現(xiàn)如今，直流電能表應(yīng)用范圍迅速擴大，不僅包括無軌電車、有軌電車、地鐵車輛、電動汽車和光伏發(fā)電等領(lǐng)域的直流能量計量，而且適用于工礦企業(yè)、民用建筑、樓宇自動化等現(xiàn)代供配直流電系統(tǒng)。直流電能表是根據(jù)我國對電力設(shè)運行和計算機智能化監(jiān)控要求而設(shè)計的，能夠直接測量直流耗電系統(tǒng)的用電量，并可帶有RS485接口，與微機進行數(shù)據(jù)交換。本產(chǎn)品適合蓄電池，太陽能電池板，直流電源等直流信號設(shè)備測試放電電能和計量參考電能值使用。亦可用于工礦企業(yè)、民用建筑、樓宇自動化等現(xiàn)代供配直流電系統(tǒng)的一種高性能自動化儀表。

　　LabVIEW是一種程序開發(fā)環(huán)境，由美國國家儀器（NI）公司研制開發(fā)的，類似于C和BASIC開發(fā)環(huán)境，但是LabVIEW與其他計算機語言的顯著區(qū)別是：其他計算機語言都是采用基于文本的語言產(chǎn)生代碼，而LabVIEW使用的是圖形化編輯語言G編寫程序，產(chǎn)生的程序是框圖的形式。虛擬儀器（virtual instrument）是基于計算機的儀器。計算機和儀器的密切結(jié)合是目前儀器發(fā)展的一個重要方向。粗略地說這種結(jié)合有兩種方式，一種是將計算機裝入儀器，其典型的例子就是所謂智能化的儀器。隨著計算機功能的日益強大以及其體積的日趨縮小，這類儀器功能也越來越強大，目前已經(jīng)出現(xiàn)含嵌入式系統(tǒng)的儀器。另一種方式是將儀器裝入計算機。以通用的計算機硬件及操作系統(tǒng)為依托，實現(xiàn)各種儀器功能。虛擬儀器主要是指這種方式。

　　LabVIEW（Laboratory Virtual Instrument Engineering Workbench）是一種用圖標(biāo)代替文本行創(chuàng)建應(yīng)用程序的圖形化編程語言。傳統(tǒng)文本編程語言根據(jù)語句和指令的先后順序決定程序執(zhí)行順序，而 LabVIEW則采用數(shù)據(jù)流編程方式，程序框圖中節(jié)點之間的數(shù)據(jù)流向決定了VI及函數(shù)的執(zhí)行順序。VI指虛擬儀器，是 LabVIEW 的程序模塊。

　　1 直流電能表檢驗裝置的設(shè)計與實現(xiàn)

　　PC機根據(jù)設(shè)定的檢驗條件（包括檢驗時間、電壓和電流的參比值等參數(shù)）自動控制整個直流電能表檢驗過程，采用CAN或RS-485總線與受檢電能表通信，獲取受檢電能表的能量計量。開始檢驗時，PC機控制電壓源和電流源輸出預(yù)設(shè)信號，由檢驗裝置和受檢電能表同時開始計量。檢驗過程中，PC機采集相應(yīng)的電壓和電流信號值，并利用積分法計算電能量，結(jié)果作為能量計量基準(zhǔn)。用戶界面顯示電能基準(zhǔn)值，同時根據(jù)設(shè)定的通信方式獲取并顯示受檢電能表計量結(jié)果，計算并給出受檢電能表的測量誤差。電壓源和電流源輸出量的大小可由PC機通過控制模塊遠程調(diào)節(jié)。設(shè)計的系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)如圖l所示。

　　2 基準(zhǔn)電能計量原理

　　直流電能表檢驗裝置中基準(zhǔn)電能計量采用積分法進行計算，該方法具有較強的抗干擾能力。這是因為，直流電能表的檢驗工作必須考慮到相關(guān)工作環(huán)境的特點：

　　1）能量的直流脈動性  供電電壓上很可能會疊加交流分量，負載電流很可能會經(jīng)常變化；

　　2）網(wǎng)壓波動范圍大  部分直流供電網(wǎng)電壓波動幅度達到甚至超過±20％；

　　3）網(wǎng)壓的大量高次諧波成分  不僅網(wǎng)壓本身為脈動性質(zhì)，同時某些用電設(shè)備也會在線網(wǎng)上產(chǎn)生大量的諧波。

　　綜上所述，基準(zhǔn)電能計量采用積分法進行計算，即某段時間之內(nèi)（t1～t2）能耗的計算方法如下：

　　式中，u（t）、i（t）分別為在t1～t2時間段內(nèi)t時刻的工作電壓（V）和電流（A），W為t1～t2時間段內(nèi)消耗的電能量（kWh）。將各個時間段內(nèi)的消耗能量累加即可得到總的耗能數(shù)值。

　　3 硬件設(shè)計

　　圖1給出了該直流電能表檢驗方法及裝置的系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)圖。組成系統(tǒng)的各部分設(shè)備及作用如下：

　　1）恒壓源  根據(jù)受檢直流電能表工作電壓范圍選取，提供可調(diào)的直流工作電壓；

　　2）恒流源  根據(jù)受檢直流電能表工作電流范圍選取，提供可調(diào)的直流負載電流；

　　3）電壓傳感器  測量直流電壓，輸出的隔離電信號送入數(shù)據(jù)采集模塊，選取瑞士LEM公司的CV3-1000型，額定輸入電壓700 V，可測范圍為0～±1 000 V，測量小于±0.2％，可測量直流、交流、脈沖電流信號，信號頻率范圍0～500 kHz；

