LMG600高精度功率計(jì)測(cè)量之系統(tǒng)級(jí)別同步介紹

1.系統(tǒng)級(jí)別同步

系統(tǒng)級(jí)別同步意味著耦合多個(gè)設(shè)備，擴(kuò)展測(cè)量通道的數(shù)量，同步地發(fā)送和接收數(shù)據(jù)。安裝同步測(cè)量設(shè)備并將其納入操作實(shí)踐的需求日益增長(zhǎng)。它們?yōu)橄到y(tǒng)的大范圍監(jiān)控提供了機(jī)會(huì)，并提供了一種更靈活、時(shí)間和空間效率更高的解決方案。

1.1應(yīng)用描述

需要使用多臺(tái)功率分析儀同步的一個(gè)典型應(yīng)用是電力系統(tǒng)的安裝和監(jiān)測(cè)，例如可再生能源和混合能源。LMG600具有多達(dá)7個(gè)通道或6個(gè)通道和一個(gè)過程信號(hào)接口（PSI）。但是，有些拓?fù)渲写嬖谄邆€(gè)以上的測(cè)量點(diǎn)。例如，逆變器和DC/DC轉(zhuǎn)換器、電池、電池充電控制器、備用發(fā)電機(jī)的輸入和輸出。然后我們可以想象為什么耦合各種設(shè)備并一次顯示所有測(cè)量結(jié)果是有用的。

雙電機(jī)的測(cè)試是需要耦合兩臺(tái)LMG的典型例子。在一臺(tái)電機(jī)上進(jìn)行測(cè)量時(shí)，通常有以下測(cè)量點(diǎn)：

·單相或三相變頻器輸入（一至三通道）

·三相變頻器輸出（三通道）

·用于測(cè)量扭矩和速度（如果需要）的過程信號(hào)接口（PSI）

因此，對(duì)于雙電機(jī)測(cè)試，至少需要八個(gè)功率測(cè)量通道。

用于測(cè)量待機(jī)功率和能源效率的測(cè)試臺(tái)，例如家用電器；牽引系統(tǒng)，例如由各種電驅(qū)動(dòng)器組成的鐵路電力牽引系統(tǒng)；電動(dòng)和混合動(dòng)力汽車是更多的例子。

在以下各節(jié)中，描述了各種同步類型和對(duì)每種類型的時(shí)間影響，不同的數(shù)據(jù)傳輸方法以及每種方法的優(yōu)缺點(diǎn)。

1.2同步類型

為確保測(cè)量結(jié)果不是異步的，存在五種不同類型的同步：周期時(shí)間同步、頻率同步、能量累積測(cè)量同步、瞬態(tài)同步和時(shí)間同步。

周期時(shí)間同步是將新周期的開始分配給所有儀器。周期時(shí)間同步是測(cè)量?jī)x器成功同步的主要步驟，也是最重要的步驟。然而，在特定應(yīng)用可能需要更多同步類型。每種同步類型都獨(dú)立于其他同步類型。例如，可以在不同步周期時(shí)間的情況下同步頻率。

3.2.1同步連接接口

LMG600配有15針同步連接接口。所有連接的信號(hào)都可以設(shè)置為輸入或輸出，并可用于控制其他設(shè)備或通過它們進(jìn)行控制。引腳Sync_Energy_I/O、Sync_Frequency_I/O、Sync_Cycle_I/O、Sync_Transient_I/O和Sync_Time_I/O分別用于同步能量測(cè)量、頻率、周期時(shí)間、瞬態(tài)和時(shí)間的同步。

圖 5：同步連接接口

3.2.2頻率同步

對(duì)于頻率同步，每個(gè)設(shè)備上的每個(gè)組都可以同步到一個(gè)公共信號(hào)。例如：

§第一臺(tái)儀器的第一組的頻率被設(shè)置為一個(gè)信號(hào)，例如U1。

§第二臺(tái)儀器的第一組的頻率設(shè)置為外部。然后，它的輸入是來自第一臺(tái)儀器并被設(shè)置為相同的信號(hào)U1。只有第一組的信號(hào)可以設(shè)置為第二臺(tái)儀器的輸入。

時(shí)間效應(yīng)，即不同設(shè)備信號(hào)之間的時(shí)間差，非常小，可以忽略不計(jì)。

ü在LMG600的“Group組”菜單可以選擇同步源，來監(jiān)控頻率的調(diào)整。該源可以設(shè)置為來自當(dāng)前或者任意其他組和外部的電壓或電流通道

