張 耀 齊曉輝

（1. 國(guó)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(shè)規(guī)模的不斷增大和敏感性負(fù)荷的增多，電能質(zhì)量問(wèn)題的重要性問(wèn)題已經(jīng)日漸凸顯[1]。對(duì)于各項(xiàng)電能質(zhì)量參數(shù)的嚴(yán)密監(jiān)測(cè)將有助于整個(gè)電力系統(tǒng)的平穩(wěn)、安全運(yùn)行。電能質(zhì)量參數(shù)已經(jīng)成為各級(jí)電力部門重要的考核標(biāo)準(zhǔn)，相關(guān)部門出臺(tái)了相關(guān)的檢測(cè)規(guī)范，最新的檢測(cè)規(guī)范為2017年出臺(tái)的 QGDW 1650.3—2017電能質(zhì)量監(jiān)測(cè)技術(shù)規(guī)范中第 4部分：電能質(zhì)量監(jiān)測(cè)終端檢驗(yàn)[2]。標(biāo)準(zhǔn)中詳細(xì)規(guī)定了電能質(zhì)量問(wèn)題的檢測(cè)要求。電能質(zhì)量檢測(cè)終端的存在就有了對(duì)電能質(zhì)量參數(shù)的監(jiān)測(cè)手段，其安全可靠的運(yùn)行更有助于提高對(duì)整個(gè)電力系統(tǒng)電能質(zhì)量參數(shù)的監(jiān)測(cè)水平，故電能質(zhì)量監(jiān)測(cè)終端的可靠性問(wèn)題就成為了電能質(zhì)量參數(shù)的重要問(wèn)題[3]。并且，現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際運(yùn)行的電能質(zhì)量監(jiān)測(cè)終端數(shù)量龐大，種類繁多。所以人工化的單臺(tái)手動(dòng)檢測(cè)已經(jīng)滿足不了目前的工作需要，市場(chǎng)中迫切需要一種電能質(zhì)量監(jiān)測(cè)終端的批量化、自動(dòng)測(cè)試手段來(lái)解決當(dāng)前存在的問(wèn)題。故電能質(zhì)量監(jiān)測(cè)終端自動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)在此背景下被研發(fā)出來(lái)，并投入市場(chǎng)應(yīng)用[4]。

1 系統(tǒng)組成及實(shí)現(xiàn)原理

1.1 系統(tǒng)的組成

該系統(tǒng)主要有上位機(jī)應(yīng)用、電能質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)源、被檢電能質(zhì)量監(jiān)測(cè)終端、組合式屏柜組成，各組成部分功能如下。

1）上位機(jī)應(yīng)用。安裝有上位機(jī)自動(dòng)測(cè)試軟件，可控制標(biāo)準(zhǔn)源的輸出并能通過(guò)網(wǎng)絡(luò)實(shí)時(shí)獲取多套電能質(zhì)量監(jiān)測(cè)終端的通信數(shù)據(jù)[5]，完成批量化、自動(dòng)測(cè)試。

2）電能質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)源。該標(biāo)準(zhǔn)源能模擬輸出各種復(fù)雜的電能質(zhì)量波形，模擬運(yùn)行中的電能質(zhì)量監(jiān)測(cè)終端的實(shí)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(duì)其進(jìn)行分析[7]，輸出精度高、帶載能力強(qiáng)，支持對(duì)時(shí)功能，能同時(shí)完成64通道的電能質(zhì)量監(jiān)測(cè)終端的測(cè)試。

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

4）組合式屏柜。電能質(zhì)量監(jiān)測(cè)終端的批量化檢測(cè)的基礎(chǔ)，支持多套電能質(zhì)量監(jiān)測(cè)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(cè)系統(tǒng)的運(yùn)行原理

檢測(cè)系統(tǒng)的運(yùn)行流程如下：所有設(shè)備在通信管理下組成局域網(wǎng)，裝有自動(dòng)測(cè)試軟件的上位機(jī)在測(cè)試模板下，按照具體測(cè)試項(xiàng)項(xiàng)目發(fā)送相應(yīng)控制字控制電能質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)源按照既定進(jìn)行輸出，電壓在所接多套被測(cè)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(jī)軟件通過(guò)局域網(wǎng)實(shí)時(shí)獲取多套電能質(zhì)量監(jiān)測(cè)終端輸出的通信數(shù)據(jù)并逐個(gè)解析，放在數(shù)據(jù)庫(kù)中等待程序調(diào)用。試驗(yàn)完成后可導(dǎo)出針對(duì)任何單臺(tái)裝置的規(guī)定測(cè)試報(bào)告。

自動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)原理圖如圖1所示。

圖1 自動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)原理圖

2 電能質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)源的實(shí)現(xiàn)

電能質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)源主要有控制模塊、隨機(jī)存儲(chǔ)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(hào)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(jī)存儲(chǔ)器RAM負(fù)責(zé)跟ARM和FPGA實(shí)時(shí)通信。信號(hào)處理速度快，效率高，可靠性好。

