新型電力系統(tǒng)下 ZXDN-JD01 電能質(zhì)量監(jiān)測(cè)儀檢定裝置的技術(shù)原理與應(yīng)用實(shí)踐

 引言

隨著新型電力系統(tǒng)建設(shè)的持續(xù)推進(jìn)，高比例新能源、高密度電力電子設(shè)備廣泛接入電網(wǎng)，非線性、沖擊性、不平衡負(fù)荷占比持續(xù)提升，電網(wǎng)電能質(zhì)量擾動(dòng)問題日趨復(fù)雜。電能質(zhì)量監(jiān)測(cè)儀作為電網(wǎng)電能質(zhì)量數(shù)據(jù)采集、分析與預(yù)警的核心設(shè)備，其測(cè)量準(zhǔn)確性、數(shù)據(jù)可靠性直接關(guān)系到電網(wǎng)安全穩(wěn)定運(yùn)行、電能質(zhì)量治理成效與貿(mào)易結(jié)算的公平公正。因此，針對(duì)電能質(zhì)量監(jiān)測(cè)儀開展高精度、全工況的計(jì)量檢定與性能校準(zhǔn)，是電力計(jì)量領(lǐng)域的核心工作之一。

本文基于 ZXDN-JD01 型電能質(zhì)量監(jiān)測(cè)儀檢定裝置的核心技術(shù)參數(shù)與功能特性，對(duì)其技術(shù)架構(gòu)、工作原理、核心性能優(yōu)勢(shì)及工程應(yīng)用場(chǎng)景進(jìn)行系統(tǒng)性解析，為電力行業(yè)計(jì)量、試驗(yàn)與運(yùn)維技術(shù)人員提供技術(shù)參考。

一、裝置核心技術(shù)架構(gòu)與工作原理

ZXDN-JD01 型電能質(zhì)量監(jiān)測(cè)儀檢定裝置采用源、表一體化的集成化技術(shù)架構(gòu)，整合了高精度標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)發(fā)生、標(biāo)準(zhǔn)測(cè)量、閉環(huán)控制與系統(tǒng)保護(hù)功能于一體，突破了傳統(tǒng)檢定裝置信號(hào)源與標(biāo)準(zhǔn)表分離帶來的同步性差、接線復(fù)雜、系統(tǒng)誤差大等技術(shù)瓶頸，其核心單元的技術(shù)原理如下。

1.1 測(cè)量核心單元技術(shù)原理

裝置測(cè)量部分以 ** 高速 16 位 A/D 轉(zhuǎn)換技術(shù) + 數(shù)字信號(hào)處理器（DSP）** 為核心架構(gòu)。16 位高速 A/D 轉(zhuǎn)換器可實(shí)現(xiàn)對(duì)輸入信號(hào)的高分辨率同步采樣，有效保證了寬動(dòng)態(tài)范圍內(nèi)的信號(hào)測(cè)量精度，大幅降低了低位數(shù)轉(zhuǎn)換帶來的量化誤差；高性能 DSP 芯片作為核心運(yùn)算單元，可實(shí)現(xiàn)采樣數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)數(shù)字信號(hào)處理，完成基波、諧波、間諧波、閃變、驟變等全維度電能質(zhì)量參數(shù)的快速解算，既為裝置的閉環(huán)控制提供了高精度的基準(zhǔn)數(shù)據(jù)支撐，也從硬件層面保障了裝置的快速響應(yīng)能力。

1.2 標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)輸出單元技術(shù)原理

裝置的標(biāo)準(zhǔn)源輸出部分采用全數(shù)字合成技術(shù)、高精度數(shù)字控制技術(shù)與脈寬可調(diào)放大技術(shù)的組合技術(shù)方案。首先通過數(shù)字合成技術(shù)，在 DSP 內(nèi)部完成高精度正弦波、諧波、間諧波、閃變、驟變等各類標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)的數(shù)字建模與合成，從信號(hào)源頭保證了輸出波形的精度與失真度指標(biāo)；合成后的數(shù)字信號(hào)經(jīng)數(shù)模轉(zhuǎn)換后，通過脈寬可調(diào)放大技術(shù)進(jìn)行功率放大，最終輸出多相獨(dú)立的高精度電壓、電流標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)。該放大技術(shù)方案具備兩大核心技術(shù)優(yōu)勢(shì)：一是輸出信號(hào)不受外部供電電源波動(dòng)的影響，有效抑制了電網(wǎng)側(cè)擾動(dòng)對(duì)輸出標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)精度的干擾；二是具備極高的放大轉(zhuǎn)換效率，大幅降低了裝置的功率損耗，同時(shí)提升了裝置的帶載能力與輸出穩(wěn)定性。

