凌特利 張春峰 李曉朋 張 瑩

(許繼電氣公司技術(shù)中心，河南 許昌 461000)

一種基于PC的高精度功率測量系統(tǒng)

凌特利 張春峰 李曉朋 張 瑩

(許繼電氣公司技術(shù)中心，河南 許昌 461000)

高精度功率測量系統(tǒng)具有設(shè)計(jì)門檻高、開發(fā)周期長的特點(diǎn)。為便于實(shí)現(xiàn)和縮短開發(fā)周期，提出一種基于PC的高精度功率測量系統(tǒng)。系統(tǒng)設(shè)計(jì)相對簡單，容易實(shí)現(xiàn)，測量精度達(dá)到0.02%。全面論述了系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)和軟件設(shè)計(jì)方面的技術(shù)細(xì)節(jié)，給出了關(guān)鍵技術(shù)點(diǎn)的公式或技術(shù)參數(shù)，列出了校準(zhǔn)后的有功功率測量誤差。相關(guān)數(shù)據(jù)表明，該功率測量系統(tǒng)測量精度高，具有可行性與實(shí)用價(jià)值。

高精度 功率測量 模擬量 濾波器 嵌入式系統(tǒng)

0 引言

計(jì)量系統(tǒng)中的精度溯源和電能表精度檢測經(jīng)常采用高精度功率測量系統(tǒng)。傳統(tǒng)的高精度功率測量系統(tǒng)以標(biāo)準(zhǔn)電能表為代表，設(shè)計(jì)復(fù)雜，要求設(shè)計(jì)人員具有豐富的硬件設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)和高水平的軟件技術(shù)。硬件設(shè)計(jì)方面需要考慮到多方面的因素，如復(fù)雜的電路設(shè)計(jì)、各種噪聲的抑制、元器件選型等；軟件設(shè)計(jì)方面有限的系統(tǒng)資源、原始的調(diào)試方式都給設(shè)計(jì)帶來麻煩。本文論述一種基于PC的高精度功率測量系統(tǒng)。其硬件設(shè)計(jì)基于一款采集設(shè)備USB-6281，沒有復(fù)雜的電路設(shè)計(jì)；軟件在PC上開發(fā)調(diào)試和運(yùn)行，開發(fā)周期短；測量精度達(dá)到0.02%。本測量系統(tǒng)經(jīng)過改造，可以衍生出多款測試設(shè)備，具有較強(qiáng)的實(shí)用價(jià)值。

1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)框架

本測量系統(tǒng)設(shè)計(jì)分硬件和軟件兩部分。硬件由模擬量變換模塊、濾波調(diào)理模塊和USB-6281設(shè)備模塊組成，如圖1所示。USB-6281是硬件的主體部分，USB-6281是一款高精度數(shù)據(jù)采集設(shè)備，穩(wěn)定度好，低電壓段測量精度高。其最大可接入8路±10 V弱電壓差分模擬量信號(hào)，A/D數(shù)據(jù)采集寬度為18位，信號(hào)增益倍數(shù)可調(diào)，采樣速率總計(jì)可高達(dá)500 kS/s，本系統(tǒng)采樣速率設(shè)在10 kHz。此設(shè)備具備圖形調(diào)試界面，軟件設(shè)計(jì)接口簡單，易于上手。由于USB-6281是非同步采集設(shè)備，會(huì)引入相位差，應(yīng)用前需要校準(zhǔn)。

圖1 硬件模塊圖

軟件由數(shù)據(jù)接收模塊、數(shù)據(jù)校正模塊、功率計(jì)算模塊、界面顯示模塊組成，如圖2所示。

圖2 軟件模塊圖

數(shù)據(jù)接收模塊、數(shù)據(jù)校正模塊、功率計(jì)算模塊可以設(shè)計(jì)在一起，做成一個(gè)動(dòng)態(tài)鏈接庫，獨(dú)立于界面，能夠被不同的開發(fā)語言調(diào)用，減少代碼耦合性。

2 硬件設(shè)計(jì)

