安哲，趙鵬程，周勝軍

(國(guó)網(wǎng)智能電網(wǎng)研究院，北京 102209)

0 引言

隨著堅(jiān)強(qiáng)智能電網(wǎng)建設(shè)的推進(jìn)，電能質(zhì)量關(guān)注度持續(xù)提升，日益復(fù)雜的電能質(zhì)量問題對(duì)電能質(zhì)量測(cè)量的準(zhǔn)確性提出更高的要求。IEC 61000-4-30《電磁兼容 電能質(zhì)量測(cè)量方法》［1］要求，不同電能質(zhì)量監(jiān)測(cè)設(shè)備在同一時(shí)刻測(cè)量同一信號(hào)時(shí)，應(yīng)得出一致、可重復(fù)的測(cè)量結(jié)果;與此同時(shí)，標(biāo)準(zhǔn)中進(jìn)一步要求電能質(zhì)量指標(biāo)的測(cè)量方法，需要在10 min RTC計(jì)時(shí)點(diǎn)重新同步，且一些參數(shù)可根據(jù)需要對(duì)某一時(shí)間間隔(如150 cycle、10 min、2 hour)進(jìn)行測(cè)量累積。因此，電能質(zhì)量監(jiān)測(cè)設(shè)備指標(biāo)測(cè)量方法與RTC實(shí)時(shí)時(shí)鐘密切相關(guān)，RTC實(shí)時(shí)時(shí)鐘精度直接影響到電能質(zhì)量指標(biāo)測(cè)量數(shù)據(jù)計(jì)算的準(zhǔn)確性［2］。

IEC 62586《電能質(zhì)量監(jiān)測(cè)設(shè)備產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)》［3-4］對(duì)電能質(zhì)量監(jiān)測(cè)設(shè)備RTC實(shí)時(shí)時(shí)鐘精度測(cè)試作出了相關(guān)規(guī)定，目前針對(duì)該標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行RTC實(shí)時(shí)時(shí)鐘測(cè)試的方法和裝置還很少。文獻(xiàn)［5-6］給出了一些常見電力設(shè)備，如電能計(jì)量裝置、微機(jī)保護(hù)裝置等的RTC實(shí)時(shí)時(shí)鐘精度測(cè)試方法;文獻(xiàn)［7］提供了我國(guó)在電能質(zhì)量監(jiān)測(cè)設(shè)備測(cè)試領(lǐng)域中取得的研究成果，主要集中在對(duì)電能質(zhì)量監(jiān)測(cè)設(shè)備測(cè)量指標(biāo)的測(cè)量精度進(jìn)行測(cè)試，在一定程度上實(shí)現(xiàn)了半自動(dòng)化甚至是自動(dòng)化測(cè)試，但是上述文獻(xiàn)在RTC實(shí)時(shí)時(shí)鐘精度測(cè)試方面，沒有提出相應(yīng)的測(cè)試方法，也未見適用的裝置。

針對(duì)上述情況，本文基于NI(National Instrument)公司的虛擬儀器工作平臺(tái)和相關(guān)設(shè)備，應(yīng)用虛擬儀器技術(shù)，提出并設(shè)計(jì)研制了一種電能質(zhì)量監(jiān)測(cè)設(shè)備RTC實(shí)時(shí)時(shí)鐘精度測(cè)試系統(tǒng)，來(lái)實(shí)現(xiàn)RTC實(shí)時(shí)時(shí)鐘精度的測(cè)試。

1 測(cè)試依據(jù)及原理

1.1 測(cè)試依據(jù)

根據(jù)IEC 62586《電能質(zhì)量監(jiān)測(cè)裝置產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)》和GB 17626.30-2012《電能質(zhì)量測(cè)量方法》［8］的要求，對(duì)于A類設(shè)備，RTC實(shí)時(shí)時(shí)鐘的誤差應(yīng)不超過±20 ms;當(dāng)無(wú)法通過一個(gè)外部信號(hào)同步時(shí)，RTC實(shí)時(shí)時(shí)鐘的容差應(yīng)滿足24 h周期小于±1 s。

