（测试计量技术及仪器专业论文）虚拟化电能参数测试与电测仪表自动检定技术研究.pdf

虚拟化电能参数测试与电测仪表自动枪定技术研究 摘要 随着计算机技术的发展，虚拟仪器已经成为电能参数检测发展的重要方向。本文简 要介绍了电能参数检测的意义和现状，指出了传统电能参数检测存在的不足，提出并研 制了一种集电能参数测量、电能质量测试与电测仪表检定等多种功能为一体的虚拟化电 能参数综合测试系统，论述了系统的构成、特点与测量原理，重点介绍了系统功能的虚 拟化软件设计方法。本系统的研制取得了一定的创新性成果。 系统是基于虚拟仪器技术，功能全面、硬件结构简单的智能化测试系统。这种将电 能参数测试与电测仪表检定合二为一的虚拟仪器系统，国内外未见同类报道。 项目研究提出了一种基于傅立叶变换的离散的闪变信息处理方法，建立了相应的信 息处理模型，结合虚拟仪器软件设计，在极少硬件资源的基础上，实现了闪变的实时监 测与记录功能。基于傅立叶变换和虚拟仪器技术的闪变测量方法，属国内外首创。 系统具有传统数字表、指针式仪表和示波器功能，可实现电压、电流实时波形显示、 相位图形显示和谐波柱状图显示，具有数字显示、模拟仪表显示、向量图显示、时域波 形显示、频谱图形显示等多种显示功能。系统可按照检定规程要求，根据被检指针式电 测仪表，自动产生检定点、形成检定记录、完成自动修约、生成检定证书或检定结果通 知书。这种显示形式多样、输出方式灵活的自动测试与检定系统，具有很高的实用性与 市场推广潜力，也为其它自动测试系统研制提供了良好的设计参考。 由于以虚拟仪器技术为核心，系统功能的虚拟化软件设计是系统设计的关键内容。 系统软件功能丰富，硬件结构简单，智能化程度高，为电力行业提供了优良的测试技术 装备和高效率的自动检定工具，具有广阔的应用前景。 关键词：电能参数；自动测试；检定；虚拟仪器；l a b v i e w ：仪器面板；框图程序 硕十学位论文 a b s t r a c t w i t ht h ed e v e l o p m e n to fc o m p u t e rt e c h n o l o g y , v i r t u a li n s t r u m e n th a sb e e na ni m p o r t a n t d e v e l o p i n gd i r e c t i o n o fp o w e rp a r a m e t e rm e a s u r e m e n t t h i sp a p e rb r i e f l yi n t r o d u c e st h e s i g n i f i c a n c e a n dc u r r e n ts i t u a t i o no fp o w e r p a r a m e t e rm e a s u r e m e n t ，p o i n t s o u t e x i s t i n g d e f i c i e n c i e so ft r a d i t i o n a lp o w e r p a r a m e t e rm e a s u r e m e n t ，p u t sf o r w a r da n dd e v e l o p sa v i r t u a l c o m p o s i t i v e t e s t s y s t e m f o r p o w e rp a r a m e t e r s w h i c h i n t e g r a t e s t h ef u n c t i o n so fp o w e r p a r a m e t e rm e a s u r e m e n t ，p o w e rq u a l i t yt e s t i n g a n de l e c t r i c m e a s u r i n gm e t e rv e r i f i c a t i o n ， d i s c u s s e si t s s t r u c t u r e ，c h a r a c t e r i s t i c s a n d m e a s u r i n gp r i n c i p l e s ，t h e nl a y se m p h a s i s o n p r e s e n t i n gi t sv i r t u a ls o f t w a r ed e s i g n t h es t u d y h a sa c q u i r e ds o m ei n n o v a t i v ef r u i t s ， t h e s y s t e m i sai n t e l l i g e n t i z e dt e s ts y s t e mb a s e do nv i r t u a li n s t r u m e n tt e c h n o l o g yt h a th a s c o m p r e h e n s i v e f u n c t i o n sa n d s i m p l e h a r d w a r es t r u c t u r e t n ev i r