基于LabVIEW的多功能農(nóng)村電網(wǎng)質(zhì)量監(jiān)測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

楊 旻

（江蘇大學(xué)電氣信息工程學(xué)院，江蘇 鎮(zhèn)江 212013）

隨著農(nóng)村產(chǎn)業(yè)經(jīng)濟(jì)的日益發(fā)展、農(nóng)村電網(wǎng)中出現(xiàn)了大量非線性、沖擊性電荷，嚴(yán)重影響著農(nóng)村用戶的日常生產(chǎn)生活。為了改善農(nóng)村電網(wǎng)電能質(zhì)量、減少電能質(zhì)量問(wèn)題對(duì)農(nóng)民造成的經(jīng)濟(jì)損失，開發(fā)多功能農(nóng)村電網(wǎng)質(zhì)量監(jiān)測(cè)系統(tǒng)已經(jīng)成為一種迫切需求。目前農(nóng)村電網(wǎng)質(zhì)量監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)方式主要有基于數(shù)字信號(hào)處理器(DSP)的監(jiān)測(cè)系統(tǒng)[1]和基于虛擬儀器的監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。針對(duì)農(nóng)村技術(shù)比較薄弱、資金較少等特點(diǎn)，筆者運(yùn)用虛擬儀器技術(shù)在LabVIEW軟件中設(shè)計(jì)了一套多功能農(nóng)村電網(wǎng)質(zhì)量監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，該系統(tǒng)具有精度高、開發(fā)成本低、開發(fā)周期短等優(yōu)點(diǎn)，并且可以通過(guò)軟件將信號(hào)采集卡的模擬輸出端口作為信號(hào)源快速驗(yàn)證系統(tǒng)功能，特別適合農(nóng)業(yè)電氣化發(fā)展的需求。

1 系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)

系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)見(jiàn)圖1，其中數(shù)據(jù)采集卡使用NI-DAQCard-6024 E多功能數(shù)據(jù)采集卡，該采集卡為PCMCIA接口，可用于筆記本電腦和PDA，便攜性較高，有16路12位模擬輸入，2路12位模擬輸出，8條數(shù)字I/O線，2個(gè)24位計(jì)數(shù)器，其最高采樣頻率為200 ks/s。NI SCB-68接線模塊可以用于信號(hào)調(diào)理，對(duì)輸入信號(hào)進(jìn)行抗混疊濾波。為了達(dá)到國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)的要求，所測(cè)諧波最高次數(shù)為50次，因此選擇抗混疊濾波器的截止頻率為2 500 Hz。

圖1 系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)圖

2 系統(tǒng)分析軟件

“軟件即是儀器”是NI公司提出的口號(hào)，因此系統(tǒng)分析軟件是本系統(tǒng)的核心。使用LabVIEW的圖形化編程語(yǔ)言—G語(yǔ)言，可以高效地開發(fā)出系統(tǒng)分析軟件的各個(gè)功能模塊[2]，并采用LabVIEW的模塊化設(shè)計(jì)方法組建系統(tǒng)分析軟件的整體。

2.1 系統(tǒng)分析軟件總體結(jié)構(gòu)

我國(guó)的國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)中電能質(zhì)量主要包括5項(xiàng)指標(biāo)：供電電壓的允許偏差、電力系統(tǒng)的頻率偏差、三相電壓不平衡度、電網(wǎng)諧波含量、電壓波動(dòng)與閃變。按照國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)的要求，系統(tǒng)分析軟件總體結(jié)構(gòu)包括：電壓和頻率偏差計(jì)算模塊、三相不平衡度計(jì)算模塊、閃變測(cè)量模塊、諧波分析模塊，在此基礎(chǔ)上還設(shè)計(jì)了間諧波檢測(cè)模塊和功率測(cè)量模塊。

2.2 電壓和頻率偏差計(jì)算模塊

電壓偏差即供電電壓的允許偏差，是指電力系統(tǒng)中供電電壓偏離額定電壓的緩慢變動(dòng)。電壓偏差的定義見(jiàn)式（1）。

式中實(shí)測(cè)電壓為有效值，可以通過(guò)電壓有效值計(jì)算公式求出，計(jì)算公式見(jiàn)式（2）。

離散化采樣后，若采樣時(shí)間間隔相等，其離散化計(jì)算公式見(jiàn)式（3）。

頻率偏差是指電力系統(tǒng)在正常運(yùn)行條件下的實(shí)際頻率與額定頻率之差，計(jì)算公式見(jiàn)式（4）。

其中f0為額定頻率即工頻（50 Hz）。

LabVIEW波形測(cè)量子選板中帶有基本平均直流-均方根測(cè)量函數(shù)（Basic Averaged DC-RMS.vi），該函數(shù)可以按照選定的加窗和平均類型計(jì)算波形的直流分量（DC）以及均方根值（RMS，即有效值）[3]，可以利用此函數(shù)測(cè)量出電壓信號(hào)的有效值，再由公式（1）求得電壓偏差；頻率偏差的計(jì)算也非常方便，可以通過(guò)調(diào)用LabVIEW波形測(cè)量子選板中自帶的函數(shù)提取單頻信息（Extract Single Tone Information.vi），該函數(shù)在指定頻段提取幅值最大的成分頻率信號(hào)，可以輸出抽取的信號(hào)頻率[3]，再根據(jù)公式（4）求得頻率偏差。

