基于LabVIEW的電能質(zhì)量監(jiān)測和分析平臺

董 林 沈頌陽 張國勝 曹超逸

(上海工程技術(shù)大學(xué)機械工程學(xué)院，上海 201620)

基于LabVIEW的電能質(zhì)量監(jiān)測和分析平臺

董 林 沈頌陽 張國勝 曹超逸

(上海工程技術(shù)大學(xué)機械工程學(xué)院，上海 201620)

針對傳統(tǒng)的電力參數(shù)監(jiān)測系統(tǒng)硬件體積龐大以及難以適應(yīng)復(fù)雜、實時多參數(shù)測試等問題，基于DAQ設(shè)備構(gòu)建一個完整的USB數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，采用NI信號流處理技術(shù)，通過USB設(shè)備實現(xiàn)同步高速信號流處理，不但完成各項電能質(zhì)量指標(biāo)的監(jiān)測，而且實現(xiàn)用戶通過網(wǎng)頁瀏覽器進(jìn)行遠(yuǎn)程電能質(zhì)量數(shù)據(jù)的監(jiān)測。該電能質(zhì)量監(jiān)測分析軟件平臺基于LabVIEW完成數(shù)據(jù)采集、處理、分析、存儲及結(jié)果顯示等，與Fluke 437型電能質(zhì)量分析儀的實驗結(jié)果對照可知：該平臺測試結(jié)果準(zhǔn)確、可靠性較高。

DAQ設(shè)備 電能質(zhì)量 LabVIEW 數(shù)據(jù)采集 監(jiān)測與分析

隨著我國工業(yè)的快速發(fā)展，一些電力電子設(shè)備的使用使得大量非線性負(fù)荷和不對稱負(fù)荷接入電網(wǎng)，致使電力系統(tǒng)電能質(zhì)量不斷惡化。監(jiān)測電力系統(tǒng)的電能質(zhì)量情況，不但能夠掌握自身負(fù)荷設(shè)備的運行情況，而且可以根據(jù)監(jiān)測的電力參數(shù)為電力系統(tǒng)問題產(chǎn)生的原因和解決提供依據(jù)，從而保證電力系統(tǒng)經(jīng)濟、安全地運行。傳統(tǒng)的電能質(zhì)量監(jiān)測以硬件為核心，結(jié)構(gòu)復(fù)雜、成本高、效率低、功能單一，已無法滿足現(xiàn)代復(fù)雜的電能質(zhì)量監(jiān)測[1]。

近年來，基于虛擬儀器(VI)和PC的系統(tǒng)，因其成本低、容易開發(fā)，廣泛應(yīng)用在各種領(lǐng)域。其中，基于LabVIEW的監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計簡單、易于使用，被廣泛應(yīng)用在電力系統(tǒng)中[2,3]。文獻(xiàn)[4]利用虛擬儀器技術(shù)設(shè)計了一種電能質(zhì)量監(jiān)測系統(tǒng)，可完成一些電能質(zhì)量指標(biāo)的測量，但是沒有對數(shù)據(jù)進(jìn)行存儲，無法實時查看歷史數(shù)據(jù)。文獻(xiàn)[5]基于LabVIEW采用協(xié)同式多線程技術(shù)開發(fā)了一套電能質(zhì)量監(jiān)測系統(tǒng)，但是程序冗余，局部變量過多，內(nèi)存占有率大，導(dǎo)致系統(tǒng)運算效率不高。文獻(xiàn)[6]只對幾項電能質(zhì)量指標(biāo)進(jìn)行了簡單的仿真分析，沒有開發(fā)一套完整的系統(tǒng)。文獻(xiàn)[7]基于LabVIEW提出了一種電能質(zhì)量遠(yuǎn)程監(jiān)測系統(tǒng)，可通過網(wǎng)頁遠(yuǎn)程實時監(jiān)測電能質(zhì)量數(shù)據(jù)變化的情況，但是未對實驗結(jié)果進(jìn)行驗證，系統(tǒng)測量的準(zhǔn)確性有待考證。在此筆者設(shè)計了一個電能質(zhì)量監(jiān)測和分析平臺，將NI數(shù)據(jù)采集卡安裝于NI CompactDAQ機箱，構(gòu)建一個完整的USB數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，能夠靈活地完成各種監(jiān)測任務(wù)。

