综合电参数及电能质量分析检测标准平台的研究

陈　兵

(河南省计量科学研究院， 郑州 450008)



综合电参数及电能质量分析检测标准平台的研究

陈兵

(河南省计量科学研究院， 郑州 450008)

摘要：介绍了构建综合电参数及电能质量分析检测标准平台的背景，以及相关监测检测仪器设备的技术现状，提出了标准平台的硬件组成，描述了具体标准器的工作原理，介绍了标准平台的技术指标数据比对情况及结果分析和判断。

关键词：综合电参数；电能质量分析；检测标准平台；比对

进入21世纪以后，国内外电力企业及相关科研机构都把提高和改善电力系统供配电领域中的电能质量作为电力建设和发展的重要课题之一进行研究。现代化的生产制造领域中，越来越多的高科技生产设备对电能质量的要求越来越高，对供电波动影响也越来越敏感。众多以微处理器为核心的自动控制仪器及设备应用于高精密的生产、制造及科研中，在这些设备中，电力电子技术在提高生产效率的同时，也使得主要负荷日趋非线性化与时变化，大量干扰源给电网电能质量带来了污染[1]。近年来，用户端非线性负载占比越来越大，已经取代电网负载，成为电网电能质量污染的主要根源，由于电能质量的不稳定造成的生产事故也屡见不鲜。电力企业通过不断进行技术创新与技术改造，以改善电网电能质量水平，并通过安装各种综合电参数及电能质量监测设备来监测整个电网电能质量实时参数。大中型企业也愈加认识到电能质量指标对于生产的重要意义，相继开始使用综合电参数及电能质量监测、检测仪器设备，对企业内部的供电网络及生产线进行参数监测及数据采集。

关于电能质量参数指标,国家也出台了很多标准。例如，GB12326-2008《电压允许波动和闪变》规定了电压波动及闪边的限值及测试计算评估方法；GB/T15543-2008《三相电压不平衡》规定了三相电压不平衡的限值及计算测量取值方法；GB/T14549-1993《电能质量公用电网谐波》、GB/T24337-2009《公用电网间谐波》规定了公用电网谐波及间谐波的限值，并明确了谐波源注入电网的谐波电压及谐波电流的限值[2]。其中，GB/T14549-1993《电能质量公用电网谐波》在附录中还明确提出了适合于谐波指标检测及监测的测量仪器的要求。国家质检总局于2015年发布实施的JJF1491-2014《数字式交流电参数测量仪校准规范》对综合电参数类测试设备中输入信号频率范围为40～1 000 kHz的数字式交流电参数测量仪、数字显示多功能测量仪的交流电参数部分的校准作出了规定，河南省质检系统也对相关综合电参数及电能质量监测设备及仪器的规范、规程进行了研究与制定。

目前，对综合电参数及电能质量指标进行准确有效的监测和数据采集成为电力系统以及大中型生产制造企业、相关科研机构共同关注的问题，而让测量仪器更精确地采集捕捉数据，提升测量仪器的准确度和稳定性是很多仪器仪表制造商不断追求的目标。在电力系统中，为了能够更有效地对谐波污染进行治理，会使用手持式或者在线式的电能质量监测仪器对电网进行定期检测或实时监控。生产制造企业为了及时准确掌握相关监测数据，也大都会配备变压器、电动机参数测试设备和综合电能质量分析仪。在用户使用的为数众多、型号不一的综合电参数及电能质量检测仪器设备中，由于制造商技术水平参差不齐，各类产品质量差异很大，部分仪器仪表并不能真实地反映出即时的数据信息，不能精准地提供用户所需要的数据记录，造成用户不能根据所得数据进行后续的工作。

为了规范综合电参数及电能质量分析仪器仪表设备市场，提高相关设备的监测、测量准确性，保证国家量值溯源及量值传递的统一性，河南省计量科学研究院在自主研发的基础上建立了一套综合电参数及电能质量检测的标准平台。

