，， ，

(海軍工程大學(xué) 電氣工程學(xué)院，武漢 430033)

0 引言

艦船綜合電力系統(tǒng)是由中國(guó)工程院院士，海軍工程大學(xué)教授馬偉明于2002年提出的，通過(guò)集成艦船的發(fā)供電、負(fù)載用電和推進(jìn)用電等，實(shí)現(xiàn)艦用電能的統(tǒng)一調(diào)配和集中控制。相對(duì)于以熱機(jī)為核心的常規(guī)動(dòng)力系統(tǒng)，具有集成度高、噪聲小、方便電能的調(diào)配等優(yōu)勢(shì)，因而得到了迅速發(fā)展，廣泛應(yīng)用于民用船舶和軍用艦艇上，逐漸成為艦船推進(jìn)的主動(dòng)力系統(tǒng)。當(dāng)前我國(guó)艦船綜合電力系統(tǒng)已由第一代發(fā)展到第二代，即二代綜合電力系統(tǒng)，這一技術(shù)目前領(lǐng)先于歐美科技強(qiáng)國(guó)。圖1為某型艦船發(fā)電機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖。

圖1 某型艦船發(fā)電機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

隨著艦船綜合電力系統(tǒng)集成化和自動(dòng)化水平的不斷提高，電氣網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)越來(lái)越復(fù)雜，艦用高性能武器種類和數(shù)量不斷增加，給武器裝備的維修保障帶來(lái)了巨大的困難和挑戰(zhàn)，尤其對(duì)于赴遠(yuǎn)海執(zhí)行任務(wù)的海軍艦艇，一旦發(fā)生故障，后果將不堪設(shè)想，因此，如何提高艦員級(jí)維修保障能力，具有重要的軍事應(yīng)用價(jià)值。

測(cè)試性[1-3]是武器裝備“六性”之一，是系統(tǒng)或設(shè)備本身的一種固有屬性。根據(jù)GJB2547《裝備測(cè)試性大綱》中的定義為:系統(tǒng)或設(shè)備能夠及時(shí)、準(zhǔn)確地確定其狀態(tài)(可工作，不可工作或性能下降)并隔離其內(nèi)部故障的一種設(shè)計(jì)特性。按照測(cè)試方式的不同，測(cè)試性技術(shù)主要可以分為外部自動(dòng)測(cè)試(ATS)和機(jī)內(nèi)測(cè)試(BIT)。外部自動(dòng)測(cè)試是指通過(guò)外部測(cè)試儀器、工具或設(shè)備對(duì)被測(cè)對(duì)象進(jìn)行檢測(cè)和隔離的測(cè)試，機(jī)內(nèi)測(cè)試又叫嵌入式測(cè)試，是指系統(tǒng)或設(shè)備能夠完自己成對(duì)系統(tǒng)、組件或功能模塊的狀態(tài)檢測(cè)、故障診斷以及性能測(cè)試。

當(dāng)前，我國(guó)海軍艦艇還沒(méi)有裝備系統(tǒng)級(jí)BIT設(shè)備，但對(duì)部分小型系統(tǒng)或現(xiàn)場(chǎng)可更換單元(LRU)的測(cè)試性設(shè)計(jì)工作已經(jīng)展開(kāi)并取得了一定的研究成果，如海軍工程大學(xué)研制的十二相不控整流器測(cè)試裝置，能夠?qū)⒐收夏Ｊ骄_定位到任意二極管上，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)故障模塊的故障隔離，提高裝備的使用性和安全性。

1 國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀

1.1 國(guó)外研究現(xiàn)狀

在測(cè)試性設(shè)計(jì)領(lǐng)域，國(guó)外一直處于領(lǐng)先地位，尤其是美國(guó)，不論是測(cè)試性概念的提出，還是測(cè)試性設(shè)計(jì)準(zhǔn)則的制定，均由美國(guó)主導(dǎo)并首先將BIT應(yīng)用到武器裝備系統(tǒng)中去，大大提高了裝備作戰(zhàn)性能。如美國(guó)海軍成功將BIT技術(shù)應(yīng)用到一代綜合電力系統(tǒng)中，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)電力系統(tǒng)的狀態(tài)檢測(cè)、故障診斷和故障隔離，極大地提高了其作戰(zhàn)能力。圖2為國(guó)外BIT技術(shù)的大致發(fā)展歷程[4]。

