國網(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)測儀能夠?qū)﹄娏ο到y(tǒng)正常運行狀態(tài)緩慢變化所引起的電壓偏差進(jìn)行連續(xù)監(jiān)測和統(tǒng)計，實現(xiàn)電壓合格率的統(tǒng)計。

本文介紹一種電壓監(jiān)測儀的全自動測試系統(tǒng)的實現(xiàn)方案，該系統(tǒng)采用模塊化設(shè)計開發(fā)自動測試軟件，運用線性功率放大器技術(shù)研制電壓監(jiān)測儀標(biāo)準(zhǔn)源，實現(xiàn)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(zhǔn)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(jiān)測儀批量化和自動化測試。實際應(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間長的問題。

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)量問題之一，電壓暫降與短時中斷已成為事件型電能質(zhì)量的首要問題，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)定運行評價的重要考核指標(biāo)，是電能質(zhì)量優(yōu)劣的直接體現(xiàn)，而電壓監(jiān)測儀則是完成電壓合格率統(tǒng)計的重要工具。

根據(jù)目前現(xiàn)場情況，電網(wǎng)中安裝了大量的電壓監(jiān)測儀，平均每個市局大概就有幾千臺，如此數(shù)量龐大的電壓監(jiān)測儀日常校驗也成為現(xiàn)場檢修人員工作的一項難題，但是現(xiàn)有的電壓監(jiān)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(fā)能完成對多臺電壓監(jiān)測儀進(jìn)行批量測試的閉環(huán)測試系統(tǒng)，從而極大提高了儀器測試的工作效率。

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、日差校驗儀、電壓監(jiān)測儀檢定標(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：用于安裝多臺待檢的電壓監(jiān)測儀；日差校驗儀：用于電壓監(jiān)測儀的時鐘誤差檢定；電壓監(jiān)測儀檢定標(biāo)準(zhǔn)源：用于輸出標(biāo)準(zhǔn)模擬量電壓信號，對電壓監(jiān)測儀的基本測量誤差、整定電壓值誤差、綜合測量誤差進(jìn)行檢定；被檢設(shè)備：24臺待檢電壓監(jiān)測儀；檢定用上位機(jī)：裝有電壓監(jiān)測儀自動測試系統(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)通過網(wǎng)線連接電壓監(jiān)測儀檢定標(biāo)準(zhǔn)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(jiān)測儀通訊端口、通過電壓總線連接電壓監(jiān)測儀的測量端口。

電壓監(jiān)測儀自動測試系統(tǒng)程序控制電壓監(jiān)測儀檢定標(biāo)準(zhǔn)源輸出電壓信號到被測電壓監(jiān)測儀，電壓監(jiān)測儀根據(jù)測量到的信號值進(jìn)行計算，同時自動測試系統(tǒng)軟件通過通訊接口自動讀取被測電壓監(jiān)測儀的監(jiān)測數(shù)據(jù)，并與電壓監(jiān)測儀檢定標(biāo)準(zhǔn)源的數(shù)據(jù)進(jìn)行對比，自動進(jìn)行誤差計算，自動生成規(guī)定格式的測試報告。圖1為本自動測試系統(tǒng)的整體架構(gòu)圖。

圖1 自動測試系統(tǒng)整體架構(gòu)圖

2 自動測試系統(tǒng)實現(xiàn)

2.1 軟件系統(tǒng)整體功能設(shè)計

自動測試軟件的主要功能是實現(xiàn)控制電壓監(jiān)測儀檢定標(biāo)準(zhǔn)源的輸出、讀取電壓監(jiān)測儀的監(jiān)測數(shù)據(jù)以及對結(jié)果數(shù)據(jù)的對比處理等功能，所以在整體架構(gòu)上要滿足測試方案的錄入和編輯、測試過程的控制、測試結(jié)果的自動讀取和計算、測試報告的自動生成及測試數(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)測儀自動測試系統(tǒng)軟件安裝于測試終端（測試機(jī)或個人PC機(jī)）內(nèi)。在本自動測試系統(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)上分為測試方案開發(fā)層、自動測試執(zhí)行層和電壓監(jiān)測儀控制程序?qū)印?/span>

圖2 軟件整體實現(xiàn)架構(gòu)圖

測試方案開發(fā)層包括測試方案開發(fā)程序，測試方案開發(fā)程序為電壓監(jiān)測儀測試方案的二次開發(fā)系統(tǒng)，實現(xiàn)根據(jù)電壓監(jiān)測儀的檢定規(guī)程和標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行二次開發(fā)，編輯測試方案；自動測試執(zhí)行層包括自動測試主程序和電壓監(jiān)測儀通信程序；電壓監(jiān)測儀控制程序?qū)蛹措妷罕O(jiān)測儀檢定標(biāo)準(zhǔn)源控制程序，開放標(biāo)準(zhǔn)軟件控制接口供自動測試執(zhí)行層調(diào)用。

2.2.1測試方案開發(fā)層

測試方案開發(fā)程序為二次開發(fā)系統(tǒng)，用戶根據(jù)電壓監(jiān)測儀的檢定規(guī)程以及檢定流程，編輯裝置測試方案，實現(xiàn)對測試項目的設(shè)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(quán)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(xiàn)對電壓監(jiān)測儀標(biāo)準(zhǔn)測試流程的編輯和管理，系統(tǒng)自動保存每次所編輯的方案，便于日后測試使用的調(diào)用；權(quán)限管理模塊用于設(shè)置訪問數(shù)據(jù)庫的權(quán)限，便于測試結(jié)果的安全管理。

