一种基于IEEE 1588协议的电能质量监测设备现场检测方案

2022-12-07国网陕西省电力公司电力科学研究院冯雅琳王建波郑天悦

电力设备管理 2022年22期

国网陕西省电力公司电力科学研究院冯雅琳王建波郑天悦

深圳市中电电力技术股份有限公司王昕谷健

随着社会经济的发展以及技术的进步，越来越多的精密仪器与用电设备投入人们的日常生产、生活中。一方面这些尖端的精密仪器造价昂贵，对电网所供电能的质量有着较高的要求，如电压的暂降、暂升、闪变与谐波电流的超标等，对传统用电设备影响较小的电能质量事件，也可能对这些精密仪器造成较为严重的损害，导致经济损失；另一方面，这些新型的用电设备通常采用了先进的电力电子技术，集成了诸如整流器、逆变器与开关电源等部件或模块，在正常工作时，相应的部件或模块运行于高频之下，会产生严重的谐波电压及电流，对电网及附近其他用电设备的电能质量水平造成影响。

电能质量在线监测系统是监测电网电能质量的主要手段，通过该系统可以完成电网电能质量水平的评估、电能质量数据的分析，以及电能质量事故责任的划分等任务，而其基石与“眼睛”则是电能质量监测设备。也就是说，电能质量监测设备的好坏、运行时工作状况的正常与否、监测精度的高低对电网电能质量的监测水平至关重要。因此，对电能质量监测设备的定时、周期性检测，确保其各项功能的正常运转、各类性能指标的达到要求，是一项不容忽视的重要工作。

目前，国内外专家学者对电能质量的监测设备及其检测技术已经进行了深入的研究。IEC61000-4-30《试验和测量技术-电能质量的测量方法》，规定了50/60Hz交流电系统电能质量的参数测量和评估方法，对电能质量监测设备的功能和性能要求提供了较为全面的指导。另外，GB/T 19862《电能质量监测设备通用要求》和DL/T 1028《电能质量测试分析仪检定规程》，也对电能质量监测设备的测量准确度检测做出了规定。

在国外，美国的FLUKE公司、瑞士的LEM公司与UNIPOWER公司、日本的HIOKI公司等电能质量领域公司基本占据了高端电能质量产品的市场，如FLUKE公司有Fluke43系列便携式电能质量分析仪、Fluke17系列在线式电能质量记录仪以及Fluke6100/6105系列功率标准源。在国内，各大高校基于ADC+DSP/ FPGA+MCU的结构研制出了各种电能质量监测设备，掌握了相关的技术[1-2]；同时，深圳市中电电力技术股份有限公司（CET）也开发出了应用于电能质量领域的iMeter系列高端智能电表，达到了国际领先水平。

传统的电能质量监测设备检测方法为手动检测。如浙江计量科学研究院于2008年率先提出并建立了电能质量检测标准装置，该装置集成了德国ZERA公司的MT3000便携式电能测试仪、美国FLUKE公司的Fluke6100A功率标准源等，能够按照IEC和国家的相关标准开展电压、频率、谐波及闪变等电能质量指标的检测工作；华北电力科学研究院于2010年提出并建立了电能质量监测设备校验检测系统，该系统是国内首个电能质量监测设备检测软件平台，同样可以进行谐波、三相不平衡、闪变等电能质量指标的检测工作。

但上述装置或系统皆涉及大量的人工操作，检测过程复杂，而且还需要对电能质量监测设备进行断电及拆线，耗时耗力且效率低下。近年来，一些高等院校、企业和研究机构展开了自动检测技术的研究，寻找加快检测速度、减少人工工作量的途径和方法，已经取得了一定的成果。湖南大学、西安电子科技大学等先后研发了电能质量监测设备的自动检测或校验平台，能够实现对电压、电流、频率、谐波以及三相不平衡等多项电能质量指标的自动检测[3]。但是，这种方法还在研究和发展中，目前尚难以应用于接线复杂、条件恶劣的现场环境之中，只能在实验室中对电能质量监测设备进行批量、自动化的检测。