圖2 國(guó)外BIT發(fā)展歷程

1.2 國(guó)內(nèi)研究現(xiàn)狀

我國(guó)BIT技術(shù)雖然起步較晚，但也取得了一定的研究成果。國(guó)防科技大學(xué)在“九五”期間深入研究了邊界掃描機(jī)內(nèi)測(cè)試技術(shù)，建立了智能BIT的理論框架和體系結(jié)構(gòu)，提出了基于邊界掃描的智能BIT結(jié)構(gòu)和故障診斷方法；電子科技大學(xué)提出了基于CAN總線的復(fù)雜電子系統(tǒng)BIT技術(shù)方案，對(duì)BIT和ATE相結(jié)合的綜合測(cè)試系統(tǒng)進(jìn)行了預(yù)先研究；航天測(cè)控開(kāi)發(fā)技術(shù)有限公司提出了基于邊界掃描和BIST(Built-In Self-Test)相結(jié)合的電路板測(cè)試方法，研究了邊界掃描技術(shù)在電路板測(cè)試性設(shè)計(jì)中的應(yīng)用等[5]。當(dāng)前，我國(guó)已將測(cè)試性設(shè)計(jì)作為武器裝備研發(fā)過(guò)程中必不可少的一個(gè)環(huán)節(jié)，隨著國(guó)家的重視和研究的深入，BIT技術(shù)在不同領(lǐng)域的應(yīng)用研究必將引起國(guó)內(nèi)外學(xué)者的廣泛關(guān)注。

2 BIT參數(shù)

反映BIT設(shè)計(jì)特性的主要參數(shù)有：性能參數(shù)、時(shí)間參數(shù)和限制性參數(shù)，如圖3所示。

2.1 性能參數(shù)

故障檢測(cè)率(FDR)[6]定義為在規(guī)定的時(shí)間內(nèi)，用規(guī)定的方法正確檢測(cè)到的故障數(shù)與被測(cè)單元發(fā)生的故障總數(shù)之比，用百分?jǐn)?shù)表示。

故障隔離率(FIR)定義為在規(guī)定的時(shí)間內(nèi)，用規(guī)定的方法正確隔離到不大于規(guī)定的可更換單元數(shù)的故障數(shù)與同一時(shí)間檢測(cè)到的故障數(shù)之比，用百分?jǐn)?shù)表示。

2.2 時(shí)間參數(shù)

故障檢測(cè)時(shí)間(FDT)定義為從開(kāi)始故障檢測(cè)到給出故障指示所經(jīng)歷的時(shí)間。

故障隔離時(shí)間(FIT)定義為從開(kāi)始隔離故障到完成故障隔離所經(jīng)歷的時(shí)間。

2.3 限制性參數(shù)

虛警率(FAR)定義為在規(guī)定的工作時(shí)間內(nèi)，發(fā)生的虛警數(shù)與同一時(shí)間內(nèi)的故障指示總數(shù)之比，用百分?jǐn)?shù)表示。

重測(cè)合格率(RTOKR)定義為在規(guī)定的時(shí)間內(nèi)，在基地級(jí)維修的測(cè)試中，發(fā)現(xiàn)因“報(bào)告故障”而拆卸的產(chǎn)品是合格的產(chǎn)品數(shù)與被測(cè)產(chǎn)品總數(shù)之比，用百分?jǐn)?shù)表示。

