CN108535602A - 一种电压暂降自动试验平台 - Google Patents
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Abstract
本发明公开一种电压暂降自动试验平台，包括：直流装置，用于从三相交流电网取电为直流母线供电；电压暂降发生器，用于提供任意指定相位、幅值和持续时间的电压暂降信号；可编程模拟负荷，用于模拟不同负荷并将能量回馈到直流母线；设备接入和测试一体化平台，用于固定、连接、复位、监控试验设备；电压暂降和敏感设备信号检测平台，用于测量线路中的电压、电流信号以及敏感设备在电压暂降发生时的动作情况；电压暂降综合控制与管理***，通过数据总线、控制总线与各组成部件相连接并控制其工作状态。本发明采用模块化设计思路，降低了设备成本，各组成部分在功能上相辅相成，可以满足自动测试、分析试验设备的电压暂降敏感特性试验的各种要求。
Description
技术领域
本发明涉及电力***技术领域，特别涉及一种电压暂降自动试验平台。
背景技术
随着经济的发展，大量非线性、冲击负荷的使用，导致电网中的电能质量问题日益严重。尤其是电压暂降对各种以计算机、可编程控制器、嵌入式处理器为核心的精密用电设备的运行产生了极大的影响。电源电压暂降或畸变，会给半导体制造、信息、计算机或电子通信等行业带来巨大的经济损失。据统计，美国因为电能质量问题所带来的损失一年超过500亿美元。因此，电能质量问题尤其是电压暂降问题引起了国内外学者的广泛关注。国际电气与电子工程师协会和国际电工委员会权威机构相继制定了电压暂降相关国际标准：国际电工委员会电磁兼容(EMC)标准工EC61000电磁环境部分(即：IEC61000-2-8)描述了电压暂降、短时中断等电磁干扰现象，讨论了供电***电压暂降、短时中断现象对接入***的电气设备的影响；并制定了电气和电子设备的电压暂降、短时中断以及电压变化抗扰度等级抗扰度试验和测量方法(即：IEC61000-4-11：2004)。我国现行的电气设备电压暂降、短时中断和电压变化抗扰度等级、抗扰度试验和测量方法的标准为GB-17626.11-2008，等同采用IEC61000-4-11:2004。
目前，已有学者开始研究精密用电设备、敏感照明灯具、变频器以及低压脱扣器等受电压暂降的影响，研究手段主要为基于理论分析的实验研究。因此，为了有针对性的进行实验，急需研制符合国家标准的可产生各种电压信号的设备，用以测试待测设备对电压质量的抗扰特性。但目前能够模拟产生各种电压信号的大功率发生装置还不完善，其控制器普遍采用单片机、单数字信号处理器等架构，如要同时兼顾运算、输出控制、故障检测、人机交互等功能要求，必然导致控制周期延长和控制精度降低，因而现有设备普遍存在结构笨重，功能单一，精度差，输出功率小，缺乏智能化，通用性不够的缺点。目前对于电压暂降对设备影响的研究开展较少，一个很重要的原因在于缺少完善的试验平台，若从国外引进能够模拟产生任意相位、幅值和持续时间电压暂降信号的整套试验设备，则价格十分昂贵，所以研制一套运行实时高效的大功率、高精度、低成本的多功能智能化新型电压暂降自动试验平台有重要意义。
发明内容
本发明所要解决的技术问题在于，提供一种能进行高精度的电压暂降测试与评估分析的电压暂降自动试验平台。
为了解决上述技术问题，本发明提供一种电压暂降自动试验平台，包括：
直流装置，用于从三相交流电网取电为直流母线供电；
电压暂降发生器，用于提供任意指定相位、幅值和持续时间的电压暂降信号；
可编程模拟负荷，用于模拟不同负荷并将能量回馈到所述直流母线；
设备接入和测试一体化平台，位于电压暂降发生器与可编程模拟负荷之间，用于固定、连接、复位、监控试验设备；
电压暂降和敏感设备信号检测平台，用于测量线路中的电压、电流信号以及敏感设备在电压暂降发生时的动作情况；
电压暂降综合控制与管理***，通过数据总线、控制总线与所述直流装置、电压暂降发生器、可编程模拟负荷、设备接入和测试一体化平台和电压暂降和敏感设备信号检测平台相连接并控制其工作状态。
