（信号与信息处理专业论文）电能质量分析仪表的检测与校准.pdf

l t l 擘 ? j n 声明户明 本人郑重声明：此处所提交的硕士学位论文电能质量分析仪表的检测与校 准，是本人在华北电力大学攻读硕士学位期间，在导师指导下进行的研究工作和 取得的研究成果。据本人所知，除了文中特别加以标注和致谢之处外，论文中不包 含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得华北电力大学或其他教育 机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献 均已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 学位论文作者签名：堡垒：日期：丝! 旦：竺! ：? 关于学位论文使用授权的说明 本人完全了解华北电力大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权 保管、并向有关部门送交学位论文的原件与复印件；学校可以采用影印、缩印或 其它复制手段复制并保存学位论文；学校可允许学位论文被查阅或借阅；学校 可以学术交流为目的，复制赠送和交换学位论文；同意学校可以用不同方式在不同 媒体上发表、传播学位论文的全部或部分内容。 ( 涉密的学位论文在解密后遵守此规定) 作者签名： 锄伟 导师签名：墨2 苤仝 日期：型旦! 翌! ! 望 0 口 毫 。j ) 0 华北电力人学硕士学位论文摘要 摘要 近年来，随着法制计量不断发展，对电能质量分析仪表的检测校准越来越重要。 本课题采用l a b v l e w 实现电能质量分析仪表检测校准系统。该系统的硬件包括主机、 数据总线和各类仪器。软件结构包括谐波电压电流、电压三相不平衡、闪变、骤降 检测校准以及频谱分析长度检测五个部分。提出了各项电能质量指标的检测校准方 法。依据国家标准编制了谐波电压电流、电压三相不平衡和电压闪变的校准方案： 由电压骤降的定义、敏感设备曲线和起因以及用户的需求制定了骤降检测方案；弗 分析了各指标检测校准的不确定度。提出了利用栅栏效应检测谐波频谱分析长度的 方法，分析了栅栏效应和频谱泄漏的起因，通过仿真讨论了加窗算法的特点，排除 了分组算法和加窗算法结果对检测的干扰，并通过实验证明了该方法的可行性。 关键词：检测校准，电能质量，电压骤降，频谱分析长度 a b s t r a c t w i t ht h ed e v e l o p m e n to ft h el e g a lm e t r o l o g y ，i ti sm o r ea n dm o r es i g n i f i c a n tt o d e t e c ta n dc a l i b r a t et h ep o w e rq u a l i t ya n a l y z e r f i r s t ，t h el a b v i e wh a sb e e nu s e dt o c o m p l e t et h ed e t e c t i o na n dc a l i b r a t i o ns y s t e m ，w h i c hi sm a d eu po fc o m p u t e r s ，d a t a b u s e sa n di n s t r u m e n t s t h es o f t w a r ec o m p r i s e sf i v es u b s y s t e m s ，w h i c ha r eh a r m o n i c ，t h e u n b a l a n c e ，f l i c k e r ，s a g s ，a n df o u r i e rc o n v e r tl e n g t hd e t e c t i o n t h e nc a l i b r a t i o nm e t h o d s o fe a c hi n d e xh a v eb e e np r o p o s e d t h ep l a no fh a r m o n i c s ，u n b a l a n c ea n df l i c k e rh a s b e e nm a d ea c c o r d i n gt os t a n d a r d s ；d e t e c t i o np a r a m e t e r so fs a g sh a v eb e e nc o n f i r m e d b a s e do nc o n s u m e r s r e q u i r e m e n t s ，a n dt h ep l a nh a sb e e nm a d ea c c o r d i n gt od e f i n i t i o n ， s