配電智能網(wǎng)關(guān)測(cè)試中常見(jiàn)問(wèn)題分析及解決方案

李 嘉，陳新美

（許昌開(kāi)普檢測(cè)研究院股份有限公司，河南 許昌 461000）

0 引 言

配電智能網(wǎng)關(guān)是配電自動(dòng)化遠(yuǎn)方終端與智能網(wǎng)關(guān)的融合體。它采用邊緣計(jì)算架構(gòu)、多容器以及云邊協(xié)同等關(guān)鍵技術(shù)，是一種集供電信息采集、設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測(cè)、在線安全分析以及云端互動(dòng)于一體的新興二次設(shè)備。其適用于城市、農(nóng)村以及企業(yè)電網(wǎng)的配電自動(dòng)化實(shí)施與改造，廣泛應(yīng)用于AC 400 V用戶終端。從結(jié)構(gòu)上看，它可分為采集單元和智能網(wǎng)關(guān)兩部分。采集單元可以測(cè)量監(jiān)視配電設(shè)備的各種運(yùn)行參數(shù)，將處理后的電量信息和開(kāi)關(guān)量信息通過(guò)CAN總線與網(wǎng)關(guān)結(jié)構(gòu)交互，并上送至主站。智能網(wǎng)關(guān)具有豐富的硬件接口，不僅支持加密、記錄、對(duì)時(shí)、即插即用以及主站通信等基本功能，還支持容器化、柔性負(fù)荷控制、云邊協(xié)同交互、就地經(jīng)濟(jì)運(yùn)行決策、標(biāo)準(zhǔn)化建模以及低壓拓?fù)浞治鲈O(shè)計(jì)等高級(jí)應(yīng)用功能。

配電智能網(wǎng)關(guān)可以同時(shí)實(shí)現(xiàn)配電自動(dòng)化遠(yuǎn)方終端與智能網(wǎng)關(guān)的作用，大幅減少現(xiàn)場(chǎng)接線和安裝空間，具有廣泛的應(yīng)用前景。由于配電智能網(wǎng)關(guān)是新興融合體產(chǎn)品，尚無(wú)專(zhuān)有標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行引導(dǎo)，加之其設(shè)計(jì)制造技術(shù)有待提高，在測(cè)試中經(jīng)常暴露出測(cè)量性能和通信功能的質(zhì)量問(wèn)題。這些問(wèn)題嚴(yán)重制約了配電智能網(wǎng)關(guān)在掛網(wǎng)運(yùn)行時(shí)不能充分發(fā)揮作用，因此將重點(diǎn)探討測(cè)試工作中發(fā)生的問(wèn)題、問(wèn)題原因以及解決文案。

1 主要測(cè)試項(xiàng)目和儀器設(shè)備

配電智能網(wǎng)關(guān)的測(cè)試系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。主要測(cè)試項(xiàng)目包括電氣量準(zhǔn)確度測(cè)試、各種影響量測(cè)試、基本功能測(cè)試（規(guī)約支持功能、對(duì)時(shí)功能、高級(jí)應(yīng)用功能）、絕緣性能測(cè)試以及機(jī)械性能測(cè)試[1]。使用繼電保護(hù)測(cè)試儀和高低溫濕熱箱測(cè)量電氣量準(zhǔn)確度和各種影響量，使用模擬主站、電度表以及傳感器測(cè)試規(guī)約支持功能和高級(jí)應(yīng)用功能，使用時(shí)鐘源實(shí)現(xiàn)對(duì)時(shí)功能測(cè)試，使用安規(guī)測(cè)試儀測(cè)試絕緣性能，使用電動(dòng)振動(dòng)臺(tái)系統(tǒng)測(cè)試機(jī)械性能。

