國網新疆電力公司電力科學研究院、北京博電新力電氣股份有限公司的研究人員羅忠游、李東升、陳龍， 在2017年第8期《電氣技術》雜誌上撰文指出， 電壓合格率可以直接反映電能品質的優劣， 是電力系統重要的生產管理考核指標；電壓監測儀能夠對電力系統正常運行狀態緩慢變化所引起的電壓偏差進行連續監測和統計， 實現電壓合格率的統計。
本文介紹一種電壓監測儀的全自動測試系統的實現方案， 該系統採用模組化設計開發自動測試軟體， 運用線性功率放大器技術研製電壓監測儀標準源，
隨著敏感性用電設備的大量使用,電壓暫降已經成為最重要的電能品質問題之一， 電壓暫降與短時中斷已成為事件型電能品質的首要問題， 是導致供電電壓不合格的重要因素。 電壓合格率作為電網安全、穩定運行評價的重要考核指標， 是電能品質優劣的直接體現， 而電壓監測儀則是完成電壓合格率統計的重要工具。
根據目前現場情況， 電網中安裝了大量的電壓監測儀，
1 檢定系統組成及原理
1.1 檢定系統的組成
檢定系統由檢定用掛表架、日差校驗儀、電壓監測儀檢定標準源、被檢設備和檢定用上位機組成。
各部分的功能如下：檢定用掛表架：用於安裝多台待檢的電壓監測儀；日差校驗儀：用於電壓監測儀的時鐘誤差檢定；電壓監測儀檢定標準源：用於輸出標準類比量電壓信號，
1.2 檢定系統的原理
檢定系統的基本原理：PC上位機通過網線連接電壓監測儀檢定標準源， 通過串口線連接檢定用掛表架， 掛表架通過串列匯流排連接各待檢定的電壓監測儀通訊埠、通過電壓匯流排連接電壓監測儀的測量埠。
電壓監測儀自動測試系統程式控制電壓監測儀檢定標準源輸出電壓信號到被測電壓監測儀， 電壓監測儀根據測量到的信號值進行計算， 同時自動測試系統軟體通過通訊介面自動讀取被測電壓監測儀的監測資料，
圖1 自動測試系統整體架構圖
2 自動測試系統實現
2.1 軟體系統整體功能設計
自動測試軟體的主要功能是實現控制電壓監測儀檢定標準源的輸出、讀取電壓監測儀的監測資料以及對結果資料的對比處理等功能，
2.2 軟體系統整體架構
電壓監測儀自動測試系統軟體安裝於測試終端（測試機或個人PC機）內。 在本自動測試系統的軟體架構上， 採用模組化和結構分層的設計思想， 軟體整體架構如圖2所示， 在層次結構上分為測試方案開發層、自動測試執行層和電壓監測儀控制程式層。
圖2 軟體整體實現架構圖
測試方案開發層包括測試方案開發程式，測試方案開發程式為電壓監測儀測試方案的二次開發系統，實現根據電壓監測儀的檢定規程和標準進行二次開發，編輯測試方案；自動測試執行層包括自動測試主程序和電壓監測儀通信程式；電壓監測儀控制程式層即電壓監測儀檢定標準源控制程式，開放標準軟體控制接口供自動測試執行層調用。
2.2.1測試方案開發層
測試方案開發程式為二次開發系統，使用者根據電壓監測儀的檢定規程以及檢定流程，編輯裝置測試方案，實現對測試項目的設計與選擇、各測試項目測試方法的編輯以及測試過程中用戶許可權的管理等。
測試方案編輯功能用於編輯測試需要的測試方案，實現對電壓監測儀標準測試流程的編輯和管理，系統自動保存每次所編輯的方案，便於日後測試使用的調用；許可權管理模組用於設置訪問資料庫的許可權，便於測試結果的安全管理。
2.2.2自動測試執行層
自動測試執行層主要實現電壓監測儀的自動測試功能，主要包含自動測試主程序和電壓監測儀通信程式。
自動測試主程序為自動測試系統的核心程式，自動測試主程序提供一個測試試驗過程中人機對話的環境，實現對電壓監測儀的自動測試程序控制，實現測試過程中資料庫的管理、測試結果以及誤差的計算、測試報告的填寫等功能。
測試人員通過自動測試控制中心選擇滿足測試要求的測試方案，自動測試主程序自動執行測試方案中的測試專案的測試，自動將測試結果保存至標準的測試報告模組中，自動測試完成後輸出標準報告，標準報告包括WORD、WPS、EXCEL、XML等格式的文檔報告。
