一种基于PC的高精度功率测量系统

凌特利 张春峰 李晓朋 张 莹

(许继电气公司技术中心，河南 许昌 461000)

一种基于PC的高精度功率测量系统

凌特利 张春峰 李晓朋 张 莹

(许继电气公司技术中心，河南 许昌 461000)

高精度功率测量系统具有设计门槛高、开发周期长的特点。为便于实现和缩短开发周期，提出一种基于PC的高精度功率测量系统。系统设计相对简单，容易实现，测量精度达到0.02%。全面论述了系统硬件设计和软件设计方面的技术细节，给出了关键技术点的公式或技术参数，列出了校准后的有功功率测量误差。相关数据表明，该功率测量系统测量精度高，具有可行性与实用价值。

高精度 功率测量 模拟量 滤波器 嵌入式系统

0 引言

计量系统中的精度溯源和电能表精度检测经常采用高精度功率测量系统。传统的高精度功率测量系统以标准电能表为代表，设计复杂，要求设计人员具有丰富的硬件设计经验和高水平的软件技术。硬件设计方面需要考虑到多方面的因素，如复杂的电路设计、各种噪声的抑制、元器件选型等；软件设计方面有限的系统资源、原始的调试方式都给设计带来麻烦。本文论述一种基于PC的高精度功率测量系统。其硬件设计基于一款采集设备USB-6281，没有复杂的电路设计；软件在PC上开发调试和运行，开发周期短；测量精度达到0.02%。本测量系统经过改造，可以衍生出多款测试设备，具有较强的实用价值。

1 系统设计框架

本测量系统设计分硬件和软件两部分。硬件由模拟量变换模块、滤波调理模块和USB-6281设备模块组成，如图1所示。USB-6281是硬件的主体部分，USB-6281是一款高精度数据采集设备，稳定度好，低电压段测量精度高。其最大可接入8路±10 V弱电压差分模拟量信号，A/D数据采集宽度为18位，信号增益倍数可调，采样速率总计可高达500 kS/s，本系统采样速率设在10 kHz。此设备具备图形调试界面，软件设计接口简单，易于上手。由于USB-6281是非同步采集设备，会引入相位差，应用前需要校准。

图1 硬件模块图

软件由数据接收模块、数据校正模块、功率计算模块、界面显示模块组成，如图2所示。

图2 软件模块图

数据接收模块、数据校正模块、功率计算模块可以设计在一起，做成一个动态链接库，独立于界面，能够被不同的开发语言调用，减少代码耦合性。

2 硬件设计

模拟量变换模块的作用是将强模拟量信号变换成弱电压信号，以便USB-6281采集。系统接入的模拟量信号为变电站互感器输出信号或者功率源输出信号，USB-6281可以采集的电压值峰值不大于10 V。目前有电阻分压法和变换器法两种方法可以实现这种变换，这里采用变换器法。采用3个电压变换器分别变换A、B、C这3个相别的电压，3个电流变换器分别变换A、B、C这3个相别的电流，变换后的电压峰值需小于10 V。表1列出了所用变换器的规格，其中精度指标应最小覆盖到额定值的0.01。

表1 变换器规格

滤波调理模块的作用是滤去高次谐波，并调理成USB-6281可以差分接入的信号。滤波器采用简单的RC低通滤波器即可，电容和电阻都选择低温漂且稳定性好的元器件。为了满足USB-6281对电路平衡性的要求，不同于一般的RC滤波器，电阻的阻值应平均分配在电容的两侧。低通滤波器如图3所示。

图3 低通滤波器

调理电路如图4所示，信号调理后差分接入USB-6281。

图4 调理电路

差分测量可以有效抑制共模干扰，提高测量精度，在接入信号电压低时尤为明显。图4中，R1和R2是两个偏置电阻，两个阻值相等，大小宜在5～32 kΩ之间选择。阻值过大，会造成USB-6281采样建立时间过长，电压没来得及稳定即被采样，影响采样准确性；阻值过小，会造成通道回路电流过大，有效负载分压小，同样影响测量的准确性。

图5是一个采集通道完整的电路图。Ai是功率源的输出信号，AI0、AI GND、AI8分别是USB-6281模拟量采集通道的端子。USB-6281采样模拟量数据后，通过USB总线送给PC。由图5可见，硬件设计没有复杂的电路，容易实现。

图5 一个通道的完整电路图

由于本系统是高精度测量设备，硬件设计还要注意线缆的走线分布，防止通道串扰；做好电磁干扰屏蔽，电压变换器尤其容易受到电磁干扰的影响。如果机箱内用到开关电源，需要用铜箔纸做好电磁屏蔽，推荐使用高品质的线性电源。机箱散热也同样需要考虑，如果通风条件差，可以安装机箱风扇。

3 软件设计

本系统软件在Windows环境下开发和运行，推荐使用Windows XP及以上版本的操作系统。开发环境可以是VC6.0或者Delphi7。在PC上开发软件具有调试方便的特点，无需在意系统资源是否够用，相对于嵌入式软件设计，开发难度降低，周期缩短。

USB-6281的驱动程序具有C语言接口，头文件是NIDAQmx.h，里面包含了全部的C语言接口函数，调用其中常用的9个函数，即可实现持续接收采样数据的功能。表2列出了常用接口函数的使用说明。

