电压、电流和功率的测量方式

从仪器的角度来看，可通过前端调理或传感器执行电流测量，如分流器、电流互感器(CT)、霍尔效应传感器和罗哥夫斯基线圈。  NI提供多种硬件选项，既可通过模块直接测量，也可连接外部传感器和调理设备进行测量。  表1所示为与CompactRIO机箱和CompactDAQ机箱兼容的电流测量模块。  

表1所列的所有模块均使用同步采样输入，每通道配备有50 kS/s的24位模数转换器。  表1和表2中的电流和电压测量模块共同安装在CompactDAQ或CompactRIO机箱中时，可实现同步。更精确的相位和功率测量则需要通道同步功能。

^{表1：NI提供多种用于电流测量的C系列模块。  所有模块都输出完整波形数据，以供LabVIEW或其他测量和分析软件进行处理。}

^{图1：NI 9229、NI 9239、NI 9227和NI 9238中的每个测量通道都有2个接线端连接器（左）。  并带有护罩（右图），推荐用于应变释放以及禁止操作员连接有源电路的情况下。}

^{图2：NI 9246和NI 9247模块内置CT，具有较大的过电流额定值，可容纳高达10 AWG的带环形接线片的导线，用于测量更高的电流。  与使用大多数外部CT/传感器相比，使用这些模块进行直接测量的精度和频率响应都更高。  两个模块均可测量500 ARMS（1秒）和1250 ARMS（1个周期）。}

下图所示为如何将模块实际连接至电路以测量电流。  在演示中，本文使用住宅插座所用的电源线，但也适用于从住宅服务级别(120 VAC/240 VAC)的单个电器扩展至市电电压。  注意：  公用事业配电和传输级将始终使用外部传感器(CT/PT)。

^{图3：直接连接模块时，将负载线（美国为黑色）断开并连接至单通道的AI+和AI-接线端。  测量流经模块的电流。  如上图所示，将模块与电缆连接，用于测量所有插入插线板中设备的电流。}

^{图4：使用CT进行模块测量时，负载线（美国为黑色）采用开合式CT或通过断开/重新拼接使电线穿过CT开口。  然后将CT的导线连接至测量模块的AI+和AI-。  模块将测量通过CT开口处线路上的所有电流。  在软件中进行换算，将传感器的电压/电流输出转换为电路的满量程电流。}

电流互感器(CT)

电流互感器(CT)是一种传感器，用于将通过传感器的电流线性降低至与测量仪器兼容的较低水平。  电流互感器的铁芯为环螺旋形或环形，开口位于中心。  电线缠绕在铁芯上形成二次线圈，外层有护罩或塑料外壳。  铁芯的电线绕组匝数决定了被测线路（一次）中的电流与连接至仪器的电流输出（二次）之间的降压比或CT比。  将被测负载线穿过电流互感器中心的开口。  示例：变比为500:5的CT意味着一次线路中的500 ARMS负载将在CT二次线路中转换为5 ARMS输出。  仪器将在接线端处测得5 ARMS，并可应用用户输入的换算因子以显示完整的500 ARMS。  CT显示为标称值，但精度通常超过标称值的100%。  CT可为开合式或实心式。  开合式CT铰合部分可打开或具有可拆卸部分，安装人员可将CT连接至负载线周围，而无需物理断开被测负载线。

安全警告：  虽然CT可以实际连接在已安装的线路周围，但在安装CT之前，应安全断开电源。  在一次电源通电的情况下，打开二次连接可能导致产生极其危险的电压电位。

在购买时，CT选项包括标称范围、开口直径、开合式/实心式、输出类型（电压/电流）和输出范围（0.333 VRMS、±10 V、1 ARMS、5 ARMS等）。  CT供应商通常可以根据输入或输出范围等特定需求为客户定制传感器。

^{图5：开合式CT通常具有铰合部分或可拆卸部分，可绕线安装，无需物理拆卸但仍应在安装时断开电源。（图片由Magnelab提供）}

^{图6：实心CT成本更低，但安装在已投入使用的电路内时可能需要更多的人工操作。
（图片由Magnelab提供）}

CT测量带宽

1 kHz至2 kHz的带宽足以满足大多数交流电路电能质量应用的需求。对于更高频率的应用，可直接连接至NI 9246或NI 9247以获得高达24 kHz的带宽，或选择更昂贵但频率更高的CT。  对于直接连接的信号，上表所列所有模块的带宽约为24 kHz。  高频CT的专业化程度更高，带宽规格在数百兆赫兹范围内。  NI 9215、NI 9222和NI 9223测量模块的采样率范围为100 kS/s/ch至1 MS/s/ch（16位分辨率），可实现更高频率的测量。

对于超出NI 9223能力范围的高频测量，NI建议使用专为实验室、研究和测试系统而设计的示波器或PXI数字化仪。 

测量直流电流

CT不测量直流电流或交流信号的直流偏移量。  这对于大多数交流电源应用并非必要。需要进行直流测量时，NI 9227内置已校准的分流器，可测量高达5安培的直流电流。  如需测量大于5安培的直流电流，可将大功率电流测量分流器（见下文）或霍尔效应传感器（见下文）连接至相应的测量模块。

