一种民机变频供电系统电能质量检测分析系统及方法
【专利摘要】本发明提出了一种民机变频供电系统电能质量检测分析系统及方法，采用数字滤波技术实现变频条件下的基波滤除，并通过FFT算法分析计算出畸变频谱；通过多块不同类型板卡间同步采集技术，使得不同板卡间的所有采集通道实现同步采集；利用开关信号状态变换实时存储技术，可以真实的反应某一时间电网中所有接触器的通断情况，为电能质量分析提供参考依据；基于生产者/消费者结构的大数据量分析技术，解决了在高速采集情况下可能出现的数据溢出问题。
【专利说明】
一种民机变频供电系统电能质量检测分析系统及方法
技术领域
[0001] 本发明属于民机变频供电系统技术领域，具体涉及一种民机变频供电系统电能质 量分析系统及方法。
【背景技术】
[0002] 目前现有的商业民机其交流电源系统共有3种，分为恒速恒频电源系统(CSCF)、变 速恒频交流电源系统(VSCF)以及变速变频交流电源系统(VSVF)。与其它两种电源系统相 比，变频交流电源系统省去了恒速恒频交流电源系统中的恒速传动装置(CSD)以及变速恒 频交流电源系统中的大功率变频器，且其只有一次能源变换过程，因此具有体积小，重量 轻，效率高，结构简单以及可靠性高的优点。变频电源系统弥补了恒装和变频器带来的缺点 和不足，提高了民机电源系统的可靠性及效率，同时减轻电源系统重量，因而被空客、波音 等众多航空公司所采用，并作为世界先进民机A380和B787的供电系统。我国对民机的研究 刚刚起步，对于变频交流电源的理解仍存在不足，因而在变频交流供电系统特性参数的测 试上，国内目前还属空白。开展变频条件下供电系统特性参数的测试原理与测量方法研究， 并且设计一套适用于变频交流供电系统特性参数测试的自动测试系统，可以为多电民机的 设计、生产、装配调试过程中及早发现问题解决问题提供有效的依据，并且可以突破国外的 技术封锁，为我国的民机发展提供参考。同时，变频供电系统作为民机机载设备正常运行的 重要保障，十分需要对其进行快速而有效的电能质量测试，因而针对变频交流供电系统展 开电能质量检测的研究对我国民机的发展具有重要性和迫切性。
【发明内容】
[0003] 为了解决上述问题，本发明提供一种民机变频供电系统电能质量检测分析系统， 所述系统用于变频系统下的大数据的同步采集、实时存储和电能质量分析，所述系统包括 板卡同步采集模块、变频滤波模块、并行循环模块和电网接触器检测模块，所述变频滤波模 块一端连接板卡同步采集模块，另一端通过并行循环模块连接电网接触器检测模块；
[0004] 其中，
[0005] 板卡同步采集模块，所述板卡同步采集模块用于实现多孔板卡间的实现同步测 量；
[0006] 变频滤波模块，所述变频滤波模块用于变频供电系统中进行基波滤除和畸变频谱 的计算；
[0007] 并行循环模块，所述并行循环模块用于同时执行数据采集和数据处理，进行大数 据量分析；
[0008] 电网接触器检测模块，所述电网接触器检测模块用于通过开关信号状态变换实时 存储技术，反应某一时间电网中所有接触器的通断情况，为电能质量分析提供参考依据；
[0009] 进一步地，所述电网接触器检测模块包括信息采集单元、TDMS信息保存单元和离 线分析单元，所述通断信息采集单元通过TDMS信息保存单元连接离线分析单元，所述离线 分析单元包括Excel表格形式的1/0形式记录；
[0010] 进一步地，所述变频滤波模块包括基波滤除单元和畸变频谱计算单元，所述基波 滤除单元连接畸变频谱计算单元，所述基波滤除单元通过数据滤波方法进行基波滤除，所 述畸变频谱计算单元通过FFT算法分析计算畸变频谱；
