配电智能网关测试中常见问题分析及解决方案

李 嘉，陈新美

（许昌开普检测研究院股份有限公司，河南 许昌 461000）

0 引 言

配电智能网关是配电自动化远方终端与智能网关的融合体。它采用边缘计算架构、多容器以及云边协同等关键技术，是一种集供电信息采集、设备状态监测、在线安全分析以及云端互动于一体的新兴二次设备。其适用于城市、农村以及企业电网的配电自动化实施与改造，广泛应用于AC 400 V用户终端。从结构上看，它可分为采集单元和智能网关两部分。采集单元可以测量监视配电设备的各种运行参数，将处理后的电量信息和开关量信息通过CAN总线与网关结构交互，并上送至主站。智能网关具有丰富的硬件接口，不仅支持加密、记录、对时、即插即用以及主站通信等基本功能，还支持容器化、柔性负荷控制、云边协同交互、就地经济运行决策、标准化建模以及低压拓扑分析设计等高级应用功能。

配电智能网关可以同时实现配电自动化远方终端与智能网关的作用，大幅减少现场接线和安装空间，具有广泛的应用前景。由于配电智能网关是新兴融合体产品，尚无专有标准进行引导，加之其设计制造技术有待提高，在测试中经常暴露出测量性能和通信功能的质量问题。这些问题严重制约了配电智能网关在挂网运行时不能充分发挥作用，因此将重点探讨测试工作中发生的问题、问题原因以及解决文案。

1 主要测试项目和仪器设备

配电智能网关的测试系统结构如图1所示。主要测试项目包括电气量准确度测试、各种影响量测试、基本功能测试（规约支持功能、对时功能、高级应用功能）、绝缘性能测试以及机械性能测试[1]。使用继电保护测试仪和高低温湿热箱测量电气量准确度和各种影响量，使用模拟主站、电度表以及传感器测试规约支持功能和高级应用功能，使用时钟源实现对时功能测试，使用安规测试仪测试绝缘性能，使用电动振动台系统测试机械性能。

图1 测试系统结构图

2 常见问题分析与解决方案

2.1 故障电流测量准确度超差

2.1.1 现象描述

配电智能网关挂网运行时，交流工频电流输入标称值为1 A或5 A。对于额定电流及其以下值的测量准确度不得低于1%，而故障电流的输入范围推荐值为20倍标称值，非推荐值为10倍标称值，测量准确度不得低于5%。由于从电流标称值到故障电流值跨度很大，通常导致配电智能网关标称电流值的测量准确度不能满足要求，因此故障电流值的测量准确度超差。

2.1.2 问题分析

图2为某制造商产品改进前电流采样电路。其中，R1为电流采样电阻。电路采用2级运放进行信号处理，第1级运放为1:1差分运放，用于消除共模干扰和增大输入阻抗[2]。第2级运放为加法器，引入DC 1.5 V参考电压。交流信号增加1.5 V的直流量后变为直流信号，该直流信号送入AD芯片通道1进行采集。AD芯片采样范围为0～3.3 V，采集完成后通过软件减去增加的1.5 V直流信号变为实际采集的交流信号。

电流互感器变比为5 A/2 mA，电阻R1为500 Ω。当输入额定电流5 A时，后端采样电阻两端的电压为1 V，板内AD芯片能够正常检测。当输入故障电流50 A（10倍标称值）时，后端采样电阻两端的电压变为10 V，超过AD芯片的测量量程，导致AD芯片无法正常检测。

图2 改进前电流采样电路

2.1.3 解决方案

图3为改进后电流测量回路。增加60 Ω的故障电流采样电阻R10，使用AD芯片的两路通道同时采集R1和R10两端的电压，默认测量值使用AD芯片通道1的采样值。分析测量值大于1.2倍标称值后，自动切换至AD芯片通道2的采样值。当输入故障电流为10倍标称电流值即50 A时，互感器次边的电流为20 mA，R10两端的电压为1.2 V。R10两端的交流信号经过由D1、D2、D3、D4这4个肖特基二极管组成的整流电路变为直流信号进入AD芯片通道2。软件计算过程中，加入由于整流回路管压降带来的误差。由于故障电流检测回路的精度要求比较低（±5%），故此电路可应用于故障电流检测。

2.2 非正弦电路无功功率算法错误

2.2.1 现象描述

测试波形畸变对无功功率的影响时，施加基波电压、基波电流以及3～13次谐波电压和谐波电流。其中，各次谐波电压的幅值为基波电压的0%，各次谐波电流的幅值为基波电流的20%。由于谐波电压幅值为0，因此谐波无功功率的理论值应为0，而测试结果发现配电智能网关计算的谐波无功功率远大于0。

