直流電能表檢驗裝置設計與實(shí)現

現如今，直流電能表應用范圍迅速擴大，不僅包括無(wú)軌電車(chē)、有軌電車(chē)、地鐵車(chē)輛、電動(dòng)汽車(chē)和光伏發(fā)電等領(lǐng)域的直流能量計量，而且適用于工礦企業(yè)、民用建筑、樓宇自動(dòng)化等現代供配直流電系統。換言之，隨著(zhù)直流電能表應用領(lǐng)域的不斷擴大，對于它準確計量的需求也在日益提高，但經(jīng)過(guò)在國內外查找搜尋，均無(wú)法獲得電子式直流電能表的檢驗裝置，因此針對此種情況，這里設計一種直流電能表檢驗裝置。

LabVIEW是一種虛擬儀器開(kāi)發(fā)平臺軟件，使用圖形化編程語(yǔ)言編程，簡(jiǎn)單直觀(guān)，極大地節省程序開(kāi)發(fā)時(shí)間，功能強大、靈活，可以廣泛應用于自動(dòng)測量系統、工業(yè)過(guò)程自動(dòng)化和實(shí)驗室仿真等領(lǐng)域?；贚abVIEW軟件開(kāi)發(fā)的直流電能表檢驗裝置界面友好，直觀(guān)，依據實(shí)物模型設計的虛擬儀表實(shí)時(shí)顯示采集到的電壓和電流值，且可視化效果好，調試方便，通用性較強。

1 直流電能表檢驗裝置的設計與實(shí)現

PC機根據設定的檢驗條件(包括檢驗時(shí)間、電壓和電流的參比值等參數)自動(dòng)控制整個(gè)直流電能表檢驗過(guò)程，采用CAN或RS-485總線(xiàn)與受檢電能表通信，獲取受檢電能表的能量計量。開(kāi)始檢驗時(shí)，PC機控制電壓源和電流源輸出預設信號，由檢驗裝置和受檢電能表同時(shí)開(kāi)始計量。檢驗過(guò)程中，PC機采集相應的電壓和電流信號值，并利用積分法計算電能量，結果作為能量計量基準。用戶(hù)界面顯示電能基準值，同時(shí)根據設定的通信方式獲取并顯示受檢電能表計量結果，計算并給出受檢電能表的測量誤差。電壓源和電流源輸出量的大小可由PC機通過(guò)控制模塊遠程調節。PC機利用控制模塊上多通道模擬信號輸出功能，將設定的電源目標輸出值分別轉換成對應的模擬控制信號，與電壓源和電流源的模擬控制接口的信號相連，從而實(shí)現了PC機對兩個(gè)電源的遠程控制。設計的系統整體結構如圖l所示。

2 基準電能計量原理

直流電能表檢驗裝置中基準電能計量采用積分法進(jìn)行計算，該方法具有較強的抗干擾能力。這是因為，直流電能表的檢驗工作必須考慮到相關(guān)工作環(huán)境的特點(diǎn)：

1)能量的直流脈動(dòng)性 供電電壓上很可能會(huì )疊加交流分量，負載電流很可能會(huì )經(jīng)常變化;

2)網(wǎng)壓波動(dòng)范圍大 部分直流供電網(wǎng)電壓波動(dòng)幅度達到甚至超過(guò)±20%;

3)網(wǎng)壓的大量高次諧波成分 不僅網(wǎng)壓本身為脈動(dòng)性質(zhì)，同時(shí)某些用電設備也會(huì )在線(xiàn)網(wǎng)上產(chǎn)生大量的諧波。

綜上所述，基準電能計量采用積分法進(jìn)行計算，即某段時(shí)間之內(t1～t2)能耗的計算方法如下：

式中，u(t)、i(t)分別為在t1～t2時(shí)間段內t時(shí)刻的工作電壓(V)和電流(A)，W為t1～t2時(shí)間段內消耗的電能量(kWh)。將各個(gè)時(shí)間段內的消耗能量累加即可得到總的耗能數值。

3 硬件設計

圖1給出了該直流電能表檢驗方法及裝置的系統整體結構圖。組成系統的各部分設備及作用如下：

1)恒壓源 根據受檢直流電能表工作電壓范圍選取，提供可調的直流工作電壓;

2)恒流源 根據受檢直流電能表工作電流范圍選取，提供可調的直流負載電流;

3)電壓傳感器 測量直流電壓，輸出的隔離電信號送入數據采集模塊，選取瑞士LEM公司的CV3-1000型，額定輸入電壓700 V，可測范圍為0～±1 000 V，測量精度小于±0.2%，可測量直流、交流、脈沖電流信號，信號頻率范圍0～500 kHz;

4)電流傳感器 測量直流電流，輸出的隔離電信號送入數據采集模塊，選取瑞士LEM公司的ITB 300-SCT5-T型，額定輸入電流300 A，可測范圍±450 A，測量精度小于±0.05%，可測量直流、交流、脈沖電流信號，信號頻率范圍為0～100 kHz;

5)數據采集模塊 將電壓傳感器和電流傳感器的輸出模擬信號轉換為數字信號供PC機使用，選取研華公司的PCI1716L，采樣速率達到250千次每秒;

6)控制模塊 根據設計要求精度定制，接收計算機控制指令，控制恒壓源和恒流源的輸出;

