配電智能網關測試中常見問題分析及解決方案

李 嘉，陳新美

（許昌開普檢測研究院股份有限公司，河南 許昌 461000）

0 引 言

配電智能網關是配電自動化遠方終端與智能網關的融合體。它采用邊緣計算架構、多容器以及云邊協同等關鍵技術，是一種集供電信息采集、設備狀態監測、在線安全分析以及云端互動于一體的新興二次設備。其適用于城市、農村以及企業電網的配電自動化實施與改造，廣泛應用于AC 400 V用戶終端。從結構上看，它可分為采集單元和智能網關兩部分。采集單元可以測量監視配電設備的各種運行參數，將處理后的電量信息和開關量信息通過CAN總線與網關結構交互，并上送至主站。智能網關具有豐富的硬件接口，不僅支持加密、記錄、對時、即插即用以及主站通信等基本功能，還支持容器化、柔性負荷控制、云邊協同交互、就地經濟運行決策、標準化建模以及低壓拓撲分析設計等高級應用功能。

配電智能網關可以同時實現配電自動化遠方終端與智能網關的作用，大幅減少現場接線和安裝空間，具有廣泛的應用前景。由于配電智能網關是新興融合體產品，尚無專有標準進行引導，加之其設計制造技術有待提高，在測試中經常暴露出測量性能和通信功能的質量問題。這些問題嚴重制約了配電智能網關在掛網運行時不能充分發揮作用，因此將重點探討測試工作中發生的問題、問題原因以及解決文案。

1 主要測試項目和儀器設備

配電智能網關的測試系統結構如圖1所示。主要測試項目包括電氣量準確度測試、各種影響量測試、基本功能測試（規約支持功能、對時功能、高級應用功能）、絕緣性能測試以及機械性能測試[1]。使用繼電保護測試儀和高低溫濕熱箱測量電氣量準確度和各種影響量，使用模擬主站、電度表以及傳感器測試規約支持功能和高級應用功能，使用時鐘源實現對時功能測試，使用安規測試儀測試絕緣性能，使用電動振動臺系統測試機械性能。

圖1 測試系統結構圖

2 常見問題分析與解決方案

2.1 故障電流測量準確度超差

2.1.1 現象描述

配電智能網關掛網運行時，交流工頻電流輸入標稱值為1 A或5 A。對于額定電流及其以下值的測量準確度不得低于1%，而故障電流的輸入范圍推薦值為20倍標稱值，非推薦值為10倍標稱值，測量準確度不得低于5%。由于從電流標稱值到故障電流值跨度很大，通常導致配電智能網關標稱電流值的測量準確度不能滿足要求，因此故障電流值的測量準確度超差。

2.1.2 問題分析

圖2為某制造商產品改進前電流采樣電路。其中，R1為電流采樣電阻。電路采用2級運放進行信號處理，第1級運放為1:1差分運放，用于消除共模干擾和增大輸入阻抗[2]。第2級運放為加法器，引入DC 1.5 V參考電壓。交流信號增加1.5 V的直流量后變為直流信號，該直流信號送入AD芯片通道1進行采集。AD芯片采樣范圍為0～3.3 V，采集完成后通過軟件減去增加的1.5 V直流信號變為實際采集的交流信號。

電流互感器變比為5 A/2 mA，電阻R1為500 Ω。當輸入額定電流5 A時，后端采樣電阻兩端的電壓為1 V，板內AD芯片能夠正常檢測。當輸入故障電流50 A（10倍標稱值）時，后端采樣電阻兩端的電壓變為10 V，超過AD芯片的測量量程，導致AD芯片無法正常檢測。

圖2 改進前電流采樣電路

2.1.3 解決方案

圖3為改進后電流測量回路。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采集R1和R10兩端的電壓，默認測量值使用AD芯片通道1的采樣值。分析測量值大于1.2倍標稱值后，自動切換至AD芯片通道2的采樣值。當輸入故障電流為10倍標稱電流值即50 A時，互感器次邊的電流為20 mA，R10兩端的電壓為1.2 V。R10兩端的交流信號經過由D1、D2、D3、D4這4個肖特基二極管組成的整流電路變為直流信號進入AD芯片通道2。軟件計算過程中，加入由于整流回路管壓降帶來的誤差。由于故障電流檢測回路的精度要求比較低（±5%），故此電路可應用于故障電流檢測。

