基于LabVIEW 的牽引供電電能質(zhì)量檢測與分析裝置研究

王碩禾， 許繼勇， 許惠敏， 蔡清亮

(1．石家莊鐵道大學(xué) 電氣與電子工程學(xué)院，河北 石家莊 050043;

2．上海理工大學(xué) 光電信息與計算機(jī)工程學(xué)院，上海 200093;3．北京鐵路局 石家莊供電段，河北 石家莊 050000)

0 引言

我國交流電氣化鐵路的牽引負(fù)荷，全部采用單相工頻25 kV 交流制，電氣化鐵路客運專線牽引供電制式為單相工頻25 kV( 直供) 或2 ×25 kV 交流制( AT) 。隨著電力電子技術(shù)的迅速發(fā)展，電力機(jī)車已經(jīng)實現(xiàn)了由直流傳動向現(xiàn)代交流傳動的轉(zhuǎn)變。目前國際上已有數(shù)千臺的交流傳動電力機(jī)車和電動車組投入了實際運營;CRH 型電動車組的投入運行標(biāo)志著我國的交流傳動技術(shù)已經(jīng)走向?qū)嵱没?。采用交流傳動模式，大幅度提高了牽引網(wǎng)的功率因數(shù)，并顯著改善了牽引取流波形，降低了電氣化鐵路牽引取流對電力系統(tǒng)電能質(zhì)量的干擾。即便如此，電氣化鐵路是仍然是電力系統(tǒng)的主要負(fù)序和諧波干擾源之一，世界各國對于電氣化鐵路對公用電網(wǎng)的干擾問題一直十分關(guān)注。

目前，在電能質(zhì)量檢測產(chǎn)品領(lǐng)域，高端產(chǎn)品基本上被美國Fluke、日本日置和瑞士萊姆等國際知名公司占據(jù)，這些公司的產(chǎn)品性能高但價格昂貴［1］。而國產(chǎn)電能質(zhì)量檢測產(chǎn)品還存在一定問題，如檢測指標(biāo)不全面、質(zhì)量不高、使用不便等。鐵路牽引供電系統(tǒng)一般直接供電方式( 如圖1( a) ) 具有4 條饋電線;AT供電方式( 如圖1( b) ) 每條供電臂含有接觸網(wǎng)( T) 和正饋線( F) ，共計8 路電流饋線。在牽引供電系統(tǒng)中，需要同時檢測高壓側(cè)和牽引側(cè)電壓、電流參數(shù)，以便分析各電量參數(shù)之間的相關(guān)性特點?？v觀整個電能質(zhì)量檢測領(lǐng)域，大多數(shù)是針對三相四線制的電力系統(tǒng)，不能滿足牽引供電系統(tǒng)中直供、AT 等不同供電方式下多通道實時同步采集的要求，因此研制專用于牽引供電系統(tǒng)的電能質(zhì)量檢測與分析系統(tǒng)具有現(xiàn)實意義和經(jīng)濟(jì)意義。利用LabVIEW 在測控領(lǐng)域的先進(jìn)技術(shù)和強(qiáng)大的數(shù)字信號處理能力的特點，將其作為系統(tǒng)的軟件平臺，提高了系統(tǒng)的通用性和檢測的精確度。

1 系統(tǒng)硬件設(shè)計

圖1 供電方式

檢測電網(wǎng)電能質(zhì)量即檢測電網(wǎng)的電壓及電流需要達(dá)到一定標(biāo)準(zhǔn)。為了實現(xiàn)實時分析電網(wǎng)電能質(zhì)量的要求，系統(tǒng)采樣的速率及精度必須很高。作為牽引供電系統(tǒng)的研究，非常關(guān)心不同供電臂上同一時刻電能質(zhì)量參數(shù)的變化，以此來分析不同載運條件下供電系統(tǒng)的特征;而且系統(tǒng)需測量負(fù)序電流分量，這就要求采樣時必須多路同步。需要分析的電能質(zhì)量指標(biāo)多，計算復(fù)雜，運算速度要求較快，現(xiàn)有的DSP、ARM 很難滿足。而且，系統(tǒng)要求具有普遍適用性，即在采用不同供電方式的牽引變電所都能使用該系統(tǒng)?；谝陨献龀龅姆治?，并從性價比及實用性方面考慮，系統(tǒng)選用如圖2 所示的總體設(shè)計方案。

