時間:2013-02-19 16:43:32來源:趙波
應(yīng)用領(lǐng)域:電能表電磁兼容測量測試
挑戰(zhàn):在主控計算機上使用LabVIEW設(shè)計一套用于電波暗室內(nèi)電能表自動檢定的射頻電磁場輻射抗擾度(RF-EMS)自動檢測系統(tǒng)軟件,自動控制射頻信號發(fā)生器、功率放大器,并與電能表檢驗裝置通信,自動采集與記錄電能表計量誤差數(shù)據(jù),并和輻射抗擾度測試頻率自動匹配,避免手工記錄,自動出具測試報告。
使用產(chǎn)品:
LabVIEW 8.5
NI USB-GPIB-HS控制器
NI USB-232接口線
方案介紹:采用NI USB-GPIB-HS控制器通過GPIB儀器總線控制系統(tǒng)中的射頻信號源、2臺不同工作頻率的功率放大器;采用NI USB-232接口線通過串行總線控制電能表檢驗裝置,在主控計算機上采用LabVIEW 8.5設(shè)計基于虛擬儀器的智能電能表輻射抗擾度自動檢測系統(tǒng)。
系統(tǒng)指標(biāo):頻率80MHz~2000MHz(最新國際國家標(biāo)準要求);頻率以1%自動步進、自動生成標(biāo)準場強;自動生成符合受控標(biāo)準的測試報告,自動控制射頻信號發(fā)生器、功率放大器,并與電能表檢驗裝置通信,自動采集與記錄電能表計量誤差數(shù)據(jù),并和輻射抗擾度測試頻率自動匹配,避免手工記錄。
正文:
一、 引言
近年來,隨著我國智能電網(wǎng)戰(zhàn)略的實施以及新的能源計量與管理政策的出臺,智能電能表結(jié)構(gòu)日益復(fù)雜,大量采用的電力線載波或無線通信等電能數(shù)據(jù)傳送技術(shù)帶來了抄表技術(shù)的革新,同時帶來了電磁環(huán)境的干擾與抗干擾問題日益嚴重,電能表的電磁兼容(EMC,Electromagnetic Compatibility)問題就顯得尤為重要,這對相應(yīng)的電磁兼容測量測試技術(shù)提出了更高的要求。
電磁兼容分為電磁干擾(EMI,Electromagnetic Interference)和電磁抗擾度(EMS,Electromagnetic Susceptibility,或稱電磁敏感度)兩大類。其中射頻電磁場輻射抗擾度測試(RF EMS,Radio Frequency Electromagnetic Susceptibility)正是射頻輻射領(lǐng)域的一項重要的EMS測試,如圖1所示。
就目前已有的電磁兼容商業(yè)軟件來看,基本上是以Microsoft Visual Studio平臺系列軟件開發(fā)的,該平臺是使用廣泛的面向?qū)ο螅∣bjected)的編程平臺,一旦編譯,用戶只能接觸到最后的可執(zhí)行文件,而看不到源程序,因此軟件功能是相對固定的,擴展性差。在測量測試領(lǐng)域,測試工程師需要有更大的自主性,這樣才能面對復(fù)雜和變化的測試需求。
美國NI(National Instument)公司的LabVIEW(Laboratory Virtual Instrument Engineering Workbench)虛擬儀器軟件開發(fā)平臺是應(yīng)對測量測試領(lǐng)域中各種棘手問題的利器,該平臺軟件發(fā)揮了計算機高超的數(shù)據(jù)處理能力、便捷的輸入輸出功能、強大的顯示能力和可擴展性能等優(yōu)點,使計算機成為測試系統(tǒng)的一個重要組成部分。LabVIEW及虛擬儀器技術(shù)近年得到蓬勃的發(fā)展,但在智能電能表電磁兼容測量測試領(lǐng)域,目前國內(nèi)外做這方面工作的單位還不多。我們作為專業(yè)計量測試機構(gòu),采用LabVIEW進行電能表檢測方面的開發(fā),取得了良好的成果和經(jīng)驗。
二、總體結(jié)構(gòu)