1.3 閉環(huán)控制與系統(tǒng)保護(hù)架構(gòu)

裝置內(nèi)置全量程優(yōu)值閉環(huán)控制系統(tǒng)，所有輸出通道均采用閉環(huán)反饋調(diào)節(jié)模式，可根據(jù)所接負(fù)載的變化實(shí)時(shí)自動(dòng)調(diào)節(jié)輸出參數(shù)，保證輸出量值的恒定與精準(zhǔn)，將負(fù)載變化帶來的輸出誤差降至最低。同時(shí)，裝置配置了完善的系統(tǒng)保護(hù)機(jī)制：在正常輸出狀態(tài)下，可實(shí)現(xiàn)電流回路開路、電壓回路短路的快速自動(dòng)保護(hù)，避免檢定過程中誤操作帶來的設(shè)備損壞；針對(duì)外部供電電源意外掉電的工況，裝置可實(shí)現(xiàn)無尖峰電壓的平穩(wěn)過渡輸出，徹底消除了掉電過程中過電壓沖擊對(duì)被檢設(shè)備的損壞風(fēng)險(xiǎn)，大幅提升了裝置現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用的安全性與可靠性。

二、裝置核心技術(shù)指標(biāo)與性能優(yōu)勢(shì)

基于上述硬件架構(gòu)與技術(shù)方案，ZXDN-JD01 型檢定裝置實(shí)現(xiàn)了全維度電能質(zhì)量參數(shù)的高精度輸出與控制，核心技術(shù)指標(biāo)完全覆蓋現(xiàn)行電能質(zhì)量監(jiān)測(cè)儀檢定規(guī)程的全項(xiàng)目要求，其核心性能優(yōu)勢(shì)可歸納為以下 4 個(gè)維度。

2.1 寬量程、多檔位的高精度交流標(biāo)準(zhǔn)源輸出

裝置的交流標(biāo)準(zhǔn)電壓源輸出覆蓋 220V、100V、57.7V 三個(gè)電力系統(tǒng)核心檢定檔位，輸出范圍 0V~264V，可滿足國內(nèi)電網(wǎng)常用二次電壓等級(jí)的全量程檢定需求；交流標(biāo)準(zhǔn)電流源輸出覆蓋 20A、5A、2A、1A 四個(gè)常用檔位，輸出范圍 0A~24A，適配絕大多數(shù)電能質(zhì)量監(jiān)測(cè)儀的電流輸入量程。同時(shí)裝置采用三相獨(dú)立輸出設(shè)計(jì)，可實(shí)現(xiàn)三相電壓、電流的獨(dú)立控制，完全滿足三相不平衡工況下的檢定需求。

2.2 高分辨率的頻率與相位控制能力

裝置基波頻率設(shè)置范圍覆蓋 30Hz~100Hz，除滿足工頻 50Hz 系統(tǒng)的常規(guī)檢定需求外，還可覆蓋低頻、高頻擾動(dòng)工況的模擬需求；相位設(shè)置范圍為 0°~359.999°，千分位的相位控制精度，可實(shí)現(xiàn)對(duì)電壓、電流相位差的高精度模擬，滿足功率因數(shù)、相位測(cè)量誤差等核心檢定項(xiàng)目的高精度測(cè)試要求。

2.3 全類型電能質(zhì)量擾動(dòng)信號(hào)的模擬輸出能力

該功能是裝置的核心技術(shù)亮點(diǎn)，可完整覆蓋電能質(zhì)量監(jiān)測(cè)儀全功能檢定需求，填補(bǔ)了傳統(tǒng)檢定裝置多類型擾動(dòng)模擬能力不足的技術(shù)空白：