牽引變電所電壓互感器高壓側(cè)的電壓等級為220 kV 或110 kV，牽引側(cè)為55 kV 或27．5 kV，經(jīng)PT 取樣為100 V 電壓，再經(jīng)DVDI 系列互感器變?yōu)? ～1 V，實現(xiàn)牽引變電所電壓信號采集，并實現(xiàn)高壓與采集分析電路的隔離;牽引變電所電流互感器將高壓側(cè)和牽引側(cè)的電流變?yōu)? A，采用電流鉗將電流信號轉(zhuǎn)為0 ～2 V 電壓信號以便采集。電流鉗選用FLUKE i200s 交流電流鉗，可將電流信號轉(zhuǎn)為電壓信號以便采集。信號測量頻率范圍為40 Hz ～10 kHz，安全級別為CAT III 600 V。

圖2 總體設(shè)計方案

將由調(diào)理、采集電路采集的牽引供電系統(tǒng)的高壓側(cè)三相電壓和電流、牽引側(cè)兩牽引臂電壓和最多8 路饋線電流共16 路信號，送入高速多路同步采集卡進(jìn)行采集。采集卡選用阿爾泰公司生產(chǎn)的PCI2008 數(shù)據(jù)采集卡，該卡是12 位16 路同步采樣的AD 卡，采用PCI2 ．2 總線標(biāo)準(zhǔn)，支持多卡同步采集，通過率為25K/通道，單卡總通過率可達(dá)400 K，多卡采集總通過率可達(dá)1 M以上，并實現(xiàn)連續(xù)存盤，滿足系統(tǒng)設(shè)計要求。

2 系統(tǒng)軟件設(shè)計

系統(tǒng)的軟件設(shè)計由LabVIEW 開發(fā)平臺編寫。LabVIEW( Laboratory Virtual Instrument Engineering Workbench) 是一種廣泛被工業(yè)界、學(xué)術(shù)界和研究實驗室所接受的圖形化的編程語言的開發(fā)環(huán)境，且被視為一個標(biāo)準(zhǔn)的數(shù)據(jù)采集和儀器控制軟件，也是電能質(zhì)量檢測裝置中常用的軟件開發(fā)平臺［2-3］?；谔摂M儀器的電能質(zhì)量檢測系統(tǒng)分為檢測和分析兩大部分。

檢測部分的任務(wù)是將原始電壓電流信號采集并變換成數(shù)字信號，然后顯示出波形和頻譜，存儲并輸出數(shù)據(jù)文件，其包含的功能模塊有數(shù)據(jù)傳輸模塊、數(shù)據(jù)分析模塊、圖形顯示模塊、數(shù)據(jù)文件輸出模塊，軟件結(jié)構(gòu)流程圖如圖3 所示。

分析部分是對監(jiān)測部分輸出的數(shù)據(jù)文件進(jìn)行系統(tǒng)的深入分析，得出電能質(zhì)量各項指標(biāo)參數(shù)的統(tǒng)計結(jié)果、變化趨勢等，并根據(jù)需要打印出牽引供電系統(tǒng)的電能質(zhì)量分析報表，軟件結(jié)構(gòu)流程圖如圖4 所示。

2．1 軟件設(shè)計中頻率測量算法的實現(xiàn)

常用的頻率測量算法有周期法、DFT ( FFT) 類算法［4］、線性調(diào)頻變換( CZT)［5］和小波分析［6］等。周期法通過測量信號波形相繼過零點間的時間寬度來計算頻率，該方法物理概念清晰、易于實現(xiàn)，但精度低，受諧波、噪聲和非周期分量的影響，實時性不好。在理想的模型下，選擇合適的參數(shù)，DFT ( FFT) 類和線性調(diào)頻變換( CZT) 、小波分析算法能準(zhǔn)確的計算出頻率，但存在需分析數(shù)據(jù)長度較大、增大計算量和時滯等缺點。三點法是一種建立在三角函數(shù)變換基礎(chǔ)上的數(shù)據(jù)擬合方法。在被測函數(shù)是正弦函數(shù)，且采樣信號為等間隔采樣的前提下( 含非整周期采樣) ，利用相鄰連續(xù)的3 個采樣數(shù)據(jù)點，構(gòu)造求解信號頻率的線性方程，從而擬合出方程的系數(shù)，最終求出頻率［7］。

圖3 電能質(zhì)量在線監(jiān)測部分軟件結(jié)構(gòu)圖

設(shè)電壓或電流信號為u( t) = Umsin( ωt+φ) ，系統(tǒng)的采樣頻率為fs，則有兩相鄰采樣點的相角差為

圖4 電能質(zhì)量監(jiān)測分析部分軟件結(jié)構(gòu)圖

令α = ωt +φ，則任意3 個相鄰的采樣點均可表示為

因為u( k) + u( k +2) = Um［sin αk+ sin( αk+2θ) ］= 2Umsin( αk+ θ) cos θ = 2u( k +1) cos θ。令y( n) =u( k) + u( k +2) ，x( n) = 2u( k +1) ，可有