t u a li n s t r u m e n t s y s t e m c o m b i n i n gt h e f u n c t i o n so fp o w e rp a r a m e t e rm e a s u r e m e n ta n de l e c t r i c m e a s u r i n gm e t e r v e r i f i c a t i o ni sn o tr e p o r t e di nc o u n t r ya n do v e r s e a s t h e p a p e rp u t s f o r w a r daf l i c k e r e v a l u a t i n g m e t h o db a s e do nf f ra n ds e t s u p c o r r e s p o n d i n gi n f o r m a t i o np r o c e s s i n gm o d e l i tu s e sv i r t u a li n s t r u m e n tt e c h n o l o g yt o r e a l i z e r e a l - t i m ei n s p e c t i o na n dr e c o r d i n go ff l i c k e rw i t hf e wh a r d w a r e s t h ef l i c k e rm e a s u r e m e n t m e t h o db a s e do nf f ta n dv i r t u a li n s t r u m e n tt e c h n o l o g yi n i t i a t e sb o t ha th o m ea n da b r o a d t h es y s t e mi n t e r g r a t e st h ef u n c t i o n so ft r a d i t i o n a ld i g i t a li n s t r u m e n t ，d i a li n s t r u m e n ta n d o s c i l l o s c o p i tc a l ld i s p l a yv o l t a g e a n da m p e r er e a l - t i m ew a v e f o r m 。p h a s eg r a p h i ca n dh a r m o n i c h i s t o g r a mt h a th a sm a n yd i s p l a ym o d e s s u c ha sd i g i t a ld i s p l a y , s i m u l a t i o ni n s t r u m e n td i s p l a y , v e c t o g r a md i s p l a y , t i m ed o m a i n w a v e f o r m d i s p l a y a n d s p e c t r u mg r a p hd i s p l a y a c c o r d i n gt ot h et y p eo f v e r i f i e di n s t r u m e n t sa n dc o r r e s p o n d i n gv e r i f i c a t i o nr e g u l a t i o n s ， t h e s y s t e mw i l la u t o m a t i c a l l yg e n e r a t ev e r i f i e dp o i n t s , r e p o r tv e r i f i c a t i o nr e s u l t s 。c o m p l e t e a u t o m a t i cc o r r e c t i o na n dc r e a t ev e r i f i c a t i o nc e r t i f i c a t e s t h ea u t o m a t i ct e s t i n ga n dv e r i f y i n g s y s t e m w i t hv a r i o u s d i s p l a yf o r m sa n df l e x i b l eo u t p u tm o d e sh a sh i i g hp r a c t i c a b i l i t y a n d m a r k e t i n gp o t e n t i a l i t y , a n do f f e r sg o o dd e s i g nr e f e r e n c ef o rt h ed e v e l o p m e n t o fo t h e ra u t o m a t i c t e s ts y s t e m o w i n gt o t h eu s eo fv i r t u a li n s t r u m e n tt e c h n o l