基于虚拟仪器技术的电能质量分析仪

校准检测系统设计与应用

何伟1，蔡维2，王建伟2，锁娟2

（1．华北电力大学电气与电子工程学院，河北省保定市 071003；

2．华北电力科学研究院有限责任公司，北京市西城区 100045）

Design and Application of Virtual Instrument Technology Based

Calibration and Detection System for Power Quality Analyzer

HE Wei1, CAI Wei2, WANG Jian-wei2, SUO Juan2

(1. School of Electrical and Electronic Engineering, North China Electric Power University, Baoding 071003, Hebei Province, China;

2. North China Electric Power Research Institute Co., Ltd., Xicheng District, Beijing 100045, China)

ABSTRACT: A virtual instrument technology based automatic calibration and detection system for power quality analyzer is designed and implemented by the programming based on LabVIEW. The designed system is applied to the calibration and detection of multi-kind of power quality analyzers. By means of library function component in virtual instruments software architecture (VISA), standard commands for programmable instruments (SCPI), the self-contained drivers of the instruments and the required hardware interface cards and data bus, the data communication between PC and related instruments is established. The functions of the proposed system include the setup of standard source signal, instrument control and storage and analysis of measured data. Results from experiments and calculation show that the proposed system can perform the calibration and detection of various power quality indices. In actual calibration and detection of power quality analyzers the efficiency of calibration and detection is evidently improved and the personal errors are effectively reduced.

KEY WORDS:automatic calibration and detection system; virtual instruments software architecture (VISA); general- purpose interface bus (GPIB); standard commands for programmable instruments (SCPI); power quality analyzer

摘要：设计了基于虚拟仪器技术的电能质量分析仪校准检测系统，并将其应用于多种电能质量分析仪的校准检测。系统采用LabVIEW编程实现，通过虚拟仪器软件体系(virtual instruments software architecture，VISA)库函数组件、可编程仪器标准命令(standard commands for programmable instruments，SCPI)、仪器自带驱动以及所需的硬件接口卡和数据总线来完成PC机与各相关仪器之间的数据通信。系统功能包括标准源设置、仪器控制和测量数据的存储分析。实验和计算结果表明，该系统可以完成各项电能质量指标的校准检测，在实际校准检测中，显著提高了校准检测的效率，减小了人员误差。

关键词：自动校准检测系统；虚拟仪器软件体系；通用接口总线；可编程仪器标准命令；电能质量分析仪

0 引言

随着计算机技术的迅速发展，虚拟仪器技术在数据采集、自动测试和测量仪器领域得到了广泛应用。虚拟仪器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，具有使用灵活、升级方便、价格低廉、方便与周边设备连接等优点，并且用户可以根据所需功能自主研发[1-3]。虚拟仪器自动测试技术在电力系统中的应用更为广泛，包括电力电缆监测、电能质量监测、电厂自动化监测、变压器检测、实验室检定校准等各个方面[4-10]。

随着法制计量机制的不断健全和实验室认可工作的发展，特别是国际上实验室认可和互认开始后，校准工作显得越来越重要。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[11-13]。另一方面，电能质量问题的凸显使电能质量分析仪在电力系统中的应用更为广泛，于是就需要对各种电能质量分析仪表进行校准检测，这有利于准确地获取现场数据，以便进行后续分析处理。

第34卷第1期电网技术 85

本文将基于虚拟仪器技术的自动测试系统用于电能质量分析仪表的校准检测，在保证准确性的基础上，方便了校准检测过程，加快了校准检测的速度，减小了误差。

1 软件环境

1.1 LabVIEW简介

LabVIEW由美国国家仪器公司研制开发，是通用的编程系统，拥有庞大的函数库，包括数据采集、通用接口总线(general-purpose interface bus，GPIB)控制、串口控制、数据分析、数据显示及数据存储等。LabVIEW也有传统的程序调试工具，如设置断点、以动画方式显示数据流的流向以及单步执行等，便于程序的调试。本系统中仪器通信使用的是虚拟仪器软件体系(virtual instruments software architecture，VISA)组件。VISA的I/O控制功能适用于各种类型的仪器，包括消息基器件、寄存器基器件、存储器器件等仪器操作，且适用于各种接口，包括串口、并口、局域网口、GPIB口等[4]。

