基于LabVIEW的直流電能表檢驗(yàn)裝置設(shè)計(jì)

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(kuò)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(jì)量，而且適用于工礦企業(yè)、民用建筑、樓宇自動(dòng)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(kuò)大，對(duì)于它準(zhǔn)確計(jì)量的需求也在日益提高，但經(jīng)過(guò)在國(guó)內(nèi)外查找搜尋，均無(wú)法獲得電子式直流電能表的檢驗(yàn)裝置，因此針對(duì)此種情況，這里設(shè)計(jì)一種直流電能表檢驗(yàn)裝置。

LabVIEW是一種虛擬儀器開(kāi)發(fā)平臺(tái)軟件，使用圖形化編程語(yǔ)言編程，簡(jiǎn)單直觀，極大地節(jié)省程序開(kāi)發(fā)時(shí)間，功能強(qiáng)大、靈活，可以廣泛應(yīng)用于自動(dòng)測(cè)量系統(tǒng)、工業(yè)過(guò)程自動(dòng)化和實(shí)驗(yàn)室仿真等領(lǐng)域。基于LabVIEW軟件開(kāi)發(fā)的直流電能表檢驗(yàn)裝置界面友好，直觀，依據(jù)實(shí)物模型設(shè)計(jì)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(diào)試方便，通用性較強(qiáng)[1]。

1 直流電能表檢驗(yàn)裝置的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

PC機(jī)根據(jù)設(shè)定的檢驗(yàn)條件（包括檢驗(yàn)時(shí)間、電壓和電流的參比值等參數(shù)）自動(dòng)控制整個(gè)直流電能表檢驗(yàn)過(guò)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(jì)量。開(kāi)始檢驗(yàn)時(shí)，PC機(jī)控制電壓源和電流源輸出預(yù)設(shè)信號(hào)，由檢驗(yàn)裝置和受檢電能表同時(shí)開(kāi)始計(jì)量。檢驗(yàn)過(guò)程中，PC機(jī)采集相應(yīng)的電壓和電流信號(hào)值，并利用積分法計(jì)算電能量，結(jié)果作為能量計(jì)量基準(zhǔn)。用戶界面顯示電能基準(zhǔn)值，同時(shí)根據(jù)設(shè)定的通信方式獲取并顯示受檢電能表計(jì)量結(jié)果，計(jì)算并給出受檢電能表的測(cè)量誤差。電壓源和電流源輸出量的大小可由PC機(jī)通過(guò)控制模塊遠(yuǎn)程調(diào)節(jié)。PC機(jī)利用控制模塊上多通道模擬信號(hào)輸出功能，將設(shè)定的電源目標(biāo)輸出值分別轉(zhuǎn)換成對(duì)應(yīng)的模擬控制信號(hào)，與電壓源和電流源的模擬控制接口的信號(hào)相連，從而實(shí)現(xiàn)了PC機(jī)對(duì)兩個(gè)電源的遠(yuǎn)程控制。設(shè)計(jì)的系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)如圖1所示。

2 基準(zhǔn)電能計(jì)量原理

直流電能表檢驗(yàn)裝置中基準(zhǔn)電能計(jì)量采用積分法進(jìn)行計(jì)算，該方法具有較強(qiáng)的抗干擾能力。這是因?yàn)?，直流電能表的檢驗(yàn)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(fù)載電流很可能會(huì)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(dòng)范圍大 部分直流供電網(wǎng)電壓波動(dòng)幅度達(dá)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(shè)備也會(huì)在線網(wǎng)上產(chǎn)生大量的諧波。

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

式中，u（t）、i（t）分別為在 t1～t2時(shí)間段內(nèi) t時(shí)刻的工作電壓（V）和電流（A），W 為 t1～t2時(shí)間段內(nèi)消耗的電能量（kWh）。將各個(gè)時(shí)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(jì)

圖1給出了該直流電能表檢驗(yàn)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(cè)量直流電壓，輸出的隔離電信號(hào)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(cè)范圍為0～±1 000 V，測(cè)量精度小于±0.2%，可測(cè)量直流、交流、脈沖電流信號(hào)，信號(hào)頻率范圍0～500 kHz；

4）電流傳感器 測(cè)量直流電流，輸出的隔離電信號(hào)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(cè)范圍±450 A，測(cè)量精度小于±0.05%，可測(cè)量直流、交流、脈沖電流信號(hào)，信號(hào)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(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)供PC機(jī)使用，選取研華公司的PCI-1716L，采樣速率達(dá)到250千次每秒；

6）控制模塊 根據(jù)設(shè)計(jì)要求精度定制，接收計(jì)算機(jī)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USBCAN1型CAN通信模塊或JaRa 2206型USB/RS485轉(zhuǎn)換器等；

8）PC機(jī) 自動(dòng)生成檢驗(yàn)報(bào)告；圖形化顯示測(cè)量結(jié)果；儲(chǔ)存測(cè)量結(jié)果，建立數(shù)據(jù)庫(kù)；若配備打印機(jī)，可打印檢驗(yàn)結(jié)果等。

4 軟件設(shè)計(jì)