需要頻率同步的典型應(yīng)用示例是不間斷電源（UPS）。UPS是維持設(shè)備供電的裝置，是轉(zhuǎn)換器、開關(guān)和儲(chǔ)能設(shè)備的組合。

圖6：UPS系統(tǒng)上的時(shí)間延遲

對(duì)于大多數(shù)UPS系統(tǒng)，需要無縫轉(zhuǎn)換，并且輸入頻率應(yīng)與輸出頻率同步。輸入和輸出之間存在相角差指示時(shí)移/延遲，并且需要測(cè)量此時(shí)間延遲。為了使兩個(gè)信號(hào)的速率完全相同，主設(shè)備的頻率（fA）是從設(shè)備的輸入（fB = fA）。然后，LMGA測(cè)量輸入和相應(yīng)的相角，LMGB測(cè)量輸出和與輸入之間的相角。

3.2.3周期時(shí)間同步

周期時(shí)間粗略地定義了獲取數(shù)值/測(cè)量結(jié)果的頻率（平均）。為了從多個(gè)LMG設(shè)備同時(shí)準(zhǔn)確地生成測(cè)量值，周期時(shí)間必須完全相同。周期時(shí)間同步具有主/從功能。周期時(shí)間在主設(shè)備上定義，其余/從設(shè)備設(shè)置為“外部”，并由主設(shè)備控制。

下圖是一個(gè)儀器的不同組信號(hào)或不同儀器和 不同頻率的信號(hào)之間的周期時(shí)間同步示例。 在LMG上的“Instrument儀器”菜單下，可以設(shè)置周期時(shí)間并將其應(yīng)用于設(shè)備的所有信號(hào)和組，并通過主/從操作應(yīng)用到其他設(shè)備。

圖7：周期時(shí)間同步

如上圖所示，每次當(dāng)前周期結(jié)束既新周期的開始，直到測(cè)量到每個(gè)信號(hào)的最后一個(gè)過零點(diǎn)。根據(jù)信號(hào)的頻率，時(shí)間差（Snippet片段）會(huì)有所不同。也有可能在每個(gè)周期時(shí)間測(cè)量不同數(shù)量的信號(hào)周期。例如，圖上信號(hào)3的兩個(gè)周期在第一個(gè)周期內(nèi)測(cè)量，而在第二個(gè)周期中測(cè)量三個(gè)周期。

重要的是要理解片段并不意味著測(cè)量誤差，而是各種測(cè)量結(jié)果來自略有不同的時(shí)間間隔。如果問題是我們?nèi)绾尉_地同時(shí)測(cè)量：答案是沒有物理方法可以實(shí)現(xiàn)100%同步，而只有幾乎同步的信號(hào)。

使用LMG600，測(cè)量是無間隙的。當(dāng)測(cè)量周期結(jié)束時(shí)，完成的周期用于計(jì)算測(cè)量值，未完成的周期用作下一個(gè)周期采樣的起始值。比如以50ms的周期時(shí)間測(cè)量周期為20 ms的信號(hào)，則實(shí)際測(cè)量時(shí)間在40ms和60ms之間交替。沒有片段就沒有無間隙的測(cè)量！

ü使用DURNORM命令讀取每個(gè)周期的實(shí)際持續(xù)時(shí)間。通過在DURNORM命令后添加通道數(shù)字來讀取每個(gè)通道的測(cè)量時(shí)間（例如DURNORM2）。每個(gè)組的測(cè)量時(shí)間都不同 。

3.2.4能量測(cè)量同步

為了執(zhí)行能量測(cè)量，應(yīng)定義開始時(shí)間和測(cè)量持續(xù)時(shí)間。測(cè)量持續(xù)時(shí)間取決于周期模式，當(dāng)選擇固定間隔周期模式時(shí)，它是周期時(shí)間的整數(shù)。同樣，當(dāng)周期模式分別設(shè)置為“Hram諧波”或“Scope示波”時(shí)，它取決于諧波分析的周期長(zhǎng)度或真實(shí)采樣率。該儀器只將完整的周期用于能量計(jì)算。