2.3 三相不平衡度計(jì)算模塊

三相不平衡度的計(jì)算可以通過(guò)對(duì)稱分量法進(jìn)行,在分解出正序（U1）和負(fù)序（U2）分量之后，三相不平衡度就可以求出。計(jì)算三相不平衡度可以通過(guò)下面的簡(jiǎn)化算式求得，見(jiàn)式（5）。

式中L可以通過(guò)式（6）計(jì)算。

式（6）中a，b，c，為3個(gè)線電壓的有效值。

2.4 功率測(cè)量模塊

功率測(cè)量模塊用于計(jì)算有功功率、無(wú)功功率、視在功率、功率因數(shù)等參數(shù)。利用LabVIEW波形測(cè)量子選板中的基本平均直流-均方根測(cè)量函數(shù)（Basic Averaged DC-RMS.vi）測(cè)量出三相電壓、電流信號(hào)的有效值，就可以計(jì)算出上述參數(shù)。

2.5 間諧波檢測(cè)模塊

間諧波作為一種特殊的諧波，其頻率是基波頻率的非整數(shù)倍。采用小波分析方法對(duì)間諧波進(jìn)行檢測(cè)，LabVIEW軟件的高級(jí)信號(hào)處理工具包（advanced signal processing toolkit）中帶有連續(xù)小波變換（CWT）函數(shù)，并利用Matlab腳本節(jié)點(diǎn)調(diào)用小波工具箱中的小波包變換（WPT）函數(shù)，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)間諧波的檢測(cè)。

2.6 閃變測(cè)量模塊

電壓閃變是由電壓幅值波動(dòng)所引起的，是人眼對(duì)由電壓波動(dòng)引起的白熾燈亮度變化的主觀感受。國(guó)際電工委員會(huì)(IEC)根據(jù)國(guó)際電熱協(xié)會(huì)（UIE）的推薦，制定了閃變儀的功能設(shè)計(jì)規(guī)范，其框圖如圖2 所示[4]。

圖2 IEC閃變測(cè)量?jī)x框圖

框a－框c是對(duì)燈—眼—腦環(huán)節(jié)的模擬，其中框a中的平方器模擬燈的作用，反映了燈光強(qiáng)度與電壓的平方關(guān)系，通過(guò)平方檢測(cè)法從工頻電壓波動(dòng)中解調(diào)出反映電壓波動(dòng)的調(diào)幅波；帶通濾波器由截止頻率分別為0.05 Hz的高通濾波器和35 Hz的低通濾波器構(gòu)成。

框b中的視感度加權(quán)濾波器用來(lái)模擬人眼的頻率選擇特性。

框c是平方器和一階低通濾波器,用來(lái)模擬人腦神經(jīng)的視感反應(yīng)和記憶效應(yīng)。

框d用于統(tǒng)計(jì)和閃變值的評(píng)定。

經(jīng)過(guò)統(tǒng)計(jì)，可以得到瞬時(shí)閃變值的累積概率函數(shù)(CPF)曲線，然后根據(jù)式（7）計(jì)算短時(shí)間閃變值 ，用于衡量閃變的嚴(yán)重程度。

式中 P0.1，P1，P3，P10，P50，分別為 10 分鐘內(nèi)瞬時(shí)閃變值超過(guò)0.1%、1%、3%、10%和50%時(shí)間的覺(jué)察單位值。如果輸入信號(hào)是周期性穩(wěn)態(tài)電壓波動(dòng)信號(hào)，則P0.1=P1=P3=P10=P50=S(t)，計(jì)算公式可以簡(jiǎn)化為式（8）。

式中，S（t）為瞬時(shí)閃變值的穩(wěn)定平均值。

對(duì)于長(zhǎng)時(shí)間閃變值P1t，國(guó)標(biāo)通用規(guī)定統(tǒng)計(jì)時(shí)間為2 h。根據(jù)IEC的推薦，對(duì)于已順序測(cè)得12個(gè)10 min短時(shí)間閃變值P1t數(shù)據(jù)，P1t可以通過(guò)式（9）求得。

2.7 諧波分析模塊

諧波是一個(gè)周期性電氣量的正弦波分量，其頻率為基波頻率的整數(shù)倍。諧波是衡量電能質(zhì)量的一項(xiàng)重要指標(biāo)，諧波分析最經(jīng)典也是目前最常用的方法是快速傅里葉變換法（FFT）[5]，但是在實(shí)際采樣過(guò)程中，不能做到嚴(yán)格的同步采樣，因此FFT算法存在柵欄效應(yīng)和頻譜泄漏現(xiàn)象，會(huì)對(duì)電能參數(shù)（如頻率、幅值和相位等）的測(cè)量精度產(chǎn)生影響，需要通過(guò)加窗的方法來(lái)提高精度。

