电能质量在线校准系统设计

张 静，周兴广，刘 芳，王 萌

(北京强度环境研究所，北京 100076)

0 引言

现代工业飞展迅猛，随之而来的电力系统的非线性冲击负荷也大量涌入，引发了诸如谐波失真、噪音、闪变等问题，电能质量问题逐渐引起广泛关注。为了有效监测和分析电网运行参数，改善电网的电能质量，保证供电系统安全和电网稳定运行，各种类型的电能质量分析仪被广泛投入使用。根据国家的仪器使用规范，电能质量分析仪的校准是保证电能质量分析仪测量结果准确可靠的前提[1-2]。

目前，我国绝大多数的电能质量分析仪计量检定机构仍旧采用传统校准方式，因为自动化程度低，计量人员需要手工操作标准源，记录被校准设备的数据，工作量大，耗时长，有时难免出现人为操作的误差和错误，特别是如Fluke1760等设备还需要保存数据后再导出数据、分析结果，不但繁琐，而且还给校准工作带来不必要的麻烦。因此，研究电能质量分析仪自动校准技术，设计与研发一种低成本、多功能、自动化程度高和性能好的校准系统，具有积极的社会意义和广阔的市场前景[3-5]。

针对现有校准工作中存在的问题，设计了电能质量在线自动校准系统，只需要用户对所需要校准的项目、校准点数及具体参数进行设置，点击开始校准，系统自动完成对标准源的设置输出、待电能质量分析仪输出稳定后采集数据，电能质量分析仪的校准数据的在线显示、自动完成合格与否的判定，待校准结束后，可一键生成校准报告。大大减少由于人工操作所带来的误差，提高校准的准确性和效率，在电能质量计量领域有着重要的应用价值。

1 系统构成及原理

自动校准系统的组成包括：标准源，被校准设备和计算机。如图1所示，上位机计算机，是系统的指挥控制中心。在线自动校准系统软件负责输入校准项目和校准点信息，软件自动控制标准源发送校准信号，待被校准设备的输出数据稳定后自动采集，自动显示校准结果。待完成校准过程，一键生成校准报告。计算机和标准源Fluke6100B之间通过NI USB转GPIB连接，被校准设备因为涉及型号较多，要根据不同型号确定连接方式(网口和串口通讯)等。

图1 校准系统构成

当标准源和被校准设备线缆连接完毕后，可按照图2所示的软件流程进行校准。打开软件后，按照校准规范的要求，输入被校准设备的信息，设置校准源和被校准设备的地址信息，进行连接，如果设备连接不成功，则检查设备地址信息设置是否正确或线缆连接是否完好，再次进行连接，如果连接成功，则让标准源输出2 V电压进行自检。自检完成后，按照校准项目和校准点进行参数设置，设置完成后，点击校准按钮后，按照校准设置控制标准源输出，待校准设备信号输出稳定后采集校准值，接下来判断是否为最后一个校准点，如果不是，继续标准信号源输出，采集被校准设备校准值，直到最后一个校准点结束校准过程。校准过程可在界面实时显示。校准完成后，可一键生成校准报告。

图2 自动校准软件流程图

2 软件实现

LabVIEW是NI公司推出的一种基于图形化的编程语言，其界面简洁，功能强大，在自动测试测量领域应用广泛。借助虚拟仪器软件体系(virtual instruments software architecture，VISA)组件中的仪器编程标准I/O API，可控制GPIB、串口、USB、以太网等接口仪器，并根据使用仪器的类型调用相应的驱动程序。而且目前大多数主流的测试仪器和数据采集设备都有专门的LabVIEW驱动程序，相对于其他编程语言来说LabVIEW控制这些设备更加便捷[6-8]。根据实际情况，本系统被校准的设备，如Fluke1760，Fluke Noma 4000/5000，横河210、230和1 600/1 800系列设备厂家都提供了LabVIEW驱动程序库。充分考虑后，采用LabVIEW2012平台进行软件的开发。