圖2 電能質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)源實(shí)現(xiàn)原理

2.2 模數(shù)轉(zhuǎn)換部分的原理實(shí)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(jiǎn)單原理示意圖如圖3所示：Vref為基準(zhǔn)電壓，由外圍芯片提供，根據(jù) D/A輸出Vo范圍進(jìn)行選擇，Vo的輸出范圍為±10V，故 Vref選擇10V。

圖3 D/A原理實(shí)現(xiàn)示意圖

2.3 功率放大器的實(shí)現(xiàn)原理

功率放大器為線性功率放大器按照信號(hào)發(fā)生器的信號(hào)作相應(yīng)對(duì)策變化輸出。

該放大器供電電源采用AC 220V進(jìn)行供電，配置專用的隔離變壓器以獲取電路中需要的相應(yīng)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(shí)現(xiàn)示意圖

該線性功率放大器電路主要由放大器、MOS場(chǎng)效應(yīng)管、電源、電阻等組成，分為供電電源部分、輸入信號(hào)部分和功率放大部分。

Vin為模擬小信號(hào)輸入端，Rin為輸入電阻。模擬小信號(hào)經(jīng)過(guò)放大器的放大之后通過(guò)電阻Rf的作用和MOS場(chǎng)效應(yīng)管，輸出需要放大倍數(shù)的信號(hào)，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(dá)到滿足要求的電能質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)源，線性功率放大器的特性見(jiàn)表1。

表1 放大器輸出特性參數(shù)

經(jīng)過(guò)如上所述的電能質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)源的設(shè)計(jì)[10]，電能質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)源能夠輸出4相最大480V的電壓信號(hào)，4相最大10A的電流信號(hào)，輸出單相的帶載能力能達(dá)到50VA，能夠同時(shí)對(duì)8臺(tái)6（48通道）通道電能質(zhì)量監(jiān)測(cè)終端所有通道進(jìn)行同時(shí)測(cè)試。

3 自動(dòng)測(cè)試軟件的實(shí)現(xiàn)

經(jīng)過(guò)必要的設(shè)置進(jìn)入自動(dòng)測(cè)試程序后，點(diǎn)擊工具欄“開(kāi)始測(cè)試”按鈕，系統(tǒng)將自動(dòng)控制源輸出測(cè)試量、自動(dòng)讀取被測(cè)裝置測(cè)量值、事件報(bào)文、自動(dòng)進(jìn)行數(shù)據(jù)修約處理、自動(dòng)進(jìn)行結(jié)果判斷、自動(dòng)完成整個(gè)裝置的測(cè)試[11]，自動(dòng)測(cè)試軟件的自動(dòng)測(cè)試流程如圖5所示。

圖5 自動(dòng)測(cè)試軟件流程

3.1 自動(dòng)測(cè)試軟件的特點(diǎn)

1）批量測(cè)量技術(shù)。支持多裝置多通道同時(shí)測(cè)試、針對(duì)每臺(tái)終端每個(gè)通道生成一份報(bào)告，并且自動(dòng)為每份報(bào)告生成一個(gè)惟一的報(bào)告編號(hào)，并自動(dòng)填寫到報(bào)告中。經(jīng)過(guò)多次測(cè)試實(shí)踐，測(cè)試平臺(tái)每次可同時(shí)測(cè)試30個(gè)通道，每次測(cè)試大約需要4.5h，測(cè)試效率的提高的程度是顯而易見(jiàn)的。

2）二維碼應(yīng)用技術(shù)。通過(guò)二維碼掃描方式錄入測(cè)試儀信息和被測(cè)裝置信息，并自動(dòng)填入報(bào)告中（它的作用是：①人工手動(dòng)填寫的一些信息全部自動(dòng)化填寫，減少測(cè)試填寫報(bào)告時(shí)間，提高工作效率；②建立終端有了二維碼的標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范；③對(duì)所有的終端統(tǒng)籌管理。

3）外部模塊調(diào)用標(biāo)準(zhǔn)化接口技術(shù)。建立了外部模塊調(diào)用接口標(biāo)準(zhǔn)，能夠與多類設(shè)備進(jìn)行通信，目前平臺(tái)接入了環(huán)境監(jiān)測(cè)儀，實(shí)現(xiàn)溫濕度信息讀取并自動(dòng)填入報(bào)告，軟件加密狗接入，既能獲取測(cè)試用戶信息以及測(cè)試開(kāi)始時(shí)間、結(jié)束時(shí)間和總測(cè)試時(shí)間并自動(dòng)填寫到報(bào)告中，還能對(duì)測(cè)試軟件進(jìn)行加密（僅能測(cè)試人員進(jìn)行操作）；后續(xù)可接入數(shù)碼相機(jī)實(shí)現(xiàn)被測(cè)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(cè)數(shù)據(jù)庫(kù)，便于隨時(shí)調(diào)用查找，原始數(shù)據(jù)無(wú)法修改的，從而保證了測(cè)試數(shù)據(jù)的真實(shí)性，對(duì)測(cè)試報(bào)告的溯源起著關(guān)鍵性作用。

