摘要：现如今，直流电能表应用范围迅速扩大，不仅包括无轨电车、有轨电车、地铁车辆、电动汽车和光伏发电等领域的直流能量计量，而且适用于工矿企业、民用建筑、楼宇自动化等现代供配直流电系统。换言之，随着直流电能表应用领域的不断扩大，对于它准确计量的需求也在日益提高，但经过在国内外查找搜寻，均无法获得电子式直流电能表的检验装置，因此针对此种情况，文章这里主要设计一种直流电能表检验装置。
　　
　　现如今，直流电能表应用范围迅速扩大，不仅包括无轨电车、有轨电车、地铁车辆、电动汽车和光伏发电等领域的直流能量计量，而且适用于工矿企业、民用建筑、楼宇自动化等现代供配直流电系统。换言之，随着直流电能表应用领域的不断扩大，对于它准确计量的需求也在日益提高，但经过在国内外查找搜寻，均无法获得电子式直流电能表的检验装置，因此针对此种情况，这里设计一种直流电能表检验装置。
　　
　　LabVIEW是一种虚拟仪器开发平台软件，使用图形化编程语言编程，简单直观，极大地节省程序开发时间，功能强大、灵活，可以广泛应用于自动测量系统、工业过程自动化和实验室仿真等领域。基于LabVIEW软件开发的直流电能表检验装置界面友好，直观，依据实物模型设计的虚拟仪表实时显示采集到的电压和电流值，且可视化效果好，调试方便，通用性较强。
　　
　　1、直流电能表检验装置的设计与实现
　　
　　PC机根据设定的检验条件（包括检验时间、电压和电流的参比值等参数）自动控制整个直流电能表检验过程，采用CAN或RS-485总线与受检电能表通信，获取受检电能表的能量计量。开始检验时，PC机控制电压源和电流源输出预设信号，由检验装置和受检电能表同时开始计量。检验过程中，PC机采集相应的电压和电流信号值，并利用积分法计算电能量，结果作为能量计量基准。用户界面显示电能基准值，同时根据设定的通信方式获取并显示受检电能表计量结果，计算并给出受检电能表的测量误差。电压源和电流源输出量的大小可由PC机通过控制模块远程调节。PC机利用控制模块上多通道模拟信号输出功能，将设定的电源目标输出值分别转换成对应的模拟控制信号，与电压源和电流源的模拟控制接口的信号相连，从而实现了PC机对两个电源的远程控制。设计的系统整体结构如图l所示。
　　
　　2、基准电能计量原理
　　
　　直流电能表检验装置中基准电能计量采用积分法进行计算，该方法具有较强的抗*力。这是因为，直流电能表的检验工作必须考虑到相关工作环境的特点：
　　
　　1）能量的直流脉动性供电电压上很可能会叠加交流分量，负载电流很可能会经常变化;
　　
　　2）网压波动范围大部分直流供电网电压波动幅度达到甚至超过±20%;
　　
　　3）网压的大量高次谐波成分不仅网压本身为脉动性质，同时某些用电设备也会在线网上产生大量的谐波。
　　
　　综上所述，基准电能计量采用积分法进行计算，即某段时间之内（t1～t2）能耗的计算方法如下：
　　
　　式中，u（t）、i（t）分别为在t1～t2时间段内t时刻的工作电压（V）和电流（A），W为t1～t2时间段内消耗的电能量（kWh）。将各个时间段内的消耗能量累加即可得到总的耗能数值。
　　
　　3、硬件设计
　　
　　图1给出了该直流电能表检验方法及装置的系统整体结构图。组成系统的各部分设备及作用如下：
　　
　　1）恒压源根据受检直流电能表工作电压范围选取，提供可调的直流工作电压;
　　
　　2）恒流源根据受检直流电能表工作电流范围选取，提供可调的直流负载电流;
　　
　　3）电压传感器测量直流电压，输出的隔离电信号送入数据采集模块，选取瑞士LEM公司的CV3-1000型，额定输入电压700V，可测范围为0～±1000V，测量精度小于±0.2%，可测量直流、交流、脉冲电流信号，信号频率范围0～500kHz;
　　
　　4）电流传感器测量直流电流，输出的隔离电信号送入数据采集模块，选取瑞士LEM公司的ITB300-SCT5-T型，额定输入电流300A，可测范围±450A，测量精度小于±0.05%，可测量直流、交流、脉冲电流信号，信号频率范围为0～100kHz;
　　
　　5）数据采集模块将电压传感器和电流传感器的输出模拟信号转换为数字信号供PC机使用，选取研华公司的PCI1716L，采样速率达到250千次每秒;
　　