2.2 非正弦電路無功功率算法錯誤

2.2.1 現象描述

測試波形畸變對無功功率的影響時，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，因此諧波無功功率的理論值應為0，而測試結果發現配電智能網關計算的諧波無功功率遠大于0。

圖3 改進后電流采樣電路

2.2.2 問題分析

多數制造商認為，在正弦及非正弦周期電路下，無功功率Q的計算均滿足式（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的計算，再使用式（2）計算視在功率S，最后套用式（1）進行Q的計算，從而導致Q計算錯誤。

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

2.2.3 解決方案

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

2.3 環境溫度變化時電流測量準確度超差

2.3.1 現象描述

在測試基準條件下，配電智能網關的電流測量準確度一般都可以滿足制造商的聲稱要求，但是在其極限運行溫度時，電流測量準確度的變差可能經常超出制造商聲稱值。變差的計算方法為：

2.3.2 問題分析

基準條件下，電流采樣準確度滿足聲稱值要求說明采樣回路的設計原理沒有錯誤，因此極限溫度下采樣準確度超差是采樣回路某個器件受溫度影響較大所致。將智能網關放置于極限溫度下且溫度達到穩定后，測量電流采樣回路各個環節，發現輸入信號與常溫相比時變化極小，在采樣信號進入AD芯片前變化較大。進一步分析發現是圖2中1.5 V基準電壓生成回路電阻的電阻溫度系數（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致基準電壓不再為1.5 V，從而造成變差超差的現象。

2.3.3 解決方案

基準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規約通信報文異常

2.4.1 現象描述

配電智能網關作為101從站與模擬主站進行通信，傳輸方式采用平衡方式。對配電智能網關進行101規約功能測試時，發現方向位報錯，FCB位（幀計數位）異常。

2.4.2 問題分析

抓取兩幀固定幀報文，其中主站鏈路請求報文為“10 49 01 00 4A 16”，子站鏈路請求響應報文為“10 0B 01 00 0C 16”。

對兩幀報文的控制域進行解析，結果如下：

主站：49H→0100 1001

子站：0B H→0000 1011

解析報文后不難發現，主站的下行報文與子站的上行報文中DIR（傳輸方向位，D7位）均為0。實際應用中雖然可以通過協商，確定DIR位為0時表示“主站發出的下行報文”或是“子站發出的上行報文”，但是DIR一定要有0和1的區分[5]。

抓取復位遠方鏈路后的啟動站報文如下：

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

對報文控制域進行解析結果如下：

53H→0101 0011

從解析報文中可以看到，復位遠方鏈路后，配電智能網關作為啟動站發出第一幀報文的FCB（幀計數位，D5位）=0，FCV（幀計數有效位，D4位）=1。根據標準要求，復位遠方鏈路后啟動站發送的下一幀（除去請求鏈路狀態、復位遠方鏈路）都要置FCB=1、FCV=1，因此報FCB異常。

2.4.3 解決方案

一方面修改程序響應機制，子站發送上行報文時方向位為1，另一方面復位遠方鏈路后啟動站第一幀的FCB改為1。

2.5 NTP對時精度超差

2.5.1 現象描述

使用時鐘源的NTP輸出口向配電智能網關的網口1發送對時報文，在保證持續對時的條件下，使用時鐘源的NTP測試口接收配電智能網關網口2發送的授時報文。以此方式進行對時精度測試，測試結果發現，對時精度超過制造商聲稱值2 ms。

2.5.2 問題分析

檢查發現，配電智能網關網口1和網口2的IP地址被設置為同一網段。由于網關自身不能確定網口1和網口2對接時鐘源的功能接口，且對外發送報文的時候不能指定網口，從而導致網關發送報文混亂。

2.5.3 解決方案

將智能網關網口1和網口2的IP地址設置為兩個網段。網段1（網口1）負責接收對時指令（對接時鐘源的NTP輸出口），網段2（網口2）負責對外授時指令（對接時鐘源的NTP測試口）。

3 結 論

配電智能網關作為一種新興事物，應用前景可觀，但是在實際測試過程暴露出測量性能及通信功能上的不足。本文結合實際測試過程，介紹配電智能網關的主要測試項目及測試所用儀器設備，并對測試過程中常見的故障電流測量、溫度變化對測量的影響、無功功率計算、101規約通信以及對時問題進行歸納總結，分析問題原因，并給出了相應的解決方案，可為制造商快速查找問題原因及進一步提升產品質量提供指導。