基于虛擬儀器的智能電表輻射抗擾度自動測試系統(tǒng)設計

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)傳送技術帶來了抄表技術的革新，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，這對相應的電磁兼容測量測試技術提出了更高的要求。

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)正是射頻輻射領域的一項重要的EMS測試，如圖1所示。

圖1電磁兼容測試結(jié)構(gòu)示意圖

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?Objected)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。在測量測試領域，測試工程師需要有更大的自主性，這樣才能面對復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)平臺是應對測量測試領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，顯示出相應的電能。智能電能表通常還具有有/無功測量、網(wǎng)絡遠傳、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)境設備要求不斷提高。目前最新國家標準號為GB/T17215.211-2006。標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

標準號

JB/T5460-91

GB/T17215-1998

GB/T17215-2002

GB/T17215.211-2006

引用

標準

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。

圖2 硬件主要結(jié)構(gòu)

項目涵蓋的主要設備見表2。

表2 主要設備清單

序號

設備

型號

工作頻率/指標

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 Lindgren3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，自動保存超過標準限值和可懷疑的敏感數(shù)據(jù)，自動出具測試報告。

圖3 主要設備圖示

該系統(tǒng)軟件登錄界面背景就是在電波暗室中的實際應用照片，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。

圖4 電波暗室內(nèi)部圖

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。

圖5 電能表RF-EMS系統(tǒng)軟件功能框圖

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不同的操作權限。“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前用戶密碼，可進入系統(tǒng)軟件，執(zhí)行相應功能。界面具有“退出”功能，可完全退出系統(tǒng)軟件。

圖6 登錄界面

功能2“儀器測試”指在正式檢測過程開始前，對系統(tǒng)內(nèi)的所有檢測儀器設備進行設備狀態(tài)連通性測試。首先在“參數(shù)設置”欄設置好系統(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，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置、線纜連接狀態(tài)、接口轉(zhuǎn)換器連接狀態(tài)。

圖7 功能2“儀器測試”界面

功能3“掃頻檢測”中有“儀器控制”功能，是指從設置的頻率起始值開始，使測試頻率步進、信號發(fā)生循環(huán)設置，直至設置的頻率結(jié)束值，與此同時，把當前頻率點和實時誤差數(shù)據(jù)寫入其他相關功能模塊。“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，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。

圖8 功能3“掃頻檢測”界面

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。

圖9 功能4“點頻檢測”界面

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。

圖10 功能5“報告出具”界面

三、 技術難點

3.1 設備控制

按控制總線接口分類，系統(tǒng)內(nèi)有2類儀器設備需要控制，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，此時要關注串口的線序。這兩類設備分別可以通過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接口軟件標準及相關規(guī)范的總稱。VISA是一種應用于儀器編程的標準I/O應用程序接口。采用VISA標準，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，在應用形式上相當簡單，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

Reset

;復位

LEVel:GAIN100.0>

;設置功放增益(從000.0–100.0)%

OPERATE

;動作

POWER:OFF

;關閉電源

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

;設置額定電壓220V的100%，即220V

!IB=5

!IF=100

;設置基本電流5A的100%，即5A

#C1=1200

;設置被測電能表常數(shù)1200imp/kWh

#N=5

;設置測量圈數(shù)為5圈

#R

;讀取當前電能計量誤差值

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。

圖11電能表計量誤差與EMS頻率自動匹配流程圖

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)設計將虛擬儀器技術引入電能表電磁兼容測試領域，采用NI不同的儀器接口控制器控制系統(tǒng)內(nèi)多臺儀器設備，在計算機端采用USB口連接設備，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，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。