基于Lab VIEW的電能質(zhì)量監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計

程信羲,陳其工,高文根

(安徽工程大學(xué)安徽檢測技術(shù)與節(jié)能裝置省級重點實驗室,安徽蕪湖 241000)

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基于Lab VIEW的電能質(zhì)量監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計

程信羲,陳其工?,高文根

(安徽工程大學(xué)安徽檢測技術(shù)與節(jié)能裝置省級重點實驗室,安徽蕪湖 241000)

摘要:為了能夠?qū)崟r監(jiān)測微電網(wǎng)系統(tǒng)的電能質(zhì)量參數(shù),利用工控機(jī)作為上位機(jī),Lab VIEW作為上位機(jī)軟件,結(jié)合PCI板卡建立了基于虛擬儀器技術(shù)的電能質(zhì)量實時監(jiān)測系統(tǒng),可對并網(wǎng)點、逆變器以及負(fù)載等微網(wǎng)設(shè)備的電能質(zhì)量的可視化實時監(jiān)測．實驗結(jié)果表明,系統(tǒng)可以根據(jù)用戶需求實時監(jiān)測微網(wǎng)各處的電能質(zhì)量,保證微網(wǎng)安全有效地運行,具有一定的擴(kuò)展性．

關(guān) 鍵 詞:Lab VIEW;電能質(zhì)量監(jiān)測;硬件電路;軟件結(jié)構(gòu)

隨著社會不斷進(jìn)步,人類對能源的需求不斷增大,電力需求也逐年增加,使得分布式能源迅速崛起．微電網(wǎng)是由分布式電源、儲能系統(tǒng)和負(fù)荷構(gòu)成且可以實現(xiàn)自我控制、保護(hù)和管理的自治系統(tǒng),分為并網(wǎng)運行、孤島運行兩種典型的穩(wěn)態(tài)運行狀態(tài)[1]．為了保證微電網(wǎng)安全有效運行,需要對電能質(zhì)量進(jìn)行實時監(jiān)測,對電能的穩(wěn)定提出了更高的要求[2]．

虛擬儀器技術(shù)可通過軟件實現(xiàn)真實儀器的功能,通過Lab VIEW軟件中豐富的功能函數(shù)進(jìn)行數(shù)據(jù)處理．基于虛擬儀器技術(shù)開發(fā)了電能質(zhì)量實時監(jiān)測系統(tǒng),可以實現(xiàn)微電網(wǎng)系統(tǒng)運行中各種復(fù)雜信號分析與顯示功能,且擴(kuò)展能力強(qiáng)．

1 系統(tǒng)總體設(shè)計

基于虛擬儀器的微電網(wǎng)電能質(zhì)量監(jiān)測系統(tǒng)主要包含了數(shù)據(jù)采集和電能質(zhì)量分析兩部分．系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示．

圖1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖

2 硬件設(shè)計及選型

2．1 PCI板卡選型

采集卡選用研華PCI-1715u數(shù)據(jù)采集卡,其擁有32路單端或16路差分模擬量輸入或組合輸入方式,采樣頻率可達(dá)500 k HZ、12位分辨率及2500DC的直流隔離保護(hù)．采集卡的輸入選擇雙端差分輸入模式,此模式可以使得放大器有效地抑制共模電壓以及任何與信號混雜在一起的共模形式噪音,提高測量質(zhì)量．

2．2 信號調(diào)理電路設(shè)計

電壓轉(zhuǎn)換電流信號電路如圖2所示．由圖2可知,輸入是220 V相電壓,電壓經(jīng)過電阻R102和R103后轉(zhuǎn)換成2 m A的電流信號．R101和C101構(gòu)成RC低通濾波電路,抗干擾性強(qiáng),有較好的低頻性能．CA139A是額定輸入輸出均為2 m A的電流互感器,有一定的隔離作用．

圖2 電壓轉(zhuǎn)換電流信號電路

電壓跟隨電路如圖3所示．2 m A電流信號經(jīng)過電路,利用阻值為909Ω的電阻R104轉(zhuǎn)換成1．818 V的電壓信號,此交流電壓信號的峰值約為1．818V?＝2．57 V．二極管是為了防止運放器LM224同相輸入端和反相輸入端的差值過大,運放器由電源板提供12 V的直流電．

圖3 電壓跟隨電路

偏置與限幅電路如圖4所示．峰值為2．5 V的交流電壓信號進(jìn)入電路,經(jīng)過二階濾波電路和偏置電路,將電壓信號的峰值變成5 V,保證工控機(jī)中PCI1715U板卡接收的信號是峰值為5 V的交流電壓信號．

