基于LabVIEW的直流電能表檢驗裝置設(shè)計

劉 崢，張維戈，李景新

（北京交通大學(xué) 電氣工程學(xué)院，北京 100044）

現(xiàn)如今，直流電能表應(yīng)用范圍迅速擴大，不僅包括無軌電車、有軌電車、地鐵車輛、電動汽車和光伏發(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、樓宇自動化等現(xiàn)代供配直流電系統(tǒng)。換言之，隨著直流電能表應(yīng)用領(lǐng)域的不斷擴大，對于它準(zhǔn)確計量的需求也在日益提高，但經(jīng)過在國內(nèi)外查找搜尋，均無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(shè)計一種直流電能表檢驗裝置。

LabVIEW是一種虛擬儀器開發(fā)平臺軟件，使用圖形化編程語言編程，簡單直觀，極大地節(jié)省程序開發(fā)時間，功能強大、靈活，可以廣泛應(yīng)用于自動測量系統(tǒng)、工業(yè)過程自動化和實驗室仿真等領(lǐng)域?；贚abVIEW軟件開發(fā)的直流電能表檢驗裝置界面友好，直觀，依據(jù)實物模型設(shè)計的虛擬儀表實時顯示采集到的電壓和電流值，且可視化效果好，調(diào)試方便，通用性較強[1]。

1 直流電能表檢驗裝置的設(shè)計與實現(xiàn)

PC機根據(jù)設(shè)定的檢驗條件（包括檢驗時間、電壓和電流的參比值等參數(shù)）自動控制整個直流電能表檢驗過程，采用CAN或RS-485總線與受檢電能表通信，獲取受檢電能表的能量計量。開始檢驗時，PC機控制電壓源和電流源輸出預(yù)設(shè)信號，由檢驗裝置和受檢電能表同時開始計量。檢驗過程中，PC機采集相應(yīng)的電壓和電流信號值，并利用積分法計算電能量，結(jié)果作為能量計量基準(zhǔn)。用戶界面顯示電能基準(zhǔn)值，同時根據(jù)設(shè)定的通信方式獲取并顯示受檢電能表計量結(jié)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機通過控制模塊遠程調(diào)節(jié)。PC機利用控制模塊上多通道模擬信號輸出功能，將設(shè)定的電源目標(biāo)輸出值分別轉(zhuǎn)換成對應(yīng)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，從而實現(xiàn)了PC機對兩個電源的遠程控制。設(shè)計的系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)如圖1所示。

2 基準(zhǔn)電能計量原理

直流電能表檢驗裝置中基準(zhǔn)電能計量采用積分法進行計算，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：

1）能量的直流脈動性 供電電壓上很可能會疊加交流分量，負(fù)載電流很可能會經(jīng)常變化；

圖1 系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)圖Fig.1 Overall structure diagram of system

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

3）網(wǎng)壓的大量高次諧波成分 不僅網(wǎng)壓本身為脈動性質(zhì)，同時某些用電設(shè)備也會在線網(wǎng)上產(chǎn)生大量的諧波。

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

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

3 硬件設(shè)計

圖1給出了該直流電能表檢驗方法及裝置的系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)圖。組成系統(tǒng)的各部分設(shè)備及作用如下：

1）恒壓源 根據(jù)受檢直流電能表工作電壓范圍選取，提供可調(diào)的直流工作電壓；

2）恒流源 根據(jù)受檢直流電能表工作電流范圍選取，提供可調(diào)的直流負(fù)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(shù)據(jù)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(shù)據(jù)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(shù)據(jù)采集模塊 將電壓傳感器和電流傳感器的輸出模擬信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號供PC機使用，選取研華公司的PCI-1716L，采樣速率達到250千次每秒；

6）控制模塊 根據(jù)設(shè)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 與受檢電能表進行通信，完成讀取和控制，可以采用周立功公司USBCAN1型CAN通信模塊或JaRa 2206型USB/RS485轉(zhuǎn)換器等；

8）PC機 自動生成檢驗報告；圖形化顯示測量結(jié)果；儲存測量結(jié)果，建立數(shù)據(jù)庫；若配備打印機，可打印檢驗結(jié)果等。

4 軟件設(shè)計

4.1 前面板設(shè)計

前面板是圖形化的人機界面，用于顯示測量結(jié)果和處理數(shù)據(jù)。用戶可根據(jù)需要通過前面板上的開關(guān)、按鈕和旋鈕對程序代碼及參數(shù)實現(xiàn)實時改變，使得測量數(shù)據(jù)的顯示達到最佳狀態(tài)。設(shè)計的直流電能表檢驗裝置前面板[2]如圖2所示。

圖2 直流電能表檢驗裝置前面板Fig.2 The front panel of DC energy ammeter calibrating device

4.2 數(shù)據(jù)采集模塊

該直流電能表檢驗裝置選用PCI-1716L數(shù)據(jù)采集卡。PCI-1716L是一款功能強大的高分辨率多功能PCI數(shù)據(jù)采集卡，帶有1個250 K/s，16位A/D轉(zhuǎn)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16位D/A轉(zhuǎn)換輸出通道和16位數(shù)字量輸入/輸出通道。根據(jù)香農(nóng)采樣定理，為保證計算的準(zhǔn)確性，在本次設(shè)計中，數(shù)據(jù)采集卡的采樣頻率設(shè)置為每個通道100 K/s[3]。

