CN114518556A - 一种基于ieee1588协议的电能质量监测设备现场检测方案 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于IEEE1588协议的电能质量监测设备现场检测方案，适用于电能质量监测与管理技术领域，所述方案是在通过在改进标准表法中，引入对时的概念与对硬件设备的增强设计实现了对检测精度的提升。同时，本发明还为该方案设计了一种全自动的检测软件，实现了现场检测的全自动化。

Description

一种基于IEEE1588协议的电能质量监测设备现场检测方案

技术领域

本发明涉及电能质量监测设备现场检测方法，属于电能质量监测与管理技术领域。

背景技术

传统的电能质量监测设备检测方法为手动或半手动检测。例如，浙江计量科学研究院于2008年率先提出并建立了电能质量检测标准装置，该装置集成了德国ZERA公司的MT3000便携式电能测试仪、美国FLUKE公司的Fluke6100A功率标准源等，能够按照IEC和国家的相关标准开展电压、频率、谐波及闪变等电能质量指标的检测工作；华北电力科学研究院于2010年提出并建立了电能质量监测设备校验检测系统，该系统是国内第一个电能质量监测设备检测软件平台，同样可以进行谐波、三相不平衡、闪变等电能质量指标的检测工作。但上述装置或系统皆涉及到大量的人工操作，检测过程复杂，而且还需要对电能质量监测设备进行断电及拆线，耗时耗力且效率低下。近些年来，不少的学校、企业和研究机构展开了自动检测技术的研究，寻找加快检测速度、减少人工工作量的途径和方法，已经取得了一定的成果。湖南大学、西安电子科技大学等先后研发了电能质量监测设备的自动检测或校验平台，能够实现对电压、电流、频率、谐波以及三相不平衡等多项电能质量指标的自动检测。但是，这种方法还在研究和发展之中，目前尚难以应用于接线复杂、条件恶劣的现场环境之中，只能在实验室中对电能质量监测设备进行批量、自动化的检测。

然而，对于电网而言，对已安装运行的电能质量监测设备进行不拆线、不断电的检测是一项实际而迫切的需求。根据电力行业标准DL/T1298-2013《静止无功补偿装置运行规程》和国网企标Q/GDW1650.4-2016《电能质量监测技术规范第4部分：电能质量监测终端检验》，电能质量监测设备的定期检测周期一般不应超过3年。这就意味着，每隔至多3年，就有上万台乃至更多的电能质量监测设备需要检测，如果把这些电能质量监测设备都断电、拆线运回实验室检测，其工作量和成本显然是极高且难以接受的，因此，研究快速、高效的电能质量监测设备现场检测技术、装置及方案是势在必行的。

发明内容

标准表法(比对法)是目前电能质量监测设备现场检测的基本方法。本发明对这种基本方法做了改进使其更加适于电能质量监测设备的检测工作。

标准表法可以通过对现场信号进行测量，比较标准比对设备和电能质量监测设备的测量结果，检测电能质量监测设备是否达标。本发明对标准表法进行了改进，其基本检测流程如下：

(1)下达对时命令，对时命令通过交换机分别传输至电能质量监测设备和标准比对设备，随后，电能质量监测设备和标准比对设备通过IEEE1588协议进行对时。

(2)对时完成后，下达检测命令，检测命令包含检测启动时间、检测时长与待检参数(电压、电流、频率、有功功率、无功功率、谐波电压、谐波电流、三相电压不平衡度等)等信息，检测命令同时下达给标准比对设备与待检的电能质量监测设备。

(3)依据检测命令所指定的检测启动时间与检测时长，电能质量监测设备与标准比对设备分别对现场信号进行测量，给出待检参数的测量结果。

(4)汇总、处理由标准比对设备和电能质量监测设备分别输出的测量结果，进行对比、计算误差等，最终以图形或表格的形式生成或展示检测结果。

改进的标准表法加入了对时的过程，通过时钟同步，减小了标准表法的量化误差，使其满足对电能质量监测设备进行检测的要求。

标准表法可直接采用现场信号对电能质量监测设备进行检测，无须拆线，适合应用于电能质量监测设备的现场检测方案之中。

而该方案是基于IEEE1588协议，通过在改进标准源法和改进标准表法中，引入对时的概念与对硬件设备的增强设计方法，实现了对检测精度的提升；

所述的改进标准表法，为在标准表法中引入了对时与IEEE1588协议步骤，包括如下步骤：首先使用电脑下达对时命令，使被检设备和标准比对设备通过IEEE1588协议进行对时，然后被检设备和标准比对设备同时对现场信号进行测量，最后由电脑进行汇总，最终进行对比，计算误差；

