航空交流電源畸變系數測試方法研究

郭慧娟，張涇周，馬存福，張廣標

（西北工業大學 自動化學院，陜西 西安 710129）

隨著航空工業的不斷發展，飛機上的用電設備不斷的增加，飛機的飛行安全直接取決于供電品質的好壞和電網的穩定。因此在研制新飛機和現役飛機進行改進時，都要依據GJB181A-2003標準對飛機電網的電氣特性進行嚴格的測試，其中一個需要測試的重要參數是是電網電壓的交流畸變系數。在理想的情況下，電壓波形是周期性標準正弦波，實際為了能夠完成復雜的飛行任務和保證飛機的安全，飛機上配置了大量的先進機載設備[1]，受發電機結構、負載性質等其他因素影響，尤其是供電設備大量的非線性負載特性及交流電壓調制等因素的影響[2]，實際的交流電壓中不僅包括基波分量還包括諧波分量，其中諧波分量包括整數次諧波分量和非整數次諧波（包括次諧波和簡諧波）分量，以交流畸變頻譜和交流畸變系數兩個參數來體現分析結果[3]。

1 交流畸變系數

GJB181A-2003中指出，交流電壓畸變系數是指交流畸變與電壓基波分量方均根值之比。其中，交流畸變電壓是指在交流電壓波形中，除基波電壓之外的電壓分量方均根值[5]。根據文獻[5]中對畸變參數采用以下方法進行測試，以不低于1 MHz的采樣頻率對被測交流電壓波形進行采樣[4]，按式（1）計算交流電壓畸變系數。

式中：kJJ為交流電壓畸變系數；UJJ為交流電壓畸變方均根值，V；U1為基波電壓方均根值。其中交流電壓畸變方均根值按式（2）計算。

式中：UJJ為交流電壓畸變方均根值，V；Tw為規定的采樣時間，s；UJJi為交流電壓畸變波形（從交流電壓波形中濾除基波后的波形）的瞬時值，V；n為采樣總次數；i為采樣序列；Δt為每次采樣的對應時間，s。所以，在交流畸變系數的求解中，要求出已知波形的基波電壓的均方根值和交流電壓畸變波形的瞬時采樣值[5]。

2 測試方法

2.1 畸變系數測試方法分析

本文設計了3種方法來計算交流電壓畸變系數，其結構流程圖分別如圖1所示。3種方法在開始時都要對實驗數據進行相同的處理過程，即數據分組預處理過程；3種方法的區別主要是在于畸變波形和基波波形的提取過程中采用了不同的提取對象與提取方法。

圖1 本文方法的結構流程圖Fig.1 Structure diagram of the providingmethods

2.2 數據的采集

在畸變系數計算時，首先要對輸出電壓進行采集，采樣頻率為1 MHz，采樣時間為1 s，然后對采集的數據進行預處理，在進行預處理之前先提取采樣數據，即采樣電壓的瞬時值。根據GJB181A-2003要求采樣時間為不大于1 s內最大整數個交流電壓周波所對應的時間。然后通過采樣波形過零點的個數，求出1 s內最大整數個交流電壓周波所對應的時間，即Tw。再對截取的波形進行傅里葉變換。本文使用凌華公司生產的DAQ-2204板卡進行數據采集，該板卡具備64路單端或32路差分模擬輸入通道，其單通道最高采樣頻率為3 MHz。

2.3 數據的分組預處理

首先連續采樣1 s，GJB5189-2003規定，交流畸變系數測試的采樣頻應不低于1MHz，規定的采樣時間為不大于1 s期間最大整數個交流電壓周波所對應的時間[5]。將采樣的數據提取出來，便于后續分析。首尾過零點的查找：尋找采樣數據的整數個周波，比較快速準確的方法就是尋找采樣數據的首尾過零點。設采樣的任一瞬時電壓點為i，y（i）為i處電壓的瞬時采樣值，總采樣點數為N；f，g均為代數式的值。

當 i=m:N-m 時，f=y（i+1）+y（i+2）+y（i+3）+…+y（i+m）；g=y（i-1）+y（i-2）+y（i-3）+…+y（i-m+1）；

若f＜0，g＞0，則i為過零點。由于該方法選取的過零點往往誤差比較大，且根據i的取值不同，過零點的精確度也比較隨機，有時往往相連的兩到三個值處都可能會被程序判定為過零點，從而導致最終實驗結果的誤差偏大。若要選取精確的過零點，可以采用逼近法。其計算公式如下：當i=1:N-m時，f=y（i）+y（i+1）+y（i+2）+…+y（i+m-1）；g=y（i+1）+y（i+2）+y（i+3）+…+y（i+m）；若 f＜0，g＞0，則 i為逼近過零點。 將 m 的取值范圍適當擴大，即可增加i的精確度，使測量結果更逼近過零。實踐證明如此選取過零點可以避免噪聲和雜波的干擾，使實驗結果更精確。