e n s i t i v ee q u i p m e n tc u r v ea n dt h eo r i g i n t h e nt h ec a l i b r a t i o nu n c e r t a i n t yh a sb e e n d i s c u s s e d l a s t ，h u r d l ee f f e c ti sa d o p t e dt od e t e c ts p e c t r a la n a l y s i sl e n g t h t h ea u t h o r h a sa n a l y z e dt h eo r i g i no fh u r d l ee f f e c ta n ds p e c t r u ml e a k a g e ，d i s c u s s e dt h eg r o u p i n g a n dw i n d o wa l g o r i t h m ，s u p p r e s s e dt h ei n t e r f e r e n c eo fg r o u p i n ga n dw i n d o wa l g o r i t h m ， a n di ti sp r o v e dt ob ef e a s i b l eb ye x p e r i m e n t s h ew e i ( s i g n a la n di n f o r m a t i o np r o c e s s ) d i r e c t e db yp r o f k o n gy i n g h u ia n de n g ic a iw e i k e yw o r d s ：d e t e c t i o na n dc a l i b r a t i o n ；p o w e rq u a l i t y ；v o l t a g es a g ；s p e c t r a l a n a l y s i sl e n g t h ，j 华北电力大学硕士学位论文目录 目录 中文摘要 英文摘要 第一章绪论l 1 1 选题背景及意义l 1 2 国内外研究现状2 1 2 1 电能质量分析仪现状2 1 2 2 电能质量标准现状2 1 2 3 自动检测系统现状3 1 2 4 实验室校准系统的研制现状4 1 3 本文所做工作5 第二章基于虚拟仪器的电能质量分析仪自动检测校准系统设计6 2 1 系统硬件结构6 2 1 1 实验室检测校准设备6 2 1 2 自动检测校准系统组成7 2 2 系统软件结构8 2 2 1 软件环境8 2 2 2 电能质量分析仪检测校准软件设计1 1 2 3 本章小结2 0 第三章谐波、三相不平衡、闪变校准2 1 3 1 谐波校准2l 3 1 1 校准方法2l 3 1 2 校准不确定度分析2 2 3 1 3 校准实验及其结果2 5 3 2 电压三相不平衡校准2 6 3 2 1 校准方法2 6 3 2 2 校准不确定度分析27 3 2 3 校准实验及其结果3 0 3 3 电压闪变校准3 0 3 3 1 校准方法3 0 r 华北电力人学硕士学位论文目录 3 3 2 校准不确定度分析31 3 3 3 校准实验及其结果3 3 3 4 本章小结3 4 第四章电压骤降检测35 4 1 检测参数的确定3 5 4 2 检测设置3 5 4 2 1 电压骤降测试规范3 6 4 2 2 电压骤降典型波形3 6 4 2 3 电压骤降定义3 8 4 2 4 电压骤降检测设置3 8 4 3 电压骤降检测的不确定度分析3 8 4 4 实验结果及其分析4 2 4 5 本章小结4 4 第五章频谱分析长度检测4 5 5 1 电能质量分析仪谐波计算。”4 6 5 1 1 谐波计算原理4 6 5 1 2 栅栏效应与频谱泄漏4 7 5 1 3 加窗算法4 8 5 1 4 谐波分组算法4 9 5 2 频谱分析长度检测5 0 5 3 实验结果及分析5 3 5 4 本章小结5 5 第六章总结5 6 参考文献5 7 致 射6 1 在学期间发表的学术论文和参加科研情况6 2 随着科学技术的发展，由于大功率电力电子产品的广泛使用以及其他不对称冲 击性、非线性负荷容量的不断增长，电能质量问题日趋严重，这不仅危害到电力系 统的安全稳定运行，还能造成某些对电能质量要求较高的电力用户( 如纺织行业、机 械电子制造业等) 严重的经济损失【l 】。 电能质量问题分为稳态电能质量和暂态电能质量。具体有：频率偏移、电压偏 移、三相不平衡、电压波动和闪变、电压骤升骤降和电磁瞬态等【2 】。对于上述各项 电能质量指标进行测量监测十分必要。电能质量分析仪、电能质量监测仪以及电能 质量在线监测系统等各种电能质量监测产品的研制成为国内外研究热点。