故障檢測(cè)率、故障隔離率和虛警率是機(jī)內(nèi)測(cè)試(BIT)的主要性能指標(biāo)。在艦船綜合電力系統(tǒng)的測(cè)試性設(shè)計(jì)中，首先關(guān)注的是故障檢測(cè)率FDR，保證艦船裝備的可靠性和安全性，其次，要降低虛警率和重測(cè)合格率，減少檢測(cè)時(shí)間，提高檢測(cè)效率。參考國(guó)內(nèi)外測(cè)試性要求，對(duì)艦船綜合電力系統(tǒng)定量要求如下：系統(tǒng)針對(duì)單一故障檢測(cè)率(FDR)要求在95%以上；故障隔離率(FIR)要求在90%以上。由于項(xiàng)目來(lái)源于研究性課題，對(duì)虛警率等其他性能指標(biāo)不做明確要求。

3 艦船綜合電力系統(tǒng)機(jī)內(nèi)測(cè)試

本節(jié)對(duì)某型艦船綜合電力系統(tǒng)進(jìn)行機(jī)內(nèi)測(cè)試的探索和研究，使該型艦船電力系統(tǒng)具有在線監(jiān)測(cè)、故障診斷和故障隔離的功能。由于艦船綜合電力系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和內(nèi)部工作環(huán)境的復(fù)雜性，對(duì)艦船綜合電力系統(tǒng)所有故障模式實(shí)現(xiàn)狀態(tài)監(jiān)測(cè)與故障診斷十分困難，因此，本文首先對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行了層次劃分，將系統(tǒng)分為了發(fā)電機(jī)本體、勵(lì)磁系統(tǒng)和整流系統(tǒng)3個(gè)部分，并從工程可行的角度對(duì)各分系統(tǒng)典型故障模式進(jìn)行研究分析，建立各分系統(tǒng)系統(tǒng)的故障模式統(tǒng)計(jì)表，確定了測(cè)試參數(shù)和相應(yīng)的故障判斷準(zhǔn)則。

3.1 某型艦船綜合電力系統(tǒng)的建模

3.1.1 發(fā)電機(jī)模型

該型艦船綜合電力系統(tǒng)采用十二相整流混合勵(lì)磁同步發(fā)電機(jī)(以下簡(jiǎn)稱混合勵(lì)磁發(fā)電機(jī))發(fā)電[7]，經(jīng)十二相不控整流后外接直流負(fù)載，或先通過(guò)十二相不控整流變成直流電，再經(jīng)三相逆變器逆變后通入交流負(fù)載?；旌蟿?lì)磁發(fā)電機(jī)的二維結(jié)構(gòu)如圖4所示。

圖4 混合勵(lì)磁發(fā)電機(jī)二維結(jié)構(gòu)圖

由圖4可以看出，發(fā)電機(jī)沿軸向分為全永磁部分和輔助部分，全永磁部分位于發(fā)電機(jī)中部，輔助部分位于發(fā)電機(jī)兩側(cè)。在定子鐵芯內(nèi)布置兩組環(huán)形勵(lì)磁繞組，串聯(lián)后構(gòu)成輔助電勵(lì)磁繞組，定子鐵芯由三段硅鋼片疊壓組成，電樞繞組貫穿整個(gè)定子，定子鐵芯外圓套有導(dǎo)磁套筒，為輔助勵(lì)磁繞組提供軸向磁路。

輔助電勵(lì)磁系統(tǒng)[8]中的自動(dòng)勵(lì)磁調(diào)節(jié)器(AVR)采用PI算法，通過(guò)電壓互感器采集到的電壓值與設(shè)定的輸出電壓值進(jìn)行比較，調(diào)節(jié)IPM功率模塊中IGBT的占空比，實(shí)現(xiàn)對(duì)勵(lì)磁電流大小和方向的雙向調(diào)節(jié)。IPM功率模塊主電路如圖5所示。