o g ya si t sk e r n e l ，t h i st e s t s y s t e mh a s m u l t i f u n c t i o n a ls o f t w a r e ，s i m p l eh a r d w a r ec o n f i g u r a t i o na n dh i 【曲i n t e l l i g e n t i z e dd e g r e e i tc a n p r o v i d ee x c e l l e n t t e s te q u i p m e n t sa n de f f i c i e n ta u t o m a t i cv e r i f y i n gt o o l sf o re l e c t r i cp o w e r b r a n c h e s ，a n dh a sw i d ea p p l i c a t i o np r o s p e c t s i i d u et ot h eu s eo fv i r t u a li n s t r u m e n tt e c h n o l o g ya si t sk e r n e l ，t h ev i r t u a ls o f t w a r ed e s i g n i s t h ek e yo ft h es y s t e mw h i c hh a sm u l t i f u n c t i o n a ls o f t w a r e s i m p l eh a r d w a r ec o n f i g u r e t i o na n d h i g hi n t e n i g e n t i z e dd e g r e e i tc a np r o v i d ee x c e l l e n tt e s te q u i p m e n t sa n de f f i c i e n ta u t o m a t i c v e f i f y i n g t o o l sf o re l e c t r i cp o w e rb r a n c h e sa n dh a se x p a n s i v ea p p l i c a t i o nf o r e g r o u n d k e y w o r d s ：p o w e rp a r a m e t e r ；a u t o m a t i cm e a s u r e m e n t ；v e r i f i c a t i o n ；v i r t u a l i n s t r u m e n t ： l a b v i e w ；i n s t r u m e n tp a n e l ；d i a g r a m 湖南大学 学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的论文是本人在导师的指导下独立进行研究所取 得的研究成果。除了文中特别加以标注引用的内容外，本论文不包含任何其 他个人或集体已经发表或撰写的成果作品。对本文的研究做出重要贡献的个 人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的法律后果 由本人承担。 作者签名：叙设莎日期：叶年午月7 日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意学 校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查 阅和借阅。本人授权湖南大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关 数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位 论文。 本学位论文属于 1 、保密口，在年解密后适用本授权书。 2 、不保密团。 ( 请在以上相应方框内打“”) 作者签名：靛数方 导师签名：懈别i 己 日期：，“十年年月7 日 日期： 口斗年牛月7 日 硕士学位论文 第1 章绪论 随着现代工业、交通的发展，影响电能质量的因素越来越复杂，各种非线性电力负 荷的增加严重影响了用电设备的正常使用、电力参数的准确测量和电能参数测量仪器的 准确校验。传统的电能参数检测系统以硬件为核心，体积庞大，功能单一，已无法满足 日渐复杂的电力参数测试要求。近年来，计算机技术、电子技术、信息处理技术的不断 发展推动了虚拟仪器( v i r t u a li n s t r u m e n t ，简称v i ) 的不断发展。虚拟仪器具有软件功 能丰富、硬件结构简单、智能化程度高等特点，它直观的图形界面和卓越的计算能力使 其在电力工程领域、电力试验研究领域得到了广泛的应用。 本章介绍电能参数检测的目的，简述电能参数检测的发展过程，综述国内外研究现 状，论述虚拟仪器技术在电能参数检测领域应用的意义，介绍项目研究背景与本文的工 作重点。 1 1 电能参数检测的目的 电网容量不断扩大和系统复杂程度不断提高后，各种供、用电设备采用了越来越多 的电子技术和电力电子技术，电能质量影响因素越来越复杂。