國網(wǎng)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(jīng)濟的發(fā)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(chǎn)、生活中。一方面這些尖端的精密儀器造價昂貴，對電網(wǎng)所供電能的質(zhì)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(tǒng)用電設備影響較小的電能質(zhì)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(jīng)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(chǎn)生嚴重的諧波電壓及電流，對電網(wǎng)及附近其他用電設備的電能質(zhì)量水平造成影響。

電能質(zhì)量在線監(jiān)測系統(tǒng)是監(jiān)測電網(wǎng)電能質(zhì)量的主要手段，通過該系統(tǒng)可以完成電網(wǎng)電能質(zhì)量水平的評估、電能質(zhì)量數(shù)據(jù)的分析，以及電能質(zhì)量事故責任的劃分等任務，而其基石與“眼睛”則是電能質(zhì)量監(jiān)測設備。也就是說，電能質(zhì)量監(jiān)測設備的好壞、運行時工作狀況的正常與否、監(jiān)測精度的高低對電網(wǎng)電能質(zhì)量的監(jiān)測水平至關重要。因此，對電能質(zhì)量監(jiān)測設備的定時、周期性檢測，確保其各項功能的正常運轉(zhuǎn)、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(nèi)外專家學者對電能質(zhì)量的監(jiān)測設備及其檢測技術已經(jīng)進行了深入的研究。IEC61000-4-30《試驗和測量技術-電能質(zhì)量的測量方法》，規(guī)定了50/60Hz交流電系統(tǒng)電能質(zhì)量的參數(shù)測量和評估方法，對電能質(zhì)量監(jiān)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(zhì)量監(jiān)測設備通用要求》和DL/T 1028《電能質(zhì)量測試分析儀檢定規(guī)程》，也對電能質(zhì)量監(jiān)測設備的測量準確度檢測做出了規(guī)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(zhì)量領域公司基本占據(jù)了高端電能質(zhì)量產(chǎn)品的市場，如FLUKE公司有Fluke43系列便攜式電能質(zhì)量分析儀、Fluke17系列在線式電能質(zhì)量記錄儀以及Fluke6100/6105系列功率標準源。在國內(nèi)，各大高校基于ADC+DSP/ FPGA+MCU的結(jié)構(gòu)研制出了各種電能質(zhì)量監(jiān)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(fā)出了應用于電能質(zhì)量領域的iMeter系列高端智能電表，達到了國際領先水平。

傳統(tǒng)的電能質(zhì)量監(jiān)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(zhì)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(zhì)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(zhì)量監(jiān)測設備校驗檢測系統(tǒng)，該系統(tǒng)是國內(nèi)首個電能質(zhì)量監(jiān)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(zhì)量指標的檢測工作。

但上述裝置或系統(tǒng)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(zhì)量監(jiān)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(yè)和研究機構(gòu)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(jīng)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(fā)了電能質(zhì)量監(jiān)測設備的自動檢測或校驗平臺，能夠?qū)崿F(xiàn)對電壓、電流、頻率、諧波以及三相不平衡等多項電能質(zhì)量指標的自動檢測[3]。但是，這種方法還在研究和發(fā)展中，目前尚難以應用于接線復雜、條件惡劣的現(xiàn)場環(huán)境之中，只能在實驗室中對電能質(zhì)量監(jiān)測設備進行批量、自動化的檢測。

然而，對于電網(wǎng)而言，對已安裝運行的電能質(zhì)量監(jiān)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(zhì)量在線監(jiān)測系統(tǒng)規(guī)模的快速增大，電能質(zhì)量監(jiān)測設備的數(shù)量也迅速增長，在國家電網(wǎng)和南方電網(wǎng)已有超過10000臺的電能質(zhì)量監(jiān)測設備安裝投運，并且這一數(shù)字還在不斷地增加。根據(jù)電力行業(yè)標準DL/T 1298-2013《靜止無功補償裝置運行規(guī)程》和國網(wǎng)企標Q/GDW 1650.4-2016《電能質(zhì)量監(jiān)測技術規(guī)范第4部分：電能質(zhì)量監(jiān)測終端檢驗》，電能質(zhì)量監(jiān)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(zhì)量監(jiān)測設備需要檢測，如果把這些電能質(zhì)量監(jiān)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(zhì)量監(jiān)測設備現(xiàn)場檢測技術、裝置及方案是勢在必行的。

1 電能質(zhì)量監(jiān)測設備現(xiàn)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(zhì)量監(jiān)測設備現(xiàn)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(zhì)量監(jiān)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(zhì)量監(jiān)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(zhì)量監(jiān)測設備和標準信號源，隨后，電能質(zhì)量監(jiān)測設備和標準信號源通過GPS、IRIG-B碼、SNTP協(xié)議或者其他對時協(xié)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(shù)（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(jīng)交換機傳輸至標準信號源，隨后，標準信號源調(diào)整信號的參數(shù)至設定值，待信號輸出穩(wěn)定后返回信號待檢參數(shù)的當前值以及參數(shù)設定成功回執(zhí)。

三是收到標準信號源的參數(shù)設定成功回執(zhí)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(shù)等信息，檢測命令同時下達給標準信號源與待檢的電能質(zhì)量監(jiān)測設備。

四是依據(jù)檢測命令所指定的檢測啟動時間，電能質(zhì)量監(jiān)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(shù)的值。

五是依據(jù)檢測命令所指定的檢測時長，電能質(zhì)量監(jiān)測設備完成對標準信號源信號的測量，給出信號待檢參數(shù)的測量結(jié)果；同時，標準信號源返回檢測時間段內(nèi)待檢參數(shù)的值。