[0011] 进一步地，所述板卡同步采集模块包括波形同步标准单元和波形同步跟随单元， 所述波形同步跟随单元一端连接波形同步标准单元，另一端连接基波滤除单元，所述波形 同步标准单元包括一张主板卡，所述主板卡提供波形同步的标准，所述波形同步跟随单元 包括多块从板卡，所述多块从卡板均跟随主板卡同步波形；
[0012] 进一步地，所述基波滤除单元具体为编程调用"数字IIR滤波器"函数，设置IIR滤 波器参数:拓扑结构为"Butterworth"，类型为"Bandstop"，阶数为4阶，预设滤波器的低截 止频率和高截止频率，所述低截止频率为基频为中心频率减去预设合适的带宽范围的一 半，所述高截止频率为基频为中心频率加上预设合适的带宽范围一半；
[0013] 进一步地，所述并行循环模块包括数据采集单元和数据处理单元，所述数据采集 单元和数据处理单元为两个循环单元，并且只相交于队列存储缓冲单元，所述数据采集单 元一端连接畸变频谱计算单元，另一端通过数据处理单元连接信息采集单元；
[0014] -种民机变频供电系统电能质量检测分析方法，所述方法用于变频系统下的大数 据的同步采集、实时存储和电能质量分析，所述方法包括：
[0015] S1:对变频民机电源系统中通过板卡同步采集模块进行大量通达数据采集；
[0016] S2:对S1变频民机电源系统中采集到的数据通过变频滤波模块进行基波测量；
[0017] S3:对S2变频民机电源系统中大量通达数据通过并行循环模块进行同步处理；
[0018] S4:对S3中处理过的复杂电网接触器状态变化信息通过电网接触器检测模块进行 实时存储和离线分析；
[0019] 进一步地，所述S1具体步骤如下：
[0020] a)从所有采集板卡中选择一块主卡，其余为从卡；
[0021] b)从卡的时钟设为主卡的输出米样时钟"ai/sampleclock" ；
[0022] c)开始触发信号选择"ai/startTrigger" ；
[0023] d)利用平铺顺序结构，设置从卡的"开始任务"要先于主卡准备好，民机变频供电 系统的电压信号经调理电路衰减后，利用板卡同步采集模块进行数据采集；
[0024] 进一步地，所述S3基于生产者/消费者模板，通过并行循环模块的并行循环将数据 采集单元和数据处理单元分开执行，大量的数据存储到数据采集单元和数据处理单元相交 的队列存储缓冲单元，处理时再从队列存储缓冲单元中提取；
[0025]进一步地，所述S4为在电网接触器检测模块中，彳目息米集单兀进彳丁彳目息米集，TDMS 信息保存单元对采集到数据记录的路径、方式等进行设置保存，最后通过离线分析单元进 行整理分析，所述离线分析单元以Excel表格形式进行1/0形式记录接触器状态变化情况， 并保存变化时刻，完成离线分析；
[0026] 本发明的有益效果如下：
[0027] 1)本发明首次将多设备间的同步测量用于民机供电系统电能质量分析中，实现了 各通道采集时钟共用，精确定时，确保各通道数据采集的实时性，多板卡间的同步测量以利 于各类数据间的对比分析，实现多板卡同步，同时可以为三相电压电流的各个参数分析提 供一个准确的数据来源，避免因为板卡不同步而造成的参数误差；
[0028] 2)本发明提出一种数字滤波方式，设计数字滤波器各项参数，解决了变频情况下 的滤波问题，节约了硬件资源，克服了下面三点困难a.基波频率不固定导致不能确保在采 样时间内采样个数为整数，从而造成均方根值计算的误差;b交流电压畸变频谱的测量需要 通过带阻滤波器滤除基波;c当采样时间内截取的波形周期不是整数个时，会造成栅栏效应 从而产生频谱泄露；
[0029] 3)同时首次将生产者/消费者设计模式的数据处理方式应用在畸变频谱的处理方 式上，解决了大数据量分析时常易产生的数据溢出；
