CN108693493B - 一种用于标准电能质量监测装置的校准方法 - Google Patents

一种用于标准电能质量监测装置的校准方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及电力设备校准技术领域，具体涉及一种用于标准电能质量监测装置的校准系统及校准方法。该系统包括：电能质量功率标准源、标准电能质量监测装置、检测主机、交换机，该系统结构简单，可实现标准电能质量监测装置全自动校准，减少了人力和物力的投入。且本发明提供的检测方法可实现从标准电能质量监测装置自动读取测量数据和时间并计算误差、自动输出检测结果到检测报告中，大大提高了校准效率。采用本发明提供的一种用于标准电能质量监测装置的校准系统及校准方法能完成标准电能质量监测装置的实验室校准，使得标准电能质量监测装置的在线比对工作能够有效开展。

Description

一种用于标准电能质量监测装置的校准方法
技术领域
本发明涉及电力设备校准技术领域，具体涉及一种用于标准电能质量监测装置的校准方法。
背景技术
标准电能质量监测装置可对安装在变电站的电能质量监测装置进行在线校准，大量使用标准电能质量监测装置，要求其精度高于被检电能质量监测装置，同时要求其结果具有一定的准确性及可朔源性，有助于有效开展电能质量监测装置的定期检测工作，将标准电能质量监测装置送实验室进行定期溯源是非常有必要的，为了兼容电能质量监测装置，标准电能质量监测装置除了电能质量指标测量功能之外，还应具有IEEE1588精密时钟同步协议和IEC61850通信协议数据传输等功能。若对标准电能质量监测装置在实验室对上述功能通过人工一一进行检测，费时费力且效率低下，检测误差无法控制。
发明内容
为了解决上述问题，本发明提供了一种用于标准电能质量监测装置的校准系统，该系统可以实现标准电能质量监测装置的全自动检测，无需人工干预，自动计算误差，从而保证各项电能质量指标的测量准确度，具体技术方案如下：
一种用于标准电能质量监测装置的校准系统包括电能质量功率标准源、标准电能质量监测装置、检测主机、交换机；所述电能质量功率标准源用于输出电能质量标准信号至标准电能质量监测装置；所述标准电能质量监测装置用于获取电能质量功率标准源输出的电能质量标准信号并计算相应的电能质量指标，并通过IEC61850规约将电能质量指标的计算结果上传至监测主机；所述检测主机用于控制电能质量功率标准源输出电能质量标准信号和计算标准电能质量监测装置对电能质量标准信号的电能质量指标计算的误差；所述电能质量功率标准源通过信号线与标准电能质量监测装置进行电气连接；所述标准电能质量监测装置与检测主机通过交换机连接；所述检测主机与电能质量功率标准源连接。
优选地，所述电能质量功率标准源包括1台主机和2台辅机，所述1台主机和2台辅机构成三相四线制同步发出信号；所述主机具有参数设置、状态显示功能，能与多台辅机进行通信，所述辅机不具备参数设置、状态显示功能；所述电能质量功率标准源的精度至少为到100ppm。
优选地，所述标准电能质量监测装置包括采样单元、微控制器、输入输出单元、存储单元及电源检测单元；所述采样单元用于电压信号和电流信号的采样；所述微控制器用于采样控制、采样数据计算分析、网络对时、计算分析数据存储控制、网络通信控制；所述输入输出单元用于输出计算分析结果；所述存储单元用于存储计算分析结果；所述电源检测单元用于为采样单元、微控制器、输入输出单元、存储单元提供电源；所述采样单元、输入输出单元、存储单元及电源检测单元分别与微控制器连接。
优选地，所述输入输出单元包括以太网接口、USB接口、串口、显示器、按键和按键指示灯。
优选地，所述检测主机包括人机交互模块、数据获取模块、PTP授时模块、准确度计算模块、校准报告模块；所述人机交互模块用于设置参数、通信测试和图表显示；所述数据获取模块用于通过IEC61850规约从标准电能质量监测装置获取电能质量标准信号的电能质量指标计算结果；所述PTP授时模块用于检测标准电能质量监测装置是否具备PTP时间同步功能，并读取标准电能质量监测装置的实时时间；所述准确度计算模块用于计算标准电能质量监测装置获取对电能质量标准信号的电能质量指标的计算结果与电能质量标准信号的误差以及计算标准电能质量监测装置与检测主机的时间精度误差，从而判断标准电能质量监测装置对电能质量指标的测量、对时准确度是否合格；所述校准报告模块用于检测报告的生成、查看、编辑。