在下圖中，描述了一臺(tái)儀器中的能量測(cè)量。

圖 8：能量測(cè)量

應(yīng)用的持續(xù)時(shí)間是通過用戶的外部I/O定義的。我們可以注意到：

§測(cè)量開始的周期包含在實(shí)際測(cè)量中

§則積分時(shí)間相應(yīng)地調(diào)整

§測(cè)量停止的周期不包括在實(shí)際測(cè)量中

§應(yīng)用持續(xù)時(shí)間和實(shí)際持續(xù)時(shí)間之間存在時(shí)間差

如果能量測(cè)量在周期開始時(shí)開始，則不存在時(shí)間不確定性。但是，如果能量測(cè)量在一個(gè)周期結(jié)束時(shí)開始，則整個(gè)周期將包含在實(shí)際測(cè)量持續(xù)時(shí)間中。同樣，如果能量測(cè)量在新周期開始時(shí)停止，則實(shí)數(shù)和應(yīng)用持續(xù)時(shí)間之間沒有差異，不確定性等于0。如果能量測(cè)量在周期結(jié)束時(shí)停止，則該周期不包括在能量測(cè)量中。

能量測(cè)量的時(shí)間不確定性最大值等于：

在能量測(cè)量期間，在能量測(cè)量開始的周期和能量測(cè)量停止的周期間存在周期誤差。欲了解更多信息，請(qǐng)參閱應(yīng)用文章“使用LMG600精密功率分析儀進(jìn)行能量測(cè)量”。

要同步兩臺(tái)設(shè)備的能量測(cè)量，應(yīng)將從設(shè)備能量菜單上的控制模式設(shè)置為外部。同步連接接口上的控制信號(hào)是開始測(cè)量所必需的，其由主設(shè)備提供。

ü在“enegy能量”菜單，將主設(shè)備的“Control Mode控制模式”設(shè)置為“Direct直接”，并將從設(shè)備的“Control Mode控制模式”設(shè)置為“External外部”。在從設(shè)備上按啟動(dòng)。在主設(shè)備上按啟動(dòng)時(shí)，兩臺(tái)設(shè)備中的能量測(cè)量都將開始。監(jiān)視持續(xù)時(shí)間的微小差異。

3.2.5瞬態(tài)同步

瞬態(tài)同步是指瞬態(tài)事件的開始時(shí)間的同步。選擇為輸入時(shí)，上升沿會(huì)觸發(fā)儀器中的瞬態(tài)記錄。選擇為輸出時(shí)，上升沿表示儀器中觸發(fā)了瞬變。0.1ms后，信號(hào)變回0。

3.2.6效率

我們已經(jīng)看到，在實(shí)際系統(tǒng)中，完美的同步是不可能的，同步設(shè)備之間總是存在時(shí)間延遲“snippet片段”。這也會(huì)影響效率測(cè)量，并可能導(dǎo)致效率測(cè)量高于實(shí)際值甚至高于1。輸入和輸出功率測(cè)量來自略有不同的時(shí)間間隔。這與系統(tǒng)中的節(jié)能設(shè)備（例如電容器，電機(jī)繞組）相結(jié)合，可能會(huì)導(dǎo)致錯(cuò)誤的效率結(jié)果。

讓我們假設(shè)一個(gè)系統(tǒng)，其中一臺(tái)儀器測(cè)量交流輸入，另一臺(tái)儀器測(cè)量直流輸出。交流輸入具有50Hz頻率，20ms周期（T），周期時(shí)間設(shè)置為60ms。50 ms后，額外的負(fù)載接通到輸出端，電流從0.05A增加到0.5A。然后輸入電流將從0.1A（峰值）增加到1.5A（峰值）。

圖 9：片段對(duì)效率測(cè)量的影響

在周期時(shí)間同步期間，信號(hào)被測(cè)量直到周期內(nèi)最后一次正過零。在周期時(shí)間n期間僅測(cè)量輸入電流的兩個(gè)周期，而在周期時(shí)間n+1上測(cè)量片段。片段是輸入和輸出之間的時(shí)間延遲。

在周期時(shí)間n結(jié)束時(shí)，恰好輸出電流高于輸入電流，這導(dǎo)致效率高于1。在下一個(gè)周期中，這種能量泄漏被修復(fù)。

1.3數(shù)據(jù)傳輸方法

有不同的系統(tǒng)架構(gòu)和方法可以從各種設(shè)備獲取數(shù)據(jù)。每種方法都有其優(yōu)點(diǎn)和缺點(diǎn)，只要延遲不同。 在以下部分中，描述了三種不同的數(shù)據(jù)傳輸方法。所有這些方法都可用于同步多達(dá)10臺(tái)設(shè)備。

