一種基于IEEE 1588協議的電能質量監測設備現場檢測方案

國網陜西省電力公司電力科學研究院 馮雅琳 王建波 鄭天悅

深圳市中電電力技術股份有限公司 王 昕 谷 健

隨著社會經濟的發展以及技術的進步，越來越多的精密儀器與用電設備投入人們的日常生產、生活中。一方面這些尖端的精密儀器造價昂貴，對電網所供電能的質量有著較高的要求，如電壓的暫降、暫升、閃變與諧波電流的超標等，對傳統用電設備影響較小的電能質量事件，也可能對這些精密儀器造成較為嚴重的損害，導致經濟損失；另一方面，這些新型的用電設備通常采用了先進的電力電子技術，集成了諸如整流器、逆變器與開關電源等部件或模塊，在正常工作時，相應的部件或模塊運行于高頻之下，會產生嚴重的諧波電壓及電流，對電網及附近其他用電設備的電能質量水平造成影響。

電能質量在線監測系統是監測電網電能質量的主要手段，通過該系統可以完成電網電能質量水平的評估、電能質量數據的分析，以及電能質量事故責任的劃分等任務，而其基石與“眼睛”則是電能質量監測設備。也就是說，電能質量監測設備的好壞、運行時工作狀況的正常與否、監測精度的高低對電網電能質量的監測水平至關重要。因此，對電能質量監測設備的定時、周期性檢測，確保其各項功能的正常運轉、各類性能指標的達到要求，是一項不容忽視的重要工作。

目前，國內外專家學者對電能質量的監測設備及其檢測技術已經進行了深入的研究。IEC61000-4-30《試驗和測量技術-電能質量的測量方法》，規定了50/60Hz交流電系統電能質量的參數測量和評估方法，對電能質量監測設備的功能和性能要求提供了較為全面的指導。另外，GB/T 19862《電能質量監測設備通用要求》和DL/T 1028《電能質量測試分析儀檢定規程》，也對電能質量監測設備的測量準確度檢測做出了規定。

在國外，美國的FLUKE公司、瑞士的LEM公司與UNIPOWER公司、日本的HIOKI公司等電能質量領域公司基本占據了高端電能質量產品的市場，如FLUKE公司有Fluke43系列便攜式電能質量分析儀、Fluke17系列在線式電能質量記錄儀以及Fluke6100/6105系列功率標準源。在國內，各大高校基于ADC+DSP/ FPGA+MCU的結構研制出了各種電能質量監測設備，掌握了相關的技術[1-2]；同時，深圳市中電電力技術股份有限公司（CET）也開發出了應用于電能質量領域的iMeter系列高端智能電表，達到了國際領先水平。

傳統的電能質量監測設備檢測方法為手動檢測。如浙江計量科學研究院于2008年率先提出并建立了電能質量檢測標準裝置，該裝置集成了德國ZERA公司的MT3000便攜式電能測試儀、美國FLUKE公司的Fluke6100A功率標準源等，能夠按照IEC和國家的相關標準開展電壓、頻率、諧波及閃變等電能質量指標的檢測工作；華北電力科學研究院于2010年提出并建立了電能質量監測設備校驗檢測系統，該系統是國內首個電能質量監測設備檢測軟件平臺，同樣可以進行諧波、三相不平衡、閃變等電能質量指標的檢測工作。

但上述裝置或系統皆涉及大量的人工操作，檢測過程復雜，而且還需要對電能質量監測設備進行斷電及拆線，耗時耗力且效率低下。近年來，一些高等院校、企業和研究機構展開了自動檢測技術的研究，尋找加快檢測速度、減少人工工作量的途徑和方法，已經取得了一定的成果。湖南大學、西安電子科技大學等先后研發了電能質量監測設備的自動檢測或校驗平臺，能夠實現對電壓、電流、頻率、諧波以及三相不平衡等多項電能質量指標的自動檢測[3]。但是，這種方法還在研究和發展中，目前尚難以應用于接線復雜、條件惡劣的現場環境之中，只能在實驗室中對電能質量監測設備進行批量、自動化的檢測。