其中，所述直流装置包括PWM整流器及直流侧稳压电容，所述PWM整流器从三相交流电网获取电能，并在所述直流侧稳压电容产生直流电压，为所述直流母线供电。
其中，所述电压暂降发生器包括主电路模块、LCL滤波器、电压互感器和电流互感器，所述主电路模块为三电平逆变电路用于功率传输，所述LCL滤波电路用于消除交流电压谐波，所述电压互感器、电流互感器采集线路中的电能量用于逆变电路的闭环控制。
其中，所述电压暂降发生器从所述直流母线供电，按照设定参数，提供任意指定相位、幅值和持续时间的单次电压暂降信号，和任意指定相位和幅值的连续电压暂降信号，同时在不输出电压暂降信号时，输出稳定的220V或者380V的交流电压信号。
其中，所述可编程模拟负荷采用全控型电力电子器件的三相桥式电路，通过SPWM调制实现模拟各类负荷从电压暂降发生器交流侧吸收能量的控制以及把能量回馈到所述直流母线。
其中，所述直流装置、电压暂降发生器和可编程模拟负荷均包括一控制器单元，所述控制器单元采用双DSP和FPGA数字控制***，第一DSP用于处理数据显示与数据输入，第二DSP用于产生参考波形并对输出波形进行控制，FPGA用于控制A/D转换芯片，作为第一DSP和第二DSP之间的数据交换通道，生成逆变器IGBT驱动信号，并进行全***故障检测及IO控制输出。
其中，所述设备接入和测试一体化平台还用于通过监控试验设备的动作情况而决定是否做出复位动作。
其中，所述设备接入和测试一体化平台包括自下而上的设备层、复位层和感应层，其中，所述设备层包括灵活固定件、测试设备、进出线端口，所述灵活固定件大小二维可调，用于接入不同形状、尺寸的设备，所述进出线端口用于批量化接入测试设备；所述复位层包括可二维移动的灵活复位臂、固定导轨和可移动导轨，所述灵活复位臂具有大小可调的触头，用于操作不同大小的测试设备按钮、触点；所述感应层包括可移动摄像头及光敏传感器，所述可移动摄像头用于在线监测测试设备触点状态，所述光敏传感器用于感知照明设备的工作状态并获取光流明状态量。
其中，所述电压暂降和敏感设备信号检测平台包括电压传感器、电流传感器及数据处理中心，还用于在检测电压暂降发生器输出的电压和电流并分析处理后，上传给所述电压暂降综合控制与管理***。
其中，所述电压暂降自动试验平台还包括触摸屏，用于供操作者设置产生任意相位、幅值和持续时间的单次暂降信号，或者任意指定相位和幅值的连续电压暂降信号，并实时显示输出电压电流、故障状态、运行模式信息。
本发明实施例的有益效果在于：
采用模块化设计思路，布局更加紧凑，实现了设备的小型化、安装的灵活化、方便化，降低了设备成本，各组成部分在功能上相辅相成，可以满足自动测试、分析试验设备的电压暂降敏感特性试验的各种要求；
直流装置、电压暂降发生器和可编程模拟负荷均采用双数字信号处理器和现场可编程逻辑门阵列架构的三核处理***：一个数字信号处理器单独进行输出控制，芯片资源完全用于电压的输出控制，满足控制的实时性、精确性和稳定性的要求；另一数字信号处理器单独处理数据输入、数据显示等人机交互功能，操作时响应速度快，不影响输出控制；现场可编程逻辑门阵列FPGA作为***核心控制器件，充分利用其强大的逻辑处及并行处理能力，可大量减少***逻辑比较电路，增强***设计的灵活性；同时提高***对故障的响应速度，最大限度地减少故障对***造成的影响；
采用触摸屏作为人机交互的方式，可通过触摸屏精确设置产生任意相位、幅值和持续时间的单次暂降信号，或者任意指定相位和幅值的连续电压暂降信号，操作简便且提高了试验的准确度；
为固定和连接试验设备，安装灵活的机械臂实现复位操作，可自动多次重复试验，使得试验设备的固定、连接及拆除更加方便，也提高了试验过程中人员和设备的安全性。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明实施例一种电压暂降自动试验平台的结构示意图。
图2为本发明实施例中电压暂降发生器的拓扑结构示意图。
图3为本发明实施例中可编程模拟负荷拓扑结构示意图。
图4为本发明实施例中“双DSP+FPGA”数控***设计图。