电能质量 监测技术的发展动态就是进一步开发性能优异的在线电能质量监测产品，建立在线 监测的网络化系统，采用实时在线监测，实时获得系统电能质量信息，建立起表征 电能质量的，真正有用的数据库，提供给电力部门实时，详细和准确的数据信息， 在最大程度上削弱电能质量问题所带来的危害【3 】。电能质量分析仪表广泛应用于电 力系统的各个环节，特别是随着电能质量在线监测系统在我国电力系统中的应用实 现，电能质量分析仪表作为前端数据采集装置更显其重要性，其采集数据和分析数 据的准确性直接关系到电能质量监测管理站的分析结果和采取的相关措施。但是电 能质量分析仪表的检测与校准，目前还没有完整的实验室校验规范。 近几年，法制计量不断健全，实验室认可工作不断发展，特别是国际上实验室 的认可和互认的开始，校准工作显得越来越重要【4 】。各个电力研究院都着手建立自 己的校准实验室，为各个发电、供电企业提供检测校准服务。检测定义为：用指定 的方法检验测试某种物体( 包括仪器) 指定的技术性指标。校准可以归结为将测量设 备与测量标准进行技术比较，确定被校测量设备的量值及其不确定度的一组操作【5 】。 电能质量校准实验室也是近几年刚刚起步，还没有一套完整的电能质量分析仪表实 验室检测校准规范。 同时随着数字仪器和单片机技术的发展，逐步发展起来的自动测试系统大大方 便了校准和校验过程，加快了校验的速度，减少了人员误差。自动测试系统是指在 计算机控制下，能自动进行激励、测量、数据处理与显示或输出测试结果的系统。 通常是在标准的测控系统或仪表总线的基础上组建而成的，整个测试过程都是在预 先编制好的测试程序的统一控制下自动完成的，具高速度、高精度、多功能、多参 数和较宽的测量范围等特点【6 】。 华北电力火学硕士学位论文 所以，文中将自动测试系统的思想应用于研制实验室检测校准系统，并完成各 项电能质量指标的检测校准。 1 2 国内外研究现状 国内外研究电能质量监测的很多，包括电能质量在线分析监测装置的研制、电 能质量标准的制定、电能质量分析仪表的校准测试方法等。下面分三个方面阐述与 电能质量分析仪表及其检测校准相关的研究动态。 1 2 1 电能质量分析仪现状 在电能质量分析仪器方面，国内外的公司都相继推出自己的产品。国内厂家有 华辉奥特有限公司、上海宝钢安大电能质量有限公司、安徽振兴科技股份有限公司、 保定三伊方长电力电子有限公司等。国外电能质量监测装置的特点突出表现在功能 丰富和精度高两个方面，如美国的福禄克公司、加拿大电力测量公司、瑞典联合电 力公司、美国e i g 公司、a b b 、施耐德电气等生产的电能质量监测装置具有检测精 度高、检测指标多、功能丰富等特点。其中f l u k e 公司出的1 7 6 0 便携式电能质量监 测装置【_ 7 】1 1 0 】，其基本电力参数测量有电压、电流、频率、有功功率、无功功率、视 在功率、功率因数、有功电度、无功电度等；电能质量参数测量有电压和电流2 5 0 次的谐波和间谐波、t h d 、功率谐波及谐波方向、波动与闪变分析、电压偏差、频 率偏差、三相电压不平衡度等。当前国际上最先进的电能质量分析仪已经具备电能 质量各项指标的测量能力，特别是包括骤降、短时中断、瞬态振荡等暂态事件的捕 捉能力。在数据通信上具备以太网、g p s 等先进快速的通信方式【i l h l 6 】。 1 2 2 电能质量标准现状 为了便于开展电能质量工作，国际上制定了各种电能质量标准。i e e e 和i e c 制定了专门的电能质量标准。国内的电能质量标准大有向国际接轨的趋势，特别是 i e c6 1 0 0 0 标准系列。2 0 0 8 年国家标准化管理委员会将i e c 电能质量相关标准定位 为国家标准。 ( 1 ) 电能质量国家标准的颁布：我国相继颁布了6 个单项电能质量标准，它们 是：g b t1 2 3 2 5 2 0 0 3 电能质量供电电压允许偏差、g b t1 5 9 4 5 1 9 9 5 电能质 量电力系统频率允许偏差、g b t1 5 5 4 3 2 0 0 8 电能质量三相电压不平衡、g b t 1 4 5 4 3 1 9 9 3 电能质量公用电网谐波、g b t1 2 3 2 6 2 0 0 8 电能质量电压波动和 闪变、g b t1 8 4 8 1 2 0 0 1 电能质量暂时过电压和瞬态过电压，标准规定了交流 电力系统中作用于电气设备的稳态电压、频率、三相不平衡度、波动与闪变、波形 畸变以及暂时过电压和瞬态过电压的要求、电气设备的绝缘水平，以及过电压的保 护方法。我国于2 0 0 5 年颁布了电能质量检测装置通用标准，这个标准针对电能 2 用，需要一 个完整统一的实验室校准规范。但是目前还没有一套完整可行的标准规范。文中， 电力系统谐波使用已有的g b t1 4 5 4 3 1 9 9 3 作为检测校准依据，电压偏差和频率偏 差的检测校准使用已有的国家标准：g b t1 2 3 2 5 2 0 0 3 和g b t1 5 9 4 5 1 9 9 5 。电压波 动和闪变根据g b t1 9 8 6 2 2 0 0 5 的规定进行校准。