張 靜，周興廣，劉 芳，王 萌

(北京強(qiáng)度環(huán)境研究所，北京 100076)

0 引言

現(xiàn)代工業(yè)飛展迅猛，隨之而來的電力系統(tǒng)的非線性沖擊負(fù)荷也大量涌入，引發(fā)了諸如諧波失真、噪音、閃變等問題，電能質(zhì)量問題逐漸引起廣泛關(guān)注。為了有效監(jiān)測和分析電網(wǎng)運行參數(shù)，改善電網(wǎng)的電能質(zhì)量，保證供電系統(tǒng)安全和電網(wǎng)穩(wěn)定運行，各種類型的電能質(zhì)量分析儀被廣泛投入使用。根據(jù)國家的儀器使用規(guī)范，電能質(zhì)量分析儀的校準(zhǔn)是保證電能質(zhì)量分析儀測量結(jié)果準(zhǔn)確可靠的前提[1-2]。

目前，我國絕大多數(shù)的電能質(zhì)量分析儀計量檢定機(jī)構(gòu)仍舊采用傳統(tǒng)校準(zhǔn)方式，因為自動化程度低，計量人員需要手工操作標(biāo)準(zhǔn)源，記錄被校準(zhǔn)設(shè)備的數(shù)據(jù)，工作量大，耗時長，有時難免出現(xiàn)人為操作的誤差和錯誤，特別是如Fluke1760等設(shè)備還需要保存數(shù)據(jù)后再導(dǎo)出數(shù)據(jù)、分析結(jié)果，不但繁瑣，而且還給校準(zhǔn)工作帶來不必要的麻煩。因此，研究電能質(zhì)量分析儀自動校準(zhǔn)技術(shù)，設(shè)計與研發(fā)一種低成本、多功能、自動化程度高和性能好的校準(zhǔn)系統(tǒng)，具有積極的社會意義和廣闊的市場前景[3-5]。

針對現(xiàn)有校準(zhǔn)工作中存在的問題，設(shè)計了電能質(zhì)量在線自動校準(zhǔn)系統(tǒng)，只需要用戶對所需要校準(zhǔn)的項目、校準(zhǔn)點數(shù)及具體參數(shù)進(jìn)行設(shè)置，點擊開始校準(zhǔn)，系統(tǒng)自動完成對標(biāo)準(zhǔn)源的設(shè)置輸出、待電能質(zhì)量分析儀輸出穩(wěn)定后采集數(shù)據(jù)，電能質(zhì)量分析儀的校準(zhǔn)數(shù)據(jù)的在線顯示、自動完成合格與否的判定，待校準(zhǔn)結(jié)束后，可一鍵生成校準(zhǔn)報告。大大減少由于人工操作所帶來的誤差，提高校準(zhǔn)的準(zhǔn)確性和效率，在電能質(zhì)量計量領(lǐng)域有著重要的應(yīng)用價值。

1 系統(tǒng)構(gòu)成及原理

自動校準(zhǔn)系統(tǒng)的組成包括：標(biāo)準(zhǔn)源，被校準(zhǔn)設(shè)備和計算機(jī)。如圖1所示，上位機(jī)計算機(jī)，是系統(tǒng)的指揮控制中心。在線自動校準(zhǔn)系統(tǒng)軟件負(fù)責(zé)輸入校準(zhǔn)項目和校準(zhǔn)點信息，軟件自動控制標(biāo)準(zhǔn)源發(fā)送校準(zhǔn)信號，待被校準(zhǔn)設(shè)備的輸出數(shù)據(jù)穩(wěn)定后自動采集，自動顯示校準(zhǔn)結(jié)果。待完成校準(zhǔn)過程，一鍵生成校準(zhǔn)報告。計算機(jī)和標(biāo)準(zhǔn)源Fluke6100B之間通過NI USB轉(zhuǎn)GPIB連接，被校準(zhǔn)設(shè)備因為涉及型號較多，要根據(jù)不同型號確定連接方式(網(wǎng)口和串口通訊)等。

