LabVIEW在PLC功耗高精度动态测量中的应用

张秋雁，徐宏伟，周克，刘京南，林垂涛

（1.贵州电网有限责任公司电力科学研究院，贵阳550002；2.贵州电网博士后科研工作站，贵阳550002；3.长沙威胜集团有限公司，长沙410000）

0 引 言

低压电力集抄系统下行通信普遍使用电力线载波通信（PLC）［1］，功耗是 PLC模块性能的一个重要参数，国家电网公司和中国南方电网公司有关技术规范都对PLC模块的静态功耗和动态功耗进行了限定。这里的功耗指的是有功功率，而有功功率是指在周期状态下，瞬时功率p在周期时间T内的平均值，即一个周期内的平均功率P为：

普通的功耗测量仪器是针对50 Hz工频电压而设计的［2］，采样频率一般不可动态调整，以20 ms为周期时间计算平均功率。当PLC信号耦合到电力线上后，考虑到电网噪声的影响，电力线上的电压已不是严格意义上的正弦周期信号［3］，若仍然以20 ms为周期计算平均功率，将会产生比较大的误差；另外不同调制方式的PLC通信频率不同，且远高于工频50 Hz，使用普通的功率测量仪器测量功耗会产生比较大的误差。本文提出一种基于LabVIEW（Laboratory Virtual Instrument Engineering Workbench）可视化开发软件的PLC模块功耗测量系统，可调采样周期，精度高，实现操作过程的实时可视化。

1 系统工作原理

功耗测量系统主要由采集卡、电流传感器、100：1电压差分探头、PC以及PC上的测量系统软件组成。如图1所示，100：1电压差分探头输入端链接在被测设备（带PLC模块的电能表）的电压输入端，将采集到的电压信号送到采集卡中。

同样的，电流传感器串接在被测设备的用电回路中，并将采集到的电流信号送到采集卡中。采集卡将得到的电压电流信号进行A／D转换后，将数字信号传输到PC中的基于LabVIEW的测量系统软件中进行处理和运算。

图1 系统接线图Fig.1 System wiring diagram

1.1 电流传感器及电压差分探头

电流传感器及电压差分探头是测量系统的关键部件，直接影响到电流电压采样的准确度。考虑到一般电力线载波通信技术使用的频率范围为3 kHz～500 kHz［4］，本系统选取了Pearson的电流传感器以及Keysight的带宽为25 MHz的100：1电压差分探头。

1.2 采集卡

数据采集卡是测量系统的硬件核心部分，它主要是完成数据的采集以及A／D转换功能，其采样位数将对采样精度产生直接的影响。在一般电力线载波通信方式中，根据参考文献所述采样定理［4］：“在进行模拟／数字信号的转换过程中，当采样频率fsmax大于信号中最高频率fmax的2倍时（fsmax＞2fmax），采样之后的数字信号完整地保留了原始信号中的信息，一般实际应用中保证采样频率为信号最高频率的5～10倍”；本测量系统中，使用的是NI公司最大采样率为1.25 MS／s的16通道采集卡。

1.3 功耗测量原理

测量平均功率的一般方法为在一定时间内，以一定的采样率等间隔采样N组瞬时电压un和瞬时电流in的值，然后按如下公式计算平均功率Pactive。

2 软件设计

测量系统软采用NI公司的LabVIEW软件进行设计，其程序处理的主流程如图2所示。

图2 系统主程序流程图Fig.2 System main program flow chart

测量系统软件在采样开始前，读取配置文件进行系统初始化，并对系统进程进行管理。此后，系统以当前设置的采样率进行采样并计算功耗；同时，对用于计算功耗的各个参数全部进行保存和显示［5］。当检测到关闭程序的指令后，读取当前参数配置情况，并对其进行保存，以便下次使用系统时，不需要再重新手动配置系统参数。整个测量系统软件包含数据采集、数据处理及分析、数据管理及交互界面三个模块。

2.1 数据采集

数据采集主要包括对采集卡通道的初始化以及参数设置，本系统采用了多通道数据模块来采集数据［6-8］。通道X采集从电流传感器输出的电流信号，通道Y采集从100：1电压差分探头输出的电压信号；其中，对每个通道进行设置的参数包括采样率、增益、设备号以及样本数。

2.2 数据处理及分析

对PLC模块的功耗测量主要是指有功功率（即平均功率）的测量，对无功功率以及电流电压的有效值不考虑。因此，不需要对采样到的电压电流进行相位检测，而只对瞬时功率进行检测并计算出平均功率。在本系统中，采用图3的程序进行功率计算。程序对每帧采样数组中的各个数据进行滤波处理，将存在误差的数据清除，以保证采样数据的真实性及可用性［9］。本系统采用的是限幅平均滤波算法，这种算法能够有效克服因偶然因素引起的脉冲干扰［10］，对电网中大量的随机噪声起到明显的消除作用。

