羅忠游 李東升 陳 龍

電壓監(jiān)測(cè)儀自動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)的研究與應(yīng)用

羅忠游1李東升2陳 龍1

（1. 國(guó)網(wǎng)新疆電力公司電力科學(xué)研究院，烏魯木齊 830011； 2. 北京博電新力電氣股份有限公司，北京 100176）

電壓合格率可以直接反映電能質(zhì)量的優(yōu)劣，是電力系統(tǒng)重要的生產(chǎn)管理考核指標(biāo)；電壓監(jiān)測(cè)儀能夠?qū)﹄娏ο到y(tǒng)正常運(yùn)行狀態(tài)緩慢變化所引起的電壓偏差進(jìn)行連續(xù)監(jiān)測(cè)和統(tǒng)計(jì)，實(shí)現(xiàn)電壓合格率的統(tǒng)計(jì)。本文介紹一種電壓監(jiān)測(cè)儀的全自動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)方案。該系統(tǒng)采用模塊化設(shè)計(jì)開發(fā)自動(dòng)測(cè)試軟件，運(yùn)用線性功率放大器技術(shù)研制電壓監(jiān)測(cè)儀標(biāo)準(zhǔn)源，實(shí)現(xiàn)基本測(cè)量誤差試驗(yàn)、整定電壓值誤差試驗(yàn)、綜合測(cè)量誤差試驗(yàn)、時(shí)鐘準(zhǔn)確度測(cè)試試驗(yàn)和影響量試驗(yàn)等多種測(cè)試功能，最終完成電壓監(jiān)測(cè)儀批量化和自動(dòng)化測(cè)試。實(shí)際應(yīng)用表明，該系統(tǒng)可將工作效率提高數(shù)十倍，解決了送檢效率低和送檢時(shí)間長(zhǎng)的問(wèn)題。

電壓監(jiān)測(cè)儀；自動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)；閉環(huán)測(cè)試；標(biāo)準(zhǔn)源

隨著敏感性用電設(shè)備的大量使用,電壓暫降已經(jīng)成為最重要的電能質(zhì)量問(wèn)題之一[1]，而電壓暫降與短時(shí)中斷已成為事件型電能質(zhì)量的首要問(wèn)題[1-2]，是導(dǎo)致供電電壓不合格的重要因素。電壓合格率作為電網(wǎng)安全、穩(wěn)定運(yùn)行評(píng)價(jià)的重要考核指標(biāo)，是電能質(zhì)量?jī)?yōu)劣的直接體現(xiàn)，而電壓監(jiān)測(cè)儀則是完成電壓合格率統(tǒng)計(jì)的重要工具。根據(jù)目前現(xiàn)場(chǎng)情況，電網(wǎng)中被安裝了大量的電壓監(jiān)測(cè)儀，平均每個(gè)市局大概就有幾千臺(tái)，如此數(shù)量龐大的電壓監(jiān)測(cè)儀日常校驗(yàn)也成為現(xiàn)場(chǎng)檢修人員工作的一項(xiàng)難題，但是現(xiàn)有的電壓監(jiān)測(cè)儀的檢定還停留在手工、逐臺(tái)測(cè)試的階段，檢測(cè)效率低下[1-2]。因此，迫切需要研究并開發(fā)能完成對(duì)多臺(tái)電壓監(jiān)測(cè)儀進(jìn)行批量測(cè)試的閉環(huán)測(cè)試系統(tǒng)，從而極大提高儀器測(cè)試的工作效率。

1 檢定系統(tǒng)組成及原理

1.1 檢定系統(tǒng)的組成

檢定系統(tǒng)由檢定用掛表架、日差校驗(yàn)儀、電壓監(jiān)測(cè)儀檢定標(biāo)準(zhǔn)源、被檢設(shè)備和檢定用上位機(jī)組成。各部分的功能如下：

1）檢定用掛表架。用于安裝多臺(tái)待檢的電壓監(jiān)測(cè)儀。

2）日差校驗(yàn)儀。用于電壓監(jiān)測(cè)儀的時(shí)鐘誤差檢定。

3）電壓監(jiān)測(cè)儀檢定標(biāo)準(zhǔn)源。用于輸出標(biāo)準(zhǔn)模擬量電壓信號(hào)，對(duì)電壓監(jiān)測(cè)儀的基本測(cè)量誤差[1-3]、整定電壓值誤差、綜合測(cè)量誤差進(jìn)行檢定。