模擬量變換模塊的作用是將強(qiáng)模擬量信號(hào)變換成弱電壓信號(hào)，以便USB-6281采集。系統(tǒng)接入的模擬量信號(hào)為變電站互感器輸出信號(hào)或者功率源輸出信號(hào)，USB-6281可以采集的電壓值峰值不大于10 V。目前有電阻分壓法和變換器法兩種方法可以實(shí)現(xiàn)這種變換，這里采用變換器法。采用3個(gè)電壓變換器分別變換A、B、C這3個(gè)相別的電壓，3個(gè)電流變換器分別變換A、B、C這3個(gè)相別的電流，變換后的電壓峰值需小于10 V。表1列出了所用變換器的規(guī)格，其中精度指標(biāo)應(yīng)最小覆蓋到額定值的0.01。

表1 變換器規(guī)格

濾波調(diào)理模塊的作用是濾去高次諧波，并調(diào)理成USB-6281可以差分接入的信號(hào)。濾波器采用簡單的RC低通濾波器即可，電容和電阻都選擇低溫漂且穩(wěn)定性好的元器件。為了滿足USB-6281對電路平衡性的要求，不同于一般的RC濾波器，電阻的阻值應(yīng)平均分配在電容的兩側(cè)。低通濾波器如圖3所示。

圖3 低通濾波器

調(diào)理電路如圖4所示，信號(hào)調(diào)理后差分接入U(xiǎn)SB-6281。

圖4 調(diào)理電路

差分測量可以有效抑制共模干擾，提高測量精度，在接入信號(hào)電壓低時(shí)尤為明顯。圖4中，R1和R2是兩個(gè)偏置電阻，兩個(gè)阻值相等，大小宜在5～32 kΩ之間選擇。阻值過大，會(huì)造成USB-6281采樣建立時(shí)間過長，電壓沒來得及穩(wěn)定即被采樣，影響采樣準(zhǔn)確性；阻值過小，會(huì)造成通道回路電流過大，有效負(fù)載分壓小，同樣影響測量的準(zhǔn)確性。

圖5是一個(gè)采集通道完整的電路圖。Ai是功率源的輸出信號(hào)，AI0、AI GND、AI8分別是USB-6281模擬量采集通道的端子。USB-6281采樣模擬量數(shù)據(jù)后，通過USB總線送給PC。由圖5可見，硬件設(shè)計(jì)沒有復(fù)雜的電路，容易實(shí)現(xiàn)。

圖5 一個(gè)通道的完整電路圖

由于本系統(tǒng)是高精度測量設(shè)備，硬件設(shè)計(jì)還要注意線纜的走線分布，防止通道串?dāng)_；做好電磁干擾屏蔽，電壓變換器尤其容易受到電磁干擾的影響。如果機(jī)箱內(nèi)用到開關(guān)電源，需要用銅箔紙做好電磁屏蔽，推薦使用高品質(zhì)的線性電源。機(jī)箱散熱也同樣需要考慮，如果通風(fēng)條件差，可以安裝機(jī)箱風(fēng)扇。

3 軟件設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)軟件在Windows環(huán)境下開發(fā)和運(yùn)行，推薦使用Windows XP及以上版本的操作系統(tǒng)。開發(fā)環(huán)境可以是VC6.0或者Delphi7。在PC上開發(fā)軟件具有調(diào)試方便的特點(diǎn)，無需在意系統(tǒng)資源是否夠用，相對于嵌入式軟件設(shè)計(jì)，開發(fā)難度降低，周期縮短。

USB-6281的驅(qū)動(dòng)程序具有C語言接口，頭文件是NIDAQmx.h，里面包含了全部的C語言接口函數(shù)，調(diào)用其中常用的9個(gè)函數(shù)，即可實(shí)現(xiàn)持續(xù)接收采樣數(shù)據(jù)的功能。表2列出了常用接口函數(shù)的使用說明。

