基于虛擬儀器的多功能電能質(zhì)量標(biāo)定儀研究

摘 要：提出一種基于虛擬儀器技術(shù)的多功能電能質(zhì)量標(biāo)定儀的設(shè)計(jì)方案，采用虛擬儀器編程技術(shù)和電力電子技術(shù)相結(jié)合實(shí)現(xiàn)集目前電能質(zhì)量領(lǐng)域的多樣信號(hào)于一體。介紹采用FPGA實(shí)現(xiàn)高速數(shù)字量采集、D/A轉(zhuǎn)換及4通道模擬量輸出、非對(duì)稱(chēng)同步控制FIFO等的集成信號(hào)發(fā)生單元，闡述利用VC編程實(shí)現(xiàn)的電力系統(tǒng)多樣信號(hào)的產(chǎn)生流程，分析信號(hào)放大單元的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。實(shí)驗(yàn)測(cè)試結(jié)果表明該標(biāo)定儀達(dá)到目前先進(jìn)的高精度等級(jí)，由于其準(zhǔn)確性和多功能性將加快電能質(zhì)量標(biāo)定的步伐。

關(guān)鍵詞：虛擬儀器；FPGA；信號(hào)發(fā)生器；VC++6.0

中圖分類(lèi)號(hào)：TP217 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1004373X(2008)1819104

Study on Multifunction Electric Power Quality Gauged Instrument Based on Virtual Instrument

ZHA Zhimin1，HAO Lingling2，Li Lingdong1，GE Lusheng2，DAI Dongming1

(1.Shanghai ISSON Power Quality Co.Ltd.，Shanghai，201901，China;2.Anhui University of Technology，Maanshan，243002，China)

Abstract：A kind of design project of multifunction electric power quality gauged instrument based on virtual instrument is put forward in this article.This system integrates virtual instrument programming and power electronics together，to realize diverse signals of current electric power quality field allin one.The integrated signal generator unit which carries out the collection of high speed digital data，D/ A conversion and analog output in four channels，unsymmetrical synchro control FIFO etc.by FPGA are introduced，the flow of electric power system various signal which generates by VC programming is elaborated，and the structural design of signal amplification unit is analysed.The experiment text result shows that this gauged instrument has attained current advanced high grade of accuracy and it will accelerate the steps of electric power quality calibration because of its accuracy and versatility.

Keywords：virtual instrument;FPGA;signal generator;VC++6.0

虛擬儀器技術(shù)是20世紀(jì)80年代逐步發(fā)展起來(lái)的一種基于計(jì)算機(jī)的實(shí)時(shí)控制技術(shù)，其實(shí)質(zhì)是利用最新的計(jì)算機(jī)技術(shù)實(shí)現(xiàn)和擴(kuò)展傳統(tǒng)儀器的功能。它使現(xiàn)代測(cè)試儀器不但具有傳統(tǒng)儀器、儀表的全部功能，同時(shí)還擁有計(jì)算機(jī)技術(shù)的全部?jī)?yōu)勢(shì)如:大量測(cè)試數(shù)據(jù)與圖像的存儲(chǔ)、處理、顯示及網(wǎng)上傳送等。虛擬儀器的出現(xiàn)是儀器發(fā)展史上的一場(chǎng)革命，代表著儀器發(fā)展的最新方向和潮流^［1，2］。

隨著電力工業(yè)的結(jié)構(gòu)調(diào)整和全球電力交易的快速增長(zhǎng)，非線性及沖擊性負(fù)荷的不斷增加，一些不希望出現(xiàn)的現(xiàn)象，如諧波失真、噪音、閃變、凹陷等在目前的電網(wǎng)中普遍存在，目前的測(cè)量技術(shù)由于缺乏高效準(zhǔn)確的標(biāo)準(zhǔn)來(lái)校準(zhǔn)電能測(cè)量?jī)x器而受到阻礙。人們對(duì)電力系統(tǒng)中電信號(hào)畸變的研究和治理非常重視，這就迫切需要具有精密、準(zhǔn)確、溯源性且可設(shè)定擾動(dòng)的電能質(zhì)量標(biāo)定儀。