[0030] 4)本发明针对宽体民机电网接触器检测，采用一种实时采集存储方式，首次提出 在民机电能质量检测中利用TDMS数据保存模式，结合办公软件Excel，搭建两者之间的传输 桥梁，解决了接触器状态变化的快速性与准确性记录，达到了实验时实时记录和实验后离 线分析的功能，为民机电能质量检测时的异常情况原因排查提供了可靠依据。
【附图说明】
[0031 ]图1为本发明系统的硬件整体结构图；
[0032]图2为本发明系统中不同板卡同步程序框图；
[0033]图3为本发明系统中不同数据采集设备未加同步波形的波形图；
[0034]图4为本发明系统中不同数据采集设备加同步波形的波形图；
[0035]图5为本发明系统中电压信号滤波前的幅频特性曲线；
[0036]图6为本发明系统中电压信号滤波后的幅频特性曲线；
[0037]图7为本发明系统中生产者/消费者结构模式图。
【具体实施方式】
[0038]为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对 本发明进行进一步详细描述。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用于解释本发明，并 不用于限定本发明。相反，本发明涵盖任何由权利要求定义的在本发明的精髓和范围上做 的替代、修改、等效方法以及方案。进一步，为了使公众对本发明有更好的了解，在下文对本 发明的细节描述中，详尽描述了一些特定的细节部分。对本领域技术人员来说没有这些细 节部分的描述也可以完全理解本发明。
[0039]下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步说明，但不作为对本发明的限定。 下面为本发明的举出最佳实施例：
[0040] 如图1-图7所示，本发明提供一种民机变频供电系统电能质量检测分析系统，所述 系统包括板卡同步采集模块、变频滤波模块、并行循环模块和电网接触器检测模块，所述变 频滤波模块一端连接板卡同步采集模块，另一端通过并行循环模块连接电网接触器检测模 块。
[0041] 所述板卡同步采集模块包括波形同步标准单元和波形同步跟随单元，所述波形同 步标准单元和波形同步跟随单元连接，所述波形同步标准单元通过一块主板卡实现，选择 一块板卡为主板卡，提供波形同步的标准，所述波形同步跟随单元通过多块从板卡实现，所 述从卡板跟随主板卡同步波形。
[0042]所述变频滤波模块，所述变频滤波模块包括基波滤除单元和畸变频谱计算单元， 所述基波滤除单元连接畸变频谱计算单元，所述基波滤除单元通过数据滤波方法进行基波 滤除，具体包括编程调用"数字IIR滤波器"函数，设置IIR滤波器参数：拓扑结构为 "Butterworth"，类型为"Bandstop"，阶数为4阶。所述畸变频谱计算单元通过FFT算法分析 计算畸变频谱。
[0043]所述并行循环模块包括数据采集单元和数据处理单元，所述数据采集单元和数据 处理单元为两个循环单元，并且只相交于队列存储缓冲单元。
[0044]所述电网接触器检测模块包括信息采集单元、TDMS信息保存单元和离线分析单 元，所述通断信息采集单元通过TDMS信息保存单元连接离线分析单元。
[0045] 一种民机变频供电系统电能质量检测分析方法，述方法包括：
[0046] S1:对变频民机电源系统中通过板卡同步采集模块进行大量通达数据采集；
[0047] 所述S1具体步骤如下：
[0048] a)从所有采集板卡中选择一块主卡，其余为从卡；
[0049] b)从卡的时钟设为主卡的输出米样时钟"ai/sampleclock" ；
[0050] c)开始触发信号选择 "ai/startTrigger" ；
