國(guó)網(wǎng)新疆電力公司電力科學(xué)研究院、北京博電新力電氣股份有限公司的研究人員羅忠游、李東升、陳龍，在2017年第8期《電氣技術(shù)》雜志上撰文指出，電壓合格率可以直接反映電能質(zhì)量的優(yōu)劣，是電力系統(tǒng)重要的生產(chǎn)管理考核指標(biāo)；電壓監(jiān)測(cè)儀能夠?qū)﹄娏ο到y(tǒng)正常運(yùn)行狀態(tài)緩慢變化所引起的電壓偏差進(jìn)行連續(xù)監(jiān)測(cè)和統(tǒng)計(jì)，實(shí)現(xiàn)電壓合格率的統(tǒng)計(jì)。

本文介紹一種電壓監(jiān)測(cè)儀的全自動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)方案，該系統(tǒng)采用模塊化設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)自動(dòng)測(cè)試軟件，運(yùn)用線(xiàn)性功率放大器技術(shù)研制電壓監(jiān)測(cè)儀標(biāo)準(zhǔn)源，實(shí)現(xiàn)基本測(cè)量誤差試驗(yàn)、整定電壓值誤差試驗(yàn)、綜合測(cè)量誤差試驗(yàn)、時(shí)鐘準(zhǔn)確度測(cè)試試驗(yàn)和影響量試驗(yàn)等多種測(cè)試功能，最終完成電壓監(jiān)測(cè)儀批量化和自動(dòng)化測(cè)試。實(shí)際應(yīng)用表明，該系統(tǒng)可把工作效率提高數(shù)十倍，解決了送檢效率低和送檢時(shí)間長(zhǎng)的問(wèn)題。

隨著敏感性用電設(shè)備的大量使用,電壓暫降已經(jīng)成為最重要的電能質(zhì)量問(wèn)題之一，電壓暫降與短時(shí)中斷已成為事件型電能質(zhì)量的首要問(wèn)題，是導(dǎo)致供電電壓不合格的重要因素。電壓合格率作為電網(wǎng)安全、穩(wěn)定運(yùn)行評(píng)價(jià)的重要考核指標(biāo)，是電能質(zhì)量?jī)?yōu)劣的直接體現(xiàn)，而電壓監(jiān)測(cè)儀則是完成電壓合格率統(tǒng)計(jì)的重要工具。

根據(jù)目前現(xiàn)場(chǎng)情況，電網(wǎng)中安裝了大量的電壓監(jiān)測(cè)儀，平均每個(gè)市局大概就有幾千臺(tái)，如此數(shù)量龐大的電壓監(jiān)測(cè)儀日常校驗(yàn)也成為現(xiàn)場(chǎng)檢修人員工作的一項(xiàng)難題，但是現(xiàn)有的電壓監(jiān)測(cè)儀的檢定還停留在手工、逐臺(tái)測(cè)試的階段，檢測(cè)效率低下。因此，迫切需要研究開(kāi)發(fā)能完成對(duì)多臺(tái)電壓監(jiān)測(cè)儀進(jìn)行批量測(cè)試的閉環(huán)測(cè)試系統(tǒng)，從而極大提高了儀器測(cè)試的工作效率。

1 檢定系統(tǒng)組成及原理

1.1 檢定系統(tǒng)的組成

檢定系統(tǒng)由檢定用掛表架、日差校驗(yàn)儀、電壓監(jiān)測(cè)儀檢定標(biāo)準(zhǔn)源、被檢設(shè)備和檢定用上位機(jī)組成。

各部分的功能如下：檢定用掛表架：用于安裝多臺(tái)待檢的電壓監(jiān)測(cè)儀；日差校驗(yàn)儀：用于電壓監(jiān)測(cè)儀的時(shí)鐘誤差檢定；電壓監(jiān)測(cè)儀檢定標(biāo)準(zhǔn)源：用于輸出標(biāo)準(zhǔn)模擬量電壓信號(hào)，對(duì)電壓監(jiān)測(cè)儀的基本測(cè)量誤差、整定電壓值誤差、綜合測(cè)量誤差進(jìn)行檢定；被檢設(shè)備：24臺(tái)待檢電壓監(jiān)測(cè)儀；檢定用上位機(jī)：裝有電壓監(jiān)測(cè)儀自動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)軟件的PC機(jī)。

