電壓監(jiān)測儀自動測試系統(tǒng)的研究與應(yīng)用

羅忠游 李東升 陳 龍

電壓監(jiān)測儀自動測試系統(tǒng)的研究與應(yīng)用

羅忠游1李東升2陳 龍1

（1. 國網(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)測儀能夠?qū)﹄娏ο到y(tǒng)正常運行狀態(tài)緩慢變化所引起的電壓偏差進行連續(xù)監(jiān)測和統(tǒng)計，實現(xiàn)電壓合格率的統(tǒng)計。本文介紹一種電壓監(jiān)測儀的全自動測試系統(tǒng)的實現(xiàn)方案。該系統(tǒng)采用模塊化設(shè)計開發(fā)自動測試軟件，運用線性功率放大器技術(shù)研制電壓監(jiān)測儀標(biāo)準(zhǔn)源，實現(xiàn)基本測量誤差試驗、整定電壓值誤差試驗、綜合測量誤差試驗、時鐘準(zhǔn)確度測試試驗和影響量試驗等多種測試功能，最終完成電壓監(jiān)測儀批量化和自動化測試。實際應(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間長的問題。

電壓監(jiān)測儀；自動測試系統(tǒng)；閉環(huán)測試；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)量問題之一[1]，而電壓暫降與短時中斷已成為事件型電能質(zhì)量的首要問題[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)定運行評價的重要考核指標(biāo)，是電能質(zhì)量優(yōu)劣的直接體現(xiàn)，而電壓監(jiān)測儀則是完成電壓合格率統(tǒng)計的重要工具。根據(jù)目前現(xiàn)場情況，電網(wǎng)中被安裝了大量的電壓監(jiān)測儀，平均每個市局大概就有幾千臺，如此數(shù)量龐大的電壓監(jiān)測儀日常校驗也成為現(xiàn)場檢修人員工作的一項難題，但是現(xiàn)有的電壓監(jiān)測儀的檢定還停留在手工、逐臺測試的階段，檢測效率低下[1-2]。因此，迫切需要研究并開發(fā)能完成對多臺電壓監(jiān)測儀進行批量測試的閉環(huán)測試系統(tǒng)，從而極大提高儀器測試的工作效率。

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、日差校驗儀、電壓監(jiān)測儀檢定標(biāo)準(zhǔn)源、被檢設(shè)備和檢定用上位機組成。各部分的功能如下：

1）檢定用掛表架。用于安裝多臺待檢的電壓監(jiān)測儀。

2）日差校驗儀。用于電壓監(jiān)測儀的時鐘誤差檢定。

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

4）被檢設(shè)備。24臺待檢電壓監(jiān)測儀。

5）檢定用上位機。裝有電壓監(jiān)測儀自動測試系統(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上位機通過網(wǎng)線連接電壓監(jiān)測儀檢定標(biāo)準(zhǔn)源，通過串口線連接檢定用掛表架，掛表架通過串行總線連接各待檢定的電壓監(jiān)測儀通信端口、通過電壓總線連接電壓監(jiān)測儀的測量端口。電壓監(jiān)測儀自動測試系統(tǒng)程序控制電壓監(jiān)測儀檢定標(biāo)準(zhǔn)源輸出電壓信號到被測電壓監(jiān)測儀，電壓監(jiān)測儀根據(jù)測量到的信號值進行計算，同時自動測試系統(tǒng)軟件通過通信接口自動讀取被測電壓監(jiān)測儀的監(jiān)測數(shù)據(jù)，并與電壓監(jiān)測儀檢定標(biāo)準(zhǔn)源的數(shù)據(jù)進行對比，自動進行誤差計算，自動生成規(guī)定格式的測試報告。圖1為本自動測試系統(tǒng)的整體架構(gòu)圖。

2 自動測試系統(tǒng)實現(xiàn)

