wù)前需要對(duì)其勵(lì)磁機(jī)的空載和負(fù)載特性、發(fā)電機(jī)的空載和短路特性進(jìn)行測(cè)試[7]。測(cè)試工況下需同時(shí)對(duì)直流勵(lì)磁機(jī)自并勵(lì)電壓和電流、發(fā)電機(jī)勵(lì)磁電壓和轉(zhuǎn)子電流、發(fā)電機(jī)端相電壓、發(fā)電機(jī)端電流多個(gè)交直流電量進(jìn)行同步測(cè)試。汽輪發(fā)電機(jī)組特性試驗(yàn)同步觀測(cè)信號(hào)見(jiàn)表1。

發(fā)電機(jī)組特性測(cè)試往往需多名技術(shù)人員協(xié)同參與，不僅要物理分解勵(lì)磁機(jī)輸出線(xiàn)路測(cè)量勵(lì)磁電流，還要同時(shí)觀察多個(gè)直流電壓和電流、交流電壓和電流計(jì)量?jī)x表，耗費(fèi)人力多、試驗(yàn)過(guò)程長(zhǎng)、判讀精度和同步性較差，直接影響對(duì)空載特性和短路特性曲線(xiàn)的準(zhǔn)確擬制，無(wú)法精確地測(cè)定發(fā)電機(jī)同步電抗，甚至可能出現(xiàn)物理分隔勵(lì)磁線(xiàn)路過(guò)程中由于疏忽而引起發(fā)電機(jī)失磁的重大故障。

表1 汽輪發(fā)電機(jī)組特性試驗(yàn)同步觀測(cè)信號(hào)

1.2 雙變換不間斷電源放電測(cè)試監(jiān)測(cè)

雙變換UPS是能夠提供持續(xù)、穩(wěn)定、不間斷的交流電的重要電源設(shè)備，其主要由電池組、整流器、電池變流器、逆變器等組成[8]，具有應(yīng)急情況下提供能源輸出的直流電池組和將直流轉(zhuǎn)換為交流的逆變器。在線(xiàn)式雙變換UPS組成框圖如圖1所示。

圖1 在線(xiàn)式雙變換UPS組成框圖

整流器實(shí)現(xiàn)三相交流到直流的變換，電池變流器實(shí)現(xiàn)電池電壓與整流電壓的協(xié)調(diào)轉(zhuǎn)換，逆變器通過(guò)其脈寬調(diào)制（pulse width modulation, PWM）和絕緣柵雙極晶體管（insulated gate bipolar transistor, IGBT）實(shí)現(xiàn)直流至交流電壓的穩(wěn)定調(diào)節(jié)和變換。為準(zhǔn)確掌握UPS供電能力，同時(shí)為確保電池組良好工作狀態(tài)，需定期對(duì)電池充放電能力進(jìn)行準(zhǔn)確評(píng)估，此時(shí)需進(jìn)行交直流電力電量的同步觀測(cè)。在線(xiàn)式雙變換UPS同步觀測(cè)信號(hào)見(jiàn)表2。

表2 在線(xiàn)式雙變換UPS同步觀測(cè)信號(hào)

1.3 拋物面天線(xiàn)功率驅(qū)動(dòng)器狀態(tài)監(jiān)測(cè)

在航天發(fā)射場(chǎng)各大中型測(cè)控設(shè)備中，為實(shí)現(xiàn)雷達(dá)等精密測(cè)控設(shè)備的拋物面天線(xiàn)的高精度和極低轉(zhuǎn)速精準(zhǔn)快速控制，一般選擇高精度直流伺服電動(dòng)機(jī)作為動(dòng)力元件，因此伺服功率驅(qū)動(dòng)器在實(shí)現(xiàn)三相交流到可控直流的過(guò)程中存在交直流轉(zhuǎn)換，系統(tǒng)的部分機(jī)電運(yùn)行工況可由交直流電量的頻譜信息體現(xiàn)。圖2為常見(jiàn)的三相零式可逆功率驅(qū)動(dòng)器[9]，大功率伺服功率驅(qū)動(dòng)器同步觀測(cè)信號(hào)見(jiàn)表3。

圖2 三相零式可逆功率驅(qū)動(dòng)器

表3 大功率伺服功率驅(qū)動(dòng)器同步觀測(cè)信號(hào)