表2 常用接口函数使用说明

所有的后续处理都在采样数据接收回调函数中完成，即DAQmxRegisterEveryNSamplesEvent注册的回调函数，在接收到采样数据后，首先要校正数据。

RC滤波器和变换器的内阻降低了模拟量的幅值，需要做幅值校正处理。幅值校正采用分段校正法，接收到采样数据后先预算出该通道幅值，根据幅值大小查找幅值所在分段的系数。该通道的采样数据乘上此系数后再做后续处理，从而达到校正幅值目的。校正范围应覆盖到1.2倍额定值至额定值的0.01，分段数目不少于5段。

变换器、滤波器、USB-6281都会引起相位改变，电压和同相电流之间的夹角不再和功率源输出相同，需要相位校正。相位变化示意图如图6所示。

图6 相位变化示意图

功率源输出电压电流同相位的波形，在PC端得到的波形，通道间产生了不同程度的延迟，电压和电流产生了相位差Δα。Δα会影响到功率计算，通过式(1)可以计算出Δα带来的有功功率误差。

(1)

当功率源输出的电压电流夹角φ为60°、且Δα为1″时，通过式(1)可计算出E=-0.050 4%，即有功功率误差为-0.050 4%，可见高精度功率测量对相位要求非常苛刻。

当施加的电压电流确定时，Δα保持不变，因此可以校正。采用二次插值法校正此相位差，二次插值法也称抛物线插值法，如图7所示。已知3个采样时刻x0、x1、x2的采样数据f(x0)、f(x1)、f(x2)，通过式(2) 可计算出插值时刻x点的采样数据。

(2)

只对电流通道插值重采样，电压通道保持不变，这样Δα就可以通过重新插入采样时刻得到修正。

图7 重采样示意图

电压或者电流变化时，Δα值也会随着变化，因此需要分段校正。每个分段的A、B、C相都需要一个独立的校正参数。校正范围应覆盖1.2倍额定值至额定值的0.01，分段数目不少于7段。

傅里叶、Hilbert数字滤波都可以计算功率。Hilbert数字滤波具有计算简单、便于实现、无功计算精度高的特点。本系统采用Hilbert数字滤波。

在50 Hz工频基波信号下，考虑最高18次谐波，采样频率为2 kHz，即每周波40点采样的情况下，Hilbert滤波器的两个移相滤波器的传递函数如式(3)和式(4)所示。

(3)

(4)

第一组滤波器的电压值和电流值相乘即为有功功率，第一组滤波器的电压值和第二组滤波器的电流值相乘即为无功。在实际应用中，采样频率会大于2 kHz，在保证采样频率是2 kHz的倍数时，依然可以用该公式滤波计算，只是这时需要用多组滤波器。例如当采样频率为10 kHz时，要用5组滤波器，采样数据依次循环进入5组滤波器叠加运算计算功率。

Hilbert滤波器要求每周波的采样点数恒定，否则会导致计算结果震荡而不准确。当基波频率非工频或者功率源的输出频率不稳定时，需要在计算功率前，采用重采样算法重新插值采样以调整频率，保证每周波的采样点数恒定。

界面显示容易实现，不再赘述。

4 系统校准

当软硬件都设计完善后，系统功率测量值应稳定度好。电流在输入范围内，电压电流夹角在-60°～60°范围内，测得有功功率的震荡幅度应不大于0.02%。

此时测得的功率稳定度虽好，但是还不准确，需要校准。校准共有幅值校准和相位校准两项。校准范围应覆盖幅值校正和相位校正的全部分段。

表3是笔者在中国计量科学研究院校准后的有功功率误差数据。

表3 校准后的有功功率误差

从表3可以看出，系统校准后精度满足0.02%的误差要求。

5 结束语

实践证明，本文提出的基于PC的高精度功率测量系统功率测量精度高，设计相对于嵌入式系统容易实现，开发周期短，具有较强的可行性与实用价值。

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[5] 张秀丽,李萍,陆光华.高精度软件同步采样算法[J].电力系统及其自动化学报,2005(4):61-63.

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[7] 李春梅.电磁干扰的机理与消除的方法[J].山西电子技术,2003,3(3):23-24.

[8] 朱强,蒋东方,焦登科.18位高精度数据采集系统的设计[J].计测技术,2006,4(4):19-21.

[9] 杨继深.共模干扰和差模干扰[J].安全与电磁兼容,2002,2(2):48-50.

A PC-based High Accuracy Power Measurement System

High accuracy power measurement system features high design threshold and long development cycle. In order to facilitate the realization and shorten the development cycle, a PC-based high accuracy power measurement system is proposed, the design of this system is relatively simple and easier to implement; its measurement accuracy is up to 0.02%. The design details of hardware and software are comprehensively expounded, the formulas or technical parameters of critical technologies are given, and the power measurement errors after calibration are listed to prove the high accuracy characteristic, the feasibility and the practical value of the system.

High accuracy Power measurement Analog quantity Wave filter Embedded system

凌特利(1981-)，男，2004年毕业于华中科技大学自动化专业，获学士学位，工程师;主要从事电力系统测试技术的研究和测试产品的设计。

TM933

A

10.16086/j.cnki.issn1000-0380.201505021

修改稿收到日期：2014-12-24。