考虑到需要校准的质量分析仪厂家和型号较多，而且技术日新月异，会不断有新的厂家和新型号的电能质量分析仪产品研发出来，需要进行校准，所以程序在与被校准设备交互方面采用了可编程仪器标准命令(standard commands for programmable instruments SCPI：ASCII码命令字符串的标准)于仪器编程[9-11]。SCPI命令的纵向兼容、横向兼容和功能兼容特性，使得可以采用相同的命令和参数来控制具有相同功能的仪器，提高了校准程序的扩展性。

2.1 软件结构设计

电能质量在线校准软件主要包括仪器信息录入、自检，校准配置、校准和校准报告生成等部分，操作人员设置好校准项目和校准参数后，可由软件自动完成校准过程，用户也可以实时地对校准数据进行监控和存储。软件主界面如图3所示。

图3 电能质量在线校准主界面

1)仪器信息录入:仪器信息录入部分主要完成被校准仪器的基本信息设置，仪器类型包括Fluke1760、Fluke Noma 4000/5000、WT 200系列，WT1600系列和WT1800系列。

2)自检:设置校准源和被校准设备的IP地址，连接设备，连接成功后，进行自检，检查被校准设备及校准源的连接是否正确，校准源输出和被校准设备的采集是否正常。

3)校准配置:校准配置界面主要完成被校准设备需要校准项目及各个校准项目的校准参数的设置。可点击全选按钮，勾选所有校准项目，包括直流电压、直流电流、交流电压、交流电流、交流功率、谐波电压、谐波电流、频率、电能和闪变，如部分勾选，则可选择所需的校准项目，当前设置的模板自动保存。

4)校准:点击校准按钮，按照校准设置逐点完成被校准设备所有项目的校准。

5)校准报告生成:校准报告生成，主要是完成被校准设备所有项目下校准点的校准报告生成，方便用户。

2.2 关键技术及实现

2.2.1 状态机架构

程序中所用的状态机架构是一套功能强大的开发架构，具有如下优点：

1)采用多线程技术将程序分成多个线程并行运行，合理利用系统资源，结构清晰明确，便于功能扩展。

2)降低不同功能代码之间的耦合度，高度模块化，便于代码的阅读与维护。

3)保证系统的可扩展性、可重用性及维护性等。

4)当现场或用户需求发生变化时，能方便地完成软件的更新和升级。

5)每一个功能都在独立分支完成，对于开发人员不需要花费太多时间就能很好地完成一个复杂的功能。

在LabVIEW中，状态机结构使得程序中多个事件彼此之间的逻辑关系更加的清晰明了，事件之间的处理更加简单。基本状态机是由while循环+case结构构成的，while循环保持状态机连续运行；case条件结构对每一个状态都配备一个分支进行判断，控制状态机的跳转[11]。另外在一个完整的状态机中，一般还会提供初始化状态，在初始化状态中对程序中的变量等进行初始化工作。本状态机在LabVIEW基本状态机的基础上，进行了架构的改造和丰富，设计的LabVIEW状态机结构如图4所示。

图4 状态机架构

1)初始化，状态机的入口，程序开始后，首先进入Init分支，可以将程序相关的变量等初始化工作放在本分支完成。

2)当前状态，当前程序要跳转的分支。

3)结束条件，while循环结束的条件。

4)增加新事件，可通过5事件轮检和7外部事件两种方式增加新的事件。

5)事件轮检，将轮检结果组成一维布尔数组输入增加新事件VI，该VI如图5所示。

图5 增加新事件代码

事件轮检和事件集合除No Action外一一对应，增加新事件VI可以将布尔为真的事件分拣出来，增加到新的事件集合中。

6)事件集合，与事件轮检配合使用，是事件轮检对应的事件分支名称。

7)外部事件，通过队列的方式，可以将其他VI的触发的事件引入该状态机，使得该程序相应代码的执行。

8)状态集合，状态机中所有状态分支，可根据需要增加删减。

此外，该状态机的Start Engine分支，主要实现本程序中多个线程的同时开启，合理利用系统资源。Close Engine分支关闭多个线程。在该程序中，数据采集、存储、显示可分为3个引擎，并行执行。外部事件部分也是该状态机的特别之处，完美解决了普通状态机只能由自身事件和按钮状态触发，而无法接收外部触发指令的难题。

