可编程电子负载技术在DCS电源测试中的应用

王 刚

（秦皇岛发电有限责任公司，河北 秦皇岛 066003）

0 引言

DCS电源模块为系统各DPU（控制器）、I/O模板、端子板、接口设备供电，是整个系统的重要组成部分。为加强发电机组DCS系统的设备安全管理，避免因DCS系统电源问题引发机组不安全事件，国神集团专门制定下发了《关于加强DCS系统电源模块检查维护的工作的通知》[1]。目前，各发电企业DCS标准检修项目只是在系统上电后对电源模块的输出电压、电流进行检测或进行冗余电源模块的切换检测，发现输出电压、电流与设计偏差较大的和不能正常切换时才进行处理或更换。这种检修试验只能保证在特定工况下的电源模块是否工作正常，当电源负载发生波动时，电源模块是否还能正常工作是无法验证的。而且，电源模块随着使用时间的增加会逐渐出现老化现象，抗干扰和负载波动的能力也会逐渐下降。一般情况下，一台机组的DCS电源模块是同一批次投入使用的，如果到达使用寿命后大面积地同时发生故障，将给DCS运行造成极大的风险。所以，有必要采用一种测试装置对DCS电源模块进行变换负载工况下的性能检测，为电源模块的更换、匹配提供科学、有效的相关数据，以保证DCS系统的稳定运行。

1 关键技术问题及创新点

1.1 关键技术问题

通过研发专用测试装置和开发配套软件，为电源模块提供完善的测试项目，涵盖DCS电源模块主要测试内容。根据所选择的测试项目能够自动生成测试程序并按顺序进行测试，具备生成详细测试报告及数据库管理、报告生成打印和上位机通讯功能，同时具有自我诊断及全面的过电压、过电流、过功率、过温度等保护功能，以上是该测试装置针对DCS电源的关键技术问题。

1.2 创新点

通过对DCS系统电源模块进行科学有效的相关性能检测，实现DCS系统电源模块的性能状态分析。解决电源模块老化异常引起的DCS故障，甚至造成的机组降出力及非计划停运风险所带来的经济损失和对电网负荷的影响。

2 DCS电源测试内容

DCS电源系统是整个DCS系统的重要部件，对DCS的稳定运行起着至关重要的作用。所以在日常检修工作中对DCS电源设备进行测试，掌握电源的特性是非常必要的[2]。判断电源是否能够正常工作，主要从以下几个方面进行。

1）输入电压：当开关电源的输入电压发生变化时，保持输出特性不变的输入电压变化范围。这个范围越宽，表示电源适应外界的市电变化的能力越强，开关电源的工作范围就越宽。

2）输出电压：电压范围表示电源工作在额定范围内，所有同型号电源最终输出的电压范围。负载稳定度，也称负载调整率、电流调整率。在额定电压下，负载电流从零变化到最大时，输出电压的最大相对变化量，常用百分数表示，有时也用绝对变化量表示。

3）负载调整率：负载电流保持为额定范围内的任何值，输入电压在规定的范围内变化所引起的输出电压相对变化为△Uo/Uo（百分值）。

4）纹波及噪声（Vp-p）：在额定输出电压和负载电流下，输出电压的纹波（包括噪声）的绝对值的大小，通常以峰峰值或有效值表示。

5）效率：输出功率比输入功率。

6）冲击电流：冲击电流是指输入电压按规定时间间隔接通或断开时，输入电流达到稳定状态前所通过的最大瞬间电流。

7）过流保护：是一种电源负载保护功能，以避免发生包括输出端子上的短路在内的过负载输出电流对电源和负载的损坏。过流的给定值一般是额定电流的110%～130%[3]。

8）过压保护：是一种对端子间过大电压进行负载保护的功能。一般规定为输出电压的130%～150%[3]。

9）输出欠压保护：当输出电压在标准值以下时，检测输出电压下降或为保护负载及防止误操作而停止电源并发出报警信号，多为输出电压的80%～30%左右[3]。

10）电源并联匹配：DCS电源多采用电源并联形式，相同输出电压的电源并联，电压不变，承受负荷的能力会增加[4]。由于两个电源（即使是所有指标相同）很难做到绝对一致，并联总会有环流的情况发生，因而对两块电源能否匹配，在安装前进行负载能力测试的意义就非常大了。

以上这些方面的测试，有些是可以通过简单的测量工具，如数字式万用表测量的，但是大多数的数据是无法直接测量的，只能使用专用的测试仪表来进行。因此，采用一种测试装置能够对电源的输入、输出项集中进行测试是很有必要的。

根据实际的使用要求联合天津电气科学研究院共同研制、开发了一套DCS电源测试装置。该测试装置采用最新直流电子负载技术，根据DCS系统电源的特性要求进行了优化，可以通过上位计算机配合专门开发的软件，同时对多达6个通道的DCS电源进行测试，可以根据测试结果对电源特性进行分析，形成图表，提供用户完善的测试项目。区别于传统测试系统，该测试装置让用户无需编辑程序，只要在系统提供的20个测试大项以及近上百个测试参数中，根据自己的需求选择测试项目，该测试装置会按顺序自动进行测试，轻松完成。

包括身份验证、数据纠错、数据更新、移动办公等功能。系统通过绑定用户手机号码，建立数据使用分级制，根据用户的级别，以实时验证码的方式定义系统的查询范围、修改权限等，在系统内建立用户自己的数据库。同时，为方便数据的获取与查询，开发了iOS、Android系统的移动客户端，实现数据的实时查询。