然而，對于電網而言，對已安裝運行的電能質量監測設備進行不拆線、不斷電的檢測是一項實際而迫切的需求。截至目前，隨著電能質量在線監測系統規模的快速增大，電能質量監測設備的數量也迅速增長，在國家電網和南方電網已有超過10000臺的電能質量監測設備安裝投運，并且這一數字還在不斷地增加。根據電力行業標準DL/T 1298-2013《靜止無功補償裝置運行規程》和國網企標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》，電能質量監測設備的定期檢測周期一般不應超過3年。這就意味著，每隔3年，就有上萬臺乃至更多的電能質量監測設備需要檢測，如果把這些電能質量監測設備都斷電、拆線運回實驗室檢測，其工作量和成本顯然是極高且難以接受的，因此研究快速、高效的電能質量監測設備現場檢測技術、裝置及方案是勢在必行的。

1 電能質量監測設備現場檢測的基本方法與原理

標準源法和標準表法（比對法）是目前電能質量監測設備現場檢測的兩種基本方法[4-5]。本文對這兩種基本方法做了改進使其更加適于電能質量監測設備的檢測工作。

1.1 改進標準源法

改進標準源法如圖1所示，在對電能質量監測設備進行檢測時，采用高精度的標準源作為信號源，如Fluke6100A。其基本檢測流程為：

圖1 改進標準源

一是下達對時命令，對時命令通過交換機分別傳輸至電能質量監測設備和標準信號源，隨后，電能質量監測設備和標準信號源通過GPS、IRIG-B碼、SNTP協議或者其他對時協議進行對時。

二是對時完成后，下達預檢測命令，預檢測命令包含待檢的參數（電壓、電流、頻率、有功功率、無功功率、諧波電壓、諧波電流、三相電壓不平衡度等）及其設定值，經交換機傳輸至標準信號源，隨后，標準信號源調整信號的參數至設定值，待信號輸出穩定后返回信號待檢參數的當前值以及參數設定成功回執。

三是收到標準信號源的參數設定成功回執后，下達檢測命令，檢測命令包含檢測啟動時間、檢測時長與待檢參數等信息，檢測命令同時下達給標準信號源與待檢的電能質量監測設備。

四是依據檢測命令所指定的檢測啟動時間，電能質量監測設備啟動對標準信號源信號的測量；同時，標準信號源返回檢測啟動時刻信號待檢參數的值。

五是依據檢測命令所指定的檢測時長，電能質量監測設備完成對標準信號源信號的測量，給出信號待檢參數的測量結果；同時，標準信號源返回檢測時間段內待檢參數的值。

六是檢測軟件匯總、處理由標準信號源和電能質量監測設備各自輸出的信號信息，進行對比、計算誤差等，最終以圖形或表格的形式生成或展示檢測結果。

與傳統的標準源法不同，改進的標準源法加入了對時過程，通過時鐘同步，減小了標準源法的量化誤差，使其滿足對電能質量監測設備進行檢測的要求。

標準源法結構簡單、短時間量化誤差小，在實驗室中進行檢測時，能夠對多臺電能質量監測設備同時進行，檢測效率高。但是，采用標準源法對運行中的電能質量監測設備進行檢測時必須進行斷電、拆線與改接線等操作，檢測完畢后還需要將電能質量監測設備重新安裝回電網之中，工作量大、操作復雜，其中任何一個環節出錯皆會對電能質量監測設備后續的安全、可靠運行產生影響。同時，標準源一般體積較大、價格昂貴，在反復的運輸途中也容易出現損壞，采用標準源法的現場檢測方案的成本相對較高。因此，標準源法不宜應用于電能質量監測設備的現場檢測之中，應當尋找其他替代或解決方案。

1.2 改進標準表法

如圖2所示，標準表法可以通過對現場信號進行測量，比較標準比對設備和電能質量監測設備的測量結果，檢測電能質量監測設備是否達標。本文對標準表法進行了改進，其基本檢測流程如下：

圖2 改進標準表法

一是檢測軟件下達對時命令，對時命令通過交換機分別傳輸至電能質量監測設備和標準比對設備，隨后，電能質量監測設備和標準比對設備通過GPS、IRIG-B碼、SNTP協議或者其他對時協議進行對時。