基于虛擬儀器技術(shù)，以最少的硬件支持，利用軟件編程代替硬件電路，完成數(shù)據(jù)采集、處理和分析。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)包括軟件和硬件部分，軟件部分包括電能質(zhì)量分析與顯示功能，硬件部分包括電壓電流傳感器、信號調(diào)理和數(shù)據(jù)采集卡(DAQ)和安裝有LabVIEW的上位機。

1.1硬件部分

為了進(jìn)行有效地測量并得到精確的測量結(jié)果，電壓電流傳感器的輸出信號必須在數(shù)據(jù)采集卡采集前進(jìn)行調(diào)理。信號調(diào)理由信號放大、電氣隔離及濾波等構(gòu)成。

硬件設(shè)備DAQ的關(guān)鍵在于精度和轉(zhuǎn)換速度，其影響系統(tǒng)的實時性和準(zhǔn)確性。NI C系列模塊在單個模塊內(nèi)集成了A/D轉(zhuǎn)換器、信號調(diào)理和信號連接功能。系統(tǒng)選擇NI數(shù)據(jù)采集卡9205和9203，并將其安裝于NI CompactDAQ機箱內(nèi)，以構(gòu)建一個完整的USB數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。采用NI信號流處理技術(shù)，通過USB設(shè)備實現(xiàn)同步高速信號流處理，在USB總線上連續(xù)采集波形數(shù)據(jù)并進(jìn)行處理。

測量電流采用NI數(shù)據(jù)采集卡9203，與NI CompactDAQ機箱配合使用。NI 9203具有可編程的±20mA輸入范圍、16位分辨率和200kS/s最大采樣率。

1.2軟件部分

軟件系統(tǒng)采用NI公司的LabVIEW圖形化編程語言和開發(fā)環(huán)境，LabVIEW使用圖標(biāo)代替文本行創(chuàng)建應(yīng)用程序，圖形化編程，編程風(fēng)格簡單、直觀[4]。LabVIEW不斷改進(jìn)、更新與完善，在數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)分析、數(shù)據(jù)表達(dá)及網(wǎng)絡(luò)功能等方面具有獨特的優(yōu)勢。

采用LabVIEW設(shè)計的電能質(zhì)量監(jiān)測與分析平臺能完成電能質(zhì)量監(jiān)測，實現(xiàn)相關(guān)電量參數(shù)的采集、處理、分析顯示、存儲及遠(yuǎn)程訪問等，其中數(shù)據(jù)處理和分析部分包括實時波形顯示、基本參量測量、三相不平衡計算、諧波計算和分析與電壓波動和閃變5個部分。

2 電能質(zhì)量測量原理

2.1電壓偏差測量

電壓偏差是指實際電壓相對于標(biāo)稱電壓的偏離程度。電壓有效值最常用的測量算法是離散求和的方法，即將一個周期內(nèi)采集的電壓波形數(shù)據(jù)按求均方根方式進(jìn)行計算，得到其有效值，表達(dá)式為：

(1)

式中N——一個周期的采樣點數(shù)；

Uk——電壓在第k個采樣點處的采樣值。

2.2頻率測量

設(shè)計采用基于快速傅里葉變換(FFT)的加窗插值算法來計算頻率。先對被測信號進(jìn)行采樣和數(shù)字化，進(jìn)行加窗處理，再進(jìn)行快速傅里葉變換，根據(jù)所得到的變換結(jié)果，計算信號頻譜的幅頻特性。信號頻譜幅值最大點位置所對應(yīng)的頻率即被測信號的頻率。設(shè)信號的采樣速率為fs，F(xiàn)FT的長度為N，則被測信號的頻率為：

fx=Mfs/N

(2)

