基于LabVIEW的有源電力濾波裝置數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)

辛皓天, 何樸芳, 史貴風(fēng)

[上海電器科學(xué)研究所(集團(tuán))有限公司, 上海 200063]

0 引 言

伴隨著有源電力濾波技術(shù)的發(fā)展,研發(fā)了各種用于滿足有源濾波裝置研發(fā)及試驗(yàn)需求的智能監(jiān)測系統(tǒng)?，F(xiàn)有的有源電力濾波裝置的智能監(jiān)測系統(tǒng)主要能實(shí)現(xiàn)兩大類功能:用于顯示有源電力濾波裝置的濾波效果和用于顯示有源濾波系統(tǒng)的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)?，F(xiàn)有的這些應(yīng)用于有源電力濾波裝置的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)功能單一、個(gè)性化較強(qiáng),僅是針對產(chǎn)品的某些參數(shù)進(jìn)行分析或監(jiān)測,并沒有包含有源電力濾波裝置研發(fā)過程的設(shè)計(jì)參數(shù)的驗(yàn)證[2],更少有將委托試驗(yàn)中需要計(jì)算的特征參數(shù)和需要認(rèn)證的功能進(jìn)行在線監(jiān)測和智能計(jì)算。

本文充分考慮有源電力濾波裝置整個(gè)研發(fā)流程的試驗(yàn)需求:驗(yàn)證回路主器件選型是否正確;驗(yàn)證電流電壓及溫度等保護(hù)閾值是否合理;驗(yàn)證風(fēng)機(jī)變速頻率是否科學(xué);驗(yàn)證保護(hù)功能是否能實(shí)現(xiàn)[3];進(jìn)行階段性委托試驗(yàn)以完成功能測試。

為了滿足以上試驗(yàn)需求,本文利用LabVIEW軟件平臺(tái),設(shè)計(jì)一種具備在線監(jiān)測和自動(dòng)計(jì)算功能的有源電力濾波裝置數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。相比于現(xiàn)有的僅對產(chǎn)品某些參數(shù)進(jìn)行分析和監(jiān)測的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng),該系統(tǒng)通過對有源電力濾波裝置運(yùn)行參數(shù)的采集,實(shí)現(xiàn)運(yùn)行狀況的實(shí)時(shí)監(jiān)控;通過對有源電力濾波裝置設(shè)計(jì)參數(shù)的采集與對比分析,實(shí)現(xiàn)參數(shù)設(shè)計(jì)和選型的最優(yōu)化;通過對有源電力濾波裝置測試系統(tǒng)電壓、電流數(shù)據(jù)的采集,實(shí)現(xiàn)試驗(yàn)項(xiàng)目參數(shù)的自動(dòng)計(jì)算,提高試驗(yàn)效率。

1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

有源電力濾波裝置通過實(shí)時(shí)檢測負(fù)載的諧波和無功分量,采用PWM變流技術(shù),從變流器中產(chǎn)生一個(gè)與當(dāng)前諧波分量和無功分量對應(yīng)的反向變量并實(shí)時(shí)注入電力系統(tǒng),從而實(shí)現(xiàn)諧波治理和無功補(bǔ)償。

本文的有源電力濾波裝置數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)從3個(gè)方面進(jìn)行數(shù)據(jù)的采集,實(shí)現(xiàn)整個(gè)研發(fā)過程的全程監(jiān)控、智能分析、快速計(jì)算。

1.1 有源電力濾波裝置運(yùn)行參數(shù)采集

通過有源電力濾波裝置的串口接口,將有源電力濾波裝置的運(yùn)行數(shù)據(jù)傳輸至LabVIEW數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)中。LabVIEW開啟端口監(jiān)聽[4],接收到的數(shù)據(jù)通過協(xié)議匹配,實(shí)現(xiàn)有源電力濾波裝置顯示屏上信息數(shù)據(jù)的復(fù)制顯示。有源電力濾波裝置顯示屏上的信息數(shù)據(jù)一般包含當(dāng)前裝置的工作狀態(tài)、額定工作電流值、實(shí)際工作電流值、系統(tǒng)電壓值、負(fù)載電流值、負(fù)載諧波電流值、溫度值(IGBT、控制板)、代碼信息和直流側(cè)電壓值。通過在LabVIEW數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的程序框圖中加入?yún)?shù)限值、邏輯判斷,實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)異常報(bào)警。