所述的标准比对设备，为高精度的电能质量监测设备，包括由采样模块、信号调理模块、A/D转换模块、CPU信号处理模块组成的信号采集及调理模块电路；

该方案还包括检测模块。

具体的，信号采集及调理模块电路采用差分输入方式；其中，输入采样信号经过运放与低通滤波调理电路后，输入到18位同步采样ADC转换器，所有输入通道均同时采样；ADC转换器的DNL为±0.5LSB，INL为±2.0LSB；ADC转换器内部集成了带缓冲器的低漂移、高精度基准电压，最大偏移漂移为3ppm/℃，而且，在A/D采样环节还采取了抗频率混叠的处理措施。

具体的，检测模块由通讯/对时模块、数据存储模块、数据处理模块与人机交互界面四部分组成；其中，通讯/对时模块、数据存储模块和数据处理模块是无界面的功能模块，人机交互界面是带界面的功能模块；

通讯/对时模块用于实现自动检测软件与电能质量监测设备、标准比对设备的通讯，进行信号数据以及控制命令的传递，同时也承担IEEE1588协议在软件层面的实现；

数据存储模块使用文件存储的形式，提高数据存储和查询的效率；

数据处理模块实现检测方案的管理、信号数据的分析以及处理；

人机交互界面实现自动检测软件与检测人员的人机交互，执行参数设定与检测结果展示功能。

具体的，标准比对设备与电能质量监测设备的自动检测分别从硬件与软件上支持IEEE1588协议，并在软硬件上对改进标准表法进行支撑。

附图说明

图1为改进标准源法示意图；

图2为改进标准表法示意图；

图3为IEEE1588协议的对时原理图；

图4为不同步测量的误差分析示意图；

图5为信号采集电路框图；

图6为电能质量监测设备自动检测软件的软件架构图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例，基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

改进标准源法如图1所示，在对电能质量监测设备进行检测时，采用高精度的标准源作为信号源，如Fluke6100A。其基本检测流程为：

A.笔记本电脑下达对时命令，对时命令通过交换机分别传输至电能质量监测设备和标准信号源，随后，电能质量监测设备和标准信号源通过GPS、IRIG-B码、SNTP协议或者其它对时协议进行对时。

B.对时完成后，笔记本电脑下达预检测命令，预检测命令包含待检的参数(电压、电流、频率、有功功率、无功功率、谐波电压、谐波电流、三相电压不平衡度等)及其设定值，经交换机传输至标准信号源，随后，标准信号源调整信号的参数至设定值，待信号输出稳定后返回信号待检参数的当前值以及参数设定成功回执。

C.收到标准信号源的参数设定成功回执后，笔记本电脑下达检测命令，检测命令包含检测启动时间、检测时长与待检参数等信息，检测命令同时下达给标准信号源与待检的电能质量监测设备。

D.依据检测命令所指定的检测启动时间，电能质量监测设备启动对标准信号源信号的测量；同时，标准信号源返回检测启动时刻信号待检参数的值。

E.依据检测命令所指定的检测时长，电能质量监测设备完成对标准信号源信号的测量，给出信号待检参数的测量结果；同时，标准信号源返回检测时间段内待检参数的值。

笔记本电脑汇总、处理由标准信号源和电能质量监测设备各自输出的信号信息，进行对比、计算误差等，最终以图形或表格的形式生成或展示检测结果。

与传统的标准源法不同，改进的标准源法加入了对时过程，通过时钟同步，减小了标准源法的量化误差，使其满足对电能质量监测设备进行检测的要求。

标准源法结构简单、短时间量化误差小，在实验室中进行检测时，能够对多台电能质量监测设备同时进行，检测检测效率高。但是，采用标准源法对运行中的电能质量监测设备进行检测时必须进行断电、拆线与改接线等操作，检测完毕后还需要将电能质量监测设备重新安装回电网之中，工作量大、操作复杂，其中任何一个环节出错皆会对电能质量监测设备后续的安全、可靠运行产生影响。同时，标准源一般体积较大、价格昂贵，在反复的运输途中也容易出现损坏，采用标准源法的现场检测方案的成本相对较高。因此，标准源法不宜应用于电能质量监测设备的现场检测之中，应当寻找其它替代或解决方案。