二是對時完成后，檢測軟件下達檢測命令，檢測命令包含檢測啟動時間、檢測時長與待檢參數（電壓、電流、頻率、有功功率、無功功率、諧波電壓、諧波電流、三相電壓不平衡度等）等信息，檢測命令同時下達給標準比對設備與待檢的電能質量監測設備。

三是依據檢測命令所指定的檢測啟動時間與檢測時長，電能質量監測設備與標準比對設備分別對現場信號進行測量，給出待檢參數的測量結果。

四是檢測軟件匯總、處理由標準比對設備和電能質量監測設備分別輸出的測量結果，進行對比、計算誤差等，最終以圖形或表格的形式生成或展示檢測結果。

與改進的標準源法類似，改進的標準表法也加入了對時的過程，通過時鐘同步，減小了標準表法的量化誤差，使其滿足對電能質量監測設備進行檢測的要求。標準表法可直接采用現場信號對電能質量監測設備進行檢測，無須拆線，適合應用于電能質量監測設備的現場檢測方案之中，本文即采用該種方法；不過需要注意的是，受現場接線的限制，該方法通常只能進行一對一的檢測。

2 基于IEEE 1588協議的現場檢測方案

2.1 IEEE 1588協議簡介

在改進的標準法中，對時是必須的，對時的精度會影響標準法檢測的精度。因此，在標準法中，需要采用具有較高精度的對時方式，考慮到現場接線復雜，所選用的對時方式應盡量避免增加額外的接線。GPS、IRIG-B碼對時采用硬件方式保證其對時精度，需要額外的硬件接口與接線，而SNTP協議對時精度較低，僅1ms，因此，會帶來較大的誤差。IEEE 1588協議是一種用于分布式測量與控制網絡的高精度時鐘同步協議，可通過以太網接口實現對時，與控制命令及測量數據采用同一通信通道，不需要額外的硬件接口，對時精度可達亞微秒級，滿足標準法的需要；因此，本文采用基于IEEE 1588協議的標準表法實現對電能質量監測設備的現場檢測。

IEEE 1588協議實現對時的基本原理如圖3所示，是一種主從同步系統，通過乒乓算法確定主時鐘與從時鐘之間的傳輸延遲和時間偏移。具體對時步驟如下：

圖3 IEEE 1588協議對時原理

一是主時鐘在T1時刻發送Sync同步報文，在T2時刻抵達從時鐘；從時鐘記下時刻T2，此時從時鐘僅持有時間戳T2。

二是由于Sync同步報文僅包含發送時刻T1的估計值，因此主時鐘在計算得到精確的T1取值后，發送攜帶時間戳T1的Follow_Up報文，從時鐘在接收該報文后獲得時間戳T1，此時從時鐘持有時間戳 T1與 T2。

三是在經過一定時延后，從時鐘發送延時請求報文Delay_Req，并在從時鐘端記錄下時間戳T3，此時從時鐘持有時間戳T1、T2與T3。

四是延時請求報文Delay_Req在時刻T4抵達主時鐘，主時鐘隨即發送帶有時間戳T4的延遲響應報文Delay_Resp，從時鐘在接收到延遲響應報文Delay_Resp后獲得時間戳T4，此時，從時鐘持有時間戳T1、T2、T3與T4。

五是計算時間偏移Toffset與傳輸延遲Tdelay，完成對時；其中，傳輸延遲Tdelay是主從時鐘之間的平均傳輸延遲，時間偏移Toffset是主從時鐘之間的不同步時間差，時間偏移Toffset與傳輸延遲Tdelay分別如式（1）和式（2）所示。

IEEE 1588協議同時對頻率和相位進行同步，在時鐘同步之前，先進行調諧，經調諧達到穩定狀態之后在使用乒乓算法進行時鐘同步。

2.2 不同步測量的誤差分析

考慮電能質量監測設備現場檢測方案的檢測精度，本文對標準法進行了改進，在標準表法中引入了對時與IEEE 1588協議，其原因在于不同步測量會導致檢測精度的下降，現對不同步采樣所引起的誤差進行分析，如圖4所示。

為簡化分析，假設信號是一個半周波的方波信號，檢測時長為一個周波T，待檢的電能質量監測設備自T1時刻開始測量，T3時刻結束測量，標準比對設備自T2時刻開始測量，T4時刻結束測量，信號自T0時刻產生，T1-TO=ΔE，電能質量監測設備和標準比對設備之間的時間偏移Toffset=ΔT。