2.4 畸變系數算法研究

3種方法的不同之處在于提取的頻域部分不同。1）只提取基波頻譜，2）只提取畸變波形頻譜，3）分別提取了基波頻譜和畸變波形頻譜。然后對提取的頻譜進行IFFT變換，得到相應的波形。

2.4.1 基波波形和畸變波形

截取的原始有效數據的n個周波并對其進行FFT變換后，就得到了采樣波形的頻譜圖。采樣波形包括了基波分量和諧波分量，在頻譜中各分量的幅度隨頻率增高而減小，基波頻譜即為幅值最大處[6-8]。將頻譜幅度最大值從經過FFT變換后數據里提出，并將其余的點補0，進行IFFT變換，即得到基波波形；將頻譜幅度最大值點處置0，再進行IFFT變換，從而得到畸變波形。畸變波形的另一種獲取方法可以采用原始波形減去基波波形。

2.4.2 交流畸變系數的計算

得到基波波形和畸變波形后，得到了交流電壓基波波形的瞬時值、交流電壓的畸變波形的瞬時值、規定的采樣時間、每次采樣對應的時間。①、③根據交流電壓基波波形的瞬時值求出基波電壓的均方根，并通過公式（1）、（2）計算交流電壓畸變系數。②根據基波有效值快速算法計算出基波電壓均方根值并通過公式（1）、（2）計算交流電壓畸變系數。

3 測試結果與分析

本實驗是在Matlab環境中進行測試的，Matlab軟件本身的算法中，對離散數據進行傅里葉變換時，以2n點進行計算，若點數不夠則自動補零。為了驗證本文的算法，對某航空電源的電壓數據進行了采集（采樣頻率1 MHz，共選取10組數據），處理結果如下。

表1 交流電壓畸變系數測試結果Tab.1 Test result of AC voltage distortion coefficient

為了方便觀察，下面列舉了第1個數據文件中每一相（a相、b相、c相）數據的測試結果，每一個表格都是從同一個數據文件的同一相中選出，每相中再選出不同的5組數據進行比較（注：每一相對應的同組數據頻段都是相同的）。

表2 第3組數據a相的測試結果Tab.2 Test result of a phase of the first set data

表3 第3組數據b相的測試結果Tab.3 Test result of b phase of the first set data

表4 第3組數據c相的測試結果Tab.4 Test result of c phase of the first set dat

為了驗證算法的可靠性，用板卡采集標準數據源（采樣頻率1 MHz，共選取10組數據），其處理結果如表5所示。

國軍標GJBl81A-2003對交流電壓畸變系數的要求為不大于0.05。表5為采樣數據為標準數據源時，采用本文算法的測試結果，此結果驗證了本文算法的正確性。表1和表4中有些組別的測試結果大于0.05。表2、3、4為同組電壓數據的測試結果，其中a相、b相的結果符合國軍標要求，c相結果偏大。可以看出該實驗航空電源的電壓不穩定，供電質量不高。

4 結 論

航空電源畸變系數的測試方法很多，且各具優點。各算法的適用場合也不盡相同。本文算法是在FFT和IFFT算法的基礎上改進的新算法，且已在某型航空電源的測試系統中得到了應用，測試結果表明本文算法具有精確度高、效率高等特點，且該測試系統穩定可靠。

表5 標準數據源的測試結果Tab.5 Test result of standard data source

[1]呂弘，袁海文，張莉.基于模式重要度的航空電源系統可靠性估計[J].航空學報，2010，31（3）:608-612.LU Hong，YUAN Hai-wen，ZHANG Li.Aircraft electrical power system reliability estimation based on pattern importance[J].Chinese Journal of Aeronautics，2012，31（3）:608-612.

[2]鄭先成，張曉斌，雷濤.飛機供電系統交流電壓畸變測試方法[J].哈爾濱工業大學學報，2006，38（10）:1751-1753.ZHENG Xian-cheng，ZHANG Xiao-bin，LEITao.Measurement method for AC voltage distortion of aircraft power system[J].Journal of Harbin Institute of Technology，2006，38 （10）:1751-1753.

[3]張雪.飛機供電系統畸變測試 [D].西安：西北工業大學，2006.

[4]GJB181A-2003.飛機供電特性[S].中華人民共和國國家軍用標準.

[5]GJB5189-2003.飛機供電特性測試方法[S].中華人民共和國國家軍用標準.

[6]吳大正，楊林耀，王松林.信號與線性系統分析[M].北京:高等教育出版社，2005.

[7]汪立，劉翠琳.一種高精度加窗插值FFT諧波分析方法[J].陜西電力，2013（5）：1-3，13.WANG Li，LIU Cui-lin.An accuratemethod for interpolated FFT harmonic analysis based on a new window[J].Shaanxi Electric Power，2013（5）：1-3，13.

[8]閆立志，趙永俊，梁貴書.電壓互感器非線性模型反演運算的仿真研究[J].陜西電力，2011（7）：21-24.YAN Li-zhi，ZHAO Yong-jun，LIANG Gui-shu.Simulation research of voltage transformer nonlinear model inversion operation[J].Shaanxi Electric Power，2011（7）：21-24.