电能质量监测设备RTC实时时钟测试系统开发与应用

安哲，赵鹏程，周胜军

(国网智能电网研究院，北京 102209)

0 引言

随着坚强智能电网建设的推进，电能质量关注度持续提升，日益复杂的电能质量问题对电能质量测量的准确性提出更高的要求。IEC 61000-4-30《电磁兼容 电能质量测量方法》［1］要求，不同电能质量监测设备在同一时刻测量同一信号时，应得出一致、可重复的测量结果;与此同时，标准中进一步要求电能质量指标的测量方法，需要在10 min RTC计时点重新同步，且一些参数可根据需要对某一时间间隔(如150 cycle、10 min、2 hour)进行测量累积。因此，电能质量监测设备指标测量方法与RTC实时时钟密切相关，RTC实时时钟精度直接影响到电能质量指标测量数据计算的准确性［2］。

IEC 62586《电能质量监测设备产品标准》［3-4］对电能质量监测设备RTC实时时钟精度测试作出了相关规定，目前针对该标准进行RTC实时时钟测试的方法和装置还很少。文献［5-6］给出了一些常见电力设备，如电能计量装置、微机保护装置等的RTC实时时钟精度测试方法;文献［7］提供了我国在电能质量监测设备测试领域中取得的研究成果，主要集中在对电能质量监测设备测量指标的测量精度进行测试，在一定程度上实现了半自动化甚至是自动化测试，但是上述文献在RTC实时时钟精度测试方面，没有提出相应的测试方法，也未见适用的装置。

针对上述情况，本文基于NI(National Instrument)公司的虚拟仪器工作平台和相关设备，应用虚拟仪器技术，提出并设计研制了一种电能质量监测设备RTC实时时钟精度测试系统，来实现RTC实时时钟精度的测试。

1 测试依据及原理

1.1 测试依据

根据IEC 62586《电能质量监测装置产品标准》和GB 17626.30-2012《电能质量测量方法》［8］的要求，对于A类设备，RTC实时时钟的误差应不超过±20 ms;当无法通过一个外部信号同步时，RTC实时时钟的容差应满足24 h周期小于±1 s。

1.2 测试原理

1.2.1 系统构成

本测试系统由GPS对时装置、电能质量标准源、虚拟仪器测试平台、被测设备及各类数据总线等组成，如图1。

(1)GPS对时装置:GPS对时装置用于提供标准的GPS时间信号，该信号可完成测试系统中被测设备和测试平台的时钟同步。被测设备一般采用IRIG-B码实现对时功能，由于IRIG-B信号有多种制式和电压形式，被测设备可以识别的IRIG-B制式各不相同，如:IRIG-B AC与IRIG-B DC信号互相不能识别。在此情况下，需要配置IRIG-B码转换器(或适配器)。该转换器可以将GPS时间频率标准装置发生的IRIG-B信号转换为被检设备可以识别的IRIG-B制式。

图1 系统硬件构成

(2)电能质量标准源:系统采用Fluke 6135A作为标准源，该标准源能够在提供可自定义骤升/骤降信号的同时发出一个下降沿时间标记:+5 V TTL逻辑驱动，可用来将外部设备同步到骤升/骤降功能。标准源支持仪器命令为SCPI，采用GPIB通用仪器接口实现远程控制。系统中采用NI公司的GPIB-USB控制卡来实现PC机与Fluke 6135A标准源的数据通信。

(3)虚拟仪器测试平台:以PXIe模块化数据采集分析系统取代传统测量仪器，由数据采集卡、GPS接收装置、定时同步模块、嵌入式控制器等构成。各部分功能分别为:数据采集卡采用NI公司高精度的数字信号采集卡NI PXI-6621，对电能质量标准源输出的TTL信号进行数字化采样并传输至控制器;GPS接收机采用NI PXIe-6683H，通过GPS对时装置接收IRIG-B(AC)码信号，定时对虚拟仪器测试平台进行校准，测试平台的同步时间精度为30 ns;定时同步模块结合NI PXIe-6683H，通过GPS同步信号来来调整测试平台10 MHz时钟;嵌入式计算机用于控制和协调整个系统的工作，完成数据处理和分析，是测试系统的核心模块。