2 DSP交直流混合電量監(jiān)測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

該交直流電力電量監(jiān)測(cè)系統(tǒng)由高速同步監(jiān)測(cè)前端和交直流電量分析記錄軟件兩部分組成。交直流電量混合監(jiān)測(cè)系統(tǒng)組成如圖3所示。

其中，高速同步監(jiān)測(cè)前端配置實(shí)現(xiàn)電量信號(hào)隔離和敏感功能的信號(hào)整理板、實(shí)現(xiàn)各電量高速同步鎖相和采集發(fā)送的DSP采集板及電源等部件；交直流電量分析記錄軟件在通用計(jì)算平臺(tái)運(yùn)行，實(shí)現(xiàn)交流電力事件無(wú)縫隙分析和故障錄波、交直流電力電量參數(shù)計(jì)算和存儲(chǔ)、各電量曲線(xiàn)的關(guān)聯(lián)和繪制。系統(tǒng)對(duì)電量事件的監(jiān)測(cè)分辨率達(dá)到10ms，可實(shí)現(xiàn)對(duì)電力系統(tǒng)、交直流混合系統(tǒng)運(yùn)行工況的實(shí)時(shí)在線(xiàn)監(jiān)測(cè)。

圖3 交直流電量混合監(jiān)測(cè)系統(tǒng)組成

2.1 信號(hào)整理板傳感器配置

信號(hào)整理板共配置4個(gè)交流電流、5個(gè)交流電壓、2個(gè)直流電壓、2個(gè)直流電流、1個(gè)4～20mA規(guī)格隔離電量高精度傳感器，實(shí)現(xiàn)共14個(gè)隔離電量信號(hào)的高速同步監(jiān)測(cè)。

2.2 DSP信號(hào)采集主板設(shè)計(jì)

采集主板配置有數(shù)字信號(hào)處理器（digital signal processor, DSP）、RS 485總線(xiàn)和RS 232串口、以太網(wǎng)接口、16路同步模擬量AD（analog to digital）轉(zhuǎn)換芯片、靜態(tài)隨機(jī)存取存儲(chǔ)器（static random access memory, SRAM）、閃存（flash）、先入先出（first input first output, FIFO）、復(fù)雜可編程邏輯器件（complex programmable logic device, CPLD）等芯片[11]，主要實(shí)現(xiàn)交流電壓、交流電流、直流電壓、直流電流、4～20mA傳感器共14路傳感器輸出模擬信號(hào)的調(diào)理、抗混疊濾波、數(shù)字化及網(wǎng)絡(luò)發(fā)送功能。DSP采集板鎖相環(huán)示意圖如圖4 所示。

為實(shí)現(xiàn)諧波高精度測(cè)量，AD轉(zhuǎn)換設(shè)計(jì)有外同步工作模式和內(nèi)同步工作模式。外同步模式可以選擇ABC三相電壓和ABC三相電流為鎖相基準(zhǔn)，內(nèi)同步模式選擇監(jiān)測(cè)前端DSP微型處理器計(jì)數(shù)器產(chǎn)生觸發(fā)監(jiān)測(cè)脈沖，與電網(wǎng)頻率不存在同步關(guān)系。監(jiān)測(cè)系統(tǒng)處于測(cè)量工作模式時(shí)，通過(guò)軟件界面可以選擇外同步工作模式，此時(shí)AD采樣頻率是在交流電壓真實(shí)頻率基礎(chǔ)上鎖相產(chǎn)生，因此AD采樣脈沖與交流電壓波形嚴(yán)格同步，減少了AD采樣的頻譜泄漏，從而提高了系統(tǒng)諧波測(cè)量快速傅里葉變換（fast Fourier transform, FFT）精度。

圖4 DSP采集板鎖相環(huán)示意圖

為便于系統(tǒng)24h連續(xù)監(jiān)測(cè)，監(jiān)測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)了電流通道增益調(diào)節(jié)、采樣率選擇、自適應(yīng)和非自適應(yīng)工作模式、交流電量有效值計(jì)算點(diǎn)數(shù)選擇等功能，顯著提高了監(jiān)測(cè)系統(tǒng)對(duì)現(xiàn)場(chǎng)運(yùn)行環(huán)境的適應(yīng)性和連續(xù)監(jiān)測(cè)免干預(yù)性能。

2.3 監(jiān)測(cè)精度分配及估算

直接影響監(jiān)測(cè)系統(tǒng)精度的因素主要有外部電流互感器精度、監(jiān)測(cè)裝置內(nèi)的電壓傳感器精度、電流傳感器精度、AD采樣精度、算法精度及其他因素。

