CN110795070B - 虚拟关口表平台及构建方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种虚拟关口表平台，基于MATLAB平台通过MEX文件调用Visual Studio平台的C语言进行模拟实现的，包括MATLAB平台建立层、MEX文件调用层和Visual Studio平台建立层。本发明专利采用MATLAB与C语言混合编程技术，通过MEX文件结合MATLAB和Visual Studio平台的优势，构建虚拟平台；MATLAB的优势在数据显示和大量数据处理，而C语言的优势在于核心算法运行速率高，从能较好实现实时数据分析。核心电能计量算法源自成熟关口表平台，这能使虚拟关口表能更逼近实际产品；现场问题分析和调试，若采用该平台作为分析工具，可以很好解决现场的问题；同时能够借助该平台，利用计算机硬件大容量存储的优势，对现场长时间监控，从而捕捉低概率时间，更好的发现系统软件或硬件问题，从而改善和提升产品。

Description

虚拟关口表平台及构建方法

技术领域

本发明涉及电网电能计量技术领域，尤其涉及一种虚拟关口表平台及构建方法。

背景技术

关口表主要用于大型发电厂、区域性电网、光伏、风电、水电及电气化铁路等负载频繁变化的计量点，这些场合在运行过程中表现出功率冲击、三相不平衡、非线性、随机等复杂特性。然而，关口表生产校验环境一般是在实验室正弦理想条件下进行的，校准时国内关口表完全能达到国外关口表同级精度，但在现场复杂条件下，国内关口表长期运行情况下与国外关口表电量计量会出现偏差且相对偏少的情况，这种电量偏少的情况属于小概率事件，但这对于大型发电厂客户来说这是绝对不允许的，一般情况下，客户都会偏向认为国内关口表有问题。这种情况下，我们就需要通过有效手段分析问题，从而给客户一个合理解释，解决问题，并改善用户体验。另一方面，关口表平台电能计量算法都采用DSP处理算法，且实现与DSP平台上，整个平台比一般电能表更复杂，所以在培养新人的过程中，难度要大很多。

正是为解决上述问题，本发明专利提出虚拟关口表平台，该平台基于PC机，可以进行实时数据采集、分析、显示，大量数据存储，电能计量算法涉及、分析，进一步的实现现场故障调试与诊断，从而提升关口表产品性能，改善客户体验；该平台还可用于新人培养和演示，通过虚拟平台熟悉电能计量DSP处理过程，提升工作效率。

现有技术，专利公示号为201711138389.6的“虚拟电能表及虚拟电能表的参数配置方法”，实现了虚拟电能表功能，但是该虚拟电能表无核心电能计量算法，只有电能表计管理部分，从而无法实现本发明专利相关功能。专利公示号为201010109432.8的“一种电能计量仿真系统构成方法及其装置”，实现了完善的电能计量仿真平台，但该技术的不足是没有教好解决核心电能计量算法实时运算的功能，实践证明MATLAB平台与C语言相比，运行速率比C语言低数十倍，所以这回导致无法实现高速率采样时，实时数据处理，进一步的难以实现现场数据实时分析和故障诊断功能。

发明内容

本发明针对现有技术中的缺点，提供了一种虚拟关口表平台及构建方法。

为了解决上述技术问题，本发明通过下述技术方案得以解决：

一种虚拟关口表平台，基于MATLAB平台通过MEX文件调用Visual Studio平台的C语言进行模拟实现的，包括MATLAB平台建立层、MEX文件调用层和Visual Studio平台建立层；

所述MATLAB平台建立层用于模拟并建立数据采集系统和数据显示系统，模拟的数据采集系统包括调理电路及AD采样模块、实时采样数据模块和噪声模块，模拟的显示系统包括电参量输出模块，实时采样数据模块用于采集实时电压数据和电流数据，噪声模块连接调理电路及AD采样模块，调理电路及AD采样模块用于采集各种相关参数以及噪声模块中产生的模拟误差数据；所述电参量输出模块用于显示并保存电能计量核心模块实时处理后的电参量数据；

所述MEX文件调用层用于模拟并建立MATLAB平台建立层和Visual Studio平台建立层的连接，将MATLAB平台建立层和Visual Studio平台建立层进行关联；