式中M——信號頻譜幅值最大點位置。

2.3三相不平衡度計算

任何不對稱的三相相量均可用對稱分量法分解為3組對稱的正序分量、負(fù)序分量和零序分量。三相系統(tǒng)中，計算不平衡度的方法如下：

(3)

三相不平衡度為負(fù)序分量與正序分量的均方根值之比，用符號εU表示，即：

(4)

2.4諧波分析

目前諧波測量應(yīng)用最多的方法是快速傅里葉變換[8,9]。當(dāng)使用傅里葉變換進(jìn)行諧波檢測時，要求截取一個工頻(基波)周期的信號，不但要求每個周期的采樣點數(shù)，還要求采樣周期嚴(yán)格與工頻頻率同步，否則會出現(xiàn)頻譜泄漏現(xiàn)象。在該諧波分析模塊中，采用加窗插值的FFT算法，以降低頻譜泄漏和柵欄效應(yīng)造成的測量誤差，從而保證計算精度。

2.5閃變測量

閃變由供電電壓波動的幅值、頻度和波形決定。從測量儀器的角度出發(fā)，通過對電壓信號進(jìn)行處理，計算出電壓閃變值。首先以電壓傳感器信號為輸入量，通過平方解調(diào)器、轉(zhuǎn)折頻率為0.05Hz和35Hz的帶通濾波器、中心頻率為8.8Hz的視感度加權(quán)濾波器，再通過一個平方器、一階平滑加權(quán)濾波器后獲得輸出信號。該信號直接反映了電壓波動引起燈光閃爍對人眼視感的影響，是計算瞬時閃變值的中間過程，定義為瞬時閃變值p。采用水平分級狀態(tài)時間計算法，即累計概率函數(shù)(CPF)曲線，對該信號做遞增分級處理。首先對一段時間(10min)內(nèi)的p信號進(jìn)行分級，以p為橫坐標(biāo)，以不小于每一級p的各級時間在該時段內(nèi)所占時間長度的百分比為縱坐標(biāo)，做出CPF曲線。CPF曲線縱坐標(biāo)0.1%、1%、3%、10%、50%對應(yīng)的閃變平滑估計值分別為P0.1、P1、P3、P10、P50，則這段時間的短閃變值可按下式計算：

(5)

3 網(wǎng)絡(luò)化監(jiān)測模式

為了通過網(wǎng)絡(luò)實現(xiàn)遠(yuǎn)程監(jiān)測電能質(zhì)量指標(biāo)數(shù)據(jù)，必須在Web上進(jìn)行LabVIEW監(jiān)測程序的網(wǎng)絡(luò)發(fā)布[10]。首先需要在服務(wù)器端運行LabVIEW，并配置Web服務(wù)器。然后在LabVIEW的主菜單中選擇工具?Web發(fā)布工具，選擇要發(fā)布VI的名稱，并將生成的HTML文件保存在Web服務(wù)器配置所設(shè)定的根目錄中。最后，在客戶端的網(wǎng)頁瀏覽器地址欄輸入發(fā)布的網(wǎng)址，客戶端用戶在獲得服務(wù)器的允許后，即可利用瀏覽器通過網(wǎng)頁訪問監(jiān)測終端，實現(xiàn)電能質(zhì)量的遠(yuǎn)程監(jiān)測。

4 實驗測量結(jié)果

4.1硬件方面

實驗過程中，測量電壓采用DL-PT202H1電流型精密電壓互感器，將強電壓信號轉(zhuǎn)換成弱電壓信號，再通過數(shù)據(jù)采集卡9205采集送到LabVIEW進(jìn)行處理。測量電流采用LCTA21CE-20A/20mA系列精密微型電流互感器，與數(shù)據(jù)采集卡9203配合使用進(jìn)行測量。電壓傳感器的測量原理如圖1所示。