表2 常用接口函數(shù)使用說明

所有的后續(xù)處理都在采樣數(shù)據(jù)接收回調(diào)函數(shù)中完成，即DAQmxRegisterEveryNSamplesEvent注冊的回調(diào)函數(shù)，在接收到采樣數(shù)據(jù)后，首先要校正數(shù)據(jù)。

RC濾波器和變換器的內(nèi)阻降低了模擬量的幅值，需要做幅值校正處理。幅值校正采用分段校正法，接收到采樣數(shù)據(jù)后先預(yù)算出該通道幅值，根據(jù)幅值大小查找幅值所在分段的系數(shù)。該通道的采樣數(shù)據(jù)乘上此系數(shù)后再做后續(xù)處理，從而達(dá)到校正幅值目的。校正范圍應(yīng)覆蓋到1.2倍額定值至額定值的0.01，分段數(shù)目不少于5段。

變換器、濾波器、USB-6281都會(huì)引起相位改變，電壓和同相電流之間的夾角不再和功率源輸出相同，需要相位校正。相位變化示意圖如圖6所示。

圖6 相位變化示意圖

功率源輸出電壓電流同相位的波形，在PC端得到的波形，通道間產(chǎn)生了不同程度的延遲，電壓和電流產(chǎn)生了相位差Δα。Δα?xí)绊懙焦β视?jì)算，通過式(1)可以計(jì)算出Δα帶來的有功功率誤差。

(1)

當(dāng)功率源輸出的電壓電流夾角φ為60°、且Δα為1″時(shí)，通過式(1)可計(jì)算出E=-0.050 4%，即有功功率誤差為-0.050 4%，可見高精度功率測量對相位要求非?？量?。

當(dāng)施加的電壓電流確定時(shí)，Δα保持不變，因此可以校正。采用二次插值法校正此相位差，二次插值法也稱拋物線插值法，如圖7所示。已知3個(gè)采樣時(shí)刻x0、x1、x2的采樣數(shù)據(jù)f(x0)、f(x1)、f(x2)，通過式(2) 可計(jì)算出插值時(shí)刻x點(diǎn)的采樣數(shù)據(jù)。

(2)

只對電流通道插值重采樣，電壓通道保持不變，這樣Δα就可以通過重新插入采樣時(shí)刻得到修正。

圖7 重采樣示意圖

電壓或者電流變化時(shí)，Δα值也會(huì)隨著變化，因此需要分段校正。每個(gè)分段的A、B、C相都需要一個(gè)獨(dú)立的校正參數(shù)。校正范圍應(yīng)覆蓋1.2倍額定值至額定值的0.01，分段數(shù)目不少于7段。

傅里葉、Hilbert數(shù)字濾波都可以計(jì)算功率。Hilbert數(shù)字濾波具有計(jì)算簡單、便于實(shí)現(xiàn)、無功計(jì)算精度高的特點(diǎn)。本系統(tǒng)采用Hilbert數(shù)字濾波。

在50 Hz工頻基波信號(hào)下，考慮最高18次諧波，采樣頻率為2 kHz，即每周波40點(diǎn)采樣的情況下，Hilbert濾波器的兩個(gè)移相濾波器的傳遞函數(shù)如式(3)和式(4)所示。

(3)

(4)

第一組濾波器的電壓值和電流值相乘即為有功功率，第一組濾波器的電壓值和第二組濾波器的電流值相乘即為無功。在實(shí)際應(yīng)用中，采樣頻率會(huì)大于2 kHz，在保證采樣頻率是2 kHz的倍數(shù)時(shí)，依然可以用該公式濾波計(jì)算，只是這時(shí)需要用多組濾波器。例如當(dāng)采樣頻率為10 kHz時(shí)，要用5組濾波器，采樣數(shù)據(jù)依次循環(huán)進(jìn)入5組濾波器疊加運(yùn)算計(jì)算功率。

