張 靜，周興廣，劉 芳，王 萌

(北京強(qiáng)度環(huán)境研究所，北京 100076)

0 引言

現(xiàn)代工業(yè)飛展迅猛，隨之而來(lái)的電力系統(tǒng)的非線性沖擊負(fù)荷也大量涌入，引發(fā)了諸如諧波失真、噪音、閃變等問(wèn)題，電能質(zhì)量問(wèn)題逐漸引起廣泛關(guān)注。為了有效監(jiān)測(cè)和分析電網(wǎng)運(yùn)行參數(shù)，改善電網(wǎng)的電能質(zhì)量，保證供電系統(tǒng)安全和電網(wǎng)穩(wěn)定運(yùn)行，各種類(lèi)型的電能質(zhì)量分析儀被廣泛投入使用。根據(jù)國(guó)家的儀器使用規(guī)范，電能質(zhì)量分析儀的校準(zhǔn)是保證電能質(zhì)量分析儀測(cè)量結(jié)果準(zhǔn)確可靠的前提[1-2]。

目前，我國(guó)絕大多數(shù)的電能質(zhì)量分析儀計(jì)量檢定機(jī)構(gòu)仍舊采用傳統(tǒng)校準(zhǔn)方式，因?yàn)樽詣?dòng)化程度低，計(jì)量人員需要手工操作標(biāo)準(zhǔn)源，記錄被校準(zhǔn)設(shè)備的數(shù)據(jù)，工作量大，耗時(shí)長(zhǎng)，有時(shí)難免出現(xiàn)人為操作的誤差和錯(cuò)誤，特別是如Fluke1760等設(shè)備還需要保存數(shù)據(jù)后再導(dǎo)出數(shù)據(jù)、分析結(jié)果，不但繁瑣，而且還給校準(zhǔn)工作帶來(lái)不必要的麻煩。因此，研究電能質(zhì)量分析儀自動(dòng)校準(zhǔn)技術(shù)，設(shè)計(jì)與研發(fā)一種低成本、多功能、自動(dòng)化程度高和性能好的校準(zhǔn)系統(tǒng)，具有積極的社會(huì)意義和廣闊的市場(chǎng)前景[3-5]。

針對(duì)現(xiàn)有校準(zhǔn)工作中存在的問(wèn)題，設(shè)計(jì)了電能質(zhì)量在線自動(dòng)校準(zhǔn)系統(tǒng)，只需要用戶對(duì)所需要校準(zhǔn)的項(xiàng)目、校準(zhǔn)點(diǎn)數(shù)及具體參數(shù)進(jìn)行設(shè)置，點(diǎn)擊開(kāi)始校準(zhǔn)，系統(tǒng)自動(dòng)完成對(duì)標(biāo)準(zhǔn)源的設(shè)置輸出、待電能質(zhì)量分析儀輸出穩(wěn)定后采集數(shù)據(jù)，電能質(zhì)量分析儀的校準(zhǔn)數(shù)據(jù)的在線顯示、自動(dòng)完成合格與否的判定，待校準(zhǔn)結(jié)束后，可一鍵生成校準(zhǔn)報(bào)告。大大減少由于人工操作所帶來(lái)的誤差，提高校準(zhǔn)的準(zhǔn)確性和效率，在電能質(zhì)量計(jì)量領(lǐng)域有著重要的應(yīng)用價(jià)值。

1 系統(tǒng)構(gòu)成及原理

自動(dòng)校準(zhǔn)系統(tǒng)的組成包括：標(biāo)準(zhǔn)源，被校準(zhǔn)設(shè)備和計(jì)算機(jī)。如圖1所示，上位機(jī)計(jì)算機(jī)，是系統(tǒng)的指揮控制中心。在線自動(dòng)校準(zhǔn)系統(tǒng)軟件負(fù)責(zé)輸入校準(zhǔn)項(xiàng)目和校準(zhǔn)點(diǎn)信息，軟件自動(dòng)控制標(biāo)準(zhǔn)源發(fā)送校準(zhǔn)信號(hào)，待被校準(zhǔn)設(shè)備的輸出數(shù)據(jù)穩(wěn)定后自動(dòng)采集，自動(dòng)顯示校準(zhǔn)結(jié)果。待完成校準(zhǔn)過(guò)程，一鍵生成校準(zhǔn)報(bào)告。計(jì)算機(jī)和標(biāo)準(zhǔn)源Fluke6100B之間通過(guò)NI USB轉(zhuǎn)GPIB連接，被校準(zhǔn)設(shè)備因?yàn)樯婕靶吞?hào)較多，要根據(jù)不同型號(hào)確定連接方式(網(wǎng)口和串口通訊)等。

