應用領域：電能表電磁兼容測量測試

挑戰：在主控計算機上使用LabVIEW設計一套用于電波暗室內電能表自動檢定的射頻電磁場輻射抗擾度（RF-EMS）自動檢測系統軟件，自動控制射頻信號發生器、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據，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。

系統指標：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據，并和輻射抗擾度測試頻率自動匹配，避免手工記錄。

正文：

一、 å¼•è¨€

近年來，隨著我國智能電網戰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據傳送技術帶來了抄表技術的革新，同時帶來了電磁環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軟件來看，基本上是以Microsoft Visual Studio平臺系列軟件開發的，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，該平臺軟件發揮了計算機高超的數據處理能力、便捷的輸入輸出功能、強大的顯示能力和可擴展性能等優點，使計算機成為測試系統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展，但在智能電能表電磁兼容測量測試領域，目前國內外做這方面工作的單位還不多。我們作為專業計量測試機構，采用LabVIEW進行電能表檢測方面的開發，取得了良好的成果和經驗。

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對電功率的測量，被測的高電壓、大電流經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，并通過計數器在一段時間內的技術，顯示出相應的電能。智能電能表通常還具有有/無功測量、網絡遠傳、數椐分析等功能。

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，至今已經歷了4個基本版本的發展，其中射頻輻射抗擾度試驗的主要變化體現為頻率范圍不斷擴大、場強不斷增強、環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生器和功率放大器，使其提供功率足夠的射頻信號輸入發射天線，在被測電能表所處的測試區域距離發射天線3m，稱為均勻域，在此域范圍內發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的被測電能表計量誤差數據，并通過RS-232C串行通信總線發送給主控計算機，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據，自動出具測試報告。

該系統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）自動檢測系統軟件主要功能框圖如下。

系統軟件主要功能包括“用戶登錄”、“儀器測試”、“掃頻檢測”、“點頻檢測”、“報告出具”ç­‰。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，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，可進入系統軟件，執行相應功能。界面具有“退出”功能，可完全退出系統軟件。

功能2“儀器測試”指在正式檢測過程開始前，對系統內的所有檢測儀器設備進行設備狀態連通性測試。首先在“參數設置”欄設置好系統內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設置。分別進行“信號源測試”，如紅燈變綠，則表明通過測試ï¼›“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ï¼›“電能表檢驗裝置測試”點擊“電壓升220V”，能聽到該裝置打開內部繼電器開關，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、接口轉換器連接狀態。

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、信號發生循環設置，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據寫入其他相關功能模塊。“掃頻檢測”功能包括“圖形顯示”å’Œ“數據顯示”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；“數據顯示”能正確顯示“電能表初始誤差”、“實時頻率”、“實時誤差”等多個數據。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據，跳出“無不合格點！”對話框，僅提取在誤差上下限范圍以內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”、“型號規格”、“生產單位”、“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“數據寫入”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，系統內有2類儀器設備需要控制，第一類包括射頻信號發生器、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系統聯盟制定的I/O接口軟件標準及相關規范的總稱。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庫函數作為底層I/O接口軟件駐留在系統管理器（計算機系統）中，是實現計算機系統與儀器之間命令與數據傳輸的橋梁。

3.1.1 射頻信號發生器、功率放大器控制指令

使用VISA來控制射頻信號發生器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，內部本身帶有WINDOWS系統，并在該系統上實現對內嵌式電能表標準表的控制，其內部的通信接口為COM2口（串行口2），而內嵌WINDOWS系統本身帶有COM1口（串行口1），可以和系統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系統上開發一個COM1到COM2口的串口接收發送程序，即主控計算機對COM1口發命令，該命令通過自行開發的串口接收發送程序自動發送到COM2口上去，同時如果COM2口上有數據返回，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發送給射頻信號發生器，同時通知判定環節信號已經變化。信號發生器調整好所需發射的頻率點傳送至功率放大器，放大后的信號傳輸至發射天線，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，將一個周期內的誤差數據傳送給主控計算機；

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

（5）主控計算機通過對這n-1個數據進行平均化后，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據；

（6）主控計算機改變所需測量頻點并通過通信系統發送給射頻信號發生器，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內多臺儀器設備，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的控制要求，主控計算機端采用LabVIEW 8.5編寫系統軟件，實現了“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實現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據，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。