基于虚拟仪器的智能电表辐射抗扰度自动测试系统设计

应用领域：电能表电磁兼容测量测试

挑战：在主控计算机上使用LabVIEW设计一套用于电波暗室内电能表自动检定的射频电磁场辐射抗扰度（RF-EMS）自动检测系统软件，自动控制射频信号发生器、功率放大器，并与电能表检验装置通信，自动采集与记录电能表计量误差数据，并和辐射抗扰度测试频率自动匹配，避免手工记录，自动出具测试报告。

使用产品：

LabVIEW 8.5

NI USB-GPIB-HS控制器

NI USB-232接口线

方案介绍：采用NI USB-GPIB-HS控制器通过GPIB仪器总线控制系统中的射频信号源、2台不同工作频率的功率放大器；采用NI USB-232接口线通过串行总线控制电能表检验装置，在主控计算机上采用LabVIEW 8.5设计基于虚拟仪器的智能电能表辐射抗扰度自动检测系统。

系统指标：频率80MHz～2000MHz（最新国际国家标准要求）；频率以1%自动步进、自动生成标准场强；自动生成符合受控标准的测试报告，自动控制射频信号发生器、功率放大器，并与电能表检验装置通信，自动采集与记录电能表计量误差数据，并和辐射抗扰度测试频率自动匹配，避免手工记录。

正文：

一、           引言

近年来，随着我国智能电网战略的实施以及新的能源计量与管理政策的出台，智能电能表结构日益复杂，大量采用的电力线载波或无线通信等电能数据传送技术带来了抄表技术的革新，同时带来了电磁环境的干扰与抗干扰问题日益严重，电能表的电磁兼容（EMC，Electromagnetic Compatibility）问题就显得尤为重要，这对相应的电磁兼容测量测试技术提出了更高的要求。

电磁兼容分为电磁干扰（EMI，Electromagnetic Interference）和电磁抗扰度（EMS，Electromagnetic Susceptibility，或称电磁敏感度）两大类。其中射频电磁场辐射抗扰度测试（RF EMS，Radio Frequency Electromagnetic Susceptibility）正是射频辐射领域的一项重要的EMS测试，如图1所示。

 图1电磁兼容测试结构示意图

就目前已有的电磁兼容商业软件来看，基本上是以Microsoft Visual Studio平台系列软件开发的，该平台是使用广泛的面向对象（Objected）的编程平台，一旦编译，用户只能接触到最后的可执行文件，而看不到源程序，因此软件功能是相对固定的，扩展性差。在测量测试领域，测试工程师需要有更大的自主性，这样才能面对复杂和变化的测试需求。

美国NI（National Instument）公司的LabVIEW（Laboratory Virtual Instrument Engineering Workbench）虚拟仪器软件开发平台是应对测量测试领域中各种棘手问题的利器，该平台软件发挥了计算机高超的数据处理能力、便捷的输入输出功能、强大的显示能力和可扩展性能等优点，使计算机成为测试系统的一个重要组成部分。LabVIEW及虚拟仪器技术近年得到蓬勃的发展，但在智能电能表电磁兼容测量测试领域，目前国内外做这方面工作的单位还不多。我们作为专业计量测试机构，采用LabVIEW进行电能表检测方面的开发，取得了良好的成果和经验。

二、           总体结构

电能表是用于电能计量的仪表。智能电能表采用乘法器实现对电功率的测量，被测的高电压、大电流经电压变换器和电流变换器转换后送至乘法器完成电压和电流瞬时值相乘，输出一个与一段时间内的平均功率成正比的直流电压，然后再利用电压/频率转换器，直流电压被转换成正比于平均功率的脉冲频率，将该频率分频，并通过计数器在一段时间内的技术，显示出相应的电能。智能电能表通常还具有有/无功测量、网络远传、数椐分析等功能。

上世纪90年代初我国就对电子式电能表的电磁兼容性有所要求，至今已经历了4个基本版本的发展，其中射频辐射抗扰度试验的主要变化体现为频率范围不断扩大、场强不断增强、环境设备要求不断提高。目前最新国家标准号为GB/T17215.211-2006。标准演变过程如下表所示。

