電能質(zhì)量在線校準系統(tǒng)設(shè)計

張 靜，周興廣，劉 芳，王 萌

(北京強度環(huán)境研究所，北京 100076)

0 引言

現(xiàn)代工業(yè)飛展迅猛，隨之而來的電力系統(tǒng)的非線性沖擊負荷也大量涌入，引發(fā)了諸如諧波失真、噪音、閃變等問題，電能質(zhì)量問題逐漸引起廣泛關(guān)注。為了有效監(jiān)測和分析電網(wǎng)運行參數(shù)，改善電網(wǎng)的電能質(zhì)量，保證供電系統(tǒng)安全和電網(wǎng)穩(wěn)定運行，各種類型的電能質(zhì)量分析儀被廣泛投入使用。根據(jù)國家的儀器使用規(guī)范，電能質(zhì)量分析儀的校準是保證電能質(zhì)量分析儀測量結(jié)果準確可靠的前提[1-2]。

目前，我國絕大多數(shù)的電能質(zhì)量分析儀計量檢定機構(gòu)仍舊采用傳統(tǒng)校準方式，因為自動化程度低，計量人員需要手工操作標準源，記錄被校準設(shè)備的數(shù)據(jù)，工作量大，耗時長，有時難免出現(xiàn)人為操作的誤差和錯誤，特別是如Fluke1760等設(shè)備還需要保存數(shù)據(jù)后再導(dǎo)出數(shù)據(jù)、分析結(jié)果，不但繁瑣，而且還給校準工作帶來不必要的麻煩。因此，研究電能質(zhì)量分析儀自動校準技術(shù)，設(shè)計與研發(fā)一種低成本、多功能、自動化程度高和性能好的校準系統(tǒng)，具有積極的社會意義和廣闊的市場前景[3-5]。

針對現(xiàn)有校準工作中存在的問題，設(shè)計了電能質(zhì)量在線自動校準系統(tǒng)，只需要用戶對所需要校準的項目、校準點數(shù)及具體參數(shù)進行設(shè)置，點擊開始校準，系統(tǒng)自動完成對標準源的設(shè)置輸出、待電能質(zhì)量分析儀輸出穩(wěn)定后采集數(shù)據(jù)，電能質(zhì)量分析儀的校準數(shù)據(jù)的在線顯示、自動完成合格與否的判定，待校準結(jié)束后，可一鍵生成校準報告。大大減少由于人工操作所帶來的誤差，提高校準的準確性和效率，在電能質(zhì)量計量領(lǐng)域有著重要的應(yīng)用價值。

1 系統(tǒng)構(gòu)成及原理

自動校準系統(tǒng)的組成包括：標準源，被校準設(shè)備和計算機。如圖1所示，上位機計算機，是系統(tǒng)的指揮控制中心。在線自動校準系統(tǒng)軟件負責輸入校準項目和校準點信息，軟件自動控制標準源發(fā)送校準信號，待被校準設(shè)備的輸出數(shù)據(jù)穩(wěn)定后自動采集，自動顯示校準結(jié)果。待完成校準過程，一鍵生成校準報告。計算機和標準源Fluke6100B之間通過NI USB轉(zhuǎn)GPIB連接，被校準設(shè)備因為涉及型號較多，要根據(jù)不同型號確定連接方式(網(wǎng)口和串口通訊)等。

圖1 校準系統(tǒng)構(gòu)成

當標準源和被校準設(shè)備線纜連接完畢后，可按照圖2所示的軟件流程進行校準。打開軟件后，按照校準規(guī)范的要求，輸入被校準設(shè)備的信息，設(shè)置校準源和被校準設(shè)備的地址信息，進行連接，如果設(shè)備連接不成功，則檢查設(shè)備地址信息設(shè)置是否正確或線纜連接是否完好，再次進行連接，如果連接成功，則讓標準源輸出2 V電壓進行自檢。自檢完成后，按照校準項目和校準點進行參數(shù)設(shè)置，設(shè)置完成后，點擊校準按鈕后，按照校準設(shè)置控制標準源輸出，待校準設(shè)備信號輸出穩(wěn)定后采集校準值，接下來判斷是否為最后一個校準點，如果不是，繼續(xù)標準信號源輸出，采集被校準設(shè)備校準值，直到最后一個校準點結(jié)束校準過程。校準過程可在界面實時顯示。校準完成后，可一鍵生成校準報告。

