LabVIEW在PLC功耗高精度動態測量中的應用

張秋雁，徐宏偉，周克，劉京南，林垂濤

（1.貴州電網有限責任公司電力科學研究院，貴陽550002；2.貴州電網博士后科研工作站，貴陽550002；3.長沙威勝集團有限公司，長沙410000）

0 引 言

低壓電力集抄系統下行通信普遍使用電力線載波通信（PLC）［1］，功耗是 PLC模塊性能的一個重要參數，國家電網公司和中國南方電網公司有關技術規范都對PLC模塊的靜態功耗和動態功耗進行了限定。這里的功耗指的是有功功率，而有功功率是指在周期狀態下，瞬時功率p在周期時間T內的平均值，即一個周期內的平均功率P為：

普通的功耗測量儀器是針對50 Hz工頻電壓而設計的［2］，采樣頻率一般不可動態調整，以20 ms為周期時間計算平均功率。當PLC信號耦合到電力線上后，考慮到電網噪聲的影響，電力線上的電壓已不是嚴格意義上的正弦周期信號［3］，若仍然以20 ms為周期計算平均功率，將會產生比較大的誤差；另外不同調制方式的PLC通信頻率不同，且遠高于工頻50 Hz，使用普通的功率測量儀器測量功耗會產生比較大的誤差。本文提出一種基于LabVIEW（Laboratory Virtual Instrument Engineering Workbench）可視化開發軟件的PLC模塊功耗測量系統，可調采樣周期，精度高，實現操作過程的實時可視化。

1 系統工作原理

功耗測量系統主要由采集卡、電流傳感器、100：1電壓差分探頭、PC以及PC上的測量系統軟件組成。如圖1所示，100：1電壓差分探頭輸入端鏈接在被測設備（帶PLC模塊的電能表）的電壓輸入端，將采集到的電壓信號送到采集卡中。

同樣的，電流傳感器串接在被測設備的用電回路中，并將采集到的電流信號送到采集卡中。采集卡將得到的電壓電流信號進行A／D轉換后，將數字信號傳輸到PC中的基于LabVIEW的測量系統軟件中進行處理和運算。

圖1 系統接線圖Fig.1 System wiring diagram

1.1 電流傳感器及電壓差分探頭

電流傳感器及電壓差分探頭是測量系統的關鍵部件，直接影響到電流電壓采樣的準確度。考慮到一般電力線載波通信技術使用的頻率范圍為3 kHz～500 kHz［4］，本系統選取了Pearson的電流傳感器以及Keysight的帶寬為25 MHz的100：1電壓差分探頭。

1.2 采集卡

數據采集卡是測量系統的硬件核心部分，它主要是完成數據的采集以及A／D轉換功能，其采樣位數將對采樣精度產生直接的影響。在一般電力線載波通信方式中，根據參考文獻所述采樣定理［4］：“在進行模擬／數字信號的轉換過程中，當采樣頻率fsmax大于信號中最高頻率fmax的2倍時（fsmax＞2fmax），采樣之后的數字信號完整地保留了原始信號中的信息，一般實際應用中保證采樣頻率為信號最高頻率的5～10倍”；本測量系統中，使用的是NI公司最大采樣率為1.25 MS／s的16通道采集卡。

1.3 功耗測量原理

測量平均功率的一般方法為在一定時間內，以一定的采樣率等間隔采樣N組瞬時電壓un和瞬時電流in的值，然后按如下公式計算平均功率Pactive。

2 軟件設計

測量系統軟采用NI公司的LabVIEW軟件進行設計，其程序處理的主流程如圖2所示。

圖2 系統主程序流程圖Fig.2 System main program flow chart

測量系統軟件在采樣開始前，讀取配置文件進行系統初始化，并對系統進程進行管理。此后，系統以當前設置的采樣率進行采樣并計算功耗；同時，對用于計算功耗的各個參數全部進行保存和顯示［5］。當檢測到關閉程序的指令后，讀取當前參數配置情況，并對其進行保存，以便下次使用系統時，不需要再重新手動配置系統參數。整個測量系統軟件包含數據采集、數據處理及分析、數據管理及交互界面三個模塊。

2.1 數據采集

數據采集主要包括對采集卡通道的初始化以及參數設置，本系統采用了多通道數據模塊來采集數據［6-8］。通道X采集從電流傳感器輸出的電流信號，通道Y采集從100：1電壓差分探頭輸出的電壓信號；其中，對每個通道進行設置的參數包括采樣率、增益、設備號以及樣本數。

2.2 數據處理及分析

對PLC模塊的功耗測量主要是指有功功率（即平均功率）的測量，對無功功率以及電流電壓的有效值不考慮。因此，不需要對采樣到的電壓電流進行相位檢測，而只對瞬時功率進行檢測并計算出平均功率。在本系統中，采用圖3的程序進行功率計算。程序對每幀采樣數組中的各個數據進行濾波處理，將存在誤差的數據清除，以保證采樣數據的真實性及可用性［9］。本系統采用的是限幅平均濾波算法，這種算法能夠有效克服因偶然因素引起的脈沖干擾［10］，對電網中大量的隨機噪聲起到明顯的消除作用。