3 DCS电源测试装置的技术特点

3.1 电源负载测试

采用输入可编程直流电子负载，图1为测试系统的基本界面。

图1 基本测试界面Fig.1 Basic test interface

通过计算机，可以设定电流测试、电压测试、负载测试和功率测试。图2是一块DCS电源输出项为5V时的基本测试数据，根据要求可以对6个通道进行同时加载。

图2 5V测试界面Fig.2 5V Test interface

用户可以根据通道数和功率数功率需求，在6个负载模组中自由选配，通过主机框控制面板控制或通过内置LAN/USB接口，可以由上位机进行控制。该系统具有斜率可调和list带载波形编辑的功能，自动测试功能更可以设定在CC/CV/CR等不同工作模式下，方便快速精确测试。该系统具有自我诊断及全面的过电压、过电流、过功率、过温度等保护功能，防止由于误操作或环境因素导致的仪器受损或人身伤害。

3.2 电源拉载试验

3.2.1 可自由配置的模组化结构

采用可抽换模组式设计，用户可根据需要自由选配模组。而且每个负载模组和主控模组单元之中都具有高性能微处理芯片。它们之间采用平行架构，因此具有高测试速度。负载模组之间由系统同步控制，也可以同步测试具有多路输出的电源。

3.2.2 峰值电压、电流测试功能

开关电源的动态电流测试往往需要示波器抓取瞬时电压及电流波形来获取峰值电压Vpk和峰值电流Ipk的值。该系统具有数字化数据采集功能，无需示波器帮助即可轻松获取Vpk和Ipk的值。

3.3 测试项目编辑功能

装置的自动测试系统提供了测试项目编辑功能，除了系统自附的测试项目，用户可以自行建立新测试项目，以满足所有电源供应器的测试需求。用户还可以自定义参数变量，同时支持测试项公共参数以全局变量方式填写，以满足用户进阶测试的需要，节约测试时间。该测试装置可以让用户把多个编辑好的测试项目连接起来，组成测试程序，系统会按顺序自动进行测试，大量减少测试时间。

图3 峰值电压、电流图Fig.3 Peak voltage and current diagram

图4 测试项目编辑界面Fig.4 Test project editing interface

4 应用成效

4.1 应用情况

4.2 达到的应用效果

1）通过研制、使用测试装置，实现了DCS系统电源模块单体电源模块性能测试、状态评估、双电源模块互换性及匹配性测试的功能。

图5 DCS电源测试装置外观Fig.5 Appearance of DCS power test device

2）实现模块化检测项目，能够根据用户需要自行选择检测项目，自动生成检测程序并自动执行相应检测。

3）通过开发专用软件实现变换负载工况下的自动程序检测及生成数据报告，并通过对性能数据资料的分析管理摸索，实现DCS电源模块使用、更换周期化管理。

4）采用专用测试装置对DCS电源模块进行变换负载工况下的性能检测，为电源模块的更换、匹配提供科学、有效的相关数据，以保证DCS系统的稳定运行。

4.3 直接和间接经济效益

利用电源测试装置对DCS电源模块进行检测工作，节约了返厂检测的高额成本。秦皇岛电厂各台机组DCS电源模块在装总数量为226块，返厂检测费用1000元/块。按每年开展一次等级检修，检修期间返厂检测费用每年需22.6万元，以DCS的常规寿命周期10年计算，总共可节约费用226万元[6]。

通过对DCS电源模块的性能检测，使电源模块为DPU（控制器）、I/O模板、端子板、接口设备提供合格、稳定的高品质电源，防止因电源模块长时间供电异常对各重要部件寿命产生的影响，对降低DCS维护成本也有着间接的经济效益。

4.4 与当前国内同类技术的综合比较

目前，国内的DCS普遍采用多控制器、多子系统设计方式，电源模块数量较多，为保证安全且采用冗余配置。而在电源的维护方面，基本停留在故障后更换和检修期间的维护检查、返厂测试等方式。返厂测试存在着数量较大、成本较高以及运输风险和工期风险。对于为维护检查，以目视手段和输出空载测试为主，不足以反应电源模块的真实使用状态。同时，由于DCS多采用电源并联形式的冗余配置，由于两组电源模块性能很难做到绝对一致，所以并联后总会有环流的情况发生，当环流较大时会影响供电系统的稳定运行。

可编程电子负载技术成熟，市场上可采购到各种性能优异、测试功能众多的电子负载产品及配套软件，但缺乏具有针对DCS电源特性要求的电源测试装置及维护管理软件平台。该DCS电源模块测试装置以北京日立公司的PS7050电源模块为试验对象，针对其输入、输出结构研制专用的配合接口，方便与可编程电子负载装置的连接。使用成熟、适用的可编程电子负载产品，模拟多种工况下的负载变化，并得出科学、有效的试验数据。拓展开发的检测软件，将可编程电子负载装置、通讯接口线以及电脑主机、打印设备整合为一套专用的DCS电源模块测试装置。通过分析试验数据判断DCS电源模块的性能优劣，制定更换计划，或者将性能相近的电源模块组合、搭配使用，以保证其稳定运行。

5 结束语

随着机组控制系统自动化水平的提高，各集团公司对机组DCS系统的安全运行重视程度日渐提高。具有针对性的测试装置实现了对电源模块性能检测和状态判断，并根据检测数据分析结果超前预防电源模块老化和性能下降，以及通过数据管理实现电源模块维护、更换周期化，即将成为各发电厂DCS电源系统维护管理趋势，并且有可能进一步推广至其它重要系统的电源管理维护中[7]。围绕这套电源测试装置开展的“DCS电源模块性能检测在设备管理中的应用研究”项目，获国神集团2020年度科技进步三等奖，2021年6月该电源测试装置获得国家实用新型专利授权。