基于智能化的便攜式配電自動化測試儀控制系統設計

摘要：針對傳統配電自動化測試設備體積大、功能分散、操作復雜等問題，設計了基于智能化的便攜式配電自動化測試儀控制系統。該系統集成電源管理、標準電壓電流輸出、開關量信號采集與輸出等模塊，采用觸控一體機實現人機交互界面，開發自動化測試軟件。測試結果表明，該系統可以有效提高配電自動化設備的現場檢測和運維效率。

關鍵詞：配電自動化；便攜式測試儀；智能化；控制系統

中圖分類號：TP273；TM76 文獻標識碼：A

0 引言

隨著智能電網建設的快速推進，配電自動化系統在提高供電可靠性和運行效率方面發揮著越來越重要的作用。配電自動化設備的安裝調試和運行維護是保障系統正常運行的關鍵環節，而現有的測試設備存在體積大、攜帶不便、功能分散、操作復雜等問題，難以滿足現場快速檢測的需求。因此開發便攜、集成、智能的配電自動化測試儀具有重要意義。

1 系統總體設計

1.1 設計思路和原則

便攜式配電自動化測試儀控制系統設計著眼于現場應用和智能測試，旨在降低操作難度并且提高設備便攜性。系統設計秉持功能齊全、操作簡單、全面替代傳統測試設備的原則，通過集成電源管理、標準電壓電流輸出、開關量信號采集與輸出、模擬開關和模擬主站等模塊，實現多功能融合。采用觸控一體機作為人機交互界面，配合自主開發的自動化測試軟件，大幅提升操作便利性。模塊化設計和功能集成使設備實現小型化和智能化，滿足現場快速檢測需求。

1.2 系統結構

系統結構采用3 層設計，包括站控層、間隔層和過程層，如圖1 所示。站控層和過程層分別承擔模擬主站和模擬開關的功能，用于數據傳輸單元（ data transfer unit，DTU）測試及其與開關柜的聯調測試。間隔層作為模擬DTU，用于開關柜的測試。硬件框架由電源管理、人機接口和測試接口3 個部分構成。電源管理整合了交流電輸入、電池充放電管理和直流輸出管理功能[1]。人機接口采用觸控一體機和音箱組合，提供直觀的操作體驗。測試接口涵蓋網口通信、DTU 測試信號發生、模擬斷路器、開關測試遙控輸出、遙信輸入、三相電壓電流和設備供電等多種接口。

1.3 關鍵技術

系統的核心技術包括設備電源管理及低功耗技術、標準電壓電流輸出技術、開關量信號采集及輸出技術、模擬開關裝置技術、模擬主站技術和模擬DTU 技術。電源管理技術可以實現交直流自適應供電，以解決現場無交流電的難題。標準電壓電流輸出技術采用高精度標準源（具備0.002% 調節細度、0.05% 準確度的標準電壓電流源），嚴格符合《國家電網公司電力二次設備檢驗規程》中對電壓、電流的性能檢測要求。開關量信號采集及輸出技術基于可編程邏輯控制器，能夠達到毫秒級響應速度。模擬開關裝置技術主要是采用繼電器自鎖電路設計，提高其可靠性。模擬主站技術基于配電DL/T0634.5104 規約（簡稱“104 規約”）進行開發，確保通信的標準化和兼容性。

2 硬件系統設計

2.1 電源管理模塊

電源管理模塊采用交直流自適應供電技術，支持交流（alternating current，AC）220 V 輸入和48 V/20 A·h 鋰電池供電。該模塊具備智能充放電管理功能，有效防止電池過充、過放和鈍化。充滿電可支持設備待機20 天或連續工作8 h。其還集成了遠程控制活化結點（RA、RN）、遠程電池輸出關斷結點（BN）和交流失電、電池欠壓、電池活化狀態、電源故障等信號輸出結點（AN、BL、BR、OV），實現整個終端系統電源的智能管理。設備具備輸出過壓、過流和短路保護功能，工頻耐壓2 500 Vac，沖擊耐壓5 kV，滿足安全規范和標準的要求。

2.2 標準電壓電流輸出模塊

標準電壓電流輸出模塊采用高精度數字信號處理技術，實現三相交流電壓、電流的精確輸出。電壓量程包括57 V、100 V、220 V，調節范圍為0 ～ 120% 量程（RG），調節細度為0.002% RG，準確度為0.05% RG。電流量程包括1 A、5 A、10 A，具有相同的調節范圍、細度和準確度。模塊支持波形反演和狀態序列輸出功能，失真度≤ 0.2%（非感性負載）[2]。系統可快速生成典型調試值，如電流相序（A：1 A；B：2 A；C：3 A）和電壓相序（A：10 V；B：20 V；C：30 V），滿足配電終端的邏輯功能試驗需求。

2.3 開關量信號采集與輸出模塊

開關量信號采集與輸出模塊基于高性能可編程邏輯控制器進行設計。采集部分采用光電隔離技術，支持16 路開關量信號同時采集，采樣頻率高達1 kHz，遙信響應時間小于1 ms。輸出部分采用繼電器驅動電路，可輸出12 路獨立控制信號。模塊集成狀態指示功能，通過發光二極管（lightemittingdiode，LED）燈實時顯示每路信號的狀態。如圖2 所示，模塊設計采用公共端（common，COM）作為信號的共用參考點，需考慮抗振動要求，達到GB/T 11287—2000 標準Ⅰ級。采用接線端子方式接線，設有調試操作按鈕和充電、放電、活化狀態、電池欠壓和電源故障顯示，便于安裝調試和使用。

