基于虚拟仪器技术的飞机供电系统谐波分析

战祥新+郝世勇+司剑飞+姚银虎

摘  要： 傅里叶变换是分析飞机供电系统谐波含量等参数的主要方法，但该方法计算量大、实时性差。在此通过分析国军标谐波参数标准，利用LabVIEW虚拟仪器技术，构建了简单实用的程序分析飞机供电系统谐波。相对传统分析方法可以快速得到供电系统的谐波特征参数，使用方便、实时性好。通过传感器、信号采集模块等建立了某型飞机地面电源测试系统，对采集的系统波形采用LabVIEW谐波分析程序，可以实时显示系统的谐波含量等特征参数，判断出该系统的供电质量。

关键词： 虚拟仪器; 供电系统; 谐波分析程序; 电源测试系统

中图分类号： TN98?34; TP724                     文献标识码： A                  文章编号： 1004?373X（2014）24?0115?03

Harmonic analysis of airplane power supply system based on virtual instrument technology

ZHAN Xiang?xin， HAO Shi?yong， SI Jian?fei， YAO Yin?hu

（Qingdao Branch， Naval Aeronautical Engineering Academy， Qingdao 266041， China）

Abstract： The Fourier transform is the main method for analyzing harmonic component and other parameters of airplane power supply system， but it has the disadvantages of more calculation and poor real?time performance. A simple and practical program was established in this paper to analyze harmonic of airplane power supply on the basis of virtual instrument technology by analyzing the military standard of harmonic parameters， which can quickly get the characteristic parameters of harmonic wave in power supply. The program has convenient application and perfect real?time performance. A ground testing system of power supply for a certain airplane was built up with sensors and signal acquisition module. With the harmonic analysis program LabVIEW for acquired system waveform， the real?time harmonic content and other characteristic parameters can be displayed and the power supply quality of the system can be judged.

Keywords： virtual instrument; power supply system; harmonic analysis program; power supply test system

现代飞机的发展，多电技术是一个重要的发展方向，越来越多的飞机关键系统采用电能作为工作能源。而应用电能的电力电子器件及非线性负载的广泛使用，给飞机供电系统造成了大量谐波干扰和波形畸变，严重干扰飞机无线电等航电设备的正常工作，影响了飞机的安全飞行。为此，各国都制定了一些相应的飞机供电标准，如RTCA?DO?160E，GJB181?1986，GJB181A?2003等，对谐波含量及谐波检测提出了要求[1?3]。如何准确、快速的完成谐波含量分析以便于采取相应的处理措施，就成为保证飞机供电质量的一个首要任务。

1  飞机供电系统谐波分析及相关标准

谐波通常是指一个周期电气量（比如交流电压、交流电流等）的正弦波分量，其频率为基波频率的整数倍数。理想的飞机供电系统中，电压和电流都是标准正弦波，其额定频率为400 Hz，由于大容量的变压整流器、变流器、大功率无线电设备等非线性负载的影响，供电系统中不可避免地产生谐波分量。当谐波含量达到一定程度时，会使供电系统的波形发生畸变，对飞机的用电设备产生严重的干扰。

1.1  谐波电压含量和谐波电流含量

谐波电压含量和谐波电流含量分别定义为：

[UH=n=2MU2n]           （1）

[IH=n=2MI2n]           （2）

式中：[Un]为第n次谐波电压有效值;[In]第n次谐波电流有效值;[M]谐波的最高次数。

1.2 谐波电压总谐波畸变率和电流总谐波畸变率[4]

电压总谐波畸变率[THDu]和电流总谐波畸变率[THDi]分别定义为：

[THDu=UHU1×100%]      （3）

[THDi=IHI1×100%]       （4）

式中：[U1]为信号的基波电压有效值;[I1]为信号的基波电流有效值;[n]次谐波电压含有率[HRUn]和[n]次谐波电流含有率[HRIn]分别定义为：

[HRUn=UnU1×100%]      （5）

[HRIn=InI1×100%]       （6）

1.3  交流畸变系数

根据GJB5189?2003《飞机供电特性参数测试方法》，交流畸变系数的定义是交流畸变与电压基波分量方均根值之比，测试时应先求出交流畸变，即交流波形除基波以外电压的方均根值[4]，按式（7）计算：

[UJJ=1TWi=1n（uJJi）2?Δt]           （7）

式中：[UJJ]为交流畸变，单位为V;[TW]为小于并最接近1 s期间整数个电压周波所对应的时间，单位为s;[uJJi]为交流畸变波形采样点的电压瞬时值，单位为V;[n]为总采样次数（[n?Δt≈TW]）;[i]为采样序列，[i=1，2，???，n]; [Δt]为采样周期，单位为s。