電能表是用于電能計量的儀表。智能電能表采用乘法器實現(xiàn)對電功率的測量,被測的高電壓、大電流經(jīng)電壓變換器和電流變換器轉(zhuǎn)換后送至乘法器完成電壓和電流瞬時值相乘,輸出一個與一段時間內(nèi)的平均功率成正比的直流電壓,然后再利用電壓/頻率轉(zhuǎn)換器,直流電壓被轉(zhuǎn)換成正比于平均功率的脈沖頻率,將該頻率分頻,并通過計數(shù)器在一段時間內(nèi)的技術(shù),顯示出相應(yīng)的電能。智能電能表通常還具有有/無功測量、網(wǎng)絡(luò)遠傳、數(shù)椐分析等功能。
上世紀90年代初我國就對電子式電能表的電磁兼容性有所要求,至今已經(jīng)歷了4個基本版本的發(fā)展,其中射頻輻射抗擾度試驗的主要變化體現(xiàn)為頻率范圍不斷擴大、場強不斷增強、環(huán)境設(shè)備要求不斷提高。目前最新國家標(biāo)準號為GB/T17215.211-2006。標(biāo)準演變過程如下表所示。
表1 電能表輻射抗擾度試驗的變化
標(biāo)準號 |
JB/T5460-91 |
GB/T17215-1998 |
GB/T17215-2002 |
GB/T17215.211-2006 |
引用 標(biāo)準 |
GB/T13926.3-92 |
IEC1000-4-3:1995 |
GB/T17626.3-1998 |
GB/T17626.3-2006 |
頻率 范圍 |
(27~500)MHz |
(80~1000)MHz |
(80~2000)MHz |
|
試驗 場強 |
10V/m(未調(diào)制) |
10V/m(1kHz正弦波,80%AM調(diào)制) |
(10,30)V/m(調(diào)制) |
|
環(huán)境 設(shè)備 |
屏蔽室 |
GTEM室,推薦電波暗室 |
電波暗室 |
2.1 硬件架構(gòu)
滿足最新標(biāo)準的電能表輻射抗擾度檢測系統(tǒng)必須以電波暗室來構(gòu)建,該項目的硬件主要結(jié)構(gòu)如圖2所示。
項目涵蓋的主要設(shè)備見表2。
表2 主要設(shè)備清單
序號 |
設(shè)備 |
型號 |
工作頻率/指標(biāo) |
備注 |
1 |
主控計算機 |
--- |
--- |
--- |
2 |
射頻信號發(fā)生器 |
R/S SML03 |
9kHz~3.3GHz |
GPIB控制 |
3 |
功率放大器1 |
AR 500W1000A |
80MHz~1GHz |
GPIB控制 |
功率放大器2 |
AR 60S1G3 |
80MHz~3GHz |
GPIB控制 |
|
4 |
發(fā)射天線 |
R/S HL046Z1 |
80MHz~3GHz |
--- |
5 |
被測電能表 |
--- |
--- |
--- |
6 |
電能表檢驗裝置 |
南自三廠 NZ2230 |
0.05級 |
RS232控制 |
7 |
電波暗室 |
ETS Lindgren 3米法 |
14kHz~18GHz |
--- |
8 |
各向同性電場探頭 |
AR HI-6055 |
100kHz~5GHz |
可控 |
該檢測的基本流程是主控計算機通過儀器接口轉(zhuǎn)換器,在GPIB儀器通信總線上控制射頻信號發(fā)生器和功率放大器,使其提供功率足夠的射頻信號輸入發(fā)射天線,在被測電能表所處的測試區(qū)域距離發(fā)射天線3m,稱為均勻域,在此域范圍內(nèi)發(fā)射天線能提供均勻的試驗場強(10V/m或30V/m),利用電能表檢驗裝置(檢表臺)實時采集電波暗室內(nèi)的被測電能表計量誤差數(shù)據(jù),并通過RS-232C串行通信總線發(fā)送給主控計算機,由計算機同步記錄射頻信號測試頻率和被測電能表計量誤差,通過圖形顯示和實時記錄,自動保存超過標(biāo)準限值和可懷疑的敏感數(shù)據(jù),自動出具測試報告。