[0051] d)利用平铺顺序结构，设置从卡的"开始任务"要先于主卡准备好，民机变频供电 系统的电压信号经调理电路衰减后，利用板卡同步采集模块进行数据采集；
[0052] S2:对S1变频民机电源系统中采集到的数据通过变频滤波模块进行基波测量，所 述S2编程调用"数字IIR滤波器"函数，设置IIR滤波器参数:拓扑结构为"Butterworth"，类 型为"Bandstop"，阶数为4阶。因为变频交流供电系统的电压基频在360Hz~800Hz可变，因 此滤波器的低截止频率和高截止频率也随基频变化而变化。预设合适的带宽范围，以基频 为中心频率减去带宽的一半作为低截止频率，以基频为中心频率加上带宽的一半作为高截 止频率
[0053] S3:对S2变频民机电源系统中大量通达数据通过并行循环模块进行同步处理，所 述S3基于生产者/消费者模板，通过并行循环模块的并行循环将数据采集单元和数据处理 单元分开执行，大量的数据存储到数据采集单元和数据处理单元相交的队列存储缓冲单 元，处理时再从队列存储缓冲单元中提取；
[0054] S4:对S3中处理过的复杂电网接触器状态变化信息通过电网接触器检测模块进行 实时存储和离线分析，所述S4为在电网接触器检测模块中，信息采集单元进行信息采集， TDMS信息保存单元对采集到数据记录的路径、方式等进行设置保存，最后通过离线分析单 元进行整理分析，所述离线分析单元以Excel表格形式进行1/0形式记录接触器状态变化情 况，并保存变化时刻，完成离线分析。
[0055]本系统硬件部分如图1所示，包括信号调理箱、PXI机箱和人机交互设备，所述信号 调理箱一端连接被测系统，另一端通过PXI机箱连接人机交互设备，所述信号调理箱将被测 系统的信号进行调理转换发送给PXI机箱，所述PXI机箱在对民机供电系统进行电能质量检 测时，面临的首要问题便是电网中电压等级较多，不同等级电压又涉及多个部件和汇流条 的检测，同时还需兼顾各类交直电流检测，因而在同一时刻，需要大量通道进行数据采集， 单块板卡无法完成如此庞大工作。因此需要多孔实现板卡间的实现同步测量，以利于各类 数据间的对比分析，实现多板卡同步，可以为三相电压电流的各个参数分析提供一个准确 的数据来源，避免因为板卡不同步而造成的参数误差。本发明提出的板卡同步采集模块在 同步模拟数据采样时，将各类板卡分为主从两大类，选择一块板卡作为主板卡，提供波形同 步的标准，其余板卡为从板卡，跟随主板卡同步波形。具体步骤如下：
[0056] a)从所有采集板卡中选择一块主卡，其余为从卡；
[0057] b)从卡的时钟设为主卡的输出米样时钟"ai/sampleclock" ；
[0058] c)开始触发信号选择 "ai/startTrigger" ；
[0059] d)利用平铺顺序结构，设置从卡的"开始任务"要先于主卡准备好，民机变频供电 系统的电压信号经调理电路衰减后，利用板卡同步采集模块进行数据采集。
[0060] 传统的恒频供电系统基波频率恒定，一般采用有源滤波器滤除基波，而民机变频 供电系统基波频率在360Hz~800Hz内变化，本发明变频滤波模块对变频系统进行滤波处 理，所述基波滤除单元通过编程调用"数字IIR滤波器"函数，设置IIR滤波器参数进行基波 滤除，具体包括:设置拓扑结构为"Butterworth"，类型为"Bandstop"，阶数为4阶。因为变频 交流供电系统的电压基频在360Hz~800Hz可变，因此滤波器的低截止频率和高截止频率也 随基频变化而变化。预设合适的带宽范围，以基频为中心频率减去带宽的一半作为低截止 频率，以基频为中心频率加上带宽的一半作为高截止频率，解决了因基波频率不固定导致 不能确保在采样时间内采样个数为整数，从而造成均方根值计算的误差的问题，图5为未经 数字滤波前电压信号的幅频特性曲线，经数字滤波后得到电压信号的幅频特性曲线如图6， 读取数值比较可见滤波器阻带内衰减增益为60dB。因为交流电压畸变频谱的测量需要通过 带阻滤波器滤除基波，所以所述畸变频谱计算单元通过FFT算法分析计算出畸变频谱;避免 了当采样时间内截取的波形周期不是整数个时，会造成栅栏效应从而产生频谱泄露的问 题。