7)通信模塊 與受檢電能表進(jìn)行通信，完成讀取和控制，可以采用周立功公司USBCANl型CAN通信模塊或JaRa2206型USB/RS485轉換器等;

8)PC機 自動(dòng)生成檢驗報告;圖形化顯示測量結果;儲存測量結果，建立數據庫;若配備打印機，可打印檢驗結果等。

4 軟件設計

4.1 前面板設計

前面板是圖形化的人機界面，用于顯示測量結果和處理數據。用戶(hù)可根據需要通過(guò)前面板上的開(kāi)關(guān)、按鈕和旋鈕對程序代碼及參數實(shí)現實(shí)時(shí)改變，使得測量數據的顯示達到最佳狀態(tài)。設計的直流電能表檢驗裝置前面板如圖2所示。

4.2 數據采集模塊

該直流電能表檢驗裝置選用PCI-1716L數據采集卡。PCI-1716L是一款功能強大的高分辨率多功能PCI數據采集卡，帶有1個(gè)250 K/s，16位A/D轉換器，提供16路單端模擬量輸入或8路差分模擬量輸入，也可以組合輸入;還帶有2個(gè)16位D/A轉換輸出通道和16位數字量輸入/輸出通道。根據香農采樣定理，為保證計算的準確性，在本次設計中，數據采集卡的采樣頻率設置為每個(gè)通道100 K/s 。

需要特別說(shuō)明的一點(diǎn)，為了減輕CPU負擔，該直流電能表檢驗裝置采用DMA(Direct Memory Access)模式直接從內存存取數據。在DMA模式下，CPU只須向DMA控制器下達指令，讓其處理數據傳輸。傳輸完畢后再將信息反饋給CPU，這在很大程度上減輕CPU資源占用率，大大節省系統資源。另外，DMA模式傳輸優(yōu)先級高于程序中斷，二者的區別主要表現在對CPU的占用程度不同。中斷請求不但使CPU停下來(lái)，而且要求CPU執行中斷服務(wù)程序，這其中包括對斷點(diǎn)和現場(chǎng)的處理以及CPU與外設的傳送，所以CPU付出很大代價(jià);但若以DMA方式請求，僅僅會(huì )使CPU暫停一下，不需要對斷點(diǎn)和現場(chǎng)的處理，由它控制外設與主存之間完成數據傳輸，無(wú)需CPU干預，只占用一點(diǎn)CPU時(shí)間。還有一點(diǎn)區別，CPU對這兩種請求的響應時(shí)間不同，對中斷請求一般都在執行完一條指令的時(shí)鐘周期末尾響應;而對于DMA請求，考慮到它的高效性，CPU在每條指令執行的各個(gè)階段之中都可以讓給DMA使用，稱(chēng)為立即響應。設計的直流電能表檢驗裝置采用DMA方式的數據采集程序如圖3所示，其中左下角程序利用While循環(huán)生成一個(gè)定時(shí)器用來(lái)計時(shí)。

4.3 CAN通信模塊

該直流電能表檢驗裝置選用USBCANl型CAN通信模塊卡與受檢電能表進(jìn)行通信，完成讀取和控制。Virtual CANInterface(VCI)函數庫是專(zhuān)門(mén)為ZLGCAN設備在PC上使用而提供的應用程序接口。庫里的函數從ControlCAN.dll中導出，在LabVIEW中可以直接調用這些庫函數而無(wú)需額外的操作。VCI函數具體的使用流程為：VCI_OpenDevice→VCI_InitCAN→VCI_StartCAN→VCI_CloseCAN。另外，當設備需要發(fā)送或者接收數據時(shí)，應分別調用VCI_Transmit和VCI_Receive兩個(gè)庫函數。設計的直流電能表檢驗裝置CAN通信模塊卡初始化程序和發(fā)送接收程序如圖4和圖5所示。

5 主要結論及改進(jìn)方案

該直流電能表檢驗裝置現應用于北京電保廠(chǎng)現場(chǎng)，并且已經(jīng)向國家專(zhuān)利局申請發(fā)明專(zhuān)利。

經(jīng)實(shí)驗證明，此檢驗裝置系統完全達到預期指標和要求，主要體現在以下幾點(diǎn)：

1)檢驗后直流電能表測量誤差精度小于±0.1%。本系統從硬件和軟件算法兩方面保障和提高了系統精度;

2)系統達到穩定要求。本檢驗裝置對實(shí)驗中出現的不穩定因素采取了相應改進(jìn)方案：硬件方面，通過(guò)接地、獨立供電等措施抑制系統干擾;軟件方面，通過(guò)在通信協(xié)議中使用冗余糾錯、判錯重發(fā)等方法防止外部干擾的影響。

3)實(shí)現功能強大的要求。用戶(hù)可根據自身要求對測試項目進(jìn)行定制，并存儲模板。同時(shí)本檢驗裝置還提供對被檢數據的多種處理，包括匯總、統計、打印等功能，充分滿(mǎn)足用戶(hù)需求。另外，本檢驗裝置用戶(hù)界面采用Windows界面形式，操作方便且使用友好。

未來(lái)的工作主要是深化電能表校驗裝置的改進(jìn)方案，以實(shí)現l臺PC機控制多臺待檢直流電能表設備，實(shí)現PC機遠程控制，同時(shí)研究在網(wǎng)絡(luò )上控制電能表檢驗裝置的方案。