　　4）電流傳感器  測量直流電流，輸出的隔離電信號送入數(shù)據(jù)采集模塊，選取瑞士LEM公司的ITB 300-SCT5-T型，額定輸入電流300 A，可測范圍±450 A，測量小于±0.05％，可測量直流、交流、脈沖電流信號，信號頻率范圍為0～100 kHz；

　　5）數(shù)據(jù)采集模塊  將電壓傳感器和電流傳感器的輸出模擬信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號供PC機使用，選取研華公司的PCI1716L，采樣速率達到250千次每秒；

　　6）控制模塊  根據(jù)設(shè)計要求定制，接收計算機控制指令，控制恒壓源和恒流源的輸出；

　　7）通信模塊  與受檢電能表進行通信，完成讀取和控制，可以采用周立功公司USBCANl型CAN通信模塊或JaRa2206型USB／RS485轉(zhuǎn)換器等；

　　8）PC機  自動生成檢驗；圖形化顯示測量結(jié)果；儲存測量結(jié)果，建立數(shù)據(jù)庫；若配備打印機，可打印檢驗結(jié)果等。

　　4 軟件設(shè)計

　　4.1 前面板設(shè)計

　　前面板是圖形化的人機界面，用于顯示測量結(jié)果和處理數(shù)據(jù)。用戶可根據(jù)需要通過前面板上的開關(guān)、按鈕和旋鈕對程序代碼及參數(shù)實現(xiàn)實時改變，使得測量數(shù)據(jù)的顯示達到狀態(tài)。設(shè)計的直流電能表檢驗裝置前面板如圖2所示。

　　4.2 數(shù)據(jù)采集模塊

　　該直流電能表檢驗裝置選用PCI-1716L數(shù)據(jù)采集卡。PCI-1716L是一款功能強大的高分辨率多功能PCI數(shù)據(jù)采集卡，帶有1個250 K／s，16位A／D轉(zhuǎn)換器，提供16路單端模擬量輸入或8路差分模擬量輸入，也可以組合輸入；還帶有2個16位D／A轉(zhuǎn)換輸出通道和16位數(shù)字量輸入／輸出通道。

　　需要特別說明的一點，為了減輕CPU負擔(dān)，該直流電能表檢驗裝置采用DMA（Direct Memory Access）模式直接從內(nèi)存存取數(shù)據(jù)。在DMA模式下，CPU只須向DMA控制器下達指令，讓其處理數(shù)據(jù)傳輸。傳輸完畢后再將信息反饋給CPU，這在很大程度上減輕CPU資源占用率，大大節(jié)省系統(tǒng)資源。另外，DMA模式傳輸優(yōu)先級高于程序中斷，二者的區(qū)別主要表現(xiàn)在對CPU的占用程度不同。中斷請求不但使CPU停下來，而且要求CPU執(zhí)行中斷服務(wù)程序，這其中包括對斷點和現(xiàn)場的處理以及CPU與外設(shè)的傳送，所以CPU付出很大代價；但若以DMA方式請求，僅僅會使CPU暫停一下，不需要對斷點和現(xiàn)場的處理，由它控制外設(shè)與主存之間完成數(shù)據(jù)傳輸，無需CPU干預(yù)，只占用一點CPU時間。

　　4.3 CAN通信模塊

　　該直流電能表檢驗裝置選用USBCANl型CAN通信模塊卡與受檢電能表進行通信，完成讀取和控制。Virtual CANInterface（VCI）函數(shù)庫是專門為ZLGCAN設(shè)備在PC上使用而提供的應(yīng)用程序接口。庫里的函數(shù)從ControlCAN.dll中導(dǎo)出，在LabVIEW中可以直接調(diào)用這些庫函數(shù)而無需額外的操作。另外，當(dāng)設(shè)備需要發(fā)送或者接收數(shù)據(jù)時，應(yīng)分別調(diào)用VCI_Transmit和VCI_Receive兩個庫函數(shù)。設(shè)計的直流電能表檢驗裝置CAN通信模塊卡初始化程序和發(fā)送接收程序如圖4和圖5所示。

　　5 主要結(jié)論及改進方案

　　該直流電能表檢驗裝置現(xiàn)應(yīng)用于北京電保廠現(xiàn)場，并且已經(jīng)向國家局申請發(fā)明。

　　經(jīng)實驗證明，此檢驗裝置系統(tǒng)完全達到預(yù)期指標(biāo)和要求，主要體現(xiàn)在以下幾點：

　　1）檢驗后直流電能表測量誤差小于±0.1％。本系統(tǒng)從硬件和軟件算法兩方面保障和提高了系統(tǒng)；

　　2）系統(tǒng)達到穩(wěn)定要求。本檢驗裝置對實驗中出現(xiàn)的不穩(wěn)定因素采取了相應(yīng)改進方案：硬件方面，通過接地、獨立供電等措施抑制系統(tǒng)干擾；軟件方面，通過在通信協(xié)議中使用冗余糾錯、判錯重發(fā)等方法防止外部干擾的影響。

　　3）實現(xiàn)功能強大的要求。用戶可根據(jù)自身要求對測試項目進行定制，并存儲模板。同時本檢驗裝置還提供對被檢數(shù)據(jù)的多種處理，包括匯總、統(tǒng)計、打印等功能，充分滿足用戶需求。另外，本檢驗裝置用戶界面采用Windows界面形式，操作方便且使用友好。

　　未來的工作主要是深化電能表校驗裝置的改進方案，以實現(xiàn)l臺PC機控制多臺待檢直流電能表設(shè)備，實現(xiàn)PC機遠程控制，同時研究在網(wǎng)絡(luò)上控制電能表檢驗裝置的方案。