基于LabVIEW的電能質(zhì)量監(jiān)測與分析系統(tǒng)設(shè)計

郭華安，加瑪力汗·庫馬什，聶 盼

（1.新疆大學(xué) 電氣工程學(xué)院，烏魯木齊 830047；2.鄭州輕工業(yè)學(xué)院 經(jīng)濟與管理學(xué)院，鄭州 450002）

0 引言

人類對電能質(zhì)量的要求越來越高，而國內(nèi)對電能質(zhì)量各項指標(biāo)的不定期檢測已經(jīng)不能滿足供電安全的需要，堅固的電力系統(tǒng)需要長期、連續(xù)和精確的監(jiān)測來保障其安全性。利用電能裝置在線測量的網(wǎng)絡(luò)化和數(shù)字實現(xiàn)對全網(wǎng)的多點監(jiān)控分析等方面的研究已經(jīng)成為一個重要課題。國內(nèi)大多數(shù)廠商在電能數(shù)據(jù)監(jiān)測方面主要采用單片機結(jié)構(gòu)，其通用性和開發(fā)維護性都比較差，除此之外，還有一些高校和部門研發(fā)出了基于DSP技術(shù)的電能數(shù)據(jù)監(jiān)測裝置，在實用性方面取得了較大進步。國際方面，“網(wǎng)絡(luò)就是儀器”是發(fā)展的主流，利用網(wǎng)絡(luò)實現(xiàn)遠程的電能檢測和網(wǎng)絡(luò)化電能質(zhì)量管理。在虛擬儀器上搭建網(wǎng)絡(luò)節(jié)點電能管理模塊來實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)化管理則很好地實現(xiàn)了這一要求。本論文則嘗試設(shè)計了基于虛擬儀器平臺的電力試驗數(shù)據(jù)監(jiān)測系統(tǒng)，取得了較好效果。

1 電能質(zhì)量監(jiān)測與分析系統(tǒng)構(gòu)成

1.1 數(shù)據(jù)檢測系統(tǒng)的硬件部分

在大型電力系統(tǒng)中電壓信號和電流信號一般都比較大，需要通過信號調(diào)理把其轉(zhuǎn)換成適于采集的信號。

它的硬件系統(tǒng)構(gòu)成有主機、數(shù)據(jù)采集卡、屏蔽電纜、連接器和互感器等組成。其中主機采用Intel 公司的Core 2 Duo Processor E8400 3.0G CPU、2G，M/DDR內(nèi)存，320G/7200PRM、256顯示內(nèi)存及以上配置；數(shù)據(jù)采集卡選擇采用NI公司的6024E；NI公司DAQ卡同時配備一根68芯屏蔽電纜，此電纜一端與數(shù)據(jù)采集卡相連，另一端與BNC-2120連接器相連，DAQ通過一個68個芯接口與外部進行數(shù)據(jù)交換；互感器是按比例變換電壓或電流的設(shè)備。其功能主要是將高電壓或大電流按比例變換成標(biāo)準(zhǔn)低電壓（100V）或標(biāo)準(zhǔn)小電流（5A或10A），以便實現(xiàn)測量儀表、保護設(shè)備及自動控制設(shè)備的標(biāo)準(zhǔn)化、小型化。

1.2 數(shù)據(jù)檢測系統(tǒng)的軟件部分

圖1 系統(tǒng)工作流程

2 電能質(zhì)量監(jiān)測與分析系統(tǒng)設(shè)計

基于虛擬儀器的電網(wǎng)諧波分系統(tǒng)必須具備檢測系統(tǒng)的三大功能模塊，即數(shù)采集模塊、數(shù)據(jù)的分析模塊和顯示結(jié)果模塊。其實電能質(zhì)量監(jiān)測與分析系統(tǒng)設(shè)計的核心是軟件部分。硬件部分只需將監(jiān)測點的電壓和電流信號經(jīng)過信號調(diào)理器和數(shù)據(jù)采集卡以最小失真度轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號即可。

