CN111289815B - 基于hmi的便携式高压链式apf模块测试仪及方法 - Google Patents

Abstract

本公开提供了一种基于HMI的便携式高压链式APF模块测试仪及方法，包括电源单元、主控单元和HMI显控单元，所述电源单元，用于提供待测模块所需的直流电压；所述HMI显控单元，被配置为实现人机交互功能；所述主控单元，与功率单元模块通信、与HMI显控单元通信，被配置为下发通信报文，从所述HMI显控单元判断通信状态，若接收到的报文正确，则判断通信回路正常。本公开在整机不拆卸单元模块的情况下，利用HMI技术实现模块的功能测试和参数校正，在上电前保证单元模块的功能完全正常。

Description

基于HMI的便携式高压链式APF模块测试仪及方法

技术领域

本公开属于高压链式APF模块测试技术领域，涉及一种基于HMI的便携式高压链式APF模块测试仪及方法。

背景技术

本部分的陈述仅仅是提供了与本公开相关的背景技术信息，不必然构成在先技术。

随着现代生产工艺的不断提高，大量精密设备、智能自动化设备的不断投入，电能质量受到了极大的关注。高压有源电力滤波器(Active Power Filter，简称APF)以其能够集中补偿、动态连续补偿、响应速度快、占地面积小、损耗小、效率高，安装便利，受到了许多客户的青睐。高压链式APF以其单模块开关频率低、损耗小，维护量少、成本低成为了高压APF市场的主流。

由于APF模块化使得现场售后服务工作和调试工作的复杂性大大增加，以10kV5MVA三相Y接高压APF为例，所配高压APF共有模块36个，每个重量25kg，一个人短时间难以全部拆卸安装，且拆卸过程相对复杂；高压操作规范的要求使得现场检测工作难度大大提升；运行维护人员由于对设备认识程度和专业技术水平限制，无法对模块进行检测，无法准确反映设备状况，导致设备整体维护成本增加。此外损坏模块上电时可能会造成炸机等极为严重的后果。

发明内容

本公开为了解决上述问题，提出了一种基于HMI的便携式高压链式APF模块测试仪及方法，本公开能够在上电前对单元模块进行功能检测，准确反应模块状态，减少现场工作量，大大提高工作效率。

根据一些实施例，本公开采用如下技术方案：

一种基于HMI的便携式高压链式APF模块测试仪，包括：电源单元、主控单元和HMI显控单元，其中：

所述电源单元，用于提供待测模块所需的直流电压；

所述HMI显控单元，被配置为实现人机交互功能；

所述主控单元，与功率单元模块通信、与HMI显控单元通信，被配置为下发通信报文，从所述HMI显控单元判断通信状态，若接收到的报文正确，则判断通信回路正常。

所述主控单元实现接受数字信号与模拟信号的处理，故障信息的判断，PWM指令信号的发送与接收，控制系统的自动运行与状态检测，设备的启停和同步的接收发送。

作为可选择的实施方式，所述主控单元与待测模块之间光纤通信连接，所述主控单元具有光纤通信接口，进行光信号的接收与发送。

作为可选择的实施方式，所述主控单元被配置为实现启停信号发送接收、数据通信发送接收、指令信号发送和同步信号发送；所述启停信号报文实现单元模块的启动、停止；所述数据通信信号的报文包含母线电压值、温度值、模块单元状态位，根据报文能够判断模块故障类别、并根据母线电压值和温度值校正采样电路和温度PT变送器；所述指令信号为输出电流指令信号，实现PWM占空比调节；所述同步信号用于校正同步信号电路。

作为可选择的实施方式，所述主控单元包括处理器与RS485通信接口；所述处理器为主控单元控制逻辑与信号处理，能够接收通信信号并自动完成所需任务；所述RS485通信接口为主控单元与HMI显控屏进行数据交换的接口。

作为可选择的实施方式，所述电源单元包括交流供电接口、直流电压输出接口以及控制系统供电单元，所述交流供电接口为模块测试仪供电接口连接外部交流电源；所述直流电压输出接口连接待测模块；所述控制系统供电单元分别连接所述HMI显控单元与所述主控单元。

