一種用于電能質(zhì)量監(jiān)測終端檢測的標(biāo)準(zhǔn)源簡述

夏永平 王 凱 齊曉輝

（1.國網(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）

0 引言

電能作為一種公共商品，其質(zhì)量好壞與電力系統(tǒng)中用電設(shè)備的安全運(yùn)行與否息息相關(guān)，隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)的飛速發(fā)展，電力系統(tǒng)用電設(shè)備種類越來越多，越是精密的設(shè)備對(duì)電能質(zhì)量的要求也就越高。任何國家的電力主管部門都把電力系統(tǒng)的電能質(zhì)量問題擺在首要關(guān)注的位置。電能質(zhì)量問題解決的方案就是監(jiān)測、治理、再監(jiān)測。

電能質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)源是標(biāo)準(zhǔn)源的一種，是專為配合測試電能質(zhì)量監(jiān)測終端而研制的一種標(biāo)準(zhǔn)源，可以產(chǎn)生幅度可調(diào)、相角可調(diào)、頻率可調(diào)、功率穩(wěn)定的三相工頻電壓、電流信號(hào)。隨著國家電力行業(yè)投資的不斷增大，電網(wǎng)運(yùn)行中敏感性元件的逐漸增多，電能質(zhì)量問題將會(huì)日益突出[1]。而電能質(zhì)量問題關(guān)系著千家萬戶，對(duì)于社會(huì)生產(chǎn)生活有著重要影響，所以需要一種有效的監(jiān)測手段來解決這一問題。電能質(zhì)量監(jiān)測終端能完成對(duì)電力系統(tǒng)各種電能質(zhì)量參數(shù)的監(jiān)測，其安全可靠運(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)測水平，故電能質(zhì)量監(jiān)測終端的可靠性就成為了關(guān)乎電能質(zhì)量參數(shù)準(zhǔn)確性的重要問題[2]。而現(xiàn)場實(shí)際運(yùn)行的電能質(zhì)量監(jiān)測終端數(shù)量龐大、種類繁多，大量試驗(yàn)證明，研發(fā)電能質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)源，配合自動(dòng)測試軟件使用，能很好地解決電能質(zhì)量監(jiān)測終端的檢測問題，并提高檢測效率。

圖1 電能質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)源關(guān)鍵硬件組成

1 電能質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)源的功能及性能描述

1.1 功能描述

電能質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)源在自有控制軟件或者自動(dòng)測試軟件的控制下，可以產(chǎn)生幅度可調(diào)、相角可調(diào)、頻率可調(diào)、功率穩(wěn)定的三相工頻電壓、電流信號(hào)測試，能夠完成電能質(zhì)量監(jiān)測終端的穩(wěn)態(tài)性能驗(yàn)證測試、頻率測試、電壓測試、閃變測試、三相不平衡測試、諧波測試、間諧波測試、電壓暫升/暫降和短時(shí)中斷測試、時(shí)鐘測試等測試項(xiàng)目，完全滿足Q/GDW 1650.4—2016《電能質(zhì)量監(jiān)測技術(shù)規(guī)范第4部分：電能質(zhì)量監(jiān)測終端檢驗(yàn)》[3]中關(guān)于電能質(zhì)量測量標(biāo)準(zhǔn)源檢驗(yàn)和準(zhǔn)確度檢測的要求，且配合自動(dòng)測試軟件后所有測試項(xiàng)目均可全自動(dòng)完成，并自動(dòng)生成測試報(bào)告。該電能質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)源也可在上位機(jī)軟件的控制下手動(dòng)輸出電能質(zhì)量參數(shù)中要求的各種復(fù)雜的電能質(zhì)量波形給電能質(zhì)量監(jiān)測終端，用于電能質(zhì)量監(jiān)測終端的手動(dòng)測試分析和驗(yàn)證。

1.2 性能描述

電能質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)源是電能質(zhì)量監(jiān)測裝置檢測的必備關(guān)鍵設(shè)備，其性能直接關(guān)系到電能質(zhì)量監(jiān)測終端測試。電能質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)源可輸出AC 450 V、AC 10 A的電壓、電流信號(hào)，且支持四通道的電壓、電流信號(hào)輸出，各通道帶載能力最低為40 VA；其諧波、間諧波可同時(shí)疊加輸出50個(gè)；電能質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)源支持外接GPS天線或B碼信號(hào)用于電能質(zhì)量監(jiān)測終端的時(shí)鐘測試；頻率采用逐點(diǎn)變頻、掃頻的模式，滿足快速變頻的要求；閃變測試是一種比較復(fù)雜的測試，該電能質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)源能完成這種復(fù)雜測試。

2 電能質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)源的硬件組成及原理實(shí)現(xiàn)

2.1 硬件組成

電能質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)源的關(guān)鍵硬件部分主要有外部接口部分、ARM+FPGA核心控制電路、隨機(jī)存儲(chǔ)器RAM、模數(shù)轉(zhuǎn)化部分DA、線性功率放大器PA等，其組成結(jié)構(gòu)圖如圖1所示。

2.2 原理實(shí)現(xiàn)

ARM+FPGA核心控制電路是電能質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)源控制輸出的核心部分[4]，運(yùn)行于專門定制的Linux操作系統(tǒng)，信號(hào)處理速度極快，可靠性高；RAM依附于ARM+FPGA核心控制電路，作為緩存數(shù)據(jù)使用；模數(shù)轉(zhuǎn)換部分DA采用18位DA芯片，轉(zhuǎn)換精度高、穩(wěn)定性好；線性功率放大器采用AC 220 V電源供電，并配置專用的隔離變壓器，以獲取電路中需要的相應(yīng)穩(wěn)定的直流電壓源，從而對(duì)信號(hào)發(fā)生器的信號(hào)作相應(yīng)對(duì)策的變化并加以輸出。線性功率放大器電路主要由放大器、MOS場效應(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[5]。