[0061] 传统分析在数据的数量上远远少于民机变频供电系统电能质量分析的数据量，所 以不存在使用生产者消费者模式将数据存入队列的情况，而本发明所述系统涉及大量的数 据采集和分析，为了提高数据处理的效率，本发明将基于生产者/消费者模板的并行循环模 块运用在民机变频供电系统电能质量分析上，采用队列的并行循环将数据采集单元和数据 处理单元分开执行。这样当产生的数据的速度比处理数据的速度快，大量的数据存储到数 据采集单元和数据处理单元相交的队列存储缓冲单元，处理时再从队列存储缓冲单元中提 取，避免了数据溢出等问题。图7所示为生产者/消费者结构模式，其中一个循环通过采集数 据方式产生数据并将数据存放如队列，同时另一个循环一直等待到队列中有数据，然后取 出队列的第一个数据并处理。
[0062]民机变频供电系统中涉及到大量的接触器，在对供电系统进行电能质量检测的过 程中，民机电网的各类接触器可能会在不同状态间的切换，即会产生大量的接通与关断信 息。当电能质量发生异常时，故障接触器的位置定位与时刻定位的快速性与准确性将直接 影响实验人员对故障原因的分析与判断。为解决此问题，本发明在实现接触器数据的准确 记录问题上，构建了电网接触器检测模块，所述电网接触器检测模块包括信息采集单元、 TDMS信息保存单元和离线分析单元，所述通断信息采集单元通过TDMS信息保存单元连接离 线分析单元。具体使用方法是在测试过程中通过信息采集单元进行信息采集，利用TDMS信 息保存单元对采集到数据记录的路径、方式等进行设置保存，最终将上述信息通过离线分 析单元进行整理分析，所述离线分析单元通过常用办公软件Excel打开并查阅具体数据。实 现了在接触器状态变化情况下以Excel表格形式进行1/0形式记录，并保存变化时刻，以达 到离线分析效果。表1为某次实验Excel表格所记录的数据，阅读表格可知接触器状态发生 变化的时间与各类发生变化的接触器的编号。一旦民机电能质量检测时发生异常情况，技 术人员在事后可以通过保存的具体数据排查到故障发生的时间、接触器种类，以此来分析 故障原因。
[0063] 表1 Excel表格数据
[0064]
[0065] 以上所述的实施例，只是本发明较优选的【具体实施方式】的一种，本领域的技术人 员在本发明技术方案范围内进行的通常变化和替换都应包含在本发明的保护范围内。
【主权项】
1. 一种民机变频供电系统电能质量检测分析系统，所述系统用于变频系统下的大数据 的同步采集、实时存储和电能质量分析，其特征在于，所述系统包括板卡同步采集模块、变 频滤波模块、并行循环模块和电网接触器检测模块，所述变频滤波模块一端连接板卡同步 采集模块，另一端通过并行循环模块连接电网接触器检测模块； 其中， 板卡同步采集模块，所述板卡同步采集模块用于实现多孔板卡间的实现同步测量； 变频滤波模块，所述变频滤波模块用于变频供电系统中进行基波滤除和畸变频谱的计 算； 并行循环模块，所述并行循环模块用于同时执行数据采集和数据处理，进行大数据量 分析； 电网接触器检测模块，所述电网接触器检测模块用于通过开关信号状态变换实时存储 技术，反应某一时间电网中所有接触器的通断情况，为电能质量分析提供参考依据。2. 