图5为本发明实施例中设备接入与测试平台架构示意图，其中图5a为设备接入与测试平台总体架构示意图，图5b为设备接入与测试平台各层架构示意图。
图6为本发明实施例中4周波的电压暂降与恢复波形图。
图7为本发明实施例中连续2次1.5周波的电压暂降与恢复波形图。
图8为本发明实施例中3周波的电压暂升与恢复波形图。
图9为本发明实施例中连续3次1.5周波的电压暂升与恢复波形图。
具体实施方式
以下各实施例的说明是参考附图，用以示例本发明可以用以实施的特定实施例。
请参照图1所示，本发明实施例提供一种电压暂降自动试验平台，包括：
直流装置，用于从三相交流电网取电为直流母线供电；
电压暂降发生器，用于提供任意指定相位、幅值和持续时间的电压暂降信号；
可编程模拟负荷，用于模拟不同负荷并将能量回馈到所述直流母线；
设备接入和测试一体化平台，位于电压暂降发生器与可编程模拟负荷之间，用于固定、连接、复位、监控试验设备；
电压暂降和敏感设备信号检测平台，用于测量线路中的电压、电流信号以及敏感设备在电压暂降发生时的动作情况；
电压暂降综合控制与管理***，通过数据总线、控制总线与所述直流装置、电压暂降发生器、可编程模拟负荷、设备接入和测试一体化平台和电压暂降和敏感设备信号检测平台相连接并控制其工作状态。
具体地，电压暂降综合控制与管理***用于实现各装置的有机整合与协调控制：接收直流装置、电压暂降发生器、可编程模拟负荷、设备接入和测试一体化平台和电压暂降和敏感设备信号检测平台的状态信息，进行相应的分析决策，分别向直流装置、电压暂降发生器、可编程模拟负荷、设备接入和测试一体化平台和电压暂降和敏感设备信号检测平台发送电压暂降指令等控制信号，实现各装置的有机整合，协调控制。
直流装置包括PWM整流器及直流侧稳压电容，其通过数字控制***控制PWM整流器从三相交流电网获取电能，并在直流侧稳压电容产生直流电压，为整个直流母线供电。
请参照图2所示，电压暂降发生器包括主电路模块、LCL滤波器、电压互感器、电流互感器等***电路以及与其相连的控制器单元，共同构成完整的***，主电路模块为三电平逆变电路用于功率传输，LCL滤波电路用于消除交流电压谐波，电压互感器、电流互感器采集线路中的电能量用于逆变电路的闭环控制。电压暂降发生器直流侧与直流母线相连获取电能，经过LCL滤波电路滤除交流高次谐波输出电能。电压暂降发生器从直流母线供电，按照设定参数，提供任意指定相位、幅值和持续时间的单次电压暂降信号，和任意指定相位和幅值的连续电压暂降信号，同时在不输出电压暂降信号时，输出稳定的220V或者380V的交流电压信号。所述电压暂降深度为1%～90%，电压暂降相位变化范围为0˚～359˚，电压暂降持续时间变化范围为10ms～1min，电压暂降深度表达式如下：
电压暂降深度=。
如图3所示，可编程模拟负荷采用全控型电力电子器件的三相桥式电路，可模拟大功率负荷，可模拟的负荷类型至少包括电阻、电抗、电容、电阻加电抗、电动机等，完全满足380V/100A的容量要求。本实施例中，可编程模拟负荷采用空间矢量滞环电流控制技术，还原真实负荷的功率吸收场景，既可模拟常规的阻抗型负荷，又可模拟谐波源，甚至是多种负荷叠加而成的负荷。可编程模拟负荷通过SPWM调制实现模拟各类负荷从电压暂降发生器交流侧吸收能量的控制以及把能量回馈到直流母线。
直流装置、电压暂降发生器和可编程模拟负荷的控制器单元均采用双DSP和FPGA数字控制***，作为一种示例，DSP都采用TI公司的TMS320F28335型号芯片，FPGA芯片采用XILINX公司的XC2S200-5PQG208C型号芯片。请参照图4所示，一个DSP（称为DSPA）负责处理数据显示与数据输入，另一个DSP（称为DSPB）负责产生参考波形并对输出波形进行控制，现场可编程逻辑门阵列（FPGA）有四方面功能：一是控制A/D转换芯片，对外部CT/PT及调理电路后的电压电流信号进行模数转换并读取结果，同时把结果传送给DSPA和DSPB；二是作为DSPA和DSPB之间的数据交换通道；三是逆变器IGBT驱动信号的生成；四是进行全***故障检测及IO控制输出，一旦出现故障可瞬时执行保护程序，不受DSP工作状态影响，三者分工明确，使全***的控制精度和运行效率明显提高，因而可集成更多的功能，满足多功能智能化的要求。