1）直接測(cè)量參數(shù)精度估算

為保證電壓、電流直接測(cè)量電量的精度和電壓、電流有效值及其他功率、功率因數(shù)等間接測(cè)量參數(shù)的精度，不考慮監(jiān)測(cè)裝置外部電流傳感器精度的直接測(cè)量參數(shù)精度估算見(jiàn)表4。

采用方均根合成方式，從表4可以看出，只要位于監(jiān)測(cè)裝置外部的電流互感器的運(yùn)行電流到達(dá)額定數(shù)值的20%以上，則直接測(cè)量電壓、電流瞬時(shí)相對(duì)誤差滿(mǎn)足小于1%的測(cè)量精度要求。

表4 直接測(cè)量參數(shù)精度估算

2）間接測(cè)量參數(shù)精度估算

對(duì)于間接測(cè)量參數(shù)如電壓、電流有效值，計(jì)算公式為

式中：rmsi、rmsi分別為電壓、電流有效值；為FFT計(jì)算點(diǎn)數(shù)；u為相第點(diǎn)電壓同步采樣瞬時(shí)值；i為相第點(diǎn)電流同步采樣瞬時(shí)值。假設(shè)電壓、電流瞬時(shí)值相對(duì)誤差分別為seu、sei，以下利用同步采樣電壓、電流瞬時(shí)值相對(duì)誤差計(jì)算相電壓有效值、相電流有效值相對(duì)誤差。

同理可知，電壓、電流有效值相對(duì)誤差與瞬時(shí)值相對(duì)誤差一致。

3）電壓、電流有效值監(jiān)測(cè)精度

通過(guò)在不同場(chǎng)景應(yīng)用比對(duì)測(cè)試，監(jiān)測(cè)裝置交流電壓、交流電流有效值實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)精度見(jiàn)表5。

表5 交流電壓、交流電流有效值實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)精度

2.4 電量分析軟件主要功能

電量分析軟件通過(guò)以太網(wǎng)用戶(hù)數(shù)據(jù)報(bào)協(xié)議（user datagram protocol, UDP）與同步監(jiān)測(cè)前端進(jìn)行高速數(shù)據(jù)交換，實(shí)現(xiàn)包括三相電壓有效值、三相電流有效值、三相有功功率、視在功率和功率因數(shù)、電網(wǎng)頻率、每相電壓、電流的各次諧波含量及諧波總畸變率、奇次諧波總畸變率、偶次諧波總畸變率、諧波含有率、三相電壓、電流的不平衡度等參數(shù)的實(shí)時(shí)無(wú)縫隙監(jiān)測(cè)[12]；實(shí)現(xiàn)直流電壓、直流電流采樣數(shù)據(jù)的濾波和零偏糾正；實(shí)現(xiàn)各電量參數(shù)關(guān)聯(lián)曲線(xiàn)繪制功能；實(shí)現(xiàn)高速監(jiān)測(cè)交流電壓電能質(zhì)量事件并完成故障錄波功能。

24h連續(xù)不間斷參數(shù)密度可以選擇為半電網(wǎng)周波10ms、電網(wǎng)周波20ms、2電網(wǎng)周波40ms、4電網(wǎng)周波80ms和8電網(wǎng)周波160ms，按照電能參數(shù)計(jì)算規(guī)范，默認(rèn)情況選擇8電網(wǎng)周波160ms進(jìn)行交直流電量參數(shù)無(wú)縫隙記錄。

為快速捕獲電壓跌落等事件，分析軟件采用半周波有效值監(jiān)測(cè)方法實(shí)現(xiàn)電壓跌落事件的無(wú)縫隙監(jiān)測(cè)。電壓跌落事件錄波如圖5所示，半周波電壓有效值跌落深度如圖6所示。

圖5 電壓跌落事件錄波

圖6 半周波電壓有效值跌落深度

3 發(fā)電機(jī)組特性試驗(yàn)監(jiān)測(cè)應(yīng)用

發(fā)電機(jī)正常運(yùn)行時(shí)，勵(lì)磁控制器工作在電壓閉環(huán)模式，發(fā)電機(jī)勵(lì)磁控制器根據(jù)采集到的發(fā)電機(jī)電量參數(shù)，計(jì)算出占空比，形成相應(yīng)的觸發(fā)脈沖，驅(qū)動(dòng)IGBT功率開(kāi)關(guān)，實(shí)現(xiàn)對(duì)勵(lì)磁機(jī)輸出電壓L的控制，從而改變發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子電流F，達(dá)到調(diào)節(jié)發(fā)電機(jī)定子電壓和無(wú)功功率的目的。