然而，对于电网而言，对已安装运行的电能质量监测设备进行不拆线、不断电的检测是一项实际而迫切的需求。截至目前，随着电能质量在线监测系统规模的快速增大，电能质量监测设备的数量也迅速增长，在国家电网和南方电网已有超过10000台的电能质量监测设备安装投运，并且这一数字还在不断地增加。根据电力行业标准DL/T 1298-2013《静止无功补偿装置运行规程》和国网企标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》，电能质量监测设备的定期检测周期一般不应超过3年。这就意味着，每隔3年，就有上万台乃至更多的电能质量监测设备需要检测，如果把这些电能质量监测设备都断电、拆线运回实验室检测，其工作量和成本显然是极高且难以接受的，因此研究快速、高效的电能质量监测设备现场检测技术、装置及方案是势在必行的。

1 电能质量监测设备现场检测的基本方法与原理

标准源法和标准表法（比对法）是目前电能质量监测设备现场检测的两种基本方法[4-5]。本文对这两种基本方法做了改进使其更加适于电能质量监测设备的检测工作。

1.1 改进标准源法

改进标准源法如图1所示，在对电能质量监测设备进行检测时，采用高精度的标准源作为信号源，如Fluke6100A。其基本检测流程为：

图1 改进标准源

一是下达对时命令，对时命令通过交换机分别传输至电能质量监测设备和标准信号源，随后，电能质量监测设备和标准信号源通过GPS、IRIG-B码、SNTP协议或者其他对时协议进行对时。

二是对时完成后，下达预检测命令，预检测命令包含待检的参数（电压、电流、频率、有功功率、无功功率、谐波电压、谐波电流、三相电压不平衡度等）及其设定值，经交换机传输至标准信号源，随后，标准信号源调整信号的参数至设定值，待信号输出稳定后返回信号待检参数的当前值以及参数设定成功回执。

三是收到标准信号源的参数设定成功回执后，下达检测命令，检测命令包含检测启动时间、检测时长与待检参数等信息，检测命令同时下达给标准信号源与待检的电能质量监测设备。

四是依据检测命令所指定的检测启动时间，电能质量监测设备启动对标准信号源信号的测量；同时，标准信号源返回检测启动时刻信号待检参数的值。

五是依据检测命令所指定的检测时长，电能质量监测设备完成对标准信号源信号的测量，给出信号待检参数的测量结果；同时，标准信号源返回检测时间段内待检参数的值。

六是检测软件汇总、处理由标准信号源和电能质量监测设备各自输出的信号信息，进行对比、计算误差等，最终以图形或表格的形式生成或展示检测结果。

与传统的标准源法不同，改进的标准源法加入了对时过程，通过时钟同步，减小了标准源法的量化误差，使其满足对电能质量监测设备进行检测的要求。

标准源法结构简单、短时间量化误差小，在实验室中进行检测时，能够对多台电能质量监测设备同时进行，检测效率高。但是，采用标准源法对运行中的电能质量监测设备进行检测时必须进行断电、拆线与改接线等操作，检测完毕后还需要将电能质量监测设备重新安装回电网之中，工作量大、操作复杂，其中任何一个环节出错皆会对电能质量监测设备后续的安全、可靠运行产生影响。同时，标准源一般体积较大、价格昂贵，在反复的运输途中也容易出现损坏，采用标准源法的现场检测方案的成本相对较高。因此，标准源法不宜应用于电能质量监测设备的现场检测之中，应当寻找其他替代或解决方案。

1.2 改进标准表法

如图2所示，标准表法可以通过对现场信号进行测量，比较标准比对设备和电能质量监测设备的测量结果，检测电能质量监测设备是否达标。本文对标准表法进行了改进，其基本检测流程如下：