Hilbert濾波器要求每周波的采樣點(diǎn)數(shù)恒定，否則會(huì)導(dǎo)致計(jì)算結(jié)果震蕩而不準(zhǔn)確。當(dāng)基波頻率非工頻或者功率源的輸出頻率不穩(wěn)定時(shí)，需要在計(jì)算功率前，采用重采樣算法重新插值采樣以調(diào)整頻率，保證每周波的采樣點(diǎn)數(shù)恒定。

界面顯示容易實(shí)現(xiàn)，不再贅述。

4 系統(tǒng)校準(zhǔn)

當(dāng)軟硬件都設(shè)計(jì)完善后，系統(tǒng)功率測量值應(yīng)穩(wěn)定度好。電流在輸入范圍內(nèi)，電壓電流夾角在-60°～60°范圍內(nèi)，測得有功功率的震蕩幅度應(yīng)不大于0.02%。

此時(shí)測得的功率穩(wěn)定度雖好，但是還不準(zhǔn)確，需要校準(zhǔn)。校準(zhǔn)共有幅值校準(zhǔn)和相位校準(zhǔn)兩項(xiàng)。校準(zhǔn)范圍應(yīng)覆蓋幅值校正和相位校正的全部分段。

表3是筆者在中國計(jì)量科學(xué)研究院校準(zhǔn)后的有功功率誤差數(shù)據(jù)。

表3 校準(zhǔn)后的有功功率誤差

從表3可以看出，系統(tǒng)校準(zhǔn)后精度滿足0.02%的誤差要求。

5 結(jié)束語

實(shí)踐證明，本文提出的基于PC的高精度功率測量系統(tǒng)功率測量精度高，設(shè)計(jì)相對于嵌入式系統(tǒng)容易實(shí)現(xiàn)，開發(fā)周期短，具有較強(qiáng)的可行性與實(shí)用價(jià)值。

[1] 陳傳嶺,楊憲,孟耕,等.高精度(0.02級(jí))標(biāo)準(zhǔn)電能表的設(shè)計(jì)[J].電測與儀表,2003,40(11):23-25.

[3] Pei S C,Wang P H.Analytical design of maximally flat FIR fractional Hilbert transformers[J].Signal Processing,2001,81(3):643-661.

[4] 閆志輝,胡彥民,周麗娟,等.重采樣移相技術(shù)在過程層IED中的應(yīng)用[J].電力系統(tǒng)保護(hù)與控制,2010,38(6):64-66.

[5] 張秀麗,李萍,陸光華.高精度軟件同步采樣算法[J].電力系統(tǒng)及其自動(dòng)化學(xué)報(bào),2005(4):61-63.

[6] 孫玲.基于USB-6281的高速數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的設(shè)計(jì)[J].電子設(shè)計(jì)工程,2010,11(11):169-171.

[7] 李春梅.電磁干擾的機(jī)理與消除的方法[J].山西電子技術(shù),2003,3(3):23-24.

[8] 朱強(qiáng),蔣東方,焦登科.18位高精度數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的設(shè)計(jì)[J].計(jì)測技術(shù),2006,4(4):19-21.

[9] 楊繼深.共模干擾和差模干擾[J].安全與電磁兼容,2002,2(2):48-50.

A PC-based High Accuracy Power Measurement System

High accuracy power measurement system features high design threshold and long development cycle. In order to facilitate the realization and shorten the development cycle, a PC-based high accuracy power measurement system is proposed, the design of this system is relatively simple and easier to implement; its measurement accuracy is up to 0.02%. The design details of hardware and software are comprehensively expounded, the formulas or technical parameters of critical technologies are given, and the power measurement errors after calibration are listed to prove the high accuracy characteristic, the feasibility and the practical value of the system.

High accuracy Power measurement Analog quantity Wave filter Embedded system

凌特利(1981-)，男，2004年畢業(yè)于華中科技大學(xué)自動(dòng)化專業(yè)，獲學(xué)士學(xué)位，工程師;主要從事電力系統(tǒng)測試技術(shù)的研究和測試產(chǎn)品的設(shè)計(jì)。

TM933

A

10.16086/j.cnki.issn1000-0380.201505021

修改稿收到日期：2014-12-24。