一种基于交流采样技术的内燃机电站电气性能测试系统.doc

摘 要：提出一种基于交流采样技术的内燃机电站电气性能测试系统。该系统按照 内燃机电站通用试验方法，实时智能调节阻性、容性和感性负载，在负载变化的同时，利用 准同步预测顺序交流采样技术对电站输出波形进行高速采样，在多处理器的协同工作下， DSP 芯片完成电站输出波形的FFT 分析、十六位单片机对数据进行综合分析，得到内燃机 电站的连续运行能力、谐波含量、突加/ 卸载能力和瞬态电压调整率等多项电气性能参数， 同时将分析结果反馈给智能可调负载柜进行负载闭环调节。实际运行结果表明，该系统 为内燃机电站电气性能测试提供了一种可行方案。 关键词：内燃机电站；交流采样；谐波分析；CAN 总线 0 前言 内燃机电站作为固定通信台站和通信电源车的 重要组成部分，是整个通信系统中不可缺少的供电 装置。稳定可靠的供电，是通信装备发挥效能的前 提。按照内燃机电站通用试验方法，对内燃机电站 的电气性能测试主要包含以下功能：输出电压整定 范围、电压和频率的稳态调整率、电压和频率的波动 率、电压和频率的瞬态调整率及其稳定时间、加模拟 电动机负载时的瞬态电压调整率、冷热态电压变化、 在不对称负载下的线电压偏差、三相电压不平衡量、 相电压波峰系数、线电压波形正弦性畸变率、相电压 总谐波含量、电压单个谐波含量、频率调制量和频率 调制率、频率漂移量和频率漂移率以及连续运行能 力，对单相电站还进行开关电源的适配性测试等等。 研制出一套高效准确的内燃机电站电气性能测试和 试验设备，为新研制的通信电源装备的定型提供可 靠依据，是提高通信电源装备技术水平的重要手段。1 基于交流采样技术的电气参数计算 为了实现对内燃机电站电气参数的测量，传统 的采样方法是采用模拟电量变送器作为测量部件， 变送器输出与输入成比例的直流电压，供微型计算机进行A/ D 采样。微机处理器通过采集这些直流 电压的采样方式为直流采样。其缺点是变送器结构 复杂、时滞较长。而交流采样是一项先进的采样技 术，对内燃机电站电气参数测试来说，可以取代电 压、电流、有功功率、无功功率、频率和功率因数变送 器。且直流采样由硬件组成，一经定型后不宜改动， 而交流采样技术基本上由软件处理完成，具有直流 采样不可比拟的柔韧性。 1. 1 采样定理和采样方式 为了使采样信号反映被采样的模拟信号，Shannon C. E 于1949 年提出了Shannon 采样定理： 采样定理：若连续信号x（ t）是有限带宽的，其 频率的最高频率为fc ，则对x（t）采样时，若保证采样 频率： fs .2fc （ 或Ωs (2Ωc ，Ts ) π/ Ωc ） （1）那么，可由x（nTs ），恢复出x（ t），即x（ nTs ）保留了 x（t）的全部信息。 按照采样周期和被采样信号在时间上的相互关 系，采样方式可分为异步采样和同步采样。同步采 样消除了异步采样由于被采样信号的频率变化而引 起采样误差的缺点，但同步采样硬、软件较异步采样 要复杂得多。按照被采样信号的采样时间关系，采 样方式还有同时采样和顺序采样之分。1. 2 交流采样算法 下面简单介绍交流信号数学解析的傅氏算法及 相关电量的求解方法。 1. 2. 1 谐波测量 正弦交流电压信号可表示为 u（t）= U（t）sin（ωt） （2） 式中 U（t）———电压幅值； ω ———角频率； ω = 2πf = 2π/ T。 对于周期为T = 2π/ ω 的非正弦交流电压u（t）， 一般满足狄里赫利条件，可分解为如下形式的傅里 叶级数： u（t）= a0 2 +∞ n = 1 （ancosnωt + bn sinωt） （3） 式中式中 a0 = 2 T /T/ 2 T/ 2 u（t）dt = 0 an = 2 T /T/ 2 T/ 2 u（t）cos nωtdt bn = 2 T /T/ 2 T/ 2 u（t）sin nωtdt n 取不同的值表示交流信号的不同频率分量 （谐波分量）。按交流相量表示法，各谐波分量可表 示为： Un = URn + jUIn （4） 其中 URn = bn = 2 T /T/ 2 T/ 2 u（t）sin nωtdt （5） UIn = an = 2 T /T/ 2 T/ 2 u（t）cos nωtdt （6） 如果仅考虑基波分量，即取n = 1，则式（5）、 （6）可化为： UR = 2 T /T/ 2 T/ 2 u（t）sin ωtdt （7） UI = 2 T /T/ 2 T/ 2 u（t）cos ωtdt （8） 假设一个周期内采样N 个点，将式（7）、（8）用 矩形离散法得到： UR = 2N N -1 K = 0 UK sin（K TN ） （9） UI = 2N N -1 K = 0 UKcos （K TN ） （10） 式中，UK 为一个