通過構(gòu)造線性方程(3) ，只要對采樣數(shù)據(jù)進(jìn)行上述處理，通過最小二乘法擬合就可以得到一個較為準(zhǔn)確的斜率，即cosθ，根據(jù)式(1) 可以求出正弦波u( t) 的頻率f。LabVIEW 程序如圖5 所示。

圖5 三點法測頻率程序

實際應(yīng)用中，特別是用該方法進(jìn)行測量電力系統(tǒng)電壓( 電流) 基波頻率時，由于電力系統(tǒng)中電網(wǎng)電壓( 電流) 含有大量諧波成分，不可能為一標(biāo)準(zhǔn)正弦波，應(yīng)用該算法時，需對采樣信號進(jìn)行濾波。

2．2 軟件設(shè)計中負(fù)序測量算法的實現(xiàn)

在三相電路中，對于任意一組不對稱的三相電壓( 或電流) ，可以分解為三組對稱的相量，若以A 相作為基準(zhǔn)相時，三相相量與其對稱分量之間的關(guān)系為( 以電流為例)

式中，a = ej120°= -

三相電流不平衡度

牽引供電系統(tǒng)中，牽引變壓器主要采用的四種接線方式:單相結(jié)線、三相V/v 結(jié)線、三相YN/d11 結(jié)線和斯科特結(jié)線，牽引變壓器負(fù)荷都不會在電力系統(tǒng)中產(chǎn)生零序電流［8］，僅存在正序和負(fù)序電流，三個電流向量之和為零，可以構(gòu)成一個封閉的三角形［9］，如圖6 所示。

假定˙IA、˙IB、˙IB初相角分別為0°，θ1，θ2，根據(jù)余弦定理有

圖6 封閉三角形

由式(4) 和式(6) 就可以算出不接地系統(tǒng)中負(fù)序電流I2、相角θ2和正序電流I1、相角θ1，而在中性點接地的系統(tǒng)中，可以根據(jù)式(4) 求出各相中的負(fù)序電流后，減去零序電流，再運用上述公式，同樣也可以求出系統(tǒng)中負(fù)序電流I2、相角θ2和正序電流I1、相角θ1。利用LabVIEW 的Matlab Script 節(jié)點，調(diào)用Matlab 程序。

2．3 諧波分析算法的實現(xiàn)

目前，國際上諧波檢測的理論主要有離散傅里葉變換、小波分析理論［10-11］和神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)理論［12-13］。文獻(xiàn)［10］利用小波變換來評價經(jīng)支持向量機(jī)( SVM) 訓(xùn)練后的數(shù)據(jù)，計算出各頻段相應(yīng)的分頻系數(shù)，然后利用支持向量機(jī)分類的方法對信號諧波進(jìn)行分類;文獻(xiàn)［11］采用不同小波濾波器對電力系統(tǒng)中不同頻段中的特定的擾動進(jìn)行多重濾波，以檢測電力系統(tǒng)中的擾動;文獻(xiàn)［12］采用前饋型遞歸神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)訓(xùn)練樣本，將各諧波含量不需經(jīng)過傅里葉變換就可以分解出來，以實現(xiàn)檢測諧波;文獻(xiàn)［13］將經(jīng)過模塊神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)訓(xùn)練后的樣本直接做S 變換，從而將電能質(zhì)量的11 種擾動檢測出來。綜合比較上述兩種理論，小波變換理論在諧波檢測中常被用作濾波器使用，相比數(shù)字濾波器，具有良好的自適應(yīng)性，而神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)理論雖然同樣可以實現(xiàn)較高精度的電能質(zhì)量分析，但是需要對樣本進(jìn)行多次訓(xùn)練，且訓(xùn)練精度與選擇樣本有關(guān)，計算量較大，故在一般電能質(zhì)量檢測中很少應(yīng)用。為便于討論，僅以離散傅里葉變換作為諧波檢測的方案為例，改進(jìn)算法將在另文中詳細(xì)討論。離散傅里葉變換是當(dāng)今諧波與間諧波檢測中應(yīng)用最多的一種方法。依據(jù)IEC 標(biāo)準(zhǔn)( IEC 61000-4-30) ，諧波分析DFT 譜線的計算，要求頻譜分析間隔為5 Hz，采用S 級計算諧波共11 條譜線，間諧波9 條譜線［14］，LabVIEW 程序如圖7 所示。