1综合电参数、电能质量监测仪器设备及技术研究现状

目前，国内主流生产企业生产的有关电参数及电能质量监测仪器大多采用交直流信号转换技术和数字信号同步采样技术进行设计[3]。通常设计精度为0.5级、0.2级，在一些有更高要求的使用环境下，精度设计也会优于0.2级，并都预留通讯接口，可与上位机联机，自动采集并存储数据，部分仪器还带有自动分析功能，便于快速处理数据。通常情况下，这些仪器设备对周期信号进行采样，通过A/D转换对采集信号进行傅立叶数学分析，得到高次谐波信号[4]；有时也会在信号采集端加滤波器，过滤高次信号的干扰，得到较为准确的低次谐波信号。对于检定校准这类仪器的标准装置来说，制造厂商也会根据不同的使用环境推出相应的产品。这些产品大都采用比较成熟的DSP、DDS波形合成等技术和基于宽频标准源的设计方法，可以设置任意频率下的幅值及波形。用户通常根据自身需要进行不规则标准信号的合成，包括电压、电流的谐波、间谐波、闪变等指标参数。

国际上对谐波测试设备标准装置的研究始于20世纪五六十年代，但由于当时技术条件及使用环境的限制，仅能对电能质量监测、检测仪器的低次谐波进行量值标定。随着社会发展及科技进步，传统量值溯源传递方法已不能满足现代仪器仪表的计量需求，国内外科研单位及制造商开始加大对标准装置的研究力度，以保证量值溯源体系的完整性和可靠性。标准装置必须满足3个条件：能独立或者复合产生相关信号，信号变化范围必须覆盖电力分析仪所有测量范围，能够模拟实验室及现场环境。

2检测标准平台的基本框架

结合多年的综合电参数及电能质量分析设备检定校准经验，河南省计量科学研究院构建了检测标准平台，能够较好地对相关计量工作进行拓展，提高了检定校准效率和数据的可靠性。检测标准平台框架的基本组成如图1所示。

图1　检测标准平台框架组成示意图

在进行具体检定工作中，检测标准平台采用比较法进行测量，由多参量电测设备标准装置输出标准电压、电流、功率、相位、频率及功率因数等常规电参数指标，由三相电力谐波标准源输出谐波、闪变、三相不平衡等电能质量技术指标。两套主标准器的输出信号同步输入被检仪器和采样监控设备中。

3检测标准平台硬件组成

3.1多参量电测设备标准装置

多参量电测设备标准装置采用多级隔离，有较强的安全保障和抗干扰能力及电路稳定性；具有快速的电流电压过载保护报警功能；具有多级波形反馈，确保有较低的失真度。装置具有很强的负载能力，负载最大可达150 VA以上；负载效应好，标准源满负荷的情况下对装置准确度的影响非常小[5]。其最大直接输出电压可达1 100 V，最大直接输出电流可达110 A，覆盖了大多数被检设备的测量范围。其总体构架如图2所示。

图2　多参量电测设备标准装置构架示意图

3.2三相电力谐波标准源

三相电力谐波标准源能够在线和离线检定校准综合电参数、电能质量等计量参数指标，能够迅速、可靠和准确地输出被检设备所需要的各种电量信号。在实际计量工作中，能够复现电力波形、失真事件以及诸如谐波失真、调制谐波、间谐波、闪变和骤升骤降等电学现象，并且可以根据需要同时复现这些现象。三相电力谐波标准源能够最高输出63次谐波电压和谐波电流，并能根据需要进行单次或多次谐波叠加输出，实时显示各次谐波含量、相位等参数。目前检测平台在用的三相电力谐波标准源是经过中国计量科学研究院连续有效溯源的合法谐波计量标准,连续有效的溯源保证了谐波参数量值的有效性及可靠性。

3.3同步采样监控设备

从理论上讲，同步采样要使系统频率和采样频率能够保持比率为n的正比例关系。在采样过程中，傅立叶变换对象是连续周期信号。在实际参数测量过程中，上述比例关系很难保持，系统信号与采样点不能保持一致时，信号数据会产生较大的幅值失真和频率失真，误差较大，所得数据不能准确反映设备真实计量性能。同步信号采样与非同步信号采样情况如图3和图4所示。

