應用領域：電能表電磁兼容測量測試

挑戰(zhàn)：在主控計算機上使用LabVIEW設計一套用于電波暗室內(nèi)電能表自動檢定的射頻電磁場輻射抗擾度（RF-EMS）自動檢測系統(tǒng)軟件，自動控制射頻信號發(fā)生器、功率放大器，并與電能表檢驗裝置通信，自動采集與記錄電能表計量誤差數(shù)據(jù)，并和輻射抗擾度測試頻率自動匹配，避免手工記錄，自動出具測試報告。

使用產(chǎn)品：

LabVIEW 8.5

NI USB-GPIB-HS控制器

NI USB-232接口線

方案介紹：采用NI USB-GPIB-HS控制器通過GPIB儀器總線控制系統(tǒng)中的射頻信號源、2臺不同工作頻率的功率放大器；采用NI USB-232接口線通過串行總線控制電能表檢驗裝置，在主控計算機上采用LabVIEW 8.5設計基于虛擬儀器的智能電能表輻射抗擾度自動檢測系統(tǒng)。

系統(tǒng)指標：頻率80MHz～2000MHz（最新國際國家標準要求）；頻率以1%自動步進、自動生成標準場強；自動生成符合受控標準的測試報告，自動控制射頻信號發(fā)生器、功率放大器，并與電能表檢驗裝置通信，自動采集與記錄電能表計量誤差數(shù)據(jù)，并和輻射抗擾度測試頻率自動匹配，避免手工記錄。

正文：

一、 引言

近年來，隨著我國智能電網(wǎng)戰(zhàn)略的實施以及新的能源計量與管理政策的出臺，智能電能表結構日益復雜，大量采用的電力線載波或無線通信等電能數(shù)據(jù)傳送技術帶來了抄表技術的革新，同時帶來了電磁環(huán)境的干擾與抗干擾問題日益嚴重，電能表的電磁兼容（EMC，Electromagnetic Compatibility）問題就顯得尤為重要，這對相應的電磁兼容測量測試技術提出了更高的要求。

電磁兼容分為電磁干擾（EMI，Electromagnetic Interference）和電磁抗擾度（EMS，Electromagnetic Susceptibility，或稱電磁敏感度）兩大類。其中射頻電磁場輻射抗擾度測試（RF EMS，Radio Frequency Electromagnetic Susceptibility）正是射頻輻射領域的一項重要的EMS測試，如圖1所示。

就目前已有的電磁兼容商業(yè)軟件來看，基本上是以Microsoft Visual Studio平臺系列軟件開發(fā)的，該平臺是使用廣泛的面向對象（Objected）的編程平臺，一旦編譯，用戶只能接觸到最后的可執(zhí)行文件，而看不到源程序，因此軟件功能是相對固定的，擴展性差。在測量測試領域，測試工程師需要有更大的自主性，這樣才能面對復雜和變化的測試需求。

美國NI（National Instument）公司的LabVIEW（Laboratory Virtual Instrument Engineering Workbench）虛擬儀器軟件開發(fā)平臺是應對測量測試領域中各種棘手問題的利器，該平臺軟件發(fā)揮了計算機高超的數(shù)據(jù)處理能力、便捷的輸入輸出功能、強大的顯示能力和可擴展性能等優(yōu)點，使計算機成為測試系統(tǒng)的一個重要組成部分。LabVIEW及虛擬儀器技術近年得到蓬勃的發(fā)展，但在智能電能表電磁兼容測量測試領域，目前國內(nèi)外做這方面工作的單位還不多。我們作為專業(yè)計量測試機構，采用LabVIEW進行電能表檢測方面的開發(fā)，取得了良好的成果和經(jīng)驗。