圖2 自動校準軟件流程圖

2 軟件實現(xiàn)

LabVIEW是NI公司推出的一種基于圖形化的編程語言，其界面簡潔，功能強大，在自動測試測量領(lǐng)域應(yīng)用廣泛。借助虛擬儀器軟件體系(virtual instruments software architecture，VISA)組件中的儀器編程標準I/O API，可控制GPIB、串口、USB、以太網(wǎng)等接口儀器，并根據(jù)使用儀器的類型調(diào)用相應(yīng)的驅(qū)動程序。而且目前大多數(shù)主流的測試儀器和數(shù)據(jù)采集設(shè)備都有專門的LabVIEW驅(qū)動程序，相對于其他編程語言來說LabVIEW控制這些設(shè)備更加便捷[6-8]。根據(jù)實際情況，本系統(tǒng)被校準的設(shè)備，如Fluke1760，F(xiàn)luke Noma 4000/5000，橫河210、230和1 600/1 800系列設(shè)備廠家都提供了LabVIEW驅(qū)動程序庫。充分考慮后，采用LabVIEW2012平臺進行軟件的開發(fā)。

考慮到需要校準的質(zhì)量分析儀廠家和型號較多，而且技術(shù)日新月異，會不斷有新的廠家和新型號的電能質(zhì)量分析儀產(chǎn)品研發(fā)出來，需要進行校準，所以程序在與被校準設(shè)備交互方面采用了可編程儀器標準命令(standard commands for programmable instruments SCPI：ASCII碼命令字符串的標準)于儀器編程[9-11]。SCPI命令的縱向兼容、橫向兼容和功能兼容特性，使得可以采用相同的命令和參數(shù)來控制具有相同功能的儀器，提高了校準程序的擴展性。

2.1 軟件結(jié)構(gòu)設(shè)計

電能質(zhì)量在線校準軟件主要包括儀器信息錄入、自檢，校準配置、校準和校準報告生成等部分，操作人員設(shè)置好校準項目和校準參數(shù)后，可由軟件自動完成校準過程，用戶也可以實時地對校準數(shù)據(jù)進行監(jiān)控和存儲。軟件主界面如圖3所示。

圖3 電能質(zhì)量在線校準主界面

1)儀器信息錄入:儀器信息錄入部分主要完成被校準儀器的基本信息設(shè)置，儀器類型包括Fluke1760、Fluke Noma 4000/5000、WT 200系列，WT1600系列和WT1800系列。

2)自檢:設(shè)置校準源和被校準設(shè)備的IP地址，連接設(shè)備，連接成功后，進行自檢，檢查被校準設(shè)備及校準源的連接是否正確，校準源輸出和被校準設(shè)備的采集是否正常。

3)校準配置:校準配置界面主要完成被校準設(shè)備需要校準項目及各個校準項目的校準參數(shù)的設(shè)置?？牲c擊全選按鈕，勾選所有校準項目，包括直流電壓、直流電流、交流電壓、交流電流、交流功率、諧波電壓、諧波電流、頻率、電能和閃變，如部分勾選，則可選擇所需的校準項目，當前設(shè)置的模板自動保存。

4)校準:點擊校準按鈕，按照校準設(shè)置逐點完成被校準設(shè)備所有項目的校準。

5)校準報告生成:校準報告生成，主要是完成被校準設(shè)備所有項目下校準點的校準報告生成，方便用戶。

2.2 關(guān)鍵技術(shù)及實現(xiàn)

2.2.1 狀態(tài)機架構(gòu)

