电压监测仪自动测试系统的研究与应用
2017第四届轨道交通供电系统技术大会
会议由中国电工技术学会主办，将于2017年11月28日在北京铁道大厦召开，研讨电工科技最新研究成果对轨道交通供电领域所带来的革新影响和应用前景，推进协同创新。浏览会议详情和在线报名参会请长按识别二维码。
国网新疆电力公司电力科学研究院、北京博电新力电气股份有限公司的研究人员罗忠游、李东升、陈龙，在2017年第8期《电气技术》杂志上撰文指出，电压合格率可以直接反映电能质量的优劣，是电力系统重要的生产管理考核指标；电压监测仪能够对电力系统正常运行状态缓慢变化所引起的电压偏差进行连续监测和统计，实现电压合格率的统计。
本文介绍一种电压监测仪的全自动测试系统的实现方案，该系统采用模块化设计开发自动测试软件，运用线性功率放大器技术研制电压监测仪标准源，实现基本测量误差试验、整定电压值误差试验、综合测量误差试验、时钟准确度测试试验和影响量试验等多种测试功能，最终完成电压监测仪批量化和自动化测试。实际应用表明，该系统可把工作效率提高数十倍，解决了送检效率低和送检时间长的问题。
随着敏感性用电设备的大量使用,电压暂降已经成为最重要的电能质量问题之一，电压暂降与短时中断已成为事件型电能质量的首要问题，是导致供电电压不合格的重要因素。电压合格率作为电网安全、稳定运行评价的重要考核指标，是电能质量优劣的直接体现，而电压监测仪则是完成电压合格率统计的重要工具。
根据目前现场情况，电网中安装了大量的电压监测仪，平均每个市局大概就有几千台，如此数量庞大的电压监测仪日常校验也成为现场检修人员工作的一项难题，但是现有的电压监测仪的检定还停留在手工、逐台测试的阶段，检测效率低下。因此，迫切需要研究开发能完成对多台电压监测仪进行批量测试的闭环测试系统，从而极大提高了仪器测试的工作效率。
1 检定系统组成及原理
1.1 检定系统的组成
检定系统由检定用挂表架、日差校验仪、电压监测仪检定标准源、被检设备和检定用上位机组成。
各部分的功能如下：检定用挂表架：用于安装多台待检的电压监测仪；日差校验仪：用于电压监测仪的时钟误差检定；电压监测仪检定标准源：用于输出标准模拟量电压信号，对电压监测仪的基本测量误差、整定电压值误差、综合测量误差进行检定；被检设备：24台待检电压监测仪；检定用上位机：装有电压监测仪自动测试系统软件的PC机。
1.2 检定系统的原理
检定系统的基本原理：PC上位机通过网线连接电压监测仪检定标准源，通过串口线连接检定用挂表架，挂表架通过串行总线连接各待检定的电压监测仪通讯端口、通过电压总线连接电压监测仪的测量端口。
电压监测仪自动测试系统程序控制电压监测仪检定标准源输出电压信号到被测电压监测仪，电压监测仪根据测量到的信号值进行计算，同时自动测试系统软件通过通讯接口自动读取被测电压监测仪的监测数据，并与电压监测仪检定标准源的数据进行对比，自动进行误差计算，自动生成规定格式的测试报告。图1为本自动测试系统的整体架构图。
图1 自动测试系统整体架构图
2 自动测试系统实现
2.1 软件系统整体功能设计
自动测试软件的主要功能是实现控制电压监测仪检定标准源的输出、读取电压监测仪的监测数据以及对结果数据的对比处理等功能，所以在整体架构上要满足测试方案的录入和编辑、测试过程的控制、测试结果的自动读取和计算、测试报告的自动生成及测试数据的管理等功能。
2.2 软件系统整体架构
电压监测仪自动测试系统软件安装于测试终端（测试机或个人PC机）内。在本自动测试系统的软件架构上，采用模块化和结构分层的设计思想，软件整体架构如图2所示，在层次结构上分为测试方案开发层、自动测试执行层和电压监测仪控制程序层。
图2 软件整体实现架构图
测试方案开发层包括测试方案开发程序，测试方案开发程序为电压监测仪测试方案的二次开发系统，实现根据电压监测仪的检定规程和标准进行二次开发，编辑测试方案；自动测试执行层包括自动测试主程序和电压监测仪通信程序；电压监测仪控制程序层即电压监测仪检定标准源控制程序，开放标准软件控制接口供自动测试执行层调用。
2.2.1测试方案开发层
测试方案开发程序为二次开发系统，用户根据电压监测仪的检定规程以及检定流程，编辑装置测试方案，实现对测试项目的设计与选择、各测试项目测试方法的编辑以及测试过程中用户权限的管理等。
测试方案编辑功能用于编辑测试需要的测试方案，实现对电压监测仪标准测试流程的编辑和管理，系统自动保存每次所编辑的方案，便于日后测试使用的调用；权限管理模块用于设置访问数据库的权限，便于测试结果的安全管理。
2.2.2自动测试执行层
自动测试执行层主要实现电压监测仪的自动测试功能，主要包含自动测试主程序和电压监测仪通信程序。
自动测试主程序为自动测试系统的核心程序，自动测试主程序提供一个测试试验过程中人机对话的环境，实现对电压监测仪的自动测试过程控制，实现测试过程中数据库的管理、测试结果以及误差的计算、测试报告的填写等功能。
测试人员通过自动测试控制中心选择满足测试要求的测试方案，自动测试主程序自动执行测试方案中的测试项目的测试，自动将测试结果保存至标准的测试报告模块中，自动测试完成后输出标准报告，标准报告包括WORD、WPS、EXCEL、XML等格式的文档报告。
