电能质量监测终端自动测试系统的技术和应用
★中国电工技术学会出品★
致力于产业界与学术界融合创新的品牌会议
参会注册，请戳下面标题 ☟
了解大会征文详情，请戳下面标题 ☟
国网哈密供电公司、北京博电新力电气股份有限公司的研究人员张耀、齐晓辉，在2018年第3期《电气技术》杂志上撰文指出，电力系统中敏感负荷的增多会使供电电能波形偏离对称正弦，由此便产生了严重的电能质量问题。
本文针对电力系统电能质量问题，采取了电能质量标准源配合自动测试软件组成电能质量监测终端自动测试系统的技术，对电能质量监测终端的各项电能质量参数进行全闭环自动测试，试验结果表明该系统完全满足电能质量监测终端检测标准规定的检测要求，又提高了检测效率，解决了由于送检带来的各种实际问题。
随着电力系统建设规模的不断增大和敏感性负荷的增多，电能质量问题的重要性问题已经日渐凸显。对于各项电能质量参数的严密监测将有助于整个电力系统的平稳、安全运行。
电能质量参数已经成为各级电力部门重要的考核标准，相关部门出台了相关的检测规范，最新的检测规范为2017年出台的QGDW-1650.3-2017电能质量监测技术规范第4部分：电能质量监测终端检验。
标准中详细规定了电能质量问题的检测要求。电能质量检测终端的存在就有了对电能质量参数的监测手段，其安全可靠的运行更有助于提高对整个电力系统电能质量参数的监测水平，故电能质量监测终端的可靠性问题就成为了电能质量参数的重要问题。
并且，现场实际运行的电能质量监测终端数量庞大，种类繁多。所以人工化的单台手动检测已经满足不了目前的工作需要，市场中迫切需要一种电能质量监测终端的批量化、自动测试手段来解决当前存在的问题。故电能质量监测终端自动测试系统在此背景下被研发出来，并投入市场应用。
1系统组成及实现原理
1.1系统的组成
该系统主要有上位机应用、电能质量标准源、被检电能质量监测终端、组合式屏柜组成，各组成部分功能如下：
上位机应用：安装有上位机自动测试软件，可控制标准源的输出并能通过网络实时获取多套电能质量监测终端的通讯数据，完成批量化、自动测试。
电能质量标准源：该标准源能模拟输出各种复杂的电能质量波形，模拟运行中的电能质量监测终端的实际数据情况，包括发电、变电、输电和配电等部分，并对其进行分析，输出精度高、带载能力强，支持对时功能，能同时完成64通道的电能质量监测终端的测试。
被检电能质量监测终端：具备电能质量参数监测装置。
组合式屏柜：电能质量监测终端的批量化检测的基础，支持多套电能质量监测终端的接线，内置通讯管理、交流电源、装置投切功能。
1.2 检测系统的运行原理
检测系统的运行流程如下：所有设备在通讯管理下组成局域网，装有自动测试软件的上位机在测试模板下，按照具体测试项项目发送相应控制字控制电能质量标准源按照既定进行输出，电压在所接多套被测装置上并联连接，电流在所接多套装置上串联连接，上位机软件通过局域网实时获取多套电能质量监测终端输出的通讯数据并逐个解析，放在数据库中等待程序调用。
试验完成后可导出针对任何单台装置的规定测试报告。
自动测试系统原理图如图1所示：
图1 自动测试系统原理图
2 电能质量标准源的实现
电能质量标准源主要有控制模块、随机存储器RAM、模数转化部分DA、功率放大器PA等几部分组成，如图2所示
图2 电能质量标准源实现原理
2.1控制模块
控制模块采用高速数字信号处理器ARM+FPGA的控制形式【9】，ARM采用专门定制的Linux操作系统，随机存储器RAM负责跟ARM和FPGA实时通信。信号处理速度快，效率高，可靠性好。
2.2 模数转换部分的原理实现
数模转换部分DA采用18位DA芯片，转换精度高、稳定性好，其简单原理示意图如图3所示：Vref为基准电压，由外围芯片提供，根据D/A输出Vo范围进行选择，Vo的输出范围为±10V，故Vref选择10V。
图3 D/A原理实现示意图
2.3 功率放大器的实现原理
功率放大器为线性功率放大器按照信号发生器的信号作相应对策变化输出。该放大器供电电源采用AC220V进行供电，配置专用的隔离变压器以获取电路中需要的相应的稳定的直流电压源。图4为线性功率放大器原理示意图。
图4 放大器的原理实现示意图
该线性功率放大器电路主要由放大器、MOS场效应管、电源、电阻等组成，分为供电电源部分、输入信号部分和功率放大部分。