1.2 可编程仪器标准命令

可编程仪器标准命令(standard commands for programmable instruments，SCPI)是测量仪器程控命令的业界标准，整个SCPI命令分为2部分：一部分是IEEE 488.2公用命令，另一部分是SCPI仪器特定控制命令。SCPI与硬件无关，适用于GPIB、串口、局域网口等多种接口传输，且允许用相同的代码来控制不同的仪器，语法简单，方便易学。SCPI 的语句以ASCII文本的方式存在，可以加入任何计算机测试编程语言中，例如Basic、C或C++；也可用于LabWindows/CVI、LabVIEW或Agilent VEE 等专用的测试程序开发环境中[14-15]。

2 电能质量校准依据及方法

2.1 公用电网谐波

根据GB/T 19862—2005《电能质量监测设备通用要求》和GB/T 14549—1993《电能质量公用电网谐波》的规定，谐波测量仪或电能质量分析仪的允许误差见表1。

具体校准方法为：搭建基波电压为100V、基波电流为5A的系统，分3组进行校准检测。

测试1：谐波电压含有率R U h为2%，谐波电流含有率R I h为5%。

测试2：R U h为0.5%，R I h为2%。

测试3：R U h为5%，R I h为11%。

表1电能质量分析仪谐波测量的允许误差

Tab. 1 Harmonic test tolerant error of

power quality analyzer

等级被测量条件允许误差

电压

U h≥1%U N

U h≤1%U N

5%U h

0.05%U N

A

电流

I h≥3%I N

I h≤3%I N

5%I h

0.15%I N

电压

U h≥3%U N

U h≤3%U N

5%U h

0.15%U N

B

电流

I h≥10%I N

I h≤10%I N

5%I h

0.5%I N

注：U N为标称电压，I N为标称电流，U h为谐波电压，I h为谐波电流；第3列中取等号时，第4列中2个计算式的结果相同。

每组检测将1∼25次谐波分为4个谐波组(低频奇次、低频偶次、高频奇次和高频偶次)，对被校准检测仪器进行谐波电压、谐波电流检测。每个被检仪器至少经过2组检测才可得出结论。

2.2 负序电压不平衡度

根据GB/T 19862—2005《电能质量监测设备通用要求》和GB/T 15543—2008《电能质量三相电压不平衡》的规定，负序电压不平衡度定义为电压的负序分量与正序分量的方均根值百分比[16]：

21

/100%

u

U U

ε=×(1) 式中：U1为三相电压的正序分量方均根值；U2为三相电压的负序分量方均根值。基本原理式为

2

1a b c

2

2a b c

1

()

3

1

()

3

U U U U

U U U U

αα

αα

⎧

=++

⎪⎪

⎨

⎪=++

⎪⎩

(2) 式中j120

e

α°

=。推导式为

1

a a

b b

c c

a a

b b

c c

cos cos(120)cos(240)

sin sin(120)sin(240)

U

M U U U

N U U U

ϕϕϕ

ϕϕϕ

⎧=

⎪⎪

=+°++°+

⎨

⎪=+°++°+

⎪⎩

(3)

2

a a

b b

c c

a a

b b

c c

cos cos(240)cos(120)

sin sin(240)sin(120)

U

K U U U

L U U U

ϕϕϕ

ϕϕϕ

⎧=

⎪⎪

=+°++°+

⎨

⎪=+°++°+

⎪⎩

(4)

负序电压不平衡度校准检测基于50Hz、100V、5A的系统进行。由式(3)(4)可知，电压不平衡的影响量为三相电压幅值与相角。依据GB/T 19862—2005《电能质量监测设备通用》要求，对于影响量电压幅值，分别设定负序电压不平衡度为2%和4%；对于影响量电压相角，分别设定负序电压不平衡度为2%和4%；测量的绝对误差应不超过0.2%。