程序中所用的狀態(tài)機架構(gòu)是一套功能強大的開發(fā)架構(gòu)，具有如下優(yōu)點：

1)采用多線程技術(shù)將程序分成多個線程并行運行，合理利用系統(tǒng)資源，結(jié)構(gòu)清晰明確，便于功能擴展。

2)降低不同功能代碼之間的耦合度，高度模塊化，便于代碼的閱讀與維護。

3)保證系統(tǒng)的可擴展性、可重用性及維護性等。

4)當現(xiàn)場或用戶需求發(fā)生變化時，能方便地完成軟件的更新和升級。

5)每一個功能都在獨立分支完成，對于開發(fā)人員不需要花費太多時間就能很好地完成一個復(fù)雜的功能。

在LabVIEW中，狀態(tài)機結(jié)構(gòu)使得程序中多個事件彼此之間的邏輯關(guān)系更加的清晰明了，事件之間的處理更加簡單?；緺顟B(tài)機是由while循環(huán)+case結(jié)構(gòu)構(gòu)成的，while循環(huán)保持狀態(tài)機連續(xù)運行；case條件結(jié)構(gòu)對每一個狀態(tài)都配備一個分支進行判斷，控制狀態(tài)機的跳轉(zhuǎn)[11]。另外在一個完整的狀態(tài)機中，一般還會提供初始化狀態(tài)，在初始化狀態(tài)中對程序中的變量等進行初始化工作。本狀態(tài)機在LabVIEW基本狀態(tài)機的基礎(chǔ)上，進行了架構(gòu)的改造和豐富，設(shè)計的LabVIEW狀態(tài)機結(jié)構(gòu)如圖4所示。

圖4 狀態(tài)機架構(gòu)

1)初始化，狀態(tài)機的入口，程序開始后，首先進入Init分支，可以將程序相關(guān)的變量等初始化工作放在本分支完成。

2)當前狀態(tài)，當前程序要跳轉(zhuǎn)的分支。

3)結(jié)束條件，while循環(huán)結(jié)束的條件。

4)增加新事件，可通過5事件輪檢和7外部事件兩種方式增加新的事件。

5)事件輪檢，將輪檢結(jié)果組成一維布爾數(shù)組輸入增加新事件VI，該VI如圖5所示。

圖5 增加新事件代碼

事件輪檢和事件集合除No Action外一一對應(yīng)，增加新事件VI可以將布爾為真的事件分揀出來，增加到新的事件集合中。

6)事件集合，與事件輪檢配合使用，是事件輪檢對應(yīng)的事件分支名稱。

7)外部事件，通過隊列的方式，可以將其他VI的觸發(fā)的事件引入該狀態(tài)機，使得該程序相應(yīng)代碼的執(zhí)行。

8)狀態(tài)集合，狀態(tài)機中所有狀態(tài)分支，可根據(jù)需要增加刪減。

此外，該狀態(tài)機的Start Engine分支，主要實現(xiàn)本程序中多個線程的同時開啟，合理利用系統(tǒng)資源。Close Engine分支關(guān)閉多個線程。在該程序中，數(shù)據(jù)采集、存儲、顯示可分為3個引擎，并行執(zhí)行。外部事件部分也是該狀態(tài)機的特別之處，完美解決了普通狀態(tài)機只能由自身事件和按鈕狀態(tài)觸發(fā)，而無法接收外部觸發(fā)指令的難題。

2.2.2 自動校準

電能質(zhì)量在線校準程序設(shè)計中的一個關(guān)鍵問題就是如何實現(xiàn)多種校準項目下的多個校準點的自動校準工作。這其中包括校準源Fluke 6100B的各種項目的程序設(shè)計及實現(xiàn)，各種校準設(shè)備的校準點數(shù)據(jù)采集以及校準源及被校準設(shè)備之間校準信號發(fā)送后校準設(shè)備校準點采集之間的配合等。自動校準過程的詳細步驟如圖6所示。

圖6 自動校準流程

校準源各種信號的自動設(shè)置，包括直流電壓、直流電流、交流電壓、交流電流、交流功率，諧波電壓、諧波電流、頻率、電能和閃變，其程序界面如圖7所示。

圖7 校準配置

校準配置模塊將本次校準需要進行的校準項目和校準參數(shù)設(shè)置好后，程序負責將設(shè)置好的項目和校準信息按照單點信號源參數(shù)簇{設(shè)備類型，校準設(shè)備，通道數(shù)，校準項目，參數(shù)一，參數(shù)二，參數(shù)三，參數(shù)四，不確定度}進行統(tǒng)一處理，具體信息如表1所示，打包成一維簇數(shù)組，名稱為參數(shù)上傳。