圖2是該系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)圖。

圖2 系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)圖

解決現(xiàn)場實際應(yīng)用LabVIEW中遇到的現(xiàn)實問題是開發(fā)本系統(tǒng)的一個關(guān)鍵原因。在功能強大的LabV IEW圖形化編程環(huán)境中如何提高對模型探索、總體效率等問題而作的研究是核心工作。在系統(tǒng)的總體設(shè)計下編制應(yīng)用程序，且對算法、程序優(yōu)化方面的問題進行深入探索才是關(guān)鍵。

由于諧波對電能質(zhì)量的危害特別大，下面以該系統(tǒng)在諧波分析和控制中的作用為例進行說明。

2.1 測量界面顯示

圖3 部分諧波分析時瞬時三相電壓和電流

圖3只是前面板設(shè)計的一部分，它是圖形化用戶界面，該界面可以模擬真實儀器的前面板，通過各種控件來完成量值的輸入和輸出，對標(biāo)定值、數(shù)據(jù)采樣值、設(shè)定初值進行比較和分析，最終結(jié)果利用數(shù)據(jù)顯示控件進行顯示，用文件路徑顯示控件來確定最終準(zhǔn)確值的存儲位置。

2.2 利用MathScript完成程序控制

使用MathScript 節(jié)點的好處是可以方便地“執(zhí)行數(shù)學(xué)算法”，充分利用虛擬儀器技術(shù)的便利輕松自定義交互式用戶界面。在圖形編程中使用MathScript節(jié)點。節(jié)點路徑：FunctiosMathmaticsScripts & FormulasScri pt NodesMATLAB Script Node。

圖4 諧波分析系統(tǒng)控制面板

用圖形化編程語言G語言編寫。使用M athScript節(jié)點，可以快速地將文本數(shù)學(xué)命令和圖形化編程集成在一起。在程序框圖的控制過程中，程序框圖由節(jié)點、數(shù)據(jù)和端口連線而成，其中框圖是定義虛擬儀器功能的圖形化源代碼。另外，在M athScript節(jié)點邊界上定義輸入和輸出，來設(shè)定文本MathScript代碼和圖形化LabVIEW數(shù)據(jù)流編程間傳送的數(shù)據(jù)。在虛擬儀器中編程來對輸入信息進行運算和處理，在確定完數(shù)據(jù)采集方式、輸入電壓和電流范圍、信號輸入通道等等之后，用信號發(fā)生器產(chǎn)生不同基波頻率的信號，即干擾信號為10%的3次諧波和5%的5次諧波，其信號表達式為：

啟動開關(guān)按鈕，運行程序，測量相關(guān)數(shù)據(jù)，每隔一定時間將測量的數(shù)據(jù)存入到指定的位置里，最后，進行對比和分析，檢驗該系統(tǒng)的檢測效果。

3 實驗結(jié)果分析

Fluke43B（它是一個固定、便攜、易用的測試儀器，由電力質(zhì)量分析儀，萬用表以及示波器所集成）電能質(zhì)景分析儀具有較高的精度。為了驗證所研制的電能質(zhì)量監(jiān)測與分析系統(tǒng)的精度，進行了簡單的實驗：信號源產(chǎn)生信號基波值為220V，基波頻率在50Hz略微波動，此外還包含3次和5次諧波，其幅值分別為22V和11V。最終得到的實驗對比結(jié)果如下面表1所示：

表1 諧波測量對比數(shù)據(jù)

4 結(jié)束語

基于LabV IEW的電能質(zhì)量監(jiān)測與分析系統(tǒng)設(shè)計對電能質(zhì)量的監(jiān)測和分析具有良好的實時性和準(zhǔn)確性。其中無論是文本化、圖形化還是兩者的結(jié)合，用戶都可以在LabVIEW中的 MathScript上選擇最佳的語法，從而提高工作效率，另外，LabVIEW軟件強大的數(shù)據(jù)處理功能可以對復(fù)雜的數(shù)據(jù)進行快速處理，這些是單片機等其他系統(tǒng)所無法比擬的。

實踐證明，基于LabVIEW的電能質(zhì)量監(jiān)測與分析系統(tǒng)可以大大減少電力測量人員的工作量，用很少的硬件就能實現(xiàn)智能化的測量。

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