表1 电能表辐射抗扰度试验的变化

2.1 硬件架构

满足最新标准的电能表辐射抗扰度检测系统必须以电波暗室来构建，该项目的硬件主要结构如图2所示。

图2 硬件主要结构

项目涵盖的主要设备见表2。

表2 主要设备清单

该检测的基本流程是主控计算机通过仪器接口转换器，在GPIB仪器通信总线上控制射频信号发生器和功率放大器，使其提供功率足够的射频信号输入发射天线，在被测电能表所处的测试区域距离发射天线3m，称为均匀域，在此域范围内发射天线能提供均匀的试验场强（10V/m或30V/m），利用电能表检验装置（检表台）实时采集电波暗室内的被测电能表计量误差数据，并通过RS-232C串行通信总线发送给主控计算机，由计算机同步记录射频信号测试频率和被测电能表计量误差，通过图形显示和实时记录，自动保存超过标准限值和可怀疑的敏感数据，自动出具测试报告。[pagebreak]

图3 主要设备图示

该系统软件登录界面背景就是在电波暗室中的实际应用照片，右方是发射天线，左侧是试验时安装在木架上的被测电能表，中间的地面上铺有铁氧体吸波材料。

图4 电波暗室内部图

2.2 软件架构

电能表辐射抗扰度（RF-EMS）自动检测系统软件主要功能框图如下。

图5 电能表RF-EMS系统软件功能框图[pagebreak]

系统软件主要功能包括“用户登录”、“仪器测试”、“扫频检测”、“点频检测”、“报告出具”等。下面逐条说明。

功能1“用户登录”包括“管理员操作”和普通“用户登录”两个不同级别的用户登录部分，输入正确的用户名、密码可成功登录系统，不同级别的用户登录对应不同的操作权限。“管理员操作”登录后可添加、删除用户信息，普通“用户登录”信息输入后可更改当前用户密码，可进入系统软件，执行相应功能。界面具有“退出”功能，可完全退出系统软件。

图6 登录界面

功能2“仪器测试”指在正式检测过程开始前，对系统内的所有检测仪器设备进行设备状态连通性测试。首先在“参数设置”栏设置好系统内检测仪器的通信地址，然后进行被测电能表和电能表检验装置的参数设置。分别进行“信号源测试”，如红灯变绿，则表明通过测试；“功放测试”点击“打开”能听到功放开关自动打开声音，表明正确连接；“电能表检验装置测试”点击“电压升220V”，能听到该装置打开内部继电器开关，并将电压升值220V，外接万用表可测。以上测试必须全部通过，否则需检查仪器地址设置、线缆连接状态、接口转换器连接状态。

图7 功能2“仪器测试”界面

功能3“扫频检测”中有“仪器控制”功能，是指从设置的频率起始值开始，使测试频率步进、信号发生循环设置，直至设置的频率结束值，与此同时，把当前频率点和实时误差数据写入其他相关功能模块。“扫频检测”功能包括“图形显示”和“数据显示”功能，“图形显示”能正确标识“电能表初始误差”、“误差上下限”、“实时误差”等多条曲线；“数据显示”能正确显示“电能表初始误差”、“实时频率”、“实时误差”等多个数据。另外“扫频检测”中的频率范围可设，天线极化方向有水平、垂直两种方法可调，实时误差曲线可利用“缩放”功能发大，最大放大倍率30倍。在进行“扫频检测”功能时，其他功能模块灰化，暂时不可使用。

图8 功能3“扫频检测”界面[pagebreak]

功能4“点频检测”中具有“频率敏感点”测试和“手动测试”，“频率敏感点”的提取规则设置为：超过误差上下限的所有点以及在功能3“扫频检测”中测得的误差上下限范围以内但偏离初始误差最大的8个点。点击红色“提取”按钮，自动提取“扫频检测”中的频率敏感点。如无超出误差上下限的数据，跳出“无不合格点！”对话框，仅提取在误差上下限范围以内但偏离初始误差最大的8个点。点击敏感点列表右侧“选中”键，提取选中频率点到右侧“当前频率值”，点击下方“进行测试”，进行该频率点上的点频检测。如误差超差的，可点击“记录”，否则“忽略”。在“点频检测”界面，还可以进行频率范围内任意频率的“手动测试”，在“手动测试”栏中“测试频率值”输入频率值，点击下方“进行测试”，可得到该频率下的电能表误差值。

图9 功能4“点频检测”界面

功能5“报告出具”功能，在对话框中输入“样品名称”、“型号规格”、“生产单位”、“委托单位”、样品编号及日期、温湿度信息，在一个型号三块样表分别测试并点击“数据写入”后，点击“确认生成报告”，利用Active X控制Microsoft Office VBA自动填写我院受控编号为“QRD TI034-2009”的电能表电磁兼容测试报告。