根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述电网接触器检测模块包括信息采集单 元、TDMS信息保存单元和离线分析单元，所述通断信息采集单元通过TDMS信息保存单元连 接离线分析单元，所述离线分析单元包括Excel表格形式的1/0形式记录。3. 根据权利要求2所述的系统，其特征在于，所述变频滤波模块包括基波滤除单元和畸 变频谱计算单元，所述基波滤除单元连接畸变频谱计算单元，所述基波滤除单元通过数据 滤波方法进行基波滤除，所述畸变频谱计算单元通过FFT算法分析计算畸变频谱。4. 根据权利要求3所述的系统，其特征在于，所述板卡同步采集模块包括波形同步标准 单元和波形同步跟随单元，所述波形同步跟随单元一端连接波形同步标准单元，另一端连 接基波滤除单元，所述波形同步标准单元包括一张主板卡，所述主板卡提供波形同步的标 准，所述波形同步跟随单元包括多块从板卡，所述多块从卡板均跟随主板卡同步波形。5. 根据权利要求4所述的系统，其特征在于，所述基波滤除单元具体为编程调用"数字 IIR滤波器"函数，设置IIR滤波器参数:拓扑结构为"Butterworth"，类型为"Bandstop"，阶 数为4阶，预设滤波器的低截止频率和高截止频率，所述低截止频率为基频为中心频率减去 预设合适的带宽范围的一半，所述高截止频率为基频为中心频率加上预设合适的带宽范围 一半。6. 根据权利要求5所述的系统，其特征在于，所述并行循环模块包括数据采集单元和数 据处理单元，所述数据采集单元和数据处理单元为两个循环单元，并且只相交于队列存储 缓冲单元，所述数据采集单元一端连接畸变频谱计算单元，另一端通过数据处理单元连接 ?目息米集单兀。7. -种民机变频供电系统电能质量检测分析方法，所述方法用于变频系统下的大数据 的同步采集、实时存储和电能质量分析，其特征在于，所述方法包括： S1:对变频民机电源系统中通过板卡同步采集模块进行大量通达数据采集； S2:对S1变频民机电源系统中采集到的数据通过变频滤波模块进行基波测量； S3:对S2变频民机电源系统中大量通达数据通过并行循环模块进行同步处理； S4:对S3中处理过的复杂电网接触器状态变化信息通过电网接触器检测模块进行实时 存储和离线分析。8. 根据权利要求7所述的方法，其特征在于，所述S1具体步骤如下： a) 从所有采集板卡中选择一块主卡，其余为从卡； b) 从卡的时钟设为主卡的输出采样时钟"ai/sampleclock" ； c) 开始触发信号选择"ai/startTrigger" ； d) 利用平铺顺序结构，设置从卡的"开始任务"要先于主卡准备好，民机变频供电系统 的电压信号经调理电路衰减后，利用板卡同步采集模块进行数据采集。9. 根据权利要求7所述的方法，其特征在于，所述S3基于生产者/消费者模板，通过并行 循环模块的并行循环将数据采集单元和数据处理单元分开执行，大量的数据存储到数据采 集单元和数据处理单元相交的队列存储缓冲单元，处理时再从队列存储缓冲单元中提取。10. 根据权利要求7所述的方法，其特征在于，所述S4为在电网接触器检测模块中，信息 采集单元进行信息采集，TDMS信息保存单元对采集到数据记录的路径、方式等进行设置保 存，最后通过离线分析单元进行整理分析，所述离线分析单元以Excel表格形式进行1/0形 式记录接触器状态变化情况，并保存变化时刻，完成离线分析。
【文档编号】G01R31/00GK106053976SQ201610245506
【公开日】2016年10月26日
【申请日】2016年4月19日
【发明人】刘卫芳, 回彦年, 刘力, 杨善水, 王莉, 付大丰
【申请人】中国商用飞机有限责任公司北京民用飞机技术研究中心, 中国商用飞机有限责任公司