作为可选择的实施方式，所述测试仪包括一外壳，所述外壳用于容纳所述电源单元、主控单元和HMI显控单元。

上述测试仪的工作方法，包括以下步骤：

供电测试：所述电源单元给待测模块供电，若待测模块的供电指示灯常亮，则表明测试模块电源回路初检正常；

通信测试：所述主控模块向待测模块下发通信报文，从所述HMI显控单元判断通信状态，若接收到的报文正确，则判断通信回路正常；

其他光纤通信回路测试：通过所述接收报文所包含的信息，根据HMI显控单元观察待测模块的启停回路、指令电路、同步电路是否存在故障，若无故障则表明其他光纤通信回路正常；

模拟量检测：通过所述HMI显控单元察看所述接收报文的模块供电电压值是否与预期供电电压值一致，若偏差在允许误差范围内则判定模块供电回路正常工作。

IGBT测试：所述主控单元向待测模块下达脉冲增减指令，从待测模块的交流母排侧检测出交流电压变化，若变化规律与指令信号变化规律一致，则说明IGBT正常。

作为进一步的限定，在通信测试时，调节主控单元的地址，使其与待测模块的地址一致。

作为进一步的限定，在上电前，进行预检：所述主控单元向待测模块下达启动指令，通过所述HMI显控单元观察是否存在过流或过压故障。

若完成整个测试过程，则表明整个待测模块正常，预检完成，可以上电测试。

在IGBT测试过程中，利用IGBT自身寄生参数，实现电压由二次侧向一次侧耦合，进而实现信号增减的功能。

与现有技术相比，本公开的有益效果为：

本公开在整机不拆卸单元模块的情况下，利用HMI技术实现模块的功能测试和参数校正，在上电前保证单元模块的功能完全正常；能够在HMI显控单元直观显示系统状态、模拟量值。

本公开集成程度高，小巧，便于携带，能够协助现场售后工程师检查设备运行状态，做好单元模块上电前所有准备工作，能够同时检测3个模块，大大缩短了维护时间。

操作简单，智能化程度高，无需操作人员具有很高的知识水平。现场运行维护人员能够自主检测模块状态，既节约了业主售后维护成本，也节约了厂家运营成本、人员成本，大大减小了检修时间，提升了整体效率和供电可靠性。

附图说明

构成本公开的一部分的说明书附图用来提供对本公开的进一步理解，本公开的示意性实施例及其说明用于解释本公开，并不构成对本公开的不当限定。

图1为本实施例的模块测试仪组成与各部分功能简图；

图2为单元模块测试流程图；

图3为本实施例的模块测试仪拓扑结构图；

图4为HMI显控单元的主界面图；

图5为HMI参数设定界面图；

具体实施方式：

下面结合附图与实施例对本公开作进一步说明。

应该指出，以下详细说明都是例示性的，旨在对本公开提供进一步的说明。除非另有指明，本文使用的所有技术和科学术语具有与本公开所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。

需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本公开的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。

本实施例旨在提供一种具有人机界面(Human Machine Interface，简称HMI)的便携式高压链式APF模块测试仪。具有良好的HMI系统的模块测试仪能够使现场运行人员在简单培训后也能够自行检测设备，大大减小了APF厂家的人工成本也减小了客户的维护成本，提升了沟通效率；能够在不拆卸模块的情况，准确反应模块状态，减少现场工作量，大大提高工作效率。

具体的方案如图1所示，一种具有HMI的便携式模块测试仪，包括电源单元、主控单元、HMI显控单元。电源单元：提供被测模块所需的直流电压。主控单元：实现控制逻辑、数据处理、与功率单元模块通信、与HMI显控单元通信。HMI显控单元：实现人机交互功能。该测试仪应满足以下功能：功率单元模块通信测试、温度PT校正、母线电压采样校正、模块供电电压检测、功率单元性能测试、故障准确指示。

另外，图中所示的单元模块即为待测模块。

主控单元能够实现启停信号发送接收、数据通信发送接收、指令发送、同步信号发送。所述启停信号报文实现单元模块的启动、停止。所述数据通信信号的报文包含母线电压值、温度值、模块单元状态位，根据报文能够判断模块故障类别、并根据母线电压值和温度值校正采样电路和温度PT。所述指令信号为输出电流指令信号，实现PWM占空比调节。所述同步信号可校正模块同步信号电路。

