電能質(zhì)量監(jiān)測終端自動測試系統(tǒng)的技術(shù)和應用

張 耀 齊曉輝

（1. 國網(wǎng)哈密供電公司，新疆 哈密 839000；2. 北京博電新力電氣股份有限公司，北京 100176）

隨著電力系統(tǒng)建設規(guī)模的不斷增大和敏感性負荷的增多，電能質(zhì)量問題的重要性問題已經(jīng)日漸凸顯[1]。對于各項電能質(zhì)量參數(shù)的嚴密監(jiān)測將有助于整個電力系統(tǒng)的平穩(wěn)、安全運行。電能質(zhì)量參數(shù)已經(jīng)成為各級電力部門重要的考核標準，相關部門出臺了相關的檢測規(guī)范，最新的檢測規(guī)范為2017年出臺的 QGDW 1650.3—2017電能質(zhì)量監(jiān)測技術(shù)規(guī)范中第 4部分：電能質(zhì)量監(jiān)測終端檢驗[2]。標準中詳細規(guī)定了電能質(zhì)量問題的檢測要求。電能質(zhì)量檢測終端的存在就有了對電能質(zhì)量參數(shù)的監(jiān)測手段，其安全可靠的運行更有助于提高對整個電力系統(tǒng)電能質(zhì)量參數(shù)的監(jiān)測水平，故電能質(zhì)量監(jiān)測終端的可靠性問題就成為了電能質(zhì)量參數(shù)的重要問題[3]。并且，現(xiàn)場實際運行的電能質(zhì)量監(jiān)測終端數(shù)量龐大，種類繁多。所以人工化的單臺手動檢測已經(jīng)滿足不了目前的工作需要，市場中迫切需要一種電能質(zhì)量監(jiān)測終端的批量化、自動測試手段來解決當前存在的問題。故電能質(zhì)量監(jiān)測終端自動測試系統(tǒng)在此背景下被研發(fā)出來，并投入市場應用[4]。

1 系統(tǒng)組成及實現(xiàn)原理

1.1 系統(tǒng)的組成

該系統(tǒng)主要有上位機應用、電能質(zhì)量標準源、被檢電能質(zhì)量監(jiān)測終端、組合式屏柜組成，各組成部分功能如下。

1）上位機應用。安裝有上位機自動測試軟件，可控制標準源的輸出并能通過網(wǎng)絡實時獲取多套電能質(zhì)量監(jiān)測終端的通信數(shù)據(jù)[5]，完成批量化、自動測試。

2）電能質(zhì)量標準源。該標準源能模擬輸出各種復雜的電能質(zhì)量波形，模擬運行中的電能質(zhì)量監(jiān)測終端的實際數(shù)據(jù)情況，包括發(fā)電、變電、輸電和配電等部分[6]，并對其進行分析[7]，輸出精度高、帶載能力強，支持對時功能，能同時完成64通道的電能質(zhì)量監(jiān)測終端的測試。

3）被檢電能質(zhì)量監(jiān)測終端。具備電能質(zhì)量參數(shù)監(jiān)測裝置。

4）組合式屏柜。電能質(zhì)量監(jiān)測終端的批量化檢測的基礎，支持多套電能質(zhì)量監(jiān)測終端的接線，內(nèi)置通信管理、交流電源、裝置投切功能。

1.2 檢測系統(tǒng)的運行原理

檢測系統(tǒng)的運行流程如下：所有設備在通信管理下組成局域網(wǎng)，裝有自動測試軟件的上位機在測試模板下，按照具體測試項項目發(fā)送相應控制字控制電能質(zhì)量標準源按照既定進行輸出，電壓在所接多套被測裝置上并聯(lián)連接，電流在所接多套裝置上串聯(lián)連接[8]，上位機軟件通過局域網(wǎng)實時獲取多套電能質(zhì)量監(jiān)測終端輸出的通信數(shù)據(jù)并逐個解析，放在數(shù)據(jù)庫中等待程序調(diào)用。試驗完成后可導出針對任何單臺裝置的規(guī)定測試報告。