該系統(tǒng)軟件登錄界面背景就是在電波暗室中的實際應(yīng)用照片,右方是發(fā)射天線,左側(cè)是試驗時安裝在木架上的被測電能表,中間的地面上鋪有鐵氧體吸波材料。
2.2 軟件架構(gòu)
電能表輻射抗擾度(RF-EMS)自動檢測系統(tǒng)軟件主要功能框圖如下。
系統(tǒng)軟件主要功能包括“用戶登錄”、“儀器測試”、“掃頻檢測”、“點頻檢測”、“報告出具”等。下面逐條說明。
功能1“用戶登錄”包括“管理員操作”和普通“用戶登錄”兩個不同級別的用戶登錄部分,輸入正確的用戶名、密碼可成功登錄系統(tǒng),不同級別的用戶登錄對應(yīng)不同的操作權(quán)限。“管理員操作”登錄后可添加、刪除用戶信息,普通“用戶登錄”信息輸入后可更改當(dāng)前用戶密碼,可進入系統(tǒng)軟件,執(zhí)行相應(yīng)功能。界面具有“退出”功能,可完全退出系統(tǒng)軟件。
功能2“儀器測試”指在正式檢測過程開始前,對系統(tǒng)內(nèi)的所有檢測儀器設(shè)備進行設(shè)備狀態(tài)連通性測試。首先在“參數(shù)設(shè)置”欄設(shè)置好系統(tǒng)內(nèi)檢測儀器的通信地址,然后進行被測電能表和電能表檢驗裝置的參數(shù)設(shè)置。分別進行“信號源測試”,如紅燈變綠,則表明通過測試;“功放測試”點擊“打開”能聽到功放開關(guān)自動打開聲音,表明正確連接;“電能表檢驗裝置測試”點擊“電壓升220V”,能聽到該裝置打開內(nèi)部繼電器開關(guān),并將電壓升值220V,外接萬用表可測。以上測試必須全部通過,否則需檢查儀器地址設(shè)置、線纜連接狀態(tài)、接口轉(zhuǎn)換器連接狀態(tài)。
功能3“掃頻檢測”中有“儀器控制”功能,是指從設(shè)置的頻率起始值開始,使測試頻率步進、信號發(fā)生循環(huán)設(shè)置,直至設(shè)置的頻率結(jié)束值,與此同時,把當(dāng)前頻率點和實時誤差數(shù)據(jù)寫入其他相關(guān)功能模塊。“掃頻檢測”功能包括“圖形顯示”和“數(shù)據(jù)顯示”功能,“圖形顯示”能正確標(biāo)識“電能表初始誤差”、“誤差上下限”、“實時誤差”等多條曲線;“數(shù)據(jù)顯示”能正確顯示“電能表初始誤差”、“實時頻率”、“實時誤差”等多個數(shù)據(jù)。另外“掃頻檢測”中的頻率范圍可設(shè),天線極化方向有水平、垂直兩種方法可調(diào),實時誤差曲線可利用“縮放”功能發(fā)大,最大放大倍率30倍。在進行“掃頻檢測”功能時,其他功能模塊灰化,暫時不可使用。
功能4“點頻檢測”中具有“頻率敏感點”測試和“手動測試”,“頻率敏感點”的提取規(guī)則設(shè)置為:超過誤差上下限的所有點以及在功能3“掃頻檢測”中測得的誤差上下限范圍以內(nèi)但偏離初始誤差最大的8個點。點擊紅色“提取”按鈕,自動提取“掃頻檢測”中的頻率敏感點。如無超出誤差上下限的數(shù)據(jù),跳出“無不合格點!”對話框,僅提取在誤差上下限范圍以內(nèi)但偏離初始誤差最大的8個點。點擊敏感點列表右側(cè)“選中”鍵,提取選中頻率點到右側(cè)“當(dāng)前頻率值”,點擊下方“進行測試”,進行該頻率點上的點頻檢測。如誤差超差的,可點擊“記錄”,否則“忽略”。在“點頻檢測”界面,還可以進行頻率范圍內(nèi)任意頻率的“手動測試”,在“手動測試”欄中“測試頻率值”輸入頻率值,點擊下方“進行測試”,可得到該頻率下的電能表誤差值。
功能5“報告出具”功能,在對話框中輸入“樣品名稱”、“型號規(guī)格”、“生產(chǎn)單位”、“委托單位”、樣品編號及日期、溫濕度信息,在一個型號三塊樣表分別測試并點擊“數(shù)據(jù)寫入”后,點擊“確認生成報告”,利用Active X控制Microsoft Office VBA自動填寫我院受控編號為“QRD TI034-2009”的電能表電磁兼容測試報告。