在對有源電力濾波裝置進(jìn)行諧波濾除功能或者無功補(bǔ)償功能的試驗(yàn)中,試驗(yàn)人員在對裝置點(diǎn)擊運(yùn)行后,不可能每時(shí)每刻盯著操作屏幕實(shí)時(shí)跟蹤運(yùn)行數(shù)據(jù)的變化。實(shí)驗(yàn)室也很少實(shí)現(xiàn)對試驗(yàn)樣機(jī)的實(shí)時(shí)變化進(jìn)行數(shù)據(jù)采集和監(jiān)測。有源電力濾波裝置運(yùn)行過程中有很多不穩(wěn)定現(xiàn)象發(fā)生,比如裝置降容輸出、裝置突發(fā)停止輸出、裝置報(bào)錯(cuò)等。本文設(shè)計(jì)通過實(shí)時(shí)采集有源電力濾波裝置的運(yùn)行數(shù)據(jù),并在LabVIEW數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)中加入相應(yīng)的閾值判斷和報(bào)警功能[5-6],可以及時(shí)提醒試驗(yàn)人員有源電力濾波裝置運(yùn)行出現(xiàn)的突發(fā)異常情況。通過前面板數(shù)據(jù)顯示界面的報(bào)警燈,測試人員可以及時(shí)判斷異常原因。通過調(diào)取實(shí)時(shí)存儲(chǔ)的采集數(shù)據(jù),可進(jìn)行異常分析。

1.2 有源電力濾波裝置設(shè)計(jì)參數(shù)采集

有源電力濾波裝置參數(shù)采集系統(tǒng)對直流側(cè)電壓信號進(jìn)行監(jiān)測和穩(wěn)定性評估,而對交流側(cè)參數(shù)和其他的重要設(shè)計(jì)點(diǎn)沒有進(jìn)行重點(diǎn)關(guān)注。

電力營銷圖像識(shí)別系統(tǒng)需要有一個(gè)固定的操作平臺(tái)，在平臺(tái)中把撤回電能表置于拍照區(qū)，計(jì)算機(jī)就會(huì)自主控制數(shù)碼相機(jī)進(jìn)行圖像的采集，在采集完圖像后就可以通過圖像識(shí)別技術(shù)來識(shí)別電能表的型號、表示數(shù)以及條碼等。操作臺(tái)主要由工控主機(jī)、數(shù)碼相機(jī)、控制開關(guān)以及顯示器等設(shè)備構(gòu)成，它是整個(gè)系統(tǒng)的核心。在采集完撤回表相關(guān)信息后還可以通過信息管理功能對于相關(guān)的信息進(jìn)行管理，完成整理、分析、統(tǒng)計(jì)等相關(guān)工作。

開關(guān)頻率是有源電力濾波裝置的關(guān)鍵參數(shù),增大開關(guān)頻率可以減小高頻紋波的輸出,但可能會(huì)導(dǎo)致門極電阻發(fā)熱嚴(yán)重。通過對高頻濾波回路電流信號的監(jiān)測,可以觀察高頻濾波回路濾波效果,優(yōu)化諧振點(diǎn)頻率。

IGBT的溫度控制也是有源電力濾波裝置的關(guān)鍵技術(shù)。IGBT的溫度超過保護(hù)值,需要降容輸出。

實(shí)現(xiàn)有源電力濾波裝置運(yùn)行風(fēng)機(jī)的轉(zhuǎn)速可控是智能化發(fā)展的結(jié)果,要求將風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速頻率與有源電力濾波裝置輸出電流大小進(jìn)行階梯式對應(yīng)。輸出電流越小,風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速越低,輸出電流越大,風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速越高。