优选地，所述PTP授时模块采用IEEE1588精密时钟同步协议和SNTP简单网络时间协议对标准电能质量监测装置的PTP时间同步功能进行检测；所述IEEE1588精密时钟同步协议的同步建立时间小于10μs，所述SNTP简单网络时间协议的同步建立时间小于10ms。
优选地，所述检测主机通过USB转GPIB接口与电能质量功率标准源连接。
校准方法包括以下步骤：
(1)检测准备：通过信号线将电能质量功率标准源与标准电能质量监测装置进行电气连接，将标准电能质量监测装置与检测主机通过交换机连接，检测主机与电能质量功率标准源连接；
(2)检测环境完整性测试：测试电能质量功率标准源、标准电能质量监测装置、网络交换机、检测主机的通电是否正常；测试标准电能质量监测装置与检测主机的通信是否正常；测试检测主机的各个功能模块是否工作正常；
(3)网络授时：通过检测主机的PTP授时模块完成对标准电能质量监测装置的同步授时工作，使得检测主机与标准电能质量监测装置保持时间同步，同时显示标准电能质量监测装置与检测主机的时间误差；
(4)准确度计算：检测主机控制电能质量功率标准源输出电能质量标准信号，标准电能质量监测装置采集电能质量标准信号并计算其相应的电能质量指标，准确度计算模块计算标准电能质量监测装置对每一项电能质量指标的测量误差，并通过误差计算结果判断标准电能质量监测装置的测量准确度是否合格；
(5)生成检测报告：校准报告模块生成并输出检测报告。
本发明的有益效果为：本发明提供了一种用于标准电能质量监测装置的校准系统，该系统结构简单，可实现标准电能质量监测装置全自动校准，减少了人力和物力的投入。且本发明提供的校准方法可实现从标准电能质量监测装置自动读取测量数据和时间并计算误差、自动输出检测结果到检测报告中，大大提高了校准效率。采用本发明提供的一种用于标准电能质量监测装置的校准系统能完成标准电能质量监测装置的实验室校准，使得标准电能质量监测装置的在线比对工作能够有效开展。
附图说明
图1为本发明中一种用于标准电能质量监测装置的校准系统的结构示意图；
图2为本发明中一种用于标准电能质量监测装置的校准系统的校准方法的步骤流程图；
图3为本发明中调谐的示意图；
图4为本发明中时间同步的示意图。
具体实施方式
为了更好的理解本发明，下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步说明：
如图1所示，一种用于标准电能质量监测装置的校准系统包括电能质量功率标准源、标准电能质量监测装置、检测主机、交换机；电能质量功率标准源用于输出电能质量标准信号至标准电能质量监测装置；标准电能质量监测装置用于完成与检测主机的对时并获取电能质量功率标准源输出的电能质量标准信号并计算相应的电能质量指标，并通过IEC61850规约将电能质量指标的计算结果上传至监测主机；检测主机用于控制电能质量功率标准源输出电能质量标准信号和计算标准电能质量监测装置对电能质量标准信号的电能质量指标计算的误差；标准电能质量监测装置与电能质量功率标准源通过信号线进行电气连接以实现对电能质量功率标准源输出的电能质量标准信号进行采样；标准电能质量监测装置与检测主机通过交换机连接以实现与检测主机进行PTP授时和双向通信；交换机具备IEEE1588精密时钟同步协议；检测主机通过USB转GPIB接口与电能质量功率标准源连接，并通过IEEE488标准协议对电能质量功率标准源进行控制。
电能质量功率标准源包括1台主机和2台辅机，1台主机和2台辅机构成三相四线制同步发出信号，因此电能质量功率标准源输出的电能质量标准信号为三相电压信号或三相电流信号；主机具有参数设置、状态显示功能，能与多台辅机进行通信，采用FLUKE公司6100A；辅机不具备参数设置、状态显示功能，采用FLUKE公司6101A；电能质量功率标准源的精度至少为到100ppm。