三、技術(shù)難點
3.1 設(shè)備控制
按控制總線接口分類,系統(tǒng)內(nèi)有2類儀器設(shè)備需要控制,第一類包括射頻信號發(fā)生器、功率放大器,這類設(shè)備具有GPIB接口,采用NI USB-GPIB-HS控制器進行連接至主控計算機,計算機不需要打開機箱安裝板卡,只需具有一組USB接口;另外一類儀器是電能表檢驗裝置,因為只具有RS-232C串行接口,所以采用NI USB-232接口線連接至計算機的另外一組USB接口,此時要關(guān)注串口的線序。這兩類設(shè)備分別可以通過GPIB write、GPIB listen以及MSComm控件進行控制,但在LabVIEW中使用VISA控件更為方便。
VISA是虛擬儀器軟件結(jié)構(gòu)體系(Virtual Instrument Software Architecture)的首字母縮寫,是VXI Plug & Play系統(tǒng)聯(lián)盟制定的I/O接口軟件標(biāo)準及相關(guān)規(guī)范的總稱。VISA是一種應(yīng)用于儀器編程的標(biāo)準I/O應(yīng)用程序接口。采用VISA標(biāo)準,就可以不考慮時間以及儀器I/O選擇項,驅(qū)動軟件可以向下兼容。一方面VISA提供了簡單易用的控制函數(shù)集,在應(yīng)用形式上相當(dāng)簡單,另一方面VISA提供了非常強大的儀器控制功能和資源管理,能提供儀器間的互操作性與兼容性。VISA庫函數(shù)作為底層I/O接口軟件駐留在系統(tǒng)管理器(計算機系統(tǒng))中,是實現(xiàn)計算機系統(tǒng)與儀器之間命令與數(shù)據(jù)傳輸?shù)臉蛄骸?/p>
3.1.1 射頻信號發(fā)生器、功率放大器控制指令
使用VISA來控制射頻信號發(fā)生器SML03的指令如下:
:OUTP1:STAT OFF |
|
:OUTP1:STAT ON |
|
:FREQ 80000000 |
;改變頻率 |
:POW -22.0975 |
;改變電平 |
:POW -11.3986 |
;改變電平 |
:AM 80.0PCT;:AM:STAT ON |
;改變調(diào)幅深度 |
:AM 0.0PCT;:AM:STAT ON |
;延時 |
:POW -17.3443 |
;改變電平 |
:FREQ 80800000 |
;以1%步進改變頻率 |
:POW -12.9443 |
;改變電平 |
:AM 80.0PCT;:AM:STAT ON |
;改變調(diào)幅深度 |
:AM 0.0PCT;:AM:STAT ON |
;延時 |
:POW -17.6510 |
;改變電平 |
:FREQ 81608000 |
;以1%步進改變頻率 |
..... |
|
:OUTP1:STAT OFF |
;關(guān)輸出 |
使用VISA來控制功率放大器的指令如下。
POWER:ON |
;打開功放開關(guān) |
Reset |
;復(fù)位 |
LEVel:GAIN<100.0> |
;設(shè)置功放增益(從000.0–100.0)% |
OPERATE |
;動作 |
POWER:OFF |
;關(guān)閉電源 |
3.1.2 電能表檢驗裝置的控制
電能表檢驗裝置采用南京自動化設(shè)備三廠生產(chǎn)的多功能電能表檢驗裝置,型號:NZ2230,這是一臺多功能、寬量程、高精度的智能型電能表檢驗裝置,內(nèi)部本身帶有WINDOWS系統(tǒng),并在該系統(tǒng)上實現(xiàn)對內(nèi)嵌式電能表標(biāo)準表的控制,其內(nèi)部的通信接口為COM2口(串行口2),而內(nèi)嵌WINDOWS系統(tǒng)本身帶有COM1口(串行口1),可以和系統(tǒng)中的主控計算機連接。COM1口在后面板,是一個9針的串行接口(RS232-C)。
