(广东电网有限责任公司湛江供电局 524000)
摘要：尽管已有相关国际、国内标准规范电能质量监测装置的技术标准,但厂家由于自身技术水平和商业竞争需要,电能质量监测装置的检测仍存在不少问题。现在,电能质量监测装置分为数字式和模拟式,且其检测通信接口有很大差异。针对电能质量监测装置的检测多为电网工作人员手工操作,检测效率低、速度慢、准确度不高。目前现场检测技术的缺乏，已经安装在现场的电能质量监测装置难以开展准确度检测。为解决以上问题，文章设计了一种电能质量监测装置的现场检测系统，通过采用高精度的便携式电能质量监测装置作为标准比对设备、高精度的IEEE1588时间同步技术、自动读取标准比对设备以及受检设备的监测数据并自动计算误差，可以实现对安装在现场的电能质量监测装置进行现场准确度检测。通过实验室的测试表明，该电能质量监测装置现场检测系统操作简便，检测结果可靠，适用于长期在变电站现场运行的电能质量监测装置的测量准确度检测。
关键词：电能质量监测装置；现场检测；IEEE1588；准确度
0 引言
随着科技的发展，一些带有大功率电子开关元件和基于微处理器的控制器的现代用电设备对电能质量的要求越来越高，它们对电磁干扰都极为敏感，而且随着用户对电能质量认知的提高，越来越多的用户向供电部门提出了高质量的供电要求，另外，电能质量的恶化会带来譬如引起继电保护误动，增加附加损耗等问题，而且电力企业出于提高运行效率的需要，也在努力寻求提高电能质量新技术、新方法。作为电能质量监控的重要部分，电能质量监测不管是在电力技术的应用还是在系统的管理方面，都具有举足轻重的作用。并且，它是保证供电质量的一个前提要求。构建一个功能完善的电能质量监测网络，能够对上网电量进行统一管理，跟踪电网系统的实际运行状态，及时检测出电能质量状态，监控污染电能质量的因素，以便电网出现运行故障是提供必要的参数资料进行分析，同时为提高电能质量提供一个有力的技术支持，对于电网运行和电力设备的安全性，系统的稳定性都具有很大的作用。电能质量监测设备在恶劣的电磁环境中长期运行，其元器件性能失效难以避免，有可能影响到设备运行状态，从而影响监测结果的准确度。但受制于电能质量监测装置的现场检测技术、人力投入成本等因素，对于已经安装在现场的电能质量监测装置，几乎从未开展过定期检测，装置的运行状况及数据准确性无法保障。目前对电能质量监测装置的检测主要包括以下几种模式：定型试验或型式试验、入网测试、离线准确度测试。为落实电能质量监测装置的定期检测工作，本文提出了一种电能质量监测装置现场检测的方案及系统，采用高精度的便携式电能质量监测装置作为标准比对设备，在不改变安装在现场的电能质量监测装置接线的基础上，通过上位机软件实现对电能质量监测装置的全自动现场检测，可以满足对电能质量监测装置现场检测的需求。
1 电能质量监测装置现场检测技术
1.1 现场检测系统架构
为解决目前电能监测装置现场检测技术上的不足，本文提出了一种基于改进比对法的电能质量监测装置现场检测技术及系统，采用高精度便携式电能质量监测装置作为标准比对设备，与受检电能质量监测装置接入同一网络环境，通过交换机接入安装有全自动检测软件的笔记本电脑。同时，通过电流信号钳与受检电能质量监测装置接入同一信号源，与受检电能质量监测装置监测同一信号，二者将数据通过以太网传输至笔记本电脑，安装在笔记本电脑上的全自动检测软件以标准比对设备的测量值为标准值，对受检设备进行误差分析，并将检测结果以报告的形式导出。现场检测系统的架构如图1所示。
图1 现场检测系统架构图
1.2 关键技术研究
为了确保以上现场检测系统的可行性，以及检测结果的可靠性，一是需要保证标准比对设备的精度及测量精度高于受检设备；二是需要保证标准比对设备与受检设备的时间是同步的。
1.2.1 标准比对设备的精度