圖1 校準(zhǔn)系統(tǒng)構(gòu)成

當(dāng)標(biāo)準(zhǔn)源和被校準(zhǔn)設(shè)備線纜連接完畢后，可按照?qǐng)D2所示的軟件流程進(jìn)行校準(zhǔn)。打開(kāi)軟件后，按照校準(zhǔn)規(guī)范的要求，輸入被校準(zhǔn)設(shè)備的信息，設(shè)置校準(zhǔn)源和被校準(zhǔn)設(shè)備的地址信息，進(jìn)行連接，如果設(shè)備連接不成功，則檢查設(shè)備地址信息設(shè)置是否正確或線纜連接是否完好，再次進(jìn)行連接，如果連接成功，則讓標(biāo)準(zhǔn)源輸出2 V電壓進(jìn)行自檢。自檢完成后，按照校準(zhǔn)項(xiàng)目和校準(zhǔn)點(diǎn)進(jìn)行參數(shù)設(shè)置，設(shè)置完成后，點(diǎn)擊校準(zhǔn)按鈕后，按照校準(zhǔn)設(shè)置控制標(biāo)準(zhǔn)源輸出，待校準(zhǔn)設(shè)備信號(hào)輸出穩(wěn)定后采集校準(zhǔn)值，接下來(lái)判斷是否為最后一個(gè)校準(zhǔn)點(diǎn)，如果不是，繼續(xù)標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)源輸出，采集被校準(zhǔn)設(shè)備校準(zhǔn)值，直到最后一個(gè)校準(zhǔn)點(diǎn)結(jié)束校準(zhǔn)過(guò)程。校準(zhǔn)過(guò)程可在界面實(shí)時(shí)顯示。校準(zhǔn)完成后，可一鍵生成校準(zhǔn)報(bào)告。

圖2 自動(dòng)校準(zhǔn)軟件流程圖

2 軟件實(shí)現(xiàn)

LabVIEW是NI公司推出的一種基于圖形化的編程語(yǔ)言，其界面簡(jiǎn)潔，功能強(qiáng)大，在自動(dòng)測(cè)試測(cè)量領(lǐng)域應(yīng)用廣泛。借助虛擬儀器軟件體系(virtual instruments software architecture，VISA)組件中的儀器編程標(biāo)準(zhǔn)I/O API，可控制GPIB、串口、USB、以太網(wǎng)等接口儀器，并根據(jù)使用儀器的類(lèi)型調(diào)用相應(yīng)的驅(qū)動(dòng)程序。而且目前大多數(shù)主流的測(cè)試儀器和數(shù)據(jù)采集設(shè)備都有專(zhuān)門(mén)的LabVIEW驅(qū)動(dòng)程序，相對(duì)于其他編程語(yǔ)言來(lái)說(shuō)LabVIEW控制這些設(shè)備更加便捷[6-8]。根據(jù)實(shí)際情況，本系統(tǒng)被校準(zhǔn)的設(shè)備，如Fluke1760，F(xiàn)luke Noma 4000/5000，橫河210、230和1 600/1 800系列設(shè)備廠家都提供了LabVIEW驅(qū)動(dòng)程序庫(kù)。充分考慮后，采用LabVIEW2012平臺(tái)進(jìn)行軟件的開(kāi)發(fā)。

考慮到需要校準(zhǔn)的質(zhì)量分析儀廠家和型號(hào)較多，而且技術(shù)日新月異，會(huì)不斷有新的廠家和新型號(hào)的電能質(zhì)量分析儀產(chǎn)品研發(fā)出來(lái)，需要進(jìn)行校準(zhǔn)，所以程序在與被校準(zhǔn)設(shè)備交互方面采用了可編程儀器標(biāo)準(zhǔn)命令(standard commands for programmable instruments SCPI：ASCII碼命令字符串的標(biāo)準(zhǔn))于儀器編程[9-11]。SCPI命令的縱向兼容、橫向兼容和功能兼容特性，使得可以采用相同的命令和參數(shù)來(lái)控制具有相同功能的儀器，提高了校準(zhǔn)程序的擴(kuò)展性。

2.1 軟件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

電能質(zhì)量在線校準(zhǔn)軟件主要包括儀器信息錄入、自檢，校準(zhǔn)配置、校準(zhǔn)和校準(zhǔn)報(bào)告生成等部分，操作人員設(shè)置好校準(zhǔn)項(xiàng)目和校準(zhǔn)參數(shù)后，可由軟件自動(dòng)完成校準(zhǔn)過(guò)程，用戶也可以實(shí)時(shí)地對(duì)校準(zhǔn)數(shù)據(jù)進(jìn)行監(jiān)控和存儲(chǔ)。軟件主界面如圖3所示。