电压骤降与短时中断的检测目前 还没有国标，亦没有国际标准，根据骤降的定义、起因和典型波形进行检测【2 5 1 。傅 里叶变换频谱分析长度是业内很关注的仪器参数，文中根据栅栏效应检测该参数是 否符合标准规定。 1 2 3 自动检测系统现状 在电能质量分析仪表的自动校准测试系统主要有三方面技术：虚拟仪器技术、 总线技术和可编程仪器标准命令。 ( 1 ) 虚拟仪器技术：美国国家仪器公司( n a t i o n a li n s t r u m e n tc o r p o r a t i o n 简称n i ) 首先提出虚拟仪器的概念，2 0 世纪9 0 年代以来，n i 公司己研制出多种总线系统的 虚拟仪器，特别是它推出的l a b v i e w 图形编程环境已享誉世界。在9 0 年代中期以 来，国内测控领域已经逐渐认识到虚拟仪器技术的重要性，积极将其运用到各个行 业，国内已有不少院校和高科技公司( 如哈工大哈特公司、清华大学、西安交大和武 汉高压试验所、中科泛华测控技术有限公司等) 在引进虚拟仪器设计平台，消化推广 n i 公司、h p 公司的虚拟仪器相关产品方面做了大量工作，取得了不小的成就。虚 拟仪器的发展主要取决于三个重要因素。计算机是动力，软件是主宰，高质量的a d 采集卡及调理放大器与互感器是关键【2 6 1 。文中采用n i 的l a b v i e w 编程环境来进行 系统界面的设计。 ( 2 ) 自动测试系统关键的是总线技术，当前用于仪器测量的常用总线主要有： g p i b ( g e n e r a lp u r p o s ei n t e r f a c eb u s ，通用接口总线) 总线技术及其通信协 议：g p i b 总线是一种并行的与可程控测量仪器相连接的标准接口总线系统，是当 前虚拟仪器测试系统设计的主流，能以一种外总线互联的方式将一些智能仪器用机 架或层叠的方式组建开放式自动测试系统。硬件规范和软件协议先后被纳入两个国 际工业标准i e e e4 8 8 和i e e e4 8 8 2 。i e e e4 8 8 通信协议己经实施很多年了，主要 规定了总线的硬件接口功能及数据传输的三线挂钩方式，它为传输数据提供了一种 极为可靠方法，是应用的工业标准协议。i e e e4 8 8 2 标准标准代码、格式、协议 和公用命令，规定了测量仪器在接口方面的全部信息结构和信息交换方式，保证 了仪器之间的通信软件达到高层次的兼容【2 7 】- f 3 们。文中所用的f l u k e6 1 0 0 a 源就是使 用i e e e4 8 8 标准与计算机通信。 3 华北电力人学硕士学位论文 l a n ( l o c a la r e an e t w o r k ，局域网) 总线技术：l a n 是当前仪器广泛使用的总 线技术。所遵循的标准是i e e e8 0 2 系列标准。随着计算机技术的发展，l a n 总线 在仪器测试领域越来越有优势。l a n 最明显的优势在于允许存在连接距离，尤其是 使用了l a n 交换机和路由器之后，l a n 几乎没有连接距离上的限制。l a n 在分布 式处理系统中也有用武之地，多个处理单元可以通过l a n 网络连接，并进行对等 通信。在非分布式系统中，由于l a n 逐渐成为台式机电脑的通用标准，在仪器控 制领域也得到广泛使用，但是也存在一些缺点，比如延时较长【3 1 1 。 串口总线技术：r s 2 3 2 、r s 4 2 2 与r s 4 8 5 都是串行数据接口标准。目前 r s 2 3 2 是p c 机与通信工业中应用最广泛的一种串行接口。r s 2 3 2 被定义为一种在 低速率串行通讯中增加通讯距离的单端标准。r s 2 3 2 采取不平衡传输方式，即所谓 单端通讯。 文中根据现有实验室条件，使用的是基于串口总线、g p i b 总线、l a n 总线的 接口。 ( 3 ) 可编程仪器标准命令s c p i ( s t a n d a r dc o m m a n d s f o r p r o g r a m m a b l e i n s t r u m e n t s ) ：s c p i 旨在规范一套标准的命令集。这个命令集只是一个规范，和硬件 无关，无论是基于g p i b 、串口还是v x i 的任何仪器都可以采用符合s c p i 标准的命 令集。s c p i 允许用相同的代码来控制许多不同的仪器，语法简单有力。在掌握一种 仪器的命令集之后，很容易掌握其他仪器的命令集。纵向上，同一类型的仪器命令 集类似，例如不同数字万用表读取电压的命令是一致的；横向上，不同类型仪器同 种功能的命令也一致，例如示波器、函数发生器的触发命令是一样的。