1.2 檢定系統(tǒng)的原理

檢定系統(tǒng)的基本原理：PC上位機(jī)通過(guò)網(wǎng)線(xiàn)連接電壓監(jiān)測(cè)儀檢定標(biāo)準(zhǔn)源，通過(guò)串口線(xiàn)連接檢定用掛表架，掛表架通過(guò)串行總線(xiàn)連接各待檢定的電壓監(jiān)測(cè)儀通訊端口、通過(guò)電壓總線(xiàn)連接電壓監(jiān)測(cè)儀的測(cè)量端口。

電壓監(jiān)測(cè)儀自動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)程序控制電壓監(jiān)測(cè)儀檢定標(biāo)準(zhǔn)源輸出電壓信號(hào)到被測(cè)電壓監(jiān)測(cè)儀，電壓監(jiān)測(cè)儀根據(jù)測(cè)量到的信號(hào)值進(jìn)行計(jì)算，同時(shí)自動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)軟件通過(guò)通訊接口自動(dòng)讀取被測(cè)電壓監(jiān)測(cè)儀的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，并與電壓監(jiān)測(cè)儀檢定標(biāo)準(zhǔn)源的數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比，自動(dòng)進(jìn)行誤差計(jì)算，自動(dòng)生成規(guī)定格式的測(cè)試報(bào)告。圖1為本自動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)的整體架構(gòu)圖。

圖1 自動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)整體架構(gòu)圖

2 自動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)

2.1 軟件系統(tǒng)整體功能設(shè)計(jì)

自動(dòng)測(cè)試軟件的主要功能是實(shí)現(xiàn)控制電壓監(jiān)測(cè)儀檢定標(biāo)準(zhǔn)源的輸出、讀取電壓監(jiān)測(cè)儀的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)以及對(duì)結(jié)果數(shù)據(jù)的對(duì)比處理等功能，所以在整體架構(gòu)上要滿(mǎn)足測(cè)試方案的錄入和編輯、測(cè)試過(guò)程的控制、測(cè)試結(jié)果的自動(dòng)讀取和計(jì)算、測(cè)試報(bào)告的自動(dòng)生成及測(cè)試數(shù)據(jù)的管理等功能。

2.2 軟件系統(tǒng)整體架構(gòu)

電壓監(jiān)測(cè)儀自動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)軟件安裝于測(cè)試終端（測(cè)試機(jī)或個(gè)人PC機(jī)）內(nèi)。在本自動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)的軟件架構(gòu)上，采用模塊化和結(jié)構(gòu)分層的設(shè)計(jì)思想，軟件整體架構(gòu)如圖2所示，在層次結(jié)構(gòu)上分為測(cè)試方案開(kāi)發(fā)層、自動(dòng)測(cè)試執(zhí)行層和電壓監(jiān)測(cè)儀控制程序?qū)印?/span>

圖2 軟件整體實(shí)現(xiàn)架構(gòu)圖

測(cè)試方案開(kāi)發(fā)層包括測(cè)試方案開(kāi)發(fā)程序，測(cè)試方案開(kāi)發(fā)程序?yàn)殡妷罕O(jiān)測(cè)儀測(cè)試方案的二次開(kāi)發(fā)系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)根據(jù)電壓監(jiān)測(cè)儀的檢定規(guī)程和標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行二次開(kāi)發(fā)，編輯測(cè)試方案；自動(dòng)測(cè)試執(zhí)行層包括自動(dòng)測(cè)試主程序和電壓監(jiān)測(cè)儀通信程序；電壓監(jiān)測(cè)儀控制程序?qū)蛹措妷罕O(jiān)測(cè)儀檢定標(biāo)準(zhǔn)源控制程序，開(kāi)放標(biāo)準(zhǔn)軟件控制接口供自動(dòng)測(cè)試執(zhí)行層調(diào)用。

2.2.1測(cè)試方案開(kāi)發(fā)層

測(cè)試方案開(kāi)發(fā)程序?yàn)槎伍_(kāi)發(fā)系統(tǒng)，用戶(hù)根據(jù)電壓監(jiān)測(cè)儀的檢定規(guī)程以及檢定流程，編輯裝置測(cè)試方案，實(shí)現(xiàn)對(duì)測(cè)試項(xiàng)目的設(shè)計(jì)與選擇、各測(cè)試項(xiàng)目測(cè)試方法的編輯以及測(cè)試過(guò)程中用戶(hù)權(quán)限的管理等。