测试记录文件记录测试过程中的全部数据，包括测试项目的测试开始时间、测试人员、输出的测试量、从待测装置读取的测量量，数据库管理模块实现对测试完成的数据文件的管理，方便日后测试数据的查找和查看，并且能够跟踪某台电压监测仪测试结果的历史趋势；测试结果计算模块实现被测电压监测仪的数据和电压监测仪检定标准源输出标准值的比对，自动完成监测数据误差的计算。
电压监测仪通信程序实现与电压监测仪进行通讯，并将测试数据上送回自动测试主程序。上送的数据包括电压监测仪的各种数据集数据和错误报告数据、告警报告数据等。
2.2.3 电压监测仪控制程序层
为实现自动测试系统的通用化和智能化，系统本身必须具有良好的可扩展性，需要开发设计控制程序层，即检定装置控制程序。检定装置控制程序通过标准软件控制接口的方式开放全部测试功能服务，提供给自动测试控制中心调用。
检定装置控制程序实现与电压监测仪检定标准源通讯，在试验时自动测试主程序向检定装置控制程序下达通讯命令和测试参数，收到参数后驱动电压监测仪检定标准源输出设定激励量，同时采集到测试结果后自动发送给自动测试主程序。
检定装置控制程序使用Windows消息发送测试状态的变化给自动测试程序，包括连接标准源成功、开始测试、测试完成、测试异常等信息。
2.3 整体测试流程
图3为整体检测流程图。首先选定检测方案，然后可以手动或自动录入检测参数定值，根据被检电压监测仪进行通讯参数的设置。所有参数设置完成后，系统即可开始进行自动测试。
2.4 整体测试项目
电压监测仪自动测试系统能够完成电压监测仪的基本测量误差试验、整定电压值误差试验、综合测量误差试验、时钟准确度测试及影响量（电压、频率、谐波）测试试验。
3 电压监测仪检定标准源的实现
3.1 电压监测仪检定标准源的组成
电压监测仪检定标准源由系统显示模块、信号产生模块和信号放大输出模块几部分组如图4所示。
图3 整体检测流程图
图4 电压监测仪检定标准源系统组成
显示模块一般由高速数字处理器（DSP）、存储器和液晶显示器构成，采用独创的操作系统，可接标准键盘和鼠标操作，响应速度快，效率高；也可由嵌入式计算构成，运行Windows系统。信号产生模块由DDS波形合成和复杂可编程逻辑陈列（CPLD）构成。线性功率放大输出模块由线性功率放大器构成。
3.2 线性功率放大器原理架构
线性功率放大器包括电源输入隔离降压模块，功率直流电源和控制直流电源模块，输入信号源模块，功率放大模块。装置供电采用220V交流电压，放大器需要的功率电源和控制电源以及信号源电源，采用变压器隔离降压获得，以获取质量较为理想的直流电源。图5为线性功率放大器工作流程示意图。
图5 放大器的工作流程示意图
3.3 线性功率放大器原理设计
通过上面对测试对象及需求的分析，先确定线性功率放大器的性能参数，放大器的输出频率范围0-1KHz，输出电压380V，上升和下降时间不高于1.2 uS。
通过系统分析，开始进行放大器的设计，首先设计放大器的输入电源容量，放大器输出380Vrms，1A，总功率为380W，输出的电压峰值为537V，由于功率管工作在放大区间，功率管上的电压最低设计为4V，所以电源的容量应不低于542V，1A。放大器的输出特性参数如表1。
表1 放大器输出特性参数
图6为放大器电源的设计原理图，市电通过变压器隔离降压，变为AC22V，再经全波整流得到正负32V的直流电源，电解电容作滤波以及为输出提供纹波电流。
接下来就是进行线性功率放大器的设计，图7是线性功率放大器的原理框图。
输入信号经U1差分运放处理，输出给误差放大器的反相端，U2将U1的输出信号与反馈信号进行误差放大，U2的输出端加上稳压电路的电压，Q1，Q2的VGS变化然后输出电流，电流经过采样电阻，返回信号给误差放大器。稳压电路主要给Q1，Q2设置静态工作点，防止放大器出现交越失真。
图6 放大器的直流电源原理图
图7 线性功率放大器的原理框图
经过如上所述的电压监测仪检定标准源的设计，标准源能够输出3相最大380V的电压信号，单相的带载能力能达到380VA，能够作为工作电源同时对24台电压监测仪进行供电，并且在不外接其他电源的情况下，可以完成电源电压影响量的试验。
4 系统应用情况
电压监测仪自动测试系统于2017年在国网新疆电力公司电力科学研究院进行了实际现场应用，在应用中实现了24台电压监测仪的同时自动检测，并且针对于每台电压监测仪同时自动生成了测试报告。
系统应用表明：采用之前手动测试的模式，单台测试完所有测试项目的时间可达4个小时，24台测试则需96个小时，采用本系统全自动测试的方式后，24台同时测试完所有测试项目仅需2小时，测试时间缩短了94个小时，测试效率提高了48倍。测试效率化分析如表2。
表2 测试效率化分析
此系统的应用大大提高了测试效率，解决了送检周期长和测试效率低的问题，为日后的周期检定和入网检测打下了良好的基础。
5 结束语
电压监测仪自动测试系统的研究与应用，能够按照《DL/T 500-2009 电压监测仪使用技术条件》等电力行业相关标准的要求来完成对电压监测仪的全自动检定，整个测试过程无需过多的人工干预，解决了传统检测模式下测试工作繁琐重复和对测试人员依赖性大等问题，实现规范化、标准化和高效率化的闭环自动检测。本自动测试系统的推广应用，将能够对目前电压检测仪的检测效率带来质的飞跃。