六是檢測軟件匯總、處理由標準信號源和電能質(zhì)量監(jiān)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(jié)果。

與傳統(tǒng)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(zhì)量監(jiān)測設備進行檢測的要求。

標準源法結(jié)構(gòu)簡單、短時間量化誤差小，在實驗室中進行檢測時，能夠?qū)Χ嗯_電能質(zhì)量監(jiān)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(zhì)量監(jiān)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(zhì)量監(jiān)測設備重新安裝回電網(wǎng)之中，工作量大、操作復雜，其中任何一個環(huán)節(jié)出錯皆會對電能質(zhì)量監(jiān)測設備后續(xù)的安全、可靠運行產(chǎn)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(xiàn)損壞，采用標準源法的現(xiàn)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(zhì)量監(jiān)測設備的現(xiàn)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(xiàn)場信號進行測量，比較標準比對設備和電能質(zhì)量監(jiān)測設備的測量結(jié)果，檢測電能質(zhì)量監(jiān)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(zhì)量監(jiān)測設備和標準比對設備，隨后，電能質(zhì)量監(jiān)測設備和標準比對設備通過GPS、IRIG-B碼、SNTP協(xié)議或者其他對時協(xié)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(shù)（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(zhì)量監(jiān)測設備。

三是依據(jù)檢測命令所指定的檢測啟動時間與檢測時長，電能質(zhì)量監(jiān)測設備與標準比對設備分別對現(xiàn)場信號進行測量，給出待檢參數(shù)的測量結(jié)果。

四是檢測軟件匯總、處理由標準比對設備和電能質(zhì)量監(jiān)測設備分別輸出的測量結(jié)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(jié)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(zhì)量監(jiān)測設備進行檢測的要求。標準表法可直接采用現(xiàn)場信號對電能質(zhì)量監(jiān)測設備進行檢測，無須拆線，適合應用于電能質(zhì)量監(jiān)測設備的現(xiàn)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(xiàn)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(xié)議的現(xiàn)場檢測方案

2.1 IEEE 1588協(xié)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(xiàn)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(xié)議對時精度較低，僅1ms，因此，會帶來較大的誤差。IEEE 1588協(xié)議是一種用于分布式測量與控制網(wǎng)絡的高精度時鐘同步協(xié)議，可通過以太網(wǎng)接口實現(xiàn)對時，與控制命令及測量數(shù)據(jù)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(xié)議的標準表法實現(xiàn)對電能質(zhì)量監(jiān)測設備的現(xiàn)場檢測。

IEEE 1588協(xié)議實現(xiàn)對時的基本原理如圖3所示，是一種主從同步系統(tǒng)，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(xié)議對時原理

一是主時鐘在T1時刻發(fā)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(fā)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(fā)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(jīng)過一定時延后，從時鐘發(fā)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(fā)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(xié)議同時對頻率和相位進行同步，在時鐘同步之前，先進行調(diào)諧，經(jīng)調(diào)諧達到穩(wěn)定狀態(tài)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(zhì)量監(jiān)測設備現(xiàn)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(xié)議，其原因在于不同步測量會導致檢測精度的下降，現(xiàn)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(zhì)量監(jiān)測設備自T1時刻開始測量，T3時刻結(jié)束測量，標準比對設備自T2時刻開始測量，T4時刻結(jié)束測量，信號自T0時刻產(chǎn)生，T1-TO=ΔE，電能質(zhì)量監(jiān)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(zhì)量監(jiān)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(zhì)量監(jiān)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(chǎn)生直接的影響。需要說明的是，現(xiàn)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(chǎn)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(xiàn)場測試的結(jié)果來看，大體上時間偏移Toffset越大，誤差也越大。

圖4 IEEE 1588協(xié)議對時原理

由上述分析可以看到，為了減少現(xiàn)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(xié)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(xiàn)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(zhì)上是高精度的電能質(zhì)量監(jiān)測設備，考慮到檢測A級電能質(zhì)量監(jiān)測設備的需要，其測量精度要求極高；A級電能質(zhì)量監(jiān)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(guī)定的A級電能質(zhì)量監(jiān)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(diào)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(jīng)過運放與低通濾波調(diào)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(xiàn)每通道200kSPS的最大吞吐量。ADC轉(zhuǎn)換器的DNL為±0.5LSB（典型值），INL為±2.0LSB（典型值）；內(nèi)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(huán)節(jié)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(zhì)量檢測設備自動檢測軟件以實現(xiàn)現(xiàn)場檢測過程的全自動化。

電能質(zhì)量監(jiān)測設備自動檢測軟件主要由通訊/對時模塊、數(shù)據(jù)存儲模塊、數(shù)據(jù)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(shù)據(jù)存儲模塊和數(shù)據(jù)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(xiàn)自動檢測軟件與電能質(zhì)量監(jiān)測設備、標準比對設備的通訊，進行信號數(shù)據(jù)以及控制命令的傳遞，同時也承擔IEEE 1588協(xié)議在軟件層面的實現(xiàn)；數(shù)據(jù)存儲模塊使用文件存儲的形式，提高數(shù)據(jù)存儲和查詢的效率；數(shù)據(jù)處理模塊實現(xiàn)檢測方案的管理、信號數(shù)據(jù)的分析以及處理；人機交互界面實現(xiàn)自動檢測軟件與檢測人員的人機交互，執(zhí)行參數(shù)設定與檢測結(jié)果展示等功能。

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

4 結(jié)語

由于電能質(zhì)量監(jiān)測設備的精度高，因此為了檢測電能質(zhì)量監(jiān)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(xiàn)場檢測的要求，本文采用標準表法進行電能質(zhì)量監(jiān)測設備的現(xiàn)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。