不考慮其他誤差，則由電能質量監測設備測得的電壓有效值如式（3）所示，由標準比對設備測得的電壓有效值如式（4）所示；認為標準比對設備所測的值是無誤差的，則電能質量監測設備的電壓測量誤差如式（5）所示，考慮最極端的情況，ΔE=0，則誤差如式（6）所示。

由式（6）可以看到，在圖4所示的情況下，時間偏移Toffset越大，誤差越大，即對時的精度對檢測誤差產生直接的影響。需要說明的是，現場的情況較為復雜，電壓、電流的波形并非圖4所示的方波，也不一定是標準的正弦波；另外，由式（5）可以看出，檢測啟動時刻的不同也會對誤差的大小產生影響，因此由時間偏移Toffset引起的誤差并非式（5）或式（6）所示的簡單情況，但從現場測試的結果來看，大體上時間偏移Toffset越大，誤差也越大。

圖4 IEEE 1588協議對時原理

由上述分析可以看到，為了減少現場檢測方案的誤差，時鐘同步是必須的，同時時鐘同步的精度也要有所保證，因此本文在標準表法中引入了IEEE 1588協議。另外，由于時間偏移具有隨機性，因此，如果不進行對時，由時間偏移引起的誤差也無法從理論上進行補償。

3 現場檢測方案的軟硬件設計原理

諧振判別。在改進標準法中，最關鍵的設備即是標準比對設備，標準比對設備本質上是高精度的電能質量監測設備，考慮到檢測A級電能質量監測設備的需要，其測量精度要求極高；A級電能質量監測設備的精度要求為電壓±0.1%，頻率±0.01Hz等（具體可參見IEC 61000-4-30標準）。

為保證標準比對設備的精度高于IEC 61000-4-30所規定的A級電能質量監測設備的精度，本文采用如圖5所示的信號采集電路框圖。

圖5 信號采集電路框圖

在圖5中，信號采集及調理模塊電路采用了差分輸入，該電路具有抗干擾能力強、可靠性高的特點。輸入采樣信號經過運放與低通濾波調理電路后，輸入到18位同步采樣ADC，所有輸入通道均同時采樣，可以實現每通道200kSPS的最大吞吐量。ADC轉換器的DNL為±0.5LSB（典型值），INL為±2.0LSB（典型值）；內部集成了帶緩沖器的低漂移、高精度基準電壓，最大偏移漂移為3ppm/℃。此外，在A/D采樣環節還采取了抗頻率混疊的處理措施。

除了對硬件設備進行特別處理以滿足檢測精度要求外，本文還為改進標準法設計了電能質量檢測設備自動檢測軟件以實現現場檢測過程的全自動化。

電能質量監測設備自動檢測軟件主要由通訊/對時模塊、數據存儲模塊、數據處理模塊與人機交互界面四部分組成。其中，通訊/對時模塊、數據存儲模塊和數據處理模塊是無界面的功能模塊，人機交互界面是帶界面的功能模塊。通訊/對時模塊用于實現自動檢測軟件與電能質量監測設備、標準比對設備的通訊，進行信號數據以及控制命令的傳遞，同時也承擔IEEE 1588協議在軟件層面的實現；數據存儲模塊使用文件存儲的形式，提高數據存儲和查詢的效率；數據處理模塊實現檢測方案的管理、信號數據的分析以及處理；人機交互界面實現自動檢測軟件與檢測人員的人機交互，執行參數設定與檢測結果展示等功能。

標準比對設備與電能質量監測設備自動檢測軟件分別從硬件與軟件上支持IEEE 1588協議，在軟硬件上對改進標準表法進行支撐。

4 結語

由于電能質量監測設備的精度高，因此為了檢測電能質量監測設備是否合格，檢測設備及檢測方案的精度也要求極高。為了滿足現場檢測的要求，本文采用標準表法進行電能質量監測設備的現場檢測，通過對硬件設備的增強設計以及對標準表法的改進，使標準表法的檢測精度得到顯著的提升，滿足了檢測精度的要求。