所述Visual Studio平台建立层用于模拟并建立数据处理系统，包括电能计量核心模块，所述电能计量核心模块用于实时计算相关参数以及采集到的实时电压数据和电流数据，得到相关电参量数据结果，并将得到的电参量数据结果通过MEX文件调用层传输至电参量输出模块中。

作为一种可实施方式，所述MATLAB平台建立层还包括信号源标准模型库模块，信号源标准模型库模块中包括电压信号标准模型、电流信号标准模型和谐波标准模型，通过电压信号标准模块、电流信号标准模型和谐波标准模型产生标准电压数据U(t)和标准电流数据I(t)。

作为一种可实施方式，调理电路及AD采样模块中采集到的相关参数包括电流互感器变比CT、采样电阻R、AD基准电压V_REF和AD采样频率f_s，调理电路及AD采样模块将AD基准电压V_REF和AD采样频率f_s转化为电压数字信号u_AD(n)、电流数字信号i_AD(n)，转化过程如下：

其中，ADbits为AD转换位数；f_s为AD采样频率；

PT表示参比电压；

其中，CT为电流互感器变比；R为采样电阻。

作为一种可实施方式，信号源标准模型库模块和噪声模块分别连接调理电路及AD采样模块，实时采样数据模块连接电能计量核心模块，电能计量核心模块连接电参量输出模块。

作为一种可实施方式，所述MATLAB平台建立层还包括校表模块，校表模块连接调理电路及AD采样模块并对调整电路及AD采样模块进行调整与校正。

作为一种可实施方式，所述校表模块的校正方式包括比值校正和相位校正，基于比值校正和相位校正的结果对调整电路及AD采样模块，比值校正和相位校正具体表示如下：

作为一种可实施方式，所述实时采样数据模块包括USB CDC虚拟串口和前端采集模块，所述前端采集模块用于采集实时电压数据和电流数据，所述USB CDC虚拟串口将采集到的实时电压数据和电流数据传输至电能计量核心模块中。

作为一种可实施方式，所述噪声模块用于模拟关口表产生的噪声，所述噪声模块中的模拟误差数据包括AD基准电压V_REF、AD采样频率f_s、数字信号u_AD(n)、数字信号i_AD(n)，所述噪声模块中设有AD基准电压V_REF噪声模型和AD采样频率f_s噪声模型、数字信号u_AD(n)噪声模型、数字信号i_AD(n)噪声模型，在此，噪声模型包括均匀噪声模型和高斯造型模型。

一种虚拟关口表平台构建方法，包括以下步骤：

基于MATLAB平台模拟并建立数据采集系统和数据显示系统，模拟的数据采集系统包括调理电路及AD采样模块、实时采样数据模块和噪声模块，模拟的显示系统包括电参量输出模块，实时采样数据模块用于采集实时电压数据和电流数据，噪声模块连接调理电路及AD采样模块，调理电路及AD采样模块用于采集各种相关参数以及噪声模块中产生的模拟误差数据；所述电参量输出模块用于显示并保存电能计量核心模块实时处理后的电参量数据；

基于MEX文件模拟并建立MATLAB平台建立层和Visual Studio平台建立层的连接，将MATLAB平台建立层和Visual Studio平台建立层进行关联；

基于Visual Studio平台模拟并建立数据处理系统，包括电能计量核心模块，所述电能计量核心模块用于实时计算相关参数以及采集到的实时电压数据和电流数据，得到相关电参量数据结果，并将得到的电参量数据结果通过MEX文件调用层传输至电参量输出模块中。

本发明由于采用了以上技术方案，具有显著的技术效果：

(1)本发明专利采用MATLAB与C语言混合编程技术，通过MEX文件结合MATLAB和Visual Studio平台的优势，构建虚拟平台；MATLAB的优势在数据显示和大量数据处理，而C语言的优势在于核心算法运行速率高，从能较好实现实时数据分析。

(2)核心电能计量算法源自成熟关口表平台，这能使虚拟关口表能更逼近实际产品；

(3)现场问题分析和调试，若采用该平台作为分析工具，可以很好解决现场的问题；同时能够借助该平台，利用计算机硬件大容量存储的优势，可以对原始数据进行长时间存储和实时处理，对现场长时间监控，从而捕捉低概率时间，更好的发现系统软件或硬件问题，从而改善和提升产品。