諧波模擬：支持 2~80 次諧波輸出，諧波含量控制精度高達(dá) 0.1%，可實(shí)現(xiàn)單次諧波或任意多次諧波的疊加輸出，完整模擬電網(wǎng)中常見的諧波畸變工況；

間諧波模擬：支持 0.25~80.75 次間諧波輸出，間諧波含有量設(shè)置范圍 0~40%，可精準(zhǔn)模擬電網(wǎng)中間諧波擾動(dòng)工況；

閃變與驟變模擬：閃變頻率設(shè)置范圍覆蓋 0.0001Hz~100Hz，波動(dòng)量設(shè)置范圍 0~40%，可完整模擬電壓波動(dòng)與閃變?nèi)r；同時(shí)支持電壓驟升、驟降等驟變工況的模擬，滿足監(jiān)測(cè)儀全功能檢定需求。

2.4 工程化的便捷操作與高可靠性設(shè)計(jì)

裝置采用高速 DSP + 自定義嵌入式系統(tǒng)架構(gòu)，開機(jī)即可直接進(jìn)入測(cè)試界面，無需額外的引導(dǎo)程序與上位機(jī)配合，大幅簡(jiǎn)化了檢定操作流程；裝置支持諧波、間諧波、閃變、驟變等各類檢定參數(shù)的方案存儲(chǔ)功能，可保存 5 組自定義參數(shù)方案，且斷電后數(shù)據(jù)不丟失，避免了重復(fù)檢定工作中的參數(shù)重復(fù)設(shè)置，大幅提升了批量檢定的工作效率。同時(shí)裝置采用超輕、超薄的集成化設(shè)計(jì)，兼顧了實(shí)驗(yàn)室固定檢定與現(xiàn)場(chǎng)移動(dòng)校準(zhǔn)的雙重應(yīng)用需求，具備極強(qiáng)的環(huán)境適應(yīng)性。

三、裝置的工程應(yīng)用場(chǎng)景與技術(shù)價(jià)值

在新型電力系統(tǒng)建設(shè)背景下，ZXDN-JD01 型檢定裝置的技術(shù)特性，可全面適配電力行業(yè)多場(chǎng)景的電能質(zhì)量監(jiān)測(cè)儀檢定與校準(zhǔn)需求，其核心應(yīng)用場(chǎng)景與技術(shù)價(jià)值如下。

3.1 法定計(jì)量技術(shù)機(jī)構(gòu)的量值傳遞與檢定

作為法定計(jì)量技術(shù)機(jī)構(gòu)開展電能質(zhì)量監(jiān)測(cè)儀強(qiáng)制檢定、量值傳遞的核心標(biāo)準(zhǔn)設(shè)備，該裝置的高精度、全參數(shù)輸出能力，可完全滿足 JJF 1829-2020《電能質(zhì)量監(jiān)測(cè)儀校準(zhǔn)規(guī)范》等國家技術(shù)規(guī)范的全項(xiàng)目檢定要求，實(shí)現(xiàn)對(duì)電能質(zhì)量監(jiān)測(cè)儀的基波電壓 / 電流、功率、頻率、相位、諧波、間諧波、閃變、電壓驟變等全項(xiàng)目的高精度檢定，保障了電能質(zhì)量參數(shù)量值傳遞的準(zhǔn)確性與溯源性。

3.2 電網(wǎng)公司的現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備校準(zhǔn)與性能核驗(yàn)

針對(duì)電網(wǎng)公司變電站、新能源并網(wǎng)節(jié)點(diǎn)等現(xiàn)場(chǎng)工況下的電能質(zhì)量監(jiān)測(cè)儀校準(zhǔn)需求，裝置的源表一體化集成設(shè)計(jì)、便攜特性與完善的保護(hù)機(jī)制，可完美適配現(xiàn)場(chǎng)移動(dòng)校準(zhǔn)的應(yīng)用需求，無需復(fù)雜的設(shè)備組合與接線，即可完成現(xiàn)場(chǎng)運(yùn)行監(jiān)測(cè)儀的快速校準(zhǔn)與性能核驗(yàn)，及時(shí)發(fā)現(xiàn)監(jiān)測(cè)設(shè)備的測(cè)量偏差，保障電網(wǎng)電能質(zhì)量監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的數(shù)據(jù)可靠性。