1 硬件設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)的硬件電路主要集中在基于PCI總線采用FPGA實(shí)現(xiàn)的集成信號(hào)發(fā)生單元和利用選擇閉環(huán)反饋數(shù)字量控制的終端輸出信號(hào)放大單元。

局部總線PCI（Peripheral Component Interconnect）信號(hào)適用性很強(qiáng)，線性猝發(fā)、成組數(shù)據(jù)傳輸是PCI總線的基本傳輸機(jī)制，一次猝發(fā)傳輸通常由一個(gè)地址周期和一個(gè)或多個(gè)數(shù)據(jù)周期組成，它解決了總線的速度問(wèn)題，PCI接口芯片方便地實(shí)現(xiàn)了和計(jì)算機(jī)互聯(lián)即插即用，為虛擬儀器系統(tǒng)的設(shè)計(jì)奠定了基礎(chǔ)。FPGA的I/O端口多，且可自由編程支配，其硬件速度是ns級(jí)的，這是當(dāng)前任何都難以達(dá)到的速度，因此本系統(tǒng)比其他系統(tǒng)更能實(shí)時(shí)、快速地采集數(shù)字量變化，在可設(shè)定擾動(dòng)狀態(tài)量特別多的信號(hào)發(fā)生單元中，本系統(tǒng)將更能發(fā)揮出自身的優(yōu)勢(shì)。集成信號(hào)發(fā)生單元主要包括：FPGA、D/A轉(zhuǎn)換、FIFO寄存器、光耦隔離驅(qū)動(dòng)電路、時(shí)鐘、電源、EPROM、運(yùn)放、濾波等，結(jié)構(gòu)框圖圖1所示。

系統(tǒng)中的FPGA選用Quick Logic公司的0351CA-QL5030，該芯片嵌入32位PCI總線，同步工作頻率可達(dá)33 MHz，最高傳輸速率為132 MB/s；24 k邏輯門(mén)，I/O端口供電電壓為3.3 V，可以承受5 V的輸入高電平。FPGA內(nèi)部資源劃分為4部分：

(1) FPGA邏輯運(yùn)算中心。接收來(lái)自數(shù)字量的各種信息，按設(shè)定的模式對(duì)其進(jìn)行判斷處理，并負(fù)責(zé)按接收的軟件指令輸出相應(yīng)的數(shù)字量，通過(guò)繼電器觸發(fā)信號(hào)放大單元的檔位選擇。

圖1 基于FPGA技術(shù)的信號(hào)發(fā)生單元框圖(2) D/A控制單元。主要負(fù)責(zé)控制外部D/A芯片和D/A通道的選通，以及實(shí)現(xiàn)對(duì)D/A轉(zhuǎn)換過(guò)程的合理控制。

(3) 數(shù)字量監(jiān)測(cè)控制單元。負(fù)責(zé)所有要監(jiān)視和控制數(shù)字量的狀態(tài)數(shù)據(jù)的采集和控制命令的輸出。

(4) 支持PCI2.2協(xié)議的PCI接口邏輯控制單元。PCI提供的數(shù)據(jù)和地址校驗(yàn)功能保證數(shù)據(jù)的完整性和準(zhǔn)確性。

D/A轉(zhuǎn)換電路部分的D/A芯片是D41Y 3CZ720 W，16 b D/A分辨率、D/A建立時(shí)間10 μs(0.005%精度)，4路模擬量輸出通道分別實(shí)現(xiàn)電壓交流信號(hào)、電壓增益、電流交流信號(hào)、電流增益輸出，帶16 kB的FIFO存儲(chǔ)器IDT7206，寬度為16 b保證數(shù)據(jù)的完整性實(shí)現(xiàn)波形連續(xù)輸出。

