國網新疆電力公司電力科學研究院、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》雜志上撰文指出，電壓合格率可以直接反映電能質量的優劣，是電力系統重要的生產管理考核指標；電壓監測儀能夠對電力系統正常運行狀態緩慢變化所引起的電壓偏差進行連續監測和統計，實現電壓合格率的統計。

本文介紹一種電壓監測儀的全自動測試系統的實現方案，該系統采用模塊化設計開發自動測試軟件，運用線性功率放大器技術研制電壓監測儀標準源，實現基本測量誤差試驗、整定電壓值誤差試驗、綜合測量誤差試驗、時鐘準確度測試試驗和影響量試驗等多種測試功能，最終完成電壓監測儀批量化和自動化測試。實際應用表明，該系統可把工作效率提高數十倍，解決了送檢效率低和送檢時間長的問題。

隨著敏感性用電設備的大量使用,電壓暫降已經成為最重要的電能質量問題之一，電壓暫降與短時中斷已成為事件型電能質量的首要問題，是導致供電電壓不合格的重要因素。電壓合格率作為電網安全、穩定運行評價的重要考核指標，是電能質量優劣的直接體現，而電壓監測儀則是完成電壓合格率統計的重要工具。

根據目前現場情況，電網中安裝了大量的電壓監測儀，平均每個市局大概就有幾千臺，如此數量龐大的電壓監測儀日常校驗也成為現場檢修人員工作的一項難題，但是現有的電壓監測儀的檢定還停留在手工、逐臺測試的階段，檢測效率低下。因此，迫切需要研究開發能完成對多臺電壓監測儀進行批量測試的閉環測試系統，從而極大提高了儀器測試的工作效率。

1 檢定系統組成及原理

1.1 檢定系統的組成

檢定系統由檢定用掛表架、日差校驗儀、電壓監測儀檢定標準源、被檢設備和檢定用上位機組成。

各部分的功能如下：檢定用掛表架：用于安裝多臺待檢的電壓監測儀；日差校驗儀：用于電壓監測儀的時鐘誤差檢定；電壓監測儀檢定標準源：用于輸出標準模擬量電壓信號，對電壓監測儀的基本測量誤差、整定電壓值誤差、綜合測量誤差進行檢定；被檢設備：24臺待檢電壓監測儀；檢定用上位機：裝有電壓監測儀自動測試系統軟件的PC機。

1.2 檢定系統的原理

檢定系統的基本原理：PC上位機通過網線連接電壓監測儀檢定標準源，通過串口線連接檢定用掛表架，掛表架通過串行總線連接各待檢定的電壓監測儀通訊端口、通過電壓總線連接電壓監測儀的測量端口。

電壓監測儀自動測試系統程序控制電壓監測儀檢定標準源輸出電壓信號到被測電壓監測儀，電壓監測儀根據測量到的信號值進行計算，同時自動測試系統軟件通過通訊接口自動讀取被測電壓監測儀的監測數據，并與電壓監測儀檢定標準源的數據進行對比，自動進行誤差計算，自動生成規定格式的測試報告。圖1為本自動測試系統的整體架構圖。

圖1 自動測試系統整體架構圖

2 自動測試系統實現

2.1 軟件系統整體功能設計

自動測試軟件的主要功能是實現控制電壓監測儀檢定標準源的輸出、讀取電壓監測儀的監測數據以及對結果數據的對比處理等功能，所以在整體架構上要滿足測試方案的錄入和編輯、測試過程的控制、測試結果的自動讀取和計算、測試報告的自動生成及測試數據的管理等功能。

2.2 軟件系統整體架構

電壓監測儀自動測試系統軟件安裝于測試終端（測試機或個人PC機）內。在本自動測試系統的軟件架構上，采用模塊化和結構分層的設計思想，軟件整體架構如圖2所示，在層次結構上分為測試方案開發層、自動測試執行層和電壓監測儀控制程序層。

圖2 軟件整體實現架構圖

測試方案開發層包括測試方案開發程序，測試方案開發程序為電壓監測儀測試方案的二次開發系統，實現根據電壓監測儀的檢定規程和標準進行二次開發，編輯測試方案；自動測試執行層包括自動測試主程序和電壓監測儀通信程序；電壓監測儀控制程序層即電壓監測儀檢定標準源控制程序，開放標準軟件控制接口供自動測試執行層調用。

2.2.1測試方案開發層

測試方案開發程序為二次開發系統，用戶根據電壓監測儀的檢定規程以及檢定流程，編輯裝置測試方案，實現對測試項目的設計與選擇、各測試項目測試方法的編輯以及測試過程中用戶權限的管理等。

測試方案編輯功能用于編輯測試需要的測試方案，實現對電壓監測儀標準測試流程的編輯和管理，系統自動保存每次所編輯的方案，便于日后測試使用的調用；權限管理模塊用于設置訪問數據庫的權限，便于測試結果的安全管理。

2.2.2自動測試執行層

自動測試執行層主要實現電壓監測儀的自動測試功能，主要包含自動測試主程序和電壓監測儀通信程序。

自動測試主程序為自動測試系統的核心程序，自動測試主程序提供一個測試試驗過程中人機對話的環境，實現對電壓監測儀的自動測試過程控制，實現測試過程中數據庫的管理、測試結果以及誤差的計算、測試報告的填寫等功能。

測試人員通過自動測試控制中心選擇滿足測試要求的測試方案，自動測試主程序自動執行測試方案中的測試項目的測試，自動將測試結果保存至標準的測試報告模塊中，自動測試完成后輸出標準報告，標準報告包括WORD、WPS、EXCEL、XML等格式的文檔報告。