用IC法獲得采樣電壓時,接線原理圖如圖5所示．TA0193-2M電流互感器將輸入的交流電流信號轉(zhuǎn)換成2．5 m A交流電流信號,通過阻值為732Ω的電阻,2．5 m A?732Ω?＝2．5 V轉(zhuǎn)換成峰值是2．5 V的交流電壓信號．

圖4 偏置與限幅電路

圖5 IC法獲取采樣電壓原理接線圖

3 軟件結(jié)構(gòu)與實現(xiàn)

以工控機(jī)作為上位機(jī),用Lab VIEW完成電能質(zhì)量檢測、數(shù)據(jù)存儲和分析,軟件設(shè)計流程圖如圖6所示．原始電壓、電流經(jīng)信號調(diào)理電路后轉(zhuǎn)換為符合PCI-1715u板卡接收的交流電壓信號,使用DAQNavi工具包中的Assistant模塊結(jié)合板卡進(jìn)行采集,通過電能質(zhì)量分析后顯示數(shù)據(jù)．

3．1 電能質(zhì)量分析

三相電壓和電流有效值是電能質(zhì)量分析的基礎(chǔ)指標(biāo),根據(jù)采集的離散化電壓、電流序列,計算電壓和電流的有效值[3]．

電壓有效值:

電流有效值:

頻率偏差是指電力系統(tǒng)在正常運行狀態(tài)下,系統(tǒng)頻率的實際值與額定值的差值,即:Δf＝fR－fN．其中,fR為實際頻率值;fN為系統(tǒng)的額定頻率;Δf為頻率偏差．通常使用過零檢測法測量電壓頻率,但此方法易受諧波以及其他干擾的影響,精度不能保證．在本系統(tǒng)中,使用了二階巴特沃斯低通濾波器,可以有效地降低干擾影響,提高測量的精確度[4]．

電壓信號基本參數(shù)測量程序如圖7所示．利用For循環(huán)和條件語句,通過判定比較和賦值．條件語句中條件為真時,賦值是電壓變比;條件為假時,賦值為0．這樣可以僅保留前6路的電壓信號,因為在信號調(diào)理電路中縮小了電壓信號的值,所以在程序中需要通過電壓變比進(jìn)行放大,最后再去除電壓信號的直流分量,得到的原始輸入信號就是微電網(wǎng)中并網(wǎng)點處內(nèi)外網(wǎng)的實際電壓信號電壓,并計算電壓信號的有效值．

IEC精確定義的利用負(fù)序電壓有效值與正序電壓有效值的比值來計算三相電壓不平衡度:

．此方法通過測得各相電壓的幅值和相位來計算電壓不平衡度[5]．

不平衡度測量程序框圖如圖8所示．將已計算出的PCC點內(nèi)外網(wǎng)電壓的幅值和相位大小通過索引,保留內(nèi)網(wǎng)的幅值與相位,再由序分量子Ⅵ計算出不平衡度和正、負(fù)、零序分量大?。?/p>

圖8 不平衡度測量程序框圖

總諧波畸變度是衡量一個電源中諧波成分多少的量,表示信號波形相對于正弦波的失真程度[6]．以公式形式表示為:

創(chuàng)建PCC點處幅頻曲線波形的程序框圖如圖9所示．將PCC點的電壓和電流合并,與采樣頻率一起作為幅度譜和相位譜Ⅵ的輸入信號,返回值是幅度譜的大小和頻率間隔,頻率間隔通常作為頻率軸的乘數(shù),用于顯示頻域．處理幅度譜的大小和頻率,創(chuàng)建幅頻曲線波形圖．

圖9 PCC處頻譜曲線及數(shù)據(jù)保存程序框圖

利用虛擬儀器技術(shù)設(shè)計電能質(zhì)量分析程序方便簡潔,以上程序?qū)崿F(xiàn)了各處交流電壓和電流的波形、序分量的顯示、PCC并網(wǎng)點的電壓和電流的諧波分量、不平衡度的實時分析等問題．此外,根據(jù)采集的電壓和電流的數(shù)據(jù),計算出了有效值、幅值、相位及頻率．

3．2 運行效果

PCC點外網(wǎng)的三相電壓與電流波形顯示界面如圖10所示．由圖10可知,波形幅值大小為311 V．電流波形圖是逆變器的實際電流值,30 k W逆變器的理論電流值為45 A;20 k W逆變器的理論電流值為30 A; 3 k W逆變器的理論電流值為15 A．然而,圖10中3 k W逆變器的電流只有7 A左右,由此可知逆變器越小,受天氣因素影響越大．