本文將有源電力濾波裝置運(yùn)行時(shí)的開關(guān)頻率、IGBT溫度、風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速頻率傳輸至LabVIEW采集系統(tǒng),并監(jiān)測高頻濾波回路電流的變化,方便設(shè)計(jì)者對器件的不同選型做效果對比分析,還可以進(jìn)行多臺(tái)樣機(jī)的在線性能對比。

1.3 有源電力濾波裝置測試系統(tǒng)數(shù)據(jù)采集

根據(jù)JB/T 11067—2011《低壓有源電力濾波裝置》、JG/T 417—2013《建筑電氣用并聯(lián)有源電力濾波裝置》、YD/T 2323—2016《通信配電系統(tǒng)電能質(zhì)量補(bǔ)償設(shè)備》中的規(guī)定,有源電力濾波裝置的委托試驗(yàn)至少包含諧波濾除率、總諧波濾除率、響應(yīng)時(shí)間、有功功率損耗、輕載試驗(yàn)測試、自動(dòng)限流輸出試驗(yàn)等。

有源電力濾波裝置測試系統(tǒng)圖如圖1所示。電流監(jiān)測點(diǎn)為網(wǎng)側(cè)(TA1,TA2,TA3)、負(fù)載側(cè)(TA4,TA5,TA6)和有源電力濾波裝置輸出側(cè)(TA7,TA8,TA9),電壓監(jiān)測點(diǎn)為網(wǎng)側(cè)(TV1,TV2,TV3)。

有源電力濾波裝置的研發(fā)必須通過委托試驗(yàn)來進(jìn)行功能認(rèn)證。委托試驗(yàn)中的一些數(shù)據(jù)需要通過福祿克測試儀器測試、示波器采集波形并人工計(jì)算得出。改變有源電力濾波裝置的參數(shù)或設(shè)置,又需要重新采集和計(jì)算。整個(gè)試驗(yàn)過程操作繁雜,容易出現(xiàn)數(shù)據(jù)抓存不當(dāng)造成的數(shù)據(jù)不準(zhǔn)確,從而需要反復(fù)試驗(yàn)。本文通過實(shí)時(shí)采集有源電力濾波裝置測試系統(tǒng)的電流、電壓數(shù)據(jù)并自動(dòng)計(jì)算,實(shí)現(xiàn)委托試驗(yàn)特征值的監(jiān)測和智能獲取,并實(shí)現(xiàn)對一些保護(hù)功能的驗(yàn)證。

實(shí)現(xiàn)方式:通過霍爾線圈采集電流信號,接入積分器電路,再進(jìn)入數(shù)據(jù)采集板卡。通過LabVIEW軟件平臺(tái)編程接收數(shù)據(jù)采集板卡信號,并通過程序面板嵌入算法實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的自動(dòng)計(jì)算。

諧波濾除率和總諧波濾除率的監(jiān)測及計(jì)算:采集的電流信號通過FFT計(jì)算[7],可獲取n次諧波電流方均根值。計(jì)算有源電力濾波裝置接入后已被濾除的第h次諧波電流的方均根值與裝置接入前的第h次諧波電流的方均根值之比,即為諧波濾除率。計(jì)算有源電力濾波裝置接入后已被濾除的各次諧波電流的方均根值與裝置接入前各次諧波電流的方均根值之比,即為總諧波濾除率。