1.2 測(cè)試原理

1.2.1 系統(tǒng)構(gòu)成

本測(cè)試系統(tǒng)由GPS對(duì)時(shí)裝置、電能質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)源、虛擬儀器測(cè)試平臺(tái)、被測(cè)設(shè)備及各類數(shù)據(jù)總線等組成，如圖1。

(1)GPS對(duì)時(shí)裝置:GPS對(duì)時(shí)裝置用于提供標(biāo)準(zhǔn)的GPS時(shí)間信號(hào)，該信號(hào)可完成測(cè)試系統(tǒng)中被測(cè)設(shè)備和測(cè)試平臺(tái)的時(shí)鐘同步。被測(cè)設(shè)備一般采用IRIG-B碼實(shí)現(xiàn)對(duì)時(shí)功能，由于IRIG-B信號(hào)有多種制式和電壓形式，被測(cè)設(shè)備可以識(shí)別的IRIG-B制式各不相同，如:IRIG-B AC與IRIG-B DC信號(hào)互相不能識(shí)別。在此情況下，需要配置IRIG-B碼轉(zhuǎn)換器(或適配器)。該轉(zhuǎn)換器可以將GPS時(shí)間頻率標(biāo)準(zhǔn)裝置發(fā)生的IRIG-B信號(hào)轉(zhuǎn)換為被檢設(shè)備可以識(shí)別的IRIG-B制式。

圖1 系統(tǒng)硬件構(gòu)成

(2)電能質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)源:系統(tǒng)采用Fluke 6135A作為標(biāo)準(zhǔn)源，該標(biāo)準(zhǔn)源能夠在提供可自定義驟升/驟降信號(hào)的同時(shí)發(fā)出一個(gè)下降沿時(shí)間標(biāo)記:+5 V TTL邏輯驅(qū)動(dòng)，可用來(lái)將外部設(shè)備同步到驟升/驟降功能。標(biāo)準(zhǔn)源支持儀器命令為SCPI，采用GPIB通用儀器接口實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程控制。系統(tǒng)中采用NI公司的GPIB-USB控制卡來(lái)實(shí)現(xiàn)PC機(jī)與Fluke 6135A標(biāo)準(zhǔn)源的數(shù)據(jù)通信。

(3)虛擬儀器測(cè)試平臺(tái):以PXIe模塊化數(shù)據(jù)采集分析系統(tǒng)取代傳統(tǒng)測(cè)量?jī)x器，由數(shù)據(jù)采集卡、GPS接收裝置、定時(shí)同步模塊、嵌入式控制器等構(gòu)成。各部分功能分別為:數(shù)據(jù)采集卡采用NI公司高精度的數(shù)字信號(hào)采集卡NI PXI-6621，對(duì)電能質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)源輸出的TTL信號(hào)進(jìn)行數(shù)字化采樣并傳輸至控制器;GPS接收機(jī)采用NI PXIe-6683H，通過GPS對(duì)時(shí)裝置接收IRIG-B(AC)碼信號(hào)，定時(shí)對(duì)虛擬儀器測(cè)試平臺(tái)進(jìn)行校準(zhǔn)，測(cè)試平臺(tái)的同步時(shí)間精度為30 ns;定時(shí)同步模塊結(jié)合NI PXIe-6683H，通過GPS同步信號(hào)來(lái)來(lái)調(diào)整測(cè)試平臺(tái)10 MHz時(shí)鐘;嵌入式計(jì)算機(jī)用于控制和協(xié)調(diào)整個(gè)系統(tǒng)的工作，完成數(shù)據(jù)處理和分析，是測(cè)試系統(tǒng)的核心模塊。

1.2.2 工作原理

測(cè)試時(shí)，首先將虛擬儀器測(cè)試平臺(tái)和被測(cè)儀器同步至GPS時(shí)鐘。電能質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)源模擬電能質(zhì)量事件，被測(cè)設(shè)備將會(huì)記錄事件發(fā)生時(shí)刻;與此同時(shí)，虛擬儀器測(cè)試平臺(tái)捕獲電能質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)源觸發(fā)下降沿，并計(jì)算該下降沿發(fā)生的絕對(duì)時(shí)刻作為標(biāo)準(zhǔn)值。通過比較這兩個(gè)時(shí)刻，可以判斷該電能質(zhì)量監(jiān)測(cè)設(shè)備的實(shí)時(shí)時(shí)鐘精度，且當(dāng)失去同步時(shí)，測(cè)試方法類似，如圖2所示。

