CN106405439A - 一种不间断电源动态特性自动测量校准装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种不间断电源动态特性自动测量校准装置及方法，通过可调基准非线性负载以及具有小波分析功能的主控模块，实现待测不间断电源在各种非线性负载情况下的特性测量和校准，并通过数据采集模块自动监测测量过程中的数据变化，通过小波分析捕捉奇异点，从而提高了测量准确性，并且无需手动抓取操作与重复操作，大大提高了UPS校准测量工作中的效率。

Description

一种不间断电源动态特性自动测量校准装置及方法

技术领域

本发明涉及不间断电源领域，具体的涉及一种不间断电源动态特性自动测量校准装置及方法。

背景技术

不间断电源(UPS)是针对中国电网环境及关键系统等对电源的可靠性要求，克服目前供电电网环境恶劣问题和关键系统的供电稳定性问题而采用的稳定电源，是维持电路中电压电流稳定可靠的装置，目前在金融网络系统、医疗系统、航空航天等对可靠性要求极高的领域和重要场所都有着大规模的应用。对于UPS的校准和测量工作关系到不间断电源的供电特性和准确性，对其使用正常性、性能指标和故障排查有着重要意义。

在国家推荐标准GB/T 7260.3-2003的第三部分第5章节中，规定了非线性负载情况下输出电压瞬态偏差和恢复时间、总的系统转换时间和中断时间等动态特性校准要求的推荐。但在现有技术的强制校准规范中，极少有将其列为强制校准项的，在实际校准工作中，UPS的动态特性也较少受到人们关注，通常忽略不做。在动态特性校准过程中，现有技术通行做法是纯阻性负载手动测试，连接纯阻性负载输出后，使用示波器监测其输出电压。测试过程中，一名测试员操作UPS进行负载接通、断开、市电断开、旁路等动态特性操作，同时另一名测试员须瞬间手动停止示波器的连续采集，抓取动态特性瞬间，并使用示波器上的标尺进行时间和电压的手动分析和记录。现有方法有三点不足：一是效率低，由于采用手动抓取，无法准确同步时间，很难一次成功抓取动态特性瞬间，通常需要连续多次操作，对操作人员的要求也比较高，很难上手进行测试；二是无法精确量化动态特性参数，由于采用手动标尺分析其时域特性，很难准确定量；三是只能判断其纯阻性负载状态下的动态特性，对于非线性负载下的动态特性无法进行测量。

发明内容

针对现有技术中的这些缺点，本发明的目的在于提供了一种不间断电源动态特性自动测量校准装置及方法，在该系统中，无论工业以太网通信还是单个从站节点是否出现故障，该系统均能实现伺服控制数据的同步更新和同步执行，且成本低廉。

具体为，一种不间断电源动态特性自动测量校准装置，其特征在于：该装置包括待测不间断电源，数据采集模块，可调基准非线性负载以及主控模块，所述主控模块能够根据不同的测量模式对可调基准非线性负载进行调整切换，并接收数据采集模块的输出数据。

优选地，所述可调基准非线性负载，包括阻性、容性两种负载，通过开关阵列的切换，实现不同的负载接入情况，模拟不间断电源在各种负载状态下的输出情况。

优选地，使用二极管整流非线性负载作为可调基准非线性负载，所述二极管整流非线性负载包含一个整流桥，以及在整流桥后端的并联一组可调电容和可调电阻阵列，其中电阻范围是50Ω～2.78Ω，电容范围是470μF～43.41mF。

优选地，所述数据采集模块采用研华PCM-3718H型PC-104总线高速采集模块。

优选地，所述主控模块为PC-104总线型嵌入式计算机，包括数据处理模块、数据分析模块、负载控制模块和消息处理模块。

一种基于权利要求1所述装置的不间断电源动态特性自动测量校准方法，其特征在于：包括以下步骤：

(1)根据不同的测量模式调整和切换可调基准非线性负载；

(2)数据采集模块启动高速数据采集监测，实时记录电压波形；

(3)将采集监测到的电压时域数据进行小波变换；

(4)分别执行瞬变、切换和旁路三种操作，实现不同测量模式的转换，在进行操作时，持续分析小波变换得到的数据并寻找奇异点，计算小波奇异点的持续时间和最大幅值；

(5)调整可调基准非线性负载到另一种负载条件，重复执行步骤(1)-(5)的操作。

优选地，所述不同的测量模式为从空载到接近满功率负载的瞬变恢复时间和瞬变电压测量模式、正常方式到储能方式切换时间测量模式、储能方式到正常方式切换时间测量模式、正常方式到旁路方式切换时间测量模式。

优选地，所述寻找奇异点的手段为利用小波变换的奇异性检测特性，计算李普西兹指数并与设定阈值比对来寻找其中的奇异点，当小波变换值大于设定阈值时，认为奇异点出现，当小波变换值再次小于设定阈值时，认为奇异点消失。