标准电能质量监测装置包括采样单元、微控制器、输入输出单元、存储单元及电源检测单元；采样单元用于4路电压信号和4路电流信号的采样，具体采用AD7606芯片；微控制器用于采样控制、采样数据计算分析、网络对时、计算分析数据存储控制、网络通信控制，具体采用DSP与ARM9结合的非对构双核微控制器OMAPL138，具备IEEE1588精密时钟同步对时和IEC61850通信规约功能；输入输出单元用于输出计算分析结果，包括以太网接口、USB接口、串口、显示器、按键和按键指示灯；存储单元用于存储计算分析结果；电源检测单元用于为采样单元、微控制器、输入输出单元、存储单元提供电源；采样单元、输入输出单元、存储单元及电源检测单元分别与微控制器连接。标准电能质量监测装置的精度达到20ppm(0.2％)。
检测主机包括人机交互模块、数据获取模块、PTP授时模块、准确度计算模块、校准报告模块；人机交互模块用于设置参数、通信测试和图表显示；数据获取模块用于通过IEC61850规约从标准电能质量监测装置获取电能质量标准信号的电能质量指标计算结果；PTP授时模块用于检测标准电能质量监测装置是否具备PTP时间同步功能，并读取标准电能质量监测装置的实时时间；准确度计算模块用于计算标准电能质量监测装置获取对电能质量标准信号的电能质量指标的计算结果与电能质量标准信号的误差以及计算标准电能质量监测装置与检测主机的时间精度误差，从而判断标准电能质量监测装置对电能质量指标的测量、对时准确度是否合格；校准报告模块用于检测报告的生成、查看、编辑。电能质量指标包括电压偏差、谐波、三相不平衡、闪变。
其中，PTP授时模块采用IEEE1588精密时钟同步协议和SNTP简单网络时间协议对标准电能质量监测装置的PTP时间同步功能进行检测；IEEE1588精密时钟同步协议的同步建立时间小于10μs，SNTP简单网络时间协议的同步建立时间小于10ms。
校准方法包括以下步骤：
(1)检测准备：通过信号线将电能质量功率标准源与标准电能质量监测装置进行电气连接，将标准电能质量监测装置与检测主机通过交换机连接，检测主机与电能质量功率标准源连接；若系统各部分连接良好，则进入下一步测试。
(2)检测环境完整性测试：
1)测试电能质量功率标准源、标准电能质量监测装置、网络交换机、检测主机的通电是否正常；
2)测试标准电能质量监测装置与检测主机的通信是否正常；
2)测试标准电能质量监测装置与检测主机的通信是否正常，具体是利用一些常用指令(如：ping、netstat、telnet等指令)来测试通讯链路是否能正常连接，如果出现通讯异常，则由人机交互模块给出异常的原因和提示。其次，数据获取模块按照IEC61850通讯规约，并以在线的方式读取标准电能质量监测装置的各项电能质量指标的实时数据，从而判断两者的通讯规约是否与标准规约一致，同时判断获取的数据是否正确；
3)测试检测主机的各个功能模块是否工作正常；
若上述任何一项测试不通过，则由人机交互模块给出原因和提示，直至测试人员处理通过后才予以进入下一个步骤。
(3)网络授时：通过检测主机的PTP授时模块完成对标准电能质量监测装置的同步授时工作，使得检测主机与标准电能质量监测装置保持精准的时间同步，同时显示标准电能质量监测装置与检测主机的时间误差；具体步骤如下：
1)以检测主机的PTP授时模块的时钟为主时钟，以标准电能质量监测装置的时钟为从时钟；
2)调谐：如图3所示，主时钟根据发送周期周期性地发送报文，以某一帧报文为起点报文，设其发出时间为TM0，接收时间为TS0，发出时间TM0由主时钟提供并经过链路延迟补偿，接收时间TS0由从时钟提供，间隔若干个发送周期后，当前发送的报文的发出时间为TMi，接收时间为TSi，i是当前发送的报文与起点报文的发送周期间隔数，其中i>0，以主时钟频率与从时钟频率的比值，对从时钟的时间变化率进行调整，主时钟频率与从时钟频率的比值即(TMi-TM0)/(TSi-TS0)；
3)计算时间延迟Tdelay和时间偏移Toffset：
①如图4所示，在T1时刻发送同步报文，在此时刻由从时钟记录下同步报文到达时刻T2，此时从时钟端只有时间戳T2；