圖3 功率計算程序Fig.3 Power calculation program

以電流信號的分析計算為例，設Squelch Array是一個由經驗公式計算得到的只有兩個元素的二維數組，數值由當前采樣周期采集到的電壓或電流數據的平均值以及均方根值確定。該數組用來確定本周期內，所有采樣允許的最大范圍［-At，At］，定義At的公式如下：

式中N是數據采集卡的單幀采樣數；in是電流采樣數組的第n個元素的值；a與b為數組均方根以及平均數的系數，是一個經驗值，由當前電網噪聲特性確定。

當系統檢測到采集卡數據時，進行如下判斷：若當前數據的絕對值小于Squelch Array中對應元素的大小，即｜in｜＜At，則當前值有效，進入下一輪比較；若當前數據的絕對值大于Squelch Array中對應元素的大小，即｜in｜＞At，則以上次有效數據in-1代替本次數據in，并進入下一輪比較。在當前采樣數組中所有的值都比較完畢后計算平均值，完成當次數據處理。

設采集采樣率為f，在得到從數據采集卡中輸出的瞬時數據數組后，通過對單幀的數據數組中各個值求平均，可以得出在采樣瞬間電流的大小為：

式中N是數據采集卡的單幀采樣數；Ri是采集卡的采樣范圍；k為采集卡的采樣位數；OFFi為電流誤差偏置；G是閾值調整參數；in是電流采樣數組的第n個元素；P為波形比例放大倍數。

同理可得電壓瞬時值的計算公式：

由瞬時功率公式：

可得T時刻內的平均功率：

式中f是數據采集卡的采樣率；T是平均功率的計算周期時長。

2.3 數據管理與交互界面

本系統中，程序對采集到的數據經過處理后進行記錄、儲存并實時顯示電壓、電流及功率曲線的波形。考慮到有對PLC模塊進行長時間的功耗監測需求，對功耗曲線進行必要的核查，在系統中增加錄屏的功能［11］。其具體的程序如圖4所示。

圖4 錄屏程序Fig.4 Recording-screen program

測量系統軟件的交互界面如圖5所示。

圖5 系統交互界面Fig.5 System software interface

在交互界面的左半部分，可以對系統的各項參數進行設置，并將當前設置的參數及動態的數據實時顯示出來；交互界面的右半部份對采集到的電壓、電流信號及計算到的功耗數據進行了圖形化的顯示。

3 測量結果比較以及分析

為了確認當前測量系統的精確性及實用性，使用不同的功耗測試儀器對幾種不同的PLC模塊分別就靜態功耗和動態功耗的大小進行了測量比較。為了排除個體差異，本實驗中選取了270 kHz窄帶PLC模塊、421 kHz窄帶PLC模塊、工頻電力線通信模塊各十個，并對其進行靜態功耗以及發送信號時的動態功耗進行測量，去掉同類數據中的最大最小值，取平均得到的測量結果如表1所示。

表1 測量結果Tab.1 Measurement result

從實驗得到的數據中可以看出，不同的測量系統在測量模塊的靜態功耗時，雖然表現出了一定的大小差異，但是區別并不是很大。但是，在測量模塊進行通信時的動態功耗時，表現出了一定的差異性；功耗測量臺體測量載波模塊時測量得到的功耗比Lab-VIEW功耗測量系統以及電科院測量得到的數據小，而在測量工頻電力線通信模塊時，測量載波模塊時測量得到的功耗比LabVIEW功耗測量系統以及電科院測量得到的數據大很多。

在實驗過程中，功率測量臺體測量得到的測量數值跳動很大，不能直觀的顯示出對應的功耗數值是多少；反觀LabVIEW功耗測量系統的數據，平穩且直觀。功耗測量儀器的數值跳動給功耗測量的固有系統誤差中帶來了人為的非系統誤差，大大降低了功耗測量臺體的準確度以及可靠性。

一般功耗測量系統在不同頻率下，有不同的準確度，本實驗中表現的尤為明顯：當測量系統的采樣率以及采樣數設置較低時，測量得到的功率表現出了誤差數據較大的跳動。因此，在測量不同頻率范圍內的載波信號時，需要將系統的采樣頻率進行相應的調整，只有可調采樣率以及可調采樣數的測量系統才能保證在測量不同頻率范圍內的載波信號的功率時能夠保持較高的精度。

4 結束語

提出了一種基于LabVIEW的功耗測量系統，主要由電流傳感器、100：1電壓差分探頭、采集卡、PC以及PC上的測量系統軟件組成。該系統充分利用了計算機高速計算以及采集卡高速高精確度采樣的特點，使得測量系統可以準確快速的測量不同頻帶的PLC模塊功耗。通過比較不同的功耗測量儀器，對不同的PLC模塊進行測量，結果表明本系統測量精確度更高，適應能力更強。

由于本系統在數據處理、分析、儲存以及人機交互等方面具有的技術優勢，特別是該系統可以通過硬件來調整測量范圍，并可以通過軟件自由調節精確度以及零偏值，為PLC模塊功耗的精確測量提供了一種新的方法，可以廣泛運用到各類PLC模塊的功耗測量中。