發(fā)電機(jī)組特性試驗(yàn)時(shí)控制器設(shè)置在恒角度模式，手動(dòng)調(diào)整占空比，實(shí)現(xiàn)對(duì)勵(lì)磁電流、勵(lì)磁機(jī)端電壓、發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子電流、發(fā)電機(jī)端電壓的控制。

3.1 發(fā)電機(jī)組特性試驗(yàn)中電流監(jiān)測(cè)

勵(lì)磁機(jī)空載特性、勵(lì)磁機(jī)帶載特性試驗(yàn)不再分解勵(lì)磁機(jī)直流電流回路，發(fā)電機(jī)短路特性試驗(yàn)不再分解三相定子電流回路，實(shí)現(xiàn)了各特性試驗(yàn)的快速無(wú)接觸在線(xiàn)監(jiān)測(cè)。發(fā)電機(jī)空載特性試驗(yàn)曲線(xiàn)如圖7所示，發(fā)電機(jī)短路特性試驗(yàn)曲線(xiàn)如圖8所示。

圖7 發(fā)電機(jī)空載特性試驗(yàn)曲線(xiàn)

圖7中的上升、下降測(cè)試曲線(xiàn)明顯存在磁滯特性，圖8中的發(fā)電機(jī)短路特性曲線(xiàn)的線(xiàn)性特性與物理特性一致。

圖8 發(fā)電機(jī)短路特性試驗(yàn)曲線(xiàn)

3.2 三相繞組的電流、電壓相位特性監(jiān)測(cè)

采用整周期FFT測(cè)量定子電壓和定子電流相位。假設(shè)該電網(wǎng)電壓信號(hào)采用M級(jí)截?cái)喔道锶~級(jí)數(shù)近似表示為

固定頻率采樣模式下的和見(jiàn)表6。

表6 固定頻率采樣模式下N和M

令

則

基于上述原理，該交直流電量監(jiān)測(cè)裝置實(shí)現(xiàn)了監(jiān)測(cè)發(fā)電機(jī)定子三相繞組電壓和電流相位特性的功能。三相短路特性試驗(yàn)中的定子電流相位特性曲線(xiàn)如圖9所示。

從圖9可知，發(fā)電機(jī)三相定子電流相位差平均值分別為120.110°、120.699°、119.191°，彌補(bǔ)了原人工測(cè)試中無(wú)法監(jiān)測(cè)定子電流相位的缺陷。

3.3 發(fā)電機(jī)同步電抗計(jì)算測(cè)定

1）空載和短路特性函數(shù)擬合

為便于利用發(fā)電機(jī)的空載和短路特性求得發(fā)電機(jī)同步電抗，利用Matlab基于最小二乘原理對(duì)試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行曲線(xiàn)擬合，得到擬合空載特性和短路特性函數(shù)。

發(fā)電機(jī)三相短路時(shí)，端電壓為零，短路電流僅和自身阻抗有關(guān)。根據(jù)實(shí)際測(cè)定，電樞電阻遠(yuǎn)小于同步電抗，可以忽略不計(jì)，因此短路電流近似為純感性，電樞磁動(dòng)勢(shì)為純?nèi)ゴ抛饔玫闹陛S磁動(dòng)勢(shì)。所以，發(fā)電機(jī)三相短路時(shí)氣隙的合成磁動(dòng)勢(shì)很小，使電機(jī)的磁路處于不飽和狀態(tài)，短路特性為一條過(guò)原點(diǎn)的直線(xiàn)。

根據(jù)短路特性試驗(yàn)數(shù)據(jù)，得到短路特性曲線(xiàn)函數(shù)為

式中：為短路電流；L為勵(lì)磁電流。

利用空載特性的初始試驗(yàn)數(shù)據(jù)，可得到磁路不飽和時(shí)機(jī)端相電壓和勵(lì)磁電流的函數(shù)關(guān)系（即氣隙線(xiàn)）為

式中，0為發(fā)電機(jī)輸出機(jī)端相電壓。

實(shí)際運(yùn)行時(shí)，發(fā)電機(jī)的主磁路會(huì)出現(xiàn)飽和，利用完整空載特性試驗(yàn)數(shù)據(jù)得到空載特性曲線(xiàn)函 數(shù)為