1.2.2 工作原理

测试时，首先将虚拟仪器测试平台和被测仪器同步至GPS时钟。电能质量标准源模拟电能质量事件，被测设备将会记录事件发生时刻;与此同时，虚拟仪器测试平台捕获电能质量标准源触发下降沿，并计算该下降沿发生的绝对时刻作为标准值。通过比较这两个时刻，可以判断该电能质量监测设备的实时时钟精度，且当失去同步时，测试方法类似，如图2所示。

图2 测试原理

2 测试系统软件设计

根据上述测试设备和测试原理，本文结合总体设计的技术思想和测试自动化的发展方向，设计开发了RTC实时时钟精度测试系统软件，该测试软件的主要功能如下:

(1)可将所有设备集成一体化，能够完成激励信号的发出到测试数据采集的同步闭环控制处理;

(2)能够控制激励信号的产生，并自动计算得到待测指标的标准值;

(3)具有对采集到的数据及测试过程进行记录、处理、保存、打印等功能，对测试值与标准值比较，得出测试结果;

(4)具备开放的体系结构、通用的总线结构，具备良好的可扩展性。

3 测试系统软件实现

测试平台软件用于控制和协调整个系统的工作，自动执行测试任务，完成数据处理和分析，是测试系统的核心模块。

3.1 总体架构

系统软件模块化是本测试系统软件设计开发的主要思想，系统软件组成结构如图3所示。通过该软件将硬件设备资源和被测仪器无缝接入，利用强大的计算机处理能力和分析能力来实现对整个测试流程的自动化。

按照系统的功能要求，测试软件设计包括上层管理层、中层执行层和底层I/O接口驱动程序层三个层次，采用模块化结构设计，每个模块完成不同的功能。

图3 测试系统软件框图

(1)管理层是用户与系统交互的媒介，实现整个测试系统的控制和调度，将接收的用户指令下达到各个功能模块，并从这些模块中返回和显示所需的结果。

(2)执行层的主要功能是按照自定义的测试任务执行测试、处理和返回测试结果以及实时监测仪表的工作状态，并生成测试报告。它主要由系统配置模块、测试设置与执行模块和数据管理模块以及报告生成模块组成。

(3)驱动层即底层仪器设备驱动，主要功能是将执行层控制模块的命令转化为仪器设备可识别的指令通过总线传递给每台仪器，再将仪器设备的测试结果返回执行层数据分析与处理模块。测试系统将每一个测试项目封装为独立的驱动模块，测试时分别调用。

3.2 关键技术

3.2.1 基于IEC 61850被测设备无缝接入

一般来说，通用仪器设备编程接口为GPIB，此类接口使用标准的SCPI语言进行仪器控制功能研发，其仪器驱动相对简单;对于电能质量监测此类专业设备而言，我国电力行业标准和国家电网公司企业标准均规定，电能质量监测设备需要具备IEC 61850通讯功能，且通过以太网实现数据传输。电能质量监测设备上传电能质量事件信息基于IEC 61850非缓存报告的方式，因此本系统通过创建IEC 61850Client端完成对IEC 61850非缓存报告的解析，实现被测设备和测试系统间的数据通信，达到被测设备“即插即测”的目的。

3.2.2 虚拟仪器测试平台标准值计算

电能质量事件标准源发出测试信号即电压事件波形，并在事件发生时刻产生TTL下降沿脉冲，数字信号采集卡带时标采样TTL脉冲，测试平台接收采集装置上传的TTL脉冲采样值，计算标准源给出的电能质量事件发生时刻，此时刻记为标准值;测试平台比对标准值与被检设备的测量值，根据检测方法要求计算被检设备指标，给出检测结果。