电力系统中，高压端( 二 次变电站以前) 一般采取各种控制、补偿装置消除电能质量影响因素。而低压配电端不 可能配置体积庞大、价格昂贵的补偿设备，提高电能质量。因此，研究低压端的电能参 数检测，探索提高电能质量的有效方法，具有重要意义。 国外对电能质量的重视和研究始于2 0 世纪8 0 年代末，走过了1 0 多年的发展历程。 国外电能参数检测的主要目的包括1 2 , 3 1 ： ( 1 ) 了解电能质量，对各种电能质量问题进行检测和数据采集，并进行电能质量分 类； ( 2 ) 监测电网的可靠性，为提高电网系统的可靠性提供依据： ( 3 ) 掌握电能质量问题产生的条件，采取相关措施，减少可能造成的损失； ( 4 ) 发现新的电能质量问题。 近年来，我国对电能质量问题越来越重视，各种电能质量检测、补偿设备相继问世。 但我国对电能质量问题研究的主要内容还集中在了解电能质量、对各种电能质量问题进 行检测和数据采集、进行电能质量分类等方面，与国外的研究还存在一定差距。造成这 种差距的主要原因是我国电力供应的供需矛盾，电力供应还远远不能满足经济发展与社 会生活的需要，电力部门的发展重点仍处于扩容建设阶段，电能质量问题尚未成为突出 矛盾。但是，近几年确定的电网改造、电站建设等基本建设完成后，电能供应量将大大 增加，供需矛盾将得到缓和，电能质量无疑将成为作为商品的电力供应与电能使用的重 虚拟化电能参数测试与电测仪表白动检定技术研究 要参数，直接影响供电部门、用电单位经济效益与工作质量。因此，电能质量参数的自 动、准确检测具有广阔的应用前景和巨大的经济价值， 1 2 电能参数检测的发展过程 电能质量关系到用电设备能否经济、商效地运行。电网的谐波含量。零序、负序 分量，电压、电流的真有效值，电压、电流的畸变率和不平衡度，基波频率和功率因数 等是衡量电能质量的主要搓标f ”。为了提高电力系统的运行质量，确保电力系统的安全 运行，提高行业经济效益，必须对电能质量参数进行实时、在线分析、检测、记录，实 现准确计量。 电能参数检测的发展经历了四个阶段，即模拟检测、数字化检测、智能化检测和虚 拟化检测。模拟检测的自动化程度低，系统结构复杂，_ 以模拟技术处理检测信号借助 指针式仪表显示测量结果。数字化检测适应了快速响应和高精度的要求，将模拟信号转 化为数字信号，利用数字技术处理观测信息，并以数字方式输出最终结果。随着计算机 技术的发展，2 0 世纪7 0 年代后出现了以内置微处理器为信息处理核心的智能化检测系 统。检测智能化德到迅速发展。但这类检测设备的功能模块全部都是以硬件或固化的软 件形式存在，无论在开发还是在应用上，都缺乏灵活性，特别是在输出模式和组建灵活 性、修改便捷性等方面有诸多不足。近年来，一种具有更高智能化的检测系统虚拟 化检测系统应运而生。虚拟化检测系统是现代计算机技术、通信技术和测量技术相结合 的产物。它是在必要的数据采集硬件和通用计算机支持下，通过软件来实现仪器的部分 或全部功能。虚拟仪器是传统测量观念的一次巨大变革，也是电能参数检测发展的重要 方向。 1 3 电能参数检测的国内外研究现状 2 0 世纪9 0 年代以来，发达国家十分重视电力系统的运行质量，电能参数测量仪器 和电表校验装置发展迅猛。瑞士l e m 集团公司、澳大利亚红相公司、美国f l u k e 公 司、美国q u a t e c h 公司、意大利i - i t 公司、英国s o l a r t r o n 公司、美国n i 公司等著名企 业在电能质量参数的智能化检测仪器方面进行了大量的研究开发工作，有关电能参数测 量仪器已形成批量产品，产生了规模效益。国内的些大专院校、生产企业也在这方面 傲了大量的努力，北京航天华辉自动化技术有限公司、安徽振兴科技发展有限公司、西 安测控仪表厂、广东河源雅达电子有限公司、上海自动化仪表股份有限公司等单位也在 电能质量参数的智能化检测方面做了大量的努力。但是，目前的电能参数澳0 量仪器均属 以硬件为主体的传统仪器。我国仪器仪表发展较迟，综合技术相对落后，在以硬件为主 的传统仪器研究、制造方面较发达国家有定的差距， 硕士学位论文 近年来，仪器仪表正发生着根本性、跳跃性的变革，传统的以硬件为主体的检测装 置迅速向虚拟仪器方向发展。国内外目前都十分重视虚拟仪器的开发应用。虚拟仪器的 发展也为缩短我国仪器科学技术同国外的差距提供了良好契机。北京东方振动与噪声研 究所、青岛艾诺公司、陕西海泰公司等，在虚拟仪器的工业领域的应用处于领先地位。 可以肯定，在虚拟仪器方面，我国同发达国家处在同一起跑线上。 但结合电力系统的应用，特别是在高速、高效、大容量、多功能、智能化的电能质 量参数在线检测研究方面，以及应用虚拟仪器技术建立便携式电能参数测试设备的研究 方面，目前国内外尚无满意的产品问世。 1 4 虚拟化电能参数检测的意义 传统的电能质量参数模拟检测系统、数字化检测系统和智能化检测系统，都具有独 立的机箱和操作面板，面板上装有开关、旋钮、键盘、显示窗等，各系统的功能由系统 的设计生产单位出厂给定，用户不能根据实际需要更改系统的功能和结构。过去，电能 参数综合测试采用各种测试测量仪器的组合形式，以硬件为核心，系统体积庞大，功能 单，组建成本高，调试周期长，运行可靠性受到制约。