罗哥夫斯基线圈

罗哥夫斯基线圈（有时也称为“绳式CT”）是另一种用于测量线路电流的传感器。  罗哥夫斯基线圈的负载线缠绕方式与其他CT相似，但更具灵活性，开口尺寸远大于标准CT，并且测量原理不同。  罗哥夫斯基线圈的感应电压与电流的变化率成正比，因此需要在电路中使用积分器将其转换为成比例的电流。  积分器是一个单独的盒子/组件，通常安装在前面板或DIN导轨安装配件上，采用直流电源，并向仪器输出低电压或电流信号。  罗哥夫斯基线圈的尺寸和灵活性使其非常适合在商业建筑或工厂中缠绕较大的母线，尤其是在已经建成并在改造过程中添加了功率测量的情况下，但它们比同等输入范围相当的CT更昂贵。

^{图7：罗哥夫斯基线圈需要外部电源和积分电路（位于上图中的黑色可安装盒中），并且比常见的实心/开合式CT更昂贵，但其相位响应速度快，并且由于具有大尺寸、灵活性高的开口，非常适合改造安装和大型母线测量。（图片由Magnelab提供）}

霍尔效应传感器

霍尔效应传感器基于以Edwin Hall命名的“霍尔效应”，其中电流流经垂直于磁场放置的半导体，而在半导体材料上产生电压电位。 为了进行电流测量，霍尔效应电路垂直于磁场放置在铁芯中，并输出可换算成被测线路中的电流负载的电压。  霍尔效应CT通常具有更好的频率响应，并且可以测量直流偏移，但价格更高，且需要电源，还可能会受到温度漂移的影响。

^{图8：霍尔效应传感器的传感电路垂直于磁场，需要电源。  霍尔效应传感器不像CT那样受到饱和限制，可以测量直流电流，但成本更高。}

分流电阻器

电流测量分流器或分流电阻器作为电阻放置在电路中，其目的是测量流过此分流器的电流。  分流电阻器是很常用的电气元件，适用于各种应用。  根据测量电流范围、输出范围和流经电路的电能来调整分流器大小。  价格更高的精密电阻器具有更高的精度。  分流器无需缠绕在电路电线上，而是作为组件放置在电路中。  这消除了被测电路和测量设备之间的隔离势垒，与CT或罗哥夫斯基线圈相比，安装难度更大。  但分流器可以测量直流电流，具有更好的频率响应和相位响应。  用于CompactRIO和CompactDAQ的NI 9238模块采用低量程模拟前端(±0.5 V)，专门用于分流电阻器。  此外，NI 9238还具有250 V的通道间隔离。

以下第三方公司的产品目录中包含电流和电压测量变压器、霍尔效应传感器和/或罗哥夫斯基线圈。  分流电阻器通常由Digi-Key Electronics等电子元件分销商销售。

www.magnelab.com

Magnelab提供各种电压和电流测量产品，包括电流互感器(CT)、电压互感器(PT)、罗哥夫斯基线圈、高频CT等各种输出信号电平的产品。

www.verivolt.com

Verivolt提供专为功率测量应用而设计的各类传感器、连接器和隔离产品。  此外，一些传感器具有高带宽能力和BNC连接选项，可快速连接至NI 9223、NI 9222和NI 9215等BNC测量模块。

^{图9：Verivolt提供各类具有BNC连接功能的传感器，可通过BNC连接器直接连至任何NI模块。  支持BNC连接的模拟输入模块包括NI 9229、NI 9239、NI 9215、NI 9222和NI 9223。（图片左/中均由Verivolt提供）}

在本白皮书中，电压测量指的是工业和公用事业电压级别的交流电力系统，从区域住宅服务的120 VRMS到电网传输系统中超高压(EHV)系统的750 kV以上不等。  专为高压公用事业应用而设计的仪器在安全性、更大规格的接线端、更强散热性和特定的认证测试等方面均有严格要求。  大多数用于交流功率测量的仪器输入范围为数百伏。  对于高于1,000 VAC的高电压，通常需要使用外部电压互感器(PT)将被测电压降低至可与大多数仪器兼容的范围。

与电流测量模块类似，表2所列的所有模块都使用同步采样输入，每通道配备有50 kS/s的24位模数转换器。  CompactDAQ和CompactRIO机箱可将下表中的电压测量模块与表1所列的电流测量模块同步，以实现更精确的相位和功率测量。

^{表2：NI提供多种用于各种形式电压测量的C系列模块。  所有模块都输出完整波形数据，以供LabVIEW或其他测量和分析软件进行处理。}

^{图10：NI 9242/44具有大尺寸输入端和高过压保护功能，适用于交流电源和公用事业应用。（所示为已安装随附的保护壳）}

如本文所述，高速测量设备可提供类似于下图的波形数据。  在LabVIEW数据采集中，绿色波形为针对120 VRMS办公室插座测得的电压波形，红色波形为老式小型日光灯的相应电流测量值。  电压测量模块和电流测量模块通过CompactDAQ或CompactRIO机箱中的共享信号实现同步。  这对于某些应用来说非常重要，因为电压和电流波形之间的相移是监控电能质量的一个必要参数，如果不进行同步采样，则很难确定这种偏移是来自仪器还是电路。

