飞机电源品质监控的虚拟技术实现

杨笃伟+齐国红

摘要：飞机电源品质监控十分重要，该文采用虚拟仪器技术，以便携式工控机为基础平台，以虚拟示波器卡为核心设备，以通用化交互式语言为开发工具，构建了便携式的电源品质监控与分析设备，可在外场对飞机电源的多项核心指标进行综合分析与判断。

关键词：电源；监控；虚拟仪器

中图分类号：TP393 文献标识码：A 文章编号：1009-3044（2017）17-0229-03

1概述

飞机电网在供电过程中，随着用电设备接入的不同和所处状态的不同，会造成电源品质发生变化，比如说电压不稳、过电压和产生谐波等，这些因素超过一定范围会带来电能的产生、传输和利用效率的明显降低，使机载设备过热、产生振动和噪声，并使绝缘老化，寿命缩短。其中谐波还会引起供电电网局部发生并联谐振或串联谐振，使谐波含量被放大，致使电容器等设备烧毁。显然，了解供电电网电能质量的实际情况，特别是在现场环境下对其进行相应功能的监控分析是十分重要也是极具意义的。

以往对飞机电网供电品质监控手段比较单一、简单，多停留在传统方法层面，即利用万用表等分离式仪表测量即时电压、电流值，从而笼统判断整个供电系统的一段工作过程状态，测试点少、测试指标单一、不能动态判断整个供电过程、无法掌握电网特性的细部特征，导致了监控结果的较大偏差。目前，随着装备制造技术的不断发展，电网供电品质监控被赋予了新的含义和内容，对其提出了更高的要求，原因有二：一是机载用电设备数量不断增多，各种耦合干扰不断交织，增大了电源品质的污染因素；二是大量精密自动化装置被加装，这些设备往往对电能质量更加敏感，要求电网供电更稳定、更干净。所以，电源品质综合监控分析的需求矛盾日益凸显，为此，各种技术和手段也在不断发展进步并有些已成功应用到不同领域中。本系统设计就是瞄准当今技术前沿，采用虚拟仪器技术，根据一线维护的具体测试要求，构建适应于苛刻现场条件综合智能化的便携式电源品质监控系统。

2电参数测试方法研究与实现

设备研制初期，首先依据GJB181A-2003和GJB5189-2003规定的内容，探讨数字式测试环境下飞机供电系统中部分关键电参数的有效测试问题，提出新的算法，在减少了计算量的同时提高了测量结果的准确性，为电源监控分析的软硬件实现打下基础。

2.1直流电压纹波

电压纹波是“混叠”在直流电压上的交流波形成分，电压纹波是对交流波形进行整流的固有效果，其特性和幅度取决于所用整流器的类型、滤波器的输出、交流输入端的特性以及电气设备负载情况。电压纹波可以干扰电路和数据传输，引起相关设备发热。纹波的测量可对个体纹波成分进行累计综合。

2.2稳态交流电压

GJB181A-2003中将“交流电压”定义为“相电压每半波的均方根值”，将“稳态交流电压”定义为：不超过1s的时间间隔内交流电压的时间平均值。根据稳态交流电压的定义，采用公式（1）和（2）来计算稳态交流电压值，计算公式如下：

2.3交流供电电压允许偏差

电压偏差是衡量飞机供电系统正常运行与否的一项主要指标，测量供电电压允许偏差时采用实际测量电压允许偏离其额定值的百分比。其数学表达式为：

电压偏差（%）=（实际测量电压-标准电网电压）÷标准电网电压×100% （3）

2.4交流电压波形指标

GJBl81A-2003中规定，交流电压波形频谱分析的范围是10Hz-500kHz，由采样定理可知采样频率应在最高截止频率的两倍以上，至少为1MHz，该采样率会造成低频段采样数据量过大，使得程序计算量大大增加。可采用分频段处理技术来解决这一问题，具体解决步骤如下：

1）频段划分：按照GJBl81A-2003中交流电压最大畸变频谱图，将频段分为分为低频段I（10 Hz-900Hz）、中低频段Ⅱ（900Hz-10kHz）、中高频段Ⅲ（10kHz-100kHz）、高频段Ⅳ（100kHz-500kHz）。

2）信號抽取：在不同频段上，对原信号进行一定比率的等间隔的抽取（即每隔N个点抽取一个点），其中抽取数Fs根据经验或统计数据进行设定，使得信号的采样频率降为Fs/N。这是因为非高频段频谱分析并不需要高达1MHz的采样率，过分采集只会增加数据的冗余，对已采集数据进行降低采样处理使得频谱分析的数据量大大减少，提高计算速度的同时又保证了计算准确度。

3）滤波：经降采样处理后，各频段数据量将降为原信号的1/N，再根据各频段频率范围设计滤波器，滤除本频段信号之外的分量。

4）频谱分析：对滤波结果进行离散傅立叶变换。

2.5交流谐波

交流谐波是存在于飞机供电系统中的一个周期性的正弦波分量，其频率为基波频率的整数倍。由于谐波的频率是基波频率的整数倍，也称它为高次谐波。电网谐波主要的来源是各种非线性负载环节，如各种整流设备、调节设备以及电气负荷设备。谐波影响会导致用电设备寿命缩短，电网损失加大，还会干扰保护继电器、测量设备、控制和通信电路以及用户电子设备等，使灵敏设备发生误动作或元件故障。因此，谐波监控与分析十分重要。

本系统采用基于傅立叶变换的谐波检测方法。FFT方法是当今谐波检测中应用最广泛的一种谐波检测方法，测量时间是信号周期的整数倍和采样频率大于奈奎斯特采样频率时，这个方法检测精度高，实现简单，功能多且使用方便，在频谱分析和谐波检测两方面均得到广泛应用。