2.3 电压闪变

根据GB/T 19862—2005《电能质量监测设备通

86 何伟等：基于虚拟仪器技术的电能质量分析仪校准检测系统设计与应用

V ol. 34 No. 1

用要求》规定，电压闪变检测时考察短时闪变值， 设为p st 。按照表2进行标准源信号的设置，仪器短时闪变值为1，相对误差应在5%之内，即短时闪变值的范围为0.95~1.05。

表2 闪变、骤降与短时中断设置

Tab. 2 Setting of flicker, sag and short interruption

闪变设置

骤降与短时中断设置 序号 变化频率/min −1 波动量/% 类型

序号

U r

T /ms

1 1 2.724 1 0 10

2 2 2.211

2 0 20

3 7 1.459

3 40%200

4 39 0.906 4 70%500

5 110 0.725 电压

骤降

5 80%

5 000

6 1 620 0.402

7 4 000 2.400 短时 中断 6 0 5 000

注：U r 为残留电压，

T 为持续时间。

2.4 电压骤降和短时中断

根据IEC 61000 4-11以及美国国际电气电子工程师协会推荐标准IEEE Stdl159-1992的相关规定，电压骤降的测试等级如表2所示。

对上述各项电能质量指标检测结果进行分析时，最终检测结果误差加减扩展不确定度所得的区间应在规定误差区间之内。搭建的系统参数包括基波、频率、谐波含量、闪变值、骤降参数等均可根据需要任意修改。

3 系统构成与设计

3.1 整体结构

整个系统由4部分组成：主机、标准源、标准表和被校准检测表。采用LabVIEW 编写系统软件，根据下位机的接口，使用相应的通信协议和标准命令集控制信号源、标准仪器和被校准仪器，采用上文所述校准检测方法对被校准仪器进行校准检测。本文实验涉及到的仪器主要有：美国Fluke 公司生产的N5000电能质量分析仪、Fluke1760电能质量分析仪和Fluke6100A 系列信号源；瑞典联合电力公司的Unilyzer901电能质量分析仪；安徽振兴科技股份有限公司的PS-3电能质量分析仪以及保定三伊方长电力电子有限公司的DZ-4电能质量分析仪等。

3.2 硬件系统构成

基于虚拟仪器的电能质量分析仪校准检测系统的硬件结构主要包括PC 机、接口卡和数据总线、标准源、标准仪器和被检测仪器，如图1所示。采用1台PC 机作为上位机，仪器作为下位机，下位机的接口有多种，采用对应的接口卡及其通信协议来完成与上位机的通信，涉及接口有局域网口、串

图1 校准检测系统硬件框图

Fig. 1 Hardware block diagram of

calibration and detection system

口、GPIB 口和并口。系统中采用Fluke6100A 系列信号源作为标准源，由1个Fluke6100A 作为主机，

2个Fluke6101A 作为辅机，外接Fluke N5000，模拟电力系统三相回路。

Fluke6100A 系列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，提供纯正正弦波信号、带谐波失真信号、调制谐波和间谐波信号、用户自定义闪变信号、用户自定义骤升/骤降信号等，且本系统中采用的标准源已通过中国计量院的校准，准确度等级为0.01。标准源内置的GPIB 驱动支持的仪器命令为SCPI ，采用GPIB 通信实现

PC 机程控。系统中采用美国国家仪器公司的GPIB- USB-HS 控制卡来实现PC 机与Fluke6100A 标准源的数据通信。将各种送检的电能质量分析仪作为被校准检测仪器，主要有Unilyzer901、PS-3、DZ-4，

这3种仪器均支持局域网数据传输，直接由计算机网卡实现数据传输。将仪器自带的驱动程序嵌入到软件系统中，实现仪器测量数据的存储分析和实时测量等功能。

实验中将Fluke 公司的N5000的示值作为谐波校准检测参考值，将Fluke1760示值作为负序电压不平衡、闪变、骤降短时中断校准检测的参考值。 3.3 软件系统构成与设计