图3 改进后电流采样电路

2.2.2 问题分析

多数制造商认为，在正弦及非正弦周期电路下，无功功率Q的计算均满足式（1）。因此，先使用傅里叶变换和积分算法完成电压有效值U、电流有效值I以及有功功率P的计算，再使用式（2）计算视在功率S，最后套用式（1）进行Q的计算，从而导致Q计算错误。

在非正弦周期电路中，P、Q以及S不再满足式（1）中简单的三角函数关系，而是要引入畸变功率D[3]。P、Q、S、D的关系满足式（3），D的计算方式如式（4）所示，式中i、j表示基波和各次谐波[4]。

2.2.3 解决方案

改变无功功率的算法，按照式（5）计算无功功率，式中Un、In为n次谐波的有效值。

2.3 环境温度变化时电流测量准确度超差

2.3.1 现象描述

在测试基准条件下，配电智能网关的电流测量准确度一般都可以满足制造商的声称要求，但是在其极限运行温度时，电流测量准确度的变差可能经常超出制造商声称值。变差的计算方法为：

2.3.2 问题分析

基准条件下，电流采样准确度满足声称值要求说明采样回路的设计原理没有错误，因此极限温度下采样准确度超差是采样回路某个器件受温度影响较大所致。将智能网关放置于极限温度下且温度达到稳定后，测量电流采样回路各个环节，发现输入信号与常温相比时变化极小，在采样信号进入AD芯片前变化较大。进一步分析发现是图2中1.5 V基准电压生成回路电阻的电阻温度系数（Temperature Coefficient of Resistance，TCR）太大所致。所用电阻为普通电阻，TCR大概为几千ppm/℃，在极限温度下电阻变化较大导致基准电压不再为1.5 V，从而造成变差超差的现象。

2.3.3 解决方案

基准电压生成回路的普通电阻更换为25 ppm/℃的低温漂采样电阻。

2.4 101规约通信报文异常

2.4.1 现象描述

配电智能网关作为101从站与模拟主站进行通信，传输方式采用平衡方式。对配电智能网关进行101规约功能测试时，发现方向位报错，FCB位（帧计数位）异常。

2.4.2 问题分析

抓取两帧固定帧报文，其中主站链路请求报文为“10 49 01 00 4A 16”，子站链路请求响应报文为“10 0B 01 00 0C 16”。

对两帧报文的控制域进行解析，结果如下：

主站：49H→0100 1001

子站：0B H→0000 1011

解析报文后不难发现，主站的下行报文与子站的上行报文中DIR（传输方向位，D7位）均为0。实际应用中虽然可以通过协商，确定DIR位为0时表示“主站发出的下行报文”或是“子站发出的上行报文”，但是DIR一定要有0和1的区分[5]。

抓取复位远方链路后的启动站报文如下：

子站：68 0C 0C 68 53 01 00 64 01 06 00 01 00 00 00 14 D4 16

对报文控制域进行解析结果如下：

53H→0101 0011

从解析报文中可以看到，复位远方链路后，配电智能网关作为启动站发出第一帧报文的FCB（帧计数位，D5位）=0，FCV（帧计数有效位，D4位）=1。根据标准要求，复位远方链路后启动站发送的下一帧（除去请求链路状态、复位远方链路）都要置FCB=1、FCV=1，因此报FCB异常。

2.4.3 解决方案

一方面修改程序响应机制，子站发送上行报文时方向位为1，另一方面复位远方链路后启动站第一帧的FCB改为1。

2.5 NTP对时精度超差

2.5.1 现象描述

使用时钟源的NTP输出口向配电智能网关的网口1发送对时报文，在保证持续对时的条件下，使用时钟源的NTP测试口接收配电智能网关网口2发送的授时报文。以此方式进行对时精度测试，测试结果发现，对时精度超过制造商声称值2 ms。

2.5.2 问题分析

检查发现，配电智能网关网口1和网口2的IP地址被设置为同一网段。由于网关自身不能确定网口1和网口2对接时钟源的功能接口，且对外发送报文的时候不能指定网口，从而导致网关发送报文混乱。

2.5.3 解决方案

将智能网关网口1和网口2的IP地址设置为两个网段。网段1（网口1）负责接收对时指令（对接时钟源的NTP输出口），网段2（网口2）负责对外授时指令（对接时钟源的NTP测试口）。

3 结 论

配电智能网关作为一种新兴事物，应用前景可观，但是在实际测试过程暴露出测量性能及通信功能上的不足。本文结合实际测试过程，介绍配电智能网关的主要测试项目及测试所用仪器设备，并对测试过程中常见的故障电流测量、温度变化对测量的影响、无功功率计算、101规约通信以及对时问题进行归纳总结，分析问题原因，并给出了相应的解决方案，可为制造商快速查找问题原因及进一步提升产品质量提供指导。