LMG600高精度功率计测量之系统级别同步介绍

1.系统级别同步

系统级别同步意味着耦合多个设备，扩展测量通道的数量，同步地发送和接收数据。安装同步测量设备并将其纳入操作实践的需求日益增长。它们为系统的大范围监控提供了机会，并提供了一种更灵活、时间和空间效率更高的解决方案。

1.1应用描述

需要使用多台功率分析仪同步的一个典型应用是电力系统的安装和监测，例如可再生能源和混合能源。LMG600具有多达7个通道或6个通道和一个过程信号接口（PSI）。但是，有些拓扑中存在七个以上的测量点。例如，逆变器和DC/DC转换器、电池、电池充电控制器、备用发电机的输入和输出。然后我们可以想象为什么耦合各种设备并一次显示所有测量结果是有用的。

双电机的测试是需要耦合两台LMG的典型例子。在一台电机上进行测量时，通常有以下测量点：

·单相或三相变频器输入（一至三通道）

·三相变频器输出（三通道）

·用于测量扭矩和速度（如果需要）的过程信号接口（PSI）

因此，对于双电机测试，至少需要八个功率测量通道。

用于测量待机功率和能源效率的测试台，例如家用电器；牵引系统，例如由各种电驱动器组成的铁路电力牵引系统；电动和混合动力汽车是更多的例子。

在以下各节中，描述了各种同步类型和对每种类型的时间影响，不同的数据传输方法以及每种方法的优缺点。

1.2同步类型

为确保测量结果不是异步的，存在五种不同类型的同步：周期时间同步、频率同步、能量累积测量同步、瞬态同步和时间同步。

周期时间同步是将新周期的开始分配给所有仪器。周期时间同步是测量仪器成功同步的主要步骤，也是最重要的步骤。然而，在特定应用可能需要更多同步类型。每种同步类型都独立于其他同步类型。例如，可以在不同步周期时间的情况下同步频率。

3.2.1同步连接接口

LMG600配有15针同步连接接口。所有连接的信号都可以设置为输入或输出，并可用于控制其他设备或通过它们进行控制。引脚Sync_Energy_I/O、Sync_Frequency_I/O、Sync_Cycle_I/O、Sync_Transient_I/O和Sync_Time_I/O分别用于同步能量测量、频率、周期时间、瞬态和时间的同步。

图 5：同步连接接口

3.2.2频率同步

对于频率同步，每个设备上的每个组都可以同步到一个公共信号。例如：

§第一台仪器的第一组的频率被设置为一个信号，例如U1。

§第二台仪器的第一组的频率设置为外部。然后，它的输入是来自第一台仪器并被设置为相同的信号U1。只有第一组的信号可以设置为第二台仪器的输入。

时间效应，即不同设备信号之间的时间差，非常小，可以忽略不计。

ü在LMG600的“Group组”菜单可以选择同步源，来监控频率的调整。该源可以设置为来自当前或者任意其他组和外部的电压或电流通道

需要频率同步的典型应用示例是不间断电源（UPS）。UPS是维持设备供电的装置，是转换器、开关和储能设备的组合。

图6：UPS系统上的时间延迟

对于大多数UPS系统，需要无缝转换，并且输入频率应与输出频率同步。输入和输出之间存在相角差指示时移/延迟，并且需要测量此时间延迟。为了使两个信号的速率完全相同，主设备的频率（fA）是从设备的输入（fB = fA）。然后，LMGA测量输入和相应的相角，LMGB测量输出和与输入之间的相角。

3.2.3周期时间同步

周期时间粗略地定义了获取数值/测量结果的频率（平均）。为了从多个LMG设备同时准确地生成测量值，周期时间必须完全相同。周期时间同步具有主/从功能。周期时间在主设备上定义，其余/从设备设置为“外部”，并由主设备控制。

下图是一个仪器的不同组信号或不同仪器和 不同频率的信号之间的周期时间同步示例。 在LMG上的“Instrument仪器”菜单下，可以设置周期时间并将其应用于设备的所有信号和组，并通过主/从操作应用到其他设备。

图7：周期时间同步

如上图所示，每次当前周期结束既新周期的开始，直到测量到每个信号的最后一个过零点。根据信号的频率，时间差（Snippet片段）会有所不同。也有可能在每个周期时间测量不同数量的信号周期。例如，图上信号3的两个周期在第一个周期内测量，而在第二个周期中测量三个周期。

重要的是要理解片段并不意味着测量误差，而是各种测量结果来自略有不同的时间间隔。如果问题是我们如何精确地同时测量：答案是没有物理方法可以实现100%同步，而只有几乎同步的信号。

使用LMG600，测量是无间隙的。当测量周期结束时，完成的周期用于计算测量值，未完成的周期用作下一个周期采样的起始值。比如以50ms的周期时间测量周期为20 ms的信号，则实际测量时间在40ms和60ms之间交替。没有片段就没有无间隙的测量！

ü使用DURNORM命令读取每个周期的实际持续时间。通过在DURNORM命令后添加通道数字来读取每个通道的测量时间（例如DURNORM2）。每个组的测量时间都不同 。

3.2.4能量测量同步

为了执行能量测量，应定义开始时间和测量持续时间。测量持续时间取决于周期模式，当选择固定间隔周期模式时，它是周期时间的整数。同样，当周期模式分别设置为“Hram谐波”或“Scope示波”时，它取决于谐波分析的周期长度或真实采样率。该仪器只将完整的周期用于能量计算。