測(cè)試方案編輯功能用于編輯測(cè)試需要的測(cè)試方案，實(shí)現(xiàn)對(duì)電壓監(jiān)測(cè)儀標(biāo)準(zhǔn)測(cè)試流程的編輯和管理，系統(tǒng)自動(dòng)保存每次所編輯的方案，便于日后測(cè)試使用的調(diào)用；權(quán)限管理模塊用于設(shè)置訪(fǎng)問(wèn)數(shù)據(jù)庫(kù)的權(quán)限，便于測(cè)試結(jié)果的安全管理。

2.2.2自動(dòng)測(cè)試執(zhí)行層

自動(dòng)測(cè)試執(zhí)行層主要實(shí)現(xiàn)電壓監(jiān)測(cè)儀的自動(dòng)測(cè)試功能，主要包含自動(dòng)測(cè)試主程序和電壓監(jiān)測(cè)儀通信程序。

自動(dòng)測(cè)試主程序?yàn)樽詣?dòng)測(cè)試系統(tǒng)的核心程序，自動(dòng)測(cè)試主程序提供一個(gè)測(cè)試試驗(yàn)過(guò)程中人機(jī)對(duì)話(huà)的環(huán)境，實(shí)現(xiàn)對(duì)電壓監(jiān)測(cè)儀的自動(dòng)測(cè)試過(guò)程控制，實(shí)現(xiàn)測(cè)試過(guò)程中數(shù)據(jù)庫(kù)的管理、測(cè)試結(jié)果以及誤差的計(jì)算、測(cè)試報(bào)告的填寫(xiě)等功能。

測(cè)試人員通過(guò)自動(dòng)測(cè)試控制中心選擇滿(mǎn)足測(cè)試要求的測(cè)試方案，自動(dòng)測(cè)試主程序自動(dòng)執(zhí)行測(cè)試方案中的測(cè)試項(xiàng)目的測(cè)試，自動(dòng)將測(cè)試結(jié)果保存至標(biāo)準(zhǔn)的測(cè)試報(bào)告模塊中，自動(dòng)測(cè)試完成后輸出標(biāo)準(zhǔn)報(bào)告，標(biāo)準(zhǔn)報(bào)告包括WORD、WPS、EXCEL、XML等格式的文檔報(bào)告。

測(cè)試記錄文件記錄測(cè)試過(guò)程中的全部數(shù)據(jù)，包括測(cè)試項(xiàng)目的測(cè)試開(kāi)始時(shí)間、測(cè)試人員、輸出的測(cè)試量、從待測(cè)裝置讀取的測(cè)量量，數(shù)據(jù)庫(kù)管理模塊實(shí)現(xiàn)對(duì)測(cè)試完成的數(shù)據(jù)文件的管理，方便日后測(cè)試數(shù)據(jù)的查找和查看，并且能夠跟蹤某臺(tái)電壓監(jiān)測(cè)儀測(cè)試結(jié)果的歷史趨勢(shì)；測(cè)試結(jié)果計(jì)算模塊實(shí)現(xiàn)被測(cè)電壓監(jiān)測(cè)儀的數(shù)據(jù)和電壓監(jiān)測(cè)儀檢定標(biāo)準(zhǔn)源輸出標(biāo)準(zhǔn)值的比對(duì)，自動(dòng)完成監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)誤差的計(jì)算。

電壓監(jiān)測(cè)儀通信程序?qū)崿F(xiàn)與電壓監(jiān)測(cè)儀進(jìn)行通訊，并將測(cè)試數(shù)據(jù)上送回自動(dòng)測(cè)試主程序。上送的數(shù)據(jù)包括電壓監(jiān)測(cè)儀的各種數(shù)據(jù)集數(shù)據(jù)和錯(cuò)誤報(bào)告數(shù)據(jù)、告警報(bào)告數(shù)據(jù)等。

2.2.3 電壓監(jiān)測(cè)儀控制程序?qū)?/span>

為實(shí)現(xiàn)自動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)的通用化和智能化，系統(tǒng)本身必須具有良好的可擴(kuò)展性，需要開(kāi)發(fā)設(shè)計(jì)控制程序?qū)?，即檢定裝置控制程序。檢定裝置控制程序通過(guò)標(biāo)準(zhǔn)軟件控制接口的方式開(kāi)放全部測(cè)試功能服務(wù)，提供給自動(dòng)測(cè)試控制中心調(diào)用。