虚拟测试平台作为电能质量监测设备测试的参考标准表使用，与传统的仪器相比，其可扩展性、灵活性更强。

3.2.3 标准化全过程测试流程管理

本系统完成的是一个多任务、多过程的实时测试过程，通过运用软件流程控制结构，组织和调用各功能模块，依次进行测试信息录入—测试项目设置—测试执行-测试结果—测试报告生成等一系列测试动作，即一个完整的测试流程，规范了电能质量监测设备测试工作的进行。

3.2.4 数据库控制测试技术

如果将所有测试参数、指令及数据都内置于测试软件中将会导致系统的可维护性、可扩展性差。本系统将数据库引入，通过数据库实现测试流程控制，把测试任务写入数据库，测试程序读取数据库并执行相应的测试动作。这样当测试任务改变时，只要操作数据库而无需对程序进行更改，便于系统扩展。

4 系统验证

4.1 测试结果

利用该测试系统对一台已经过IEC 61000-4-30 A级符合性测试的电能质量监测设备进行实时时钟精度测试，测试结果见表1。

表1 实时时钟精度测试汇总

4.2 系统测量不确定度评定

4.2.1 数学模型

测试系统显示的RTC实时时钟误差:

其中A为电能质量监测设备的RTC实时时钟误差，AS为虚拟仪器测试平台的标准RTC实时时钟误差。

(1)输入量A的不确定度UA(A)主要来源是被测电能质量

(4)取95%概率值，包含因子k=2，则扩展不确定度为U=2Uc(δ)。

4.2.2 系统测量不确定度

由4.1的测试数据计算得到测量不确定度见表2。监测设备RTC实时时钟误差值的测量重复性，可通过测量得到测量列，采用A类方法评定。

表2 测量不确定度测试汇总

(2)输入量AS的不确定度UB(AS)主要来源于电能质量标准源TTL延迟误差和测试平台的标准RTC实时时钟误差的不确定度，可根据校准证书给出相应的允许误差来进行评定，由B类方法评定。

(3)由于各个标准不确定度分量互不相关，可通过方和根法求得合成标准不确定度:

测试过程与结果表明，系统运行稳定可靠，精度高，符合IEC 62586标准测试要求。

5 结束语

本文提出的电能质量监测设备时钟精度测试系统综合应用时钟同步、虚拟仪器、数字信号处理和数据库等技术，能够基于IEC 62586标准的测试要求，自动完成电能质量监测设备RTC实时时钟精度的测试工作，测试实时性、可靠性强。此外，本系统可进一步扩展用于电能质量监测设备其他功能的测试，该系统的推广和使用将有利于电能质量监测设备测试水平和该类产品研发技术水平的提高，为电力系统电能质量的提高和改善提供准确的依据及技术保障。

［1］国际电工委员会，61000-4-30，Electromagnetic Compatibility(EMC)Part 4:Testing and measurement techniques-section 30:Power quality measurement methods［S］.2008.

［2］李友军，姜雷.基于温度补偿的对时守时新方案［J］.电力系统自动化，2014，38(5):109-121.

［3］国际电工委员会，62586-1，Power quality measurement in power supply systems-Part 1:Power quality instruments(PQI)［S］.2013.

［4］国际电工委员会，62586-2，Power quality measurement in power supply systems-Part 2:Functional tests and uncertainty requirements［S］.2013.

［5］罗欢，韩琳，袁佳飲.基于硬件时间戳的时间比较系统［J］.测控技术，2014，33(4):1-3.

［6］罗志坤，滕召胜，廉振荣，等.基于GPS的电能计量装置时钟测试系统［J］.仪器仪表学报，2009，30(7):1492-1497.

［7］王玲，徐柏榆，李玎，等.电能质量监测装置全自动校准系统设计与应用［J］.电测与仪表，2014，51(1):95-99.

［8］全国文献工作标准化技术委员会.GB/T17626.30电磁兼容 试验和测量技术 电能质量测量方法［S］.北京:中国标准出版社，2012.