圖5 勵(lì)磁控制器主電路

3.1.2 勵(lì)磁系統(tǒng)模型

勵(lì)磁系統(tǒng)分為永磁體勵(lì)磁和輔助電勵(lì)磁兩部分，其中電勵(lì)磁系統(tǒng)采用自并勵(lì)勵(lì)磁方式，從十二相交流電種取三相經(jīng)勵(lì)磁變壓器降壓，然后通入三相不控整流器整流，所得的直流電經(jīng)過(guò)功率模塊調(diào)節(jié)大小與方向后通入勵(lì)磁繞組實(shí)現(xiàn)對(duì)同步發(fā)電機(jī)的電勵(lì)磁。輔助電勵(lì)磁系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)如圖6所示。

圖6 電勵(lì)磁系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

3.1.3 整流系統(tǒng)

該型艦船綜合電力系統(tǒng)中所用的整流方式為不控整流，因此整流系統(tǒng)的核心是十二相不控整流器，其內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖7所示。

圖7 十二相不控整流電路結(jié)構(gòu)圖

綜上分析，可得整個(gè)艦船綜合電力系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)如圖8所示。

圖8 系統(tǒng)框圖

3.2 艦船綜合電力系統(tǒng)故障模式分析

本文將艦船綜合電力系統(tǒng)分成3個(gè)分系統(tǒng)，分別是發(fā)電機(jī)本體、勵(lì)磁系統(tǒng)和整流系統(tǒng)，下面將分別對(duì)3個(gè)分系統(tǒng)進(jìn)行故障模式分析。

1)發(fā)電機(jī)本體：根據(jù)混合勵(lì)磁電機(jī)本體的結(jié)構(gòu)，發(fā)電機(jī)本體的故障模式主要可以分為定子故障、轉(zhuǎn)子故障和冷卻系統(tǒng)故障。具體如表1所示。

表1 發(fā)電機(jī)本體故障模式

2)勵(lì)磁系統(tǒng)：根據(jù)勵(lì)磁系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)圖，可將勵(lì)磁系統(tǒng)的故障模式主要分為三相勵(lì)磁變壓器故障、三相不控整流器故障、勵(lì)磁調(diào)節(jié)器故障、電壓互感器故障、電流互感器故障及滅磁回路故障等，具體如表2所示。

3)整流系統(tǒng)：整流部分采用十二相不控整流，內(nèi)部有24個(gè)二極管和熔斷器，由此可得整流系統(tǒng)的故障模式如表3所示。

表2 勵(lì)磁系統(tǒng)故障模式

表3 整流系統(tǒng)故障模式

3.3 各功能模塊測(cè)試性分析

1)發(fā)電機(jī)本體測(cè)試性分析：混合勵(lì)磁發(fā)電機(jī)(以下簡(jiǎn)稱發(fā)電機(jī))本體作為整個(gè)艦船綜合電力系統(tǒng)的核心設(shè)備，其運(yùn)行狀態(tài)的好壞直接影響系統(tǒng)的可靠性和安全性，因此對(duì)發(fā)電機(jī)本體進(jìn)行機(jī)內(nèi)測(cè)試性非常重要。由于發(fā)電機(jī)本體內(nèi)部結(jié)構(gòu)和環(huán)境的復(fù)雜性，獲取的信號(hào)中常常帶含有許多噪聲信號(hào)，而且同一故障特征量可能對(duì)應(yīng)多種故障模式，這使得對(duì)發(fā)電機(jī)內(nèi)部故障進(jìn)行精確的狀態(tài)監(jiān)測(cè)、故障診斷和故障隔離變得非常困難。本文主要從工程可行的角度來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)發(fā)電機(jī)機(jī)內(nèi)測(cè)試設(shè)計(jì)。主要測(cè)量的物理量有溫度和電流[9-10]。對(duì)于定子繞組和輔助電勵(lì)磁繞組，主要采取監(jiān)測(cè)繞組溫度的方法進(jìn)行故障檢測(cè)，對(duì)于永磁體則主要利用測(cè)量探測(cè)線圈中電流的大小來(lái)判斷永磁體是否失磁，具體測(cè)試點(diǎn)和所用傳感器如表4所示。