由于不能直接和內(nèi)部的COM2口連接,直接控制標(biāo)準表,只可以連接對外的COM1口,因此要在該WINDOWS系統(tǒng)上開發(fā)一個COM1到COM2口的串口接收發(fā)送程序,即主控計算機對COM1口發(fā)命令,該命令通過自行開發(fā)的串口接收發(fā)送程序自動發(fā)送到COM2口上去,同時如果COM2口上有數(shù)據(jù)返回,也被自動送到COM1口上,被主控計算機獲取。
對NZ2230電能表檢驗裝置控制的命令如下。
!UB=220 |
|
!UF=100 |
;設(shè)置額定電壓220V的100%,即220V |
!IB=5 |
|
!IF=100 |
;設(shè)置基本電流5A的100%,即5A |
#C1=1200 |
;設(shè)置被測電能表常數(shù)1200imp/kWh |
#N=5 |
;設(shè)置測量圈數(shù)為5圈 |
#R |
;讀取當(dāng)前電能計量誤差值 |
3.2 計量誤差與EMS頻率自動匹配方法
在射頻電磁場輻射抗擾度測試中,解決電能計量誤差和EMS頻率匹配問題的方法如下:
(1)主控計算機將所需測量的頻率點通過通信系統(tǒng)發(fā)送給射頻信號發(fā)生器,同時通知判定環(huán)節(jié)信號已經(jīng)變化。信號發(fā)生器調(diào)整好所需發(fā)射的頻率點傳送至功率放大器,放大后的信號傳輸至發(fā)射天線,使其在空間中對被測電能表進行干擾,該干擾作為電能表的模擬傳導(dǎo)電磁干擾噪聲;
(2)被測電能表在干擾信號作用下,周期性地產(chǎn)生計量誤差;
(3)電能表檢驗裝置在固定的時間點上,將一個周期內(nèi)的誤差數(shù)據(jù)傳送給主控計算機;
(4)在主控計算機通過通信系統(tǒng)通知判定系統(tǒng)射頻信號發(fā)生器頻率已經(jīng)發(fā)生改變的基礎(chǔ)上,判定系統(tǒng)將電能表檢驗裝置傳送來的第一個數(shù)據(jù)進行舍棄,并傳送接下去的n-1個數(shù)據(jù)給主控計算機;
(5)主控計算機通過對這n-1個數(shù)據(jù)進行平均化后,可得出被測電能表在該頻點下射頻電磁場輻射抗擾度的誤差數(shù)據(jù);
(6)主控計算機改變所需測量頻點并通過通信系統(tǒng)發(fā)送給射頻信號發(fā)生器,重復(fù)步驟1~6直至所有頻點測量結(jié)束。
該過程流程圖如圖11所示。
四、結(jié)論
基于虛擬儀器的智能電能表輻射抗擾度自動檢測系統(tǒng)設(shè)計將虛擬儀器技術(shù)引入電能表電磁兼容測試領(lǐng)域,采用NI不同的儀器接口控制器控制系統(tǒng)內(nèi)多臺儀器設(shè)備,在計算機端采用USB口連接設(shè)備,不需要打開機箱就可以滿足測試系統(tǒng)的控制要求,主控計算機端采用LabVIEW 8.5編寫系統(tǒng)軟件,實現(xiàn)了“儀器測試”、“掃頻檢測”、“點頻檢測”、“報告出具”等功能。
實踐證明,基于虛擬儀器的智能電能表輻射抗擾度自動檢測系統(tǒng)實現(xiàn)測試過程的全自動化,自動控制試驗流程,自動記錄電能表精度數(shù)據(jù),自動進行粗大誤差的篩選和判斷,單個測試工程師即可完成整個測試過程,降低了檢測的工作量,降低了人工干預(yù),并且減少了測試誤差,充分利用了智能儀器的功能,大大提高了工作效率和測量準確性。
標(biāo)簽:
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