优选地，所述瞬变操作的执行方法为在不间断电源空载过程中通过非线性负载在测量过程中将负载瞬间接入使得不间断电源达到最大功率；所述切换操作包括不间断电源从正常状态到储能状态的切换以及不间断电源从储能状态到正常状态的切换，所述不间断电源从正常状态到储能状态切换执行方法为在测量过程中将不间断电源的输入端断开使得不间断电源进入蓄电池供电模式，所述不间断电源从储能状态到正常状态切换的执行方法是在测量过程中将不间断电源输入端瞬间接入市电使得不间断电源进入市电供电模式；旁路操作的执行方法是在测量过程中将不间断电源旁路开关闭合使得不间断电源从供电通路中断开而直接接入市电

本发明的优点在于克服现有技术中瞬态参数时间短、随机性大的特点，以往的时域和频域分析方法都不能准确的对这类特性进行有效分析的缺陷，采用不间断电源动态特性自动测量校准装置中的小波变换信号分析方法对时域信号进行变换后进行分析，根据信号有效值变化监测和奇异监测原理准确定位，可定位电压骤升、跌落、瞬断等瞬态扰动信号，精准地得到UPS输出过程中动态响应的时间和幅值参数，较现有技术大幅提高了测量准确性，并且无需手动抓取操作与重复操作，大大提高了UPS校准测量工作中的效率。

附图说明

图1本发明的不间断电源动态特性自动测量校准装置结构图

图2本发明的不间断电源动态特性自动测量校准方法流程图

图3时域图与小波变换对比示意图

具体实施方式

结合具体实施例对本发明进行具体说明如下：

如图1所示，本发明的不间断电源动态特性自动测量校准装置由以下几个部件组成：待测不间断电源，数据采集模块，可调基准非线性负载以及主控模块。

其中待测不间断电源与可调基准非线性负载连接构成回路，而数据采集模块跨接在回路的两端，主控模块连接有数据采集模块和可调基准非线性负载，用于接收数据采集模块采集的测量校准数据，并根据测量需求，由主控模块控制可调基准非线性负载的调整切换。

具体而言，可调基准非线性负载是用于提供UPS输出的负载，包括阻性、容性两种负载，通过开关阵列的切换，实现不同的接入情况，能够模拟UPS在各种负载状态下的输出情况，当只接入电阻时，负载工作在纯阻性负载条件；当同时接入电阻和电容时，系统产生无功功率，负载工作在非线性负载模式。参照国家标准GB/T 7260.3-2003，使用二极管整流非线性负载作为可调基准非线性负载，二极管整流非线性负载包含一个整流桥，以及在整流桥后端的一组并联可调电容和可调电阻阵列。本装置的电阻范围是50Ω～2.78Ω，电容范围是470μF～43.41mF，通过调整电阻和电容的接入值，系统总功率因数可调范围达0.5～1，总功率范围可达0kVA～30kVA，可模拟待测不间断电源动态特性所需的负载功率范围。

数据采集模块，用于高速采集监测UPS的输出电压，将模拟信号转换为数字信号，数据采集模块采用研华PCM-3718H型PC-104总线高速采集模块，单路采集频率达100kHz，满足50Hz工频电压中20倍频率的扰动采集需求。

主控模块，主控模块为PC-104总线型嵌入式计算机，其中运行专用UPS动态特性分析软件，软件分为四个部分，一为数据处理模块，负责将数据采集模块得到的数据进行实时小波变换，二为数据分析模块，负责根据小波变换的波形自动分析动态特性参数并记录，三为负载控制模块，负责控制基准非线性负载的输入，四为消息处理模块，负责响应并执行用户消息。

基于此装置，本发明设计了一种新的方法来监测UPS动态特性参数，流程如图2所示，具体步骤为：

(1)将UPS与本发明的不间断电源动态特性自动测量校准装置相连；

(2)基于UPS的技术指标和校准规范，根据不同的测量模式调整和切换非线性负载，所述不同的测量模式为：从空载到接近满功率负载的瞬变恢复时间和瞬变电压测量模式、正常方式到储能方式切换时间测量模式、储能方式到正常方式切换时间测量模式、正常方式到旁路方式切换时间测量模式；

(3)数据采集模块启动高速数据采集监测，实时记录电压波形；

(4)将采集监测到的电压时域数据进行小波变换；

(5)分别执行瞬变、切换和旁路三种操作，即前述不同的测量模式，在进行操作时，持续分析小波变换得到的数据并利用小波变换的奇异性检测特性，计算李普西兹指数并与设定阈值比对来寻找其中的奇异点，当小波变换值大于设定阈值(一般为0.5)时，认为奇异点出现，当小波变换值再次小于设定阈值时，认为奇异点消失，此时计算出小波奇异点的持续时间和最大幅值，即得到UPS在一种负载条件下的动态特性参数并记录。