圖3 電能質(zhì)量在線校準(zhǔn)主界面

1)儀器信息錄入:儀器信息錄入部分主要完成被校準(zhǔn)儀器的基本信息設(shè)置，儀器類(lèi)型包括Fluke1760、Fluke Noma 4000/5000、WT 200系列，WT1600系列和WT1800系列。

2)自檢:設(shè)置校準(zhǔn)源和被校準(zhǔn)設(shè)備的IP地址，連接設(shè)備，連接成功后，進(jìn)行自檢，檢查被校準(zhǔn)設(shè)備及校準(zhǔn)源的連接是否正確，校準(zhǔn)源輸出和被校準(zhǔn)設(shè)備的采集是否正常。

3)校準(zhǔn)配置:校準(zhǔn)配置界面主要完成被校準(zhǔn)設(shè)備需要校準(zhǔn)項(xiàng)目及各個(gè)校準(zhǔn)項(xiàng)目的校準(zhǔn)參數(shù)的設(shè)置。可點(diǎn)擊全選按鈕，勾選所有校準(zhǔn)項(xiàng)目，包括直流電壓、直流電流、交流電壓、交流電流、交流功率、諧波電壓、諧波電流、頻率、電能和閃變，如部分勾選，則可選擇所需的校準(zhǔn)項(xiàng)目，當(dāng)前設(shè)置的模板自動(dòng)保存。

4)校準(zhǔn):點(diǎn)擊校準(zhǔn)按鈕，按照校準(zhǔn)設(shè)置逐點(diǎn)完成被校準(zhǔn)設(shè)備所有項(xiàng)目的校準(zhǔn)。

5)校準(zhǔn)報(bào)告生成:校準(zhǔn)報(bào)告生成，主要是完成被校準(zhǔn)設(shè)備所有項(xiàng)目下校準(zhǔn)點(diǎn)的校準(zhǔn)報(bào)告生成，方便用戶。

2.2 關(guān)鍵技術(shù)及實(shí)現(xiàn)

2.2.1 狀態(tài)機(jī)架構(gòu)

程序中所用的狀態(tài)機(jī)架構(gòu)是一套功能強(qiáng)大的開(kāi)發(fā)架構(gòu)，具有如下優(yōu)點(diǎn)：

1)采用多線程技術(shù)將程序分成多個(gè)線程并行運(yùn)行，合理利用系統(tǒng)資源，結(jié)構(gòu)清晰明確，便于功能擴(kuò)展。

2)降低不同功能代碼之間的耦合度，高度模塊化，便于代碼的閱讀與維護(hù)。

3)保證系統(tǒng)的可擴(kuò)展性、可重用性及維護(hù)性等。

4)當(dāng)現(xiàn)場(chǎng)或用戶需求發(fā)生變化時(shí)，能方便地完成軟件的更新和升級(jí)。

5)每一個(gè)功能都在獨(dú)立分支完成，對(duì)于開(kāi)發(fā)人員不需要花費(fèi)太多時(shí)間就能很好地完成一個(gè)復(fù)雜的功能。

在LabVIEW中，狀態(tài)機(jī)結(jié)構(gòu)使得程序中多個(gè)事件彼此之間的邏輯關(guān)系更加的清晰明了，事件之間的處理更加簡(jiǎn)單?；緺顟B(tài)機(jī)是由while循環(huán)+case結(jié)構(gòu)構(gòu)成的，while循環(huán)保持狀態(tài)機(jī)連續(xù)運(yùn)行；case條件結(jié)構(gòu)對(duì)每一個(gè)狀態(tài)都配備一個(gè)分支進(jìn)行判斷，控制狀態(tài)機(jī)的跳轉(zhuǎn)[11]。另外在一個(gè)完整的狀態(tài)機(jī)中，一般還會(huì)提供初始化狀態(tài)，在初始化狀態(tài)中對(duì)程序中的變量等進(jìn)行初始化工作。本狀態(tài)機(jī)在LabVIEW基本狀態(tài)機(jī)的基礎(chǔ)上，進(jìn)行了架構(gòu)的改造和豐富，設(shè)計(jì)的LabVIEW狀態(tài)機(jī)結(jié)構(gòu)如圖4所示。

圖4 狀態(tài)機(jī)架構(gòu)