(4)人才培养，掌握电能计量基础技术：该平台采用MATLAB强大的数据处理及图像显示能力，让新人能够在全仿真环境下熟悉电能计量，可以用于新手快速入门，并且由易到难，逐步掌握数字信号处理技术。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1是虚拟关口表平台结构示意图；

图2是虚拟关口表平台的模块示意图；

图3是实时采样数据模块的结构示意图；

图4是调理电路及AD采样模块的结构示意图；

图5-图7是虚拟关口表平台的MATLABGUI界面示意图；

图8是本发明的具体流程示意图。

附图中的标号表示：1、调理电路及AD采样模块；2、实时采样数据模块；3、噪声模块；4、电参量输出模块；5、MATLAB平台建立层；6、MEX文件调用层；7、电能计量核心模块；8、Visual Studio平台建立层；9、信号源标准模型库模块；10、校表模块；11、虚拟串口；12、前端采集模块；

具体实施方式

下面结合实施例对本发明做进一步的详细说明，以下实施例是对本发明的解释而本发明并不局限于以下实施例。

实施例1：

一种虚拟关口表平台，基于MATLAB平台通过MEX文件调用Visual Studio平台的C语言进行模拟实现的，包括MATLAB平台建立层5、MEX文件调用层6和Visual Studio平台建立层8；

所述MATLAB平台建立层5用于模拟并建立数据采集系统和数据显示系统，模拟的数据采集系统包括调理电路及AD采样模块1、实时采样数据模块2和噪声模块3，模拟的显示系统包括电参量输出模块4，实时采样数据模块2用于采集实时电压数据和电流数据，噪声模块连接调理电路及AD采样模块1，调理电路及AD采样模块1用于采集各种相关参数以及噪声模块3中产生的模拟误差数据；所述电参量输出模块4用于显示并保存电能计量核心模块7实时处理后的电参量数据；

所述MEX文件调用层6用于模拟并建立MATLAB平台建立层5和Visual Studio平台建立层8的连接，将MATLAB平台建立层5和Visual Studio平台建立层8进行关联；

所述Visual Studio平台建立层8用于模拟并建立数据处理系统，包括电能计量核心模块7，所述电能计量核心模块7用于实时计算相关参数以及采集到的实时电压数据和电流数据，得到相关电参量数据结果，并将得到的电参量数据结果通过MEX文件调用层6传输至电参量输出模块4中。

本发明的虚拟关口表平台是由MATLAB平台通过MEX文件调用Visual Studio的C语言实现的，即采用混合编程技术实现。MATLAB平台主要包含信号源标准模型库模块9、调理电路及AD采样模块1、电参量输出模块4、校表模块10模块、噪声模块3、实时采样数据模块2，这些模块采用MATLAB语言构建电能表模型，并采用GUI技术设计界面进行人机交互；VisualStudio平台包含电能计量核心模块7，该核心模块来源于成熟的关口电能表产品；MEX文件调用层6将MATLAB平台建立层85与Visual Studio平台建立层有机的结合起来，并且整合两个平台的优势，MATLAB平台建立层85下通过GUI方便进行数据显示切方便实现大量数据处理功能；Visual Studio平台建立层采用C语言实现核心电能计量算法，运行效率比在MATLAB平台建立层85高出数十倍，从而实现数据的实时处理在，并提高整个程序的执行速度；电能计量核心模块7属于DSP核心算法处理模块，来源自成熟的关口表产品平台，主要包括：电压、电流有效值，有功、无功、视在功率计算，谐波分析，全波、基波、谐波电能量处理和其他电参量运算；调理电路及AD采样模块1主要构建关键表硬件电路采样数学模型，该电路主要将电压、电流信号经调理电路转化后并经过AD采样数字定点化。模型构建过程中主要包括CT，采样电阻R，AD基准电压VREF，AD采样频率fs；实时数据采样模块，用于实时数据采样的实时数据源自于采样前端将电压、电流三相电路信号实时采集，并经过USB CDC虚拟串口11模块将实时数据传输到虚拟关口表平台进行数据分析，该模块要求数据实时传输；信号源标准模型库模块9产生理想电压、电流信号，经过调理电路及AD采样模块1和噪声模块3产生数字化的电压、电流信号，再经过电能计量核心模块7运算处理得到电参量输出模块4；进一步的根据电参量输出模块4的结果，采用校表模块10校正虚拟关口表平台；实时采样数据模块2采集的电压、电流数字信号，经过电能计量核心模块7实时处理后得到电参量输出模块4，并显示和保存结果，实时采样数据模块2主要实现虚拟关口表的实时数据分析功能，这要求数据采样和算法处理都具有实时性。(1)本发明专利采用MATLAB与C语言混合编程技术，通过MEX文件结合MATLAB和Visual Studio平台的优势，构建虚拟平台；MATLAB的优势在数据显示和大量数据处理，而C语言的优势在于核心算法运行速率高，从能较好实现实时数据分析。

