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          基于LabVIEW的直流電能表檢驗裝置設計

          作者: 時間:2012-09-17 來源:網絡 收藏

          現如今,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(fā)電等領域的能量計量,而且適用于工礦企業(yè)、民用建筑、樓宇自動化等現代供配電系統(tǒng)。換言之,隨著直流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的檢驗,因此針對此種情況,這里設計一種直流電能表檢驗。

          本文引用地址:http://www.ex-cimer.com/article/193195.htm

          是一種虛擬儀器開發(fā)平臺軟件,使用圖形化編程語言編程,簡單直觀,極大地節(jié)省程序開發(fā)時間,功能強大、靈活,可以廣泛應用于自動測量系統(tǒng)、工業(yè)過程自動化和實驗室仿真等領域?;?a class="contentlabel" href="http://www.ex-cimer.com/news/listbylabel/label/LabVIEW">LabVIEW軟件開發(fā)的直流電能表檢驗界面友好,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 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(jié)。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(tǒng)整體結構如圖l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(huán)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;

          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(tǒng)整體結構圖。組成系統(tǒng)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PCI1716L,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USBCANl型CAN通信模塊或JaRa2206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(tài)。設計的直流電能表檢驗裝置前面板如圖2所示。

          22.jpg

          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 。

          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。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(jié)省系統(tǒng)資源。另外,DMA模式傳輸優(yōu)先級高于程序中斷,二者的區(qū)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(zhí)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(qū)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(zhí)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(zhí)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(huán)生成一個定時器用來計時。

          33.jpg

          4.3 CAN通信模塊

          該直流電能表檢驗裝置選用USBCANl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 CANInterface(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(fā)送或者接收數據時,應分別調用VCI_Transmit和VCI_Receive兩個庫函數。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(fā)送接收程序如圖4和圖5所示。

          55.jpg

          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(fā)明專利。

          經實驗證明,此檢驗裝置系統(tǒng)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(tǒng)從硬件和軟件算法兩方面保障和提高了系統(tǒng)精度;

          2)系統(tǒng)達到穩(wěn)定要求。本檢驗裝置對實驗中出現的不穩(wěn)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(tǒng)干擾;軟件方面,通過在通信協(xié)議中使用冗余糾錯、判錯重發(fā)等方法防止外部干擾的影響。

          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(tǒng)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。

          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l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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