2)勵(lì)磁系統(tǒng)測(cè)試性分析：勵(lì)磁系統(tǒng)是發(fā)電機(jī)組運(yùn)行安全性和可靠性的重要保障，對(duì)電力系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行起著至關(guān)重要的作用。對(duì)三相勵(lì)磁變壓器和滅磁開(kāi)關(guān)，主要通過(guò)開(kāi)關(guān)量判斷其狀態(tài)，開(kāi)關(guān)閉合則指示燈亮，開(kāi)關(guān)斷開(kāi)則指示燈熄滅。對(duì)于勵(lì)磁調(diào)節(jié)器、電壓互感器和電流互感器，可以通過(guò)手動(dòng)測(cè)試來(lái)判斷其是否有故障，人為改變負(fù)載的大小，看輸出電壓穩(wěn)定后是否能保持不變。對(duì)于三相不控整流器，通過(guò)DSP在一個(gè)采樣周期內(nèi)對(duì)6個(gè)二極管進(jìn)行多次電壓采樣，在一定的時(shí)間內(nèi)計(jì)算出采樣電壓的平均值與0比較，如果恒為0，則說(shuō)明對(duì)應(yīng)的二極管發(fā)生了短路故障，如果大于零，則說(shuō)明對(duì)應(yīng)的二極管發(fā)生了開(kāi)路故障。另外，勵(lì)磁系統(tǒng)還存在發(fā)電機(jī)過(guò)電壓、勵(lì)磁過(guò)電流、勵(lì)磁電流過(guò)小等功能故障，對(duì)這些功能故障模式可采取實(shí)時(shí)狀態(tài)監(jiān)測(cè)的方法來(lái)確保系統(tǒng)的正常運(yùn)行。具體測(cè)試點(diǎn)及門限值如表5所示。

表4 發(fā)電機(jī)本體測(cè)試點(diǎn)分析

表5 勵(lì)磁系統(tǒng)測(cè)試點(diǎn)分析

3)整流系統(tǒng)：整流系統(tǒng)的作用是將發(fā)電機(jī)發(fā)出的12相交流電變成直流電，然后通入直流負(fù)載。對(duì)十二相不控整流器進(jìn)行測(cè)試性設(shè)計(jì)與三相不控整流器類似，通過(guò)DSP在一個(gè)采樣周期內(nèi)對(duì)24個(gè)二極管進(jìn)行多次電壓采樣，取平均值后與0進(jìn)行比較，若恒為0，則說(shuō)明對(duì)應(yīng)的二極管短路，若大于0，則說(shuō)明對(duì)應(yīng)的二極管斷路。

3.4 故障檢測(cè)與隔離

通過(guò)對(duì)發(fā)電機(jī)本體、勵(lì)磁系統(tǒng)和整流系統(tǒng)的故障模式和測(cè)試性分析，確定了各組成模塊的測(cè)試性參數(shù)和測(cè)試點(diǎn)[11]，為系統(tǒng)的狀態(tài)監(jiān)測(cè)、故障檢測(cè)和隔離甚至故障預(yù)測(cè)提供了理論基礎(chǔ)。

3.4.1 狀態(tài)監(jiān)測(cè)

根據(jù)系統(tǒng)測(cè)試性需求，對(duì)艦船綜合電力系統(tǒng)的關(guān)鍵性能或功能參數(shù)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，并能夠?qū)崟r(shí)顯示報(bào)告給艦員，同時(shí)還能夠存儲(chǔ)記錄大量的數(shù)據(jù)。根據(jù)此要求可以設(shè)計(jì)系統(tǒng)的狀態(tài)監(jiān)測(cè)流程如圖9所示。

圖9 狀態(tài)監(jiān)測(cè)流程圖

圖中的關(guān)鍵參數(shù)即為表4、表5中的溫度、電壓和電流參數(shù)。

3.4.2 故障檢測(cè)