而且，系统的任何更改、升级 都涉及硬件电路和系统结构的改动，更改、升级时间长，成本也高。 使用虚拟仪器技术设计测控系统，可以缩短仪器开发周期、降低仪器成本、提高仪 器性能。由于采用图形化编程语言，大大节省了开发人员的编程时间和精力，比采用传 统硬件+ 软件测控系统设计方法，减少2 5 8 0 的开发时间，效率提高4 ，l o 倍。其 次，由于虚拟仪器硬件和软件的标准化、规范化，因此可以根据不同的测量要求，设计 出新的数据采集、分析和表达方案。通过增减少量硬件电路、修改部分软件，重新配置 原有的仪器，创建新的仪器系统，提高系统重组、创建的效率。再者，虚拟仪器具有图 形化用户界面，体现“所见即所得”的思想。传统仪器的控制面板在各种虚拟仪器中都由 具有相应设置选项和结果输出控件的软面板所取代。采用g u i ( g r a p h i c a l u s e ri n t e r f a c e ， 图形用户界面1 使虚拟仪器的使用更为容易，并可提供实时在线帮助嘲。此外，由于虚拟 仪器的接口具有通用性、开放性的特点，因此很容易将现有的设备仪器进行联网，实现 远程测控，提高自动化程度。 因此，研制集电流、电压、相位、频率、谐波、功率因数、功率、电能、闪变、谐 波等电能质量参数的实时、在线检测为一体，快速分析、计算、记录测量结果，显示( 打 印) 信号波形，组建灵活、便于携带的新型虚拟化电能质量参数自动测试系统，具有积 极的社会意义和广阔的市场前景。 虚拟化电能参数测试与电测仪表自动检定技术研究 1 5 项目研究背景 本文研究内容来源于广西电力试验研究院与湖南大学智能仪器研究所联合向广西 电力公司申报的广西电力科技基金项目_ x d z 一1 虚拟化电能参数自动测试系统。该项 目的研究目的是建立电能参数检测的新型智能化处理方法，研制一种集电流、电压、相 位、频率、谐波、功率因数、功率( 有功、无功、视在功率和总功率) 、电能、三相电 压不平衡度、三相电流不平衡度、闪变、谐波、k 因子等电能参数的实时、在线检测为 一体，能够快速分析、计算、记录测量结果，显示( 打印) 信号波形，并具有电测仪表 自动检定功能，组建灵活的新型虚拟化电能参数自动测试系统。 由于采用了虚拟仪器技术，系统的软件功能丰富，硬件结构简单，智能化程度高， 对确保电力系统的安全运行、提高行业经济效益、增加生产企业新的经济增长点都具 有积极意义。 1 6 本文的主要工作 本文是在完成x d z - i 虚拟化电能参数自动测试系统的基础上形成的。论文提出并 研制了一种新型的基于虚拟仪器的电能参数自动测试与电测仪表自动检定系统，介绍了 系统的构成、工作原理和主要功能，对系统的虚拟化软件设计进行了较为系统、详尽、 细致的阐述。 全文分为5 章： 第1 章为绪论，简要介绍电能参数检测的目的和国内外研究现状，简述电能参数检 测的发展过程指出研究虚拟化电能参数测试系统的意义和项目的研究背景。 第2 章给出系统的结构框图、工作流程以及系统主要功能，论述各电能参数的测量 原理。 第3 章简要介绍虚拟仪器的概念及其软件开发平台l a b v i e w ，详细阐述系统各测 量功能模块：伏安铡量模块、相位测量模块、功率阕量模块、电s g 测量模块、谐波分析 模块、闪变测量模块、电能质量参数测试模块及其予模块的软件实现方法。 第4 章详细介绍系统检定模块及其孑模块的软件设计。 第5 章介绍x d z ，1 虚拟化电能参数自动测试系统的检验、应用结果与技术鉴定情 况。总结系统研究的不足，探讨了虚拟化电能参数检测的发展方向。 硕士学位论文 第2 章电能参数测量与电测仪表检定的工作原理 虚拟仪器技术的发展使电能参数检测在智能化、自动化方面迈出一大步。利用计算 机强大的信息处理能力、存储容量和网络功能，可以解决电能参数测量中的数据读取、 记录、分析必须依赖人工完成以及仪器不能直接和其它电网监控、管理系统通讯，信息 资源难以共享的问题。虚拟仪器以软件为主，采用软件技术将目标信号和干扰信号分离 出来而无须增加硬件环节，造价低、抗干扰能力强，便于修改、升级。同时，多种颜色 的趋势曲线、波形、柱状图使测量结果显示更直观【7 1 。 本章介绍虚拟化电能参数自动测试与电测仪表检定系统的构成、工作流程、主要功 能和系统的测量原理。 2 1 系统的构成 虚拟化电能参数自动测试系统由基本硬件电路和软件组成。基本硬件电路包括传感。 器( 含电压、电流互感器) 、信号采集单元、高速数据采集单元、通信接口及计算机主 机( p c 机或工控机) ；软件编程以美国国家仪器公司( n 删o n a l i n s t r u m e n t s ，简 称n i ) 的l a b v i e w 为开发平台。 虚拟化电能参数自动测试系统的基本框图如图2 1 所示( 系统外观图见附录b 图 b 1 3 ) 。 l 竺竺! 兰h 茎墨墨卜厂- 二重拇 计 惮h 源曲秽集桑卜 算 机 圄2 1 虚拟化电能参数自动测逑系统构成框图 系统的电流、电压、频率信号采集单元和闪变采集单元、闪变连线电路端子等安装 在系统的仪器箱中，闪变数据采集卡安装在计算机上。闪变测量信息通过r 6 8 6 8 电缆线 与主机内的数据采集卡连接，其余测量信息通过r s 2 3 2 通信线与计算机连接。计算机 是系统的核心，它完成所有观测信息的读取、分析、处理、存储、显示、打印及通信。 