直流电能表检验装置设计与实现
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。
LabVIEW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
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