自動測試系統(tǒng)原理圖如圖1所示。

圖1 自動測試系統(tǒng)原理圖

2 電能質(zhì)量標準源的實現(xiàn)

電能質(zhì)量標準源主要有控制模塊、隨機存儲器RAM、模數(shù)轉(zhuǎn)化部分DA、功率放大器PA等幾部分組成，如圖2所示。

2.1 控制模塊

控制模塊采用高速數(shù)字信號處理器 ARM+FPGA的控制形式[9]，ARM 采用專門定制的 Linux操作系統(tǒng)，隨機存儲器RAM負責跟ARM和FPGA實時通信。信號處理速度快，效率高，可靠性好。

圖2 電能質(zhì)量標準源實現(xiàn)原理

2.2 模數(shù)轉(zhuǎn)換部分的原理實現(xiàn)

數(shù)模轉(zhuǎn)換部分DA采用18位DA芯片，轉(zhuǎn)換精度高、穩(wěn)定性好，其簡單原理示意圖如圖3所示：Vref為基準電壓，由外圍芯片提供，根據(jù) D/A輸出Vo范圍進行選擇，Vo的輸出范圍為±10V，故 Vref選擇10V。

圖3 D/A原理實現(xiàn)示意圖

2.3 功率放大器的實現(xiàn)原理

功率放大器為線性功率放大器按照信號發(fā)生器的信號作相應對策變化輸出。

該放大器供電電源采用AC 220V進行供電，配置專用的隔離變壓器以獲取電路中需要的相應的穩(wěn)定的直流電壓源。

圖4為線性功率放大器原理示意圖。

圖4 放大器的原理實現(xiàn)示意圖

該線性功率放大器電路主要由放大器、MOS場效應管、電源、電阻等組成，分為供電電源部分、輸入信號部分和功率放大部分。

Vin為模擬小信號輸入端，Rin為輸入電阻。模擬小信號經(jīng)過放大器的放大之后通過電阻Rf的作用和MOS場效應管，輸出需要放大倍數(shù)的信號，完成功率放大的作用。Vout為輸出端子，得到功率增益、帶寬、失真度完全滿足要求的功率。為了達到滿足要求的電能質(zhì)量標準源，線性功率放大器的特性見表1。

表1 放大器輸出特性參數(shù)

經(jīng)過如上所述的電能質(zhì)量標準源的設計[10]，電能質(zhì)量標準源能夠輸出4相最大480V的電壓信號，4相最大10A的電流信號，輸出單相的帶載能力能達到50VA，能夠同時對8臺6（48通道）通道電能質(zhì)量監(jiān)測終端所有通道進行同時測試。

3 自動測試軟件的實現(xiàn)

經(jīng)過必要的設置進入自動測試程序后，點擊工具欄“開始測試”按鈕，系統(tǒng)將自動控制源輸出測試量、自動讀取被測裝置測量值、事件報文、自動進行數(shù)據(jù)修約處理、自動進行結(jié)果判斷、自動完成整個裝置的測試[11]，自動測試軟件的自動測試流程如圖5所示。

圖5 自動測試軟件流程

3.1 自動測試軟件的特點

1）批量測量技術(shù)。支持多裝置多通道同時測試、針對每臺終端每個通道生成一份報告，并且自動為每份報告生成一個惟一的報告編號，并自動填寫到報告中。經(jīng)過多次測試實踐，測試平臺每次可同時測試30個通道，每次測試大約需要4.5h，測試效率的提高的程度是顯而易見的。

2）二維碼應用技術(shù)。通過二維碼掃描方式錄入測試儀信息和被測裝置信息，并自動填入報告中（它的作用是：①人工手動填寫的一些信息全部自動化填寫，減少測試填寫報告時間，提高工作效率；②建立終端有了二維碼的標準規(guī)范；③對所有的終端統(tǒng)籌管理。

3）外部模塊調(diào)用標準化接口技術(shù)。建立了外部模塊調(diào)用接口標準，能夠與多類設備進行通信，目前平臺接入了環(huán)境監(jiān)測儀，實現(xiàn)溫濕度信息讀取并自動填入報告，軟件加密狗接入，既能獲取測試用戶信息以及測試開始時間、結(jié)束時間和總測試時間并自動填寫到報告中，還能對測試軟件進行加密（僅能測試人員進行操作）；后續(xù)可接入數(shù)碼相機實現(xiàn)被測裝置照片的錄入。