如图2所示，标准表法可以通过对现场信号进行测量，比较标准比对设备和电能质量监测设备的测量结果，检测电能质量监测设备是否达标。本案对标准表法进行了改进，其基本检测流程如下：

A.笔记本电脑下达对时命令，对时命令通过交换机分别传输至电能质量监测设备和标准比对设备，随后，电能质量监测设备和标准比对设备通过GPS、IRIG-B码、SNTP协议或者其它对时协议进行对时。

B.对时完成后，笔记本电脑下达检测命令，检测命令包含检测启动时间、检测时长与待检参数(电压、电流、频率、有功功率、无功功率、谐波电压、谐波电流、三相电压不平衡度等)等信息，检测命令同时下达给标准比对设备与待检的电能质量监测设备。

C.依据检测命令所指定的检测启动时间与检测时长，电能质量监测设备与标准比对设备分别对现场信号进行测量，给出待检参数的测量结果。

D.笔记本电脑汇总、处理由标准比对设备和电能质量监测设备分别输出的测量结果，进行对比、计算误差等，最终以图形或表格的形式生成或展示检测结果。

与改进的标准源法类似，改进的标准表法也加入了对时的过程，通过时钟同步，减小了标准表法的量化误差，使其满足对电能质量监测设备进行检测的要求。

标准表法可直接采用现场信号对电能质量监测设备进行检测，无须拆线，适合应用于电能质量监测设备的现场检测方案之中，本案即采用这种方法；不过需要注意的是，受现场接线的限制，这种方法通常只能进行一对一的检测。

在改进的标准法中，对时是必须的，对时的精度会影响标准法检测的精度。因此，在标准法中，需要采用具有较高精度的对时方式，考虑到现场接线复杂，所选用的对时方式应尽量避免增加额外的接线。GPS、IRIG-B码对时采用硬件方式保证其对时精度，需要额外的硬件接口与接线，而SNTP协议的对时精度较低，仅1ms，会带来较大的误差。IEEE1588协议是一种用于分布式测量与控制网络的高精度时钟同步协议，可通过以太网接口实现对时，与控制命令及测量数据采用同一通信通道，不需要额外的硬件接口，对时精度可达亚微秒级，满足标准法的需要；因此，本案采用基于IEEE1588协议的标准表法实现对电能质量监测设备的现场检测。

IEEE1588协议实现对时的基本原理如图3所示，是一种主从同步系统，通过乒乓算法确定主时钟与从时钟之间的传输延迟和时间偏移。具体的对时步骤如下：

A.主时钟在T1时刻发送Sync同步报文，在T2时刻抵达从时钟；从时钟记下时刻T2，此时，从时钟仅持有时间戳T2。

B.由于Sync同步报文仅包含发送时刻T1的估计值，因此，主时钟在计算得到精确的T1取值后，发送携带时间戳T1的Follow_Up报文，从时钟在接收该报文后获得时间戳T1，此时，从时钟持有时间戳T1与T2。

C.在经过一定时延后，从时钟发送延时请求报文Delay_Req，并在从时钟端记录下时间戳T3，此时，从时钟持有时间戳T1、T2与T3。

D.延时请求报文Delay_Req在时刻T4抵达主时钟，主时钟随即发送带有时间戳T4的延迟响应报文Delay_Resp，从时钟在接收到延迟响应报文Delay_Resp后获得时间戳T4，此时，从时钟持有时间戳T1、T2、T3与T4。

5.计算时间偏移T_offset与传输延迟T_delay，完成对时；其中，传输延迟T_delay是主从时钟之间的平均传输延迟，时间偏移T_offset是主从时钟之间的不同步时间差，时间偏移T_offset与传输延迟T_delay分别如式(1)和式(2)所示。

IEEE1588协议同时对频率和相位进行同步，在时钟同步之前，先进行调谐，经调谐达到稳定状态之后在使用乒乓算法进行时钟同步。

考虑电能质量监测设备现场检测方案的检测精度，本案对标准法进行了改进，在标准表法中引入了对时与IEEE1588协议，其原因在于不同步测量会导致检测精度的下降，现对不同步采样所引起的误差进行分析，如图4所示。