2.4 模擬開關模塊

模擬開關模塊采用繼電器自鎖電路設計，實現對斷路器開關狀態的精確模擬。合閘時，繼電器自鎖并輸出合位信號，同時點亮合閘指示燈；分閘時，繼電器破除自鎖，輸出分位信號并點亮分閘指示燈。相較于磁保持繼電器模擬開關，該方法便于程序控制和外部合分閘電路配合，同時節省專用磁保持繼電器，從而降低成本。該模塊配備手動控制按鈕，支持現場手動操作。為提高可靠性，采用雙重保護設計，包括機械互鎖和電氣互鎖，有效防止誤操作。模塊還支持遠程控制接口，可與自動化測試系統無縫集成。

2.5 模擬主站模塊

模擬主站模塊基于觸控一體機設計，安裝自主開發的自動化測試軟件。模塊實現了配電DL/T 0634.5104 規約，模擬主站模塊支持與被測DTU設備通過網口連接，實現數據召測和控制命令下發。該模塊具備自動化測試功能，可控制三相電壓電流源按預設序列輸出電壓和電流，以及模擬過流工況，同時自動召測DTU 的測量數據，檢查電壓、電流采集的準確性、相序一致性以及過流報警觸發情況[3]；支持遙控功能測試，可發出遙控分合閘命令，檢查模擬開關動作是否與控制命令一致，同時驗證DTU 分合位遙信狀態；通過信號發生器發出序列開關量信號，檢查DTU 遙信觸發和SOE 信號（事件順序記錄）變位情況；配備的觸控顯示屏可以提供直觀的操作界面，便于現場人員快速完成測試任務。

3 軟件系統設計與應用

3.1 人機交互界面

人機交互界面基于觸控一體機設計，界面分為功能模塊選擇、參數設置和結果顯示區。系統集成語音提示功能，通過內置音箱播放操作指引和測試狀態。界面支持電壓電流測試、開關量測試和通信測試等多種功能模塊的快速切換。參數設置區采用輸入框和下拉菜單，便于快速配置。結果顯示區采用數值和圖表兩種方式展示測試數據，包括電壓電流實測值、開關量狀態、誤差分析曲線圖、實時波形圖等。系統提供日間和夜間兩種顯示模式，以適應不同光線強度的環境[4]。界面集成遠程控制功能，通過快捷按鈕實現開關柜的遠程分合閘操作。

3.2 自動化測試軟件

自動化測試軟件采用模塊化結構，包括測試計劃管理、數據采集處理、故障診斷和報告生成等模塊。測試計劃管理模塊支持自定義測試序列，可以根據設備類型靈活配置。數據采集處理模塊實現了電壓、電流、開關量信號的實時分析，采用數字濾波算法提高其準確性。故障診斷模塊基于專家系統技術，快速定位常見故障。報告生成模塊自動生成標準化測試報告，報告內容包括測試數據、波形圖表和結果分析。軟件與模擬主站無縫集成，自動執行三遙數據召測、遙控命令下發等操作。該軟件還支持遠程升級功能，方便更新測試標準和診斷算法。

3.3 快速接線模塊

快速接線模塊采用標準化航空插頭設計，實現現場接線的快速化和標準化。插頭使用不同形狀和顏色編碼，避免錯誤接線。模塊支持DTU 測試、開關柜測試等多種場景，為每種測試設計專用的接線組件。接線組件內部集成信號轉換和隔離電路，以簡化接線步驟。配備線纜管理系統，包括伸縮式線纜盤和快速鎖定機構，便于收納和展開[5]。模塊集成自動檢測功能，識別已連接設備類型，自動加載測試參數，支持虛擬接線功能，通過觸控屏幕進行虛擬連接操作，自動檢查接線正確性。

3.4 系統測試與應用分析

系統測試包括實驗室和現場應用兩個階段，實驗室測試驗證功能模塊的性能，電壓電流輸出準確度達0.05% RG，開關量響應時間小于1 ms，現場應用測試覆蓋多種DTU 和開關設備。表1 為配電自動化測試儀系統性能對比。結果顯示，本文系統大幅提高了檢測效率，其便攜性和集成度較好，且內置電池在無交流電源環境中優勢明顯。自動化測試軟件的故障診斷準確率為95%，快速接線模塊顯著縮短了接線時間。通過分析發現本文系統在效率、準確性和人力需求方面表現出顯著優勢，但在復雜電磁環境下的抗干擾性仍需改進。

4 結語

基于智能化的便攜式配電自動化測試儀控制系統集成多種功能模塊，采用觸控一體機和智能測試軟件，實現便攜性、集成性和智能化的有機結合。該系統在配電自動化設備的現場檢測和運維中得到應用，顯著提高了工作效率和測試準確性。未來可進一步優化系統的小型化設計，擴寬被測產品范圍，提高系統的適用性和實用性。

參考文獻

[1] 湖南電網推廣應用便攜式配電自動化綜合測試儀[J].農村電氣化，2024（4）：59.

[2] 趙冰，陳子元. 新型便攜式智能綜合測試儀在配電自動化中的應用[J]. 大眾用電，2023，38（9）：26，34.

[3] 歐世鋒，高立克，李克文，等. 配電終端自動化測試系統的設計與實現[J]. 廣西電力，2020，43（1）：26-29.

[4] 麻勇，王勇. 便攜式制動性能測試儀靜態校準裝置的校準方法研究[J]. 計量與測試技術，2024，51（7）：70-72.

[5] 沃建棟，張文杰，葉國棟，等. 配電終端測試儀自動校準系統的設計與應用[J]. 國外電子測量技術，2019，38（11）：91-96.