根據(jù)以上函數(shù)擬合結(jié)果，繪制出發(fā)電機(jī)短路特性、空載特性及氣隙線(xiàn)的曲線(xiàn)如圖10所示。

2）同步電抗計(jì)算

4 不間斷電源監(jiān)測(cè)測(cè)試

考慮到航天發(fā)射與測(cè)控領(lǐng)域應(yīng)用場(chǎng)景復(fù)雜、安全等級(jí)要求高等因素，目前UPS電池組主要以鉛酸蓄電池為主。由于主要承擔(dān)應(yīng)急狀態(tài)下供電，因此蓄電池大多數(shù)處于長(zhǎng)期的浮充電狀態(tài)下。大量運(yùn)行統(tǒng)計(jì)資料表明，長(zhǎng)期處于浮充狀態(tài)會(huì)造成蓄電池的陽(yáng)極極板鈍化，使蓄電池內(nèi)阻急劇增大、蓄電池的實(shí)際容量遠(yuǎn)低于其標(biāo)準(zhǔn)容量，最終導(dǎo)致蓄電池所能提供的實(shí)際后備供電時(shí)間大大縮短，減少其使用壽命[13]。因此，為克服以上不利因素、維持蓄電池良好工作狀態(tài)，一般每半年進(jìn)行一次假負(fù)載深度容量測(cè)試放電。

在蓄電池容量放電測(cè)試中，需要測(cè)定交流電壓、交流電流和電池組直流電壓、直流電流。同時(shí)，此測(cè)試過(guò)程還可以完成UPS逆變器效率等參數(shù)的測(cè)試。某250kV?A不間斷電源配置(40×150A?h)×2電池組，采用90kW阻性負(fù)載進(jìn)行放電深度和逆變器效率測(cè)試。電池組放電深度測(cè)試數(shù)據(jù)見(jiàn)表7，UPS逆變器效率測(cè)試數(shù)據(jù)見(jiàn)表8。

表7 電池組放電深度測(cè)試數(shù)據(jù)

表8 UPS逆變器效率測(cè)試數(shù)據(jù)

額定電壓220V下，受內(nèi)部安裝高精度電流傳感器、電壓傳感器及0.5kW步進(jìn)功率閉環(huán)控制等環(huán)節(jié)影響，90kW阻性負(fù)載額定功率能夠精確控制在1%誤差之內(nèi)。Ⅰ類(lèi)不間斷電源在各種負(fù)載情況下的輸出電壓控制精度均在1%之內(nèi)，交直流電量采集監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的電壓、電流精度均小于1%。按照二項(xiàng)式精度綜合理論，放電深度測(cè)試和逆變器效率測(cè)試的綜合精度小于1.73%。

由表7、表8可知，放電測(cè)試過(guò)程中，UPS負(fù)載在6min之內(nèi)就加到90kW，因此整個(gè)電池組的放電速率可以采用90kW交流負(fù)載時(shí)的放電速率，即204/2/150=0.68，通過(guò)查詢(xún)電池放電曲線(xiàn)，可以得到此放電速率下理論放電安時(shí)數(shù)為88.5A?h，實(shí)際放電安時(shí)數(shù)為64.65A?h，則放電深度為64.65/88.5= 73.05%。

通過(guò)計(jì)算各放電時(shí)段直流功率與交流功率的比值，可以測(cè)得該UPS實(shí)際逆變器平均效率為92.8%。

5 拋物面天線(xiàn)功率驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)監(jiān)測(cè)

測(cè)控設(shè)備直流伺服系統(tǒng)主要負(fù)責(zé)將交流供電轉(zhuǎn)化為可控的直流電壓源，從而調(diào)整直流電機(jī)電樞電壓控制天線(xiàn)轉(zhuǎn)速，達(dá)到自動(dòng)跟蹤不同飛行速度空間目標(biāo)的能力。其存在與發(fā)電機(jī)組類(lèi)似的三相交流電壓、三相交流電流、直流電壓、直流電流等電力電量的監(jiān)測(cè)需求。

其中，三相零式可逆功率驅(qū)動(dòng)器目前在大型測(cè)控設(shè)備中的應(yīng)用較多。通過(guò)不同數(shù)量功率驅(qū)動(dòng)器的組合，可以組成單電機(jī)驅(qū)動(dòng)伺服系統(tǒng)和雙電機(jī)驅(qū)動(dòng)伺服系統(tǒng)。雙電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)如圖11所示，主要由直流伺服電動(dòng)機(jī)、減速箱、大齒輪及天線(xiàn)負(fù)載等 組成。