二、總體結構

電能表是用于電能計量的儀表。智能電能表采用乘法器實現(xiàn)對電功率的測量，被測的高電壓、大電流經(jīng)電壓變換器和電流變換器轉換后送至乘法器完成電壓和電流瞬時值相乘，輸出一個與一段時間內(nèi)的平均功率成正比的直流電壓，然后再利用電壓/頻率轉換器，直流電壓被轉換成正比于平均功率的脈沖頻率，將該頻率分頻，并通過計數(shù)器在一段時間內(nèi)的技術，顯示出相應的電能。智能電能表通常還具有有/無功測量、網(wǎng)絡遠傳、數(shù)椐分析等功能。

上世紀90年代初我國就對電子式電能表的電磁兼容性有所要求，至今已經(jīng)歷了4個基本版本的發(fā)展，其中射頻輻射抗擾度試驗的主要變化體現(xiàn)為頻率范圍不斷擴大、場強不斷增強、環(huán)境設備要求不斷提高。目前最新國家標準號為GB/T17215.211-2006。標準演變過程如下表所示。

表1 電能表輻射抗擾度試驗的變化

2.1 硬件架構

滿足最新標準的電能表輻射抗擾度檢測系統(tǒng)必須以電波暗室來構建，該項目的硬件主要結構如圖2所示。

項目涵蓋的主要設備見表2。

表2 主要設備清單

該檢測的基本流程是主控計算機通過儀器接口轉換器，在GPIB儀器通信總線上控制射頻信號發(fā)生器和功率放大器，使其提供功率足夠的射頻信號輸入發(fā)射天線，在被測電能表所處的測試區(qū)域距離發(fā)射天線3m，稱為均勻域，在此域范圍內(nèi)發(fā)射天線能提供均勻的試驗場強（10V/m或30V/m），利用電能表檢驗裝置（檢表臺）實時采集電波暗室內(nèi)的被測電能表計量誤差數(shù)據(jù)，并通過RS-232C串行通信總線發(fā)送給主控計算機，由計算機同步記錄射頻信號測試頻率和被測電能表計量誤差，通過圖形顯示和實時記錄，自動保存超過標準限值和可懷疑的敏感數(shù)據(jù)，自動出具測試報告。

該系統(tǒng)軟件登錄界面背景就是在電波暗室中的實際應用照片，右方是發(fā)射天線，左側是試驗時安裝在木架上的被測電能表，中間的地面上鋪有鐵氧體吸波材料。

2.2 軟件架構

電能表輻射抗擾度（RF-EMS）自動檢測系統(tǒng)軟件主要功能框圖如下。

系統(tǒng)軟件主要功能包括“用戶登錄”、“儀器測試”、“掃頻檢測”、“點頻檢測”、“報告出具”等。下面逐條說明。

功能1“用戶登錄”包括“管理員操作”和普通“用戶登錄”兩個不同級別的用戶登錄部分，輸入正確的用戶名、密碼可成功登錄系統(tǒng)，不同級別的用戶登錄對應不同的操作權限。“管理員操作”登錄后可添加、刪除用戶信息，普通“用戶登錄”信息輸入后可更改當前用戶密碼，可進入系統(tǒng)軟件，執(zhí)行相應功能。界面具有“退出”功能，可完全退出系統(tǒng)軟件。

功能2“儀器測試”指在正式檢測過程開始前，對系統(tǒng)內(nèi)的所有檢測儀器設備進行設備狀態(tài)連通性測試。首先在“參數(shù)設置”欄設置好系統(tǒng)內(nèi)檢測儀器的通信地址，然后進行被測電能表和電能表檢驗裝置的參數(shù)設置。分別進行“信號源測試”，如紅燈變綠，則表明通過測試；“功放測試”點擊“打開”能聽到功放開關自動打開聲音，表明正確連接；“電能表檢驗裝置測試”點擊“電壓升220V”，能聽到該裝置打開內(nèi)部繼電器開關，并將電壓升值220V，外接萬用表可測。以上測試必須全部通過，否則需檢查儀器地址設置、線纜連接狀態(tài)、接口轉換器連接狀態(tài)。

