LabVIEW在PLC功耗高精度動態(tài)測量中的應用

張秋雁，徐宏偉，周克，劉京南，林垂?jié)?/p>

（1.貴州電網(wǎng)有限責任公司電力科學研究院，貴陽550002；2.貴州電網(wǎng)博士后科研工作站，貴陽550002；3.長沙威勝集團有限公司，長沙410000）

0 引 言

低壓電力集抄系統(tǒng)下行通信普遍使用電力線載波通信（PLC）［1］，功耗是 PLC模塊性能的一個重要參數(shù)，國家電網(wǎng)公司和中國南方電網(wǎng)公司有關技術規(guī)范都對PLC模塊的靜態(tài)功耗和動態(tài)功耗進行了限定。這里的功耗指的是有功功率，而有功功率是指在周期狀態(tài)下，瞬時功率p在周期時間T內(nèi)的平均值，即一個周期內(nèi)的平均功率P為：

普通的功耗測量儀器是針對50 Hz工頻電壓而設計的［2］，采樣頻率一般不可動態(tài)調(diào)整，以20 ms為周期時間計算平均功率。當PLC信號耦合到電力線上后，考慮到電網(wǎng)噪聲的影響，電力線上的電壓已不是嚴格意義上的正弦周期信號［3］，若仍然以20 ms為周期計算平均功率，將會產(chǎn)生比較大的誤差；另外不同調(diào)制方式的PLC通信頻率不同，且遠高于工頻50 Hz，使用普通的功率測量儀器測量功耗會產(chǎn)生比較大的誤差。本文提出一種基于LabVIEW（Laboratory Virtual Instrument Engineering Workbench）可視化開發(fā)軟件的PLC模塊功耗測量系統(tǒng)，可調(diào)采樣周期，精度高，實現(xiàn)操作過程的實時可視化。

1 系統(tǒng)工作原理

功耗測量系統(tǒng)主要由采集卡、電流傳感器、100：1電壓差分探頭、PC以及PC上的測量系統(tǒng)軟件組成。如圖1所示，100：1電壓差分探頭輸入端鏈接在被測設備（帶PLC模塊的電能表）的電壓輸入端，將采集到的電壓信號送到采集卡中。

同樣的，電流傳感器串接在被測設備的用電回路中，并將采集到的電流信號送到采集卡中。采集卡將得到的電壓電流信號進行A／D轉換后，將數(shù)字信號傳輸?shù)絇C中的基于LabVIEW的測量系統(tǒng)軟件中進行處理和運算。

圖1 系統(tǒng)接線圖Fig.1 System wiring diagram

1.1 電流傳感器及電壓差分探頭

電流傳感器及電壓差分探頭是測量系統(tǒng)的關鍵部件，直接影響到電流電壓采樣的準確度?？紤]到一般電力線載波通信技術使用的頻率范圍為3 kHz～500 kHz［4］，本系統(tǒng)選取了Pearson的電流傳感器以及Keysight的帶寬為25 MHz的100：1電壓差分探頭。

1.2 采集卡

數(shù)據(jù)采集卡是測量系統(tǒng)的硬件核心部分，它主要是完成數(shù)據(jù)的采集以及A／D轉換功能，其采樣位數(shù)將對采樣精度產(chǎn)生直接的影響。在一般電力線載波通信方式中，根據(jù)參考文獻所述采樣定理［4］：“在進行模擬／數(shù)字信號的轉換過程中，當采樣頻率fsmax大于信號中最高頻率fmax的2倍時（fsmax＞2fmax），采樣之后的數(shù)字信號完整地保留了原始信號中的信息，一般實際應用中保證采樣頻率為信號最高頻率的5～10倍”；本測量系統(tǒng)中，使用的是NI公司最大采樣率為1.25 MS／s的16通道采集卡。