②再由紧随同步报文发送的跟随报文携带同步报文发送时刻T1至从时钟端，此时从时钟端具有时间戳T1和T2；
③接着由从时钟向主时钟发送延迟请求报文，并在从时钟端记录下延迟请求报文发出时刻T3，此时从时钟端具有时间戳T1、T2和T3；
④最后由主时钟端将延迟请求报文到达主时钟的时间T4记录下来，由延迟响应报文携带延迟请求报文到达时刻T4向从时钟发送，并由从时钟记录时间T4，此时从时钟端具有时间戳T1、T2、T3和T4；
⑤由此整个时间同步过程基本完成，然而T1和T4时刻是以主时钟的时间信息为衡量标准的，而T2和T3时刻是以从时钟的时间信息为衡量标准的，如果统一采用主时钟的标准进行衡量，则T2和T3在时间上相对于T1和T4存在时间延迟Tdelay和时间偏移Toffset，计算表达式为
T2-Toffset-Tdelay＝T1；
T3-Toffset+Tdelay＝T4；
将两式整理有
Figure GDA0002825600280000061
Figure GDA0002825600280000062
4)根据时间延迟Tdelay和时间偏移Toffset调整从时钟，使得从时钟与主时钟同步。
(4)准确度计算：检测主机通过USB-GPIO通信电缆控制电能质量功率标准源输出电能质量标准信号，标准电能质量监测装置采集电能质量标准信号并计算其相应的电能质量指标，准确度计算模块计算标准电能质量监测装置对每一项电能质量指标的测量误差，并通过误差计算结果判断标准电能质量监测装置的测量准确度是否合格；
(5)生成检测报告：输出标准电能质量监测装置的校准结果，校准结束后，校准人员可以通过校准报告模块查看、编辑以及上传校准报告。
本发明不局限于以上所述的具体实施方式，以上所述仅为本发明的较佳实施案例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (5)

1.一种用于标准电能质量监测装置的校准方法，其特征在于：包括电能质量功率标准源、标准电能质量监测装置、检测主机、交换机；所述电能质量功率标准源用于输出电能质量标准信号至标准电能质量监测装置；所述标准电能质量监测装置用于获取电能质量功率标准源输出的电能质量标准信号并计算相应的电能质量指标，并通过IEC61850规约将电能质量指标的计算结果上传至监测主机；所述检测主机用于控制电能质量功率标准源输出电能质量标准信号和计算标准电能质量监测装置对电能质量标准信号的电能质量指标计算的误差；所述电能质量功率标准源通过信号线与标准电能质量监测装置进行电气连接；所述标准电能质量监测装置与检测主机通过交换机连接；所述检测主机与电能质量功率标准源连接；
所述检测主机包括人机交互模块、数据获取模块、PTP授时模块、准确度计算模块、校准报告模块；所述人机交互模块用于设置参数、通信测试和图表显示；所述数据获取模块用于通过IEC61850规约从标准电能质量监测装置获取电能质量标准信号的电能质量指标计算结果；所述PTP授时模块用于检测标准电能质量监测装置是否具备PTP时间同步功能，并读取标准电能质量监测装置的实时时间；所述准确度计算模块用于计算标准电能质量监测装置获取对电能质量标准信号的电能质量指标的计算结果与电能质量标准信号的误差以及计算标准电能质量监测装置与检测主机的时间精度误差，从而判断标准电能质量监测装置对电能质量指标的测量、对时准确度是否合格；所述校准报告模块用于检测报告的生成、查看、编辑；
所述PTP授时模块采用IEEE1588精密时钟同步协议和SNTP简单网络时间协议对标准电能质量监测装置的PTP时间同步功能进行检测；所述IEEE1588精密时钟同步协议的同步建立时间小于10μs，所述SNTP简单网络时间协议的同步建立时间小于10ms；
校准方法包括以下步骤：
(1)检测准备：通过信号线将电能质量功率标准源与标准电能质量监测装置进行电气连接，将标准电能质量监测装置与检测主机通过交换机连接，检测主机与电能质量功率标准源连接；
(2)检测环境完整性测试：测试电能质量功率标准源、标准电能质量监测装置、网络交换机、检测主机的通电是否正常；测试标准电能质量监测装置与检测主机的通信是否正常；测试检测主机的各个功能模块是否工作正常；