2.1 軟件系統(tǒng)整體功能設(shè)計

自動測試軟件的主要功能是實現(xiàn)控制電壓監(jiān)測儀檢定標(biāo)準(zhǔn)源的輸出、讀取電壓監(jiān)測儀的監(jiān)測數(shù)據(jù)以及對結(jié)果數(shù)據(jù)的對比處理等功能，所以在整體架構(gòu)上要滿足測試方案的錄入和編輯、測試過程的控制、測試結(jié)果的自動讀取和計算、測試報告的自動生成及測試數(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)測儀自動測試系統(tǒng)軟件安裝于測試終端（測試機或個人PC）內(nèi)。在本自動測試系統(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)上分為測試方案開發(fā)層、自動測試執(zhí)行層和電壓監(jiān)測儀控制程序?qū)印?/p>

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

1）測試方案開發(fā)層

測試方案開發(fā)程序為二次開發(fā)系統(tǒng)，用戶根據(jù)電壓監(jiān)測儀的檢定規(guī)程以及檢定流程，編輯裝置測試方案，實現(xiàn)對測試項目的設(shè)計與選擇、各測試項目測試方法的編輯以及測試過程中用戶權(quán)限的管理等。測試方案編輯功能用于編輯測試需要的測試方案，實現(xiàn)對電壓監(jiān)測儀標(biāo)準(zhǔn)測試流程的編輯和管理，系統(tǒng)自動保存每次所編輯的方案，便于日后測試使用的調(diào)用。權(quán)限管理模塊用于設(shè)置訪問數(shù)據(jù)庫的權(quán)限，便于測試結(jié)果的安全管理。

2）自動測試執(zhí)行層

自動測試執(zhí)行層主要實現(xiàn)電壓監(jiān)測儀的自動測試功能，主要包含自動測試主程序和電壓監(jiān)測儀通信程序。

自動測試主程序為自動測試系統(tǒng)的核心程序，自動測試主程序提供一個測試試驗過程中人機對話的環(huán)境，實現(xiàn)對電壓監(jiān)測儀的自動測試過程控制，實現(xiàn)測試過程中數(shù)據(jù)庫的管理、測試結(jié)果以及誤差的計算、測試報告的填寫等功能。測試人員通過自動測試控制中心選擇滿足測試要求的測試方案，自動測試主程序自動執(zhí)行測試方案中的測試項目的測試，自動將測試結(jié)果保存至標(biāo)準(zhǔn)的測試報告模塊中，自動測試完成后輸出標(biāo)準(zhǔn)報告，標(biāo)準(zhǔn)報告包括Word、WPS、Excel、XML等格式的文檔報告。測試記錄文件記錄測試過程中的全部數(shù)據(jù)，包括測試項目的測試開始時間、測試人員、輸出的測試量、從待測裝置讀取的測量量，數(shù)據(jù)庫管理模塊實現(xiàn)對測試完成的數(shù)據(jù)文件的管理，方便日后測試數(shù)據(jù)的查找和查看，并且能夠跟蹤某臺電壓監(jiān)測儀測試結(jié)果的歷史趨勢。測試結(jié)果計算模塊實現(xiàn)被測電壓監(jiān)測儀的數(shù)據(jù)和電壓監(jiān)測儀檢定標(biāo)準(zhǔn)源輸出標(biāo)準(zhǔn)值的比對，自動完成監(jiān)測數(shù)據(jù)誤差的計算。

電壓監(jiān)測儀通信程序?qū)崿F(xiàn)與電壓監(jiān)測儀進行通信，并將測試數(shù)據(jù)上送回自動測試主程序。上送的數(shù)據(jù)包括電壓監(jiān)測儀的各種數(shù)據(jù)集數(shù)據(jù)和錯誤報告數(shù)據(jù)、告警報告數(shù)據(jù)等。

