摘要：针对目前电能质量监测终端市场存在的质量参差不齐、依靠手工检测且检测项目不全面等缺点，本文设计了电能质量监测终端自动检定系统，该系统能够对电能质量监测终端的功能及准确度进行全面测试，保证监测数据完整性和准确性的同时，确保终端与主站的正常通信。通过将系统应用在实际的终端检测中来进行验证，结果证明，本文设计的系统能够实现全部测试项目的自动闭环检测，大大提高了终端检测的效率和准确度。
0 引 言
优质供电是电网安全稳定运行的基础。电力电子技术的发展、非线性负荷和冲击负荷的大量应用以及分布式能源的接入使谐波、闪变、电压暂升和暂降等电能质量问题进一步凸显，因此，对电能质量进行持续监测对电网的稳定性和可靠性起着至关重要的作用。
电能质量监测系统[1]（以下简称监测系统）是对电网的电能质量进行全面监测和评价分析的综合平台。电能质量监测终端（以下简称监测终端）是监测系统的重要组成部分，它承担着监测点基础数据采集和向主站上送电能质量事件和报告的重要工作，但目前市场上监测终端的产品质量参差不齐，功能也不尽完善，不能保证满足国家电网对于电能质量监测系统建设能力的要求。因此，对终端进行全面的入网检测十分必要。
目前监测终端的入网检测基本上仍依靠人工进行，通过人工控制电能质量标准源输出、记录终端的分析数据并记入检测报告，不仅效率和准确度较低且受主观误差影响。而对于终端通信功能的测试一般需要将其接入主站，测试过程中由于被测终端的不确定性很可能给主站带来运行风险。
本文设计的终端自动检定系统能够完成对其功能及准确度的全面检测，保证其监测数据的完整性和准确性的同时，利用模拟主站的方式对其进行通信功能测试，确保终端与主站的正常数据交换，全自动的检测流程将大大提高终端检测的效率和准确度。
1 技术研究
1.1 系统架构
电能质量监测系统主要由监测主站、监测终端和通信网络三部分组成[2]。典型的监测系统架构如图1所示。
其中，分布在电网各处的终端从监测点采集数据并对该处的电能质量进行分析和诊断，实时数据和统计报告按约定格式打包后以一定周期上送到主站（电能质量事件将被立即上送），监测主站作为数据应用层对终端上送的数据和事件进行综合分析处理或按需向终端请求指定数据报告。此外，主站累积的大量监测点数据和统计结果也可导入电能质量数据库为监测点的长期供用电质量分析提供依据。
图1 典型电能质量监测系统结构
Fig.1 Typical structure of power quality monitoring system
1.2 测试内容
根据国家电能质量相关标准[3]，目前被列入监测范围的电能质量指标主要包括频率，谐波，间谐波，电压，三相不平衡和闪变。标准中对于不同电压等级的各项指标的限值做了明确要求。基于以上国家标准，国家电网公司在2014年提出了针对电能质量监测系统的最新标准：《Q/GDW 1650-2014 电能质量监测技术规范》（以下简称企标）。企标中对监测系统中主站和监测终端以及二者之间的通信协议都作了明确要求。因此，监测系统在建设过程中也需满足企标中相应的功能及准确度要求。对于系统中的监测终端，由于测量结果的准确度往往与采取的测量方法密切相关，因此为了保证不同监测终端之间的测量结果具有可比性，检定系统要保证终端采用了企标中规定的电能质量测量方法。
传统的终端准确度检测一般只计算额定条件下各指标测量值的误差，然而实际运行过程中，电网由于受到多种因素影响，监测终端往往需要解析多种电能质量问题同时叠加情况下的波形。因此，检定终端在多影响量条件下的测量准确度十分必要。关于测量方法测试和准确度测试的典型测试波形如表1所示。
表1 典型电能质量测试波形
Tab.1 Typical power quality testing waveform
序号 测试项目 典型测试波形
1 电压幅值的测量方法检验
2 谐波测量方法检验
3 间谐波准确度测试
4 闪变测量方法检验
5 多影响量测试
通信测试方面，主站与终端之间需要依靠约定的通信协议进行数据交换，为了保证通信的正确性和稳定性，需要对终端在逻辑节点建模、数据建模以及服务方面进行测试，从而保证终端与主站之间数据和服务的一致性。
综上，对终端的检测包含功能和准确度两大部分内容，其中，功能测试又包括对各项电能质量的测量方法的检验及与主站之间的通信功能测试，具体的测试项目描述如表2所示。
表2 检定系统主要测试项目汇总
Tab.2 Main testing items of the system
序号 测试项目 具体描述
1 准确度检测 验证终端在额定条件下及多影响量条件下各项电能质量指标的测量准确度
2 测量方法检验 验证终端是否采用标准方法进行数据采集和处理
3 通信测试 验证终端是否采用标准通信协议与主站进行通信
2 系统设计
2.1 测试场景和测试流程
终端检定系统主要由三部分组成：电能质量标准源（以下简称标准源），上位机自动测试软件（以下简称测试软件）和被测终端。电能质量标准源为满足电能质量测试精度和量程范围要求的标准电信号输出装置，由它提供测试过程中所需的标准测试波形。根据标准源提供的信号控制接口，上位机自动测试软件控制其发出标准检测信号。
根据表1所示的测试项目，系统的功能可相应的分为准确度测试、测量方法检验以及通信功能测试三个模块。