4）原始數(shù)據(jù)溯源技術(shù)。原始記錄保存于我院電能質(zhì)量檢測數(shù)據(jù)庫，便于隨時調(diào)用查找，原始數(shù)據(jù)無法修改的，從而保證了測試數(shù)據(jù)的真實性，對測試報告的溯源起著關鍵性作用。

5）平臺化的軟件架構(gòu)技術(shù)。二次開發(fā)平臺實現(xiàn)裝置測試方案的開發(fā)；規(guī)約平臺實現(xiàn)各種通信規(guī)約[12]；標準化的接口規(guī)范，能夠兼容各廠家標準源（后續(xù)可同時控制多廠家標準源同時輸出）；自動測試平臺實現(xiàn)自動測試。

6）自動數(shù)據(jù)修約功能。測試平臺能夠自動進行數(shù)據(jù)修約處理。并且修約的方式與數(shù)據(jù)修約標準保持一致。

3.2 自動測試軟件的檢測流程

使用檢測平臺進行檢測，其檢測流程可以分為以下5個步驟：

1）設備接線、開機自檢、預檢。

2）打開模型測試程序，讀取被檢測裝置MMS設備數(shù)據(jù)模型，檢查模型是否滿足規(guī)范。

3）打開測試管理主界面程序，選擇裝置測試方案、通信規(guī)約的類型；掃描被測裝置以及檢測設備的二維碼，建立測試任務，點擊功能測試。

4）在自動測試程序工具欄點擊“開始測試”按鈕；開始自動測試。

5）系統(tǒng)自動完成整裝置的測試，自動判斷測試結(jié)果是否合格，自動形成標準格式的測試報告；自動完成的測試項目包括：準確度測試、電壓事件測試、閃變測試、PQDIF文件測試等。

測試過程中如果出現(xiàn)不合格項目，系統(tǒng)會議醒目的顏色顯示并播放提示音樂進行提示。

自動測試流程如圖6所示。

圖6 自動測試流程圖

4 系統(tǒng)的應用

電能質(zhì)量監(jiān)測終端自動測試系統(tǒng)自 2015年投入市場以來，以后陸續(xù)在新疆、湖北、四川、冀北等幾個電科院進行了應用，均實現(xiàn)了多套、多廠家電能質(zhì)量檢測終端的同時測試，并能出具針對任何一個通道的測試報告，省時省力，大大地提高了工作效率，這是傳統(tǒng)的手動測試絕對不能實現(xiàn)的[13]。經(jīng)過大量的現(xiàn)場測試數(shù)據(jù)進行統(tǒng)計得知，按照之前的傳統(tǒng)手動測試方法若要完成單套的全部測試項目需用時至少4h，而且全程需多人干預，而使用這套自動測試系統(tǒng)進行多套終端的同時測試，折合到單通道所需時間為5min，極大地提高了測試效率，且為全自動測試，人工干預極少，可以解放出大量勞動力。統(tǒng)計結(jié)果見表2。

表2 工作效率統(tǒng)計結(jié)果

5 結(jié)論

電能質(zhì)量監(jiān)測終端自動測試系統(tǒng)是完全按照《Q/GDW 1650.4—2017電能質(zhì)量監(jiān)測技術(shù)規(guī)范第4部分：電能質(zhì)量監(jiān)測終端檢驗》及行業(yè)相關檢測標準研發(fā)的針對電能質(zhì)量監(jiān)測終端自動測試平臺，該平臺可帶載能力強，可批量化完成電能質(zhì)量監(jiān)測終端的測試，只需在測試前做好簡單的準備工作，且測試過程中幾乎無需人工干預，顯著的提高了工作效率。該平臺測試流程標準化、自動化、高效化，并具有開放性。該平臺的廣泛應用將有助于電能質(zhì)量監(jiān)測終端檢測等相關技術(shù)的發(fā)展。

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