圖1 電流型電壓互感器測量原理

4.2測量結(jié)果

4.2.1實時波形顯示模塊

電壓、電流經(jīng)過各傳感器變送后，由數(shù)據(jù)采集卡采集信號，將數(shù)據(jù)傳到PC機上(安裝有LabVIEW軟件)，完成數(shù)據(jù)的相關(guān)處理，并將電壓、電流的實時波形顯示出來，其中包括三相電壓、三相電流和中性線電流，用戶可實時觀測電壓、電流波形的變化情況。

4.2.2基本參數(shù)測量模塊

基本參量測量模塊主要完成三相電壓、三相電流的有效值和頻率的測量與計算，還有三相功率的測量(有功功率、無功功率、視在功率和功率因數(shù))，并計算出電能指標(biāo)電壓偏差和頻率偏差。測量結(jié)果在如圖2所示的基本參數(shù)測量模塊界面上顯示。

圖2 基本參數(shù)測量模塊界面

4.3測量結(jié)果驗證

為了驗證設(shè)計平臺測量結(jié)果的準(zhǔn)確性，選用Fluke 437型電能質(zhì)量分析儀作為對比儀器，以其測量值作為實際參考值。該儀器的各項性能指標(biāo)較高，可以通過與其測量結(jié)果的比較，驗證平臺測量的準(zhǔn)確性和可靠性。Fluke 437和本平臺對于電能質(zhì)量基本參數(shù)的測量結(jié)果對照見表1，電能質(zhì)量各項電能指標(biāo)的測量結(jié)果對照見表2。

表1 基本參數(shù)測量對比

表2 各項電能質(zhì)量指標(biāo)測量對比

通過表1、2的實驗結(jié)果對比表明，所設(shè)計的電能質(zhì)量監(jiān)測和分析平臺測量的各項電能質(zhì)量指標(biāo)的誤差在1%之內(nèi)，測量結(jié)果較準(zhǔn)確。

5 結(jié)束語

筆者基于DAQ設(shè)備和LabVIEW技術(shù)，完成了一套電能質(zhì)量監(jiān)測與分析平臺的設(shè)計。硬件采用NI C系列模塊，將NI數(shù)據(jù)采集卡9205和9203安裝于NI CompactDAQ機箱內(nèi)，構(gòu)建一個完整的USB數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。軟件利用LabVIEW軟件進(jìn)行電能質(zhì)量監(jiān)測與分析系統(tǒng)的程序設(shè)計，完成數(shù)據(jù)采集、計算、分析及結(jié)果顯示等功能，實現(xiàn)電能質(zhì)量的監(jiān)測與分析，并且用戶能夠?qū)崟r查詢歷史電能質(zhì)量數(shù)據(jù)。通過LabVIEW提供的進(jìn)行遠(yuǎn)程訪問的Web服務(wù)器技術(shù)的功能，采用B/S組網(wǎng)模式和Web瀏覽方法，進(jìn)行電能質(zhì)量監(jiān)測系統(tǒng)的遠(yuǎn)程訪問設(shè)計，實現(xiàn)電能質(zhì)量的遠(yuǎn)程監(jiān)測。與Fluke 437型電能質(zhì)量分析儀測量結(jié)果對比，驗證了該系統(tǒng)平臺的可靠性和準(zhǔn)確性。

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PowerQualityMonitoringandAnalysisPlatformBasedonLabVIEW

DONG Lin, SHEN Song-yang, ZHANG Guo-sheng, CAO Chao-yi

(CollegeofMechanicalEngineering,ShanghaiUniversityofEngineeringScience,Shanghai201620,China)

Aiming at the bulky hardware and the difficulty in adapting to the complex, real-time and multi parameter testing in the traditional electric power system for the parameter monitoring, a DAQ equipment-based complete USB data acquisition system was built, which adopts NI signal streaming technology to realize the synchronization of high speed signal processing flow via a USB device and to complete the monitoring of power

TM933

A

1000-3932(2016)02-0177-05

2015-12-14(修改稿)基金項目：2014年上海高校青年骨干教師國內(nèi)訪問學(xué)者計劃項目；大學(xué)生創(chuàng)新訓(xùn)練項目(CS1501001，CS1501018)