在下图中，描述了一台仪器中的能量测量。

图 8：能量测量

应用的持续时间是通过用户的外部I/O定义的。我们可以注意到：

§测量开始的周期包含在实际测量中

§则积分时间相应地调整

§测量停止的周期不包括在实际测量中

§应用持续时间和实际持续时间之间存在时间差

如果能量测量在周期开始时开始，则不存在时间不确定性。但是，如果能量测量在一个周期结束时开始，则整个周期将包含在实际测量持续时间中。同样，如果能量测量在新周期开始时停止，则实数和应用持续时间之间没有差异，不确定性等于0。如果能量测量在周期结束时停止，则该周期不包括在能量测量中。

能量测量的时间不确定性最大值等于：

在能量测量期间，在能量测量开始的周期和能量测量停止的周期间存在周期误差。欲了解更多信息，请参阅应用文章“使用LMG600精密功率分析仪进行能量测量”。

要同步两台设备的能量测量，应将从设备能量菜单上的控制模式设置为外部。同步连接接口上的控制信号是开始测量所必需的，其由主设备提供。

ü在“enegy能量”菜单，将主设备的“Control Mode控制模式”设置为“Direct直接”，并将从设备的“Control Mode控制模式”设置为“External外部”。在从设备上按启动。在主设备上按启动时，两台设备中的能量测量都将开始。监视持续时间的微小差异。

3.2.5瞬态同步

瞬态同步是指瞬态事件的开始时间的同步。选择为输入时，上升沿会触发仪器中的瞬态记录。选择为输出时，上升沿表示仪器中触发了瞬变。0.1ms后，信号变回0。

3.2.6效率

我们已经看到，在实际系统中，完美的同步是不可能的，同步设备之间总是存在时间延迟“snippet片段”。这也会影响效率测量，并可能导致效率测量高于实际值甚至高于1。输入和输出功率测量来自略有不同的时间间隔。这与系统中的节能设备（例如电容器，电机绕组）相结合，可能会导致错误的效率结果。

让我们假设一个系统，其中一台仪器测量交流输入，另一台仪器测量直流输出。交流输入具有50Hz频率，20ms周期（T），周期时间设置为60ms。50 ms后，额外的负载接通到输出端，电流从0.05A增加到0.5A。然后输入电流将从0.1A（峰值）增加到1.5A（峰值）。

图 9：片段对效率测量的影响

在周期时间同步期间，信号被测量直到周期内最后一次正过零。在周期时间n期间仅测量输入电流的两个周期，而在周期时间n+1上测量片段。片段是输入和输出之间的时间延迟。

在周期时间n结束时，恰好输出电流高于输入电流，这导致效率高于1。在下一个周期中，这种能量泄漏被修复。

1.3数据传输方法

有不同的系统架构和方法可以从各种设备获取数据。每种方法都有其优点和缺点，只要延迟不同。 在以下部分中，描述了三种不同的数据传输方法。所有这些方法都可用于同步多达10台设备。

3.3.1数字耦合

在数字耦合期间，每个设备都应通过接口（例如以太网或CAN）连接到PC，如图所示。通过PC软件，可以从所有设备和每个周期时间获取测量结果。更具体地说，可以：

§定义主设备和从设备

§选择输入设置，例如每台设备通道数、周期时间、记录值数量

§存储结果

当新的周期时间开始时，首先记录主设备的值，然后记录从设备的值。

图 10：数字耦合

两台仪器之间的数据传输延迟小于1μs。同样的延迟也适用于周期、能量、瞬态和频率同步。在所有这些情况下，只发布单个脉冲。

3.3.2模拟耦合

在模拟耦合期间，两台仪器通过过程信号接口（PSI）连接。LMG600的过程信号接口共有10个模拟输入（8个慢速输入和2个快速输入）和32个模拟输出。从设备的测量数据通过PSI（模拟输出）传输到主设备（模拟输入）。由主设备收集从设备的测量结果，并显示在主设备的屏幕或PC上（如果有连接）

在PSI菜单上，应选择0V和+10V参考点电压，以产生0或+10V输入电压的值。例如，如果电压的真有效值几乎等于220伏，则0V参考可以设置为0伏，+10V参考可以设置为220伏。更好的选择是将0V参考设置为210V，将+10V参考设置为230V，从而降低误差。

图 11：模拟耦合

这种方法的缺点是，由于使用了PSI，因此存在附加误差。信号从数字转换为模拟（D/A转换）和从模拟转换为数字（A/D转换），这会导致误差（例如偏移误差、增益误差）。额外的信号处理也会导致时间延迟。对于静态信号，其中不同测量值的值是相同的，这种延迟并不重要。但是，当测量动态信号时，由于信号的变化和波动，任何时间延迟都很重要。此外，可以通过PSI传输的值的数量也存在限制。

3.3.3时间同步/时间戳

图 12：由于两个同步设备之间的数据传输延迟而导致的常见问题

假设用户在每个测量周期后使用Cont ON命令连续输出每个设备的测量值。由于数据传输延迟（例如1μs），计算机有可能在一个周期结束之前向一台仪器发送命令，在下一个周期开始后向另一台仪器发送命令。仪器1输出周期2的结果，而仪器2输出周期3的结果。在这些情况下，可以使用时间同步来检测时差并校正数据。

时间同步是发布绝对时间到所有设备。当前时间可以从一个设备发送到另一个设备，或者一个设备可以接收时间并按其设置内部时钟。仪器之间的时间每10ms同步一次，而小周期时间为10ms。偏差小于100μs。

图 13：时间同步

审核编辑：汤梓红