图3 功率计算程序Fig.3 Power calculation program

以电流信号的分析计算为例，设Squelch Array是一个由经验公式计算得到的只有两个元素的二维数组，数值由当前采样周期采集到的电压或电流数据的平均值以及均方根值确定。该数组用来确定本周期内，所有采样允许的最大范围［-At，At］，定义At的公式如下：

式中N是数据采集卡的单帧采样数；in是电流采样数组的第n个元素的值；a与b为数组均方根以及平均数的系数，是一个经验值，由当前电网噪声特性确定。

当系统检测到采集卡数据时，进行如下判断：若当前数据的绝对值小于Squelch Array中对应元素的大小，即｜in｜＜At，则当前值有效，进入下一轮比较；若当前数据的绝对值大于Squelch Array中对应元素的大小，即｜in｜＞At，则以上次有效数据in-1代替本次数据in，并进入下一轮比较。在当前采样数组中所有的值都比较完毕后计算平均值，完成当次数据处理。

设采集采样率为f，在得到从数据采集卡中输出的瞬时数据数组后，通过对单帧的数据数组中各个值求平均，可以得出在采样瞬间电流的大小为：

式中N是数据采集卡的单帧采样数；Ri是采集卡的采样范围；k为采集卡的采样位数；OFFi为电流误差偏置；G是阈值调整参数；in是电流采样数组的第n个元素；P为波形比例放大倍数。

同理可得电压瞬时值的计算公式：

由瞬时功率公式：

可得T时刻内的平均功率：

式中f是数据采集卡的采样率；T是平均功率的计算周期时长。

2.3 数据管理与交互界面

本系统中，程序对采集到的数据经过处理后进行记录、储存并实时显示电压、电流及功率曲线的波形。考虑到有对PLC模块进行长时间的功耗监测需求，对功耗曲线进行必要的核查，在系统中增加录屏的功能［11］。其具体的程序如图4所示。

图4 录屏程序Fig.4 Recording-screen program

测量系统软件的交互界面如图5所示。

图5 系统交互界面Fig.5 System software interface

在交互界面的左半部分，可以对系统的各项参数进行设置，并将当前设置的参数及动态的数据实时显示出来；交互界面的右半部份对采集到的电压、电流信号及计算到的功耗数据进行了图形化的显示。

3 测量结果比较以及分析

为了确认当前测量系统的精确性及实用性，使用不同的功耗测试仪器对几种不同的PLC模块分别就静态功耗和动态功耗的大小进行了测量比较。为了排除个体差异，本实验中选取了270 kHz窄带PLC模块、421 kHz窄带PLC模块、工频电力线通信模块各十个，并对其进行静态功耗以及发送信号时的动态功耗进行测量，去掉同类数据中的最大最小值，取平均得到的测量结果如表1所示。

表1 测量结果Tab.1 Measurement result

从实验得到的数据中可以看出，不同的测量系统在测量模块的静态功耗时，虽然表现出了一定的大小差异，但是区别并不是很大。但是，在测量模块进行通信时的动态功耗时，表现出了一定的差异性；功耗测量台体测量载波模块时测量得到的功耗比Lab-VIEW功耗测量系统以及电科院测量得到的数据小，而在测量工频电力线通信模块时，测量载波模块时测量得到的功耗比LabVIEW功耗测量系统以及电科院测量得到的数据大很多。

在实验过程中，功率测量台体测量得到的测量数值跳动很大，不能直观的显示出对应的功耗数值是多少；反观LabVIEW功耗测量系统的数据，平稳且直观。功耗测量仪器的数值跳动给功耗测量的固有系统误差中带来了人为的非系统误差，大大降低了功耗测量台体的准确度以及可靠性。

一般功耗测量系统在不同频率下，有不同的准确度，本实验中表现的尤为明显：当测量系统的采样率以及采样数设置较低时，测量得到的功率表现出了误差数据较大的跳动。因此，在测量不同频率范围内的载波信号时，需要将系统的采样频率进行相应的调整，只有可调采样率以及可调采样数的测量系统才能保证在测量不同频率范围内的载波信号的功率时能够保持较高的精度。

4 结束语

提出了一种基于LabVIEW的功耗测量系统，主要由电流传感器、100：1电压差分探头、采集卡、PC以及PC上的测量系统软件组成。该系统充分利用了计算机高速计算以及采集卡高速高精确度采样的特点，使得测量系统可以准确快速的测量不同频带的PLC模块功耗。通过比较不同的功耗测量仪器，对不同的PLC模块进行测量，结果表明本系统测量精确度更高，适应能力更强。

由于本系统在数据处理、分析、储存以及人机交互等方面具有的技术优势，特别是该系统可以通过硬件来调整测量范围，并可以通过软件自由调节精确度以及零偏值，为PLC模块功耗的精确测量提供了一种新的方法，可以广泛运用到各类PLC模块的功耗测量中。