系统的软件开发采用l a b v i e w 图形化编程语言，它具有开发周期短、调试轻松、便于 学习和掌握等特点，是目前使用最广泛的虚拟仪器编程语言之一。 虚拟化电能参数测试与电测仪表自动检定技术研究 系统采用虚拟仪器技术，硬件结构简单，组建十分方便。 2 。1 。1电压、电流、频率信号采集单元 系统通过电压、电流、频率信号采集单元获取需要用于分析处理得出各项电能参数 测量结果的数据。电压、电流、频率信号采集单元可实现高精度的实时采集，获得包括 电压、电流、频率的实时采集数据。测量数据通讯采用r s 一2 3 2 串行通信接口，数据通 信的波特率可在3 0 0 1 1 5 2 0 0 b p s 范围内选取。 信号采集单元电压输入端有v a 、v b 、v c 以及公共端四个固态接点，其指标如下： ( 1 ) 稳态：5 7 2 7 7 ( 1 5 ) v ( 2 ) 过载能力：1 2 0 2 7 7 ( 2 0 ) v ( 3 ) 抗冲击能力：6 k v 峰值( 1 2 5 0 s ) 电压，【，l 和d g n d ( 4 ) 输入阻抗：5 m ，相 电流输入端包括i a 、i b 、i c 、i n 进入和输出，以及接地端九个固态接点，其指标为； ( 1 ) 额定输入：1 1 0 a ( 1 a 额定，1 0 a 最大) 过载能力：5 0 a ( 1 秒) ( 2 ) 抗冲击能力：6 k v 峰值( 1 2 5 0 s ) 电压，l l 和l g n d ( 3 ) 起动电流：0 0 0 1 a ( 4 ) 负载：o 1 5 v a ， 2 a 2 1 2 p c i 6 0 1 3 闪变数据采集卡 计算闪变所需要的数据通过高速数据采集卡获取。本系统使用n 1 公司的p c i 6 0 1 3 数据采集卡。p c i 一6 0 1 3 是n i 公司基本级多功能数据采集产品之一，是一种性能优良、 适合与p c 机连接的数据采集卡，能够完成信号采集、数字信号的模拟输出以及定时、 计数等功能。它有1 6 个模拟量输入通道( 对差分输入是8 对模拟输入通道) 、8 个数字 量i o 口、两个2 4 位的计数器( 用于定时计数功能) ，主要性能指标如下： 提供三种信号输入方式选项：单端无参考地输入、单端有参考地输入及差分输入 放大器增益( 软件设置) ：0 5 、1 、1 0 、1 0 0 量程：分为1 0 v 和0 1 0 v 两种( 分别对应信号为双极性输入方式和单极性输入方 式) 分辨率：1 6 位 单通道最大采样率：2 0 0 千次，秒 数据采集卡的多路开关将多路信号轮流切换到放大器的输入端，实现多参数多路信 号的分时采集。放大器将待采集信号放大或衰减至采样环节的量程范围内。采样，保持器 硕士学位论文 取出待测信号在某一瞬时的值，即实现信号的时间离散化，并在a d 转换过程中保持信 号不变。d 转换器将输入的模拟量转化为数字量输出，并完成信号幅值的量化。 2 2 系统的工作流程 进入系统后，根据需要选择相应的测量功能，系统进入相应的操作面板。从主界面 可以进入伏安测量、相位测量、谐波分析、功率测量、电能测量、闪变测量、电能质量 参数测试、仪表检定系统和设置系统属性等功能界面。 参见图2 , 1 ，系统首先将被测对象经电阻、电容分压采样网络( 大电流、大电压需 经电流、电压互感器转换后送入分压采样网络) ，即传感器采样单元，变成交流小信号， 分别送电流、电压、频率信号采集单元和闪变采集单元。 电流、电压、频率信号采集单元对信号进行处理( 包括滤波、采样保持、信号调理、 整形等) 后送计算机进行后台处理，显示电流、电压、相位、频率、谐波、功率因数、 功率( 有功、无功、视在功率和总功率) 、电能、三相电压不平衡度、三相电流不平衡 度、闪变、谐波、k 因子等电能质量参数的检测结果。 i ：j j 变采集单元对电压信号实施变换后，通过高速数据采集卡对其进行采样，然后将 实时交流电压观测值送计算机进行信息处理，输出闪变检测结果。 测量过程中。系统随时可以根据用户选择自动将测量结果保存为w o r d 文档或启 动打印机以相同的格式打印数据。 电测仪表检定时，将标准电源( 高稳定度的交、直流电压、电流、功率源) 产生的 电压、电流等输出调节至被检表检定点的数值，电流、电压、频率信号采集单元将信号 发生器输出值送计算机后，得到准确数值。系统检定过程中，自动产生检定点、形成检 定记录、完成自动修约、生成检定证书或检定结果通知书。 系统的工作流程如图2 2 所示。 将标准电源同时连接到被检电测仪表和系统的数据采集硬件接口，系统通过对测量 数据的处理完成指针式电压表、电流表、功率表的自动校验和记录存储，并可通过打印 接口打印检定结果。仪表检定系统的构成框图如图2 3 所示。 2 3 系统的主要功能 系统集各电能质量参数实时测量分析、电能计量功能，和仪表检定功能为一体，可 以快速分析、计算、记录测量结果，显示( 打印) 信号波形，自动生成测试结果报表。 其主要功能为：电能参数i 奥：! i 量功能、电能质量参数测试功能、系统检定功能、报表生成 功能、参数虚拟仪器显示功能。 