交流畸变系数的计算公式为：

[kJJ=UJJU1]           （8）

式中：[kJJ]为交流畸变系数;[UJJ]为交流畸变，单位为V;[U1]为基波分量方均根值，单位为V。

1.4  波峰系数

波峰系数的定义：按规定的采样频率同时采集稳态时三相电压瞬时值，采集时间各相均取大于并最接近1 s期间整数个电压周波所对应的时间，并且各相采集起始瞬间的时间差互不超过1个电压周波所对应的时间。测量并计算各相每个半波电压波形峰值的绝对值与方均根值之比的极值[4]。

按式（8）计算其波峰系数为：

[Fi=UpiUi]          （9）

式中：[Fi]为波峰系数;[Upi]为每半波的峰值电压，单位为V;[Ui]为对应半波电压的方均根值，单位为V。

从所得一系列[Fi]中求出极值。

按所规定的采样频率采集稳态交流畸变波形瞬时值，采集时间取稳态交流电压所对应的时间[TW]：将所采集的数据用离散傅里叶变换算法计算出每一频率分量的幅度即为交流畸变频谱。

国军标对飞机供电系统中谐波含量等参数都做了相应要求，如国军标GJB181A?2003规定：变频交流供电系统正常工作时的稳态特性范围为畸变系数0.05最大，波峰系数为1.31～1.51;GJB572?88 中要求飞机地面电源供电相电压波形总谐波含量不超过基波电压的5%，单次谐波含量不超过基波电压的4%等。因而准确的测量分析供电系统的谐波参数是否合格是衡量飞机供电质量的一个重要方面。

2  谐波分析方法

由于谐波具有非线性、随机性等特点，影响因素复杂，因此对谐波进行准确测量和分析都比较困难。目前应用最多的是基于傅立叶变换（FFT）的谐波分析法。

飞机供电系统属中频系统，谐波检测很难实现同步采样和采样数据的整数倍截断，FFT谐波检测结果存在栅栏效应和频谱泄漏现象，使检测出来的频率、幅值和相位不准，无法满足系统谐波分析的要求[5]。为了提高分析效果，必须改进变换方法，如通过插值补点来改变信号抽样率、通过加窗函数来减少频谱泄露和通过插值修正来减小栅栏效应等方法，在一定程度上弥补误差。但这又增加了计算的数据量、分析变换的复杂性。

3  基于虚拟仪器的供电系统谐波分析

传统谐波分析方法数据分散、计算量大、编程复杂、实时性差。LabVIEW软件是基于虚拟仪器技术的图形化编程语言，利用LabVIEW软件提供的函数及子VI可以很容易的实现对飞机供电系统的谐波分析[6]。例如，对一标准的10 Hz方波信号进行谐波分析，其程序框图如图1所示。

通过LabVIEW软件中的FFT分析函数，可以得到该方波的频谱图，如图2所示。同时，可以计算出各次谐波电压的含有率[HRUn]、电压总谐波畸变率[THDu]、波峰系数等指标。

对某型飞机地面电源供电测试系统，应用谐波分析程序，分析结果如图4所示。

4  结  语

应用LabVIEW虚拟仪器技术，可以很容易的实现对飞机供电系统的谐波分析，避免传统测试分析系统计算量大、实时性差的特点。通过传感器、信号采集模块等构建飞机供电测试系统，对采集的系统波形采用LabVIEW分析软件进行谐波分析，可以迅速快捷的得出系统的谐波含量等特征参数，判断出系统的供电质量。

参考文献

[1] 国防科学技术工业委员会.GJB181?1986 飞机供电特性及对用电设备的要求[S].北京：国防科学技术工业委员会，1986.

[2] 国防科学技术工业委员会.GJB572?88 飞机地面电源供电特性及一般要求[S].北京：国防科学技术工业委员会，1988.

[3] 中国人民解放军总装备部.GJB181A?2003 飞机供电特性[S].北京：中国人民解放军总装备部，2003.

[4] 国防科学技术工业委员会.GJB5189?2003 飞机供电特性参数测试方法[S].北京：国防科学技术工业委员会，2003.

[5] 房国志，杨超，赵洪.基于FFT和小波包变换的电力系统谐波检测方法[J].电力系统保护与控制，2012，40（5）：75?79.

[6] 唐求，王耀南，郭斯羽.电力系统谐波及其检测方法研究[J].电子测量与仪器学报，2009，23（5）：29?33.