3）電壓監(jiān)測儀控制程序?qū)?/p>

為實現(xiàn)自動測試系統(tǒng)的通用化和智能化，系統(tǒng)本身必須具有良好的可擴展性，需要開發(fā)設(shè)計控制程序?qū)樱礄z定裝置控制程序。檢定裝置控制程序通過標(biāo)準(zhǔn)軟件控制接口的方式開放全部測試功能服務(wù)，提供給自動測試控制中心調(diào)用。檢定裝置控制程序?qū)崿F(xiàn)與電壓監(jiān)測儀檢定標(biāo)準(zhǔn)源通信，在試驗時自動測試主程序向檢定裝置控制程序下達通信命令和測試參數(shù)，收到參數(shù)后驅(qū)動電壓監(jiān)測儀檢定標(biāo)準(zhǔn)源輸出設(shè)定激勵量，同時采集到測試結(jié)果后自動發(fā)送給自動測試主程序。檢定裝置控制程序使用Windows消息發(fā)送測試狀態(tài)的變化給自動測試程序，包括連接標(biāo)準(zhǔn)源成功、開始測試、測試完成、測試異常等信息。

2.3 整體測試流程

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

圖3 整體檢測流程圖

2.4 整體測試項目

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

3 電壓監(jiān)測儀檢定標(biāo)準(zhǔn)源的實現(xiàn)

3.1 電壓監(jiān)測儀檢定標(biāo)準(zhǔn)源的組成

電壓監(jiān)測儀檢定標(biāo)準(zhǔn)源由系統(tǒng)顯示模塊、信號產(chǎn)生模塊和信號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）、存儲器和液晶顯示器構(gòu)成，采用獨創(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；也可由嵌入式計算構(gòu)成，運行Windows系統(tǒng)。信號產(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

通過上面對測試對象及需求的分析，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，上升和下降時間不高于1.2ms。通過系統(tǒng)分析，開始進行放大器的設(shè)計，首先設(shè)計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)計原理圖，市電通過變壓器隔離降壓，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。

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

輸入信號經(jīng)U1差分運放處理，輸出給誤差放大器的反相端，U2將U1的輸出信號與反饋信號進行誤差放大，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)過采樣電阻，返回信號給誤差放大器。穩(wěn)壓電路主要給Q1、Q2設(shè)置靜態(tài)工作點，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)過如上所述的電壓監(jiān)測儀檢定標(biāo)準(zhǔn)源的設(shè)計，標(biāo)準(zhǔn)源能夠輸出3相最大380V的電壓信號，單相的帶載能力能達到380VA，能夠作為工作電源同時對24臺電壓監(jiān)測儀進行供電，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。

4 系統(tǒng)應(yīng)用情況

電壓監(jiān)測儀自動測試系統(tǒng)于2017年在國網(wǎng)新疆電力公司電力科學(xué)研究院進行了實際現(xiàn)場應(yīng)用，在應(yīng)用中實現(xiàn)了24臺電壓監(jiān)測儀的同時自動檢測，并且針對于每臺電壓監(jiān)測儀同時自動生成了測試報告。系統(tǒng)應(yīng)用表明：采用之前手動測試的模式，單臺測試完所有測試項目的時間可達4h，24臺測試則需96h，采用本系統(tǒng)全自動測試的方式后，24臺同時測試完所有測試項目僅需2h，測試時間縮短了94h，測試效率提高了48倍。測試效率化分析見表2。

表2 測試效率化分析

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

5 結(jié)論

電壓監(jiān)測儀自動測試系統(tǒng)的研究與應(yīng)用，能夠按照《DL/T 500—2009 電壓監(jiān)測儀使用技術(shù)條件》等電力行業(yè)相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)的要求來完成對電壓監(jiān)測儀的全自動檢定，整個測試過程無需過多的人工干預(yù)，解決了傳統(tǒng)檢測模式下測試工作繁瑣重復(fù)和對測試人員依賴性大等問題，實現(xiàn)規(guī)范化、標(biāo)準(zhǔn)化和高效率化的閉環(huán)自動檢測。本自動測試系統(tǒng)的推廣應(yīng)用，將能夠?qū)δ壳半妷簷z測儀的檢測效率帶來質(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，高級工程師，研究方向為電力系統(tǒng)分析與控制。