Vin为模拟小信号输入端，Rin为输入电阻。模拟小信号经过放大器的放大之后通过电阻Rf的作用和MOS场效应管，输出需要放大倍数的信号，完成功率放大的作用。Vout为输出端子，得到功率增益、带宽、失真度完全满足要求的功率。为了达到满足要求的电能质量标准源，线性功率放大器的特性如下表所示：
表1 放大器输出特性参数
经过如上所述的电能质量标准源的设计，电能质量标准源能够输出4相最大480V的电压信号，4相最大10A的电流信号，输出单相的带载能力能达到50VA，能够同时对8台6（48通道）通道电能质量监测终端所有通道进行同时测试。
3 自动测试软件的实现
经过必要的设置进入自动测试程序后，点击工具栏“开始测试”按钮，系统将自动控制源输出测试量、自动读取被测装置测量值、事件报文、自动进行数据修约处理、自动进行结果判断、自动完成整个装置的测试，自动测试软件的自动测试流程如图5所示：
图5 自动测试软件流程
3.1自动测试软件的特点
批量测量技术：支持多装置多通道同时测试、针对每台终端每个通道生成一份报告，并且自动为每份报告生成一个唯一的报告编号，并自动填写到报告中。经过多次测试实践，测试平台每次可同时测试30个通道，每次测试大约需要4个半小时，测试效率的提高的程度是显而易见的。
二维码应用技术：通过二维码扫描方式录入测试仪信息和被测装置信息,并自动填入报告中（它的作用是1、人工手动填写的一些信息全部自动化填写，减少测试填写报告时间，提高工作效率；2、建立终端有了二维码的标准规范，3、对所有的终端统筹管理。
外部模块调用标准化接口技术：建立了外部模块调用接口标准，能够与多类设备进行通讯，目前平台接入了环境监测仪，实现温湿度信息读取并自动填入报告，软件加密狗接入，既能获取测试用户信息以及测试开始时间、结束时间和总测试时间并自动填写到报告中，还能对测试软件进行加密（仅能测试人员进行操作）；后续可接入数码相机实现被测装置照片的录入。
原始数据溯源技术：原始记录保存于我院电能质量检测数据库，便于随时调用查找，原始数据无法修改的，从而保证了测试数据的真实性，对测试报告的溯源起着关键性作用
平台化的软件架构技术：二次开发平台实现装置测试方案的开发；规约平台实现各种通讯规约；标准化的接口规范，能够兼容各厂家标准源（后续可同时控制多厂家标准源同时输出）；自动测试平台实现自动测试。
自动数据修约功能；测试平台能够自动进行数据修约处理。并且修约的方式与数据修约标准保持一致。
3.2 自动测试软件的检测流程
使用检测平台进行检测，其检测流程可以分为以下五个步骤：
第一步：设备接线、开机自检、预检
第二步：打开模型测试程序，读取被检测装置MMS设备数据模型，检查模型是否满足规范
第三步：打开测试管理主界面程序，选择装置测试方案、通讯规约的类型；扫描被测装置以及检测设备的二维码，建立测试任务，点击功能测试
第四步：在自动测试程序工具栏点击“开始测试”按钮；开始自动测试
第五步：系统自动完成整装置的测试，自动判断测试结果是否合格，自动形成标准格式的测试报告；自动完成的测试项目包括：准确度测试、电压事件测试、闪变测试、PQDIF文件测试等
测试过程中如果出现不合格项目，系统会议醒目的颜色显示并播放提示音乐进行提示。
自动测试流程如图6所示：
图6 自动测试流程图
4 系统的应用
电能质量监测终端自动测试系统自2015投入市场以来，以后陆续在新疆、湖北、四川、冀北等几个电科院进行了应用，均实现了多套、多厂家电能质量检测终端的同时测试，并能出具针对任何一个通道的测试报告，省时省力，大大的提高了工作效率，这是传统的手动测试绝对不能实现的。
经过大量的现场测试数据进行统计得知，按照之前的传统手动测试方法若要完成单套的全部测试项目需用时至少4个小时，而且全程需多人干预，而使用这套自动测试系统进行多套终端的同时测试，折合到单通道所需时间为5分钟，极大的提高了测试效率，且为全自动测试，人工干预极少，可以解放出大量劳动力。统计结果如表2所示：
表2 工作效率统计结果
5 结论
电能质量监测终端自动测试系统是完全按照《Q/GDW1650.4-2017电能质量监测技术规范第4部分：电能质量监测终端检验》及行业相关检测标准研发的针对电能质量监测终端自动测试平台，该平台可带载能力强，可批量化完成电能质量监测终端的测试，只需在测试前做好简单的准备工作，且测试过程中几乎无需人工干预，显著的提高了工作效率。
该平台测试流程标准化、自动化、高效化，并具有开放性。该平台的广泛应用将有助于电能质量监测终端检测等相关技术的发展。