響應(yīng)時(shí)間的監(jiān)測及計(jì)算:通過LabVIEW采集系統(tǒng)前面板實(shí)時(shí)監(jiān)測網(wǎng)側(cè)電流、負(fù)載電流、裝置輸出側(cè)電流三處電流信號波形,測量并記錄負(fù)載電流變化前后三處電流的變化[8]。根據(jù)響應(yīng)時(shí)間試驗(yàn)相關(guān)要求,將負(fù)載低檔位運(yùn)行時(shí)有源電力濾波裝置的穩(wěn)態(tài)電流記作I1,負(fù)載高檔位運(yùn)行時(shí)有源電力濾波裝置的穩(wěn)態(tài)電流記作I2,負(fù)載高低兩檔位運(yùn)行時(shí)有源電力濾波裝置的穩(wěn)態(tài)電流差值為ΔI=I2-I1。首先記錄負(fù)載低檔位運(yùn)行時(shí)的電流曲線,系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行后切換負(fù)載到高檔位,從負(fù)載電流突增時(shí)刻起有源電力濾波裝置電流上升到I1+0.9ΔI的最長時(shí)間,即為負(fù)載突增時(shí)有源電力濾波裝置的響應(yīng)時(shí)間;系統(tǒng)穩(wěn)定后,將非線性負(fù)載由高檔位切換到低檔位,用同樣的方法測量有源電力濾波裝置從負(fù)載電流突減時(shí)刻起至有源電力濾波裝置下降至I1+0.1ΔI的最長時(shí)間,即為負(fù)載突減時(shí)有源電力濾波裝置的響應(yīng)時(shí)間。

有功功率損耗值的監(jiān)測及計(jì)算:通過在程序面板嵌入公式計(jì)算有功功率與視在功率之比,即可獲得有功功率損耗值[9]。

保護(hù)功能的監(jiān)測及計(jì)算:通過同時(shí)監(jiān)測網(wǎng)側(cè)、負(fù)載側(cè)、有源電力濾波裝置輸出側(cè)的電流,可實(shí)現(xiàn)輕載試驗(yàn)、負(fù)載試驗(yàn)、自動(dòng)限流輸出試驗(yàn)、不平衡適應(yīng)性試驗(yàn)的結(jié)果判定。監(jiān)測電壓值可實(shí)現(xiàn)輸入電壓范圍試驗(yàn)、輸入電壓不平衡試驗(yàn)的結(jié)果判定。

2 系統(tǒng)界面

通過LabVIEW前面板設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)采集系統(tǒng)采集界面的顯示[9]。有源電力濾波裝置運(yùn)行參數(shù)采集界面如圖2所示,有源電力濾波裝置設(shè)計(jì)參數(shù)采集界面如圖3所示,有源電力濾波裝置產(chǎn)品測試系統(tǒng)特征值監(jiān)測界面如圖4所示。通過3個(gè)界面所采集的數(shù)據(jù)[10],可以實(shí)時(shí)監(jiān)測有源電力濾波裝置的運(yùn)行狀況、治理效果,實(shí)時(shí)觀察相關(guān)委托試驗(yàn)要求是否滿足,對多臺(tái)裝置進(jìn)行對比試驗(yàn),優(yōu)化選型,優(yōu)化參數(shù)設(shè)定值[11]。

考慮異常情況需要進(jìn)行異常分析,設(shè)計(jì)將采集的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)在Excel中,方便及時(shí)調(diào)用[12]。

3 結(jié) 語

從有源電力濾波裝置的使用工況越來越復(fù)雜,使用環(huán)境越來越嚴(yán)酷,對產(chǎn)品的性能測試需求越來越多[13-16],從現(xiàn)有測試平臺(tái)綜合能力不足的角度出發(fā),設(shè)計(jì)了一種用于有源電力濾波裝置研發(fā)和委托測試過程中的有源電力濾波裝置數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。通過該系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)對有源電力濾波裝置運(yùn)行情況的監(jiān)控和在線報(bào)警、設(shè)計(jì)參數(shù)的采集與試驗(yàn)對比、測試系統(tǒng)的數(shù)據(jù)采集并自動(dòng)計(jì)算。相比于現(xiàn)有的功能單一的各種電能質(zhì)量監(jiān)測系統(tǒng),本文設(shè)計(jì)的基于LabVIEW實(shí)現(xiàn)的有源電力濾波裝置數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)除了可以應(yīng)用于有源電力濾波裝置研發(fā)的全過程,還可以應(yīng)用于多種電能質(zhì)量治理裝置的試驗(yàn)數(shù)據(jù)采集及智能分析,具有廣泛的適用性。