圖1 校準(zhǔn)系統(tǒng)構(gòu)成

當(dāng)標(biāo)準(zhǔn)源和被校準(zhǔn)設(shè)備線纜連接完畢后，可按照圖2所示的軟件流程進(jìn)行校準(zhǔn)。打開軟件后，按照校準(zhǔn)規(guī)范的要求，輸入被校準(zhǔn)設(shè)備的信息，設(shè)置校準(zhǔn)源和被校準(zhǔn)設(shè)備的地址信息，進(jìn)行連接，如果設(shè)備連接不成功，則檢查設(shè)備地址信息設(shè)置是否正確或線纜連接是否完好，再次進(jìn)行連接，如果連接成功，則讓標(biāo)準(zhǔn)源輸出2 V電壓進(jìn)行自檢。自檢完成后，按照校準(zhǔn)項目和校準(zhǔn)點進(jìn)行參數(shù)設(shè)置，設(shè)置完成后，點擊校準(zhǔn)按鈕后，按照校準(zhǔn)設(shè)置控制標(biāo)準(zhǔn)源輸出，待校準(zhǔn)設(shè)備信號輸出穩(wěn)定后采集校準(zhǔn)值，接下來判斷是否為最后一個校準(zhǔn)點，如果不是，繼續(xù)標(biāo)準(zhǔn)信號源輸出，采集被校準(zhǔn)設(shè)備校準(zhǔn)值，直到最后一個校準(zhǔn)點結(jié)束校準(zhǔn)過程。校準(zhǔn)過程可在界面實時顯示。校準(zhǔn)完成后，可一鍵生成校準(zhǔn)報告。

圖2 自動校準(zhǔn)軟件流程圖

2 軟件實現(xiàn)

LabVIEW是NI公司推出的一種基于圖形化的編程語言，其界面簡潔，功能強(qiáng)大，在自動測試測量領(lǐng)域應(yīng)用廣泛。借助虛擬儀器軟件體系(virtual instruments software architecture，VISA)組件中的儀器編程標(biāo)準(zhǔn)I/O API，可控制GPIB、串口、USB、以太網(wǎng)等接口儀器，并根據(jù)使用儀器的類型調(diào)用相應(yīng)的驅(qū)動程序。而且目前大多數(shù)主流的測試儀器和數(shù)據(jù)采集設(shè)備都有專門的LabVIEW驅(qū)動程序，相對于其他編程語言來說LabVIEW控制這些設(shè)備更加便捷[6-8]。根據(jù)實際情況，本系統(tǒng)被校準(zhǔn)的設(shè)備，如Fluke1760，F(xiàn)luke Noma 4000/5000，橫河210、230和1 600/1 800系列設(shè)備廠家都提供了LabVIEW驅(qū)動程序庫。充分考慮后，采用LabVIEW2012平臺進(jìn)行軟件的開發(fā)。

考慮到需要校準(zhǔn)的質(zhì)量分析儀廠家和型號較多，而且技術(shù)日新月異，會不斷有新的廠家和新型號的電能質(zhì)量分析儀產(chǎn)品研發(fā)出來，需要進(jìn)行校準(zhǔn)，所以程序在與被校準(zhǔn)設(shè)備交互方面采用了可編程儀器標(biāo)準(zhǔn)命令(standard commands for programmable instruments SCPI：ASCII碼命令字符串的標(biāo)準(zhǔn))于儀器編程[9-11]。SCPI命令的縱向兼容、橫向兼容和功能兼容特性，使得可以采用相同的命令和參數(shù)來控制具有相同功能的儀器，提高了校準(zhǔn)程序的擴(kuò)展性。

2.1 軟件結(jié)構(gòu)設(shè)計

電能質(zhì)量在線校準(zhǔn)軟件主要包括儀器信息錄入、自檢，校準(zhǔn)配置、校準(zhǔn)和校準(zhǔn)報告生成等部分，操作人員設(shè)置好校準(zhǔn)項目和校準(zhǔn)參數(shù)后，可由軟件自動完成校準(zhǔn)過程，用戶也可以實時地對校準(zhǔn)數(shù)據(jù)進(jìn)行監(jiān)控和存儲。軟件主界面如圖3所示。