在校準參數(shù)設(shè)置點擊確定后，進入隊列事件分支，將一維簇數(shù)組>參數(shù)上傳的校準信息入隊列，如圖8所示，等待操作人員點擊自動校準時使用。當點擊自動校準后，在狀態(tài)機的事件輪檢中判斷校準信息隊列元素個數(shù)是否大于零，如果有元素則進入Fluke 6100B狀態(tài)分支，根據(jù)本次校準設(shè)置的校準信息將校準信號源Fluke 6100B的信號發(fā)送出去，每次進入圖9所示的程序，按照單點信號源參數(shù)簇>校準項目{直流電壓、直流電流、交流電壓、交流電流、交流功率，諧波電壓、諧波電流、頻率、電能和閃變}，選擇進入相應(yīng)的分支，根據(jù)參數(shù)一、參數(shù)二、參數(shù)三和參數(shù)四和不確定度參數(shù)，如表1所示，完成校準源信號具體參數(shù)的輸出。

圖8 校準信息入隊列

圖9 校準源信號發(fā)送

參數(shù)直流交流/電壓電流諧波頻率電能閃變一電壓值含量頻率值電壓深度二電流值次數(shù)__電流變化次數(shù)三PF值基波__時間基波四頻率頻率__PF值頻率

校準信號發(fā)送成功后，自動進入DAQ數(shù)據(jù)采集分支，采集被校準設(shè)備的數(shù)據(jù)，采集完成后，進行數(shù)據(jù)的顯示和存儲。下一步進入No Action分支，繼續(xù)判斷校準參數(shù)隊列元素個數(shù)，直至校準參數(shù)就隊列元素均完成校準，確定本次自動校準所有項目下的所有點完成。

3 結(jié)果測試

在北京航天計量測試技術(shù)研究所，對電能質(zhì)量在線校準系統(tǒng)進行了比對驗證，被校的電能質(zhì)量分析儀為Fluke公司生產(chǎn)的1760型電能質(zhì)量分析儀，以交流電壓、交流功率、諧波電流、頻率和閃變?yōu)槔式Y(jié)果顯示在表2、表3、表4、表5和表6中。

表2 交流電(f=40 Hz)在線校準結(jié)果

表3 交流功率 (W):Sinewave, f=60 Hz在線校準結(jié)果

表4 諧波電流(f=50 Hz)在線校準結(jié)果

表5 頻率在線校準結(jié)果

表6 閃變，基波=230 V，f=50 Hz在線校準結(jié)果

4 結(jié)束語

為了解決電能質(zhì)量分析儀在傳統(tǒng)校準過程中遇到的校準項目和校準點多、耗時長、操作人員需要全程操作和手工記錄數(shù)據(jù)容易產(chǎn)生人為誤差等問題，本文通過對電能質(zhì)量在線校準系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)的分析與解決方案的提出，實現(xiàn)了電能質(zhì)量分析儀在線自動校準。目前該系統(tǒng)已完成多次校準檢測任務(wù)，與人工校準相比，在線校準系統(tǒng)具備以下優(yōu)勢：

1)操作簡單，界面友好，在人工完成儀器設(shè)備連接后，點擊校準啟動按鈕后，即可實現(xiàn)數(shù)據(jù)自動記錄和報告自動生成，不僅降低了人工成本，而且工作效率大幅度提高；

2)系統(tǒng)采用在線校準數(shù)據(jù)，無需人工干預(yù)即可自動完成數(shù)據(jù)合格與否的判定，避免了由于人工操作所帶來的誤差，大幅提高校準工作的準確性；

3)自動校準系統(tǒng)穩(wěn)定性好，可兼容多種廠家、多種型號電能質(zhì)量分析儀的被校數(shù)據(jù)，具有較高的實用性。