为简化分析，假设信号是一个半周波的方波信号，检测时长为一个周波T，待检的电能质量监测设备自T1时刻开始测量，T3时刻结束测量，标准比对设备自T2时刻开始测量，T4时刻结束测量，信号自T0时刻产生，T1-T0＝ΔE，电能质量监测设备和标准比对设备之间的时间偏移T_offset＝ΔT。

不考虑其它误差，则由电能质量监测设备测得的电压有效值如式(3)所示，由标准比对设备测得的电压有效值如式(4)所示；认为标准比对设备所测的值是无误差的，则电能质量监测设备的电压测量误差如式(5)所示，考虑最极端的情况，ΔE＝0，则误差如式(6)所示。

由式(6)可以看到，在图4所示的情况下，时间偏移T_offset越大，误差越大，即对时的精度对检测误差产生直接的影响。需要说明的是，现场的情况较为复杂，电压、电流的波形并非图4所示的方波，也不一定是标准的正弦波；另外，由式(5)可以看出，检测启动时刻的不同也会对误差的大小产生影响，因此，由时间偏移T_offset引起的误差并非式(5)或式(6)所示的简单情况，但从现场测试的结果来看，大体上，时间偏移Toffset越大，误差也越大。

由上述分析可以看到，为了减少现场检测方案的误差，时钟同步是必须的，同时，时钟同步的精度也要有所保证，因此，本案在标准表法中引入了IEEE1588协议。另外，由于时间偏移具有随机性，因此，如果不进行对时，由时间偏移引起的误差也无法从理论上进行补偿。

在改进标准法中，最关键的设备即是标准比对设备，标准比对设备本质上是高精度的电能质量监测设备，考虑到检测A级电能质量监测设备的需要，其测量精度要求极高；A级电能质量监测设备的精度要求为电压±0.1％，频率±0.01Hz等(具体可参见IEC61000-4-30标准)。

为保证标准比对设备的精度高于IEC61000-4-30所规定的A级电能质量监测设备的精度，本案采用如图5所示的信号采集电路框图。

在图5中，信号采集及调理模块电路采用了差分输入，该电路具有抗干扰能力强、可靠性高的特点。输入采样信号经过运放与低通滤波调理电路后，输入到18位同步采样ADC，所有输入通道均同时采样，可以实现每通道200kSPS的最大吞吐量。ADC转换器的DNL为±0.5LSB(典型值)，INL为±2.0LSB(典型值)；内部集成了带缓冲器的低漂移、高精度基准电压，最大偏移漂移为3ppm/℃。此外，在A/D采样环节还采取了抗频率混叠的处理措施。

除了对硬件设备进行特别处理以满足检测精度要求外，本案还为改进标准法设计了检测模块，即电能质量检测设备自动检测模块以实现现场检测过程的全自动化。

电能质量监测设备自动检测模块的架构如图6所示，主要由通讯/对时模块、数据存储模块、数据处理模块与人机交互界面四部分组成。其中，通讯/对时模块、数据存储模块和数据处理模块是无界面的功能模块，人机交互界面是带界面的功能模块。通讯/对时模块用于实现自动检测软件与电能质量监测设备、标准比对设备的通讯，进行信号数据以及控制命令的传递，同时也承担IEEE1588协议在软件层面的实现；数据存储模块使用文件存储的形式，提高数据存储和查询的效率；数据处理模块实现检测方案的管理、信号数据的分析以及处理；人机交互界面实现自动检测软件与检测人员的人机交互，执行参数设定与检测结果展示等功能。

标准比对设备与电能质量监测设备自动检测软件分别从硬件与软件上支持IEEE1588协议，在软硬件上对改进标准表法进行支撑。

为了检验本案所提现场检测方案的检测精度与正确性，在实验室搭建如图1所示的检测方案，使用标准源取代改进标准表法中的现场信号源，其基本检测流程如下：

A.笔记本电脑下达对时命令，对时命令通过交换机分别传输至电能质量监测设备、标准比对设备和标准信号源，随后，电能质量监测设备、标准比对设备和标准信号源通过IEEE1588协议进行对时。

B.对时完成后，笔记本电脑下达预检测命令，预检测命令包含待检的参数(电压、电流、频率、有功功率、无功功率、谐波电压、谐波电流、三相电压不平衡度等)及其设定值，经交换机传输至标准信号源，随后，标准信号源调整信号的参数至设定值，待信号输出稳定后返回信号待检参数的当前值以及参数设定成功回执。

