一种用于电能质量监测终端检测的标准源简述

夏永平 王 凯 齐晓辉

（1.国网哈密供电公司，新疆哈密839000；2.北京博电新力电气股份有限公司，北京100176）

0 引言

电能作为一种公共商品，其质量好坏与电力系统中用电设备的安全运行与否息息相关，随着社会经济的飞速发展，电力系统用电设备种类越来越多，越是精密的设备对电能质量的要求也就越高。任何国家的电力主管部门都把电力系统的电能质量问题摆在首要关注的位置。电能质量问题解决的方案就是监测、治理、再监测。

电能质量标准源是标准源的一种，是专为配合测试电能质量监测终端而研制的一种标准源，可以产生幅度可调、相角可调、频率可调、功率稳定的三相工频电压、电流信号。随着国家电力行业投资的不断增大，电网运行中敏感性元件的逐渐增多，电能质量问题将会日益突出[1]。而电能质量问题关系着千家万户，对于社会生产生活有着重要影响，所以需要一种有效的监测手段来解决这一问题。电能质量监测终端能完成对电力系统各种电能质量参数的监测，其安全可靠运行更有助于提高对整个电力系统电能质量参数的监测水平，故电能质量监测终端的可靠性就成为了关乎电能质量参数准确性的重要问题[2]。而现场实际运行的电能质量监测终端数量庞大、种类繁多，大量试验证明，研发电能质量标准源，配合自动测试软件使用，能很好地解决电能质量监测终端的检测问题，并提高检测效率。

图1 电能质量标准源关键硬件组成

1 电能质量标准源的功能及性能描述

1.1 功能描述

电能质量标准源在自有控制软件或者自动测试软件的控制下，可以产生幅度可调、相角可调、频率可调、功率稳定的三相工频电压、电流信号测试，能够完成电能质量监测终端的稳态性能验证测试、频率测试、电压测试、闪变测试、三相不平衡测试、谐波测试、间谐波测试、电压暂升/暂降和短时中断测试、时钟测试等测试项目，完全满足Q/GDW 1650.4—2016《电能质量监测技术规范第4部分：电能质量监测终端检验》[3]中关于电能质量测量标准源检验和准确度检测的要求，且配合自动测试软件后所有测试项目均可全自动完成，并自动生成测试报告。该电能质量标准源也可在上位机软件的控制下手动输出电能质量参数中要求的各种复杂的电能质量波形给电能质量监测终端，用于电能质量监测终端的手动测试分析和验证。

1.2 性能描述

电能质量标准源是电能质量监测装置检测的必备关键设备，其性能直接关系到电能质量监测终端测试。电能质量标准源可输出AC 450 V、AC 10 A的电压、电流信号，且支持四通道的电压、电流信号输出，各通道带载能力最低为40 VA；其谐波、间谐波可同时叠加输出50个；电能质量标准源支持外接GPS天线或B码信号用于电能质量监测终端的时钟测试；频率采用逐点变频、扫频的模式，满足快速变频的要求；闪变测试是一种比较复杂的测试，该电能质量标准源能完成这种复杂测试。

2 电能质量标准源的硬件组成及原理实现

2.1 硬件组成

电能质量标准源的关键硬件部分主要有外部接口部分、ARM+FPGA核心控制电路、随机存储器RAM、模数转化部分DA、线性功率放大器PA等，其组成结构图如图1所示。

2.2 原理实现

ARM+FPGA核心控制电路是电能质量标准源控制输出的核心部分[4]，运行于专门定制的Linux操作系统，信号处理速度极快，可靠性高；RAM依附于ARM+FPGA核心控制电路，作为缓存数据使用；模数转换部分DA采用18位DA芯片，转换精度高、稳定性好；线性功率放大器采用AC 220 V电源供电，并配置专用的隔离变压器，以获取电路中需要的相应稳定的直流电压源，从而对信号发生器的信号作相应对策的变化并加以输出。线性功率放大器电路主要由放大器、MOS场效应管、电源、电阻等组成，分为供电电源部分、输入信号部分和功率放大部分[5]。

Vin为模拟小信号输入端，Rin为输入电阻，模拟小信号经过放大器的放大后通过电阻Rf的作用和MOS场效应管，输出需要放大倍数的信号。Vout为输出端子，完成功率放大的作用，得到功率增益、带宽、失真度完全满足要求的功率。

DA、PA原理示意简图如图2、图3所示。

综上所述，按如上方案所设计的电能质量标准源，支持输出4相最大450 V的电压信号、4相最大10 A的电流信号，输出单相带载能力最低达40 VA，且能按照要求全通道产生电压、电流、频率、谐波（间谐波）、电压闪变、电压暂升、电压暂降、电压中断、三相不平衡等复杂的电能质量波形信号[6]。

图3 PA原理实现示意图

3 电能质量标准源的应用

该电能质量标准源可以配合手动测试软件使用，通过参数设置可以控制输出复杂的电能质量波形，也可以配合上位机自动测试软件使用，全自动按照模板输出复杂的电能质量波形，并进行电能质量监测终端的全闭环测试。其独有的电路设计和稳定性较高的线性功率放大器可以使输出信号的带载能力至少为40 VA，可以进行批量电能质量监测终端的测试，提高现场测试效率。

电能质量标准源的上位机自动测试软件经过必要的设置进入自动测试程序后，点击工具栏“开始测试”按钮，系统将自动控制电能质量标准源输出电能质量波形信号，自动测试软件自动读取被测电能质量监测终端测量值、事件报文，自动进行数据修约处理，自动进行结果判断，自动完成批量电能质量监测终端的测试[7]。电能质量标准源与上位机自动测试软件配合的自动测试流程如图4所示。

图4 自动测试流程

该电能质量标准源自2014成功研发以来，配合上位机自动测试软件，先后在四川、武汉等电科院及全球能源互联网研究院进行了实验室应用，并取得了客户的一致好评和良好的使用效果。各个实验室均实现了批量电能质量监测终端的同时测试，完全改变了以往电能质量监测终端测试的旧局面，大大提高了工作效率，并解决了人力不足的问题。该测试手段与人工测试相比，效率统计结果如表1所示。

表1 效率统计结果

4 结语

电能质量标准源是完全参照Q/GDW 1650.4—2016《电能质量监测技术规范第4部分：电能质量监测终端检验》及电力系统相关检测标准而研发的，其支持输出多种复杂的电能质量波形，带载能力强，是检测电能质量监测终端的核心设备。该标准源通过开发接口控制程序支持第三方测试软件，配合自动测试软件可以批量测试电能质量监测终端，大大提高工作效率。该电能质量标准源的广泛应用必将推动电能质量监测终端检测技术的发展[8]。

[1]程浩忠，艾芊，张志刚，等.电能质量[M].北京：清华大学出版社，2006.

[2]李旭，谢运祥.电能质量监测的技术现状[J].电源技术应用，2006，9（4）：49-52.

[3]电能质量监测技术规范 第4部分：电能质量监测终端检验：Q/GDW 1650.4—2016[S].

[4]谭世兵.基于ARM的电能质量检测装置的研究[D].成都：西华大学，2012.

[5]宣家扬.功放的线性化研究[D].杭州：杭州电子科技大学，2014.

[6]林海雪.电能质量指标的完善化及其展望[J].中国电机工程学报，2014，34（29）：5073-5079.

[7]陈海昆，董瑞安.地区电网电能质量测试及评估[J].上海电力，2005，18（3）：273-274.

[8]张军如.电能质量监测系统的规划研究[D].保定：华北电力大学，2013.