3设备组成及工作原理

本系统采用虚拟仪器技术（NI），利用高性能的模块化硬件和高效灵活的软件，构建具有数据处理功能的虚拟数字存储示波器，通过二次开发的相应各种电能分析模块来进行各种电参数智能监控和分析，可以完成对电源信号的输入及获取、电压参数及时间频率参数的自动测量、信号的波形显示及存储回放、信号特征值提取和状态判别等功能。系统结构框图如图1所示，以便携式通用计算机为基础平台，基于多功能的DAQ采集卡和LabVIEW开发平台来设计具有数字存储示波器、数字万用表、数字频率计三者功能于一体的功能强大的电子测试仪器，可实现数据采集、数据处理、波形显示、波形存储和回放、频谱分析以及故障判据等功能。

3.1硬件构成和基本工作原理

基本硬件包括研华便携式计算机、示波器探头和DAQ数据采集板卡。其中，DAQ数据采集板卡是本系统研发的核心，选用NI公司生产的PCI-5015虚拟数字化仪，示波器卡作为基础开发，虽价格较贵，但其优势明显，一是通道数多，可满足三路交流和一路直流通道的同步监控，满足系统实时性和动态性要求；二是由NI公司直接研制，可以做到虚拟仪器软硬件资源的无缝衔接，底层软件资源丰富灵活，方便二次开发，适应性强，可靠性高。DAQ数据采集板卡通过PCI总线插在便携式计算机中，其外形如图2所示。

DAQ数据采集板卡集成了信号检测电路和数据采集逻辑两部分，其原理图如图3所示。

信号检测电路是信号辅助调理电路，接收探头传感器传送过来的电源设备物理模拟量信号，从混合信号中提取出待测量的微弱有用信号。在采集信号时，根据奈奎斯特采样定理指出：时间连续信号转换成离散信号时，需要在一个周期内的采样次数多于2次。为保证信号质量，选用的采样频率经常大于采样定理所指出的最小采样频率，达到信号最高频率的3～4倍甚至更高。因由电压测量中传来的信号含有高次谐波，所以必须进行滤波，这里用的是二阶RC有源低通滤波器作为抗混叠滤波器。电压信号经低通滤波器后，為了满足MD转换器对信号电平的要求，经过了电平转换。MD转换器采用一种高速、低功耗、多通道同时采样保证无失码的双12位逐次逼近型A/D转换器，其基准电压由内部电路提供，转换精度为±1LSB。为了保证海量数据的交换，A/D转换器转换完成后的数据存储在大规模SRAM阵列中。

经变换输出后的多路标准信号在DAQ数据采集板卡中进行处理，通过PCI系统总线交换到高性能计算机进行数据处理，确保了测量过程的实时行和完整性，可拓展至对多路电源信号的同时监控。由于DAQ数据采集板卡采用PCI计算机总线标准，所以需用计算机底层的硬件驱动程序来对应管理。

3.2软件组成和基本设计原理

虚拟仪器的设计有多个软件平台可供二次开发，如VC、VB、c++和LabVIEW等等，本系统软件采用LabVIEW开发环境为平台，原因是LabVIEW为NI公司开发的图形化编辑编译平台，方便用户交互和软件功能调整。系统软件设计采用自顶向下的模块化设计方法，强调“合适性、结构稳定性、可扩展性、可复用性”软件设计原则，便于今后根据用户需求进行再设计。本系统软件设计原理从三个方面考虑，一是计算机交互界面总体控制流程的实现；二是物理量的采集与数据处理；三是后期的数据处理与加工。

3.2.1总体控制流程

本系统是软硬件相互结合的虚拟仪器平台，在电网各种电参数的测量与监控分析过程中，应首先能控制数字化仪等硬件正常工作感测外部信息，其次能完成数据的转换、传输、处理和判断等功能，所有这些应由软件用户界面交互式管理，同时考虑本系统可同步完成多通道电参数的监控分析，所以各项功能模块的实现采用Windows多任务调度模式。系统工作总体控制流程图如图4所示。

3.2.2物理量采集与数据处理

物理量采集与数据处理主要完成对采集通道的控制，原始采样数据的转换、传输和计算，包括电压有效值的计算、电压偏差计算、频率偏差计算、谐波计算和纹波计算等，计算完成后保留数据。其中，数据处理模块软件流程图如图5所示。

流程图中FFT算法采用快速算法FFT。其基本思想是：可以将一个长度为N的序列的离散傅里叶变换逐次分解为较短的傅里叶离散变换来计算，这些短序列可重新组合成原序列，而总的运算次数却比直接计算少得多，从而达到提高速度的目的。

3.2.3电源监控与分析模块的实现

后期对数据进一步进行处理和加工，采用交互界面完成各电参数综合显示、分析和判断，达到既定的电源品质监控与分析目的。按功能模块包括以下内容：采集开关启动监控过程；在采集与监控状态下进行参数的设置、测量与显示；进行硬件采集时基的设置、触发通道的设置、触发模式的设置；对于计算机模拟示波器面板上的波形进行位置调整、缩放和捕捉；调取计算机内存储的波形再次显示、分析和打印；利用各种高效的数字信号处理技术，对电源频域信号进行分析，依据判据确定故障。

4结束语

本研究利用虚拟仪器技术设计了便携式的飞机电源品质监控设备，具有操作简单、应用灵活等特点，完成后在机务一线工作中进行了试用，完全可以满足飞机外场的电源品质测试需求，收到了很好效果，促进提高了维护保障工作效率。