檢定裝置控制程序?qū)崿F(xiàn)與電壓監(jiān)測(cè)儀檢定標(biāo)準(zhǔn)源通訊，在試驗(yàn)時(shí)自動(dòng)測(cè)試主程序向檢定裝置控制程序下達(dá)通訊命令和測(cè)試參數(shù)，收到參數(shù)后驅(qū)動(dòng)電壓監(jiān)測(cè)儀檢定標(biāo)準(zhǔn)源輸出設(shè)定激勵(lì)量，同時(shí)采集到測(cè)試結(jié)果后自動(dòng)發(fā)送給自動(dòng)測(cè)試主程序。

檢定裝置控制程序使用Windows消息發(fā)送測(cè)試狀態(tài)的變化給自動(dòng)測(cè)試程序，包括連接標(biāo)準(zhǔn)源成功、開(kāi)始測(cè)試、測(cè)試完成、測(cè)試異常等信息。

2.3 整體測(cè)試流程

圖3為整體檢測(cè)流程圖。首先選定檢測(cè)方案，然后可以手動(dòng)或自動(dòng)錄入檢測(cè)參數(shù)定值，根據(jù)被檢電壓監(jiān)測(cè)儀進(jìn)行通訊參數(shù)的設(shè)置。所有參數(shù)設(shè)置完成后，系統(tǒng)即可開(kāi)始進(jìn)行自動(dòng)測(cè)試。

2.4 整體測(cè)試項(xiàng)目

電壓監(jiān)測(cè)儀自動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)能夠完成電壓監(jiān)測(cè)儀的基本測(cè)量誤差試驗(yàn)、整定電壓值誤差試驗(yàn)、綜合測(cè)量誤差試驗(yàn)、時(shí)鐘準(zhǔn)確度測(cè)試及影響量（電壓、頻率、諧波）測(cè)試試驗(yàn)。

3 電壓監(jiān)測(cè)儀檢定標(biāo)準(zhǔn)源的實(shí)現(xiàn)

3.1 電壓監(jiān)測(cè)儀檢定標(biāo)準(zhǔn)源的組成

電壓監(jiān)測(cè)儀檢定標(biāo)準(zhǔn)源由系統(tǒng)顯示模塊、信號(hào)產(chǎn)生模塊和信號(hào)放大輸出模塊幾部分組如圖4所示。

圖3 整體檢測(cè)流程圖

圖4 電壓監(jiān)測(cè)儀檢定標(biāo)準(zhǔn)源系統(tǒng)組成

顯示模塊一般由高速數(shù)字處理器（DSP）、存儲(chǔ)器和液晶顯示器構(gòu)成，采用獨(dú)創(chuàng)的操作系統(tǒng)，可接標(biāo)準(zhǔn)鍵盤(pán)和鼠標(biāo)操作，響應(yīng)速度快，效率高；也可由嵌入式計(jì)算構(gòu)成，運(yùn)行Windows系統(tǒng)。信號(hào)產(chǎn)生模塊由DDS波形合成和復(fù)雜可編程邏輯陳列（CPLD）構(gòu)成。線(xiàn)性功率放大輸出模塊由線(xiàn)性功率放大器構(gòu)成。

3.2 線(xiàn)性功率放大器原理架構(gòu)

線(xiàn)性功率放大器包括電源輸入隔離降壓模塊，功率直流電源和控制直流電源模塊，輸入信號(hào)源模塊，功率放大模塊。裝置供電采用220V交流電壓，放大器需要的功率電源和控制電源以及信號(hào)源電源，采用變壓器隔離降壓獲得，以獲取質(zhì)量較為理想的直流電源。圖5為線(xiàn)性功率放大器工作流程示意圖。

圖5 放大器的工作流程示意圖

3.3 線(xiàn)性功率放大器原理設(shè)計(jì)

通過(guò)上面對(duì)測(cè)試對(duì)象及需求的分析，先確定線(xiàn)性功率放大器的性能參數(shù)，放大器的輸出頻率范圍0-1KHz，輸出電壓380V，上升和下降時(shí)間不高于1.2 uS。

通過(guò)系統(tǒng)分析，開(kāi)始進(jìn)行放大器的設(shè)計(jì)，首先設(shè)計(jì)放大器的輸入電源容量，放大器輸出380Vrms，1A，總功率為380W，輸出的電壓峰值為537V，由于功率管工作在放大區(qū)間，功率管上的電壓最低設(shè)計(jì)為4V，所以電源的容量應(yīng)不低于542V，1A。放大器的輸出特性參數(shù)如表1。