标准比对设备采用便携式电能质量测试仪。理想情况下，在实验室采用标准源法对设备进行检测时，标准源的精度要求为受检设备的10倍以上。采用比对法或改进比对法进行现场检测，比对设备设计应满足电能质量相关IEC、国标等要求，能实现基波电压、基波电流、频率、谐波和不平衡度、闪变等电能质量指标的测量，精度指标不能低于受检设备。标准比对设备的测量精度取决于采样的各个环节的精度，一般来说，标准比对设备的采样环节从功能上可以划分为测量信号调理、滤波、采样这3个环节。为了保证标准比对设备的精度，需要尽可能地从以上3个环节提高精度。对于采样环节，可采用高精度的并行采样AD实现高精度的同步采样。对于滤波环节，需要在保证输入信号的高保真性的同时，滤除外界传入的高频干扰信号，这就需要实现通带内信号的高保真性，以及阻带内信号的高衰减性。
1.2.2 时间同步技术的研究
采用相同时间点的受检设备和比对设备的测量值计算误差，若时间不同步则改进比对法将失去意义，因此采用改进比对法进行现场检定最关键的问题就是受检设备、比对设备的时间同步问题。考虑到IEEE1588校时技术在变电站中的应用，今后IEEE1588对时技术将成为各类计量表计的发展趋势，本文采用IEEE1588校时方式对受检设备以及标准比对设备进行校时。IEEE1588对时的基本原理是作为从时钟的设备内含时钟与主时针之间通过同步报文传输，实现主从时钟同步的过程，其同步过程分为确定主时钟、主从时钟调谐、偏移校正、延迟校正加一个主要步骤，通过Sync、Follow_up、Delay_Request、Delay-Response四类报文实现同步。主时钟周期性地向从时钟发送同步报文，接收从时钟发送过来的报文，通过一系列的报文传输，使从时钟时间变化率与主时钟变化率一致，这个过程称为主从时钟的调谐过程。调谐稳定是进行同步的前提。进行调谐之后，再进行偏移校正。偏移校正指主时钟和从时钟的时间偏差校正。校正过程如图2所示。图2中，t1为主时钟发送同步报文的时间，t2为从时钟收到同步报文的时间，t3为从时钟发送延时请求报文的时间，t4为主时钟收到延时请求报文的时间。假设路径是对称的，也即同步报文的收到延时与延时请求报文的发送延时相同。从时针相对于主时钟的偏差和传输延时计算公式为：
图2 IEEE1588时间同步原理图
在复杂的网络中，一般依据最佳主钟算法确定域内的基准时钟［8］。但本文提出的电能质量监测装置现场检测系统网络结构相对简单，人为将标准比对设备设置为主时钟，对安装在现场的电能质量监测装置进行时间的校对。时间同步的具体流程图如图3所示。
图3 时间同步流程图
2 全自动现场检测软件
2.1 软件功能架构
全自动检测软件采用模块化设计，主要由通信程序、数据存储模块、检测模块三部分组成。其中通信程序和数据存储模块是无界面功能模块，检测模块是有界面功能模块。通信程序用于实现与电能质量监测装置、电能质量标准源的通信，实现数据采集以及控制；数据存储模块使用文件存储形式，提高数据存储和查询的效率；检测模块采用MFC架构，其主要功能包括：1）自动调度（包括启动、退出）各通信程序、数据存储模块，管理全自动过程；2）提供检测方案的编辑和管理；3）提供数据分析功能，将测量值与标准值进行比较，计算误差；4）提供与检测人员的人机交互界面，供检测人员输入、查看、编辑、输出信息。全自动现场检测软件功能架构如图4所示。
图4 全自动检测软件功能架构图
2.1.1 通信模块
标准比对设备与受检设备采用直采式的方式进行通信及数据的传输。为实现不同通信规约的电能质量监测装置的快速接入，系统内置了常用电能质量监测装置的规约库。对于没有在规约库中的电能质量监测装置，只需开发对应的驱动程序，即可实现监测装置的快速接入。
2.1.2 数据存储模块
全自动检测软件使用文件的方式对检测相关数据进行缓存，每执行一次检测任务，将新建对应该任务的文件夹，将检测过程中所生成的数据，包括设备信息、检测过程采集的标准比对设备以及受检设备的实时数据、最终检测报告等，全部自动存储到该文件夹中，便于后续的管理。
2.1.3 检测模块
检测模块主要用来设置标准比对设备以及受检设备的通信参数、配置检测方案、执行检测方案、计算检测误差、生成检测报告等，是实现现场检测系统人机交互的重要模块。
2.2 现场检测流程现场检测流程如图5所示。
图5 现场检测流程
2.3 检测内容及检测方案的设计