s c p i 的语句 以a s ci i 文本的方式存在，因此可以加入到任何计算机测试编程语言之中，例如 b a s i c 、c 或c + + ；也可以用于如l a b w i n d o w s c v i 、l a b v l e w 或者a g i l e n tv e e 这样的专用测试程序开发环境【3 2 1 【3 6 1 。 1 2 4 实验室校准系统的研制现状 随着实验室认可的发展，各个行业的检测校准均有发展。文献【1 0 】提出了一个 数字输出的电子式互感器校准系统的建立，内容包括：校准系统的构成、用以太网络 通讯的方法实现数字输出数据、误差计算算法的研究、校准系统测试与系统不确定 度分析。2 0 0 8 年7 月浙江计量科学研究院建立了电能质量检测标准装置，该标准装 置集成了美国f l u k e 公司的6 1 3 0 a 三相电能功率标准源、美国r a d i a n 公司的三相电 学标准表r d 3 3 以及德国z e r a 公司的便携式电能测试仪m t3 0 0 0 等测试仪器。但 是该标准装置没有实现骤降和频谱分析长度的检测，且也没有采用自动检测系统校 准，也无正式文字发表。文献【1 l 】研制了电压谐波标准装置，该装置实现谐波参数 的校准，但是不够完全，在此谐波只是电能质量中的一项指标。 4 分析长度检测。 ( 2 ) 确定谐波电压电流、电压三相不平衡、电压闪变的校准方法，该三项指标 有国家标准可循。将检测方法用于多款仪器校准中，并分析不确定度来源，计算不 确定度。 ( 3 ) 探讨电压骤降的检测方法。分析电压骤降的定义、类型、起因及危害。给 出电压骤降与短时中断的检测设置，分析各项检测参数的不确定度。 ( 4 ) 探讨检测频谱分析长度的方法。依据国家标准，从谐波计算原理出发，排 除加窗算法和分组算法对检测的干扰，利用栅栏效应检测频谱分析长度是否为1 0 个周波，谐波计算是否符合标准。 5 华北电力火学硕士学位论文 第二章基于虚拟仪器的电能质量分析仪自动检测校准系统设计 通常把以计算机为核心，在程控指令的指挥下，能自动完成某种测试任务而组 合起来的测量仪器和其它设备的有机整体称为自动测试系统【3 7 1 ，简称 a t s ( a u t o m a t i ct e s ts y s t e m ) 。现代的检测技术、传感技术、显示技术、控制技术、 数字信号处理技术的成果，特别是计算机技术与超大规模集成电路的发展，都为自 动测试技术提供了条件【3 s 1 。 一般来说，自动测试系统包括五部分 ( 1 ) 上位机。主要是计算机，是系统的指挥、控制中心。 ( 2 ) 程控仪器。包括各种程控仪器、激励源、程控丌关、程控伺服系统、执行 元件，以及显示、打印、存储记录等器件，能完成一定的具体的测试、控制任务。 ( 3 ) 总线与接口。连接控制器与各种程控仪器的通路，完成消息、命令、数据 的传输与交换，包括机械接插件、插槽、电缆等。 ( 4 ) 测试软件。为完成测试任务而编制应用软件。例如测试程序、驱动程序等。 ( 5 ) 被测对象。随着测试任务不同，被测对象往往是千差万别，由操作人员采 用非标准方式通过电缆、接插件、开关等与程控仪器、设备相连，得出测试结果。 自动测试系统到目前为止经历了三代的变化历程。第一代自动测试系统的缺点 突出表现在接口的通信和标准化方面。第二代自动测试系统是在标准的接口总线 g p i b 和c a m a c ( c o m p u t e r a i d e d a u t o m a t e dm e a s u r e m e n ta n dc o n t r o l ，计算机辅助 测量与控制) 的基础上，以积木方式组建系统【3 9 1 。第三代则把计算机与测试设备更 紧密地结合起来，用丰富的软件代替仪器的硬件功能。 本课题完成的是电能质量分析仪表的自动检测校准系统，该系统主要组成为上 位机检测校准软件、接口控制器、接口总线、标准源、标准表以及被检测校准仪表。 该系统的主要功能模块分别为谐波( 包括谐波电压和谐波电流校准) 、三相不平衡( 包 括电压三相负序和三相零序不平衡校准) 、电压闪变、电压骤降检测校准以及频谱分 析长度检测。 2 1 系统硬件结构 根据上述自动检测校准系统的组成和实验室条件，现有一台计算机、f l u k e 6 1 0 0 a 标准源和多种电能质量分析仪。最终以计算机为核心，在程控指令的指挥下， 完成检测校准任务。 2 1 1 实验室检测校准设备 ( 1 ) 标准源。检测校准源采用f l u k e6 1 0 0 a 功率电能标准源，f l u k e6 1 0 0 a 系列 6 华北电力大学硕士学位论文 信号源是保证电力测量仪器准确度和溯源性的完整功率标准系统，且本系统中采用 的标准源已经通过中国计量院的校准，准确度等级为o 0 l 。标准源内置g p i b 驱动， 支持仪器命令s c p i 。 表2 1 中列出了通用参数的技术指标。 ( 2 ) 常用的电能质量分析仪。实验最常使用的电能质量分析仪表为f l u k e1 7 6 0 便携式电能质量分析仪，精度为0 1 。