1)初始化，狀態(tài)機(jī)的入口，程序開(kāi)始后，首先進(jìn)入Init分支，可以將程序相關(guān)的變量等初始化工作放在本分支完成。

2)當(dāng)前狀態(tài)，當(dāng)前程序要跳轉(zhuǎn)的分支。

3)結(jié)束條件，while循環(huán)結(jié)束的條件。

4)增加新事件，可通過(guò)5事件輪檢和7外部事件兩種方式增加新的事件。

5)事件輪檢，將輪檢結(jié)果組成一維布爾數(shù)組輸入增加新事件VI，該VI如圖5所示。

圖5 增加新事件代碼

事件輪檢和事件集合除No Action外一一對(duì)應(yīng)，增加新事件VI可以將布爾為真的事件分揀出來(lái)，增加到新的事件集合中。

6)事件集合，與事件輪檢配合使用，是事件輪檢對(duì)應(yīng)的事件分支名稱(chēng)。

7)外部事件，通過(guò)隊(duì)列的方式，可以將其他VI的觸發(fā)的事件引入該狀態(tài)機(jī)，使得該程序相應(yīng)代碼的執(zhí)行。

8)狀態(tài)集合，狀態(tài)機(jī)中所有狀態(tài)分支，可根據(jù)需要增加刪減。

此外，該狀態(tài)機(jī)的Start Engine分支，主要實(shí)現(xiàn)本程序中多個(gè)線程的同時(shí)開(kāi)啟，合理利用系統(tǒng)資源。Close Engine分支關(guān)閉多個(gè)線程。在該程序中，數(shù)據(jù)采集、存儲(chǔ)、顯示可分為3個(gè)引擎，并行執(zhí)行。外部事件部分也是該狀態(tài)機(jī)的特別之處，完美解決了普通狀態(tài)機(jī)只能由自身事件和按鈕狀態(tài)觸發(fā)，而無(wú)法接收外部觸發(fā)指令的難題。

2.2.2 自動(dòng)校準(zhǔn)

電能質(zhì)量在線校準(zhǔn)程序設(shè)計(jì)中的一個(gè)關(guān)鍵問(wèn)題就是如何實(shí)現(xiàn)多種校準(zhǔn)項(xiàng)目下的多個(gè)校準(zhǔn)點(diǎn)的自動(dòng)校準(zhǔn)工作。這其中包括校準(zhǔn)源Fluke 6100B的各種項(xiàng)目的程序設(shè)計(jì)及實(shí)現(xiàn)，各種校準(zhǔn)設(shè)備的校準(zhǔn)點(diǎn)數(shù)據(jù)采集以及校準(zhǔn)源及被校準(zhǔn)設(shè)備之間校準(zhǔn)信號(hào)發(fā)送后校準(zhǔn)設(shè)備校準(zhǔn)點(diǎn)采集之間的配合等。自動(dòng)校準(zhǔn)過(guò)程的詳細(xì)步驟如圖6所示。

圖6 自動(dòng)校準(zhǔn)流程

校準(zhǔn)源各種信號(hào)的自動(dòng)設(shè)置，包括直流電壓、直流電流、交流電壓、交流電流、交流功率，諧波電壓、諧波電流、頻率、電能和閃變，其程序界面如圖7所示。

圖7 校準(zhǔn)配置

校準(zhǔn)配置模塊將本次校準(zhǔn)需要進(jìn)行的校準(zhǔn)項(xiàng)目和校準(zhǔn)參數(shù)設(shè)置好后，程序負(fù)責(zé)將設(shè)置好的項(xiàng)目和校準(zhǔn)信息按照單點(diǎn)信號(hào)源參數(shù)簇{設(shè)備類(lèi)型，校準(zhǔn)設(shè)備，通道數(shù)，校準(zhǔn)項(xiàng)目，參數(shù)一，參數(shù)二，參數(shù)三，參數(shù)四，不確定度}進(jìn)行統(tǒng)一處理，具體信息如表1所示，打包成一維簇?cái)?shù)組，名稱(chēng)為參數(shù)上傳。