表1 放大器輸出特性參數(shù)

圖6為放大器電源的設(shè)計(jì)原理圖，市電通過(guò)變壓器隔離降壓，變?yōu)锳C22V，再經(jīng)全波整流得到正負(fù)32V的直流電源，電解電容作濾波以及為輸出提供紋波電流。

接下來(lái)就是進(jìn)行線(xiàn)性功率放大器的設(shè)計(jì)，圖7是線(xiàn)性功率放大器的原理框圖。

輸入信號(hào)經(jīng)U1差分運(yùn)放處理，輸出給誤差放大器的反相端，U2將U1的輸出信號(hào)與反饋信號(hào)進(jìn)行誤差放大，U2的輸出端加上穩(wěn)壓電路的電壓，Q1，Q2的VGS變化然后輸出電流，電流經(jīng)過(guò)采樣電阻，返回信號(hào)給誤差放大器。穩(wěn)壓電路主要給Q1，Q2設(shè)置靜態(tài)工作點(diǎn)，防止放大器出現(xiàn)交越失真。

圖6 放大器的直流電源原理圖

圖7 線(xiàn)性功率放大器的原理框圖

經(jīng)過(guò)如上所述的電壓監(jiān)測(cè)儀檢定標(biāo)準(zhǔn)源的設(shè)計(jì)，標(biāo)準(zhǔn)源能夠輸出3相最大380V的電壓信號(hào)，單相的帶載能力能達(dá)到380VA，能夠作為工作電源同時(shí)對(duì)24臺(tái)電壓監(jiān)測(cè)儀進(jìn)行供電，并且在不外接其他電源的情況下，可以完成電源電壓影響量的試驗(yàn)。

4 系統(tǒng)應(yīng)用情況

電壓監(jiān)測(cè)儀自動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)于2017年在國(guó)網(wǎng)新疆電力公司電力科學(xué)研究院進(jìn)行了實(shí)際現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用，在應(yīng)用中實(shí)現(xiàn)了24臺(tái)電壓監(jiān)測(cè)儀的同時(shí)自動(dòng)檢測(cè)，并且針對(duì)于每臺(tái)電壓監(jiān)測(cè)儀同時(shí)自動(dòng)生成了測(cè)試報(bào)告。

系統(tǒng)應(yīng)用表明：采用之前手動(dòng)測(cè)試的模式，單臺(tái)測(cè)試完所有測(cè)試項(xiàng)目的時(shí)間可達(dá)4個(gè)小時(shí)，24臺(tái)測(cè)試則需96個(gè)小時(shí)，采用本系統(tǒng)全自動(dòng)測(cè)試的方式后，24臺(tái)同時(shí)測(cè)試完所有測(cè)試項(xiàng)目?jī)H需2小時(shí)，測(cè)試時(shí)間縮短了94個(gè)小時(shí)，測(cè)試效率提高了48倍。測(cè)試效率化分析如表2。

表2 測(cè)試效率化分析

此系統(tǒng)的應(yīng)用大大提高了測(cè)試效率，解決了送檢周期長(zhǎng)和測(cè)試效率低的問(wèn)題，為日后的周期檢定和入網(wǎng)檢測(cè)打下了良好的基礎(chǔ)。

5 結(jié)束語(yǔ)

電壓監(jiān)測(cè)儀自動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)的研究與應(yīng)用，能夠按照《DL/T 500-2009 電壓監(jiān)測(cè)儀使用技術(shù)條件》等電力行業(yè)相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)的要求來(lái)完成對(duì)電壓監(jiān)測(cè)儀的全自動(dòng)檢定，整個(gè)測(cè)試過(guò)程無(wú)需過(guò)多的人工干預(yù)，解決了傳統(tǒng)檢測(cè)模式下測(cè)試工作繁瑣重復(fù)和對(duì)測(cè)試人員依賴(lài)性大等問(wèn)題，實(shí)現(xiàn)規(guī)范化、標(biāo)準(zhǔn)化和高效率化的閉環(huán)自動(dòng)檢測(cè)。本自動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)的推廣應(yīng)用，將能夠?qū)δ壳半妷簷z測(cè)儀的檢測(cè)效率帶來(lái)質(zhì)的飛躍。