实验时以此表作为参考表，需要时作为标准 表。其他电能质量分析仪表主要有p x 5 电能质量分析仪、n 5 0 0 0 高精度功率分析仪、 f l u k e17 6 0 电能质量分析仪，u n i p o w e r 9 0 1 电能质量分析仪、p s 3 电能质量分析仪、 d z 4 电能质量分析仪等。 表2 - 1 通刚参数的技术指标 项目性能 电压电流幅值设置分辨率6 位 基波范围 16 h z 至8 5 0 h z 电源频率锁定4 5 h z 至6 5 9 h z ，由用户决定 频率准确度 5 0 p p m 频率设置分辨率 0 i h z 达到准确度所需预热时间1 5 小时，或停机时间的两倍 输出改变后的稳定时间1 4 秒 电压各相之间的标称相位角 1 2 0 0 同相的电压和电流之间的标称相位角 o o 相位角设置范围 ：t ：18 0 ，蜘弧度 相位角设置分辨率0 0 0 1 。，0 0 0 0 0 l 弧度 电压谐波的最大数量1 0 0 次谐波，含1 次谐波( 基波) 电流谐波的最大数量1 0 0 次谐波，含1 次谐波( 基波) 2 1 2 自动检测校准系统组成 自动测试系统包括五部分： ( 1 ) 上位机为一台普通商用电脑或者工控机，支持u s b 、l a n 、串口和并口。 ( 2 ) 程控仪器：主要为f l u k e6 1 0 0 a 标准源、各种电能质量分析仪。所涉及接 口有g p i b 、l a n 、串口、并口和各种存储卡。 ( 3 ) 接1 3 控制器：g p i b 需要外部接口控制器。实验室根据现场需求采用n i g p i b u s b h s 接口控制器，它使用u s b2 0 标准，融合了一块n it n tg p i ba s i c 和 一块u s b 2 0 高速芯片，以达到8 m b s ( 6 4 m b s ) 的速度。其u s b 端和计算机的u s b 接口相连，另一端和带有g p i b 接口的程控仪器相连接。 ( 4 ) 测试软件：采用l a b v l e w 编写控制软件界面。 7 华北电力大学硕士学位论文 ( 5 ) 被测对象：被测变量为电能质量各项指标。根据实际情况，归纳为谐波电压和 谐波电流、电压负序三相不平衡和零序三相不平衡、电压闪变、电压骤降以及频谱分析 长度。 硬件连接结构图如图2 1 。系统中采用f l u k e6 1 0 0 a 系列信号源作为标准源，由 一个f l u k e6 1 0 0 a 为主机，两个f l u k e6 1 0 1 a 为辅机，外接f l u k en 5 0 0 0 ，模拟电力 系统平衡三相回路。 计算机( 控制软件) g p i b 譬 戛 总 线 贮黻址 囊蓁ll 篓霎蓁 8i i薪矗 蠖 篓霎筹i 析能被1 分电l 篓霎翁l 图2 - 1 自动检测校准系统硬件结构图 ( 1 ) p c 机与f l u k e6 1 0 0 a 标准源之间的数据通信。具体过程为：根据f l u k e6 1 0 0 a 所提供编程语法和命令，将每一个设置用s c p i 仪器通用标准命令编写出来，用l a b v i e w 中的v i s a 组件将指令通过g p i b 控制器写入到源寄存器，从而实现对f l u k e 源的控制。 ( 2 ) p c 机与被检测仪器之间的数据通信。通过串口、并e 1 、l a n 或者存储卡传输数 据。 课题中将f l u k e 公司的n o r m a5 0 0 0 的示值作为谐波校准参考值，将f l u k e1 7 6 0 示 值作为负序电压不平衡、闪变、骤降短时中断检测校准的参考值，便于校准检测时作为 参考。 2 2 系统软件结构 2 2 1 软件环境 课题中采用l a b v i e w 软件编程工具，l a b v i e w 是一个图形化软件开发环境， 尤其在测控系统的开发方面有绝对优势。它不仅提供了几乎所有经典的信号处理函 数和大量现代的高级信号分析工具，而且l a b v i e w 程序还非常容易和各种数据采 集硬件集成，可以和多种主流的工业现场总线通讯以及与大多数通用标准的实时数 据库连接。国内外在科学研究和工程技术的各个领域应用l a b v i e w 开发了大量出 色的测控系统，取得了很多成果。课题中主要采用v i s a ( v i r t u a li n s t r u m e n t ss o f t w a r e 8 位论文 好的兼容性和互操作性。采用s c p i ( 1 ) v i s a 标准。v i s a 实质上是一个i o 接口软件库及其规范的总称。在以往的 虚拟仪器丌发过程中，接口设备驱动控制软件的丌发没有制定同一的规范，仪器厂 商按照各自的标准开发接口设备驱动控制软件出售给用户。由于没有同一的规范约 束，只能专用而没有通用性，因此不同类型的或不同厂家的i o 接口设备必须专门 来设计它的驱动程序。