其中所述瞬变操作的执行方法为在UPS空载过程中通过非线性负载在测量过程中将负载瞬间接入使得UPS达到最大功率；所述切换操作包括UPS从正常状态到储能状态的切换以及UPS从储能状态到正常状态的切换，所述UPS从正常状态到储能状态切换执行方法为在测量过程中将UPS的输入端断开使得UPS进入蓄电池供电模式，所述UPS从储能状态到正常状态切换的执行方法是在测量过程中将UPS输入端瞬间接入市电使得UPS进入市电供电模式；旁路操作的执行方法是在测量过程中将UPS旁路开关闭合使得UPS从供电通路中断开而直接接入市电。

(6)调整基准非线性负载到另一种负载条件，重复执行步骤(2)-(5)的操作。

需要指出的是，小波变换可将时域波形中的瞬态响应部分定量的提取，电压瞬态变化时域波形与其小波变换后数据结果的对比波形如图3所示。基于小波变换的UPS动态特性自动测量方法可精准地得到UPS输出过程中动态响应的时间和幅值参数，较现有技术大幅提高了测量准确性，同时，本方法采用自动持续分析判读，无需手动抓取操作与重复操作，大大提高了UPS校准测量工作中的效率。

尽管已描述了本发明的优选实施例，但本领域内的技术人员一旦得知了基本创造性概念，则可对这些实施例作出另外的变更和修改。所以，所附权利要求意欲解释为包括优选实施例以及落入本发明范围的所有变更和修改。

显然，本领域的技术人员可以对本发明进行各种改动和变型而不脱离本发明的精神和范围。这样，倘若本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求及其等同技术的范围之内，则本发明也意图包含这些改动和变型在内。

Claims (9)

1.一种不间断电源动态特性自动测量校准装置，其特征在于：该装置包括待测不间断电源，数据采集模块，可调基准非线性负载以及主控模块，所述主控模块能够根据不同的测量模式对可调基准非线性负载进行调整切换，并接收数据采集模块的输出数据。

2.如权利要求1所述的不间断电源动态特性自动测量校准装置，其特征在于：所述可调基准非线性负载，包括阻性、容性两种负载，通过开关阵列的切换，实现不同的负载接入情况，模拟不间断电源在各种负载状态下的输出情况。

3.如权利要求1所述的不间断电源动态特性自动测量校准装置，其特征在于：使用二极管整流非线性负载作为可调基准非线性负载，所述二极管整流非线性负载包含一个整流桥，以及在整流桥后端的并联一组可调电容和可调电阻阵列，其中电阻范围是50Ω～2.78Ω，电容范围是470μF～43.41mF。

4.如权利要求1所述的不间断电源动态特性自动测量校准装置，其特征在于：所述数据采集模块采用研华PCM-3718H型PC-104总线高速采集模块。

5.如权利要求1所述的伺服驱动器，其特征在于：所述主控模块为PC-104总线型嵌入式计算机，包括数据处理模块、数据分析模块、负载控制模块和消息处理模块。

6.一种基于权利要求1所述装置的不间断电源动态特性自动测量校准方法，其特征在于：包括以下步骤：

(1)根据不同的测量模式调整和切换可调基准非线性负载；

(2)数据采集模块启动高速数据采集监测，实时记录电压波形；

(3)将采集监测到的电压时域数据进行小波变换；

(4)分别执行瞬变、切换和旁路三种操作，实现不同测量模式的转换，在进行操作时，持续分析小波变换得到的数据并寻找奇异点，计算小波奇异点的持续时间和最大幅值；

(5)调整可调基准非线性负载到另一种负载条件，重复执行步骤(1)-(5)的操作。

7.如权利要求6所述的不间断电源动态特性自动测量校准方法，其特征在于：所述不同的测量模式为从空载到接近满功率负载的瞬变恢复时间和瞬变电压测量模式、正常方式到储能方式切换时间测量模式、储能方式到正常方式切换时间测量模式、正常方式到旁路方式切换时间测量模式。

8.如权利要求6所述的不间断电源动态特性自动测量校准方法，其特征在于：所述寻找奇异点的手段为利用小波变换的奇异性检测特性，计算李普西兹指数并与设定阈值比对来寻找其中的奇异点，当小波变换值大于设定阈值时，认为奇异点出现，当小波变换值再次小于设定阈值时，认为奇异点消失。

9.如权利要求6所述的不间断电源动态特性自动测量校准方法，其特征在于：所述瞬变操作的执行方法为在不间断电源空载过程中通过非线性负载在测量过程中将负载瞬间接入使得不间断电源达到最大功率；所述切换操作包括不间断电源从正常状态到储能状态的切换以及不间断电源从储能状态到正常状态的切换，所述不间断电源从正常状态到储能状态切换执行方法为在测量过程中将不间断电源的输入端断开使得不间断电源进入蓄电池供电模式，所述不间断电源从储能状态到正常状态切换的执行方法是在测量过程中将不间断电源输入端瞬间接入市电使得不间断电源进入市电供电模式；旁路操作的执行方法是在测量过程中将不间断电源旁路开关闭合使得不间断电源从供电通路中断开而直接接入市电。