測試記錄檔記錄測試過程中的全部資料，包括測試專案的測試開始時間、測試人員、輸出的測試量、從待測裝置讀取的測量量，資料庫管理模組實現對測試完成的資料檔案的管理，方便日後測試資料的查找和查看，並且能夠跟蹤某台電壓監測儀測試結果的歷史趨勢；測試結果計算模組實現被測電壓監測儀的資料和電壓監測儀檢定標準源輸出標準值的比對，自動完成監測資料誤差的計算。
電壓監測儀通信程式實現與電壓監測儀進行通訊，並將測試資料上送回自動測試主程序。上送的資料包括電壓監測儀的各種資料集資料和錯誤報告資料、告警報告資料等。
2.2.3 電壓監測儀控制程式層
為實現自動測試系統的通用化和智慧化，系統本身必須具有良好的可擴展性，需要開發設計控制程式層，即檢定裝置控制程式。檢定裝置控制程式通過標準軟體控制介面的方式開放全部測試功能服務，提供給自動測試控制中心調用。
檢定裝置控制程式實現與電壓監測儀檢定標準源通訊，在試驗時自動測試主程序向檢定裝置控制程式下達通訊命令和測試參數，收到參數後驅動電壓監測儀檢定標準源輸出設定激勵量，同時採集到測試結果後自動發送給自動測試主程序。
檢定裝置控制程式使用Windows消息發送測試狀態的變化給自動測試程式，包括連接標準源成功、開始測試、測試完成、測試異常等資訊。
2.3 整體測試流程
圖3為整體檢測流程圖。首先選定檢測方案，然後可以手動或自動錄入檢測參數定值，根據被檢電壓監測儀進行通訊參數的設置。所有參數設置完成後，系統即可開始進行自動測試。
2.4 整體測試專案
電壓監測儀自動測試系統能夠完成電壓監測儀的基本測量誤差試驗、整定電壓值誤差試驗、綜合測量誤差試驗、時鐘準確度測試及影響量（電壓、頻率、諧波）測試試驗。
3 電壓監測儀檢定標準源的實現
3.1 電壓監測儀檢定標準源的組成
電壓監測儀檢定標準源由系統顯示模組、信號產生模組和信號放大輸出模組幾部分組如圖4所示。
圖3 整體檢測流程圖
圖4 電壓監測儀檢定標準源系統組成
顯示模組一般由高速數文書處理器（DSP）、記憶體和液晶顯示器構成，採用獨創的作業系統，可接標準鍵盤和滑鼠操作，回應速度快，效率高；也可由嵌入式計算構成，運行Windows系統。信號產生模組由DDS波形合成和複雜可程式設計邏輯陳列（CPLD）構成。線性功率放大輸出模組由線性功率放大器構成。
3.2 線性功率放大器原理架構
線性功率放大器包括電源輸入隔離降壓模組，功率直流電源和控制直流電源模組，輸入信號源模組，功率放大模組。裝置供電採用220V交流電壓，放大器需要的功率電源和控制電源以及信號源電源，採用變壓器隔離降壓獲得，以獲取品質較為理想的直流電源。圖5為線性功率放大器工作流程示意圖。
圖5 放大器的工作流程示意圖
3.3 線性功率放大器原理設計
通過上面對測試物件及需求的分析，先確定線性功率放大器的性能參數，放大器的輸出頻率範圍0-1KHz，輸出電壓380V，上升和下降時間不高於1.2 uS。
通過系統分析，開始進行放大器的設計，首先設計放大器的輸入電源容量，放大器輸出380Vrms，1A，總功率為380W，輸出的電壓峰值為537V，由於功率管工作在放大區間，功率管上的電壓最低設計為4V，所以電源的容量應不低於542V，1A。放大器的輸出特性參數如表1。
表1 放大器輸出特性參數
圖6為放大器電源的設計原理圖，市電通過變壓器隔離降壓，變為AC22V，再經全波整流得到正負32V的直流電源，電解電容作濾波以及為輸出提供紋波電流。
接下來就是進行線性功率放大器的設計，圖7是線性功率放大器的原理框圖。
輸入信號經U1差分運放處理，輸出給誤差放大器的反相端，U2將U1的輸出信號與回饋信號進行誤差放大，U2的輸出端加上穩壓電路的電壓，Q1，Q2的VGS變化然後輸出電流，電流經過採樣電阻，返回信號給誤差放大器。穩壓電路主要給Q1，Q2設置靜態工作點，防止放大器出現交越失真。
圖6 放大器的直流電源原理圖
圖7 線性功率放大器的原理框圖
經過如上所述的電壓監測儀檢定標準源的設計，標準源能夠輸出3相最大380V的電壓信號，單相的帶載能力能達到380VA，能夠作為工作電源同時對24台電壓監測儀進行供電，並且在不外接其他電源的情況下，可以完成電源電壓影響量的試驗。
