一種用于電能質量監測終端檢測的標準源簡述

夏永平 王 凱 齊曉輝

（1.國網哈密供電公司，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，其質量好壞與電力系統中用電設備的安全運行與否息息相關，隨著社會經濟的飛速發展，電力系統用電設備種類越來越多，越是精密的設備對電能質量的要求也就越高。任何國家的電力主管部門都把電力系統的電能質量問題擺在首要關注的位置。電能質量問題解決的方案就是監測、治理、再監測。

電能質量標準源是標準源的一種，是專為配合測試電能質量監測終端而研制的一種標準源，可以產生幅度可調、相角可調、頻率可調、功率穩定的三相工頻電壓、電流信號。隨著國家電力行業投資的不斷增大，電網運行中敏感性元件的逐漸增多，電能質量問題將會日益突出[1]。而電能質量問題關系著千家萬戶，對于社會生產生活有著重要影響，所以需要一種有效的監測手段來解決這一問題。電能質量監測終端能完成對電力系統各種電能質量參數的監測，其安全可靠運行更有助于提高對整個電力系統電能質量參數的監測水平，故電能質量監測終端的可靠性就成為了關乎電能質量參數準確性的重要問題[2]。而現場實際運行的電能質量監測終端數量龐大、種類繁多，大量試驗證明，研發電能質量標準源，配合自動測試軟件使用，能很好地解決電能質量監測終端的檢測問題，并提高檢測效率。

圖1 電能質量標準源關鍵硬件組成

1 電能質量標準源的功能及性能描述

1.1 功能描述

電能質量標準源在自有控制軟件或者自動測試軟件的控制下，可以產生幅度可調、相角可調、頻率可調、功率穩定的三相工頻電壓、電流信號測試，能夠完成電能質量監測終端的穩態性能驗證測試、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/暫降和短時中斷測試、時鐘測試等測試項目，完全滿足Q/GDW 1650.4—2016《電能質量監測技術規范第4部分：電能質量監測終端檢驗》[3]中關于電能質量測量標準源檢驗和準確度檢測的要求，且配合自動測試軟件后所有測試項目均可全自動完成，并自動生成測試報告。該電能質量標準源也可在上位機軟件的控制下手動輸出電能質量參數中要求的各種復雜的電能質量波形給電能質量監測終端，用于電能質量監測終端的手動測試分析和驗證。

1.2 性能描述

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

2 電能質量標準源的硬件組成及原理實現

2.1 硬件組成

電能質量標準源的關鍵硬件部分主要有外部接口部分、ARM+FPGA核心控制電路、隨機存儲器RAM、模數轉化部分DA、線性功率放大器PA等，其組成結構圖如圖1所示。

2.2 原理實現

ARM+FPGA核心控制電路是電能質量標準源控制輸出的核心部分[4]，運行于專門定制的Linux操作系統，信號處理速度極快，可靠性高；RAM依附于ARM+FPGA核心控制電路，作為緩存數據使用；模數轉換部分DA采用18位DA芯片，轉換精度高、穩定性好；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穩定的直流電壓源，從而對信號發生器的信號作相應對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場效應管、電源、電阻等組成，分為供電電源部分、輸入信號部分和功率放大部分[5]。

Vin為模擬小信號輸入端，Rin為輸入電阻，模擬小信號經過放大器的放大后通過電阻Rf的作用和MOS場效應管，輸出需要放大倍數的信號。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，按如上方案所設計的電能質量標準源，支持輸出4相最大450 V的電壓信號、4相最大10 A的電流信號，輸出單相帶載能力最低達40 VA，且能按照要求全通道產生電壓、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、三相不平衡等復雜的電能質量波形信號[6]。

圖3 PA原理實現示意圖

3 電能質量標準源的應用

該電能質量標準源可以配合手動測試軟件使用，通過參數設置可以控制輸出復雜的電能質量波形，也可以配合上位機自動測試軟件使用，全自動按照模板輸出復雜的電能質量波形，并進行電能質量監測終端的全閉環測試。其獨有的電路設計和穩定性較高的線性功率放大器可以使輸出信號的帶載能力至少為40 VA，可以進行批量電能質量監測終端的測試，提高現場測試效率。

電能質量標準源的上位機自動測試軟件經過必要的設置進入自動測試程序后，點擊工具欄“開始測試”按鈕，系統將自動控制電能質量標準源輸出電能質量波形信號，自動測試軟件自動讀取被測電能質量監測終端測量值、事件報文，自動進行數據修約處理，自動進行結果判斷，自動完成批量電能質量監測終端的測試[7]。電能質量標準源與上位機自動測試軟件配合的自動測試流程如圖4所示。

圖4 自動測試流程

該電能質量標準源自2014成功研發以來，配合上位機自動測試軟件，先后在四川、武漢等電科院及全球能源互聯網研究院進行了實驗室應用，并取得了客戶的一致好評和良好的使用效果。各個實驗室均實現了批量電能質量監測終端的同時測試，完全改變了以往電能質量監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，效率統計結果如表1所示。

表1 效率統計結果

4 結語

電能質量標準源是完全參照Q/GDW 1650.4—2016《電能質量監測技術規范第4部分：電能質量監測終端檢驗》及電力系統相關檢測標準而研發的，其支持輸出多種復雜的電能質量波形，帶載能力強，是檢測電能質量監測終端的核心設備。該標準源通過開發接口控制程序支持第三方測試軟件，配合自動測試軟件可以批量測試電能質量監測終端，大大提高工作效率。該電能質量標準源的廣泛應用必將推動電能質量監測終端檢測技術的發展[8]。

[1]程浩忠，艾芊，張志剛，等.電能質量[M].北京：清華大學出版社，2006.

[2]李旭，謝運祥.電能質量監測的技術現狀[J].電源技術應用，2006，9（4）：49-52.

[3]電能質量監測技術規范 第4部分：電能質量監測終端檢驗：Q/GDW 1650.4—2016[S].

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

[5]宣家揚.功放的線性化研究[D].杭州：杭州電子科技大學，2014.

[6]林海雪.電能質量指標的完善化及其展望[J].中國電機工程學報，2014，34（29）：5073-5079.

[7]陳海昆，董瑞安.地區電網電能質量測試及評估[J].上海電力，2005，18（3）：273-274.

[8]張軍如.電能質量監測系統的規劃研究[D].保定：華北電力大學，2013.