(2)核心电能计量算法源自成熟关口表平台，这能使虚拟关口表能更逼近实际产品；

(3)现场问题分析和调试，若采用该平台作为分析工具，可以很好解决现场的问题；同时能够借助该平台，利用计算机硬件大容量存储的优势，可以对原始数据进行长时间存储和实时处理，对现场长时间监控，从而捕捉低概率时间，更好的发现系统软件或硬件问题，从而改善和提升产品。

(4)人才培养，掌握电能计量基础技术：该平台采用MATLAB强大的数据处理及图像显示能力，让新人能够在全仿真环境下熟悉电能计量，可以用于新手快速入门，并且由易到难，逐步掌握数字信号处理技术。

更进一步地，所述MATLAB平台建立层5还包括信号源标准模型库模块9，信号源标准模型库模块9中包括电压信号标准模型、电流信号标准模型和谐波标准模型，通过电压信号标准模块、电流信号标准模型和谐波标准模型产生标准电压数据U(t)和标准电流数据I(t)。

在此实施例中，调理电路及AD采样模块1是构建关口表硬件调理电路及AD采样数学模型，从而实现纯虚拟关口表平台，调理电路及AD采样模块1中采集到的相关参数包括电流互感器变比CT、采样电阻R、AD基准电压V_REF和AD采样频率f_s，调理电路及AD采样模块将AD基准电压V_REF和AD采样频率f_s转化为电压数字信号u_AD(n)、电流数字信号i_AD(n)，转化过程如下：

其中，ADbits为AD转换位数；f_s为AD采样频率；

PT表示参比电压；

其中，CT为电流互感器变比；R为采样电阻。

信号源标准模型库模块9和噪声模块3分别连接调理电路及AD采样模块1，实时采样数据模块连接电能计量核心模块7，电能计量核心模块7连接电参量输出模块4。电能计量核心模块7主要对输入的电压数字信号u_AD(n)、电流数字信号i_AD(n)进行DSP运算，并得到主要包括电压、电流有效值，有功、无功、视在功率计算，全波、基波、谐波电量运算，谐波分析及其他电参量。该模块属于核心算法，运算量大，采用C语言处理效率更高；该模块源自于成熟关口表产品平台；构建的噪声模型，能够进一步对电能计量误差进行理论分析，并进行误差综合与分解，通过MATLAB平台提供的信号源进行全范围测试，从而深入分析噪声对电能计量算法的影响，并进一步改进算法，提升抗噪声能力。

另外，为了减小误差，所述MATLAB平台建立层还包括校表模块10，校表模块10主要根据电参量输出结果进一步校正由调理电路及AD采样模块1引入的误差，校表模块10连接调理电路及AD采样模块1并对调整电路及AD采样模块进行调整与校正；所述校表模块10的校正方式包括比值校正和相位校正，基于比值校正和相位校正的结果对调整电路及AD采样模块，比值校正和相位校正具体表示如下：

所述实时采样数据模块2包括USB CDC虚拟串口11和前端采集模块12，所述前端采集模块12用于采集实时电压数据和电流数据，所述USB CDC虚拟串口11将采集到的实时电压数据和电流数据传输至电能计量核心模块7中，实时采样数据模块2的数据由前端采集模块12通过USB CDC虚拟串口11传输到虚拟表平台，从而实现数据实时分析和存储。