功能3“掃頻檢測”中有“儀器控制”功能，是指從設置的頻率起始值開始，使測試頻率步進、信號發(fā)生循環(huán)設置，直至設置的頻率結束值，與此同時，把當前頻率點和實時誤差數(shù)據(jù)寫入其他相關功能模塊。“掃頻檢測”功能包括“圖形顯示”和“數(shù)據(jù)顯示”功能，“圖形顯示”能正確標識“電能表初始誤差”、“誤差上下限”、“實時誤差”等多條曲線；“數(shù)據(jù)顯示”能正確顯示“電能表初始誤差”、“實時頻率”、“實時誤差”等多個數(shù)據(jù)。另外“掃頻檢測”中的頻率范圍可設，天線極化方向有水平、垂直兩種方法可調，實時誤差曲線可利用“縮放”功能發(fā)大，最大放大倍率30倍。在進行“掃頻檢測”功能時，其他功能模塊灰化，暫時不可使用。

功能4“點頻檢測”中具有“頻率敏感點”測試和“手動測試”，“頻率敏感點”的提取規(guī)則設置為：超過誤差上下限的所有點以及在功能3“掃頻檢測”中測得的誤差上下限范圍以內(nèi)但偏離初始誤差最大的8個點。點擊紅色“提取”按鈕，自動提取“掃頻檢測”中的頻率敏感點。如無超出誤差上下限的數(shù)據(jù)，跳出“無不合格點！”對話框，僅提取在誤差上下限范圍以內(nèi)但偏離初始誤差最大的8個點。點擊敏感點列表右側“選中”鍵，提取選中頻率點到右側“當前頻率值”，點擊下方“進行測試”，進行該頻率點上的點頻檢測。如誤差超差的，可點擊“記錄”，否則“忽略”。在“點頻檢測”界面，還可以進行頻率范圍內(nèi)任意頻率的“手動測試”，在“手動測試”欄中“測試頻率值”輸入頻率值，點擊下方“進行測試”，可得到該頻率下的電能表誤差值。

功能5“報告出具”功能，在對話框中輸入“樣品名稱”、“型號規(guī)格”、“生產(chǎn)單位”、“委托單位”、樣品編號及日期、溫濕度信息，在一個型號三塊樣表分別測試并點擊“數(shù)據(jù)寫入”后，點擊“確認生成報告”，利用Active X控制Microsoft Office VBA自動填寫我院受控編號為“QRD TI034-2009”的電能表電磁兼容測試報告。

三、技術難點

3.1 設備控制

按控制總線接口分類，系統(tǒng)內(nèi)有2類儀器設備需要控制，第一類包括射頻信號發(fā)生器、功率放大器，這類設備具有GPIB接口，采用NI USB-GPIB-HS控制器進行連接至主控計算機，計算機不需要打開機箱安裝板卡，只需具有一組USB接口；另外一類儀器是電能表檢驗裝置，因為只具有RS-232C串行接口，所以采用NI USB-232接口線連接至計算機的另外一組USB接口，此時要關注串口的線序。這兩類設備分別可以通過GPIB write、GPIB listen以及MSComm控件進行控制，但在LabVIEW中使用VISA控件更為方便。

VISA是虛擬儀器軟件結構體系（Virtual Instrument Software Architecture）的首字母縮寫，是VXI Plug & Play系統(tǒng)聯(lián)盟制定的I/O接口軟件標準及相關規(guī)范的總稱。VISA是一種應用于儀器編程的標準I/O應用程序接口。采用VISA標準，就可以不考慮時間以及儀器I/O選擇項，驅動軟件可以向下兼容。一方面VISA提供了簡單易用的控制函數(shù)集，在應用形式上相當簡單，另一方面VISA提供了非常強大的儀器控制功能和資源管理，能提供儀器間的互操作性與兼容性。VISA庫函數(shù)作為底層I/O接口軟件駐留在系統(tǒng)管理器（計算機系統(tǒng)）中，是實現(xiàn)計算機系統(tǒng)與儀器之間命令與數(shù)據(jù)傳輸?shù)臉蛄骸?/p>