4）被檢設(shè)備。24臺(tái)待檢電壓監(jiān)測(cè)儀。

5）檢定用上位機(jī)。裝有電壓監(jiān)測(cè)儀自動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)軟件的PC。

1.2 檢定系統(tǒng)的原理

檢定系統(tǒng)的基本原理是，PC上位機(jī)通過(guò)網(wǎng)線連接電壓監(jiān)測(cè)儀檢定標(biāo)準(zhǔn)源，通過(guò)串口線連接檢定用掛表架，掛表架通過(guò)串行總線連接各待檢定的電壓監(jiān)測(cè)儀通信端口、通過(guò)電壓總線連接電壓監(jiān)測(cè)儀的測(cè)量端口。電壓監(jiān)測(cè)儀自動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)程序控制電壓監(jiān)測(cè)儀檢定標(biāo)準(zhǔn)源輸出電壓信號(hào)到被測(cè)電壓監(jiān)測(cè)儀，電壓監(jiān)測(cè)儀根據(jù)測(cè)量到的信號(hào)值進(jìn)行計(jì)算，同時(shí)自動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)軟件通過(guò)通信接口自動(dòng)讀取被測(cè)電壓監(jiān)測(cè)儀的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，并與電壓監(jiān)測(cè)儀檢定標(biāo)準(zhǔn)源的數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比，自動(dòng)進(jìn)行誤差計(jì)算，自動(dòng)生成規(guī)定格式的測(cè)試報(bào)告。圖1為本自動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)的整體架構(gòu)圖。

2 自動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)

2.1 軟件系統(tǒng)整體功能設(shè)計(jì)

自動(dòng)測(cè)試軟件的主要功能是實(shí)現(xiàn)控制電壓監(jiān)測(cè)儀檢定標(biāo)準(zhǔn)源的輸出、讀取電壓監(jiān)測(cè)儀的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)以及對(duì)結(jié)果數(shù)據(jù)的對(duì)比處理等功能，所以在整體架構(gòu)上要滿足測(cè)試方案的錄入和編輯、測(cè)試過(guò)程的控制、測(cè)試結(jié)果的自動(dòng)讀取和計(jì)算、測(cè)試報(bào)告的自動(dòng)生成及測(cè)試數(shù)據(jù)的管理等功能。

2.2 軟件系統(tǒng)整體架構(gòu)

電壓監(jiān)測(cè)儀自動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)軟件安裝于測(cè)試終端（測(cè)試機(jī)或個(gè)人PC）內(nèi)。在本自動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)的軟件架構(gòu)上，采用模塊化和結(jié)構(gòu)分層的設(shè)計(jì)思想，軟件整體架構(gòu)如圖2所示，在層次結(jié)構(gòu)上分為測(cè)試方案開發(fā)層、自動(dòng)測(cè)試執(zhí)行層和電壓監(jiān)測(cè)儀控制程序?qū)印?/p>

測(cè)試方案開發(fā)層包括測(cè)試方案開發(fā)程序，測(cè)試方案開發(fā)程序?yàn)殡妷罕O(jiān)測(cè)儀測(cè)試方案的二次開發(fā)系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)根據(jù)電壓監(jiān)測(cè)儀的檢定規(guī)程和標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行二次開發(fā)，編輯測(cè)試方案。自動(dòng)測(cè)試執(zhí)行層包括自動(dòng)測(cè)試主程序和電壓監(jiān)測(cè)儀通信程序。電壓監(jiān)測(cè)儀控制程序?qū)蛹措妷罕O(jiān)測(cè)儀檢定標(biāo)準(zhǔn)源控制程序，開放標(biāo)準(zhǔn)軟件控制接口供自動(dòng)測(cè)試執(zhí)行層調(diào)用。

1）測(cè)試方案開發(fā)層

測(cè)試方案開發(fā)程序?yàn)槎伍_發(fā)系統(tǒng)，用戶根據(jù)電壓監(jiān)測(cè)儀的檢定規(guī)程以及檢定流程，編輯裝置測(cè)試方案，實(shí)現(xiàn)對(duì)測(cè)試項(xiàng)目的設(shè)計(jì)與選擇、各測(cè)試項(xiàng)目測(cè)試方法的編輯以及測(cè)試過(guò)程中用戶權(quán)限的管理等。測(cè)試方案編輯功能用于編輯測(cè)試需要的測(cè)試方案，實(shí)現(xiàn)對(duì)電壓監(jiān)測(cè)儀標(biāo)準(zhǔn)測(cè)試流程的編輯和管理，系統(tǒng)自動(dòng)保存每次所編輯的方案，便于日后測(cè)試使用的調(diào)用。權(quán)限管理模塊用于設(shè)置訪問(wèn)數(shù)據(jù)庫(kù)的權(quán)限，便于測(cè)試結(jié)果的安全管理。