5）平臺(tái)化的軟件架構(gòu)技術(shù)。二次開(kāi)發(fā)平臺(tái)實(shí)現(xiàn)裝置測(cè)試方案的開(kāi)發(fā)；規(guī)約平臺(tái)實(shí)現(xiàn)各種通信規(guī)約[12]；標(biāo)準(zhǔn)化的接口規(guī)范，能夠兼容各廠家標(biāo)準(zhǔn)源（后續(xù)可同時(shí)控制多廠家標(biāo)準(zhǔn)源同時(shí)輸出）；自動(dòng)測(cè)試平臺(tái)實(shí)現(xiàn)自動(dòng)測(cè)試。

6）自動(dòng)數(shù)據(jù)修約功能。測(cè)試平臺(tái)能夠自動(dòng)進(jìn)行數(shù)據(jù)修約處理。并且修約的方式與數(shù)據(jù)修約標(biāo)準(zhǔn)保持一致。

3.2 自動(dòng)測(cè)試軟件的檢測(cè)流程

使用檢測(cè)平臺(tái)進(jìn)行檢測(cè)，其檢測(cè)流程可以分為以下5個(gè)步驟：

1）設(shè)備接線、開(kāi)機(jī)自檢、預(yù)檢。

2）打開(kāi)模型測(cè)試程序，讀取被檢測(cè)裝置MMS設(shè)備數(shù)據(jù)模型，檢查模型是否滿足規(guī)范。

3）打開(kāi)測(cè)試管理主界面程序，選擇裝置測(cè)試方案、通信規(guī)約的類型；掃描被測(cè)裝置以及檢測(cè)設(shè)備的二維碼，建立測(cè)試任務(wù)，點(diǎn)擊功能測(cè)試。

4）在自動(dòng)測(cè)試程序工具欄點(diǎn)擊“開(kāi)始測(cè)試”按鈕；開(kāi)始自動(dòng)測(cè)試。

5）系統(tǒng)自動(dòng)完成整裝置的測(cè)試，自動(dòng)判斷測(cè)試結(jié)果是否合格，自動(dòng)形成標(biāo)準(zhǔn)格式的測(cè)試報(bào)告；自動(dòng)完成的測(cè)試項(xiàng)目包括：準(zhǔn)確度測(cè)試、電壓事件測(cè)試、閃變測(cè)試、PQDIF文件測(cè)試等。

測(cè)試過(guò)程中如果出現(xiàn)不合格項(xiàng)目，系統(tǒng)會(huì)議醒目的顏色顯示并播放提示音樂(lè)進(jìn)行提示。

自動(dòng)測(cè)試流程如圖6所示。

圖6 自動(dòng)測(cè)試流程圖

4 系統(tǒng)的應(yīng)用

電能質(zhì)量監(jiān)測(cè)終端自動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)自 2015年投入市場(chǎng)以來(lái)，以后陸續(xù)在新疆、湖北、四川、冀北等幾個(gè)電科院進(jìn)行了應(yīng)用，均實(shí)現(xiàn)了多套、多廠家電能質(zhì)量檢測(cè)終端的同時(shí)測(cè)試，并能出具針對(duì)任何一個(gè)通道的測(cè)試報(bào)告，省時(shí)省力，大大地提高了工作效率，這是傳統(tǒng)的手動(dòng)測(cè)試絕對(duì)不能實(shí)現(xiàn)的[13]。經(jīng)過(guò)大量的現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)得知，按照之前的傳統(tǒng)手動(dòng)測(cè)試方法若要完成單套的全部測(cè)試項(xiàng)目需用時(shí)至少4h，而且全程需多人干預(yù)，而使用這套自動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)進(jìn)行多套終端的同時(shí)測(cè)試，折合到單通道所需時(shí)間為5min，極大地提高了測(cè)試效率，且為全自動(dòng)測(cè)試，人工干預(yù)極少，可以解放出大量勞動(dòng)力。統(tǒng)計(jì)結(jié)果見(jiàn)表2。

表2 工作效率統(tǒng)計(jì)結(jié)果

5 結(jié)論

電能質(zhì)量監(jiān)測(cè)終端自動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)是完全按照《Q/GDW 1650.4—2017電能質(zhì)量監(jiān)測(cè)技術(shù)規(guī)范第4部分：電能質(zhì)量監(jiān)測(cè)終端檢驗(yàn)》及行業(yè)相關(guān)檢測(cè)標(biāo)準(zhǔn)研發(fā)的針對(duì)電能質(zhì)量監(jiān)測(cè)終端自動(dòng)測(cè)試平臺(tái)，該平臺(tái)可帶載能力強(qiáng)，可批量化完成電能質(zhì)量監(jiān)測(cè)終端的測(cè)試，只需在測(cè)試前做好簡(jiǎn)單的準(zhǔn)備工作，且測(cè)試過(guò)程中幾乎無(wú)需人工干預(yù)，顯著的提高了工作效率。該平臺(tái)測(cè)試流程標(biāo)準(zhǔn)化、自動(dòng)化、高效化，并具有開(kāi)放性。該平臺(tái)的廣泛應(yīng)用將有助于電能質(zhì)量監(jiān)測(cè)終端檢測(cè)等相關(guān)技術(shù)的發(fā)展。

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