圖3 電能質(zhì)量在線校準(zhǔn)主界面

1)儀器信息錄入:儀器信息錄入部分主要完成被校準(zhǔn)儀器的基本信息設(shè)置，儀器類型包括Fluke1760、Fluke Noma 4000/5000、WT 200系列，WT1600系列和WT1800系列。

2)自檢:設(shè)置校準(zhǔn)源和被校準(zhǔn)設(shè)備的IP地址，連接設(shè)備，連接成功后，進(jìn)行自檢，檢查被校準(zhǔn)設(shè)備及校準(zhǔn)源的連接是否正確，校準(zhǔn)源輸出和被校準(zhǔn)設(shè)備的采集是否正常。

3)校準(zhǔn)配置:校準(zhǔn)配置界面主要完成被校準(zhǔn)設(shè)備需要校準(zhǔn)項目及各個校準(zhǔn)項目的校準(zhǔn)參數(shù)的設(shè)置?？牲c擊全選按鈕，勾選所有校準(zhǔn)項目，包括直流電壓、直流電流、交流電壓、交流電流、交流功率、諧波電壓、諧波電流、頻率、電能和閃變，如部分勾選，則可選擇所需的校準(zhǔn)項目，當(dāng)前設(shè)置的模板自動保存。

4)校準(zhǔn):點擊校準(zhǔn)按鈕，按照校準(zhǔn)設(shè)置逐點完成被校準(zhǔn)設(shè)備所有項目的校準(zhǔn)。

5)校準(zhǔn)報告生成:校準(zhǔn)報告生成，主要是完成被校準(zhǔn)設(shè)備所有項目下校準(zhǔn)點的校準(zhǔn)報告生成，方便用戶。

2.2 關(guān)鍵技術(shù)及實現(xiàn)

2.2.1 狀態(tài)機(jī)架構(gòu)

程序中所用的狀態(tài)機(jī)架構(gòu)是一套功能強(qiáng)大的開發(fā)架構(gòu)，具有如下優(yōu)點：

1)采用多線程技術(shù)將程序分成多個線程并行運行，合理利用系統(tǒng)資源，結(jié)構(gòu)清晰明確，便于功能擴(kuò)展。

2)降低不同功能代碼之間的耦合度，高度模塊化，便于代碼的閱讀與維護(hù)。

3)保證系統(tǒng)的可擴(kuò)展性、可重用性及維護(hù)性等。

4)當(dāng)現(xiàn)場或用戶需求發(fā)生變化時，能方便地完成軟件的更新和升級。

5)每一個功能都在獨立分支完成，對于開發(fā)人員不需要花費太多時間就能很好地完成一個復(fù)雜的功能。

在LabVIEW中，狀態(tài)機(jī)結(jié)構(gòu)使得程序中多個事件彼此之間的邏輯關(guān)系更加的清晰明了，事件之間的處理更加簡單?；緺顟B(tài)機(jī)是由while循環(huán)+case結(jié)構(gòu)構(gòu)成的，while循環(huán)保持狀態(tài)機(jī)連續(xù)運行；case條件結(jié)構(gòu)對每一個狀態(tài)都配備一個分支進(jìn)行判斷，控制狀態(tài)機(jī)的跳轉(zhuǎn)[11]。另外在一個完整的狀態(tài)機(jī)中，一般還會提供初始化狀態(tài)，在初始化狀態(tài)中對程序中的變量等進(jìn)行初始化工作。本狀態(tài)機(jī)在LabVIEW基本狀態(tài)機(jī)的基礎(chǔ)上，進(jìn)行了架構(gòu)的改造和豐富，設(shè)計的LabVIEW狀態(tài)機(jī)結(jié)構(gòu)如圖4所示。

圖4 狀態(tài)機(jī)架構(gòu)