如图2、图3所示，在测试时，所述电源单元给模块供电，若测试模块供电指示灯常亮，则表明测试模块电源回路初检正常。

调节主控单元地址，与模块单元地址一致。通信测试过程：所述主控向控制模块下发通信报文，从所述HMI显控单元判断通信状态，若接收到的报文正确，则判断通信回路正常。

其他光纤通信回路测试过程：通过所述接收报文所包含的信息，主控单元提取信息，所述HMI显控单元能够察看控制模块启停回路、指令电路、同步电路是否存在故障，若无故障则表明其他光纤通信回路正常。

模拟量检测过程：通过所述HMI显控单元察看所述接收报文的模块供电电压值是否与预期供电电压值一致，若偏差在允许误差范围内则判定模块供电回路正常工作。所述HMI显控单元能够察看母线电压采样值、温度PT采样值是否在误差范围内，若在误差允许范围内则证明模拟量检测正常。

功率单元预检过程：所述主控单元向模块下达启动指令，通过所述HMI显控单元观察是否存在过流、过压等故障，所述主控单元向模块下达脉冲增减指令，可从单元模块交流母排侧检测出交流电压变化，若变化规律与指令信号变化规律一致，则说明整个功率单元基本功能正常，预检完成，可以上电测试。

电源单元实现对HMI显控单元、主控单元以及测试模块供电。主控单元实现与HMI显控单元的数据通信、与测试模块的光纤通信。HMI显控单元实现与主控的数据通信和人机交互数据通信。

APF单元模块是指高压链式APF的单个功率单元模块，该单元模块由模块控制板、模块电源板、模块驱动板以及IGBT功率模块构成，模块电源板从直流母线取电向模块驱动板和模块控制板供电。模块控制板具有电压采样电路和温度采样电路，并采用Altera FPGA芯片，能够自主判断、AD转换模拟量，故单元模块与主控制器间只有光纤通信线，无其他二次接线。IGBT功率模块由IGBT组成的全桥电路、散热片、直流电容组成，正常工作时模块驱动板依据单元控制板指令驱动功率单元实现电流变换。

模块测试仪具有可携带性，故模块测试仪封装在一个260×160×95mm的壳体并包含有所需的安装孔与设备接口。该模块测试仪包含有HMI显控屏、交流220V供电插接端子、开关按钮、直流620V输出插接端子、光纤通信接口。内部安装有AC/DC电源模块，AC/DC升压电路，主控单元。正常运行时，单元控制板从直流母线取电给单元控制板和单元驱动板供电，在测试过程中，应将单元控制板上与测量母线电压的端子拔出，将模块测试仪的直流电压端子插入，由模块测试仪供电。

模块测试仪从外部插座取220V交流电，按钮接通后，供电指示灯常亮。利用AC/DC模块获取HMI显控单元供电电压24V和主控单元供电电压15V，单元模块供电由AC/DC升压电路DC620V直流电提供。模块测试仪采用485通信与HMI显控单元实现设备数据交换，采用四组光纤信号(启停、同步、数据通信、指令)实现与单元模块的数据交换，主控单元采用双DSP与CPLD控制，实现高速通信与快速数据交换。

HMI显控单元主控制界面，如图4-图5所示，主要包括六个部分：

1.地址设置：设置主控制器单元地址与被测模块相同，否则无法通信。地址设置包括相地址和单元地址。

2.数据显示：显示被测模块直流电压、模块温度，供电电压值。

3.占空比调节：实现占空比调节输出电流，占空比越大，输出电流越高。不带直流母线进行功能测试时，具体表现为占空比越高，交流侧电压越高。具体按钮有+10％，-10％，清零，全开，半开(50％)以及当前占空比显示。