圖1 測(cè)試系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

2 常見(jiàn)問(wèn)題分析與解決方案

2.1 故障電流測(cè)量準(zhǔn)確度超差

2.1.1 現(xiàn)象描述

配電智能網(wǎng)關(guān)掛網(wǎng)運(yùn)行時(shí)，交流工頻電流輸入標(biāo)稱(chēng)值為1 A或5 A。對(duì)于額定電流及其以下值的測(cè)量準(zhǔn)確度不得低于1%，而故障電流的輸入范圍推薦值為20倍標(biāo)稱(chēng)值，非推薦值為10倍標(biāo)稱(chēng)值，測(cè)量準(zhǔn)確度不得低于5%。由于從電流標(biāo)稱(chēng)值到故障電流值跨度很大，通常導(dǎo)致配電智能網(wǎng)關(guān)標(biāo)稱(chēng)電流值的測(cè)量準(zhǔn)確度不能滿足要求，因此故障電流值的測(cè)量準(zhǔn)確度超差。

2.1.2 問(wèn)題分析

圖2為某制造商產(chǎn)品改進(jìn)前電流采樣電路。其中，R1為電流采樣電阻。電路采用2級(jí)運(yùn)放進(jìn)行信號(hào)處理，第1級(jí)運(yùn)放為1:1差分運(yùn)放，用于消除共模干擾和增大輸入阻抗[2]。第2級(jí)運(yùn)放為加法器，引入DC 1.5 V參考電壓。交流信號(hào)增加1.5 V的直流量后變?yōu)橹绷餍盘?hào)，該直流信號(hào)送入AD芯片通道1進(jìn)行采集。AD芯片采樣范圍為0～3.3 V，采集完成后通過(guò)軟件減去增加的1.5 V直流信號(hào)變?yōu)閷?shí)際采集的交流信號(hào)。

電流互感器變比為5 A/2 mA，電阻R1為500 Ω。當(dāng)輸入額定電流5 A時(shí)，后端采樣電阻兩端的電壓為1 V，板內(nèi)AD芯片能夠正常檢測(cè)。當(dāng)輸入故障電流50 A（10倍標(biāo)稱(chēng)值）時(shí)，后端采樣電阻兩端的電壓變?yōu)?0 V，超過(guò)AD芯片的測(cè)量量程，導(dǎo)致AD芯片無(wú)法正常檢測(cè)。

圖2 改進(jìn)前電流采樣電路

2.1.3 解決方案

圖3為改進(jìn)后電流測(cè)量回路。增加60 Ω的故障電流采樣電阻R10，使用AD芯片的兩路通道同時(shí)采集R1和R10兩端的電壓，默認(rèn)測(cè)量值使用AD芯片通道1的采樣值。分析測(cè)量值大于1.2倍標(biāo)稱(chēng)值后，自動(dòng)切換至AD芯片通道2的采樣值。當(dāng)輸入故障電流為10倍標(biāo)稱(chēng)電流值即50 A時(shí)，互感器次邊的電流為20 mA，R10兩端的電壓為1.2 V。R10兩端的交流信號(hào)經(jīng)過(guò)由D1、D2、D3、D4這4個(gè)肖特基二極管組成的整流電路變?yōu)橹绷餍盘?hào)進(jìn)入AD芯片通道2。軟件計(jì)算過(guò)程中，加入由于整流回路管壓降帶來(lái)的誤差。由于故障電流檢測(cè)回路的精度要求比較低（±5%），故此電路可應(yīng)用于故障電流檢測(cè)。

2.2 非正弦電路無(wú)功功率算法錯(cuò)誤

2.2.1 現(xiàn)象描述

測(cè)試波形畸變對(duì)無(wú)功功率的影響時(shí)，施加基波電壓、基波電流以及3～13次諧波電壓和諧波電流。其中，各次諧波電壓的幅值為基波電壓的0%，各次諧波電流的幅值為基波電流的20%。由于諧波電壓幅值為0，因此諧波無(wú)功功率的理論值應(yīng)為0，而測(cè)試結(jié)果發(fā)現(xiàn)配電智能網(wǎng)關(guān)計(jì)算的諧波無(wú)功功率遠(yuǎn)大于0。