图10 功能5“报告出具”界面

三、           技术难点

3.1 设备控制

按控制总线接口分类，系统内有2类仪器设备需要控制，第一类包括射频信号发生器、功率放大器，这类设备具有GPIB接口，采用NI USB-GPIB-HS控制器进行连接至主控计算机，计算机不需要打开机箱安装板卡，只需具有一组USB接口；另外一类仪器是电能表检验装置，因为只具有RS-232C串行接口，所以采用NI USB-232接口线连接至计算机的另外一组USB接口，此时要关注串口的线序。这两类设备分别可以通过GPIB write、GPIB listen以及MSComm控件进行控制，但在LabVIEW中使用VISA控件更为方便。

VISA是虚拟仪器软件结构体系（Virtual Instrument Software Architecture）的首字母缩写，是VXI Plug & Play系统联盟制定的I/O接口软件标准及相关规范的总称。VISA是一种应用于仪器编程的标准I/O应用程序接口。采用VISA标准，就可以不考虑时间以及仪器I/O选择项，驱动软件可以向下兼容。一方面VISA提供了简单易用的控制函数集，在应用形式上相当简单，另一方面VISA提供了非常强大的仪器控制功能和资源管理，能提供仪器间的互操作性与兼容性。VISA库函数作为底层I/O接口软件驻留在系统管理器（计算机系统）中，是实现计算机系统与仪器之间命令与数据传输的桥梁。

3.1.1 射频信号发生器、功率放大器控制指令

使用VISA来控制射频信号发生器SML03的指令如下：

使用VISA来控制功率放大器的指令如下。

3.1.2 电能表检验装置的控制

电能表检验装置采用南京自动化设备三厂生产的多功能电能表检验装置，型号：NZ2230，这是一台多功能、宽量程、高精度的智能型电能表检验装置，内部本身带有WINDOWS系统，并在该系统上实现对内嵌式电能表标准表的控制，其内部的通信接口为COM2口（串行口2），而内嵌WINDOWS系统本身带有COM1口（串行口1），可以和系统中的主控计算机连接。COM1口在后面板，是一个9针的串行接口（RS232-C）。

由于不能直接和内部的COM2口连接，直接控制标准表，只可以连接对外的COM1口，因此要在该WINDOWS系统上开发一个COM1到COM2口的串口接收发送程序，即主控计算机对COM1口发命令，该命令通过自行开发的串口接收发送程序自动发送到COM2口上去，同时如果COM2口上有数据返回，也被自动送到COM1口上，被主控计算机获取。

对NZ2230电能表检验装置控制的命令如下。

[pagebreak]3.2 计量误差与EMS频率自动匹配方法

在射频电磁场辐射抗扰度测试中，解决电能计量误差和EMS频率匹配问题的方法如下：

（1）主控计算机将所需测量的频率点通过通信系统发送给射频信号发生器，同时通知判定环节信号已经变化。信号发生器调整好所需发射的频率点传送至功率放大器，放大后的信号传输至发射天线，使其在空间中对被测电能表进行干扰，该干扰作为电能表的模拟传导电磁干扰噪声；

（2）被测电能表在干扰信号作用下，周期性地产生计量误差；

（3）电能表检验装置在固定的时间点上，将一个周期内的误差数据传送给主控计算机；

（4）在主控计算机通过通信系统通知判定系统射频信号发生器频率已经发生改变的基础上，判定系统将电能表检验装置传送来的第一个数据进行舍弃，并传送接下去的n-1个数据给主控计算机；

（5）主控计算机通过对这n-1个数据进行平均化后，可得出被测电能表在该频点下射频电磁场辐射抗扰度的误差数据；

（6）主控计算机改变所需测量频点并通过通信系统发送给射频信号发生器，重复步骤1~6直至所有频点测量结束。

该过程流程图如图11所示。

图11电能表计量误差与EMS频率自动匹配流程图

四、           结论

基于虚拟仪器的智能电能表辐射抗扰度自动检测系统设计将虚拟仪器技术引入电能表电磁兼容测试领域，采用NI不同的仪器接口控制器控制系统内多台仪器设备，在计算机端采用USB口连接设备，不需要打开机箱就可以满足测试系统的控制要求，主控计算机端采用LabVIEW 8.5编写系统软件，实现了“仪器测试”、“扫频检测”、“点频检测”、“报告出具”等功能。

实践证明，基于虚拟仪器的智能电能表辐射抗扰度自动检测系统实现测试过程的全自动化，自动控制试验流程，自动记录电能表精度数据，自动进行粗大误差的筛选和判断，单个测试工程师即可完成整个测试过程，降低了检测的工作量，降低了人工干预，并且减少了测试误差，充分利用了智能仪器的功能，大大提高了工作效率和测量准确性。