利用軟件實(shí)現(xiàn)波形任意編程，經(jīng)D/A信號(hào)發(fā)生單元產(chǎn)生，再經(jīng)信號(hào)放大單元放大，再現(xiàn)電力系統(tǒng)中各種標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)及擾動(dòng)信號(hào)^［35］。信號(hào)放大單元采用基本信號(hào)選擇閉環(huán)比較反饋數(shù)字控制技術(shù)，將反饋信號(hào)和直流基準(zhǔn)信號(hào)進(jìn)行比較以穩(wěn)定輸入，輸出信號(hào)檔位可調(diào)，電壓分15 V，75 V，150 V，300 V四檔，電流也分4檔：1 A，2.5 A，5 A，10 A。放大單元的結(jié)構(gòu)框圖如圖2所示。

圖2 放大單元結(jié)構(gòu)框圖D/A交流信號(hào)放大倍數(shù)由增益控制可調(diào)，基本波形輸出信號(hào)經(jīng)采樣送入AD637 RMSDC轉(zhuǎn)換器，輸出直流信號(hào)與D/A輸出增益進(jìn)行比較，經(jīng)比較電路輸出并放大送入AD633模擬乘法器從而達(dá)到穩(wěn)定輸入的目的，閃變及暫態(tài)信號(hào)則直接輸入以保證快速響應(yīng)及準(zhǔn)確性。

2 軟件設(shè)計(jì)

虛擬儀器的硬件僅是為了解決信號(hào)的輸入/輸出，軟件是其最核心、最關(guān)鍵的部分，其主要功能是對(duì)硬件執(zhí)行通信和控制，對(duì)信號(hào)進(jìn)行分析和處理，以及對(duì)結(jié)果進(jìn)行恰當(dāng)?shù)谋磉_(dá)和輸出等。

2.1 半滿(mǎn)查詢(xún)方式實(shí)現(xiàn)波形連續(xù)輸出

由于連續(xù)波形輸出采用FIFO的半滿(mǎn)信號(hào)作為同步信號(hào)，以同步往FIFO寫(xiě)入連續(xù)的波形數(shù)據(jù)，因此需處理好正弦波每周期點(diǎn)數(shù)與FIFO全滿(mǎn)長(zhǎng)度及半滿(mǎn)長(zhǎng)度的關(guān)系，處理得好，即可實(shí)現(xiàn)任意頻率的正弦波，并保證高精度及可靠性。D/A帶16 k深度的FIFO存儲(chǔ)器，利用半滿(mǎn)查詢(xún)方式D/A輸出即可實(shí)現(xiàn)波形連續(xù)輸出，具體執(zhí)行流程如圖3所示。

圖3 半滿(mǎn)查詢(xún)方式DA波形連續(xù)輸出流程圖圖3中的虛線表示對(duì)稱(chēng)關(guān)系，如左側(cè)虛線表示CreateDevice和ReleaseDevice兩個(gè)函數(shù)的關(guān)系是最初執(zhí)行1次CreateDevice，在結(jié)束時(shí)需執(zhí)行1次ReleaseDevice。

2.2 軟件系統(tǒng)設(shè)計(jì)