虚拟化电能参数测试与电铡仪表自动检定技术研究 系统初始化 密码验证， 进入系统主界面 伏 安 测 量 相 位 测 量 功ll 电li 谐ll 电能il 闪li 校jl 系11 帮 翥f i 鬟 f 莽 霎萎if 翥 f 翥 i 藿il测li 测l1 分i1 参数il 测ll 功li 设l1 量il 量il 析li 测试ll 量ll 能l1 置il 助 测量结果数据显示 数字化显示、图形化显示( 0 t 安、相位、谐波、闪交、电能质量 测试) ，模拟指针显示( 伏安测量) 暂停i l 保存l i 打印l l 退出l i 测试| | 停止 系用电电l l 关操 统户流压l 】千作 编密变变ll + 使 号码比比i l ：用 修设设设1 1 糸说 改置置置i i 统明 退 出 退出系统 图2 2 虚拟化电能参数自动测试系统工作流程图 2 3 1 电能参数测量功能 电能参数测量功能分为伏安测量、相位测量、功率测量、电能测量、谐波分析、闪 变测量。 ( 1 ) 伏安测量 1 ) 相电压( v ) ：v a 、v b 、v c 、v l n a v g 2 1 线电压( v ) ：v a b 、v b c 、v c a 、v l l a v g 3 ) 电流( a ) ：i a 、l b 、i c 、i a v g 4 )电流( a ) ：中性点或接地电流( 预留) 5 )电压、电流不平衡度( ) 6 1 频率( h z ) ：f 硕士学位论文 i标准电源 i 计 南瓣 算 机 图2 3 仪表检定系统构成框图 ( 2 ) 相位测量 1 、电压相位( o ) ：么u a 、么u b 、么u c 电流相位( o ) ：l i a 、l i b 、l i c 3 1电压电流相位角( o ) ：z u a i a 、么u b i b 、么u c i c ( 3 ) 功率测量 1 、有功功率( k w ) ：k w a 、k 、b 、k w c 、k w 的总值 劲无功功率( k v a r ) ：k v a r a 、k v a r b 、k v a r c 、k v a r 的总值 3 1 视在功率( k v a ) ：k v a a 、k 、，a b 、k v a c 、k v a 的总值 钔功率因数 ( 4 ) 电能测量 1 1双向有功( k w h ) ：输入、输出、总和、净值 2 、双向无功( k v a r h ) ：输入、输出、总和、净值 3 1 双向视在( k v a h ) ：输入、输出、总和、净值 ( 5 ) 谐波分析 1 1总谐波畸变率( ) ：各相电压、各相电流、中性线电流( 预留) 奇次谐波畸变率( ) ：各相电压、各相电流、中性线电流( 预留) 3 1偶次谐波畸变率( ) ：各相电压、各相电流、中性线电流( 预留) 4 、2 1 5 次谐波畸变率( ) ：各相电压、各相电流、中性线电流( 预留) 5 1k 因子；各相电流、中性线电流( 预留) ( 6 ) 闪变测量 1 1 瞬时闪变视感度s ( 0 2 1 短时间闪变值r 长时间闪变值吼 虚拟化电能参数测试与屯铡仪表自动榆定技术研究 2 3 2电能质量参数测试功能 电能质量是指公用电网供到用户受电端的交流电能质量，其衡量的指标有：供电频 率允许偏差、供电电压允许偏差、供电电压允许波动和闪变、供电三相电压允许不平衡 度、电网谐波允许指标。为了加强电网电能质量管理，保证电网的安全运行和电能质 量，维护电气安全使用环境，电力部门需要对电能质量相关指标进行检验和监督。为了 方便用户进行电能质量检验，项目研究增加了电能质量参数测试这一项功能，可同时测 量并记录三相相电压、电压不平衡度、频率、三相电压和三相电流的谐波总畸变率的变 化趋势。每次测量的次数为3 0 ，测量时间问隔可以由用户设定，但不超过2 m i n 。 2 。3 3 系统检定功能 系统可按照电力系统相关标准检定比本系统准确度等级低的交流电流、电压、功率 表。检定过程按照检定规程要求，根据被检指针式电测仪表量程和刻度范围，自动产生 检定点、形成检定记录、完成自动修约、保存和打印检定记录，生成并打印检定证书。 2 3 4 报表生成功能 系统所有的测量结果都可自动生成报表以w o r d 文档格式保存在计算机中或者打 印输出。测试报告中记录了测试的日期时间，系统编号和各参数的测量值，其中电能质 量参数测试的报告中还包含了测量结果的变化趋势图。 2 3 5 参数的虚拟仪器显示功能 利用虚拟仪器图形化的软面板来显示电能参数测量结果的方式有以下五种：指针式 显示、曲线显示、向量图显示、柱状图显示、趋势图显示。 ( 1 ) 指针式显示 利用虚拟仪器软面板上的表盘、指针等控件显示的参数有 1 、三相相电压、相电压平均值 2 1三相线电压、线电压平均值 3 1三相电流、电流平均值 ( 2 )曲线显示 利用l a b v i e w 6 i 的w a v e f o r mc h a r t 控件显示的测量结果有 1 1三相相电压曲线 2 、三相线电压曲线 3 1三相电流曲线 4 、瞬时闪变视感度 ( 3 )向量图显示 硕十学位论文 利用p i c t u r e 控件可以根据相位测量的结果画出相应的向量图。向量图中显示了三相 电压和三相电流的相位。 ( 4 )柱状图显示 利用x y g r a p h 控件可以用柱状图来显示的谐波分析结果有 1 1三相电压2 1 5 次谐波畸变率 2 1三相电流2 1 5 次谐波畸变率 3 1中性线电流2 1 5 次谐波畸变率 ( 5 )趋势图显示 利用w a v e f o r mg r a p h 控件可以显示电能质量参数测试中各参数的3 0 次测量结果的 变化趋势，以便对测试结果进行比较分析，这些参数包括 1 1三相相电压频率 2 1电压不平衡度 3 1谐波总畸变率( 三相电压、三相电流、中性线 电流) 此外，闪变测量中的电压平均有效值也采用了趋势图 的方式显示。 2 4 系统的测量原理 2 4 1 频率软跟踪 电网频率不是恒定不变的。实践证明，如果一个工频 周期的采样点数不同会给测量带来不可忽视的误差1 8 】。为 了准确测量频率，保证在一个周期内采样点数恒定，就需 要采用跟踪采样技术。 基于l a b v i e w 的频率软跟踪方法如图2 4 所示。系 统首先对被测信号采样n 次，每次采样多个工频周期，分 别计算频率，最后取频率的平均值，阻此来确定实际采样 率。为滤除可能会使一个电压周期含有多于两个的过零点 数据采集 i低通滤波】 j 过零检测 0 峰值检测输出峰值索日值 计算峰值索引值 计算频率 墨 否 计算频率平均值及 l采样率 图2 4 频率跟踪流程图 的谐波、扰动、噪声等高频分量，在频率计算前加入了低通滤波器。 频率跟踪主要包括过零检测和计算频率两部分：过零检测是从数字滤波器输出的基 波数据中找出第一个大于或等于零的点。频率测量由l a b v i e w 中的布尔逻辑函数、移 位寄存器、f o r 循环结构实现，由峰值检测子程序找出过零点对应的索引值，并通过索 引值之差以及实际采样时间闻隔，计算出频率及周期的大小。 宣型化电能参数测试与电测仪表自动捡定技术研究 频率软跟踪技术不但可以准确测量频率，还能在测量电流、电压和平均功率等电力 参数时简化运算，有效地抑制由于泄漏效应引起的误差，提高测量系统的准确度i 们。 2 4 2 电压、电流、功率、功率因数测量 电网上的负荷的随时变化将导致瞬时电流l ( f ) 为畸变的正弦波，此时，电流和电压 很难由平均值或最大值测取，功率因数角也不是v ( f ) 和f ( f ) 之间的相位差角。因此，应当 按照电流、电压的真有效值和平均功率的基本定义来测量电力参数： y = 瓜丽 ，= 衙i z ( t ) d t ( 2 1 ) ( 2 2 ) p = 亭e v ( f ( 2 3 ) 式中，v ( f ) 、f o ) 分别是周期为t 的同一电网分支线上的电压、电流的瞬时值，y 、，为 电压、电流的真有效值，p 为平均功率。 若在一个周期内以采样时间间隔乃同时对p o ) 、f o ) 连续采样n 次，得到组采样 数据卜( f lj o ) ( t = 1 ，2 ，) ，其中心、为第k 次采样时刻v o lf ( f ) 的瞬时值。 设第一次采样时间前乃时刻v o lf ( f ) 的瞬时值分别为、f 。采用梯形数值积分方法对 ( 2 1 ) 、( 2 2 ) 、( 2 t 3 ) 三式做数值积分可得： v = l = 孵 居簪l o - - l l , i p 一专卜警 由于采用了跟踪采样技术，使采样频率( 五) 跟踪系统基频( ) 的变化， 为恒定的常数，这样f 0 。0 ，v 。一h 。上面三式又可变为： v 一 ，= ( 2 4 ) ( 2 。5 ) ( 2 。6 ) 故n = a ( 2 7 ) ( 2 8 ) v 2 i p 广酽一菇一接厅啊岳 硕十学位论文 p 。专著v ( 2 ，) 。p = v 。j 。c o s q o ( 2 1 0 ) c o s l p = p 缈，) ( 2 1 1 ) 2 4 3 相位测量 相位测量采用过零鉴相法，这是一种基于微机处理的相位测量数字化方法。过零法 通过计算两个或多个同频信号过零时刻的时问差，将时间差转换为相位差。过零法处理 的信号是实际连续信号采样后的离散数字信号，判断信号过零点是算法的关键【”1 。 相位测量的步骤如下： ( 1 ) 获取两路数字信号值数组。 ( 2 ) 寻找正、负值点，p p + ， 0 。 ( 3 ) 根据正、负值点计算过零点，n 。= ( n ，+ 1 1 2 ) 2 采样值为零，一。为信号真正的零点采样数) ， ( 4 ) 根据两过零点计算时间差，并转换为相位 3 6 0 。 3 6 0 。 妒。丁咀扣了呵 ( n j 到地个采样点之间的 同时计算周期t 。 ( 2 1 2 ) 式中，r 为被测信号周期；f 为两信号过零点时间差；为采样周期；n 为通过两测量 零点之间的采样点数。 这种方法利用计算机对零点进行分析处理，使零点的偏移减小到最小限度，可避免 零点偏移对脉冲计数产生的影响。通过搜索多个零点，利用虚拟仪器软件可以把信号的 过零点较为准确地估计出来。 由于相位测量信号分别从两个独立的通道输入，这两个通道对信号相位将产生不同 的相移，带来相位测量误差；同时，谐波干扰也会影响相位测量结果。为此，设计中采 用了软件修正方法和数字滤波技术【1 1 】，去除信号通道的相移和谐波影响。 2 4 4 闪变测量 电力系统中瞬时耗电较大的负荷会引起电压的重复性波动( 0 5 。3 0 1 - i z ) ，影响灯光 的强度，造成的这种现象通常被称为闪变。闪变是人对照度波动的主观视感1 1 2 】。 i e c 推荐的闪变仪包括输入适配和自检信号、平方检波