圖10 電壓和電流波形顯示界面

PCC點外網(wǎng)電壓的不平衡度及電流諧波含量分析圖如圖11所示．由二維羅盤圖可直觀地反映不平衡度情況．圖11中僅正序分量有數(shù)值,負(fù)序分量和零序分量基本為0,表明三相電壓是平衡的．電壓不平衡時會存在負(fù)序分量,直接導(dǎo)致達(dá)到數(shù)倍的電流不平衡的發(fā)生,對整個系統(tǒng)的安全運行有很大的影響．諧波分析界面顯示的是PCC并網(wǎng)點A相的電流諧波含量,可通過支路的選擇查看其他電流信號的諧波情況．諧波的存在會導(dǎo)致系統(tǒng)中的元件產(chǎn)生附加的諧波損耗,降低了發(fā)電、輸電及負(fù)載用電的效率,大量3次諧波流過中性線時還可能因為過熱導(dǎo)致火災(zāi),所以對諧波的監(jiān)測是非常必要的．由圖11可知,PCC點外網(wǎng)A相電流的僅含有一次諧波分量,高次諧波為0．

圖11 不平衡度及諧波分析效果圖

4 結(jié)論

利用Lab VIEW軟件結(jié)合研華的PCI-1715u數(shù)據(jù)采集卡,完成了微電網(wǎng)電能質(zhì)量監(jiān)測系統(tǒng)．系統(tǒng)能夠?qū)崟r、準(zhǔn)確地顯示微電網(wǎng)的當(dāng)前運行狀態(tài)以及所有參數(shù)信息,具有較高的擴(kuò)展性．

系統(tǒng)根據(jù)電能質(zhì)量的參考標(biāo)準(zhǔn),對電壓電流有效值、頻率偏差、電壓波動、三相不平衡度、電壓電流各次諧波含量以及畸變率等參量進(jìn)行了仿真和計算,計算速度快,數(shù)據(jù)準(zhǔn)確,具有很強(qiáng)的實用性和擴(kuò)展性．

參考文獻(xiàn):

[1] 丁明,張穎媛,茆美琴．微網(wǎng)研究中的關(guān)鍵技術(shù)[J]．電網(wǎng)技術(shù),2009(11):6-11．

[2] 沈斌,胡陽成．Lab VIEW在電能質(zhì)量監(jiān)測系統(tǒng)中的應(yīng)用研究[J]．工業(yè)控制計算機(jī),2010,23(9):29-30．

[3] 王政,劉國海,沈躍,等．基于Lab VIEW的電能質(zhì)量監(jiān)測系統(tǒng)及其數(shù)據(jù)存儲格式的研究[J]．電測與儀表,2013,50(6): 83-87．

[4] 馬永強(qiáng),周林,武劍,等．基于Lab VIEW的新型電能質(zhì)量實時監(jiān)測系統(tǒng)[J]．電測與儀表,2009,46(3):41．

[5] IEC 61000-4-30．Electromagnetic Compatibility(EMC)-Part 4-30 Testing and Measurement Techniques-Power Quality Measurement Methods[S]．International Electrotechnical Commission,2003．

[6] 甘穎．基于Lab VIEW的電能質(zhì)量監(jiān)測系統(tǒng)[J]．儀器儀表學(xué)報,2011,32(12):384-385．

Design of power quality monitoring system based on LabVIEW

CHENG Xin-xi,CHEN Qi-gong?,GAO Wen-gen
(Anhui Key Laboratory of Detetion Technology and Energy Saving Devices, Anhui Polytechnic University,Wuhu 241000,China)

Abstract:To be able to monitor real-time micro-grid system power quality parameters,the authors use the IPC as a PC,Lab VIEW as PC software,combined with the PCI board to establish a real-time power quality monitoring system based on virtual instrument technology,so as to achieve outlets,reverse variable power quality and load control devices and other micro-network visualization in real time．Besides, this paper describes the hardware circuit design,power quality index calculation and software design methods in details．Experimental results show that this system can realize micro-grid power quality realtime monitoring to ensure the safe and effective operation of the micro-network,according to user needs, and has certain scalability．

Key words:Lab VIEW;power quality monitoring;hardware circuit;software architecture

中圖分類號:TM935

文獻(xiàn)標(biāo)識碼:A

收稿日期:2015-10-15

基金項目:安徽省科技攻關(guān)基金資助項目(1301022045)

作者簡介:程信羲(1990-),男,安徽滁州人,碩士研究生．

通訊作者:陳其工(1961-),男,安徽明光人,教授,博導(dǎo)．