图3　同步信号采样示意图

图4　非同步信号采样示意图

改善同步采样效果通常采用的方法是使标准信号源与被测仪器设备的采样模块处于相同的时钟信号(使用同一时钟源)条件下，即给两者相同的起始信号。这种方法虽然在一定程度上能够提升测量结果的准确性，但对于有高精度测量技术指标要求的设备来说则效果甚微。本文选用8.5位高精度数字多用表(3458A)作为同步监控设备，利用其自身的技术指标优势与快速灵活的采样特点，在测量中使用等间隔同步交流采样方法，并增加采样频次，通过准同步算法对过程中产生的误差进行分析与计算，减小系统不确定度的影响。在直流测量时，3458A直接连接标准器交流测量端子进行同步监控，采集工频信号中存在的非正弦信号。采用3458A数字多用表作为监控设备，利用其自身的8.5位的高测量分辨率及0.1 ppm的传递精度，能够较为完整准确地采集波形，使采集速度与测试精度在整个测量过程中得到有效的平衡。

4检测标准平台比对验证

国家电网河南省电力公司电力科学研究院在电力系统电能质量研究领域具有较高的技术水平与设备水平，其相关实验室也具有综合电参数及电能质量分析检测标准。本文建构的检测标准平台形成了完善的综合电参数及电能质量设备的量值传递体系，建立了省级计量标准[6]。

选定高精度电能质量分析仪(HIOKI3169系列或FLUKE1760系列)作为比对设备。在相同实验室环境条件下，分别采用两套标准(河南省计量科学研究院标准和国家电网河南省电力公司电力科学研究院标准)对设备进行检测试验。选取100 V、50 Hz的基波电压，谐波含量设定为8%，分别在基波上叠加n(n=2,3,5,7,…,47)次谐波，具体数据如表1所示。

根据JJF1033-2008《计量标准考核规范》C5条款规定，采用比对法验证计量标准，并对试验数据进行整理和分析。结果表明，本套计量标准的测量不确定度合理，并且完全满足JJF1033-2013《计量标准考核规范》的有关要求。

5结语

随着综合电参数测量设备及电能质量分析设备的大量应用，为确保量值传递与溯源的准确进行，河南省计量科学研究院构建了综合电参数及电能质量分析检测标准平台，遵守国家相关标准及规范，为相关企业用户提供了工作、生产、科研等方面的便利。经过近几年的规范改进与技术水平的提升，该标准平台为省内生产企业的此类产品树立了技术上的标准和质量标杆，保障了高耗能生产制造企业与电力系统在综合电参数、电能质量监测监控中的数据一致性和可靠性。

表1　两套标准设备数据比对情况

参考文献：

[1]林雪海. 关于加强电能质量管理的几个问题[J].电力设备，2003(1)：1-4.

[2]曾启华. 浅谈电网谐波危害及治理方法[J].广东科技，2008(12)：131.

[3]陈清平，宁亮，陈兵，等.多参量电测设备自动校准软件的研究[J].中原工学院学报，2014，25(1)：15-18.

[4]石雷兵.建立电压谐波标准装置的研究[D].上海：上海交通大学，2008.

[5]陈清平. 综合电学量检测设备自动校准装置的研制[J].电测与仪表，2013(S1)：115-117.

[6]JJF1033-2008，计量标准考核规范[S].

(责任编辑：张同学)

The Research of Integrated Electrical Parameters and Power Quality AnalysisTesting Standard Platform

CHEN Bing

(Henan Province Institute of Metrology, Zhengzhou 450008, China)

Abstract:The project background of integrated electrical parameters and power quality analysis testing standard platforms are introduced. Technology status of related testing equipment, hardware composes the platform standard device are proposed, and the operating principle of specific standard devices are described. The technical indicators data comparison of standard platforms, result analysis and judgment are introduced.

Key words:integrated electrical parameters; power quality analysis; testing standards platform; comparison

中图分类号：TM930

文献标志码：A

DOI:10.3969/j.issn.1671-6906.2016.01.006

文章编号：1671-6906(2016)01-0025-04

作者简介：陈兵(1979—)，男，河南郑州人，工程师，主要研究方向为电磁计量实践与研究。

收稿日期：2015—10—13