由于这种不可互换性，因而造成用户在集成、使用和维护虚 拟仪器系统时重复投入了大量的资金。v i s a 就是应这种需求问世。 v i s a 是用于虚拟仪器系统的标准a p i ( a p i 是应用软件开发接口，实质是一组 函数集，通过它可以直接访问计算机的硬件设备) 。v i s a 本身不具备编程能力，它 是一个高层a p i ，通过调用底层驱动程序来实现对仪器的编程。其层次如图2 2 所 示。v i s a 可以控制v x i 、g p i b 、l a n 、串行、并行等总线仪器，是仪器驱动程序 发展的一个工业标准。无论接口如何，可以使用相同的操作来与仪器通信。 图2 - 2v i s a 内部机制 作为仪器i o 函数库，v i s a 编程与传统的i o 软件编程基本相同，主要通过设 备i o 端口的读写操作和属性控制，实现与仪器的命令和数据交换。当然，作为一 个完整的i o 软件标准函数库还必须考虑到编程的灵活性和操作的完整性。因此， v i s a 函数按照功能基本上可分为基本i o 、格式化i o 、内存i o 、资源管理、共享 内存管理、事务处理和属性控制等几大类。用户可以在v i s a 中利用命令来控制消 息基的g p i b 仪器，以及带s c p i 命令翻译节点的寄存器基的g p i b 和v x i 仪器。 ( 2 ) s c p i 标准。s c p i 是程控仪器标准命令集，是为控制仪器而设计的编程语言。 s c p i 是i e e e4 8 8 2 ( g p i b ) 标准硬件部分的顶层规范。整个命令可分为两个部分，一 是与测量无关的i e e e4 8 8 2 公用命令，另一部分是仪器特定控制命令。公用命令是 i e e e4 8 8 2 规定的仪器必须执行的命令，其句法与语义均遵循i e e e4 8 8 2 规定。用 来控制重设、自我测试和状态操作，以“木 开头1 4 们。 s c p i 仪器特定控制命令用来从事测量，读取资料及切换开关等工作，包括所有 测量函数及一些特殊的功能函数。不同的仪器具有各自特定的控制命令。 9 华北电力大学硕士学位论文 s c p i 在仪器领域提供了高度的一致性，不论使用示波器还是频率计数器测量频 率，它们使用的命令是完全一样的。控制两台不同厂家的万用表测量电压的指令也 是相同的。因此在许多自动控制应用场合下，s c p i 仪器因为相同的控制命令，而具 有一定的互换能力。使用者不需要了解硬件设备结构，就可以进行测量。 由于在一些测量中需要直接控制仪器设备的硬件，s c p i 提供了命令子系统控制 仪器的功能和设置，这些命令提供了更为精确的控制能力。s c p i 建立一个通用可编 程仪器模型来描述对此功能的实现，此模型将命令集分为树状层次结构，可分为多 个子系统，每个子系统由一个根命令和一个或数个层次命令构成。每个分支对应着 一种信号处理功能。f l u k e6 1 0 0 a 中电压谐波源控制的s c p i 命令结构为 “【s o u r c e ：v o l t a g e ：m h a r m o n i c s ：h a r m o n i c ， 。 实际仪器可根据自身的特点，选择符合仪器模型中的控制功能模块，f l u k e 6 1 0 0 a 标准源包含的子系统如下： ( 1 ) 自校准子系统：完成标准源的自校准功能。 ( 2 ) 输出子系统：完成信号输出控制，直接模式或延迟模式的选择。 ( 3 ) 输入子系统：主要针对骤降外部触发。 ( 4 ) 源子系统：完成信号特性控制。 ( 5 ) 状态子系统：完成操作或者询问事件寄存器的相关控制。 ( 6 ) 系统子系统：仪器内置操作系统的版本、时间、报错等控制。 ( 7 ) 单元子系统：完成各个子功能模块的通用设置。 f l u k e6 1 0 0 a 的i e e e4 8 8 2 标准的消息交换图如图2 3 所示命令通过i e e e 4 8 8 2 接口进入i o 控制器，之后存入输入缓存，进入解析器进行解析，生成可执 行消息到功能设备模块，执行命令，同时将响应消息送入输出队列，返回到i o 控 制器。 1 0 华北电力大学硕士学位论文 图2 - 3f l u k e6 1 0 0 a 的i e e e4 8 8 2 标准的消息交换图 2 2 2 电能质量分析仪检测校准软件设计 电能质量分析仪表检测校准系统软件的功能主要包括五个方面： ( 1 ) 谐波校准子系统的构成和功能； ( 2 ) 三相不平衡校准子系统的构成和功能； ( 3 ) 电压闪变校准子系统的构成和功能： ( 4 ) 电压骤降检测子系统的构成和功能； ( 5 ) 谐波频谱分析长度检测子系统。 系统运行的流程图如图2 - 4 ，检测校准系统总界面图如图2 5 。 