為了提高數(shù)據(jù)吞吐率以實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)處理（如隨時(shí)讀取、隨時(shí)暫停設(shè)備、隨時(shí)開(kāi)始傳輸、隨時(shí)存盤(pán)、隨時(shí)顯示波形、隨時(shí)設(shè)備控制輸出等功能），采用一種最新最靈活的設(shè)計(jì)思想，即數(shù)據(jù)采集傳輸和數(shù)據(jù)處理獨(dú)立。即用設(shè)備對(duì)象在Windows系統(tǒng)空間管理一個(gè)一級(jí)強(qiáng)制性緩沖隊(duì)列，該隊(duì)列采用先進(jìn)先出和動(dòng)態(tài)鏈表等技術(shù)來(lái)管理這個(gè)Buffer，設(shè)備對(duì)象在后臺(tái)負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)采集和傳輸并發(fā)送相應(yīng)的通知消息，在消息沒(méi)有到來(lái)時(shí)不必花任何CPU時(shí)間去輪詢(xún)等待，正好可以利用這段空閑時(shí)間處理更多的任務(wù)，輕松的實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)采集和數(shù)據(jù)處理的同步并發(fā)進(jìn)行。本系統(tǒng)軟件的主要功能是對(duì)集成D/A信號(hào)發(fā)生單元和放大單元的硬件部分進(jìn)行控制，快速數(shù)據(jù)產(chǎn)生和處理以及友好的人機(jī)交互界面。系統(tǒng)軟件總體結(jié)構(gòu)如圖4所示。

圖4 系統(tǒng)軟件總體結(jié)構(gòu)圖系統(tǒng)軟件中硬件控制模塊完成數(shù)據(jù)傳輸及對(duì)硬件各單元的控制；界面模塊完成友好的人機(jī)交互設(shè)置。系統(tǒng)軟件中數(shù)據(jù)產(chǎn)生及處理主要包括6個(gè)功能模塊：

(1) 基本波形模塊：產(chǎn)生基本函數(shù)波形（正弦波、三角波、方波），電壓（0～300 V）、電流（0～10 A）信號(hào)參數(shù)可在系統(tǒng)允許范圍內(nèi)任意設(shè)置。

(2) 疊加諧波模塊：電力系統(tǒng)中的疊加了諧波的真實(shí)電能信號(hào)都可以通過(guò)設(shè)定產(chǎn)生，三相電壓、電流不僅可以逐一進(jìn)行2～100次單次諧波的任意組合疊加，為便于設(shè)置，軟件設(shè)計(jì)中還做好奇次諧波、偶次諧波及整數(shù)次連續(xù)諧波疊加組合。

(3) 閃變功能模塊：正弦波和方波調(diào)制信號(hào)的產(chǎn)生，可以在調(diào)制界面中設(shè)置基波幅值、調(diào)幅比、方波頻率各項(xiàng)。

(4) 電壓凹陷模塊：可選擇單次和循環(huán)模式產(chǎn)生，上升、下降沿，持續(xù)時(shí)間及變化幅度可設(shè)定的暫態(tài)電壓信號(hào)。

(5) 標(biāo)定分析模塊：對(duì)產(chǎn)生的波形信號(hào)進(jìn)行分析，基本信號(hào)標(biāo)定其幅值、相位、頻率、三相不平衡度；諧波信號(hào)還標(biāo)定其總諧波畸變率、各次諧波的疊加統(tǒng)計(jì)；閃變信號(hào)標(biāo)定其基波幅值、方波頻率、調(diào)幅比和Pst值；電壓凹陷信號(hào)標(biāo)定其起始時(shí)間、持續(xù)時(shí)間、上升下降沿時(shí)間和暫降幅值范圍。

(6) 修正模塊：通過(guò)軟件計(jì)算產(chǎn)生的波形信號(hào)非常精確，但信號(hào)傳輸至放大單元進(jìn)行放大后不可避免地造成信號(hào)的部分失真，要達(dá)到高精度，高穩(wěn)定性的要求，經(jīng)過(guò)大量的實(shí)驗(yàn)測(cè)試獲得失真系數(shù)，設(shè)置修正系數(shù)通道，將輸出至放大單元的信號(hào)進(jìn)行預(yù)失真補(bǔ)償。

為了可以同時(shí)實(shí)現(xiàn)A，B，C三相電壓、電流信號(hào)的產(chǎn)生及處理功能，在程序設(shè)計(jì)上開(kāi)辟了3個(gè)線程^［6］，線程1，2，3相互獨(dú)立且可同步的完成A，B，C三相電壓、電流的D/A采集轉(zhuǎn)換，信號(hào)產(chǎn)生及分析處理功能。