4 系統應用情況
電壓監測儀自動測試系統於2017年在國網新疆電力公司電力科學研究院進行了實際現場應用，在應用中實現了24台電壓監測儀的同時自動檢測，並且針對於每台電壓監測儀同時自動生成了測試報告。
系統應用表明：採用之前手動測試的模式，單台測試完所有測試項目的時間可達4個小時，24台測試則需96個小時，採用本系統全自動測試的方式後，24台同時測試完所有測試項目僅需2小時，測試時間縮短了94個小時，測試效率提高了48倍。測試效率化分析如表2。
表2 測試效率化分析
此系統的應用大大提高了測試效率，解決了送檢週期長和測試效率低的問題，為日後的週期檢定和入網檢測打下了良好的基礎。
5 結束語
電壓監測儀自動測試系統的研究與應用，能夠按照《DL/T 500-2009 電壓監測儀使用技術條件》等電力行業相關標準的要求來完成對電壓監測儀的全自動檢定，整個測試過程無需過多的人工干預，解決了傳統檢測模式下測試工作繁瑣重複和對測試人員依賴性大等問題，實現規範化、標準化和高效率化的閉環自動檢測。本自動測試系統的推廣應用，將能夠對目前電壓檢測儀的檢測效率帶來質的飛躍。
測試方案開發層包括測試方案開發程式，測試方案開發程式為電壓監測儀測試方案的二次開發系統，實現根據電壓監測儀的檢定規程和標準進行二次開發，編輯測試方案；自動測試執行層包括自動測試主程序和電壓監測儀通信程式；電壓監測儀控制程式層即電壓監測儀檢定標準源控制程式，開放標準軟體控制接口供自動測試執行層調用。
2.2.1測試方案開發層
測試方案開發程式為二次開發系統，使用者根據電壓監測儀的檢定規程以及檢定流程，編輯裝置測試方案，實現對測試項目的設計與選擇、各測試項目測試方法的編輯以及測試過程中用戶許可權的管理等。
測試方案編輯功能用於編輯測試需要的測試方案，實現對電壓監測儀標準測試流程的編輯和管理，系統自動保存每次所編輯的方案，便於日後測試使用的調用；許可權管理模組用於設置訪問資料庫的許可權，便於測試結果的安全管理。
2.2.2自動測試執行層
自動測試執行層主要實現電壓監測儀的自動測試功能，主要包含自動測試主程序和電壓監測儀通信程式。
自動測試主程序為自動測試系統的核心程式，自動測試主程序提供一個測試試驗過程中人機對話的環境，實現對電壓監測儀的自動測試程序控制，實現測試過程中資料庫的管理、測試結果以及誤差的計算、測試報告的填寫等功能。
測試人員通過自動測試控制中心選擇滿足測試要求的測試方案，自動測試主程序自動執行測試方案中的測試專案的測試，自動將測試結果保存至標準的測試報告模組中，自動測試完成後輸出標準報告，標準報告包括WORD、WPS、EXCEL、XML等格式的文檔報告。
測試記錄檔記錄測試過程中的全部資料，包括測試專案的測試開始時間、測試人員、輸出的測試量、從待測裝置讀取的測量量，資料庫管理模組實現對測試完成的資料檔案的管理，方便日後測試資料的查找和查看，並且能夠跟蹤某台電壓監測儀測試結果的歷史趨勢；測試結果計算模組實現被測電壓監測儀的資料和電壓監測儀檢定標準源輸出標準值的比對，自動完成監測資料誤差的計算。
電壓監測儀通信程式實現與電壓監測儀進行通訊，並將測試資料上送回自動測試主程序。上送的資料包括電壓監測儀的各種資料集資料和錯誤報告資料、告警報告資料等。
2.2.3 電壓監測儀控制程式層
為實現自動測試系統的通用化和智慧化，系統本身必須具有良好的可擴展性，需要開發設計控制程式層，即檢定裝置控制程式。檢定裝置控制程式通過標準軟體控制介面的方式開放全部測試功能服務，提供給自動測試控制中心調用。
檢定裝置控制程式實現與電壓監測儀檢定標準源通訊，在試驗時自動測試主程序向檢定裝置控制程式下達通訊命令和測試參數，收到參數後驅動電壓監測儀檢定標準源輸出設定激勵量，同時採集到測試結果後自動發送給自動測試主程序。
檢定裝置控制程式使用Windows消息發送測試狀態的變化給自動測試程式，包括連接標準源成功、開始測試、測試完成、測試異常等資訊。
2.3 整體測試流程