1)初始化，狀態(tài)機(jī)的入口，程序開始后，首先進(jìn)入Init分支，可以將程序相關(guān)的變量等初始化工作放在本分支完成。

2)當(dāng)前狀態(tài)，當(dāng)前程序要跳轉(zhuǎn)的分支。

3)結(jié)束條件，while循環(huán)結(jié)束的條件。

4)增加新事件，可通過5事件輪檢和7外部事件兩種方式增加新的事件。

5)事件輪檢，將輪檢結(jié)果組成一維布爾數(shù)組輸入增加新事件VI，該VI如圖5所示。

圖5 增加新事件代碼

事件輪檢和事件集合除No Action外一一對應(yīng)，增加新事件VI可以將布爾為真的事件分揀出來，增加到新的事件集合中。

6)事件集合，與事件輪檢配合使用，是事件輪檢對應(yīng)的事件分支名稱。

7)外部事件，通過隊列的方式，可以將其他VI的觸發(fā)的事件引入該狀態(tài)機(jī)，使得該程序相應(yīng)代碼的執(zhí)行。

8)狀態(tài)集合，狀態(tài)機(jī)中所有狀態(tài)分支，可根據(jù)需要增加刪減。

此外，該狀態(tài)機(jī)的Start Engine分支，主要實現(xiàn)本程序中多個線程的同時開啟，合理利用系統(tǒng)資源。Close Engine分支關(guān)閉多個線程。在該程序中，數(shù)據(jù)采集、存儲、顯示可分為3個引擎，并行執(zhí)行。外部事件部分也是該狀態(tài)機(jī)的特別之處，完美解決了普通狀態(tài)機(jī)只能由自身事件和按鈕狀態(tài)觸發(fā)，而無法接收外部觸發(fā)指令的難題。

2.2.2 自動校準(zhǔn)

電能質(zhì)量在線校準(zhǔn)程序設(shè)計中的一個關(guān)鍵問題就是如何實現(xiàn)多種校準(zhǔn)項目下的多個校準(zhǔn)點的自動校準(zhǔn)工作。這其中包括校準(zhǔn)源Fluke 6100B的各種項目的程序設(shè)計及實現(xiàn)，各種校準(zhǔn)設(shè)備的校準(zhǔn)點數(shù)據(jù)采集以及校準(zhǔn)源及被校準(zhǔn)設(shè)備之間校準(zhǔn)信號發(fā)送后校準(zhǔn)設(shè)備校準(zhǔn)點采集之間的配合等。自動校準(zhǔn)過程的詳細(xì)步驟如圖6所示。

圖6 自動校準(zhǔn)流程

校準(zhǔn)源各種信號的自動設(shè)置，包括直流電壓、直流電流、交流電壓、交流電流、交流功率，諧波電壓、諧波電流、頻率、電能和閃變，其程序界面如圖7所示。

圖7 校準(zhǔn)配置

校準(zhǔn)配置模塊將本次校準(zhǔn)需要進(jìn)行的校準(zhǔn)項目和校準(zhǔn)參數(shù)設(shè)置好后，程序負(fù)責(zé)將設(shè)置好的項目和校準(zhǔn)信息按照單點信號源參數(shù)簇{設(shè)備類型，校準(zhǔn)設(shè)備，通道數(shù)，校準(zhǔn)項目，參數(shù)一，參數(shù)二，參數(shù)三，參數(shù)四，不確定度}進(jìn)行統(tǒng)一處理，具體信息如表1所示，打包成一維簇數(shù)組，名稱為參數(shù)上傳。