3.3 新能源場(chǎng)站與工業(yè)用戶的設(shè)備檢測(cè)

針對(duì)風(fēng)電、光伏等新能源場(chǎng)站，以及鋼鐵、冶金、軌道交通等大功率非線性負(fù)荷工業(yè)用戶，裝置可精準(zhǔn)模擬新能源并網(wǎng)過程中常見的諧波、間諧波、電壓波動(dòng)與閃變、電壓驟變等復(fù)雜擾動(dòng)工況，完成對(duì)站內(nèi)電能質(zhì)量監(jiān)測(cè)設(shè)備全工況下的測(cè)量性能核驗(yàn)，為新能源場(chǎng)站的電能質(zhì)量治理、并網(wǎng)驗(yàn)收提供精準(zhǔn)的技術(shù)支撐，同時(shí)保障工業(yè)用戶電能質(zhì)量治理方案的有效性。

3.4 設(shè)備制造廠商的研發(fā)與出廠檢測(cè)

對(duì)于電能質(zhì)量監(jiān)測(cè)儀的生產(chǎn)制造廠商，該裝置可作為產(chǎn)品研發(fā)階段的性能測(cè)試平臺(tái)，以及出廠檢測(cè)環(huán)節(jié)的標(biāo)準(zhǔn)檢定設(shè)備，通過全工況、全參數(shù)的模擬輸出，完成產(chǎn)品的功能驗(yàn)證、精度測(cè)試與性能優(yōu)化，提升產(chǎn)品的研發(fā)效率與出廠質(zhì)量，推動(dòng)電能質(zhì)量監(jiān)測(cè)設(shè)備行業(yè)的技術(shù)進(jìn)步。

四、總結(jié)與展望

在高比例新能源、高比例電力電子設(shè)備的新型電力系統(tǒng)中，電能質(zhì)量的精準(zhǔn)監(jiān)測(cè)與有效治理，已成為保障電網(wǎng)安全穩(wěn)定、高效經(jīng)濟(jì)運(yùn)行的核心環(huán)節(jié)。ZXDN-JD01 型電能質(zhì)量監(jiān)測(cè)儀檢定裝置，通過源表一體化的集成架構(gòu)、高速 DSP + 全數(shù)字合成的核心技術(shù)方案，實(shí)現(xiàn)了全維度電能質(zhì)量擾動(dòng)信號(hào)的高精度模擬輸出，同時(shí)具備操作便捷、可靠性高、適配性強(qiáng)的工程化優(yōu)勢(shì)，全面覆蓋了電能質(zhì)量監(jiān)測(cè)儀全項(xiàng)目檢定的技術(shù)需求。

該裝置的推廣應(yīng)用，不僅可為電力計(jì)量、電網(wǎng)運(yùn)維、新能源并網(wǎng)等領(lǐng)域的技術(shù)人員提供高精度、高效率的檢定技術(shù)手段，保障電能質(zhì)量監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性與可靠性，同時(shí)也為新型電力系統(tǒng)下電能質(zhì)量計(jì)量體系的完善、電能質(zhì)量治理技術(shù)的發(fā)展提供了堅(jiān)實(shí)的設(shè)備支撐。未來，隨著電網(wǎng)電能質(zhì)量管控要求的持續(xù)提升，該類高精度檢定裝置將在更多電力工程場(chǎng)景中發(fā)揮核心作用，為新型電力系統(tǒng)的安全穩(wěn)定運(yùn)行保駕護(hù)航。

國電中星是電力檢測(cè)設(shè)備生產(chǎn)廠家，生產(chǎn)的產(chǎn)品種類多，型號(hào)齊全，提供專業(yè)的技術(shù)支持，電話4000-828-027。