2）自動(dòng)測(cè)試執(zhí)行層

自動(dòng)測(cè)試執(zhí)行層主要實(shí)現(xiàn)電壓監(jiān)測(cè)儀的自動(dòng)測(cè)試功能，主要包含自動(dòng)測(cè)試主程序和電壓監(jiān)測(cè)儀通信程序。

自動(dòng)測(cè)試主程序?yàn)樽詣?dòng)測(cè)試系統(tǒng)的核心程序，自動(dòng)測(cè)試主程序提供一個(gè)測(cè)試試驗(yàn)過(guò)程中人機(jī)對(duì)話的環(huán)境，實(shí)現(xiàn)對(duì)電壓監(jiān)測(cè)儀的自動(dòng)測(cè)試過(guò)程控制，實(shí)現(xiàn)測(cè)試過(guò)程中數(shù)據(jù)庫(kù)的管理、測(cè)試結(jié)果以及誤差的計(jì)算、測(cè)試報(bào)告的填寫等功能。測(cè)試人員通過(guò)自動(dòng)測(cè)試控制中心選擇滿足測(cè)試要求的測(cè)試方案，自動(dòng)測(cè)試主程序自動(dòng)執(zhí)行測(cè)試方案中的測(cè)試項(xiàng)目的測(cè)試，自動(dòng)將測(cè)試結(jié)果保存至標(biāo)準(zhǔn)的測(cè)試報(bào)告模塊中，自動(dòng)測(cè)試完成后輸出標(biāo)準(zhǔn)報(bào)告，標(biāo)準(zhǔn)報(bào)告包括Word、WPS、Excel、XML等格式的文檔報(bào)告。測(cè)試記錄文件記錄測(cè)試過(guò)程中的全部數(shù)據(jù)，包括測(cè)試項(xiàng)目的測(cè)試開始時(shí)間、測(cè)試人員、輸出的測(cè)試量、從待測(cè)裝置讀取的測(cè)量量，數(shù)據(jù)庫(kù)管理模塊實(shí)現(xiàn)對(duì)測(cè)試完成的數(shù)據(jù)文件的管理，方便日后測(cè)試數(shù)據(jù)的查找和查看，并且能夠跟蹤某臺(tái)電壓監(jiān)測(cè)儀測(cè)試結(jié)果的歷史趨勢(shì)。測(cè)試結(jié)果計(jì)算模塊實(shí)現(xiàn)被測(cè)電壓監(jiān)測(cè)儀的數(shù)據(jù)和電壓監(jiān)測(cè)儀檢定標(biāo)準(zhǔn)源輸出標(biāo)準(zhǔn)值的比對(duì)，自動(dòng)完成監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)誤差的計(jì)算。

電壓監(jiān)測(cè)儀通信程序?qū)崿F(xiàn)與電壓監(jiān)測(cè)儀進(jìn)行通信，并將測(cè)試數(shù)據(jù)上送回自動(dòng)測(cè)試主程序。上送的數(shù)據(jù)包括電壓監(jiān)測(cè)儀的各種數(shù)據(jù)集數(shù)據(jù)和錯(cuò)誤報(bào)告數(shù)據(jù)、告警報(bào)告數(shù)據(jù)等。

3）電壓監(jiān)測(cè)儀控制程序?qū)?/p>

為實(shí)現(xiàn)自動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)的通用化和智能化，系統(tǒng)本身必須具有良好的可擴(kuò)展性，需要開發(fā)設(shè)計(jì)控制程序?qū)?，即檢定裝置控制程序。檢定裝置控制程序通過(guò)標(biāo)準(zhǔn)軟件控制接口的方式開放全部測(cè)試功能服務(wù)，提供給自動(dòng)測(cè)試控制中心調(diào)用。檢定裝置控制程序?qū)崿F(xiàn)與電壓監(jiān)測(cè)儀檢定標(biāo)準(zhǔn)源通信，在試驗(yàn)時(shí)自動(dòng)測(cè)試主程序向檢定裝置控制程序下達(dá)通信命令和測(cè)試參數(shù)，收到參數(shù)后驅(qū)動(dòng)電壓監(jiān)測(cè)儀檢定標(biāo)準(zhǔn)源輸出設(shè)定激勵(lì)量，同時(shí)采集到測(cè)試結(jié)果后自動(dòng)發(fā)送給自動(dòng)測(cè)試主程序。檢定裝置控制程序使用Windows消息發(fā)送測(cè)試狀態(tài)的變化給自動(dòng)測(cè)試程序，包括連接標(biāo)準(zhǔn)源成功、開始測(cè)試、測(cè)試完成、測(cè)試異常等信息。