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)過放大器的放大后通過電阻Rf的作用和MOS場效應(yīng)管，輸出需要放大倍數(shù)的信號(hào)。Vout為輸出端子，完成功率放大的作用，得到功率增益、帶寬、失真度完全滿足要求的功率。

DA、PA原理示意簡圖如圖2、圖3所示。

綜上所述，按如上方案所設(shè)計(jì)的電能質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)源，支持輸出4相最大450 V的電壓信號(hào)、4相最大10 A的電流信號(hào)，輸出單相帶載能力最低達(dá)40 VA，且能按照要求全通道產(chǎn)生電壓、電流、頻率、諧波（間諧波）、電壓閃變、電壓暫升、電壓暫降、電壓中斷、三相不平衡等復(fù)雜的電能質(zhì)量波形信號(hào)[6]。

圖3 PA原理實(shí)現(xiàn)示意圖

3 電能質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)源的應(yīng)用

該電能質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)源可以配合手動(dòng)測試軟件使用，通過參數(shù)設(shè)置可以控制輸出復(fù)雜的電能質(zhì)量波形，也可以配合上位機(jī)自動(dòng)測試軟件使用，全自動(dòng)按照模板輸出復(fù)雜的電能質(zhì)量波形，并進(jìn)行電能質(zhì)量監(jiān)測終端的全閉環(huán)測試。其獨(dú)有的電路設(shè)計(jì)和穩(wěn)定性較高的線性功率放大器可以使輸出信號(hào)的帶載能力至少為40 VA，可以進(jìn)行批量電能質(zhì)量監(jiān)測終端的測試，提高現(xiàn)場測試效率。

電能質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)源的上位機(jī)自動(dòng)測試軟件經(jīng)過必要的設(shè)置進(jìn)入自動(dòng)測試程序后，點(diǎn)擊工具欄“開始測試”按鈕，系統(tǒng)將自動(dòng)控制電能質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)源輸出電能質(zhì)量波形信號(hào)，自動(dòng)測試軟件自動(dòng)讀取被測電能質(zhì)量監(jiān)測終端測量值、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)完成批量電能質(zhì)量監(jiān)測終端的測試[7]。電能質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)源與上位機(jī)自動(dòng)測試軟件配合的自動(dòng)測試流程如圖4所示。

圖4 自動(dòng)測試流程

該電能質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)源自2014成功研發(fā)以來，配合上位機(jī)自動(dòng)測試軟件，先后在四川、武漢等電科院及全球能源互聯(lián)網(wǎng)研究院進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)室應(yīng)用，并取得了客戶的一致好評(píng)和良好的使用效果。各個(gè)實(shí)驗(yàn)室均實(shí)現(xiàn)了批量電能質(zhì)量監(jiān)測終端的同時(shí)測試，完全改變了以往電能質(zhì)量監(jiān)測終端測試的舊局面，大大提高了工作效率，并解決了人力不足的問題。該測試手段與人工測試相比，效率統(tǒng)計(jì)結(jié)果如表1所示。

表1 效率統(tǒng)計(jì)結(jié)果

4 結(jié)語

電能質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)源是完全參照Q/GDW 1650.4—2016《電能質(zhì)量監(jiān)測技術(shù)規(guī)范第4部分：電能質(zhì)量監(jiān)測終端檢驗(yàn)》及電力系統(tǒng)相關(guān)檢測標(biāo)準(zhǔn)而研發(fā)的，其支持輸出多種復(fù)雜的電能質(zhì)量波形，帶載能力強(qiáng)，是檢測電能質(zhì)量監(jiān)測終端的核心設(shè)備。該標(biāo)準(zhǔn)源通過開發(fā)接口控制程序支持第三方測試軟件，配合自動(dòng)測試軟件可以批量測試電能質(zhì)量監(jiān)測終端，大大提高工作效率。該電能質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)源的廣泛應(yīng)用必將推動(dòng)電能質(zhì)量監(jiān)測終端檢測技術(shù)的發(fā)展[8]。

[1]程浩忠，艾芊，張志剛，等.電能質(zhì)量[M].北京：清華大學(xué)出版社，2006.

[2]李旭，謝運(yùn)祥.電能質(zhì)量監(jiān)測的技術(shù)現(xiàn)狀[J].電源技術(shù)應(yīng)用，2006，9（4）：49-52.

[3]電能質(zhì)量監(jiān)測技術(shù)規(guī)范 第4部分：電能質(zhì)量監(jiān)測終端檢驗(yàn)：Q/GDW 1650.4—2016[S].

[4]譚世兵.基于ARM的電能質(zhì)量檢測裝置的研究[D].成都：西華大學(xué)，2012.

[5]宣家揚(yáng).功放的線性化研究[D].杭州：杭州電子科技大學(xué)，2014.

[6]林海雪.電能質(zhì)量指標(biāo)的完善化及其展望[J].中國電機(jī)工程學(xué)報(bào)，2014，34（29）：5073-5079.

[7]陳海昆，董瑞安.地區(qū)電網(wǎng)電能質(zhì)量測試及評(píng)估[J].上海電力，2005，18（3）：273-274.

[8]張軍如.電能質(zhì)量監(jiān)測系統(tǒng)的規(guī)劃研究[D].保定：華北電力大學(xué)，2013.