圖3 改進(jìn)后電流采樣電路

2.2.2 問(wèn)題分析

多數(shù)制造商認(rèn)為，在正弦及非正弦周期電路下，無(wú)功功率Q的計(jì)算均滿足式（1）。因此，先使用傅里葉變換和積分算法完成電壓有效值U、電流有效值I以及有功功率P的計(jì)算，再使用式（2）計(jì)算視在功率S，最后套用式（1）進(jìn)行Q的計(jì)算，從而導(dǎo)致Q計(jì)算錯(cuò)誤。

在非正弦周期電路中，P、Q以及S不再滿足式（1）中簡(jiǎn)單的三角函數(shù)關(guān)系，而是要引入畸變功率D[3]。P、Q、S、D的關(guān)系滿足式（3），D的計(jì)算方式如式（4）所示，式中i、j表示基波和各次諧波[4]。

2.2.3 解決方案

改變無(wú)功功率的算法，按照式（5）計(jì)算無(wú)功功率，式中Un、In為n次諧波的有效值。

2.3 環(huán)境溫度變化時(shí)電流測(cè)量準(zhǔn)確度超差

2.3.1 現(xiàn)象描述

在測(cè)試基準(zhǔn)條件下，配電智能網(wǎng)關(guān)的電流測(cè)量準(zhǔn)確度一般都可以滿足制造商的聲稱(chēng)要求，但是在其極限運(yùn)行溫度時(shí)，電流測(cè)量準(zhǔn)確度的變差可能經(jīng)常超出制造商聲稱(chēng)值。變差的計(jì)算方法為：

2.3.2 問(wèn)題分析

基準(zhǔn)條件下，電流采樣準(zhǔn)確度滿足聲稱(chēng)值要求說(shuō)明采樣回路的設(shè)計(jì)原理沒(méi)有錯(cuò)誤，因此極限溫度下采樣準(zhǔn)確度超差是采樣回路某個(gè)器件受溫度影響較大所致。將智能網(wǎng)關(guān)放置于極限溫度下且溫度達(dá)到穩(wěn)定后，測(cè)量電流采樣回路各個(gè)環(huán)節(jié)，發(fā)現(xiàn)輸入信號(hào)與常溫相比時(shí)變化極小，在采樣信號(hào)進(jìn)入AD芯片前變化較大。進(jìn)一步分析發(fā)現(xiàn)是圖2中1.5 V基準(zhǔn)電壓生成回路電阻的電阻溫度系數(shù)（Temperature Coefficient of Resistance，TCR）太大所致。所用電阻為普通電阻，TCR大概為幾千ppm/℃，在極限溫度下電阻變化較大導(dǎo)致基準(zhǔn)電壓不再為1.5 V，從而造成變差超差的現(xiàn)象。

2.3.3 解決方案

基準(zhǔn)電壓生成回路的普通電阻更換為25 ppm/℃的低溫漂采樣電阻。

2.4 101規(guī)約通信報(bào)文異常

2.4.1 現(xiàn)象描述

配電智能網(wǎng)關(guān)作為101從站與模擬主站進(jìn)行通信，傳輸方式采用平衡方式。對(duì)配電智能網(wǎng)關(guān)進(jìn)行101規(guī)約功能測(cè)試時(shí)，發(fā)現(xiàn)方向位報(bào)錯(cuò)，F(xiàn)CB位（幀計(jì)數(shù)位）異常。

2.4.2 問(wèn)題分析

抓取兩幀固定幀報(bào)文，其中主站鏈路請(qǐng)求報(bào)文為“10 49 01 00 4A 16”，子站鏈路請(qǐng)求響應(yīng)報(bào)文為“10 0B 01 00 0C 16”。

對(duì)兩幀報(bào)文的控制域進(jìn)行解析，結(jié)果如下：

主站：49H→0100 1001

子站：0B H→0000 1011

解析報(bào)文后不難發(fā)現(xiàn)，主站的下行報(bào)文與子站的上行報(bào)文中DIR（傳輸方向位，D7位）均為0。實(shí)際應(yīng)用中雖然可以通過(guò)協(xié)商，確定DIR位為0時(shí)表示“主站發(fā)出的下行報(bào)文”或是“子站發(fā)出的上行報(bào)文”，但是DIR一定要有0和1的區(qū)分[5]。