软件系统的构成如图2所示，系统界面如图3所示。

对于谐波、闪变、负序电压不平衡和骤升/骤降，根据上文所述校准依据和方法进行校准检测。整个

图2 软件系统运行流程

Fig. 2 Flow chart of software system

87

图3系统主界面

Fig. 3 Main surface of the system

软件系统分为4个主要组成部分：

1）谐波校准子系统，实现谐波电压、电流校准检测。子系统包括标准源的设置和仪器测量2个模块。根据上文所述校准检测方法，需编写12个基于SCPI语言的设置文件。仪器测量模块实现谐波电压、电流相关参数的测量，通过调用仪器的驱动来实现。

2）负序电压不平衡校准子系统，实现负序电压不平衡度校准检测。包括3个模块：标准源设置、标准值计算和仪器测量。分别考虑影响量三相电压幅值和相角。相角平衡时，输入引起三相不平衡的幅值，对标准源进行设置，后台程序根据式(1)~(4)计算此三相不平衡幅值产生的负序电压不平衡度。三相幅值平衡时，输入引起三相不平衡的相角，同理由后台计算出标准值。同样，调用仪器驱动程序实现仪器控制命令和测量数据的传输。

3）闪变子系统，实现电压闪变校准检测，分为标准源设置和仪器测量2个模块。

4）电压骤降与短时中断，检测电能质量分析仪在捕捉事件方面的能力，目前没有标准可循，系统中根据IEC 61000 4-11和IEEE中的有关规定按照表2进行设置。

整个系统运行的流程如图2所示，登录系统进入主界面，点击各个按钮进入对应界面，设置对应电能质量信号成功之后，信号源输出信号，点击进入被校准仪器软件界面进行所需项电能质量指标的测量和数据存储记录。在LabVIEW中通过事件结构实现前面板按钮功能转换和枚举变量中各个设置分支的切换。后台运行流程为：

1）进行标准源设置。访问源地址；选中一个设置，同时VISA组件将对应的SCPI设置命令封装，写入GPIB卡；GPIB访问标准源，仪器解析ASCII形式的SCPI命令，进行标准源的各项设置，输出源信号。

2）被检仪器开始测量。点击子系统中的仪器按钮，调用仪器驱动程序，进入仪器测量界面，查找仪器，建立连接，实现仪器功能手册中的各项电能质量功能，将测量数据取回并进行所需的分析存储。

3）关闭仪器界面，并将源输出关闭，退出系统。

3.4 校准检测不确定度分析

不确定分析评定方法主要有A类评定和B类评定。用观测列进行统计分析的方法来评定标准不确定度，称为不确定度A类评定；非统计分析评定方法为B类评定方法[17]。

校准检测的不确定度来源主要有：

1）由被检电能质量分析仪的重复测量引入的不确定度分量u A，采用A类方法评定。

2）由标准系统的稳定度引入的不确定度分量u B1，采用B类方法评定，此项即为此校准检测系统的不确定度。

3）由被检电能质量分析仪的准确度等级引入的确定度u B2，采用B类方法评定。

合成标准不确定度为

c

u(5) 扩展不确定度为U=2u c。

经过实验和计算得出各项电能质量指标的不确定度，见表3。

表3电能质量分析仪校准检测不确定度

Tab. 3 Uncertainty degree of power quality

analyzer calibration and detection

标准不确定度

符号

R U h/% R I h/% εu/% p st/% U r/%T/% u A0.006 0.012 0.034 0.634 0.0040.017

u B10.005 0.008 0.012 0.014 0.1450.009

u B20.017 0.018 0.058 0.058 0.0580.058

u c0.019 0.024 0.068 0.637 0.1560.061

U 0.037 0.048 0.136 0.127 0.3120.122

注：表中的不确定度为相对于基波的不确定度，采用Fluke N5000进行谐波不确定度计算实验，采用Unilyzer901F进行负序电压不平衡度不确定度实验，采用Fluke1760进行闪变和骤降短时中断不确定度实验。

4 系统应用

4.1 实验结果

用上述自动校准检测系统进行多种电能质量分析仪的校准检测：1）谐波校准检测实验；2）负

88 何伟等：基于虚拟仪器技术的电能质量分析仪校准检测系统设计与应用 V ol. 34 No. 1

序电压不平衡校准检测实验；3）闪变、骤降与短时中断实验。

实验时，谐波电压电流、闪变以及骤降短时中断校准时直接将Fluke6100A 的示值作为标准值。负序电压不平衡校准检测时，系统根据式(1)~(4)计算负序电压不平衡度，将其作为标准值。校准检测结果如表4∼6所示。