需要特別說明的一點，為了減輕CPU負(fù)擔(dān)，該直流電能表檢驗裝置采用DMA（Direct Memory Access）模式直接從內(nèi)存存取數(shù)據(jù)[4]。在DMA模式下，CPU只須向DMA控制器下達指令，讓其處理數(shù)據(jù)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(jié)省系統(tǒng)資源。另外，DMA模式傳輸優(yōu)先級高于程序中斷，二者的區(qū)別主要表現(xiàn)在對CPU的占用程度不同。中斷請求不但使CPU停下來，而且要求CPU執(zhí)行中斷服務(wù)程序，這其中包括對斷點和現(xiàn)場的處理以及CPU與外設(shè)的傳送，所以CPU付出很大代價；但若以DMA方式請求，僅僅會使CPU暫停一下，不需要對斷點和現(xiàn)場的處理，由它控制外設(shè)與主存之間完成數(shù)據(jù)傳輸，無需CPU干預(yù)，只占用一點CPU時間。還有一點區(qū)別，CPU對這兩種請求的響應(yīng)時間不同，對中斷請求一般都在執(zhí)行完一條指令的時鐘周期末尾響應(yīng)；而對于DMA請求，考慮到它的高效性，CPU在每條指令執(zhí)行的各個階段之中都可以讓給DMA使用，稱為立即響應(yīng)。設(shè)計的直流電能表檢驗裝置采用DMA方式的數(shù)據(jù)采集程序如圖3所示，其中左下角程序利用While循環(huán)生成一個定時器用來計時。

圖3 采用DMA方式的數(shù)據(jù)采集程序圖Fig.3 Data acquisition program diagram based on DMA mode

4.3 CAN通信模塊[5]

該直流電能表檢驗裝置選用USBCAN1型CAN通信模塊卡與受檢電能表進行通信，完成讀取和控制。Virtual CAN Interface（VCI）函數(shù)庫是專門為ZLGCAN設(shè)備在PC上使用而提供的應(yīng)用程序接口。庫里的函數(shù)從ControlCAN.dll中導(dǎo)出，在LabVIEW中可以直接調(diào)用這些庫函數(shù)而無需額外的操作。VCI函數(shù)具體的使用流程為：VCI_OpenDevice→VCI_InitCAN→VCI_StartCAN→VCI_CloseCAN。另外，當(dāng)設(shè)備需要發(fā)送或者接收數(shù)據(jù)時，應(yīng)分別調(diào)用VCI_Transmit和VCI_Receive兩個庫函數(shù)[6]。設(shè)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(jié)論及改進方案

該直流電能表檢驗裝置現(xiàn)應(yīng)用于北京電保廠現(xiàn)場，并且已經(jīng)向國家專利局申請發(fā)明專利。

經(jīng)實驗證明，此檢驗裝置系統(tǒng)完全達到預(yù)期指標(biāo)和要求，主要體現(xiàn)在以下幾點：

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

2）系統(tǒng)達到穩(wěn)定要求。本檢驗裝置對實驗中出現(xiàn)的不穩(wěn)定因素采取了相應(yīng)改進方案：硬件方面，通過接地、獨立供電等措施抑制系統(tǒng)干擾；軟件方面，通過在通信協(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。

圖4 CAN通信模塊卡初始化程序圖Fig.4 Initialization program diagram of CAN communication module

圖5 分別調(diào)用VCI_Transmit和VCI_Receive的發(fā)送和接收程序圖Fig.5 Transmit and receive program diagram called VCI_Transmit and VCI_Receive respectively

3）實現(xiàn)功能強大的要求。用戶可根據(jù)自身要求對測試項目進行定制，并存儲模板。同時本檢驗裝置還提供對被檢數(shù)據(jù)的多種處理，包括匯總、統(tǒng)計、打印等功能，充分滿足用戶需求。另外，本檢驗裝置用戶界面采用Windows界面形式，操作方便且使用友好[7]。

未來的工作主要是深化電能表校驗裝置的改進方案，以實現(xiàn)1臺PC機控制多臺待檢直流電能表設(shè)備，實現(xiàn)PC機遠程控制，同時研究在網(wǎng)絡(luò)上控制電能表檢驗裝置的方案。

[1]吳成東，孫秋野，盛科.LabVIEW虛擬儀器程序設(shè)計及應(yīng)用[M].北京：人民郵電出版社，2008.

[2]豈興明，周建興，矯津毅.LabVIEW 8.2中文版入門與典型實例[M].北京：人民郵電出版社，2008.

[3]陳錫輝，張銀鴻.LabVIEW 8.20程序設(shè)計從入門到精通[M].北京：清華大學(xué)出版社，2007.

[4]龔育才，高月輝，姜培剛.基于PCI-1714測試系統(tǒng)的設(shè)計與實現(xiàn)[J].青島理工大學(xué)學(xué)報，2007，28（5）：75-78.GONG Yu-cai，GAO Yue-hui，JIANG Pei-gang.Design and completion of testing system based on PCI-1714[J].Journal of Qingdao Technological University， 2007，28（5）：75-78.

[5]王夢玲，王思明.基于PCI-1713和LabVIEW的高速數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)設(shè)計[J].微計算機信息，2006，22（7-1）：120-123.WANG Meng-ling，WANG Si-ming.A design for high speed data acquisition system based on PCI-1713 and LabVIEW[J].Micro Computer Information，2006，22（7-1）：120-123.

[6]郭潔，王召巴.基于LabVIEW的串行接口設(shè)計與實現(xiàn)[J].機械工程與自動化，2008，10（5）:57-59.GUO Jie，WANG Zhao-ba.Design and realization of serial communication interface based on LabVIEW[J].Mechanical Engineering&Automation， 2008，10（5）:57-59.

[7]余松.虛擬儀器在電力系統(tǒng)中的應(yīng)用研究[J].陜西電力,2008（12）:68-72.YU Song.Application research of virtual instrument in power system[J].Shaanxi Electric Power,2008（12）:68-72.