1.3 功耗測量原理

測量平均功率的一般方法為在一定時間內(nèi)，以一定的采樣率等間隔采樣N組瞬時電壓un和瞬時電流in的值，然后按如下公式計算平均功率Pactive。

2 軟件設計

測量系統(tǒng)軟采用NI公司的LabVIEW軟件進行設計，其程序處理的主流程如圖2所示。

圖2 系統(tǒng)主程序流程圖Fig.2 System main program flow chart

測量系統(tǒng)軟件在采樣開始前，讀取配置文件進行系統(tǒng)初始化，并對系統(tǒng)進程進行管理。此后，系統(tǒng)以當前設置的采樣率進行采樣并計算功耗；同時，對用于計算功耗的各個參數(shù)全部進行保存和顯示［5］。當檢測到關閉程序的指令后，讀取當前參數(shù)配置情況，并對其進行保存，以便下次使用系統(tǒng)時，不需要再重新手動配置系統(tǒng)參數(shù)。整個測量系統(tǒng)軟件包含數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)處理及分析、數(shù)據(jù)管理及交互界面三個模塊。

2.1 數(shù)據(jù)采集

數(shù)據(jù)采集主要包括對采集卡通道的初始化以及參數(shù)設置，本系統(tǒng)采用了多通道數(shù)據(jù)模塊來采集數(shù)據(jù)［6-8］。通道X采集從電流傳感器輸出的電流信號，通道Y采集從100：1電壓差分探頭輸出的電壓信號；其中，對每個通道進行設置的參數(shù)包括采樣率、增益、設備號以及樣本數(shù)。

2.2 數(shù)據(jù)處理及分析

對PLC模塊的功耗測量主要是指有功功率（即平均功率）的測量，對無功功率以及電流電壓的有效值不考慮。因此，不需要對采樣到的電壓電流進行相位檢測，而只對瞬時功率進行檢測并計算出平均功率。在本系統(tǒng)中，采用圖3的程序進行功率計算。程序?qū)γ繋蓸訑?shù)組中的各個數(shù)據(jù)進行濾波處理，將存在誤差的數(shù)據(jù)清除，以保證采樣數(shù)據(jù)的真實性及可用性［9］。本系統(tǒng)采用的是限幅平均濾波算法，這種算法能夠有效克服因偶然因素引起的脈沖干擾［10］，對電網(wǎng)中大量的隨機噪聲起到明顯的消除作用。

圖3 功率計算程序Fig.3 Power calculation program

以電流信號的分析計算為例，設Squelch Array是一個由經(jīng)驗公式計算得到的只有兩個元素的二維數(shù)組，數(shù)值由當前采樣周期采集到的電壓或電流數(shù)據(jù)的平均值以及均方根值確定。該數(shù)組用來確定本周期內(nèi)，所有采樣允許的最大范圍［-At，At］，定義At的公式如下：

式中N是數(shù)據(jù)采集卡的單幀采樣數(shù)；in是電流采樣數(shù)組的第n個元素的值；a與b為數(shù)組均方根以及平均數(shù)的系數(shù)，是一個經(jīng)驗值，由當前電網(wǎng)噪聲特性確定。

當系統(tǒng)檢測到采集卡數(shù)據(jù)時，進行如下判斷：若當前數(shù)據(jù)的絕對值小于Squelch Array中對應元素的大小，即｜in｜＜At，則當前值有效，進入下一輪比較；若當前數(shù)據(jù)的絕對值大于Squelch Array中對應元素的大小，即｜in｜＞At，則以上次有效數(shù)據(jù)in-1代替本次數(shù)據(jù)in，并進入下一輪比較。在當前采樣數(shù)組中所有的值都比較完畢后計算平均值，完成當次數(shù)據(jù)處理。

設采集采樣率為f，在得到從數(shù)據(jù)采集卡中輸出的瞬時數(shù)據(jù)數(shù)組后，通過對單幀的數(shù)據(jù)數(shù)組中各個值求平均，可以得出在采樣瞬間電流的大小為：

式中N是數(shù)據(jù)采集卡的單幀采樣數(shù)；Ri是采集卡的采樣范圍；k為采集卡的采樣位數(shù)；OFFi為電流誤差偏置；G是閾值調(diào)整參數(shù)；in是電流采樣數(shù)組的第n個元素；P為波形比例放大倍數(shù)。

同理可得電壓瞬時值的計算公式：

由瞬時功率公式：

可得T時刻內(nèi)的平均功率：

式中f是數(shù)據(jù)采集卡的采樣率；T是平均功率的計算周期時長。

2.3 數(shù)據(jù)管理與交互界面

本系統(tǒng)中，程序?qū)Σ杉降臄?shù)據(jù)經(jīng)過處理后進行記錄、儲存并實時顯示電壓、電流及功率曲線的波形。考慮到有對PLC模塊進行長時間的功耗監(jiān)測需求，對功耗曲線進行必要的核查，在系統(tǒng)中增加錄屏的功能［11］。其具體的程序如圖4所示。

