電能質量監測終端自動測試系統的技術和應用

張 耀 齊曉輝

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

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

1 系統組成及實現原理

1.1 系統的組成

該系統主要有上位機應用、電能質量標準源、被檢電能質量監測終端、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絡實時獲取多套電能質量監測終端的通信數據[5]，完成批量化、自動測試。

2）電能質量標準源。該標準源能模擬輸出各種復雜的電能質量波形，模擬運行中的電能質量監測終端的實際數據情況，包括發電、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通道的電能質量監測終端的測試。

3）被檢電能質量監測終端。具備電能質量參數監測裝置。

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

1.2 檢測系統的運行原理

檢測系統的運行流程如下：所有設備在通信管理下組成局域網，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送相應控制字控制電能質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連接，電流在所接多套裝置上串聯連接[8]，上位機軟件通過局域網實時獲取多套電能質量監測終端輸出的通信數據并逐個解析，放在數據庫中等待程序調用。試驗完成后可導出針對任何單臺裝置的規定測試報告。

自動測試系統原理圖如圖1所示。

圖1 自動測試系統原理圖

2 電能質量標準源的實現

電能質量標準源主要有控制模塊、隨機存儲器RAM、模數轉化部分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，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 電能質量標準源實現原理

2.2 模數轉換部分的原理實現

數模轉換部分DA采用18位DA芯片，轉換精度高、穩定性好，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 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原理實現示意圖

2.3 功率放大器的實現原理

功率放大器為線性功率放大器按照信號發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

經過如上所述的電能質量標準源的設計[10]，電能質量標準源能夠輸出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）通道電能質量監測終端所有通道進行同時測試。

3 自動測試軟件的實現

經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、自動進行數據修約處理、自動進行結果判斷、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。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。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范；③對所有的終端統籌管理。

3）外部模塊調用標準化接口技術。建立了外部模塊調用接口標準，能夠與多類設備進行通信，目前平臺接入了環境監測儀，實現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）；后續可接入數碼相機實現被測裝置照片的錄入。

4）原始數據溯源技術。原始記錄保存于我院電能質量檢測數據庫，便于隨時調用查找，原始數據無法修改的，從而保證了測試數據的真實性，對測試報告的溯源起著關鍵性作用。

5）平臺化的軟件架構技術。二次開發平臺實現裝置測試方案的開發；規約平臺實現各種通信規約[12]；標準化的接口規范，能夠兼容各廠家標準源（后續可同時控制多廠家標準源同時輸出）；自動測試平臺實現自動測試。

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

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設備數據模型，檢查模型是否滿足規范。

3）打開測試管理主界面程序，選擇裝置測試方案、通信規約的類型；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）系統自動完成整裝置的測試，自動判斷測試結果是否合格，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不合格項目，系統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 系統的應用

電能質量監測終端自動測試系統自 2015年投入市場以來，以后陸續在新疆、湖北、四川、冀北等幾個電科院進行了應用，均實現了多套、多廠家電能質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，這是傳統的手動測試絕對不能實現的[13]。經過大量的現場測試數據進行統計得知，按照之前的傳統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。統計結果見表2。

表2 工作效率統計結果

5 結論

電能質量監測終端自動測試系統是完全按照《Q/GDW 1650.4—2017電能質量監測技術規范第4部分：電能質量監測終端檢驗》及行業相關檢測標準研發的針對電能質量監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量監測終端的測試，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量監測終端檢測等相關技術的發展。

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