前端采集模块12再经USB CDC虚拟串口11将数据传输到电能计量核心模块7，经过进一步运算得到电参数输出7。

前端采集模块12：考虑三相电压、电流信号，电压经电阻压、电流经CT和采样电阻；AD采样芯片采用ADS1278，24位Sigma-DeltaADC，采样速率为12.8KHz；主控MCU采用STM32F401；采样经USB CDC虚拟串口11传输到虚拟表平台。

根据以上配置，以三相系统为例，不同时段数据量如下：

1个小时数据量：12800×6×4×3600＝1054M bytes；

24个小时数据量：1054×24＝24.7G bytes；

由此，当需要进行现场调试和问题分析时，若需要进行长时间观测，普通关口表无法满足大量数据存储和分析要求，当采用虚拟关口表平台时，很容易解决数据存储的问题，因为数据存储容量取决于PC机硬盘容量。

所以，由上述模块构成实时数据分析平台，该平台能够实现大量数据分析、存储及现场问题调试分析。

另外，整个虚拟关口表平台是存在纯虚拟关口表平台GUI界面，通过纯虚拟关口表平台GUI界面可以直观的看到各种相关信息。

所述噪声模块3用于模拟关口表产生的噪声，所述噪声模块3中的模拟误差数据包括AD基准电压V_REF、AD采样频率f_s、数字信号u_AD(n)、数字信号i_AD(n)，所述噪声模块3中设有AD基准电压V_REF噪声模型和AD采样频率f_s噪声模型、数字信号u_AD(n)噪声模型、数字信号i_AD(n)噪声模型，在此，噪声模型包括均匀噪声模型和高斯造型模型。

实施例2：

一种虚拟关口表平台构建方法，如图6所示，包括以下步骤：

S100、基于MATLAB平台模拟并建立数据采集系统和数据显示系统，模拟的数据采集系统包括调理电路及AD采样模块1、实时采样数据模块2和噪声模块3，模拟的显示系统包括电参量输出模块4，实时采样数据模块2用于采集实时电压数据和电流数据，噪声模块连接调理电路及AD采样模块1，调理电路及AD采样模块1用于采集各种相关参数以及噪声模块3中产生的模拟误差数据；所述电参量输出模块4用于显示并保存电能计量核心模块7实时处理后的电参量数据；

S200、基于MEX文件模拟并建立MATLAB平台建立层5和Visual Studio平台建立层8的连接，将MATLAB平台建立层5和Visual Studio平台建立层8进行关联；

S300、基于Visual Studio平台模拟并建立数据处理系统，包括电能计量核心模块7，所述电能计量核心模块7用于实时计算相关参数以及采集到的实时电压数据和电流数据，得到相关电参量数据结果，并将得到的电参量数据结果通过MEX文件调用层6传输至电参量输出模块4中。

此外，需要说明的是，本说明书中所描述的具体实施例，其零、部件的形状、所取名称等可以不同。凡依本发明专利构思所述的构造、特征及原理所做的等效或简单变化，均包括于本发明专利的保护范围内。本发明所属技术领域的技术人员可以对所描述的具体实施例做各种各样的修改或补充或采用类似的方式替代，只要不偏离本发明的结构或者超越本权利要求书所定义的范围，均应属于本发明的保护范围。

Claims (7)

1.一种虚拟关口表平台，基于MATLAB平台通过MEX文件调用VisualStudio平台的C语言进行模拟实现的，其特征在于，包括MATLAB平台建立层、MEX文件调用层和Visual Studio平台建立层；

所述MATLAB平台建立层用于模拟并建立数据采集系统和数据显示系统，模拟的数据采集系统包括调理电路及AD采样模块、实时采样数据模块和噪声模块，模拟的显示系统包括电参量输出模块，实时采样数据模块用于采集实时电压数据和电流数据，噪声模块连接调理电路及AD采样模块，调理电路及AD采样模块用于采集各种相关参数以及噪声模块中产生的模拟误差数据；所述电参量输出模块用于显示并保存电能计量核心模块实时处理后的电参量数据，其中，所述MATLAB平台建立层还包括校表模块，校表模块连接调理电路及AD采样模块并对调整电路及AD采样模块进行调整与校正，所述校表模块的校正方式包括比值校正和相位校正，基于比值校正和相位校正的结果对调整电路及AD采样模块，比值校正和相位校正具体表示如下：