4.主控制按钮：实现启动、停止以及系统复位功能。

5.故障指示：显示故障信息，故障指示灯显示为绿色，表示无故障，故障指示灯显示为红色，表示存在该类故障。

6.系统状态指示：表示系统目前状态，主要有待机、自检、正常运行，异常待机。状态指示右侧有故障具体信息。

下面就测试具体过程进行说明：

将模块测试仪与被测模块按照接线要求正确连接光纤接线与供电电源线。打开模块测试仪供电按钮，待功率单元控制板供电指示灯亮起，表明被测模块电源板初步检测正常。待HMI显控屏亮起后，在显控屏上调整模块测试仪主控制器地址与被测模块相同。待双方地址相同即可测试通信，否则即便设备正常，通信也无法成功。

待通信成功后，可以从HMI显控屏上读取启停通道、同步通道、指令通道、数据通信通道状态，若四组信号状态均正常，则表明四组光纤通道正常。供电电压值，直流母线电压值、散热器温度值，三者在HMI显控屏上能够显示，将该值与标准值进行比较，若实际值在误差允许范围内，则表明模块电源板正常、母线电压检测回路正常，PT温度变送器正常。若母线电压检测有偏差，应根据显示值在单元控制板上进行校正，直至满足误差要求，若偏差较大，则表明单元控制板损坏。若温度显示不正常，应在PT变送器接线端子处连接一个5kΩ电阻，显控屏上温度若为25℃，则PT变送器故障，更换温度PT变送器即可，若温度偏差较大，则表明单元控制板温度采样电路故障。

在HMI显控屏上点击启动按钮，模块测试仪将启动指令通过启停通道传递给单元控制板，单元控制板发出驱动脉冲，功率单元开始工作。将万用表旋钮旋到交流档，正负表笔搭接在输出母线上，在HMI显控屏上调整输出占空比，观察万用表电压读数。若增加占空比HMI显示过流故障，则表明IGBT上下母线直通不可上电。随着占空比的增加，万用表电压读数增加，随着占空比减小，万用表读数下降，并在占空比达到100％获得最大值(该电压最大值与IGBT型号与厂家制作工艺所造成的寄生参数有关，以英飞凌FF450R17ME4为例，其最大电压约为4.75V，富士型号2MBI450VN-170P-50，最大电压约为1V)，在占空比0％时获得最小值0。

在经过上述检测后，通过的单元模块可正常上高压电工作，否则不应上高压电，直至检测通过。

本领域内的技术人员应明白，本公开的实施例可提供为方法、系统、或计算机程序产品。因此，本公开可采用完全硬件实施例、完全软件实施例、或结合软件和硬件方面的实施例的形式。而且，本公开可采用在一个或多个其中包含有计算机可用程序代码的计算机可用存储介质(包括但不限于磁盘存储器、CD-ROM、光学存储器等)上实施的计算机程序产品的形式。

本公开是参照根据本公开实施例的方法、设备(系统)、和计算机程序产品的流程图和/或方框图来描述的。应理解可由计算机程序指令实现流程图和/或方框图中的每一流程和/或方框、以及流程图和/或方框图中的流程和/或方框的结合。可提供这些计算机程序指令到通用计算机、专用计算机、嵌入式处理机或其他可编程数据处理设备的处理器以产生一个机器，使得通过计算机或其他可编程数据处理设备的处理器执行的指令产生用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的装置。

这些计算机程序指令也可存储在能引导计算机或其他可编程数据处理设备以特定方式工作的计算机可读存储器中，使得存储在该计算机可读存储器中的指令产生包括指令装置的制造品，该指令装置实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能。

这些计算机程序指令也可装载到计算机或其他可编程数据处理设备上，使得在计算机或其他可编程设备上执行一系列操作步骤以产生计算机实现的处理，从而在计算机或其他可编程设备上执行的指令提供用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的步骤。

以上所述仅为本公开的优选实施例而已，并不用于限制本公开，对于本领域的技术人员来说，本公开可以有各种更改和变化。凡在本公开的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本公开的保护范围之内。

上述虽然结合附图对本公开的具体实施方式进行了描述，但并非对本公开保护范围的限制，所属领域技术人员应该明白，在本公开的技术方案的基础上，本领域技术人员不需要付出创造性劳动即可做出的各种修改或变形仍在本公开的保护范围以内。

Claims (9)

1.一种基于HMI的便携式高压链式APF模块测试仪，其特征是：包括：电源单元、主控单元和HMI显控单元，所述模块测试仪满足以下功能：待测模块通信测试、温度PT校正、母线电压采样校正、待测模块供电电压检测、待测模块性能测试、故障准确指示，其中：