表4 谐波校准检测结果

Tab. 4 Result of harmonic calibration and detection

标准值/% U901示值/% 测量误差/%

测 试 谐波 次数 U I U I U I

3 2 5 2.01 5.02 0.010.025 2 5 2.01 5.0

4 0.010.04测 试 1 7 2

5 2.01 5.04 0.01

0.043 0.5 2 0.49 1.99 0.010.015 0.5 2 0.49 1.99 0.010.01测 试 2

7

0.5 2 0.49 1.99 0.01

0.01相对不确定度/% 0.02 0.02 0.037 0.048 0.0370.048

注：最大误差限值见表1。

表5 负序电压不平衡度校准检测实验结果

Tab. 5 Result of unbalanced three-phase voltage

calibration and detection

标准值/% DZ-4示值/%

测量误差/%

误差限值

2 1.914 0.086 4 3.838 0.162 1.995 2.090 0.095 4.001 4.094 0.021 绝对误差0.2% 标准不确定度为

0.012%

不确定度为0.136 %，有不稳定现象

表6 电压闪变、骤降与短时中断校准检测实验结果 Tab. 6 Result of voltage flickers, sags and short interruptions calibration and detection

电压闪变校准：230 V ，50 Hz 系统，

p st =1 (Fluke 1760)

骤降与短时中断(Fluke 1760) 示值 序号 标准值 示值

误差

类型 序号

U r /%

T /ms

1 1 0.99 0.01 1 0.360 10.010

2 1 1.01 0.01 2 0.650 20.004

3 1 1.00 0.00 3 39.98 200.054

4 1 1.01 0.01 4 69.98 500.177

5 1 1.01 0.01 骤降 5 79.78 4952

6 1 1.02 0.02

7 1 1.01 0.01 短时 中断 6 0.199 5000

d

— 0.05

U /% 0.01

0.12

注：d 为最大误差限值；U 为相对扩展不确定度；骤降与短时中断采用的是100V 、5A 系统。

4.2 实验结果分析

谐波校准检测实验是以U901为被检仪器，结果如表4所示，结论为U901符合A 级表标准。负序电压不平衡校准检测以DZ-4为被检仪器，结果如表5所示，考虑不确定度之后，最终校准值误差

满足最大允许误差限值。闪变、骤降与短时中断实验以Fluke1760为被检仪器，校准检测结果如表6所示。考虑不确定度之后，闪变校准值误差满足最大误差限值。骤升/骤降校准检测没有标准可循，由于多数用户关注残余电压和持续时间，因此此处只记录分析了残余电压和持续时间，根据表6中的数据，Fluke1760记录值基本符合其技术指标书，所记录的残余电压和持续时间基本准确，在实际中有参考价值。

5 结论

基于虚拟仪器技术的电能质量分析仪校准检测系统最大化地实现了校准检测的自动化，具有实用性、安全性、可扩展性等特点，并且操作简单，界面友好。该系统是在实际应用中逐渐开发完善的，顺利完成了多次校准检测任务，大大提高了校准检测效率，并减少了人为引入的误差，有很高的实用价值。下一步工作是进一步探讨电能质量分析仪骤降与短时中断的校准方法及其在系统中的 扩展应用。

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analysis theory in thermal efficiency testing for boiler [J]．Proceedings

of the CSEE，2005，25(3)：125-129(in Chinese)．

收稿日期：2009-11-17。

作者简介：

何伟(1984—

)，女，硕士，研究方向为电能质

量分析仪的自动检测及智能信息处理，E-mail：

hewei1984@gmail.com；

蔡维(1962—)，男，高级工程师，主要从事电

能质量监测和治理措施的研究工作；

王建伟(1982—)，男，工程师，主要从事电能何伟

质量监测的研究工作；

锁娟(1977—)，女，工程师，主要从事电能质量测量与评估方面的

研究工作。

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