圖2 測(cè)試原理

2 測(cè)試系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

根據(jù)上述測(cè)試設(shè)備和測(cè)試原理，本文結(jié)合總體設(shè)計(jì)的技術(shù)思想和測(cè)試自動(dòng)化的發(fā)展方向，設(shè)計(jì)開發(fā)了RTC實(shí)時(shí)時(shí)鐘精度測(cè)試系統(tǒng)軟件，該測(cè)試軟件的主要功能如下:

(1)可將所有設(shè)備集成一體化，能夠完成激勵(lì)信號(hào)的發(fā)出到測(cè)試數(shù)據(jù)采集的同步閉環(huán)控制處理;

(2)能夠控制激勵(lì)信號(hào)的產(chǎn)生，并自動(dòng)計(jì)算得到待測(cè)指標(biāo)的標(biāo)準(zhǔn)值;

(3)具有對(duì)采集到的數(shù)據(jù)及測(cè)試過程進(jìn)行記錄、處理、保存、打印等功能，對(duì)測(cè)試值與標(biāo)準(zhǔn)值比較，得出測(cè)試結(jié)果;

(4)具備開放的體系結(jié)構(gòu)、通用的總線結(jié)構(gòu)，具備良好的可擴(kuò)展性。

3 測(cè)試系統(tǒng)軟件實(shí)現(xiàn)

測(cè)試平臺(tái)軟件用于控制和協(xié)調(diào)整個(gè)系統(tǒng)的工作，自動(dòng)執(zhí)行測(cè)試任務(wù)，完成數(shù)據(jù)處理和分析，是測(cè)試系統(tǒng)的核心模塊。

3.1 總體架構(gòu)

系統(tǒng)軟件模塊化是本測(cè)試系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)開發(fā)的主要思想，系統(tǒng)軟件組成結(jié)構(gòu)如圖3所示。通過該軟件將硬件設(shè)備資源和被測(cè)儀器無(wú)縫接入，利用強(qiáng)大的計(jì)算機(jī)處理能力和分析能力來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)整個(gè)測(cè)試流程的自動(dòng)化。

按照系統(tǒng)的功能要求，測(cè)試軟件設(shè)計(jì)包括上層管理層、中層執(zhí)行層和底層I/O接口驅(qū)動(dòng)程序?qū)尤齻€(gè)層次，采用模塊化結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，每個(gè)模塊完成不同的功能。

圖3 測(cè)試系統(tǒng)軟件框圖

(1)管理層是用戶與系統(tǒng)交互的媒介，實(shí)現(xiàn)整個(gè)測(cè)試系統(tǒng)的控制和調(diào)度，將接收的用戶指令下達(dá)到各個(gè)功能模塊，并從這些模塊中返回和顯示所需的結(jié)果。

(2)執(zhí)行層的主要功能是按照自定義的測(cè)試任務(wù)執(zhí)行測(cè)試、處理和返回測(cè)試結(jié)果以及實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)儀表的工作狀態(tài)，并生成測(cè)試報(bào)告。它主要由系統(tǒng)配置模塊、測(cè)試設(shè)置與執(zhí)行模塊和數(shù)據(jù)管理模塊以及報(bào)告生成模塊組成。

(3)驅(qū)動(dòng)層即底層儀器設(shè)備驅(qū)動(dòng)，主要功能是將執(zhí)行層控制模塊的命令轉(zhuǎn)化為儀器設(shè)備可識(shí)別的指令通過總線傳遞給每臺(tái)儀器，再將儀器設(shè)備的測(cè)試結(jié)果返回執(zhí)行層數(shù)據(jù)分析與處理模塊。測(cè)試系統(tǒng)將每一個(gè)測(cè)試項(xiàng)目封裝為獨(dú)立的驅(qū)動(dòng)模塊，測(cè)試時(shí)分別調(diào)用。