DSPA读取FPGA中的电压电流数据和故障状态等信息在人机界面中显示，向后台综合控制与管理***反馈***状态信息同时接受来自后台综合管理***下达的命令。DSPB主要负责控制电压波形的稳定精确输出，DSPB通过FPGA与DSPA进行数据交互，读取来自DSPA的电压暂降深度、电压暂降相位、电压暂降持续时间等指令生成指定的电压参考波形，并读取FPGA中的模数转换结果，作为控制器的输入，实时控制输出电压，生成调制信号，并把调制信号传输到FPGA，和FPGA产生的三角载波进行比较得到PWM信号，PWM波经驱动模块输出驱动信号，控制IGBT的开通与关闭，经LC低通滤波器产生符合要求三相交流电压，实现所需电压的稳定精确输出。
请同时参照图5a和图5b所示，本实施例中，设备接入与测试平台采用一体化设计，平台结构自下而上依次为设备层、复位层和感应层，其中设备层包括灵活固定件、测试设备、进出线端口等部件，灵活固定件大小二维可调，可满足不同形状、尺寸的设备接入，预留的进出线端口可方便测试设备的批量化接入；复位层主要包括灵活复位臂、固定导轨和可移动导轨，保证复位臂可以二维移动，另外，复位臂触头大小灵活可调，可满足不同大小的测试设备按钮、触点的操作，实现精准复位；感应层主要包含可移动摄像头及光敏传感器，可移动摄像头可以在线监测测试设备触点状态，光敏传感器可以感知照明设备的工作状态并获取光流明等状态量。设备接入和测试一体化平台固定试验设备并接入在电压暂降发生器与可编程模拟负荷之间，通过监控试验设备的动作情况而决定是否做出复位动作。
电压暂降和敏感设备信号检测平台包括电压传感器、电流传感器及数据处理中心，能够准确地检测电压暂降发生器输出的电压和电流并分析处理，上传给电压暂降综合控制与管理***。
本实施例电压暂降自动试验平台还包括触摸屏，人机交互通过触摸屏完成，操作者可通过触摸屏精确设置产生任意相位、幅值和持续时间的单次暂降信号，或者任意指定相位和幅值的连续电压暂降信号，同时触摸屏实时显示***的输出电压电流、故障状态、运行模式等信息。触控***界面友好，操作简便且提高了试验的准确度。
作为本发明实施例电压暂降自动试验平台的具体应用，图6至图9示出了多种情况的波形图，其中，图6为4周波的电压暂降与恢复波形，暂降幅度为48%，暂降起始相位为270°；图7为连续2次1.5周波的电压暂降与恢复波形，暂降幅度为88%；图8为3周波的电压暂升与恢复波形，暂升幅度为38%；图9为连续3次1.5周波的电压暂升与恢复波形，暂升幅度为38%。
通过上述说明可知，与现有技术相比，本发明实施例带来的有益效果在于：
采用模块化设计思路，布局更加紧凑，实现了设备的小型化、安装的灵活化、方便化，降低了设备成本，各组成部分在功能上相辅相成，可以满足自动测试、分析试验设备的电压暂降敏感特性试验的各种要求；
直流装置、电压暂降发生器和可编程模拟负荷均采用双数字信号处理器和现场可编程逻辑门阵列架构的三核处理***：一个数字信号处理器单独进行输出控制，芯片资源完全用于电压的输出控制，满足控制的实时性、精确性和稳定性的要求；另一数字信号处理器单独处理数据输入、数据显示等人机交互功能，操作时响应速度快，不影响输出控制；现场可编程逻辑门阵列FPGA作为***核心控制器件，充分利用其强大的逻辑处及并行处理能力，可大量减少***逻辑比较电路，增强***设计的灵活性；同时提高***对故障的响应速度，最大限度地减少故障对***造成的影响；
采用触摸屏作为人机交互的方式，可通过触摸屏精确设置产生任意相位、幅值和持续时间的单次暂降信号，或者任意指定相位和幅值的连续电压暂降信号，操作简便且提高了试验的准确度；
为固定和连接试验设备，安装灵活的机械臂实现复位操作，可自动多次重复试验，使得试验设备的固定、连接及拆除更加方便，也提高了试验过程中人员和设备的安全性。