C.收到标准信号源的参数设定成功回执后，笔记本电脑下达检测命令，检测命令包含检测启动时间、检测时长与待检参数等信息，检测命令同时下达给标准信号源、标准比对设备与待检的电能质量监测设备。

D.依据检测命令所指定的检测启动时间，电能质量监测设备与标准比对设备启动对标准信号源信号的测量；同时，标准信号源返回检测启动时刻信号待检参数的值。

E.依据检测命令所指定的检测时长，电能质量监测设备与标准比对设备完成对标准信号源信号的测量，给出信号待检参数的测量结果；同时，标准信号源返回检测时间段内待检参数的值。

F.最后，笔记本电脑汇总、处理由标准信号源和电能质量监测设备各自测得的信号信息，分别以标准比对设备为基准计算电能质量监测设备的检测误差，以标准信号源为基准计算电能质量监测设备的检测误差，然后计算两个误差的误差，最终以图形或表格的形式生成或展示检测结果。

由上述流程可以看出，仿真检测的试验方案基本与改进标准源法相同，使用改进标准源法的检测误差作为基准，以此确定改进标准表法的检测误差是否正确，精度是否达到要求。

由于电能质量监测设备的精度极高，因此，为了检测电能质量监测设备是否合格，检测设备及检测方案的精度也要求极高。

为了满足现场检测的要求，本案采用标准表法进行电能质量监测设备的现场检测，通过对硬件设备的增强设计以及对标准表法的改进，使标准表法的检测精度得到显著的提升，满足了检测精度的要求。

仿真检测试验的结果表明，本案的所提方案可实现电能质量监测设备的全自动现场检测并且检测精度极高，满足工程实际与相关标准的要求。

以上为本发明较佳的实施方式，本发明所属领域的技术人员还能够对上述实施方式进行变更与修改，因此，本发明并不局限于上述的具体实施方式，凡是本领域技术人员在本发明的基础上所作的任何显而易见的改进、替换或变型均属于本发明的保护范围。

Claims (4)

1.一种基于IEEE1588协议的电能质量监测设备现场检测方案，其特征在于，该方案是基于IEEE1588协议，通过在改进标准源法和改进标准表法中，引入对时的概念与对硬件设备的增强设计方法，实现了对检测精度的提升；

所述的改进标准表法，为在标准表法中引入了对时与IEEE1588协议步骤，包括如下步骤：首先使用电脑下达对时命令，使被检设备和标准比对设备通过IEEE1588协议进行对时，然后被检设备和标准比对设备同时对现场信号进行测量，最后由电脑进行汇总，最终进行对比，计算误差；

所述的标准比对设备，为高精度的电能质量监测设备，包括由采样模块、信号调理模块、A/D转换模块、CPU信号处理模块组成的信号采集及调理模块电路；

该方案还包括检测模块。

2.根据权利要求1所述的一种基于IEEE1588协议的电能质量监测设备现场检测方案，其特征在于，信号采集及调理模块电路采用差分输入方式；其中，输入采样信号经过运放与低通滤波调理电路后，输入到18位同步采样ADC转换器，所有输入通道均同时采样；ADC转换器的DNL为±0.5LSB，INL为±2.0LSB；ADC转换器内部集成了带缓冲器的低漂移、高精度基准电压，最大偏移漂移为3ppm/°C，而且，在A/D采样环节还采取了抗频率混叠的处理措施。

3.根据权利要求1所述的一种基于IEEE1588协议的电能质量监测设备现场检测方案，其特征在于，检测模块由通讯/对时模块、数据存储模块、数据处理模块与人机交互界面四部分组成；其中，通讯/对时模块、数据存储模块和数据处理模块是无界面的功能模块，人机交互界面是带界面的功能模块；

通讯/对时模块用于实现自动检测软件与电能质量监测设备、标准比对设备的通讯，进行信号数据以及控制命令的传递，同时也承担IEEE1588协议在软件层面的实现；

数据存储模块使用文件存储的形式，提高数据存储和查询的效率；

数据处理模块实现检测方案的管理、信号数据的分析以及处理；

人机交互界面实现自动检测软件与检测人员的人机交互，执行参数设定与检测结果展示功能。

4.根据权利要求3所述的一种基于IEEE1588协议的电能质量监测设备现场检测方案，其特征在于，标准比对设备与电能质量监测设备的自动检测分别从硬件与软件上支持IEEE1588协议，并在软硬件上对改进标准表法进行支撑。

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