在校準(zhǔn)參數(shù)設(shè)置點(diǎn)擊確定后，進(jìn)入隊(duì)列事件分支，將一維簇?cái)?shù)組>參數(shù)上傳的校準(zhǔn)信息入隊(duì)列，如圖8所示，等待操作人員點(diǎn)擊自動(dòng)校準(zhǔn)時(shí)使用。當(dāng)點(diǎn)擊自動(dòng)校準(zhǔn)后，在狀態(tài)機(jī)的事件輪檢中判斷校準(zhǔn)信息隊(duì)列元素個(gè)數(shù)是否大于零，如果有元素則進(jìn)入Fluke 6100B狀態(tài)分支，根據(jù)本次校準(zhǔn)設(shè)置的校準(zhǔn)信息將校準(zhǔn)信號(hào)源Fluke 6100B的信號(hào)發(fā)送出去，每次進(jìn)入圖9所示的程序，按照單點(diǎn)信號(hào)源參數(shù)簇>校準(zhǔn)項(xiàng)目{直流電壓、直流電流、交流電壓、交流電流、交流功率，諧波電壓、諧波電流、頻率、電能和閃變}，選擇進(jìn)入相應(yīng)的分支，根據(jù)參數(shù)一、參數(shù)二、參數(shù)三和參數(shù)四和不確定度參數(shù)，如表1所示，完成校準(zhǔn)源信號(hào)具體參數(shù)的輸出。

圖8 校準(zhǔn)信息入隊(duì)列

圖9 校準(zhǔn)源信號(hào)發(fā)送

參數(shù)直流交流/電壓電流諧波頻率電能閃變一電壓值含量頻率值電壓深度二電流值次數(shù)__電流變化次數(shù)三PF值基波__時(shí)間基波四頻率頻率__PF值頻率

校準(zhǔn)信號(hào)發(fā)送成功后，自動(dòng)進(jìn)入DAQ數(shù)據(jù)采集分支，采集被校準(zhǔn)設(shè)備的數(shù)據(jù)，采集完成后，進(jìn)行數(shù)據(jù)的顯示和存儲(chǔ)。下一步進(jìn)入No Action分支，繼續(xù)判斷校準(zhǔn)參數(shù)隊(duì)列元素個(gè)數(shù)，直至校準(zhǔn)參數(shù)就隊(duì)列元素均完成校準(zhǔn)，確定本次自動(dòng)校準(zhǔn)所有項(xiàng)目下的所有點(diǎn)完成。

3 結(jié)果測(cè)試

在北京航天計(jì)量測(cè)試技術(shù)研究所，對(duì)電能質(zhì)量在線校準(zhǔn)系統(tǒng)進(jìn)行了比對(duì)驗(yàn)證，被校的電能質(zhì)量分析儀為Fluke公司生產(chǎn)的1760型電能質(zhì)量分析儀，以交流電壓、交流功率、諧波電流、頻率和閃變?yōu)槔?，校?zhǔn)結(jié)果顯示在表2、表3、表4、表5和表6中。

表2 交流電(f=40 Hz)在線校準(zhǔn)結(jié)果

表3 交流功率 (W):Sinewave, f=60 Hz在線校準(zhǔn)結(jié)果

表4 諧波電流(f=50 Hz)在線校準(zhǔn)結(jié)果

表5 頻率在線校準(zhǔn)結(jié)果

表6 閃變，基波=230 V，f=50 Hz在線校準(zhǔn)結(jié)果

4 結(jié)束語(yǔ)

為了解決電能質(zhì)量分析儀在傳統(tǒng)校準(zhǔn)過(guò)程中遇到的校準(zhǔn)項(xiàng)目和校準(zhǔn)點(diǎn)多、耗時(shí)長(zhǎng)、操作人員需要全程操作和手工記錄數(shù)據(jù)容易產(chǎn)生人為誤差等問(wèn)題，本文通過(guò)對(duì)電能質(zhì)量在線校準(zhǔn)系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)的分析與解決方案的提出，實(shí)現(xiàn)了電能質(zhì)量分析儀在線自動(dòng)校準(zhǔn)。目前該系統(tǒng)已完成多次校準(zhǔn)檢測(cè)任務(wù)，與人工校準(zhǔn)相比，在線校準(zhǔn)系統(tǒng)具備以下優(yōu)勢(shì)：

1)操作簡(jiǎn)單，界面友好，在人工完成儀器設(shè)備連接后，點(diǎn)擊校準(zhǔn)啟動(dòng)按鈕后，即可實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)自動(dòng)記錄和報(bào)告自動(dòng)生成，不僅降低了人工成本，而且工作效率大幅度提高；

2)系統(tǒng)采用在線校準(zhǔn)數(shù)據(jù)，無(wú)需人工干預(yù)即可自動(dòng)完成數(shù)據(jù)合格與否的判定，避免了由于人工操作所帶來(lái)的誤差，大幅提高校準(zhǔn)工作的準(zhǔn)確性；

3)自動(dòng)校準(zhǔn)系統(tǒng)穩(wěn)定性好，可兼容多種廠家、多種型號(hào)電能質(zhì)量分析儀的被校數(shù)據(jù)，具有較高的實(shí)用性。