基于LabVIEW的直流电能表检验装置设计

现如今，直流电能表应用范围迅速扩大，不仅包括无轨电车、有轨电车、地铁车辆、电动汽车和光伏发电等领域的直流能量计量，而且适用于工矿企业、民用建筑、楼宇自动化等现代供配直流电系统。换言之，随着直流电能表应用领域的不断扩大，对于它准确计量的需求也在日益提高，但经过在国内外查找搜寻，均无法获得电子式直流电能表的检验装置，因此针对此种情况，这里设计一种直流电能表检验装置。
    LabVIEW是一种虚拟仪器开发平台软件，使用图形化编程语言编程，简单直观，极大地节省程序开发时间，功能强大、灵活，可以广泛应用于自动测量系统、工业过程自动化和实验室仿真等领域。基于LabVIEW软件开发的直流电能表检验装置界面友好，直观，依据实物模型设计的虚拟仪表实时显示采集到的电压和电流值，且可视化效果好，调试方便，通用性较强。

1 直流电能表检验装置的设计与实现
    PC机根据设定的检验条件(包括检验时间、电压和电流的参比值等参数)自动控制整个直流电能表检验过程，采用CAN或RS-485总线与受检电能表通信，获取受检电能表的能量计量。开始检验时，PC机控制电压源和电流源输出预设信号，由检验装置和受检电能表同时开始计量。检验过程中，PC机采集相应的电压和电流信号值，并利用积分法计算电能量，结果作为能量计量基准。用户界面显示电能基准值，同时根据设定的通信方式获取并显示受检电能表计量结果，计算并给出受检电能表的测量误差。电压源和电流源输出量的大小可由PC机通过控制模块远程调节。PC机利用控制模块上多通道模拟信号输出功能，将设定的电源目标输出值分别转换成对应的模拟控制信号，与电压源和电流源的模拟控制接口的信号相连，从而实现了PC机对两个电源的远程控制。设计的系统整体结构如图l所示。

2 基准电能计量原理
    直流电能表检验装置中基准电能计量采用积分法进行计算，该方法具有较强的抗干扰能力。这是因为，直流电能表的检验工作必须考虑到相关工作环境的特点：
    1)能量的直流脉动性  供电电压上很可能会叠加交流分量，负载电流很可能会经常变化；
    2)网压波动范围大  部分直流供电网电压波动幅度达到甚至超过±20％；
    3)网压的大量高次谐波成分  不仅网压本身为脉动性质，同时某些用电设备也会在线网上产生大量的谐波。
    综上所述，基准电能计量采用积分法进行计算，即某段时间之内(t1～t2)能耗的计算方法如下：
   
    式中，u(t)、i(t)分别为在t1～t2时间段内t时刻的工作电压(V)和电流(A)，W为t1～t2时间段内消耗的电能量(kWh)。将各个时间段内的消耗能量累加即可得到总的耗能数值。

3 硬件设计
    图1给出了该直流电能表检验方法及装置的系统整体结构图。组成系统的各部分设备及作用如下：
    1)恒压源  根据受检直流电能表工作电压范围选取，提供可调的直流工作电压；
    2)恒流源  根据受检直流电能表工作电流范围选取，提供可调的直流负载电流；
    3)电压传感器  测量直流电压，输出的隔离电信号送入数据采集模块，选取瑞士LEM公司的CV3-1000型，额定输入电压700 V，可测范围为0～±1 000 V，测量精度小于±0．2％，可测量直流、交流、脉冲电流信号，信号频率范围0～500 kHz；
    4)电流传感器  测量直流电流，输出的隔离电信号送入数据采集模块，选取瑞士LEM公司的ITB 300-SCT5-T型，额定输入电流300 A，可测范围±450 A，测量精度小于±0．05％，可测量直流、交流、脉冲电流信号，信号频率范围为0～100 kHz；
    5)数据采集模块  将电压传感器和电流传感器的输出模拟信号转换为数字信号供PC机使用，选取研华公司的PCI1716L，采样速率达到250千次每秒；
    6)控制模块  根据设计要求精度定制，接收计算机控制指令，控制恒压源和恒流源的输出；
    7)通信模块  与受检电能表进行通信，完成读取和控制，可以采用周立功公司USBCANl型CAN通信模块或JaRa2206型USB／RS485转换器等；
    8)PC机  自动生成检验报告；图形化显示测量结果；储存测量结果，建立数据库；若配备打印机，可打印检验结果等。

