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直流电能表检验装置设计与实现

发布时间:2020-06-30 17:44:02 阅读: 来源:磨头厂家

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。

本文引用地址: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l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。

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