LMG600高精度功率計測量之系統(tǒng)級別同步介紹

1.系統(tǒng)級別同步

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

1.1應(yīng)用描述

需要使用多臺功率分析儀同步的一個典型應(yīng)用是電力系統(tǒng)的安裝和監(jiān)測，例如可再生能源和混合能源。LMG600具有多達7個通道或6個通道和一個過程信號接口（PSI）。但是，有些拓撲中存在七個以上的測量點。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量結(jié)果是有用的。

雙電機的測試是需要耦合兩臺LMG的典型例子。在一臺電機上進行測量時，通常有以下測量點：

·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）

·用于測量扭矩和速度（如果需要）的過程信號接口（PSI）

因此，對于雙電機測試，至少需要八個功率測量通道。

用于測量待機功率和能源效率的測試臺，例如家用電器；牽引系統(tǒng)，例如由各種電驅(qū)動器組成的鐵路電力牽引系統(tǒng)；電動和混合動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每種類型的時間影響，不同的數(shù)據(jù)傳輸方法以及每種方法的優(yōu)缺點。

1.2同步類型

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

周期時間同步是將新周期的開始分配給所有儀器。周期時間同步是測量儀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。每種同步類型都獨立于其他同步類型。例如，可以在不同步周期時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量、頻率、周期時間、瞬態(tài)和時間的同步。

圖 5：同步連接接口

3.2.2頻率同步

對于頻率同步，每個設(shè)備上的每個組都可以同步到一個公共信號。例如：

§第一臺儀器的第一組的頻率被設(shè)置為一個信號，例如U1。

§第二臺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儀器并被設(shè)置為相同的信號U1。只有第一組的信號可以設(shè)置為第二臺儀器的輸入。

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

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)和儲能設(shè)備的組合。

圖6：UPS系統(tǒng)上的時間延遲

對于大多數(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移/延遲，并且需要測量此時間延遲。為了使兩個信號的速率完全相同，主設(shè)備的頻率（fA）是從設(shè)備的輸入（fB = fA）。然后，LMGA測量輸入和相應(yīng)的相角，LMGB測量輸出和與輸入之間的相角。

3.2.3周期時間同步

周期時間粗略地定義了獲取數(shù)值/測量結(jié)果的頻率（平均）。為了從多個LMG設(shè)備同時準確地生成測量值，周期時間必須完全相同。周期時間同步具有主/從功能。周期時間在主設(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。

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

圖7：周期時間同步

如上圖所示，每次當前周期結(jié)束既新周期的開始，直到測量到每個信號的最后一個過零點。根據(jù)信號的頻率，時間差（Snippet片段）會有所不同。也有可能在每個周期時間測量不同數(shù)量的信號周期。例如，圖上信號3的兩個周期在第一個周期內(nèi)測量，而在第二個周期中測量三個周期。

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

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

ü使用DURNORM命令讀取每個周期的實際持續(xù)時間。通過在DURNORM命令后添加通道數(shù)字來讀取每個通道的測量時間（例如DURNORM2）。每個組的測量時間都不同 。

3.2.4能量測量同步

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

在下圖中，描述了一臺儀器中的能量測量。

圖 8：能量測量

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

§測量開始的周期包含在實際測量中

§則積分時間相應(yīng)地調(diào)整

§測量停止的周期不包括在實際測量中

§應(yīng)用持續(xù)時間和實際持續(xù)時間之間存在時間差

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

能量測量的時間不確定性最大值等于：

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

要同步兩臺設(shè)備的能量測量，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是開始測量所必需的，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。在主設(shè)備上按啟動時，兩臺設(shè)備中的能量測量都將開始。監(jiān)視持續(xù)時間的微小差異。

3.2.5瞬態(tài)同步

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

3.2.6效率

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

讓我們假設(shè)一個系統(tǒng)，其中一臺儀器測量交流輸入，另一臺儀器測量直流輸出。交流輸入具有50Hz頻率，20ms周期（T），周期時間設(shè)置為60ms。50 ms后，額外的負載接通到輸出端，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：片段對效率測量的影響

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

在周期時間n結(jié)束時，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)點和缺點，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10臺設(shè)備。

3.3.1數(shù)字耦合

在數(shù)字耦合期間，每個設(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)備和每個周期時間獲取測量結(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，例如每臺設(shè)備通道數(shù)、周期時間、記錄值數(shù)量

§存儲結(jié)果

當新的周期時間開始時，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)布單個脈沖。

3.3.2模擬耦合

在模擬耦合期間，兩臺儀器通過過程信號接口（PSI）連接。LMG600的過程信號接口共有10個模擬輸入（8個慢速輸入和2個快速輸入）和32個模擬輸出。從設(shè)備的測量數(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

這種方法的缺點是，由于使用了PSI，因此存在附加誤差。信號從數(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），這會導(dǎo)致誤差（例如偏移誤差、增益誤差）。額外的信號處理也會導(dǎo)致時間延遲。對于靜態(tài)信號，其中不同測量值的值是相同的，這種延遲并不重要。但是，當測量動態(tài)信號時，由于信號的變化和波動，任何時間延遲都很重要。此外，可以通過PSI傳輸?shù)闹档臄?shù)量也存在限制。

3.3.3時間同步/時間戳

圖 12：由于兩個同步設(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)用戶在每個測量周期后使用Cont ON命令連續(xù)輸出每個設(shè)備的測量值。由于數(shù)據(jù)傳輸延遲（例如1μs），計算機有可能在一個周期結(jié)束之前向一臺儀器發(fā)送命令，在下一個周期開始后向另一臺儀器發(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，可以使用時間同步來檢測時差并校正數(shù)據(jù)。

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

圖 13：時間同步

審核編輯：湯梓紅