不同于实验室检测，现场检测的环境复杂，检测时长和流程等受制于现场环境。因此，现场检测的检测内容不宜过于复杂。此外，现场检测无法像实验室检测，可以人为控制各类信号的输入，其数据来源于监测点的实际信号，因此，对于随机性测量量的检测，现场检测不予以考虑。同时，不同现场的监测点实际信号情况往往差别较大，可能出现个别测量量的信号较小或为零的情况，通过现场检测无法对其误差进行判断。例如，在实际情况中，某次谐波电流的数据几乎为零，标准比对设备以及受检设备可能几乎检测不到该次谐波电流的数值。因此，需要结合不同现场的实际情况，制定不同的检测方案，以提高现场检测的效率以及检测结果的可信度。针对以上情况，本文引入了检测方案的概念，并通过预先制定检测方案的模板来减少现场检测的工作量。利用检测方案的方法，可以将常用的检测项目配置成检测方案模板，在现场仅需要进行少量的修改，无需重新配置检测方案，大幅度降低现场的重复性工作。
2.4 准确度计算
现场检测软件根据检测方案确定电能质量指标的检测项目，并对存储在本地的标准比对设备及受检电能质量监测装置的实时测量值进行准确度计算。对于每个检测项目，获取标准比对设备以及受检设备的N组实时数据，取连续的M个数据计算其均方根值，并基于标准比对设备以及受检设备的均方根值计算其相对误差，根据计算出来的相对误差判断受检设备的测量值是否准备。若有1组数据的相对误差不合格，则认为该检测项的测量准确度不合格。准确度计算的流程如图6所示。
图6 准确度检测流程图
3 现场检测系统的应用
基于本文所提出的技术方案，已研制了1套全自动现场检测系统，并在实验室用Fluke6100模拟现场信号，对该电能质量现场检测系统的可行性进行测试。其中，标准比对设备事先已经通过标准源进行了校准，确保其测量的可靠性。标准源施加频率为50 Hz电压及电流信号，基波电压为57.74 V，基波电流为5 A，2～25次谐波电压含量为0.5%，2～25次谐波电流含量为1%。由于篇幅的限制，本文给出了部分检测项目的检测结果。检测结果如表1所示。
表1 部分检查项目检测结果
由表1可知，本文设计的电能质量监测装置现场检测系统可以实现对电能质量监测装置的现场检测。在实验室模拟现场环境的测试过程中，只需要进行简单的接线工作，整个检测过程不超过1 h。从数据以及实际操作情况来看，该系统可以满足对电能质量监测装置现场检测的需求，操作简单、检测效率高。
4 结语
高耗能、电气化铁路等大量非线性、冲击负荷的接入,造成电网中的电能波形发生畸变,尤其电铁谐波源引起电压凹陷,结束时又快速恢复,造成电能质量严重恶化;随着工业自动化水平的提高,智能器件大量应用于工业过程控制,对供电质量要求得非常高,电压跌落故障易造成PLC控制器的指令系统出错,也会出现计算机和数字存储设备产生数据丢失和运行不稳定等故障。而这些精细过程控制更容易受到电力系统抖动的影响,其产生的干扰和带来的结果可能是致命的。因此现代社会对电网的品质提出的要求越来越高,供电部门必须满足较高的供电质量的要求。电能质量监测装置在恶劣的电磁环境中长期运行，其测量准确度难以得到保证。为解决对安装在现场的电能质量监测装置的现场检测问题，本文提出了一种电能质量监测装置现场检测系统的设计方案，通过采用高精度的便携式电能质量监测装置作为标准比对设备、高精度的IEEE1588时间同步技术、自动读取标准比对设备以及受检设备的监测数据并自动计算误差，可以实现对安装在现场的电能质量监测装置进行现场准确度检测。该系统内置有检测方案模板，并可根据现场实际的信号情况对检测方案进行调整。测试结果表明，整个现场检测过程操作简单、耗时短、检测结果可信度高，可以很好地解决目前电能质量监测装置的现场检测问题。
参考文献:
［1］ 罗忠游，李俊庆，孙谊媊，等．电能质量监测装置自动检测平台研究［J］．电气技术，2017，18（5）．
［2］罗忠游,电能质量监测装置自动检测平台研究[J]. 电气技术. 2017(05) .
[3] 周永明,许进亮,王淑炜,王真真,张洪彬.一种提高国产ADC模块采样精度的方法[J]. 计算机测量与控制. 2015(12).
论文作者:冯文秋
论文发表刊物:《电力设备》2018年第30期
论文发表时间:2019/4/3
标签：电能论文; 现场论文; 装置论文; 质量监测论文; 设备论文; 比对论文; 标准论文; 《电力设备》2018年第30期论文;