^{图11：设计LabVIEW前面板以显示波形数据和功率计算结果。}

此时，在测量系统中，来自模块的波形数据可用于计算所需的任何电能质量参数。  其中一些计算相当简单，而另一些则需要在数个周期、数秒或数分钟内进行复杂计算，以确定最终质量。

LabVIEW具有多个用于波形和信号处理的函数选板，并提供了用于功率波形处理和计算的其他工具包。  NI LabVIEW Electrical Power工具包为本文所述的所有基本功率计算提供了分析函数，并可在线下载。 完整版NI LabVIEW Electrical Power工具包包含下列分析函数，并符合IEC 61000-4-30:2008标准：

• 电源频率
• 电源电压的幅值
• 闪烁
• 电源电压骤降和骤升
• 电压中断
• 电源电压不平衡
• 电压谐波
• 供电电压中的信号电压
• 快速电压变化(RVC)
• 测量欠偏离和过偏离参数

以下分析函数符合EN 50160:2007标准：

• 功率测量
• 能量测量
• 聚合（按需）

使用文本语言进行编程

用于CompactDAQ的NI-DAQmx驱动程序具有可支持LabVIEW、C、C++和Measurement Studio的API，并支持将数据保存为可以在Excel或其他软件编程语言中打开并使用的文件格式。  

文本编程人员必须注意，Electrical Power工具包中的分析VI仅可用于LabVIEW开发环境，不可用于CVI、C、C++或Measurement Studio。

永久安装电机监测

资产监控系统通过监控物理和电气参数来智能化确定机器的维护时间，从而防止大型泵、风扇、传送带等关键设备发生故障。  大型电机的电流特征有助于检测不平衡等低效率问题或转子断条等机械故障。表3所列为推荐用于电机监测应用的产品组件。

^{表3：永久安装的电机监测系统的推荐组件。}

电器和电气设备测试

面向住宅或商用电器的基于计算机的测试系统不仅可以提高设计和测试团队生产力，也改进了产品质量。  以研发为目的的一类测试，例如：

• HALT（高加速寿命试验）
• V&V（确认与验证）
• 认证或认证前测试
• RMA（退修授权）根本原因分析

此外，还可构建电器测试系统，进行自动化生产线测试，确保设备通电、LED正常工作。  表4所列为推荐用于电器或电气设备测试系统的产品组件。

^{表4：电器或其他混合传感器电气设备测试系统的推荐组件。}

用于公用事业应用的智能电子设备(IED)

NI硬件在公用事业行业的应用包括对电网设备的测量、控制和保护等，例如：

• IED
• RTU（远程终端装置）
• DFR（数字故障记录仪）
• 重合器控制器、智能开关和继电器
• 相量测量装置(PMU)
• 电能质量分析仪和谐波分析仪
• 微电网和可再生能源控制器（储能、光伏平滑化应用、微电网控制器）

表5所列为智能系统的推荐产品组件，这些智能系统部署在变电站控制室、设备场或配电系统杆或垫式支架外壳的公用电网中。

^{表5：将智能测量和控制设备部署至电网的推荐组件。}

使用可在模块中直接测量的模块和仪器，如NI 9227、NI 9246或NI 9247，可实现最佳的电压、电流和功率测量结果。  在选择CT的输入/输出范围和仪表模块的输入范围时，请务必考虑电路的所有相关运行范围（稳态、浪涌/启动、故障等）。  默认设置下，可将下表作为其他传感器选项的简易指南。（影响选择的因素有很多，因此下表并非确定性结论）。请咨询传感器供应商，如Magnelab和Verivolt，以获取更多有关最终传感器选型的建议。

从将直接模块连接作为默认选项开始，使用下表作为指导。

^{表6：电流测量解决方案选择指南}

CompactRIO和CompactDAQ是基于机箱的系统，专为测试、测量、控制和监控而设计。  借助其中的100多种测量模块，用户可通过一台仪器设计出满足需求的自定义混合测量解决方案。  对于电源应用，用户可通过在同一机箱中添加更多模块来添加更多电路测量，或将功率与温度、压力和振动等其他测量相结合，以构建完整的研发测试系统或综合资产监控系统。

NI CompactDAQ机箱提供1、4、8和14个插槽选项，并使用USB、WiFi或ENET连接与Windows PC进行通信。  也可提供CompactDAQ控制器，因其配有内置计算机而无需连接外部PC。  CompactDAQ控制器专为移动、坚固或自主（未连接UI）监控和测试操作而设计。

详细了解CompactDAQ。

CompactRIO是一款可编程的控制和监控系统，配备多核处理器、实时操作系统和可编程FPGA，兼容NI和第三方公司的所有C系列模块。  CompactRIO支持领域专家构建嵌入式I/O控制器和监控系统，助力问题解决。

详细了解CompactRIO。

• 如需了解NI技术在公用事业应用中的使用情况，请访问ni.com/smartgrid
• 详细了解LabVIEW Electrical Power工具包