2.3 整體測(cè)試流程

圖3為整體檢測(cè)流程圖。首先選定檢測(cè)方案，然后可以手動(dòng)或自動(dòng)錄入檢測(cè)參數(shù)定值，根據(jù)被檢電壓監(jiān)測(cè)儀進(jìn)行通信參數(shù)的設(shè)置。所有參數(shù)設(shè)置完成后，系統(tǒng)即可開始進(jìn)行自動(dòng)測(cè)試。

圖3 整體檢測(cè)流程圖

2.4 整體測(cè)試項(xiàng)目

電壓監(jiān)測(cè)儀自動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)能夠完成電壓監(jiān)測(cè)儀的基本測(cè)量誤差試驗(yàn)、整定電壓值誤差試驗(yàn)、綜合測(cè)量誤差試驗(yàn)、時(shí)鐘準(zhǔn)確度測(cè)試及影響量（電壓、頻率、諧波）測(cè)試試驗(yàn)[1-4]。

3 電壓監(jiān)測(cè)儀檢定標(biāo)準(zhǔn)源的實(shí)現(xiàn)

3.1 電壓監(jiān)測(cè)儀檢定標(biāo)準(zhǔn)源的組成

電壓監(jiān)測(cè)儀檢定標(biāo)準(zhǔn)源由系統(tǒng)顯示模塊、信號(hào)產(chǎn)生模塊和信號(hào)放大輸出模塊幾部分組如圖4所示。

顯示模塊一般由高速數(shù)字處理器（DSP）、存儲(chǔ)器和液晶顯示器構(gòu)成，采用獨(dú)創(chuàng)的操作系統(tǒng)，可接標(biāo)準(zhǔn)鍵盤和鼠標(biāo)操作，響應(yīng)速度快，效率高；也可由嵌入式計(jì)算構(gòu)成，運(yùn)行Windows系統(tǒng)。信號(hào)產(chǎn)生模塊由DDS波形合成和復(fù)雜可編程邏輯陳列（CPLD）構(gòu)成。線性功率放大輸出模塊由線性功率放大器構(gòu)成[1-6]。

3.2 線性功率放大器原理架構(gòu)

線性功率放大器包括電源輸入隔離降壓模塊，功率直流電源和控制直流電源模塊，輸入信號(hào)源模塊，功率放大模塊。

裝置供電采用220V交流電壓，放大器需要的功率電源和控制電源以及信號(hào)源電源，采用變壓器隔離降壓獲得，以獲取質(zhì)量較為理想的直流電源。圖5為線性功率放大器工作流程示意圖。

3.3 線性功率放大器原理設(shè)計(jì)

通過(guò)上面對(duì)測(cè)試對(duì)象及需求的分析，先確定線性功率放大器的性能參數(shù)，放大器的輸出頻率范圍0～1kHz，輸出電壓380V，上升和下降時(shí)間不高于1.2ms。通過(guò)系統(tǒng)分析，開始進(jìn)行放大器的設(shè)計(jì)，首先設(shè)計(jì)放大器的輸入電源容量，放大器輸出380Vrms，1A，總功率為380W，輸出的電壓峰值為537V，由于功率管工作在放大區(qū)間，功率管上的電壓最低設(shè)計(jì)為4V，所以電源的容量應(yīng)不低于542V，1A。放大器的輸出特性參數(shù)見(jiàn)表1。

表1 放大器輸出特性參數(shù)

圖6為放大器電源的設(shè)計(jì)原理圖，市電通過(guò)變壓器隔離降壓，變?yōu)锳C 22V，再經(jīng)全波整流得到正負(fù)32V的直流電源，電解電容作濾波以及為輸出提供紋波電流。

接下來(lái)就是進(jìn)行線性功率放大器的設(shè)計(jì)，圖7是線性功率放大器的原理框圖。

輸入信號(hào)經(jīng)U1差分運(yùn)放處理，輸出給誤差放大器的反相端，U2將U1的輸出信號(hào)與反饋信號(hào)進(jìn)行誤差放大，U2的輸出端加上穩(wěn)壓電路的電壓，Q1、Q2的VGS變化然后輸出電流，電流經(jīng)過(guò)采樣電阻，返回信號(hào)給誤差放大器。穩(wěn)壓電路主要給Q1、Q2設(shè)置靜態(tài)工作點(diǎn)，防止放大器出現(xiàn)交越失真。