測試記錄文件記錄測試過程中的全部數據，包括測試項目的測試開始時間、測試人員、輸出的測試量、從待測裝置讀取的測量量，數據庫管理模塊實現對測試完成的數據文件的管理，方便日后測試數據的查找和查看，并且能夠跟蹤某臺電壓監測儀測試結果的歷史趨勢；測試結果計算模塊實現被測電壓監測儀的數據和電壓監測儀檢定標準源輸出標準值的比對，自動完成監測數據誤差的計算。

電壓監測儀通信程序實現與電壓監測儀進行通訊，并將測試數據上送回自動測試主程序。上送的數據包括電壓監測儀的各種數據集數據和錯誤報告數據、告警報告數據等。

2.2.3 電壓監測儀控制程序層

為實現自動測試系統的通用化和智能化，系統本身必須具有良好的可擴展性，需要開發設計控制程序層，即檢定裝置控制程序。檢定裝置控制程序通過標準軟件控制接口的方式開放全部測試功能服務，提供給自動測試控制中心調用。

檢定裝置控制程序實現與電壓監測儀檢定標準源通訊，在試驗時自動測試主程序向檢定裝置控制程序下達通訊命令和測試參數，收到參數后驅動電壓監測儀檢定標準源輸出設定激勵量，同時采集到測試結果后自動發送給自動測試主程序。

檢定裝置控制程序使用Windows消息發送測試狀態的變化給自動測試程序，包括連接標準源成功、開始測試、測試完成、測試異常等信息。

2.3 整體測試流程

圖3為整體檢測流程圖。首先選定檢測方案，然后可以手動或自動錄入檢測參數定值，根據被檢電壓監測儀進行通訊參數的設置。所有參數設置完成后，系統即可開始進行自動測試。

2.4 整體測試項目

電壓監測儀自動測試系統能夠完成電壓監測儀的基本測量誤差試驗、整定電壓值誤差試驗、綜合測量誤差試驗、時鐘準確度測試及影響量（電壓、頻率、諧波）測試試驗。

3 電壓監測儀檢定標準源的實現

3.1 電壓監測儀檢定標準源的組成

電壓監測儀檢定標準源由系統顯示模塊、信號產生模塊和信號放大輸出模塊幾部分組如圖4所示。

圖3 整體檢測流程圖

圖4 電壓監測儀檢定標準源系統組成

顯示模塊一般由高速數字處理器（DSP）、存儲器和液晶顯示器構成，采用獨創的操作系統，可接標準鍵盤和鼠標操作，響應速度快，效率高；也可由嵌入式計算構成，運行Windows系統。信號產生模塊由DDS波形合成和復雜可編程邏輯陳列（CPLD）構成。線性功率放大輸出模塊由線性功率放大器構成。

3.2 線性功率放大器原理架構

線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源電源，采用變壓器隔離降壓獲得，以獲取質量較為理想的直流電源。圖5為線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 線性功率放大器原理設計

通過上面對測試對象及需求的分析，先確定線性功率放大器的性能參數，放大器的輸出頻率范圍0-1KHz，輸出電壓380V，上升和下降時間不高于1.2 uS。

通過系統分析，開始進行放大器的設計，首先設計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間，功率管上的電壓最低設計為4V，所以電源的容量應不低于542V，1A。放大器的輸出特性參數如表1。

表1 放大器輸出特性參數

圖6為放大器電源的設計原理圖，市電通過變壓器隔離降壓，變為AC22V，再經全波整流得到正負32V的直流電源，電解電容作濾波以及為輸出提供紋波電流。

接下來就是進行線性功率放大器的設計，圖7是線性功率放大器的原理框圖。

輸入信號經U1差分運放處理，輸出給誤差放大器的反相端，U2將U1的輸出信號與反饋信號進行誤差放大，U2的輸出端加上穩壓電路的電壓，Q1，Q2的VGS變化然后輸出電流，電流經過采樣電阻，返回信號給誤差放大器。穩壓電路主要給Q1，Q2設置靜態工作點，防止放大器出現交越失真。

圖6 放大器的直流電源原理圖

圖7 線性功率放大器的原理框圖

經過如上所述的電壓監測儀檢定標準源的設計，標準源能夠輸出3相最大380V的電壓信號，單相的帶載能力能達到380VA，能夠作為工作電源同時對24臺電壓監測儀進行供電，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。

4 系統應用情況

電壓監測儀自動測試系統于2017年在國網新疆電力公司電力科學研究院進行了實際現場應用，在應用中實現了24臺電壓監測儀的同時自動檢測，并且針對于每臺電壓監測儀同時自動生成了測試報告。

系統應用表明：采用之前手動測試的模式，單臺測試完所有測試項目的時間可達4個小時，24臺測試則需96個小時，采用本系統全自動測試的方式后，24臺同時測試完所有測試項目僅需2小時，測試時間縮短了94個小時，測試效率提高了48倍。測試效率化分析如表2。

表2 測試效率化分析

此系統的應用大大提高了測試效率，解決了送檢周期長和測試效率低的問題，為日后的周期檢定和入網檢測打下了良好的基礎。

5 結束語

電壓監測儀自動測試系統的研究與應用，能夠按照《DL/T 500-2009 電壓監測儀使用技術條件》等電力行業相關標準的要求來完成對電壓監測儀的全自動檢定，整個測試過程無需過多的人工干預，解決了傳統檢測模式下測試工作繁瑣重復和對測試人員依賴性大等問題，實現規范化、標準化和高效率化的閉環自動檢測。本自動測試系統的推廣應用，將能夠對目前電壓檢測儀的檢測效率帶來質的飛躍。