故障檢測(cè)用于判斷系統(tǒng)的各個(gè)組成模塊是否發(fā)生故障，檢測(cè)到故障時(shí)給出相應(yīng)的指示或報(bào)警，在故障檢測(cè)設(shè)計(jì)中，要特別注意防止虛警，常用的防虛警方法有3中：1)確定合理的門限值；2)確定合理的故障指示和報(bào)警條件；3)采取綜合決策方法。本文根據(jù)多次試驗(yàn)針對(duì)某型艦船綜合電力系統(tǒng)的具體情況確定了合適的門限值，并通過(guò)DSP控制平臺(tái)，采取多次采樣取平均值的方式，有效減少了虛警的發(fā)生概率。故障檢測(cè)分為主動(dòng)和被動(dòng)兩種方式，為了不影響系統(tǒng)的正常運(yùn)行，本文的故障檢測(cè)采取被動(dòng)式設(shè)計(jì)方式。具體流程如圖10所示。

圖10 被動(dòng)式故障檢測(cè)流程圖

圖中的測(cè)量參數(shù)為狀態(tài)監(jiān)測(cè)環(huán)節(jié)的采樣信號(hào)經(jīng)過(guò)濾波后所得到的測(cè)試信號(hào)。

3.4.3 故障隔離

在檢測(cè)到系統(tǒng)中某個(gè)模塊發(fā)生故障后，應(yīng)該考慮將該模塊與系統(tǒng)隔離。用機(jī)內(nèi)測(cè)試進(jìn)行故障隔離時(shí)，需要測(cè)量被測(cè)對(duì)象內(nèi)部更多的參數(shù)，才能將故障定位到分系統(tǒng)的現(xiàn)場(chǎng)可更換單元。具體的故障隔離流程如圖11所示。

圖11 故障隔離流程圖

圖中輸入為故障檢測(cè)環(huán)節(jié)檢測(cè)出的故障模式。

3.5 測(cè)試性設(shè)計(jì)框架

綜合上述分析，將艦船綜合電力系統(tǒng)劃分為發(fā)電機(jī)本體、勵(lì)磁系統(tǒng)和整流系統(tǒng)3個(gè)部分。每個(gè)分系統(tǒng)由各個(gè)功能模塊組成，通過(guò)對(duì)對(duì)每個(gè)功能模塊進(jìn)模塊BIT設(shè)計(jì)，使系統(tǒng)具有模塊級(jí)的故障診斷和隔離功能。整個(gè)系統(tǒng)采用分布—集中式設(shè)計(jì)，各個(gè)模塊的狀態(tài)監(jiān)測(cè)、故障檢測(cè)和隔離相互獨(dú)立，互不影響，較復(fù)雜的分系統(tǒng)如發(fā)電機(jī)本體和勵(lì)磁系統(tǒng)可以采用分布式BIT設(shè)計(jì)，系統(tǒng)整體上采用集中式故障處理和報(bào)警顯示，利用專用測(cè)試總線進(jìn)行BIT信息通信，集中顯示各個(gè)模塊的健康狀況[12-13]，方便操作人員的使用。系統(tǒng)詳細(xì)機(jī)內(nèi)測(cè)試框架如圖12所示。

圖12 系統(tǒng)機(jī)內(nèi)測(cè)試框架圖

4 結(jié)論

本文通過(guò)對(duì)某型艦船綜合電力系統(tǒng)進(jìn)行了建模和測(cè)試性分析，確定了該型艦船綜合電力系統(tǒng)的主要故障模式、測(cè)試點(diǎn)以及測(cè)試參數(shù)。從工程可行的角度提出了系統(tǒng)機(jī)內(nèi)測(cè)試設(shè)計(jì)與分析方法，詳細(xì)說(shuō)明了系統(tǒng)狀態(tài)監(jiān)測(cè)、故障診斷和故障隔離的設(shè)計(jì)流程，得到了系統(tǒng)最終的機(jī)內(nèi)測(cè)試框架圖，對(duì)后續(xù)型號(hào)艦船綜合電力系統(tǒng)的機(jī)內(nèi)測(cè)試與故障診斷工作具有重要的參考價(jià)值。