　　6）控制模块根据设计要求精度定制，接收计算机控制指令，控制恒压源和恒流源的输出;
　　
　　7）通信模块与受检电能表进行通信，完成读取和控制，可以采用周立功公司USBCANl型CAN通信模块或JaRa2206型USB/RS485转换器等;
　　
　　8）PC机自动生成检验报告;图形化显示测量结果;储存测量结果，建立数据库;若配备打印机，可打印检验结果等。
　　
　　4、软件设计
　　
　　4.1前面板设计
　　
　　前面板是图形化的人机界面，用于显示测量结果和处理数据。用户可根据需要通过前面板上的开关、按钮和旋钮对程序代码及参数实现实时改变，使得测量数据的显示达到*状态。设计的直流电能表检验装置前面板如图2所示。
　　
　　4.2数据采集模块
　　
　　该直流电能表检验装置选用PCI-1716L数据采集卡。PCI-1716L是一款功能强大的高分辨率多功能PCI数据采集卡，带有1个250K/s，16位A/D转换器，提供16路单端模拟量输入或8路差分模拟量输入，也可以组合输入;还带有2个16位D/A转换输出通道和16位数字量输入/输出通道。根据香农采样定理，为保证计算的准确性，在本次设计中，数据采集卡的采样频率设置为每个通道100K/s。
　　
　　需要特别说明的一点，为了减轻CPU负担，该直流电能表检验装置采用DMA（DirectMemoryAccess）模式直接从内存存取数据。在DMA模式下，CPU只须向DMA控制器下达指令，让其处理数据传输。传输完毕后再将信息反馈给CPU，这在很大程度上减轻CPU资源占用率，大大节省系统资源。另外，DMA模式传输优先级高于程序中断，二者的区别主要表现在对CPU的占用程度不同。中断请求不但使CPU停下来，而且要求CPU执行中断服务程序，这其中包括对断点和现场的处理以及CPU与外设的传送，所以CPU付出很大代价;但若以DMA方式请求，仅仅会使CPU暂停一下，不需要对断点和现场的处理，由它控制外设与主存之间完成数据传输，无需CPU干预，只占用一点CPU时间。还有一点区别，CPU对这两种请求的响应时间不同，对中断请求一般都在执行完一条指令的时钟周期末尾响应;而对于DMA请求，考虑到它的性，CPU在每条指令执行的各个阶段之中都可以让给DMA使用，称为立即响应。设计的直流电能表检验装置采用DMA方式的数据采集程序如图3所示，其中左下角程序利用While循环生成一个定时器用来计时。　　
　　4.3CAN通信模块
　　
　　该直流电能表检验装置选用USBCANl型CAN通信模块卡与受检电能表进行通信，完成读取和控制。VirtualCANInterface（VCI）函数库是专门为ZLGCAN设备在PC上使用而提供的应用程序接口。库里的函数从ControlCAN.dll中导出，在LabVIEW中可以直接调用这些库函数而无需额外的操作。VCI函数具体的使用流程为：VCI_OpenDevice→VCI_InitCAN→VCI_StartCAN→VCI_CloseCAN。另外，当设备需要发送或者接收数据时，应分别调用VCI_Transmit和VCI_Receive两个库函数。设计的直流电能表检验装置CAN通信模块卡初始化程序和发送接收程序如图4和图5所示。　　
　　5、主要结论及改进方案
　　
　　该直流电能表检验装置现应用于北京电保厂现场，并且已经向国家局申请发明。
　　
　　经实验证明，此检验装置系统*达到预期指标和要求，主要体现在以下几点：
　　
　　1）检验后直流电能表测量误差精度小于±0.1%。本系统从硬件和软件算法两方面保障和提高了系统精度;
　　
　　2）系统达到稳定要求。本检验装置对实验中出现的不稳定因素采取了相应改进方案：硬件方面，通过接地、独立供电等措施抑制系统干扰;软件方面，通过在通信协议中使用冗余纠错、判错重发等方法防止外部干扰的影响。
　　
　　3）实现功能强大的要求。用户可根据自身要求对测试项目进行定制，并存储模板。同时本检验装置还提供对被检数据的多种处理，包括汇总、统计、打印等功能，充分满足用户需求。另外，本检验装置用户界面采用Windows界面形式，操作方便且使用友好。
　　
　　未来的工作主要是深化电能表校验装置的改进方案，以实现l台PC机控制多台待检直流电能表设备，实现PC机远程控制，同时研究在网络上控制电能表检验装置的方案。