圖4 錄屏程序Fig.4 Recording-screen program

測量系統(tǒng)軟件的交互界面如圖5所示。

圖5 系統(tǒng)交互界面Fig.5 System software interface

在交互界面的左半部分，可以對系統(tǒng)的各項參數(shù)進行設置，并將當前設置的參數(shù)及動態(tài)的數(shù)據(jù)實時顯示出來；交互界面的右半部份對采集到的電壓、電流信號及計算到的功耗數(shù)據(jù)進行了圖形化的顯示。

3 測量結果比較以及分析

為了確認當前測量系統(tǒng)的精確性及實用性，使用不同的功耗測試儀器對幾種不同的PLC模塊分別就靜態(tài)功耗和動態(tài)功耗的大小進行了測量比較。為了排除個體差異，本實驗中選取了270 kHz窄帶PLC模塊、421 kHz窄帶PLC模塊、工頻電力線通信模塊各十個，并對其進行靜態(tài)功耗以及發(fā)送信號時的動態(tài)功耗進行測量，去掉同類數(shù)據(jù)中的最大最小值，取平均得到的測量結果如表1所示。

表1 測量結果Tab.1 Measurement result

從實驗得到的數(shù)據(jù)中可以看出，不同的測量系統(tǒng)在測量模塊的靜態(tài)功耗時，雖然表現(xiàn)出了一定的大小差異，但是區(qū)別并不是很大。但是，在測量模塊進行通信時的動態(tài)功耗時，表現(xiàn)出了一定的差異性；功耗測量臺體測量載波模塊時測量得到的功耗比Lab-VIEW功耗測量系統(tǒng)以及電科院測量得到的數(shù)據(jù)小，而在測量工頻電力線通信模塊時，測量載波模塊時測量得到的功耗比LabVIEW功耗測量系統(tǒng)以及電科院測量得到的數(shù)據(jù)大很多。

在實驗過程中，功率測量臺體測量得到的測量數(shù)值跳動很大，不能直觀的顯示出對應的功耗數(shù)值是多少；反觀LabVIEW功耗測量系統(tǒng)的數(shù)據(jù)，平穩(wěn)且直觀。功耗測量儀器的數(shù)值跳動給功耗測量的固有系統(tǒng)誤差中帶來了人為的非系統(tǒng)誤差，大大降低了功耗測量臺體的準確度以及可靠性。

一般功耗測量系統(tǒng)在不同頻率下，有不同的準確度，本實驗中表現(xiàn)的尤為明顯：當測量系統(tǒng)的采樣率以及采樣數(shù)設置較低時，測量得到的功率表現(xiàn)出了誤差數(shù)據(jù)較大的跳動。因此，在測量不同頻率范圍內(nèi)的載波信號時，需要將系統(tǒng)的采樣頻率進行相應的調(diào)整，只有可調(diào)采樣率以及可調(diào)采樣數(shù)的測量系統(tǒng)才能保證在測量不同頻率范圍內(nèi)的載波信號的功率時能夠保持較高的精度。

4 結束語

提出了一種基于LabVIEW的功耗測量系統(tǒng)，主要由電流傳感器、100：1電壓差分探頭、采集卡、PC以及PC上的測量系統(tǒng)軟件組成。該系統(tǒng)充分利用了計算機高速計算以及采集卡高速高精確度采樣的特點，使得測量系統(tǒng)可以準確快速的測量不同頻帶的PLC模塊功耗。通過比較不同的功耗測量儀器，對不同的PLC模塊進行測量，結果表明本系統(tǒng)測量精確度更高，適應能力更強。

由于本系統(tǒng)在數(shù)據(jù)處理、分析、儲存以及人機交互等方面具有的技術優(yōu)勢，特別是該系統(tǒng)可以通過硬件來調(diào)整測量范圍，并可以通過軟件自由調(diào)節(jié)精確度以及零偏值，為PLC模塊功耗的精確測量提供了一種新的方法，可以廣泛運用到各類PLC模塊的功耗測量中。