2.2.2 自动校准

电能质量在线校准程序设计中的一个关键问题就是如何实现多种校准项目下的多个校准点的自动校准工作。这其中包括校准源Fluke 6100B的各种项目的程序设计及实现，各种校准设备的校准点数据采集以及校准源及被校准设备之间校准信号发送后校准设备校准点采集之间的配合等。自动校准过程的详细步骤如图6所示。

图6 自动校准流程

校准源各种信号的自动设置，包括直流电压、直流电流、交流电压、交流电流、交流功率，谐波电压、谐波电流、频率、电能和闪变，其程序界面如图7所示。

图7 校准配置

校准配置模块将本次校准需要进行的校准项目和校准参数设置好后，程序负责将设置好的项目和校准信息按照单点信号源参数簇{设备类型，校准设备，通道数，校准项目，参数一，参数二，参数三，参数四，不确定度}进行统一处理，具体信息如表1所示，打包成一维簇数组，名称为参数上传。

在校准参数设置点击确定后，进入队列事件分支，将一维簇数组>参数上传的校准信息入队列，如图8所示，等待操作人员点击自动校准时使用。当点击自动校准后，在状态机的事件轮检中判断校准信息队列元素个数是否大于零，如果有元素则进入Fluke 6100B状态分支，根据本次校准设置的校准信息将校准信号源Fluke 6100B的信号发送出去，每次进入图9所示的程序，按照单点信号源参数簇>校准项目{直流电压、直流电流、交流电压、交流电流、交流功率，谐波电压、谐波电流、频率、电能和闪变}，选择进入相应的分支，根据参数一、参数二、参数三和参数四和不确定度参数，如表1所示，完成校准源信号具体参数的输出。

图8 校准信息入队列

图9 校准源信号发送

参数直流交流/电压电流谐波频率电能闪变一电压值含量频率值电压深度二电流值次数__电流变化次数三PF值基波__时间基波四频率频率__PF值频率

校准信号发送成功后，自动进入DAQ数据采集分支，采集被校准设备的数据，采集完成后，进行数据的显示和存储。下一步进入No Action分支，继续判断校准参数队列元素个数，直至校准参数就队列元素均完成校准，确定本次自动校准所有项目下的所有点完成。

3 结果测试

在北京航天计量测试技术研究所，对电能质量在线校准系统进行了比对验证，被校的电能质量分析仪为Fluke公司生产的1760型电能质量分析仪，以交流电压、交流功率、谐波电流、频率和闪变为例，校准结果显示在表2、表3、表4、表5和表6中。

表2 交流电(f=40 Hz)在线校准结果

表3 交流功率 (W):Sinewave, f=60 Hz在线校准结果

表4 谐波电流(f=50 Hz)在线校准结果

表5 频率在线校准结果

表6 闪变，基波=230 V，f=50 Hz在线校准结果

4 结束语

为了解决电能质量分析仪在传统校准过程中遇到的校准项目和校准点多、耗时长、操作人员需要全程操作和手工记录数据容易产生人为误差等问题，本文通过对电能质量在线校准系统关键技术的分析与解决方案的提出，实现了电能质量分析仪在线自动校准。目前该系统已完成多次校准检测任务，与人工校准相比，在线校准系统具备以下优势：

1)操作简单，界面友好，在人工完成仪器设备连接后，点击校准启动按钮后，即可实现数据自动记录和报告自动生成，不仅降低了人工成本，而且工作效率大幅度提高；

2)系统采用在线校准数据，无需人工干预即可自动完成数据合格与否的判定，避免了由于人工操作所带来的误差，大幅提高校准工作的准确性；

3)自动校准系统稳定性好，可兼容多种厂家、多种型号电能质量分析仪的被校数据，具有较高的实用性。