图2 改进标准表法

一是检测软件下达对时命令，对时命令通过交换机分别传输至电能质量监测设备和标准比对设备，随后，电能质量监测设备和标准比对设备通过GPS、IRIG-B码、SNTP协议或者其他对时协议进行对时。

二是对时完成后，检测软件下达检测命令，检测命令包含检测启动时间、检测时长与待检参数（电压、电流、频率、有功功率、无功功率、谐波电压、谐波电流、三相电压不平衡度等）等信息，检测命令同时下达给标准比对设备与待检的电能质量监测设备。

三是依据检测命令所指定的检测启动时间与检测时长，电能质量监测设备与标准比对设备分别对现场信号进行测量，给出待检参数的测量结果。

四是检测软件汇总、处理由标准比对设备和电能质量监测设备分别输出的测量结果，进行对比、计算误差等，最终以图形或表格的形式生成或展示检测结果。

与改进的标准源法类似，改进的标准表法也加入了对时的过程，通过时钟同步，减小了标准表法的量化误差，使其满足对电能质量监测设备进行检测的要求。标准表法可直接采用现场信号对电能质量监测设备进行检测，无须拆线，适合应用于电能质量监测设备的现场检测方案之中，本文即采用该种方法；不过需要注意的是，受现场接线的限制，该方法通常只能进行一对一的检测。

2 基于IEEE 1588协议的现场检测方案

2.1 IEEE 1588协议简介

在改进的标准法中，对时是必须的，对时的精度会影响标准法检测的精度。因此，在标准法中，需要采用具有较高精度的对时方式，考虑到现场接线复杂，所选用的对时方式应尽量避免增加额外的接线。GPS、IRIG-B码对时采用硬件方式保证其对时精度，需要额外的硬件接口与接线，而SNTP协议对时精度较低，仅1ms，因此，会带来较大的误差。IEEE 1588协议是一种用于分布式测量与控制网络的高精度时钟同步协议，可通过以太网接口实现对时，与控制命令及测量数据采用同一通信通道，不需要额外的硬件接口，对时精度可达亚微秒级，满足标准法的需要；因此，本文采用基于IEEE 1588协议的标准表法实现对电能质量监测设备的现场检测。

IEEE 1588协议实现对时的基本原理如图3所示，是一种主从同步系统，通过乒乓算法确定主时钟与从时钟之间的传输延迟和时间偏移。具体对时步骤如下：

图3 IEEE 1588协议对时原理

一是主时钟在T1时刻发送Sync同步报文，在T2时刻抵达从时钟；从时钟记下时刻T2，此时从时钟仅持有时间戳T2。

二是由于Sync同步报文仅包含发送时刻T1的估计值，因此主时钟在计算得到精确的T1取值后，发送携带时间戳T1的Follow_Up报文，从时钟在接收该报文后获得时间戳T1，此时从时钟持有时间戳 T1与 T2。

三是在经过一定时延后，从时钟发送延时请求报文Delay_Req，并在从时钟端记录下时间戳T3，此时从时钟持有时间戳T1、T2与T3。

四是延时请求报文Delay_Req在时刻T4抵达主时钟，主时钟随即发送带有时间戳T4的延迟响应报文Delay_Resp，从时钟在接收到延迟响应报文Delay_Resp后获得时间戳T4，此时，从时钟持有时间戳T1、T2、T3与T4。

五是计算时间偏移Toffset与传输延迟Tdelay，完成对时；其中，传输延迟Tdelay是主从时钟之间的平均传输延迟，时间偏移Toffset是主从时钟之间的不同步时间差，时间偏移Toffset与传输延迟Tdelay分别如式（1）和式（2）所示。

IEEE 1588协议同时对频率和相位进行同步，在时钟同步之前，先进行调谐，经调谐达到稳定状态之后在使用乒乓算法进行时钟同步。

2.2 不同步测量的误差分析

考虑电能质量监测设备现场检测方案的检测精度，本文对标准法进行了改进，在标准表法中引入了对时与IEEE 1588协议，其原因在于不同步测量会导致检测精度的下降，现对不同步采样所引起的误差进行分析，如图4所示。