諧波的嚴(yán)重程度通常用各次諧波含有率（HR）和總諧波畸變率（THD）來(lái)衡量。具體的分析方法是：采用FFT算法計(jì)算基波和各次諧波的幅值，通過(guò)式（10）和式（11）計(jì)算 次電壓含有率HRUn和總諧波畸變率(THD)[6]。

總諧波畸變率(THD)是諧波總量的有效值與基波分量的有效值之比，可以反映諧波總的含量。其中，Ui為i次諧波電壓幅值，U1為基波電壓幅值，n是總諧波次數(shù)。

LabVIEW軟件中的諧波失真分析函數(shù)（Harmonic Distortion Analyzer.vi）內(nèi)置有加 Hanning窗的FFT算法，可以快速直接的計(jì)算出直流分量、基波幅值、各次諧波的幅值、總諧波畸變率（THD）等。數(shù)據(jù)采集采用差分輸入方式，將采樣方式配置為有限采樣[7]，采樣率和采樣點(diǎn)數(shù)都設(shè)置為100 00。諧波分析模塊程序框圖如圖3所示。

圖3 諧波分析模塊程序框圖

3 諧波分析實(shí)驗(yàn)結(jié)果

使用LabVIEW軟件中的混合單頻和噪聲信號(hào)函數(shù)（Tones and Noise Waveform.vi），向 602 4E 采集卡的模擬輸出通道AO 0發(fā)生如下諧波波形，見(jiàn)式（12）。

諧波信號(hào)發(fā)生模塊如圖4所示，由于NI 6024E采集卡的模擬輸入電壓范圍為-5V—+5V，為了便于采集，因此將模擬輸出AO電壓范圍也設(shè)置為-5～+5V。將SCB-68接線模塊的模擬輸出通道AO 0與其模擬輸入通道AI 0相連，就可以對(duì)諧波信號(hào)發(fā)生模塊在AO 0上發(fā)生的諧波波形信號(hào)進(jìn)行采集，諧波分析結(jié)果如表1所示。實(shí)驗(yàn)同時(shí)測(cè)得基波幅值為 3.000 6 V，基頻為 50.000 3 Hz，THD為79.850 3%，各次諧波含量也可以通過(guò)LabVIEW中的波形圖表控件直觀的顯示出來(lái)，見(jiàn)圖5。通過(guò)實(shí)驗(yàn)結(jié)果可以計(jì)算出最大的相對(duì)誤差為1.08%，因此設(shè)計(jì)的諧波分析模塊的測(cè)試結(jié)果是準(zhǔn)確可靠的。

圖4 諧波信號(hào)發(fā)生模塊程序框圖

表1 諧波分析實(shí)驗(yàn)結(jié)果

圖5 各次諧波含量柱狀圖

4 結(jié)論

隨著我國(guó)農(nóng)村經(jīng)濟(jì)的不斷發(fā)展和大量農(nóng)電設(shè)備不斷投入使用，農(nóng)村電網(wǎng)質(zhì)量問(wèn)題得到了廣泛的關(guān)注。為此，筆者以虛擬儀器技術(shù)為核心，依據(jù)電能質(zhì)量的各項(xiàng)指標(biāo)及其分析方法，借助LabVIEW軟件中功能強(qiáng)大的VI軟件，開發(fā)了一套多功能農(nóng)村電網(wǎng)質(zhì)量監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，該系統(tǒng)具有很高的穩(wěn)定性和測(cè)量精度，能夠有效、準(zhǔn)確地監(jiān)測(cè)出電能質(zhì)量各項(xiàng)指標(biāo)，對(duì)改善農(nóng)村電網(wǎng)質(zhì)量，減小由電能質(zhì)量問(wèn)題引起的經(jīng)濟(jì)損失有著一定的實(shí)際應(yīng)用價(jià)值。

[1] 徐雷鈞，白 雪，趙不賄.基于嵌入式系統(tǒng)的農(nóng)村電網(wǎng)質(zhì)量監(jiān)測(cè)技術(shù)研究[J].中國(guó)農(nóng)村水利水電，2008，（8）：138-141.

[2] 潘文霞，韓中林，劉 剛，等.基于MATLAB與虛擬儀器對(duì)風(fēng)電場(chǎng)電能質(zhì)量監(jiān)測(cè)系統(tǒng)[J].控制理論與應(yīng)用，2008，（4）：331-335.

[3] 候國(guó)屏，王 坤，葉齊鑫.LabVIEW 7.1編程與虛擬儀器設(shè)計(jì)[M].北京：清華大學(xué)出版社，2005.

[4] 趙 剛，施 圍，林海雪.閃變值計(jì)算方法的研究[J].電網(wǎng)技術(shù)，2001，25（11）：15-18.

[5] 李圣清，朱英浩，周有慶，等.電網(wǎng)諧波檢測(cè)方法的綜述[J].高電壓技術(shù)，2004 ，30（3）：39-42.

[6] S.K Bath,Sanjay Kumra.Simulation and Measurement of Power Waveform Distortions using LabVIEW[C].IEEE Power Modulator Conference,Las Vegas,NV,USA，2008：427-434.

[7] J.Travis，J.Kring.LabVIEW for Everyone[M],3rd Edition,Prentice Hall,2007.