2.2.2自動測試執(zhí)行層

自動測試執(zhí)行層主要實現(xiàn)電壓監(jiān)測儀的自動測試功能，主要包含自動測試主程序和電壓監(jiān)測儀通信程序。

自動測試主程序為自動測試系統(tǒng)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(jī)對話的環(huán)境，實現(xiàn)對電壓監(jiān)測儀的自動測試過程控制，實現(xiàn)測試過程中數(shù)據(jù)庫的管理、測試結(jié)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(zhí)行測試方案中的測試項目的測試，自動將測試結(jié)果保存至標(biāo)準(zhǔn)的測試報告模塊中，自動測試完成后輸出標(biāo)準(zhǔn)報告，標(biāo)準(zhǔn)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(shù)據(jù)，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(shù)據(jù)庫管理模塊實現(xiàn)對測試完成的數(shù)據(jù)文件的管理，方便日后測試數(shù)據(jù)的查找和查看，并且能夠跟蹤某臺電壓監(jiān)測儀測試結(jié)果的歷史趨勢；測試結(jié)果計算模塊實現(xiàn)被測電壓監(jiān)測儀的數(shù)據(jù)和電壓監(jiān)測儀檢定標(biāo)準(zhǔn)源輸出標(biāo)準(zhǔn)值的比對，自動完成監(jiān)測數(shù)據(jù)誤差的計算。

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

2.2.3 電壓監(jiān)測儀控制程序?qū)?/span>

為實現(xiàn)自動測試系統(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，需要開發(fā)設(shè)計控制程序?qū)樱礄z定裝置控制程序。檢定裝置控制程序通過標(biāo)準(zhǔn)軟件控制接口的方式開放全部測試功能服務(wù)，提供給自動測試控制中心調(diào)用。

檢定裝置控制程序?qū)崿F(xiàn)與電壓監(jiān)測儀檢定標(biāo)準(zhǔn)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(dá)通訊命令和測試參數(shù)，收到參數(shù)后驅(qū)動電壓監(jiān)測儀檢定標(biāo)準(zhǔn)源輸出設(shè)定激勵量，同時采集到測試結(jié)果后自動發(fā)送給自動測試主程序。

檢定裝置控制程序使用Windows消息發(fā)送測試狀態(tài)的變化給自動測試程序，包括連接標(biāo)準(zhǔn)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(shù)定值，根據(jù)被檢電壓監(jiān)測儀進(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)即可開始進(jìn)行自動測試。

2.4 整體測試項目

電壓監(jiān)測儀自動測試系統(tǒng)能夠完成電壓監(jiān)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(zhǔn)確度測試及影響量（電壓、頻率、諧波）測試試驗。

3 電壓監(jiān)測儀檢定標(biāo)準(zhǔn)源的實現(xiàn)

3.1 電壓監(jiān)測儀檢定標(biāo)準(zhǔn)源的組成

電壓監(jiān)測儀檢定標(biāo)準(zhǔn)源由系統(tǒng)顯示模塊、信號產(chǎn)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(jiān)測儀檢定標(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）、存儲器和液晶顯示器構(gòu)成，采用獨創(chuàng)的操作系統(tǒng)，可接標(biāo)準(zhǔn)鍵盤和鼠標(biāo)操作，響應(yīng)速度快，效率高；也可由嵌入式計算構(gòu)成，運行Windows系統(tǒng)。信號產(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。線性功率放大輸出模塊由線性功率放大器構(gòu)成。

3.2 線性功率放大器原理架構(gòu)

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(zhì)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(shè)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(shù)，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(tǒng)分析，開始進(jìn)行放大器的設(shè)計，首先設(shè)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(qū)間，功率管上的電壓最低設(shè)計為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)計原理圖，市電通過變壓器隔離降壓，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。

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

輸入信號經(jīng)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(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)過采樣電阻，返回信號給誤差放大器。穩(wěn)壓電路主要給Q1，Q2設(shè)置靜態(tài)工作點，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 線性功率放大器的原理框圖

經(jīng)過如上所述的電壓監(jiān)測儀檢定標(biāo)準(zhǔn)源的設(shè)計，標(biāo)準(zhǔn)源能夠輸出3相最大380V的電壓信號，單相的帶載能力能達(dá)到380VA，能夠作為工作電源同時對24臺電壓監(jiān)測儀進(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。

4 系統(tǒng)應(yīng)用情況

電壓監(jiān)測儀自動測試系統(tǒng)于2017年在國網(wǎng)新疆電力公司電力科學(xué)研究院進(jìn)行了實際現(xiàn)場應(yīng)用，在應(yīng)用中實現(xiàn)了24臺電壓監(jiān)測儀的同時自動檢測，并且針對于每臺電壓監(jiān)測儀同時自動生成了測試報告。

系統(tǒng)應(yīng)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(dá)4個小時，24臺測試則需96個小時，采用本系統(tǒng)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(tǒng)的應(yīng)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(wǎng)檢測打下了良好的基礎(chǔ)。

5 結(jié)束語

電壓監(jiān)測儀自動測試系統(tǒng)的研究與應(yīng)用，能夠按照《DL/T 500-2009 電壓監(jiān)測儀使用技術(shù)條件》等電力行業(yè)相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)的要求來完成對電壓監(jiān)測儀的全自動檢定，整個測試過程無需過多的人工干預(yù)，解決了傳統(tǒng)檢測模式下測試工作繁瑣重復(fù)和對測試人員依賴性大等問題，實現(xiàn)規(guī)范化、標(biāo)準(zhǔn)化和高效率化的閉環(huán)自動檢測。本自動測試系統(tǒng)的推廣應(yīng)用，將能夠?qū)δ壳半妷簷z測儀的檢測效率帶來質(zhì)的飛躍。