以上所揭露的仅为本发明较佳实施例而已，当然不能以此来限定本发明之权利范围，因此依本发明权利要求所作的等同变化，仍属本发明所涵盖的范围。
Claims (10)
1.一种电压暂降自动试验平台，其特征在于，包括：
直流装置，用于从三相交流电网取电为直流母线供电；
电压暂降发生器，用于提供任意指定相位、幅值和持续时间的电压暂降信号；
可编程模拟负荷，用于模拟不同负荷并将能量回馈到所述直流母线；
设备接入和测试一体化平台，位于电压暂降发生器与可编程模拟负荷之间，用于固定、连接、复位、监控试验设备；
电压暂降和敏感设备信号检测平台，用于测量线路中的电压、电流信号以及敏感设备在电压暂降发生时的动作情况；
电压暂降综合控制与管理***，通过数据总线、控制总线与所述直流装置、电压暂降发生器、可编程模拟负荷、设备接入和测试一体化平台和电压暂降和敏感设备信号检测平台相连接并控制其工作状态。
2.根据权利要求1所述的电压暂降自动试验平台，其特征在于，所述直流装置包括PWM整流器及直流侧稳压电容，所述PWM整流器从三相交流电网获取电能，并在所述直流侧稳压电容产生直流电压，为所述直流母线供电。
3.根据权利要求1所述的电压暂降自动试验平台，其特征在于，所述电压暂降发生器包括主电路模块、LCL滤波器、电压互感器和电流互感器，所述主电路模块为三电平逆变电路用于功率传输，所述LCL滤波电路用于消除交流电压谐波，所述电压互感器、电流互感器采集线路中的电能量用于逆变电路的闭环控制。
4.根据权利要求1所述的电压暂降自动试验平台，其特征在于，所述电压暂降发生器从所述直流母线供电，按照设定参数，提供任意指定相位、幅值和持续时间的单次电压暂降信号，和任意指定相位和幅值的连续电压暂降信号，同时在不输出电压暂降信号时，输出稳定的220V或者380V的交流电压信号。
5.根据权利要求1所述的电压暂降自动试验平台，其特征在于，所述可编程模拟负荷采用全控型电力电子器件的三相桥式电路，通过SPWM调制实现模拟各类负荷从电压暂降发生器交流侧吸收能量的控制以及把能量回馈到所述直流母线。
6.根据权利要求3-5任一项所述的电压暂降自动试验平台，其特征在于，所述直流装置、电压暂降发生器和可编程模拟负荷均包括一控制器单元，所述控制器单元采用双DSP和FPGA数字控制***，第一DSP用于处理数据显示与数据输入，第二DSP用于产生参考波形并对输出波形进行控制，FPGA用于控制A/D转换芯片，作为第一DSP和第二DSP之间的数据交换通道，生成逆变器IGBT驱动信号，并进行全***故障检测及IO控制输出。
7.根据权利要求1所述的电压暂降自动试验平台，其特征在于，所述设备接入和测试一体化平台还用于通过监控试验设备的动作情况而决定是否做出复位动作。
8.根据权利要求7所述的电压暂降自动试验平台，其特征在于，所述设备接入和测试一体化平台包括自下而上的设备层、复位层和感应层，其中，所述设备层包括灵活固定件、测试设备、进出线端口，所述灵活固定件大小二维可调，用于接入不同形状、尺寸的设备，所述进出线端口用于批量化接入测试设备；所述复位层包括可二维移动的灵活复位臂、固定导轨和可移动导轨，所述灵活复位臂具有大小可调的触头，用于操作不同大小的测试设备按钮、触点；所述感应层包括可移动摄像头及光敏传感器，所述可移动摄像头用于在线监测测试设备触点状态，所述光敏传感器用于感知照明设备的工作状态并获取光流明状态量。
9.根据权利要求1所述的电压暂降自动试验平台，其特征在于，所述电压暂降和敏感设备信号检测平台包括电压传感器、电流传感器及数据处理中心，还用于在检测电压暂降发生器输出的电压和电流并分析处理后，上传给所述电压暂降综合控制与管理***。
10.根据权利要求1所述的电压暂降自动试验平台，其特征在于，还包括触摸屏，用于供操作者设置产生任意相位、幅值和持续时间的单次暂降信号，或者任意指定相位和幅值的连续电压暂降信号，并实时显示输出电压电流、故障状态、运行模式信息。
Priority Applications (1)
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