在准确度测试和测试方法检验两个模块中，上位机自动测试软件一方面控制电能质量标准源发出标准测试波形，另一方面从被测终端收集监测数据，由此形成闭环测试结构，测试场景如图2所示。
图2 检定系统测试场景一
Fig.2 Test scenario of the system
对于上述测试场景，一般的测试流程为：
（1） 测试软件向标准源发出指定测试波形命令；
（2） 标准源向终端输出相应测试波形；
（3） 终端对输入波形进行解析；
（4） 测试软件将从终端采集到的电能质量数据和事件与标准信号进行对比，计算终端的测试误差并记入报告。
若终端采集到的电能质量数据与标准波形参数之间的误差在规定范围[4]内，则终端满足要求。
对于通信测试模块，上位机自动测试软件则模拟成监测主站的前端软件，通过模拟主站与终端之间的数据交换过程对终端的通信功能进行全面测试，测试场景如图3所示。
图3 检定系统测试场景二
Fig.3 Test scenario of the system
对于上述测试的场景，具体的测试内容一般包括：
（1） 对终端上送的PQDIF文件进行解包分析，并导入数据库；
（2） 对终端的数据模型进行验证；
（3） 对终端的服务一致性进行验证，包括数据读写服务、日志服务、文件传输服务等等。
终端需与主站满足相同的建模和数据一致性，以保证通信过程的正确进行。
2.2 自动测试软件
自动测试软件作为整个监测系统的控制中心，承担着控制标准源输出、终端数据采集和计算以及报告输出等多重任务。根据2.1所述系统的测试场景和测试流程，软件的主要架构设计如表2所示。
表3 自动测试软件架构设计
Tab.3 System design of the automatic testing software
层级 主要模块 实现功能
应用层 标准源控制 利用标准源接口控制其输出测试波形
测试数据处理 处理测试数据并填入报告
数据库管理 储存检测数据，供二次开发
执行层 测试流程控制 执行标准测试流程，调用子模块功能
接入层 终端数据采集 从终端采集测试数据
（1） 接入层
接入层与被测终端直接相连，负责从终端采集测试数据，其中包括频率、电压、电流、功率等指标及电压中断、闪变等电能质量事件等等。
（2） 执行层
执行层负责整个测试程序的自动化运行，为测试系统的主程序。通过调用子功能模块实现对测试流程的自动化控制。
（3） 应用层
应用层主要包含标准源控制、测试数据处理和数据库管理三个模块。标准源控制模块利用其与标准源的接口控制其输出相应的电能质量测试波形；测试数据处理模块对接入层采集的数据进行处理并将检测结果填入报告；数据库管理模块负责对历史测试数据进行管理，以便于日后对数据的查询或二次开发。
基于以上软件设计，典型的终端检测流程如图4所示。
图4 自动检测流程
Fig.4 Automatic testing process
自动测试软件应能够适应不同的测试终端，并且实现针对不同国家（企业）标准的定制化检测。对于不合格或指定项目的复检等功能也可以开发相应的手动测试模块，此处不作详述。
3 系统实现
为了对系统设计进行验证，采用满足标准信号发生要求[4]的北京博电新力电气股份有限公司的电能质量标准源搭建此检定系统。平台的自动测试软件界面如图5所示。
图5 自动测试软件界面
Fig.5 Automatic test software interface
软件左侧显示了所有的测试项目，右侧为待输出的检测报告，各测试项目的检测结果将被插入报告中的相应位置。报告的模板或格式可以根据要求进行调整。
在对多个厂家的电能质量监测终端进行检测后证实，本文设计的自动检定平台可以实现“一键式”的自动闭环检测流程，且自动生成检定报告。自动测试与人工测试所需时间对比如表4所示，可以看出，自动测试将大大减少终端的检测时间，且能够有效避免了人工操作带来的操作错误和主观误差。
表4 自动测试与人工测试所需时间对比
Tab.4 Comparison of time-consuming between automatic and manual test
测试方式 所需时间
自动测试 1个工作日之内
人工测试 大于5个工作日
4 结束语
本文设计的电能质量监测终端检定系统能够完成对终端功能和准确度的全面测试，且对于不同的测试项目，采用不同的测试场景。在电能质量指标的相关测试中，上位机测试软件利用电能质量标准源向终端输入相应的标准测试波形，并对终端测试结果进行分析和误差计算；在通信功能测试中，上位机测试软件将模拟监测主站与终端进行数据交换。系统提供的完整的检测内容充分验证了终端是否具备入网的能力，且自动化的测试流程将使检测效率和准确度大大提高。通过对不同厂家的电能质量监测终端的实际检测，也验证了系统的设计。
参考文献
[1] 张逸, 林焱, 吴丹岳. 电能质量监测系统研究现状及发展趋势[J]. 电力系统保护与控制, 2015(2): 138-147.
[2] 林海雪. 电压电流频率和电能质量国家标准应用手册[M]. 中国电力出版社, 2001.
[3] 林海雪. 电能质量标准的新进展[J]. 供用电, 2009, 26(5): 4-7.
[4] Q/GDW 1650-2014 电能质量监测技术规范[S]