圖6 放大器的直流電源原理圖

經(jīng)過(guò)如上所述的電壓監(jiān)測(cè)儀檢定標(biāo)準(zhǔn)源的設(shè)計(jì)，標(biāo)準(zhǔn)源能夠輸出3相最大380V的電壓信號(hào)，單相的帶載能力能達(dá)到380VA，能夠作為工作電源同時(shí)對(duì)24臺(tái)電壓監(jiān)測(cè)儀進(jìn)行供電，并且在不外接其他電源的情況下，可以完成電源電壓影響量的試驗(yàn)。

4 系統(tǒng)應(yīng)用情況

電壓監(jiān)測(cè)儀自動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)于2017年在國(guó)網(wǎng)新疆電力公司電力科學(xué)研究院進(jìn)行了實(shí)際現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用，在應(yīng)用中實(shí)現(xiàn)了24臺(tái)電壓監(jiān)測(cè)儀的同時(shí)自動(dòng)檢測(cè)，并且針對(duì)于每臺(tái)電壓監(jiān)測(cè)儀同時(shí)自動(dòng)生成了測(cè)試報(bào)告。系統(tǒng)應(yīng)用表明：采用之前手動(dòng)測(cè)試的模式，單臺(tái)測(cè)試完所有測(cè)試項(xiàng)目的時(shí)間可達(dá)4h，24臺(tái)測(cè)試則需96h，采用本系統(tǒng)全自動(dòng)測(cè)試的方式后，24臺(tái)同時(shí)測(cè)試完所有測(cè)試項(xiàng)目?jī)H需2h，測(cè)試時(shí)間縮短了94h，測(cè)試效率提高了48倍。測(cè)試效率化分析見(jiàn)表2。

表2 測(cè)試效率化分析

此系統(tǒng)的應(yīng)用提高了測(cè)試效率，解決了送檢周期長(zhǎng)和測(cè)試效率低的問(wèn)題，為日后的周期檢定和入網(wǎng)檢測(cè)打下了良好的基礎(chǔ)。

5 結(jié)論

電壓監(jiān)測(cè)儀自動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)的研究與應(yīng)用，能夠按照《DL/T 500—2009 電壓監(jiān)測(cè)儀使用技術(shù)條件》等電力行業(yè)相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)的要求來(lái)完成對(duì)電壓監(jiān)測(cè)儀的全自動(dòng)檢定，整個(gè)測(cè)試過(guò)程無(wú)需過(guò)多的人工干預(yù)，解決了傳統(tǒng)檢測(cè)模式下測(cè)試工作繁瑣重復(fù)和對(duì)測(cè)試人員依賴性大等問(wèn)題，實(shí)現(xiàn)規(guī)范化、標(biāo)準(zhǔn)化和高效率化的閉環(huán)自動(dòng)檢測(cè)。本自動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)的推廣應(yīng)用，將能夠?qū)δ壳半妷簷z測(cè)儀的檢測(cè)效率帶來(lái)質(zhì)的 飛躍。

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Research and Application of Automatic Test System for Voltage Monitor

Luo Zhongyou1Li Dongsheng2Chen Long1

(1. State Grid Xinjiang Electric Power Research Institute, Urumqi 830011; 2. PONOVO Power Co., Ltd, Beijing 100098)

The voltage qualified rate can directly reflect the merits of power quality, which is an important production management evaluation index of the power system. The voltage monitor can continuously monitor and statistics the voltage deviation caused by the slow change of the normal operation state of the power system, and realize the statistics of the voltage qualified rate. In this paper, a kind of automatic test system of voltage monitor is introduced, which adopts modular design to develop automatic test software and uses the linear power amplifier technology to develop voltage monitor standard source. The system can achieve basic measurement error test, voltage setting error test, comprehensive measurement error test, clock accuracy test and influence quantity test etc., and ultimately complete batch and automatic test of voltage monitor. The practical application shows that the system can improve the working efficiency by several times, which solves the problem of low efficiency and long inspection time.

voltage monitor; automatic test system; closed-loop test; standard source

羅忠游（1976-），男，高級(jí)工程師，研究方向?yàn)殡娏ο到y(tǒng)分析與控制。