2.3 標(biāo)定分析理論依據(jù)

對(duì)三相不平衡度的分析計(jì)算通過(guò)對(duì)稱(chēng)分量法進(jìn)行，根據(jù)正序相量三角形和負(fù)序相量三角形分別分解出正序分量A1和負(fù)序分量A2之后，依據(jù)如下簡(jiǎn)化算式求得三相不平衡度ε：

ε = A2 A1 ×100%= 1-3-6L1 + 3-6L×100 %(1)

其中L=(A4+B4+C4)/(A2+B2+C2)2 （A，B，C分別為三相電壓、電流的幅值）

電壓總諧波畸變率及各次諧波含有率依據(jù)公用電網(wǎng)諧波標(biāo)準(zhǔn)分析如下：

諧波電壓含量：UH=∑∞i=2(Uh(huán))2(2)其中Uh(huán)為第h次諧波電壓（方均根值 ）。

電壓總諧波畸變率：THDu=UHU1×100%(3)其中U1為基波電壓（方均根值）。

第h次諧波電壓含有率：HRUh(huán)=Uh(huán)U1×100%(4)同理計(jì)算電流總諧波畸變率及各次諧波含有率。

對(duì)于波動(dòng)性負(fù)荷運(yùn)行所引起的電壓波動(dòng)，不僅要檢查它的最大電壓波動(dòng)，還要在足夠長(zhǎng)時(shí)間(一般取10 min)內(nèi)觀察電壓波動(dòng)的統(tǒng)計(jì)特征值。用5個(gè)規(guī)定值(gauge points)或稱(chēng)百分值(percentiles)計(jì)算短時(shí)間閃變的統(tǒng)計(jì)值Pst。計(jì)算短時(shí)閃變值Pst的算式為：Pst=K1P0.1+K2P1+K3P3+K4P10+K5P50(5)

其中P0.1，P1，P3，P10，P50這5個(gè)規(guī)定點(diǎn)分別為10 min內(nèi)瞬時(shí)閃變視感度S(t)超過(guò)0.1%，1%，3%，10%和50%時(shí)間的覺(jué)察單位值。應(yīng)當(dāng)指出，式（5）中規(guī)定值的加權(quán)系數(shù)是根據(jù)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)來(lái)確定的K1=0.031 4，K2=0.052 5，K3=0.065 7，K4=0.28，K5=0.08。

所以計(jì)算短時(shí)閃變Pst的算式為：Pst=0.031 4P0.1+0.052 5P1+0.065 7P3+0.28P10+0.08P50(6)

電能質(zhì)量標(biāo)定系統(tǒng)就是依據(jù)電能質(zhì)量國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)的各項(xiàng)限值規(guī)定和分析算法，通過(guò)軟件實(shí)現(xiàn)對(duì)電能質(zhì)量各技術(shù)指標(biāo)的統(tǒng)一標(biāo)定^［7］。

3 電能質(zhì)量標(biāo)定系統(tǒng)測(cè)試結(jié)果

在實(shí)驗(yàn)測(cè)試中使用的儀器設(shè)備有本項(xiàng)目研究的電能質(zhì)量標(biāo)定系統(tǒng)和作為標(biāo)準(zhǔn)表的具有計(jì)量標(biāo)準(zhǔn)量值溯源的電能質(zhì)量分析儀兩部分。選用1臺(tái)8位半的數(shù)字萬(wàn)用表及高精度示波器，對(duì)項(xiàng)目研究的電能質(zhì)量標(biāo)定系統(tǒng)的各項(xiàng)技術(shù)指標(biāo)（交流電壓、電流有效值、相位、頻率、諧波含有率和閃變）逐一進(jìn)行測(cè)量，以獲得自身的各項(xiàng)誤差。經(jīng)過(guò)大量的實(shí)驗(yàn)，該電能質(zhì)量標(biāo)定系統(tǒng)產(chǎn)生的信號(hào)通過(guò)高精度示波器測(cè)量得到非常良好的結(jié)果。例如輸出電壓幅值為220 V，電流幅值為5 A，基波頻率為工頻50 Hz的信號(hào)，在輸出面板上得到的任意波形輸出失真很小，波形質(zhì)量很好，如圖5所示波形。