(3)网络授时：通过检测主机的PTP授时模块完成对标准电能质量监测装置的同步授时工作，使得检测主机与标准电能质量监测装置保持时间同步，同时显示标准电能质量监测装置与检测主机的时间误差；具体步骤如下：
1)以检测主机的PTP授时模块的时钟为主时钟，以标准电能质量监测装置的时钟为从时钟；
2)调谐：主时钟根据发送周期周期性地发送报文，以某一帧报文为起点报文，设其发出时间为TM0，接收时间为TS0，发出时间TM0由主时钟提供并经过链路延迟补偿，接收时间TS0由从时钟提供，间隔若干个发送周期后，当前发送的报文的发出时间为TMi，接收时间为TSi，i是当前发送的报文与起点报文的发送周期间隔数，其中i>0，以主时钟频率与从时钟频率的比值，对从时钟的时间变化率进行调整，主时钟频率与从时钟频率的比值即(TMi-TM0)/(TSi-TS0)；
3)计算时间延迟Tdelay和时间偏移Toffset：
①在T1时刻发送同步报文，在此时刻由从时钟记录下同步报文到达时刻T2，此时从时钟端只有时间戳T2；
②再由紧随同步报文发送的跟随报文携带同步报文发送时刻T1至从时钟端，此时从时钟端具有时间戳T1和T2；
③接着由从时钟向主时钟发送延迟请求报文，并在从时钟端记录下延迟请求报文发出时刻T3，此时从时钟端具有时间戳T1、T2和T3；
④最后由主时钟端将延迟请求报文到达主时钟的时间T4记录下来，由延迟响应报文携带延迟请求报文到达时刻T4向从时钟发送，并由从时钟记录时间T4，此时从时钟端具有时间戳T1、T2、T3和T4；
⑤由此整个时间同步过程基本完成，然而T1和T4时刻是以主时钟的时间信息为衡量标准的，而T2和T3时刻是以从时钟的时间信息为衡量标准的，如果统一采用主时钟的标准进行衡量，则T2和T3在时间上相对于T1和T4存在时间延迟Tdelay和时间偏移Toffset，计算表达式为
T2-Toffset-Tdelay＝T1；
T3-Toffset+Tdelay＝T4；
将两式整理有
Figure FDA0002825600270000031
Figure FDA0002825600270000032
4)根据时间延迟Tdelay和时间偏移Toffset调整从时钟，使得从时钟与主时钟同步；
(4)准确度计算：检测主机控制电能质量功率标准源输出电能质量标准信号，标准电能质量监测装置采集电能质量标准信号并计算其相应的电能质量指标，准确度计算模块计算标准电能质量监测装置对每一项电能质量指标的测量误差，并通过误差计算结果判断标准电能质量监测装置的测量准确度是否合格；
(5)生成检测报告：校准报告模块生成并输出检测报告。
2.根据权利要求1所述的一种用于标准电能质量监测装置的校准方法，其特征在于：所述电能质量功率标准源包括1台主机和2台辅机，所述1台主机和2台辅机构成三相四线制同步发出信号；所述主机具有参数设置、状态显示功能，能与多台辅机进行通信，所述辅机不具备参数设置、状态显示功能；所述电能质量功率标准源的精度至少为到100ppm。
3.根据权利要求1所述的一种用于标准电能质量监测装置的校准方法，其特征在于：所述标准电能质量监测装置包括采样单元、微控制器、输入输出单元、存储单元及电源检测单元；所述采样单元用于电压信号和电流信号的采样；所述微控制器用于采样控制、采样数据计算分析、网络对时、计算分析数据存储控制、网络通信控制；所述输入输出单元用于输出计算分析结果；所述存储单元用于存储计算分析结果；所述电源检测单元用于为采样单元、微控制器、输入输出单元、存储单元提供电源；所述采样单元、输入输出单元、存储单元及电源检测单元分别与微控制器连接。
4.根据权利要求3所述的一种用于标准电能质量监测装置的校准方法，其特征在于：所述输入输出单元包括以太网接口、USB接口、串口、显示器、按键和按键指示灯。
5.根据权利要求1所述的一种用于标准电能质量监测装置的校准方法，其特征在于：所述检测主机通过USB转GPIB接口与电能质量功率标准源连接。
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