4 软件设计
4．1 前面板设计
    前面板是图形化的人机界面，用于显示测量结果和处理数据。用户可根据需要通过前面板上的开关、按钮和旋钮对程序代码及参数实现实时改变，使得测量数据的显示达到最佳状态。设计的直流电能表检验装置前面板如图2所示。

4．2 数据采集模块
    该直流电能表检验装置选用PCI-1716L数据采集卡。PCI-1716L是一款功能强大的高分辨率多功能PCI数据采集卡，带有1个250 K／s，16位A／D转换器，提供16路单端模拟量输入或8路差分模拟量输入，也可以组合输入；还带有2个16位D／A转换输出通道和16位数字量输入／输出通道。根据香农采样定理，为保证计算的准确性，在本次设计中，数据采集卡的采样频率设置为每个通道100 K／s 。
    需要特别说明的一点，为了减轻CPU负担，该直流电能表检验装置采用DMA(Direct Memory Access)模式直接从内存存取数据。在DMA模式下，CPU只须向DMA控制器下达指令，让其处理数据传输。传输完毕后再将信息反馈给CPU，这在很大程度上减轻CPU资源占用率，大大节省系统资源。另外，DMA模式传输优先级高于程序中断，二者的区别主要表现在对CPU的占用程度不同。中断请求不但使CPU停下来，而且要求CPU执行中断服务程序，这其中包括对断点和现场的处理以及CPU与外设的传送，所以CPU付出很大代价；但若以DMA方式请求，仅仅会使CPU暂停一下，不需要对断点和现场的处理，由它控制外设与主存之间完成数据传输，无需CPU干预，只占用一点CPU时间。还有一点区别，CPU对这两种请求的响应时间不同，对中断请求一般都在执行完一条指令的时钟周期末尾响应；而对于DMA请求，考虑到它的高效性，CPU在每条指令执行的各个阶段之中都可以让给DMA使用，称为立即响应。设计的直流电能表检验装置采用DMA方式的数据采集程序如图3所示，其中左下角程序利用While循环生成一个定时器用来计时。

4．3 CAN通信模块
    该直流电能表检验装置选用USBCANl型CAN通信模块卡与受检电能表进行通信，完成读取和控制。Virtual CANInterface(VCI)函数库是专门为ZLGCAN设备在PC上使用而提供的应用程序接口。库里的函数从ControlCAN．dll中导出，在LabVIEW中可以直接调用这些库函数而无需额外的操作。VCI函数具体的使用流程为：VCI_OpenDevice→VCI_InitCAN→VCI_StartCAN→VCI_CloseCAN。另外，当设备需要发送或者接收数据时，应分别调用VCI_Transmit和VCI_Receive两个库函数。设计的直流电能表检验装置CAN通信模块卡初始化程序和发送接收程序如图4和图5所示。

5 主要结论及改进方案
    该直流电能表检验装置现应用于北京电保厂现场，并且已经向国家专利局申请发明专利。
    经实验证明，此检验装置系统完全达到预期指标和要求，主要体现在以下几点：
    1)检验后直流电能表测量误差精度小于±0．1％。本系统从硬件和软件算法两方面保障和提高了系统精度；
    2)系统达到稳定要求。本检验装置对实验中出现的不稳定因素采取了相应改进方案：硬件方面，通过接地、独立供电等措施抑制系统干扰；软件方面，通过在通信协议中使用冗余纠错、判错重发等方法防止外部干扰的影响。
    3)实现功能强大的要求。用户可根据自身要求对测试项目进行定制，并存储模板。同时本检验装置还提供对被检数据的多种处理，包括汇总、统计、打印等功能，充分满足用户需求。另外，本检验装置用户界面采用Windows界面形式，操作方便且使用友好。
    未来的工作主要是深化电能表校验装置的改进方案，以实现l台PC机控制多台待检直流电能表设备，实现PC机远程控制，同时研究在网络上控制电能表检验装置的方案。