1l 华北电力大学硕士学位论文 图2 - 4 测试系统运行流程图 如上图所示，系统运行的流程为：打开系统进入系统主界面，根据需求选择对 应的检测校准子系统；v i s a 读写函数将s c p i 仪器控制命令通过g p i b u s b h s 接 口卡写入f l u k e6 1 0 0 a 标准源，实现对其的设置并输出对应设置的源信号；通过 l a b v i e w 中的系统命令调用函数调用仪器驱动，进入仪器操作界面，实现对电能质 量分析仪表的控制以及对应电能质量指标的测量，并将需要的数据保存，进行后续 的分析比对；退出系统。 1 2 华北电力大学硕士学位论文 图2 - 5 测试系统总界面图 ( 1 ) 谐波校准子系统。 谐波校准子系统的设计与标准源性能和被校准仪表功能有很大关系。根据国标 考察谐波含有率指标。 f l u k e6 1 0 0 a 的谐波技术指标为：可产生2 次和1 0 0 次谐波，最高6 k h z ：可同 时使用的谐波为9 9 个( 不包括直流和1 次谐波) ：每次谐波的最大幅值：低于2 8 5 0 h z 的谐波的最大值为量程的3 0 ；电流通带带宽设置为1 5 k h z 或6 k h z 。( 选择较低的 带宽设置会减少可以设置的谐波的数量，但是能够提高感性驱动能力) 。 谐波可设参数为谐波次数、谐波幅值( v 或者) 、谐波相角。文中只根据g b t 1 4 5 4 9 1 9 9 3 的规定，设置相应的谐波幅值和谐波次数。 谐波校准设置的设计：实验室使用的电能质量分析仪在进行实际测量任务时， 一般最常用的是3 、5 、7 、1 3 、2 4 、2 5 次，谐波校准的次数范围为1 2 5 次各次。实 际校准时，根据被检电能质量分析仪的具体性能决定校准谐波次数。测谐波不能单 设( 单设无法考察仪器分析多个谐波时结果是否正确) ，但也不能1 2 5 次谐波全部都 测( 导致结果误差较大) 。在通常情况下，根据大量实验，同时也为了提高校准速度 节省时间，将1 2 5 次谐波分成四个谐波组进行测量，分别是：低频奇次谐波( 3 、5 、 7 、9 、1 1 、1 3 ) 、高频奇次谐波( 1 5 、1 7 、1 9 、2 l 、2 3 、2 5 ) 、低频偶次谐波( 2 、4 、6 、 8 、1 0 、1 2 ) 和高频偶次谐波( 1 4 、1 6 、1 8 、2 0 、2 2 、2 4 ) 。在下面特殊情况下特殊处 理：一是对于老旧电能质量分析仪，只校准1 3 次以下谐波和2 5 次谐波。二是有部 分仪器由于其内部电路和算法上的差异，导致高次谐波不能很准确的分析，此时在 校准高次谐波时可灵活操作，可不用谐波组校准，而采用单次谐波校准，因此系统 1 3 华北电力大学硕士学位论文 中也设计了单次谐波设置模块。 谐波校准予系统简介：f l u k e 源在校准过程中充当标准源和标准表。子系统软 件前面板如图2 - 6 所示，“谐波设置 为一枚举变量，用来调用所需的s c p i 控制命 令，同时后台写命令程序将控制命令读入的f l u k e6 1 0 0 a 中，解析之后执行命令。 “确定 、“输出关闭按钮用于控制f l u k e6 1 0 0 a 标准源主机上的信号输出开关， “单次谐波设置是为了方便在特殊情况下点击进入子程序进行单次谐波设置。 “f l u k e1 7 6 0 数据处理与分析 、“u 9 0 1 数据处理与分析和“f l u k en 5 0 0 0 数据处 理与分析 按钮可以分别调用对应的仪器控制程序以完成信号的测量。用事件功能 实现各个按钮功能转换。后台程序图如图图2 7 所示，首先是根据s c p i 语法和仪 器编程说明，编写对应信号的控制命令。使用者由“谐波设置 中选取某一设置同 时，程序调用对应的s c p i 命令文件，通过v i s a 的i o 写函数将其写入到u s b g p i b 接口控制卡中，并传送至源，内置在f l u k e6 1 0 0 a 中的i e e e4 8 8 驱动解析a s ci i 码，并执行命令。对源设置完毕之后，输出设置信号。点击各个电能质量分析仪对 应的按钮，进入对应的仪器界面，进行各个参数的读取、分析和保存。 图2 - 6 谐波校准子系统前面板图 ( 2 ) 电压三相不平衡校准子系统。 三相电压不平衡的来源于电压幅值不等或者三相相角相差非1 2 0 0 ，因此需要设 置标准源的电压幅值与相角。根据相关国家标准校准负序电压三相不平衡度和零序 电压三相不平衡度。 本课题系统中，电压三相不平衡度校准子系统分为三个部分： 标准源：需要控制标准源输出对应不平衡度的电压幅值和相角，可以通过 s c p i 命令设置实现。 1 4 华北电力大学硕士学位论文 图2 - 7 谐波校准子系统后台程序图 标准值：通过计算得出标准值。由于标准源经中国计量院校准，不确定度 为o o l 0 0 2 之间，因此认为f l u k e6 1 0 0 a 所见即所得。此处直接采用设置值在 子系统软件中计算得出三相电压不平衡度的标准值。 采用