基于LabVIEW的直流電能表檢驗裝置設計

劉 崢，張維戈，李景新

（北京交通大學 電氣工程學院，北京 100044）

現如今，直流電能表應用范圍迅速擴大，不僅包括無軌電車、有軌電車、地鐵車輛、電動汽車和光伏發電等領域的直流能量計量，而且適用于工礦企業、民用建筑、樓宇自動化等現代供配直流電系統。換言之，隨著直流電能表應用領域的不斷擴大，對于它準確計量的需求也在日益提高，但經過在國內外查找搜尋，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，這里設計一種直流電能表檢驗裝置。

LabVIEW是一種虛擬儀器開發平臺軟件，使用圖形化編程語言編程，簡單直觀，極大地節省程序開發時間，功能強大、靈活，可以廣泛應用于自動測量系統、工業過程自動化和實驗室仿真等領域。基于LabVIEW軟件開發的直流電能表檢驗裝置界面友好，直觀，依據實物模型設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，調試方便，通用性較強[1]。

1 直流電能表檢驗裝置的設計與實現

PC機根據設定的檢驗條件（包括檢驗時間、電壓和電流的參比值等參數）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設信號，由檢驗裝置和受檢電能表同時開始計量。檢驗過程中，PC機采集相應的電壓和電流信號值，并利用積分法計算電能量，結果作為能量計量基準。用戶界面顯示電能基準值，同時根據設定的通信方式獲取并顯示受檢電能表計量結果，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節。PC機利用控制模塊上多通道模擬信號輸出功能，將設定的電源目標輸出值分別轉換成對應的模擬控制信號，與電壓源和電流源的模擬控制接口的信號相連，從而實現了PC機對兩個電源的遠程控制。設計的系統整體結構如圖1所示。

2 基準電能計量原理

直流電能表檢驗裝置中基準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工作環境的特點：

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

圖1 系統整體結構圖Fig.1 Overall structure diagram of system

2）網壓波動范圍大 部分直流供電網電壓波動幅度達到甚至超過±20%；

3）網壓的大量高次諧波成分 不僅網壓本身為脈動性質，同時某些用電設備也會在線網上產生大量的諧波。

綜上所述，基準電能計量采用積分法進行計算，即某段時間之內（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 t時刻的工作電壓（V）和電流（A），W 為 t1～t2時間段內消耗的電能量（kWh）。將各個時間段內的消耗能量累加即可得到總的耗能數值。

3 硬件設計

圖1給出了該直流電能表檢驗方法及裝置的系統整體結構圖。組成系統的各部分設備及作用如下：

1）恒壓源 根據受檢直流電能表工作電壓范圍選取，提供可調的直流工作電壓；

2）恒流源 根據受檢直流電能表工作電流范圍選取，提供可調的直流負載電流；

3）電壓傳感器 測量直流電壓，輸出的隔離電信號送入數據采集模塊，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據采集模塊，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）數據采集模塊 將電壓傳感器和電流傳感器的輸出模擬信號轉換為數字信號供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 根據設計要求精度定制，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轉換器等；

8）PC機 自動生成檢驗報告；圖形化顯示測量結果；儲存測量結果，建立數據庫；若配備打印機，可打印檢驗結果等。

4 軟件設計

4.1 前面板設計

前面板是圖形化的人機界面，用于顯示測量結果和處理數據。用戶可根據需要通過前面板上的開關、按鈕和旋鈕對程序代碼及參數實現實時改變，使得測量數據的顯示達到最佳狀態。設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 數據采集模塊

該直流電能表檢驗裝置選用PCI-1716L數據采集卡。PCI-1716L是一款功能強大的高分辨率多功能PCI數據采集卡，帶有1個250 K/s，16位A/D轉換器，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轉換輸出通道和16位數字量輸入/輸出通道。根據香農采樣定理，為保證計算的準確性，在本次設計中，數據采集卡的采樣頻率設置為每個通道100 K/s[3]。

需要特別說明的一點，為了減輕CPU負擔，該直流電能表檢驗裝置采用DMA（Direct Memory Access）模式直接從內存存取數據[4]。在DMA模式下，CPU只須向DMA控制器下達指令，讓其處理數據傳輸。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，大大節省系統資源。另外，DMA模式傳輸優先級高于程序中斷，二者的區別主要表現在對CPU的占用程度不同。中斷請求不但使CPU停下來，而且要求CPU執行中斷服務程序，這其中包括對斷點和現場的處理以及CPU與外設的傳送，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，不需要對斷點和現場的處理，由它控制外設與主存之間完成數據傳輸，無需CPU干預，只占用一點CPU時間。還有一點區別，CPU對這兩種請求的響應時間不同，對中斷請求一般都在執行完一條指令的時鐘周期末尾響應；而對于DMA請求，考慮到它的高效性，CPU在每條指令執行的各個階段之中都可以讓給DMA使用，稱為立即響應。設計的直流電能表檢驗裝置采用DMA方式的數據采集程序如圖3所示，其中左下角程序利用While循環生成一個定時器用來計時。

圖3 采用DMA方式的數據采集程序圖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）函數庫是專門為ZLGCAN設備在PC上使用而提供的應用程序接口。庫里的函數從ControlCAN.dll中導出，在LabVIEW中可以直接調用這些庫函數而無需額外的操作。VCI函數具體的使用流程為：VCI_OpenDevice→VCI_InitCAN→VCI_StartCAN→VCI_CloseCAN。另外，當設備需要發送或者接收數據時，應分別調用VCI_Transmit和VCI_Receive兩個庫函數[6]。設計的直流電能表檢驗裝置CAN通信模塊卡初始化程序和發送接收程序如圖4和圖5所示。

5 主要結論及改進方案

該直流電能表檢驗裝置現應用于北京電保廠現場，并且已經向國家專利局申請發明專利。

經實驗證明，此檢驗裝置系統完全達到預期指標和要求，主要體現在以下幾點：

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

2）系統達到穩定要求。本檢驗裝置對實驗中出現的不穩定因素采取了相應改進方案：硬件方面，通過接地、獨立供電等措施抑制系統干擾；軟件方面，通過在通信協議中使用冗余糾錯、判錯重發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 分別調用VCI_Transmit和VCI_Receive的發送和接收程序圖Fig.5 Transmit and receive program diagram called VCI_Transmit and VCI_Receive respectively

3）實現功能強大的要求。用戶可根據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據的多種處理，包括匯總、統計、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1臺PC機控制多臺待檢直流電能表設備，實現PC機遠程控制，同時研究在網絡上控制電能表檢驗裝置的方案。

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