圖3為整體檢測流程圖。首先選定檢測方案，然後可以手動或自動錄入檢測參數定值，根據被檢電壓監測儀進行通訊參數的設置。所有參數設置完成後，系統即可開始進行自動測試。
2.4 整體測試專案
電壓監測儀自動測試系統能夠完成電壓監測儀的基本測量誤差試驗、整定電壓值誤差試驗、綜合測量誤差試驗、時鐘準確度測試及影響量（電壓、頻率、諧波）測試試驗。
3 電壓監測儀檢定標準源的實現
3.1 電壓監測儀檢定標準源的組成
電壓監測儀檢定標準源由系統顯示模組、信號產生模組和信號放大輸出模組幾部分組如圖4所示。
圖3 整體檢測流程圖
圖4 電壓監測儀檢定標準源系統組成
顯示模組一般由高速數文書處理器（DSP）、記憶體和液晶顯示器構成，採用獨創的作業系統，可接標準鍵盤和滑鼠操作，回應速度快，效率高；也可由嵌入式計算構成，運行Windows系統。信號產生模組由DDS波形合成和複雜可程式設計邏輯陳列（CPLD）構成。線性功率放大輸出模組由線性功率放大器構成。
3.2 線性功率放大器原理架構
線性功率放大器包括電源輸入隔離降壓模組，功率直流電源和控制直流電源模組，輸入信號源模組，功率放大模組。裝置供電採用220V交流電壓，放大器需要的功率電源和控制電源以及信號源電源，採用變壓器隔離降壓獲得，以獲取品質較為理想的直流電源。圖5為線性功率放大器工作流程示意圖。
圖5 放大器的工作流程示意圖
3.3 線性功率放大器原理設計
通過上面對測試物件及需求的分析，先確定線性功率放大器的性能參數，放大器的輸出頻率範圍0-1KHz，輸出電壓380V，上升和下降時間不高於1.2 uS。
通過系統分析，開始進行放大器的設計，首先設計放大器的輸入電源容量，放大器輸出380Vrms，1A，總功率為380W，輸出的電壓峰值為537V，由於功率管工作在放大區間，功率管上的電壓最低設計為4V，所以電源的容量應不低於542V，1A。放大器的輸出特性參數如表1。
表1 放大器輸出特性參數
圖6為放大器電源的設計原理圖，市電通過變壓器隔離降壓，變為AC22V，再經全波整流得到正負32V的直流電源，電解電容作濾波以及為輸出提供紋波電流。
接下來就是進行線性功率放大器的設計，圖7是線性功率放大器的原理框圖。
輸入信號經U1差分運放處理，輸出給誤差放大器的反相端，U2將U1的輸出信號與回饋信號進行誤差放大，U2的輸出端加上穩壓電路的電壓，Q1，Q2的VGS變化然後輸出電流，電流經過採樣電阻，返回信號給誤差放大器。穩壓電路主要給Q1，Q2設置靜態工作點，防止放大器出現交越失真。
圖6 放大器的直流電源原理圖
圖7 線性功率放大器的原理框圖
經過如上所述的電壓監測儀檢定標準源的設計，標準源能夠輸出3相最大380V的電壓信號，單相的帶載能力能達到380VA，能夠作為工作電源同時對24台電壓監測儀進行供電，並且在不外接其他電源的情況下，可以完成電源電壓影響量的試驗。
4 系統應用情況
電壓監測儀自動測試系統於2017年在國網新疆電力公司電力科學研究院進行了實際現場應用，在應用中實現了24台電壓監測儀的同時自動檢測，並且針對於每台電壓監測儀同時自動生成了測試報告。
系統應用表明：採用之前手動測試的模式，單台測試完所有測試項目的時間可達4個小時，24台測試則需96個小時，採用本系統全自動測試的方式後，24台同時測試完所有測試項目僅需2小時，測試時間縮短了94個小時，測試效率提高了48倍。測試效率化分析如表2。
表2 測試效率化分析
此系統的應用大大提高了測試效率，解決了送檢週期長和測試效率低的問題，為日後的週期檢定和入網檢測打下了良好的基礎。
5 結束語
電壓監測儀自動測試系統的研究與應用，能夠按照《DL/T 500-2009 電壓監測儀使用技術條件》等電力行業相關標準的要求來完成對電壓監測儀的全自動檢定，整個測試過程無需過多的人工干預，解決了傳統檢測模式下測試工作繁瑣重複和對測試人員依賴性大等問題，實現規範化、標準化和高效率化的閉環自動檢測。本自動測試系統的推廣應用，將能夠對目前電壓檢測儀的檢測效率帶來質的飛躍。