圖5 測(cè)試結(jié)果實(shí)驗(yàn)中對(duì)閃變的各項(xiàng)指標(biāo)依據(jù)IEC閃變儀測(cè)試功能和評(píng)價(jià)技術(shù)規(guī)范^［8］，采用標(biāo)稱(chēng)值為220 V的電壓變化頻度7的方波波動(dòng)電壓信號(hào)進(jìn)行測(cè)試，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明電壓波動(dòng)在0.05%左右，電流波動(dòng)在0.1%左右，頻率分辨率為0.001 Hz，相位分辨率為0.1°。對(duì)2～100次的電壓電流諧波的輸出準(zhǔn)確度及最大偏差進(jìn)行多次測(cè)試和分析，得出諧波技術(shù)指標(biāo)如表1所示：

表1 諧波技術(shù)指標(biāo)

諧波含有率/%諧波電壓最大偏差諧波電流最大偏差30<0.1%Uh(huán)<0.1%Ih(huán)15≤0.1%Uh(huán)<0.2%Ih(huán)8<0.1%Uh(huán)<0.2%Ih(huán)3<0.2%Uh(huán)≤0.5%Ih(huán)1<0.5%Uh(huán)≤1.5%Ih(huán)

注：表中Uh(huán)，Ih(huán)分別為諧波電壓和諧波電流。

4 結(jié) 語(yǔ)

大量的測(cè)試試驗(yàn)結(jié)果表明，該系統(tǒng)具有操作方便、運(yùn)行穩(wěn)定、技術(shù)手段先進(jìn)、功能完備、自動(dòng)化程度高等眾多優(yōu)點(diǎn)。該系統(tǒng)的推廣和使用將改變傳統(tǒng)的校準(zhǔn)方式準(zhǔn)確度不足，且完全依賴(lài)于純正弦波信號(hào)而不能反映實(shí)際電能特性的問(wèn)題，是多相、高準(zhǔn)確度、可信賴(lài)的功率信號(hào)和電能擾動(dòng)標(biāo)準(zhǔn)源，是保證電力測(cè)量?jī)x器準(zhǔn)確度和溯源性的完整系統(tǒng)。

參 考 文 獻(xiàn)

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作者簡(jiǎn)介 査志民 男，1976年出生，安徽黃山人，2000年畢業(yè)于安徽大學(xué)工業(yè)自動(dòng)化，工程師。主要從事電力系統(tǒng)自動(dòng)化，電能質(zhì)量測(cè)試、分析與控制研究工作。

郝玲玲 女，1982年出生，河北滄州人，2006年畢業(yè)于安徽工業(yè)大學(xué)，現(xiàn)在安徽工業(yè)大學(xué)，碩士。主要研究方向?yàn)殡娔苜|(zhì)量監(jiān)測(cè)與治理。

李令冬 男，1942年出生，安徽人，教授級(jí)高級(jí)工程師，碩士生導(dǎo)師。主要從事電力系統(tǒng)自動(dòng)化、電能質(zhì)量測(cè)試、分析與控制研究工作。

葛蘆生 男，1962年出生，安徽潛山人，博士，教授，碩士生導(dǎo)師。主要研究方向?yàn)楝F(xiàn)代測(cè)控技術(shù)、電能質(zhì)量監(jiān)測(cè)與治理，控制理論與控制工程，計(jì)算機(jī)視覺(jué)測(cè)量技術(shù)，信息融合與故障診斷。

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