在校準(zhǔn)參數(shù)設(shè)置點擊確定后，進(jìn)入隊列事件分支，將一維簇數(shù)組>參數(shù)上傳的校準(zhǔn)信息入隊列，如圖8所示，等待操作人員點擊自動校準(zhǔn)時使用。當(dāng)點擊自動校準(zhǔn)后，在狀態(tài)機(jī)的事件輪檢中判斷校準(zhǔn)信息隊列元素個數(shù)是否大于零，如果有元素則進(jìn)入Fluke 6100B狀態(tài)分支，根據(jù)本次校準(zhǔn)設(shè)置的校準(zhǔn)信息將校準(zhǔn)信號源Fluke 6100B的信號發(fā)送出去，每次進(jìn)入圖9所示的程序，按照單點信號源參數(shù)簇>校準(zhǔn)項目{直流電壓、直流電流、交流電壓、交流電流、交流功率，諧波電壓、諧波電流、頻率、電能和閃變}，選擇進(jìn)入相應(yīng)的分支，根據(jù)參數(shù)一、參數(shù)二、參數(shù)三和參數(shù)四和不確定度參數(shù)，如表1所示，完成校準(zhǔn)源信號具體參數(shù)的輸出。

圖8 校準(zhǔn)信息入隊列

圖9 校準(zhǔn)源信號發(fā)送

參數(shù)直流交流/電壓電流諧波頻率電能閃變一電壓值含量頻率值電壓深度二電流值次數(shù)__電流變化次數(shù)三PF值基波__時間基波四頻率頻率__PF值頻率

校準(zhǔn)信號發(fā)送成功后，自動進(jìn)入DAQ數(shù)據(jù)采集分支，采集被校準(zhǔn)設(shè)備的數(shù)據(jù)，采集完成后，進(jìn)行數(shù)據(jù)的顯示和存儲。下一步進(jìn)入No Action分支，繼續(xù)判斷校準(zhǔn)參數(shù)隊列元素個數(shù)，直至校準(zhǔn)參數(shù)就隊列元素均完成校準(zhǔn)，確定本次自動校準(zhǔn)所有項目下的所有點完成。

3 結(jié)果測試

在北京航天計量測試技術(shù)研究所，對電能質(zhì)量在線校準(zhǔn)系統(tǒng)進(jìn)行了比對驗證，被校的電能質(zhì)量分析儀為Fluke公司生產(chǎn)的1760型電能質(zhì)量分析儀，以交流電壓、交流功率、諧波電流、頻率和閃變?yōu)槔?，校?zhǔn)結(jié)果顯示在表2、表3、表4、表5和表6中。

表2 交流電(f=40 Hz)在線校準(zhǔn)結(jié)果

表3 交流功率 (W):Sinewave, f=60 Hz在線校準(zhǔn)結(jié)果

表4 諧波電流(f=50 Hz)在線校準(zhǔn)結(jié)果

表5 頻率在線校準(zhǔn)結(jié)果

表6 閃變，基波=230 V，f=50 Hz在線校準(zhǔn)結(jié)果

4 結(jié)束語

為了解決電能質(zhì)量分析儀在傳統(tǒng)校準(zhǔn)過程中遇到的校準(zhǔn)項目和校準(zhǔn)點多、耗時長、操作人員需要全程操作和手工記錄數(shù)據(jù)容易產(chǎn)生人為誤差等問題，本文通過對電能質(zhì)量在線校準(zhǔn)系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)的分析與解決方案的提出，實現(xiàn)了電能質(zhì)量分析儀在線自動校準(zhǔn)。目前該系統(tǒng)已完成多次校準(zhǔn)檢測任務(wù)，與人工校準(zhǔn)相比，在線校準(zhǔn)系統(tǒng)具備以下優(yōu)勢：

1)操作簡單，界面友好，在人工完成儀器設(shè)備連接后，點擊校準(zhǔn)啟動按鈕后，即可實現(xiàn)數(shù)據(jù)自動記錄和報告自動生成，不僅降低了人工成本，而且工作效率大幅度提高；

2)系統(tǒng)采用在線校準(zhǔn)數(shù)據(jù)，無需人工干預(yù)即可自動完成數(shù)據(jù)合格與否的判定，避免了由于人工操作所帶來的誤差，大幅提高校準(zhǔn)工作的準(zhǔn)確性；

3)自動校準(zhǔn)系統(tǒng)穩(wěn)定性好，可兼容多種廠家、多種型號電能質(zhì)量分析儀的被校數(shù)據(jù)，具有較高的實用性。