3.2 關(guān)鍵技術(shù)

3.2.1 基于IEC 61850被測(cè)設(shè)備無(wú)縫接入

一般來(lái)說，通用儀器設(shè)備編程接口為GPIB，此類接口使用標(biāo)準(zhǔn)的SCPI語(yǔ)言進(jìn)行儀器控制功能研發(fā)，其儀器驅(qū)動(dòng)相對(duì)簡(jiǎn)單;對(duì)于電能質(zhì)量監(jiān)測(cè)此類專業(yè)設(shè)備而言，我國(guó)電力行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)和國(guó)家電網(wǎng)公司企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)均規(guī)定，電能質(zhì)量監(jiān)測(cè)設(shè)備需要具備IEC 61850通訊功能，且通過以太網(wǎng)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸。電能質(zhì)量監(jiān)測(cè)設(shè)備上傳電能質(zhì)量事件信息基于IEC 61850非緩存報(bào)告的方式，因此本系統(tǒng)通過創(chuàng)建IEC 61850Client端完成對(duì)IEC 61850非緩存報(bào)告的解析，實(shí)現(xiàn)被測(cè)設(shè)備和測(cè)試系統(tǒng)間的數(shù)據(jù)通信，達(dá)到被測(cè)設(shè)備“即插即測(cè)”的目的。

3.2.2 虛擬儀器測(cè)試平臺(tái)標(biāo)準(zhǔn)值計(jì)算

電能質(zhì)量事件標(biāo)準(zhǔn)源發(fā)出測(cè)試信號(hào)即電壓事件波形，并在事件發(fā)生時(shí)刻產(chǎn)生TTL下降沿脈沖，數(shù)字信號(hào)采集卡帶時(shí)標(biāo)采樣TTL脈沖，測(cè)試平臺(tái)接收采集裝置上傳的TTL脈沖采樣值，計(jì)算標(biāo)準(zhǔn)源給出的電能質(zhì)量事件發(fā)生時(shí)刻，此時(shí)刻記為標(biāo)準(zhǔn)值;測(cè)試平臺(tái)比對(duì)標(biāo)準(zhǔn)值與被檢設(shè)備的測(cè)量值，根據(jù)檢測(cè)方法要求計(jì)算被檢設(shè)備指標(biāo)，給出檢測(cè)結(jié)果。

虛擬測(cè)試平臺(tái)作為電能質(zhì)量監(jiān)測(cè)設(shè)備測(cè)試的參考標(biāo)準(zhǔn)表使用，與傳統(tǒng)的儀器相比，其可擴(kuò)展性、靈活性更強(qiáng)。

3.2.3 標(biāo)準(zhǔn)化全過程測(cè)試流程管理

本系統(tǒng)完成的是一個(gè)多任務(wù)、多過程的實(shí)時(shí)測(cè)試過程，通過運(yùn)用軟件流程控制結(jié)構(gòu)，組織和調(diào)用各功能模塊，依次進(jìn)行測(cè)試信息錄入—測(cè)試項(xiàng)目設(shè)置—測(cè)試執(zhí)行-測(cè)試結(jié)果—測(cè)試報(bào)告生成等一系列測(cè)試動(dòng)作，即一個(gè)完整的測(cè)試流程，規(guī)范了電能質(zhì)量監(jiān)測(cè)設(shè)備測(cè)試工作的進(jìn)行。

3.2.4 數(shù)據(jù)庫(kù)控制測(cè)試技術(shù)

如果將所有測(cè)試參數(shù)、指令及數(shù)據(jù)都內(nèi)置于測(cè)試軟件中將會(huì)導(dǎo)致系統(tǒng)的可維護(hù)性、可擴(kuò)展性差。本系統(tǒng)將數(shù)據(jù)庫(kù)引入，通過數(shù)據(jù)庫(kù)實(shí)現(xiàn)測(cè)試流程控制，把測(cè)試任務(wù)寫入數(shù)據(jù)庫(kù)，測(cè)試程序讀取數(shù)據(jù)庫(kù)并執(zhí)行相應(yīng)的測(cè)試動(dòng)作。這樣當(dāng)測(cè)試任務(wù)改變時(shí)，只要操作數(shù)據(jù)庫(kù)而無(wú)需對(duì)程序進(jìn)行更改，便于系統(tǒng)擴(kuò)展。