所述MEX文件调用层用于模拟并建立MATLAB平台建立层和VisualStudio平台建立层的连接，将MATLAB平台建立层和VisualStudio平台建立层进行关联；

所述VisualStudio平台建立层用于模拟并建立数据处理系统，包括电能计量核心模块，所述电能计量核心模块用于实时计算相关参数以及采集到的实时电压数据和电流数据，得到相关电参量数据结果，并将得到的电参量数据结果通过MEX文件调用层传输至电参量输出模块中。

2.根据权利要求1所述的虚拟关口表平台，其特征在于，所述MATLAB平台建立层还包括信号源标准模型库模块，信号源标准模型库模块中包括电压信号标准模型、电流信号标准模型和谐波标准模型，通过电压信号标准模块、电流信号标准模型和谐波标准模型产生标准电压数据U(t)和标准电流数据I(t)。

3.根据权利要求2所述的虚拟关口表平台，其特征在于，调理电路及AD采样模块中采集到的相关参数包括电流互感器变比CT、采样电阻R、AD基准电压V_REF和AD采样频率f_s，调理电路及AD采样模块将AD基准电压V_REF和AD采样频率f_s转化为电压数字信号u_AD(n)、电流数字信号i_AD(n)，转化过程如下：

其中，ADbits为AD转换位数；f_s为AD采样频率；PT表示参比电压；

其中，CT为电流互感器变比；R为采样电阻。

4.根据权利要求2所述的虚拟关口表平台，其特征在于，信号源标准模型库模块和噪声模块分别连接调理电路及AD采样模块，实时采样数据模块连接电能计量核心模块，电能计量核心模块连接电参量输出模块。

5.根据权利要求1所述的虚拟关口表平台，其特征在于，所述实时采样数据模块包括USBCDC虚拟串口和前端采集模块，所述前端采集模块用于采集实时电压数据和电流数据，所述USBCDC虚拟串口将采集到的实时电压数据和电流数据传输至电能计量核心模块中。

6.根据权利要求1所述的虚拟关口表平台，其特征在于，所述噪声模块用于模拟关口表产生的噪声，所述噪声模块中的模拟误差数据包括AD基准电压V_REF、AD采样频率f_s、数字信号u_AD(n)、数字信号i_AD(n)，所述噪声模块中设有AD基准电压V_REF噪声模型和AD采样频率f_s噪声模型、数字信号u_AD(n)噪声模型、数字信号i_AD(n)噪声模型，在此，噪声模型包括均匀噪声模型和高斯造型模型。

7.一种虚拟关口表平台构建方法，其特征在于，包括以下步骤：

基于MATLAB平台模拟并建立数据采集系统和数据显示系统，模拟的数据采集系统包括调理电路及AD采样模块、实时采样数据模块和噪声模块，模拟的显示系统包括电参量输出模块，实时采样数据模块用于采集实时电压数据和电流数据，噪声模块连接调理电路及AD采样模块，调理电路及AD采样模块用于采集各种相关参数以及噪声模块中产生的模拟误差数据；所述电参量输出模块用于显示并保存电能计量核心模块实时处理后的电参量数据；

基于MEX文件模拟并建立MATLAB平台建立层和VisualStudio平台建立层的连接，将MATLAB平台建立层和VisualStudio平台建立层进行关联，其中，所述MATLAB平台建立层还包括校表模块，校表模块连接调理电路及AD采样模块并对调整电路及AD采样模块进行调整与校正，所述校表模块的校正方式包括比值校正和相位校正，基于比值校正和相位校正的结果对调整电路及AD采样模块，比值校正和相位校正具体表示如下：

基于VisualStudio平台模拟并建立数据处理系统，包括电能计量核心模块，所述电能计量核心模块用于实时计算相关参数以及采集到的实时电压数据和电流数据，得到相关电参量数据结果，并将得到的电参量数据结果通过MEX文件调用层传输至电参量输出模块中。