直流電能表檢驗裝置設計與實現

作者：時間：2012-10-08 來源：網絡

加入技術交流群
- 掃碼加入
  和技術大咖面對面交流
  海量資料庫查詢

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(fā)電等領域的直流能量計量，而且適用于工礦企業(yè)、民用建筑、樓宇自動化等現代供配直流電系統(tǒng)。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。

本文引用地址：http://2s4d.com/article/193118.htm

LabVIEW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?；贚abVIEW軟件開發(fā)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 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。

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。

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(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。