3.1.1 射頻信號發(fā)生器、功率放大器控制指令

使用VISA來控制射頻信號發(fā)生器SML03的指令如下：

使用VISA來控制功率放大器的指令如下。

3.1.2 電能表檢驗裝置的控制

電能表檢驗裝置采用南京自動化設備三廠生產(chǎn)的多功能電能表檢驗裝置，型號：NZ2230，這是一臺多功能、寬量程、高精度的智能型電能表檢驗裝置，內(nèi)部本身帶有WINDOWS系統(tǒng)，并在該系統(tǒng)上實現(xiàn)對內(nèi)嵌式電能表標準表的控制，其內(nèi)部的通信接口為COM2口（串行口2），而內(nèi)嵌WINDOWS系統(tǒng)本身帶有COM1口（串行口1），可以和系統(tǒng)中的主控計算機連接。COM1口在后面板，是一個9針的串行接口（RS232-C）。

由于不能直接和內(nèi)部的COM2口連接，直接控制標準表，只可以連接對外的COM1口，因此要在該WINDOWS系統(tǒng)上開發(fā)一個COM1到COM2口的串口接收發(fā)送程序，即主控計算機對COM1口發(fā)命令，該命令通過自行開發(fā)的串口接收發(fā)送程序自動發(fā)送到COM2口上去，同時如果COM2口上有數(shù)據(jù)返回，也被自動送到COM1口上，被主控計算機獲取。

對NZ2230電能表檢驗裝置控制的命令如下。

3.2 計量誤差與EMS頻率自動匹配方法

在射頻電磁場輻射抗擾度測試中，解決電能計量誤差和EMS頻率匹配問題的方法如下：

（1）主控計算機將所需測量的頻率點通過通信系統(tǒng)發(fā)送給射頻信號發(fā)生器，同時通知判定環(huán)節(jié)信號已經(jīng)變化。信號發(fā)生器調整好所需發(fā)射的頻率點傳送至功率放大器，放大后的信號傳輸至發(fā)射天線，使其在空間中對被測電能表進行干擾，該干擾作為電能表的模擬傳導電磁干擾噪聲；

（2）被測電能表在干擾信號作用下，周期性地產(chǎn)生計量誤差；

（3）電能表檢驗裝置在固定的時間點上，將一個周期內(nèi)的誤差數(shù)據(jù)傳送給主控計算機；

（4）在主控計算機通過通信系統(tǒng)通知判定系統(tǒng)射頻信號發(fā)生器頻率已經(jīng)發(fā)生改變的基礎上，判定系統(tǒng)將電能表檢驗裝置傳送來的第一個數(shù)據(jù)進行舍棄，并傳送接下去的n-1個數(shù)據(jù)給主控計算機；

（5）主控計算機通過對這n-1個數(shù)據(jù)進行平均化后，可得出被測電能表在該頻點下射頻電磁場輻射抗擾度的誤差數(shù)據(jù)；

（6）主控計算機改變所需測量頻點并通過通信系統(tǒng)發(fā)送給射頻信號發(fā)生器，重復步驟1~6直至所有頻點測量結束。

該過程流程圖如圖11所示。

四、結論

基于虛擬儀器的智能電能表輻射抗擾度自動檢測系統(tǒng)設計將虛擬儀器技術引入電能表電磁兼容測試領域，采用NI不同的儀器接口控制器控制系統(tǒng)內(nèi)多臺儀器設備，在計算機端采用USB口連接設備，不需要打開機箱就可以滿足測試系統(tǒng)的控制要求，主控計算機端采用LabVIEW 8.5編寫系統(tǒng)軟件，實現(xiàn)了“儀器測試”、“掃頻檢測”、“點頻檢測”、“報告出具”等功能。

實踐證明，基于虛擬儀器的智能電能表輻射抗擾度自動檢測系統(tǒng)實現(xiàn)測試過程的全自動化，自動控制試驗流程，自動記錄電能表精度數(shù)據(jù)，自動進行粗大誤差的篩選和判斷，單個測試工程師即可完成整個測試過程，降低了檢測的工作量，降低了人工干預，并且減少了測試誤差，充分利用了智能儀器的功能，大大提高了工作效率和測量準確性。