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航空地面电源电能质量检测技术

发布时间:2022-11-01 09:12:14  浏览量:33
       在现代社会中,“电能”是一种必不可少的能源。近年来,用户对电能质量的要求越来越高,除了原来对频率、幅值的检测需求外,对供电电网中的谐波含量、电压偏差、三相不平衡度、电压波动与闪变等扰动也有了更高地要求。这使人们渐渐意识到电能已经不仅是一种“能量”的输送,也是一种“信息”的传递。而在这些“信息”的传递过程中,往往夹杂着很多“不良信息”,比如:谐波、电压暂降、电压暂升、暂态脉冲等等,这些“不良信息”就是电能质量扰动(或称之为电能质量问题)。
       为了改进提高供电电能质量,系统地分析和研究电能质量扰动,找出问题源头并有效地解决这些问题,电能质量扰动的检测工作显得尤为必要。电能质量检测技术正在逐渐成熟并应用于公共电网中,其工作方式是通过检测算法和分类算法来实现对电能质量扰动的检测。为了提供执行标准及检测依据,国家技术监督局颁布了八项电能质量标准。
       不同于公共电网中的 50Hz/220V 两相交流电或 50Hz/380V 三相交流电,航空地面供电一般使用航空地面电源输出的 400Hz/200V 或 400Hz/115V 三相交流供电方式。航空地面电源具有结构简单、容量利用率高、成本低、可靠性好等优点,所以现在以及未来很长一段时间,航空地面电源都是航空场站为飞机进行地面供电的首选设备。随着飞机“多电化”进程的发展,航空电源系统容量不断增加,电能质量扰动造成的问题愈发凸显。航空地面电源供电出现电能质量扰动直接影响到飞机飞行保障工作,会对飞机造成无法挽回地损害,例如:2012 年 11 月美军一架F22战机因长期供电不当,致使其电线提前老化,进而导致电缆起火烧穿液压管路而坠毁;某场站某型电源车由于电能质量扰动而烧毁某型飞机;某型飞机在研制期间例行检查时,由于航空地面电源车偶发故障造成全机身右侧电缆烧坏、全机瘫痪。因此,国防科学技术委员会针对军用航空的供电参数,颁布了三项国家军用标准:《GJB1910-1994 飞机地面电源车通用规范》、《GJB572A-2006 飞机外部供电特性及一般要求》、《GJB181-2012 飞机供电特性》。随着空军装备更新换代,主力战机逐渐更换为新一代机型,机型升级导致飞机对供电质量的要求日益提高。因此航空地面电源输出电能质量的检测工作也越来越重要,其检测技术已经成为当下极其重要地研究课题。
       为了减少电能质量扰动对飞机用电设备造成的伤害,本文对电能质量扰动信号(或称之为扰动信号,即基频与故障扰动的叠加信号)的检测与分类识别技术进行了研究。虽然公共电网电能质量与航空供电电能质量的标准不一样,但是二者的检测内容基本相同,它们所使用的检测技术方法也基本一致。为了使航空地面电源的电能质量达到以上三项国家军用标准的要求,必须使用电能质量检测系统对航空地面电源进行检测。航空地面电源检测系统的发展历程与其它测量仪器一样经历了四个阶段:
       第一阶段,模拟仪表阶段。此阶段的检测系统是由多个模拟指针式仪表组成的检测系统,其功能简单、可靠性低、检测效率低下,现在已经基本被淘汰。
       第二阶段,数字仪表阶段。在这个阶段中,数字仪表代替模拟仪表组成检测系统,其检测准确度与效率有了明显地提升。现在仍有很多检测系统由数字仪表所组成。
       第三阶段,智能检测系统阶段。随着智能处理芯片的研发,有些航空地面电源检测系统在改造升级中使用了智能处理芯片,成为智能检测系统。这些智能检测系统能够自动测试和记录数据。但是,由于智能检测系统主要依托硬件存在,导致其开发及应用灵活性不足。
       第四阶段,虚拟仪器阶段。虚拟仪器能够对供电信号进行计算,代替研究人员和检测人员对数据进行更加深入地分析。近年来,很多研究人员开始尝试使用虚拟仪器进行航空地面电源检测系统的开发工作,在减少检测系统对硬件的依赖程度和提高检测工作效率方面取得了很好的效果。
       目前航空场站的电能质量检测系统正在由第三阶段向第四阶段过渡。日常工作中所接触到的航空地面电源电能质量检测系统,大部分是由多种独立的测量仪器所组成。这些检测系统的检测技术存在以下四个缺点:一是存在检测误差大的问题;二是存在设备体积大运输不便的问题;三是存在工作效率低下的问题;四是存在对检测人员要求过高的问题。在工作中经过不断地总结分析,得出导致这四个缺点的主要原因及产生的严重后果主要有:
     (1)现有检测技术分析算法的精度不足,导致检测结果出现误差偏大的现象。电能质量检测工作的基本任务是检测电能扰动的幅值、频率和突变时间,如检测系统出现误差偏大,则会导致无法准确检测航空地面电源供电质量是否达标。如果飞机供电质量长期不达标,轻则造成线路老化、铜损等隐患,重则直接烧毁飞机电气线路。
     (2)现有检测技术无法实现航空地面电源电能质量扰动信号的自动识别分类,必须使用不同功能的设备来完成检测工作,得到检测数据后由人工进行数据分析得出检测分类结果。清华大学的吴文传教授在《智能电网控制中心技术的未来发展》一文中提到“虽然在输电线路上安装电能检测设备,得到大量电能数据……但利用简单的人工分析不仅会浪费大量的人力物力而且很难得到精确的电能质量信息。在检测工作中,单纯的电压暂降、电压暂升等扰动信号特征较为明显,一般可以直接由电压波形图中看出。但是当电能质量扰动信号与噪声、谐波混合,或几种扰动信号相互混合时无法从电压波形图中直接看出,非常容易发生漏检现象。如果能够利用扰动信号的某些特征进行分类识别,那么检测系统除了能够自动完成识别分类外,还可以扩大其检测范围、提高工作效率。同时,通过软件算法对扰动信号进行分类识别还可以减少系统对硬件的依赖程度,进而达到缩小体积的效果。
     (3)由于现有检测技术智能化不足的原因,航空地面电源检测工作对人员的经验和知识水平要求很高,人员上岗前需经过大量培训和学习,导致了该岗位人员紧缺。因此,航空地面电源电能质量检测系统急需向智能化方向发展,这就需要一种智能诊断分析技术对电能质量扰动信号的故障源进行追溯。
      基于以上原因,上海交通大学的程浩忠教授提出:“检测系统除了必须具备传统的检测功能(时间、频率和幅值的检测)外,在功能和技术上还应包括:各种信息的提取、收集、分类和管理;分析手段的智能化,比如:小波变换技术、模式识别等;对各种电能质量扰动能够进行分类、识别或预测。”本文所研究的航空地面电源电能质量检测系统的针对性功能需求如下:
       ①能够准确地检测扰动信号的时间、幅值、频率;
       ②能够实现扰动信号地提取、收集和分类功能;
       ③能够使用智能化的计算方法对提取和收集的信号数据进行分析,以实现智能诊断的目的。
       综上所述,实现检测系统分析手段智能化和分类识别自动化是一项非常重要的课题,能够从根本上解决现有航空地面电源电能质量检测系统的缺点,适应现代军用飞机对电能质量的要求。

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