4.1 前面板設(shè)計(jì)

前面板是圖形化的人機(jī)界面，用于顯示測(cè)量結(jié)果和處理數(shù)據(jù)。用戶可根據(jù)需要通過(guò)前面板上的開(kāi)關(guān)、按鈕和旋鈕對(duì)程序代碼及參數(shù)實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)改變，使得測(cè)量數(shù)據(jù)的顯示達(dá)到最佳狀態(tài)。設(shè)計(jì)的直流電能表檢驗(yàn)裝置前面板[2]如圖2所示。

圖2 直流電能表檢驗(yàn)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(yàn)裝置選用PCI-1716L數(shù)據(jù)采集卡。PCI-1716L是一款功能強(qiáng)大的高分辨率多功能PCI數(shù)據(jù)采集卡，帶有1個(gè)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(gè)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(jì)算的準(zhǔn)確性，在本次設(shè)計(jì)中，數(shù)據(jù)采集卡的采樣頻率設(shè)置為每個(gè)通道100 K/s[3]。

需要特別說(shuō)明的一點(diǎn)，為了減輕CPU負(fù)擔(dān)，該直流電能表檢驗(yàn)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(dá)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(jí)高于程序中斷，二者的區(qū)別主要表現(xiàn)在對(duì)CPU的占用程度不同。中斷請(qǐng)求不但使CPU停下來(lái)，而且要求CPU執(zhí)行中斷服務(wù)程序，這其中包括對(duì)斷點(diǎn)和現(xiàn)場(chǎng)的處理以及CPU與外設(shè)的傳送，所以CPU付出很大代價(jià)；但若以DMA方式請(qǐng)求，僅僅會(huì)使CPU暫停一下，不需要對(duì)斷點(diǎn)和現(xiàn)場(chǎng)的處理，由它控制外設(shè)與主存之間完成數(shù)據(jù)傳輸，無(wú)需CPU干預(yù)，只占用一點(diǎn)CPU時(shí)間。還有一點(diǎn)區(qū)別，CPU對(duì)這兩種請(qǐng)求的響應(yīng)時(shí)間不同，對(duì)中斷請(qǐng)求一般都在執(zhí)行完一條指令的時(shí)鐘周期末尾響應(yīng)；而對(duì)于DMA請(qǐng)求，考慮到它的高效性，CPU在每條指令執(zhí)行的各個(gè)階段之中都可以讓給DMA使用，稱為立即響應(yīng)。設(shè)計(jì)的直流電能表檢驗(yàn)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(gè)定時(shí)器用來(lái)計(jì)時(shí)。

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(yàn)裝置選用USBCAN1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 CAN Interface（VCI）函數(shù)庫(kù)是專門(mén)為ZLGCAN設(shè)備在PC上使用而提供的應(yīng)用程序接口。庫(kù)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(kù)函數(shù)而無(wú)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(shí)，應(yīng)分別調(diào)用VCI_Transmit和VCI_Receive兩個(gè)庫(kù)函數(shù)[6]。設(shè)計(jì)的直流電能表檢驗(yàn)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(jìn)方案

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

經(jīng)實(shí)驗(yàn)證明，此檢驗(yàn)裝置系統(tǒng)完全達(dá)到預(yù)期指標(biāo)和要求，主要體現(xiàn)在以下幾點(diǎn)：

1）檢驗(yàn)后直流電能表測(cè)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(dá)到穩(wěn)定要求。本檢驗(yàn)裝置對(duì)實(shí)驗(yàn)中出現(xiàn)的不穩(wěn)定因素采取了相應(yīng)改進(jìn)方案：硬件方面，通過(guò)接地、獨(dú)立供電等措施抑制系統(tǒng)干擾；軟件方面，通過(guò)在通信協(xié)議中使用冗余糾錯(cuò)、判錯(cuò)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(shí)現(xiàn)功能強(qiáng)大的要求。用戶可根據(jù)自身要求對(duì)測(cè)試項(xiàng)目進(jìn)行定制，并存儲(chǔ)模板。同時(shí)本檢驗(yàn)裝置還提供對(duì)被檢數(shù)據(jù)的多種處理，包括匯總、統(tǒng)計(jì)、打印等功能，充分滿足用戶需求。另外，本檢驗(yàn)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(lái)的工作主要是深化電能表校驗(yàn)裝置的改進(jìn)方案，以實(shí)現(xiàn)1臺(tái)PC機(jī)控制多臺(tái)待檢直流電能表設(shè)備，實(shí)現(xiàn)PC機(jī)遠(yuǎn)程控制，同時(shí)研究在網(wǎng)絡(luò)上控制電能表檢驗(yàn)裝置的方案。

[1]吳成東，孫秋野，盛科.LabVIEW虛擬儀器程序設(shè)計(jì)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(mén)與典型實(shí)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(jì)從入門(mén)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(cè)試系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[J].青島理工大學(xué)學(xué)報(bào)，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(mèng)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(jì)[J].微計(jì)算機(jī)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(jì)與實(shí)現(xiàn)[J].機(jī)械工程與自動(dòng)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.