所述电源单元，用于提供待测模块所需的直流电压；

所述HMI显控单元，被配置为实现人机交互功能；在HMI显控屏上点击启动按钮，模块测试仪将启动指令通过启停通道传递给单元控制板，单元控制板发出驱动脉冲，待测模块开始工作；将万用表旋钮旋到交流档，正负表笔搭接在输出母线上，在HMI显控屏上调整输出占空比，观察万用表电压读数；HMI显控单元的主控制界面上包括地址设置，用于设置主控单元地址与待测模块相同，地址设置包括相地址和单元地址；

所述主控单元，与待测模块通信、与HMI显控单元通信，被配置为下发通信报文，从所述HMI显控单元判断通信状态，若接收到的报文正确，则判断通信回路正常；具体的，所述主控单元被配置为实现启停信号发送接收、数据通信信号发送接收、指令信号发送和同步信号发送；所述启停信号的报文实现待测模块的启动、停止；所述数据通信信号的报文包含母线电压值、温度值、待测模块状态位，根据报文能够判断待测模块故障类别、并根据母线电压值和温度值校正采样电路和温度PT；所述指令信号为输出电流指令信号，实现PWM占空比调节；所述同步信号用于校正同步信号电路；

所述主控单元与待测模块之间光纤通信连接，所述主控单元具有光纤通信接口，进行光信号的接收与发送；

所述主控单元向待测模块下达脉冲增减指令，从待测模块的交流母排侧检测出交流电压变化，若变化规律与指令信号变化规律一致，则说明整个待测模块正常。

2.如权利要求1所述的一种基于HMI的便携式高压链式APF模块测试仪，其特征是：所述主控单元包括处理器与RS485通信接口；所述处理器为主控单元控制逻辑与信号处理，能够自动完成信号处理、故障诊断、设备运行与信号的接收与发送；所述RS485通信接口为主控单元与HMI显控单元进行数据交换的接口。

3.如权利要求1所述的一种基于HMI的便携式高压链式APF模块测试仪，其特征是：所述电源单元包括交流供电接口、直流电压输出接口以及控制系统供电单元，所述交流供电接口为模块测试仪供电接口，连接外部交流电源；所述直流电压输出接口连接待测模块；所述控制系统供电单元分别连接所述HMI显控单元与所述主控单元。

4.如权利要求1所述的一种基于HMI的便携式高压链式APF模块测试仪，其特征是：所述模块测试仪包括一外壳，所述外壳用于容纳所述电源单元、主控单元和HMI显控单元。

5.如权利要求1-4中任一项所述的一种基于HMI的便携式高压链式APF模块测试仪的工作方法，其特征是：包括以下步骤：

供电测试：所述电源单元给待测模块供电，若待测模块的供电指示灯常亮，则表明待测模块电源回路初检正常；

通信测试：所述主控单元向待测模块下发通信报文，从所述HMI显控单元判断通信状态，若接收到的报文正确，则判断通信回路正常；

其他光纤通信回路测试：通过所述接收到的报文所包含的信息，根据HMI显控单元观察待测模块的启停回路、指令电路、同步电路是否存在故障，若无故障则表明其他光纤通信回路正常；

模拟量检测：通过所述HMI显控单元察看待测模块供电电压值是否与预期供电电压值一致，若偏差在允许误差范围内则判定待测模块供电回路正常工作。

6.如权利要求5所述的工作方法，其特征是：在通信测试时，调节主控单元的地址，使其与待测模块的地址一致。

7.如权利要求5所述的工作方法，其特征是：所述主控单元向待测模块下达启动指令，通过所述HMI显控单元观察是否存在过流或过压故障。

8.如权利要求7所述的工作方法，其特征是：所述主控单元向待测模块下达脉冲增减指令，从待测模块的交流母排侧检测出交流电压变化，若变化规律与指令信号变化规律一致，则说明整个待测模块正常，预检完成，可以上电测试。

9.如权利要求6所述的工作方法，其特征是：在IGBT测试过程中，利用IGBT自身寄生参数，实现电压由二次侧向一次侧耦合，进而实现信号增减的功能。

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