3.3.1數(shù)字耦合

在數(shù)字耦合期間，每個(gè)設(shè)備都應(yīng)通過接口（例如以太網(wǎng)或CAN）連接到PC，如圖所示。通過PC軟件，可以從所有設(shè)備和每個(gè)周期時(shí)間獲取測(cè)量結(jié)果。更具體地說，可以：

§定義主設(shè)備和從設(shè)備

§選擇輸入設(shè)置，例如每臺(tái)設(shè)備通道數(shù)、周期時(shí)間、記錄值數(shù)量

§存儲(chǔ)結(jié)果

當(dāng)新的周期時(shí)間開始時(shí)，首先記錄主設(shè)備的值，然后記錄從設(shè)備的值。

圖 10：數(shù)字耦合

兩臺(tái)儀器之間的數(shù)據(jù)傳輸延遲小于1μs。同樣的延遲也適用于周期、能量、瞬態(tài)和頻率同步。在所有這些情況下，只發(fā)布單個(gè)脈沖。

3.3.2模擬耦合

在模擬耦合期間，兩臺(tái)儀器通過過程信號(hào)接口（PSI）連接。LMG600的過程信號(hào)接口共有10個(gè)模擬輸入（8個(gè)慢速輸入和2個(gè)快速輸入）和32個(gè)模擬輸出。從設(shè)備的測(cè)量數(shù)據(jù)通過PSI（模擬輸出）傳輸?shù)街髟O(shè)備（模擬輸入）。由主設(shè)備收集從設(shè)備的測(cè)量結(jié)果，并顯示在主設(shè)備的屏幕或PC上（如果有連接）

在PSI菜單上，應(yīng)選擇0V和+10V參考點(diǎn)電壓，以產(chǎn)生0或+10V輸入電壓的值。例如，如果電壓的真有效值幾乎等于220伏，則0V參考可以設(shè)置為0伏，+10V參考可以設(shè)置為220伏。更好的選擇是將0V參考設(shè)置為210V，將+10V參考設(shè)置為230V，從而降低誤差。

圖 11：模擬耦合

這種方法的缺點(diǎn)是，由于使用了PSI，因此存在附加誤差。信號(hào)從數(shù)字轉(zhuǎn)換為模擬（D/A轉(zhuǎn)換）和從模擬轉(zhuǎn)換為數(shù)字（A/D轉(zhuǎn)換），這會(huì)導(dǎo)致誤差（例如偏移誤差、增益誤差）。額外的信號(hào)處理也會(huì)導(dǎo)致時(shí)間延遲。對(duì)于靜態(tài)信號(hào)，其中不同測(cè)量值的值是相同的，這種延遲并不重要。但是，當(dāng)測(cè)量動(dòng)態(tài)信號(hào)時(shí)，由于信號(hào)的變化和波動(dòng)，任何時(shí)間延遲都很重要。此外，可以通過PSI傳輸?shù)闹档臄?shù)量也存在限制。

3.3.3時(shí)間同步/時(shí)間戳

圖 12：由于兩個(gè)同步設(shè)備之間的數(shù)據(jù)傳輸延遲而導(dǎo)致的常見問題

假設(shè)用戶在每個(gè)測(cè)量周期后使用Cont ON命令連續(xù)輸出每個(gè)設(shè)備的測(cè)量值。由于數(shù)據(jù)傳輸延遲（例如1μs），計(jì)算機(jī)有可能在一個(gè)周期結(jié)束之前向一臺(tái)儀器發(fā)送命令，在下一個(gè)周期開始后向另一臺(tái)儀器發(fā)送命令。儀器1輸出周期2的結(jié)果，而儀器2輸出周期3的結(jié)果。在這些情況下，可以使用時(shí)間同步來檢測(cè)時(shí)差并校正數(shù)據(jù)。

時(shí)間同步是發(fā)布絕對(duì)時(shí)間到所有設(shè)備。當(dāng)前時(shí)間可以從一個(gè)設(shè)備發(fā)送到另一個(gè)設(shè)備，或者一個(gè)設(shè)備可以接收時(shí)間并按其設(shè)置內(nèi)部時(shí)鐘。儀器之間的時(shí)間每10ms同步一次，而小周期時(shí)間為10ms。偏差小于100μs。

圖 13：時(shí)間同步

審核編輯：湯梓紅