4 系統(tǒng)驗(yàn)證

4.1 測(cè)試結(jié)果

利用該測(cè)試系統(tǒng)對(duì)一臺(tái)已經(jīng)過IEC 61000-4-30 A級(jí)符合性測(cè)試的電能質(zhì)量監(jiān)測(cè)設(shè)備進(jìn)行實(shí)時(shí)時(shí)鐘精度測(cè)試，測(cè)試結(jié)果見表1。

表1 實(shí)時(shí)時(shí)鐘精度測(cè)試匯總

4.2 系統(tǒng)測(cè)量不確定度評(píng)定

4.2.1 數(shù)學(xué)模型

測(cè)試系統(tǒng)顯示的RTC實(shí)時(shí)時(shí)鐘誤差:

其中A為電能質(zhì)量監(jiān)測(cè)設(shè)備的RTC實(shí)時(shí)時(shí)鐘誤差，AS為虛擬儀器測(cè)試平臺(tái)的標(biāo)準(zhǔn)RTC實(shí)時(shí)時(shí)鐘誤差。

(1)輸入量A的不確定度UA(A)主要來(lái)源是被測(cè)電能質(zhì)量

(4)取95%概率值，包含因子k=2，則擴(kuò)展不確定度為U=2Uc(δ)。

4.2.2 系統(tǒng)測(cè)量不確定度

由4.1的測(cè)試數(shù)據(jù)計(jì)算得到測(cè)量不確定度見表2。監(jiān)測(cè)設(shè)備RTC實(shí)時(shí)時(shí)鐘誤差值的測(cè)量重復(fù)性，可通過測(cè)量得到測(cè)量列，采用A類方法評(píng)定。

表2 測(cè)量不確定度測(cè)試匯總

(2)輸入量AS的不確定度UB(AS)主要來(lái)源于電能質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)源TTL延遲誤差和測(cè)試平臺(tái)的標(biāo)準(zhǔn)RTC實(shí)時(shí)時(shí)鐘誤差的不確定度，可根據(jù)校準(zhǔn)證書給出相應(yīng)的允許誤差來(lái)進(jìn)行評(píng)定，由B類方法評(píng)定。

(3)由于各個(gè)標(biāo)準(zhǔn)不確定度分量互不相關(guān)，可通過方和根法求得合成標(biāo)準(zhǔn)不確定度:

測(cè)試過程與結(jié)果表明，系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定可靠，精度高，符合IEC 62586標(biāo)準(zhǔn)測(cè)試要求。

5 結(jié)束語(yǔ)

本文提出的電能質(zhì)量監(jiān)測(cè)設(shè)備時(shí)鐘精度測(cè)試系統(tǒng)綜合應(yīng)用時(shí)鐘同步、虛擬儀器、數(shù)字信號(hào)處理和數(shù)據(jù)庫(kù)等技術(shù)，能夠基于IEC 62586標(biāo)準(zhǔn)的測(cè)試要求，自動(dòng)完成電能質(zhì)量監(jiān)測(cè)設(shè)備RTC實(shí)時(shí)時(shí)鐘精度的測(cè)試工作，測(cè)試實(shí)時(shí)性、可靠性強(qiáng)。此外，本系統(tǒng)可進(jìn)一步擴(kuò)展用于電能質(zhì)量監(jiān)測(cè)設(shè)備其他功能的測(cè)試，該系統(tǒng)的推廣和使用將有利于電能質(zhì)量監(jiān)測(cè)設(shè)備測(cè)試水平和該類產(chǎn)品研發(fā)技術(shù)水平的提高，為電力系統(tǒng)電能質(zhì)量的提高和改善提供準(zhǔn)確的依據(jù)及技術(shù)保障。

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