圖11 雙電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)

從圖11可見(jiàn)，該伺服系統(tǒng)內(nèi)部存在交流電壓、交流電流及直流電壓、直流電流。通過(guò)電量監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，監(jiān)測(cè)直流電機(jī)的電流d1、d2并進(jìn)行FFT頻譜分析，可以確定伺服系統(tǒng)的各關(guān)鍵部件工作情況。

通過(guò)采用該監(jiān)測(cè)系統(tǒng)對(duì)兩臺(tái)機(jī)械結(jié)構(gòu)類(lèi)型一致的10m和5.5m拋物面天線(xiàn)功率放大器的交流電壓、電機(jī)直流電壓、電機(jī)直流電流進(jìn)行高密度監(jiān)測(cè)，將其中的電機(jī)直流電流進(jìn)行FFT頻譜分析，得到10m、5.5m天線(xiàn)直流電機(jī)12.8kHz頻譜分別如圖12（天線(xiàn)運(yùn)行速度2.01°/s，機(jī)械系統(tǒng)理論頻率5.032Hz）、圖13（天線(xiàn)運(yùn)行速度4.16°/s，機(jī)械系統(tǒng)理論頻率3.42Hz）所示。

圖12 某10m天線(xiàn)直流電機(jī)12.8kHz頻譜

圖13 某5.5m天線(xiàn)直流電機(jī)12.8kHz頻譜

從圖12和圖13可見(jiàn)，驅(qū)動(dòng)10m天線(xiàn)的直流電機(jī)電流12.8kHz采樣時(shí)主頻譜為5.138Hz，與理論機(jī)械頻譜基本一致，其余頻譜主要成分為供電系統(tǒng)50Hz及其諧波的頻譜。而驅(qū)動(dòng)5.5m天線(xiàn)直流電機(jī)直流電流12.8kHz采樣中主頻譜并非理論轉(zhuǎn)速頻譜3.42Hz，其余無(wú)法解釋的復(fù)雜頻譜分量為主要成分。由此可見(jiàn)，5.5m天線(xiàn)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的直流電機(jī)運(yùn)行狀態(tài)存在較大不確定性，通過(guò)對(duì)該伺服系統(tǒng)的機(jī)電部件進(jìn)行檢查和維護(hù)，使伺服系統(tǒng)整體性能得到改善。

6 結(jié)論

本文通過(guò)綜合應(yīng)用物理隔離的傳感器技術(shù)和數(shù)字信號(hào)處理技術(shù)，研制完成的交直流電力電量高速同步監(jiān)測(cè)系統(tǒng)能夠高密度同步獲取各交直流混合系統(tǒng)各種電量的關(guān)聯(lián)變化。獲取的發(fā)電機(jī)特性試驗(yàn)數(shù)據(jù)擬合曲線(xiàn)與發(fā)電機(jī)空載和短路理論特性一致，測(cè)得的發(fā)電機(jī)飽和同步電抗符合同類(lèi)型發(fā)電機(jī)參數(shù)，為分析靜態(tài)穩(wěn)定性提供了可靠數(shù)據(jù)來(lái)源。另外，借助該監(jiān)測(cè)系統(tǒng)改進(jìn)了交直流混合電力電子設(shè)備的測(cè)試監(jiān)測(cè)技術(shù)，從而可準(zhǔn)確掌握交直流混合電力電子設(shè)備的內(nèi)部運(yùn)行工況，提高運(yùn)行特性的測(cè)試精度，消除傳統(tǒng)測(cè)試方法耗時(shí)耗力、風(fēng)險(xiǎn)大的缺陷，整體提高現(xiàn)代航天發(fā)射場(chǎng)先進(jìn)電子電力設(shè)備的運(yùn)行維護(hù)水平，確保各種載人飛行任務(wù)和衛(wèi)星發(fā)射中電力電子設(shè)備的可靠穩(wěn)定運(yùn)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

中國(guó)酒泉衛(wèi)星發(fā)射中心“發(fā)電機(jī)特性試驗(yàn)裝置與數(shù)據(jù)分析研究”（20190103FD001）

2023-05-08

2023-06-16

王 錄（1971—），男，甘肅蘭州人，碩士，正高級(jí)工程師，研究方向?yàn)槔走_(dá)伺服控制系統(tǒng)、雷達(dá)供電。