为简化分析，假设信号是一个半周波的方波信号，检测时长为一个周波T，待检的电能质量监测设备自T1时刻开始测量，T3时刻结束测量，标准比对设备自T2时刻开始测量，T4时刻结束测量，信号自T0时刻产生，T1-TO=ΔE，电能质量监测设备和标准比对设备之间的时间偏移Toffset=ΔT。

不考虑其他误差，则由电能质量监测设备测得的电压有效值如式（3）所示，由标准比对设备测得的电压有效值如式（4）所示；认为标准比对设备所测的值是无误差的，则电能质量监测设备的电压测量误差如式（5）所示，考虑最极端的情况，ΔE=0，则误差如式（6）所示。

由式（6）可以看到，在图4所示的情况下，时间偏移Toffset越大，误差越大，即对时的精度对检测误差产生直接的影响。需要说明的是，现场的情况较为复杂，电压、电流的波形并非图4所示的方波，也不一定是标准的正弦波；另外，由式（5）可以看出，检测启动时刻的不同也会对误差的大小产生影响，因此由时间偏移Toffset引起的误差并非式（5）或式（6）所示的简单情况，但从现场测试的结果来看，大体上时间偏移Toffset越大，误差也越大。

图4 IEEE 1588协议对时原理

由上述分析可以看到，为了减少现场检测方案的误差，时钟同步是必须的，同时时钟同步的精度也要有所保证，因此本文在标准表法中引入了IEEE 1588协议。另外，由于时间偏移具有随机性，因此，如果不进行对时，由时间偏移引起的误差也无法从理论上进行补偿。

3 现场检测方案的软硬件设计原理

谐振判别。在改进标准法中，最关键的设备即是标准比对设备，标准比对设备本质上是高精度的电能质量监测设备，考虑到检测A级电能质量监测设备的需要，其测量精度要求极高；A级电能质量监测设备的精度要求为电压±0.1%，频率±0.01Hz等（具体可参见IEC 61000-4-30标准）。

为保证标准比对设备的精度高于IEC 61000-4-30所规定的A级电能质量监测设备的精度，本文采用如图5所示的信号采集电路框图。

图5 信号采集电路框图

在图5中，信号采集及调理模块电路采用了差分输入，该电路具有抗干扰能力强、可靠性高的特点。输入采样信号经过运放与低通滤波调理电路后，输入到18位同步采样ADC，所有输入通道均同时采样，可以实现每通道200kSPS的最大吞吐量。ADC转换器的DNL为±0.5LSB（典型值），INL为±2.0LSB（典型值）；内部集成了带缓冲器的低漂移、高精度基准电压，最大偏移漂移为3ppm/℃。此外，在A/D采样环节还采取了抗频率混叠的处理措施。

除了对硬件设备进行特别处理以满足检测精度要求外，本文还为改进标准法设计了电能质量检测设备自动检测软件以实现现场检测过程的全自动化。

电能质量监测设备自动检测软件主要由通讯/对时模块、数据存储模块、数据处理模块与人机交互界面四部分组成。其中，通讯/对时模块、数据存储模块和数据处理模块是无界面的功能模块，人机交互界面是带界面的功能模块。通讯/对时模块用于实现自动检测软件与电能质量监测设备、标准比对设备的通讯，进行信号数据以及控制命令的传递，同时也承担IEEE 1588协议在软件层面的实现；数据存储模块使用文件存储的形式，提高数据存储和查询的效率；数据处理模块实现检测方案的管理、信号数据的分析以及处理；人机交互界面实现自动检测软件与检测人员的人机交互，执行参数设定与检测结果展示等功能。

标准比对设备与电能质量监测设备自动检测软件分别从硬件与软件上支持IEEE 1588协议，在软硬件上对改进标准表法进行支撑。