抓取復(fù)位遠(yuǎn)方鏈路后的啟動(dòng)站報(bào)文如下：

子站：68 0C 0C 68 53 01 00 64 01 06 00 01 00 00 00 14 D4 16

對(duì)報(bào)文控制域進(jìn)行解析結(jié)果如下：

53H→0101 0011

從解析報(bào)文中可以看到，復(fù)位遠(yuǎn)方鏈路后，配電智能網(wǎng)關(guān)作為啟動(dòng)站發(fā)出第一幀報(bào)文的FCB（幀計(jì)數(shù)位，D5位）=0，F(xiàn)CV（幀計(jì)數(shù)有效位，D4位）=1。根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)要求，復(fù)位遠(yuǎn)方鏈路后啟動(dòng)站發(fā)送的下一幀（除去請(qǐng)求鏈路狀態(tài)、復(fù)位遠(yuǎn)方鏈路）都要置FCB=1、FCV=1，因此報(bào)FCB異常。

2.4.3 解決方案

一方面修改程序響應(yīng)機(jī)制，子站發(fā)送上行報(bào)文時(shí)方向位為1，另一方面復(fù)位遠(yuǎn)方鏈路后啟動(dòng)站第一幀的FCB改為1。

2.5 NTP對(duì)時(shí)精度超差

2.5.1 現(xiàn)象描述

使用時(shí)鐘源的NTP輸出口向配電智能網(wǎng)關(guān)的網(wǎng)口1發(fā)送對(duì)時(shí)報(bào)文，在保證持續(xù)對(duì)時(shí)的條件下，使用時(shí)鐘源的NTP測(cè)試口接收配電智能網(wǎng)關(guān)網(wǎng)口2發(fā)送的授時(shí)報(bào)文。以此方式進(jìn)行對(duì)時(shí)精度測(cè)試，測(cè)試結(jié)果發(fā)現(xiàn)，對(duì)時(shí)精度超過(guò)制造商聲稱(chēng)值2 ms。

2.5.2 問(wèn)題分析

檢查發(fā)現(xiàn)，配電智能網(wǎng)關(guān)網(wǎng)口1和網(wǎng)口2的IP地址被設(shè)置為同一網(wǎng)段。由于網(wǎng)關(guān)自身不能確定網(wǎng)口1和網(wǎng)口2對(duì)接時(shí)鐘源的功能接口，且對(duì)外發(fā)送報(bào)文的時(shí)候不能指定網(wǎng)口，從而導(dǎo)致網(wǎng)關(guān)發(fā)送報(bào)文混亂。

2.5.3 解決方案

將智能網(wǎng)關(guān)網(wǎng)口1和網(wǎng)口2的IP地址設(shè)置為兩個(gè)網(wǎng)段。網(wǎng)段1（網(wǎng)口1）負(fù)責(zé)接收對(duì)時(shí)指令（對(duì)接時(shí)鐘源的NTP輸出口），網(wǎng)段2（網(wǎng)口2）負(fù)責(zé)對(duì)外授時(shí)指令（對(duì)接時(shí)鐘源的NTP測(cè)試口）。

3 結(jié) 論

配電智能網(wǎng)關(guān)作為一種新興事物，應(yīng)用前景可觀，但是在實(shí)際測(cè)試過(guò)程暴露出測(cè)量性能及通信功能上的不足。本文結(jié)合實(shí)際測(cè)試過(guò)程，介紹配電智能網(wǎng)關(guān)的主要測(cè)試項(xiàng)目及測(cè)試所用儀器設(shè)備，并對(duì)測(cè)試過(guò)程中常見(jiàn)的故障電流測(cè)量、溫度變化對(duì)測(cè)量的影響、無(wú)功功率計(jì)算、101規(guī)約通信以及對(duì)時(shí)問(wèn)題進(jìn)行歸納總結(jié)，分析問(wèn)題原因，并給出了相應(yīng)的解決方案，可為制造商快速查找問(wèn)題原因及進(jìn)一步提升產(chǎn)品質(zhì)量提供指導(dǎo)。