圖7 S 級DFT 諧波分析LabVIEW 程序

2．4 故障錄波功能

牽引接觸網(wǎng)是一個置于大自然中龐大的供電裝置，不僅工作條件惡劣，而且結(jié)構(gòu)復(fù)雜。牽引供電系統(tǒng)絕大部分故障發(fā)生在接觸網(wǎng)系統(tǒng)中，說明接觸網(wǎng)系統(tǒng)是牽引供電系統(tǒng)的薄弱環(huán)節(jié)。以2003 年和2004年接觸網(wǎng)故障統(tǒng)計數(shù)據(jù)為例，2003 年接觸網(wǎng)系統(tǒng)發(fā)生故障340 件，累計停電31 148 min。故障平均停電時間為91．61 min，占牽引供電系統(tǒng)故障的91%:2004 年接觸網(wǎng)系統(tǒng)發(fā)生故障274 件，累計停電25 160 min，故障平均停電時間為91．82 min，占牽引供電系統(tǒng)故障的95%［15］。綜合分析這些故障的共同點，可以發(fā)現(xiàn)，在故障發(fā)生前，電網(wǎng)會出現(xiàn)電壓跌落或電流驟升的現(xiàn)象，依據(jù)這一共同特點，本系統(tǒng)對牽引網(wǎng)中出現(xiàn)的電壓跌落或電流上升過程不加區(qū)別的采集樣本信息，實現(xiàn)以下程序功能:設(shè)定一定閾值，當(dāng)大于或小于閾值后，程序采集從故障前10 個周波始設(shè)定錄波時間內(nèi)的故障數(shù)據(jù)，用以分析故障信號的頻率分布，找出故障發(fā)生前的特征信號。

2．5 參數(shù)的設(shè)置與數(shù)據(jù)統(tǒng)計功能

牽引變電所參數(shù)選擇、增加、修改、刪除功能。由于不同牽引變電所采用的供電方式，結(jié)線方式的不同，各變電所都有其不同之處，需要設(shè)置不同的參數(shù)，在滿足不同牽引變電所的需要的同時，也要保證電能質(zhì)量分析系統(tǒng)的正確運行。牽引供電系統(tǒng)電能質(zhì)量統(tǒng)計與分析。電能質(zhì)量分析系統(tǒng)不僅要求能實時顯示各種電能質(zhì)量指標(biāo)、電力參數(shù)，還需要具有數(shù)據(jù)統(tǒng)計分析功能，如計算指定時間段內(nèi)的報表數(shù)據(jù)。系統(tǒng)設(shè)計中利用LabVIEW 與數(shù)據(jù)庫技術(shù)，進(jìn)行數(shù)據(jù)分析并形成報表［16］。

3 結(jié)束語

本牽引供電系統(tǒng)電能質(zhì)量檢測分析系統(tǒng)，充分利用了虛擬儀器技術(shù)在測控領(lǐng)域的優(yōu)勢，硬件上采用Fluke i200s 電流鉗、阿爾泰科技PCI2008 12 位16 路數(shù)據(jù)采集卡和便攜式工控機(jī)實現(xiàn)數(shù)據(jù)的采集，軟件上利用NI 公司的虛擬儀器軟件LabVIEW 編制了適合牽引供電系統(tǒng)特點的電能質(zhì)量檢測與分析系統(tǒng)程序的界面，具備信號采集、分析計算、存儲、統(tǒng)計分析、報表等功能模塊，實現(xiàn)了穩(wěn)態(tài)5 項電能質(zhì)量指標(biāo)的監(jiān)測與分析功能，并且初步具有暫態(tài)電能質(zhì)量事件捕獲、分析的功能。

目前，整個系統(tǒng)所具備的功能在傳統(tǒng)電能質(zhì)量分析功能的基礎(chǔ)上，研制出適合于牽引供電系統(tǒng)特點的電能質(zhì)量檢測裝置。利用LabVIEW 的信號處理工具包，實現(xiàn)高級算法。在現(xiàn)有電能質(zhì)量分析平臺上，可以方便的實現(xiàn)對電力機(jī)車在車網(wǎng)耦合時，產(chǎn)生的過電壓而引起牽引變電所故障的原因進(jìn)行分析;實現(xiàn)對故障信號的分析，找出故障特征信號，從而為今后調(diào)整鐵路運行方案提供依據(jù)，規(guī)避故障;實現(xiàn)不同車型負(fù)載對牽引網(wǎng)電能產(chǎn)生的影響的分析;電力機(jī)車型的識別;實現(xiàn)其他電能質(zhì)量檢測與分析，如電壓波動與閃變等功能。系統(tǒng)經(jīng)監(jiān)督檢測后，先后應(yīng)用于石太客專、京廣線、石徳線等多個牽引變電所的測試中，使用結(jié)果顯示達(dá)到了設(shè)計的預(yù)期目的和要求。

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