基于LabVIEW的動(dòng)車組電能質(zhì)量監(jiān)控分析系統(tǒng)

張貴鵬，王慶峰，徐利華，李相強(qiáng)，張健穹，車永旺

(西南交通大學(xué)物理科學(xué)與技術(shù)學(xué)院，四川成都 610031)

0 引言

隨著動(dòng)車組數(shù)量和速度的不斷提升，以及動(dòng)車智能化需求越來(lái)越高，相應(yīng)的大功率設(shè)備、不對(duì)稱負(fù)荷及其他非線性負(fù)荷容量也越來(lái)越多，使得配電網(wǎng)系統(tǒng)中的電壓發(fā)生波形畸變、諧波及電壓閃變等一系列問(wèn)題，嚴(yán)重影響了供電系統(tǒng)的電能質(zhì)量[1-3]。因此有必要對(duì)動(dòng)車組配電網(wǎng)電能質(zhì)量情況進(jìn)行監(jiān)測(cè)記錄，掌控其電能質(zhì)量運(yùn)行情況，以電能質(zhì)量數(shù)據(jù)為依據(jù)，為配電網(wǎng)產(chǎn)生的問(wèn)題和解決通過(guò)數(shù)據(jù)支撐，從而保證動(dòng)車組電能質(zhì)量的合理、有效配置，進(jìn)一步保證動(dòng)車組的穩(wěn)定、安全運(yùn)行[4-5]。

雖然目前應(yīng)用于電力系統(tǒng)及電力機(jī)車的電能質(zhì)量監(jiān)測(cè)技術(shù)已經(jīng)很成熟[6-8]，但由于高速動(dòng)車組與牽引網(wǎng)電氣耦合過(guò)程的機(jī)理比較復(fù)雜，無(wú)法直接照搬其技術(shù)及標(biāo)準(zhǔn)。據(jù)了解，動(dòng)車組領(lǐng)域的電能質(zhì)量監(jiān)測(cè)技術(shù)還不成熟，沒(méi)有統(tǒng)一規(guī)范化的體系和標(biāo)準(zhǔn)，動(dòng)車組現(xiàn)有的檢測(cè)裝置功能單一，價(jià)格貴且開發(fā)周期長(zhǎng)[4-6]，同時(shí)，監(jiān)測(cè)對(duì)象均是牽引供電系統(tǒng)自身而非動(dòng)車組(動(dòng)車組是引起電能質(zhì)量惡化的激勵(lì)源)[2,5]。

綜合考慮以上研究現(xiàn)狀，文中采用易開發(fā)、低成本的LabVIEW圖形化編程語(yǔ)言設(shè)計(jì)一種動(dòng)車組電能質(zhì)量監(jiān)測(cè)與分析系統(tǒng)，對(duì)動(dòng)車組進(jìn)行監(jiān)測(cè)，該系統(tǒng)具有低成本、開發(fā)速度快、性能穩(wěn)定，功能較全、操作方便、易于拓展與升級(jí)等優(yōu)勢(shì)[9-11]。文中詳細(xì)分析了電能質(zhì)量檢測(cè)的各個(gè)指標(biāo)理論和方法，并對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行了精度驗(yàn)證與現(xiàn)車測(cè)試，最后對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行了分析。

1 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)方案

文中設(shè)計(jì)的電能質(zhì)量監(jiān)控分析系統(tǒng)分為硬件部分與軟件部分，實(shí)現(xiàn)對(duì)電能質(zhì)量數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)采集監(jiān)測(cè)、存儲(chǔ)及分析等功能。其中系統(tǒng)的硬件部分包括電壓探頭、電流探頭、數(shù)據(jù)采集卡、工控機(jī)及DTU通信模塊，軟件部分包括電能質(zhì)量數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)顯示、實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)分析、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)、離線分析及遠(yuǎn)程通信。系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)方案如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)方案

1.1 硬件設(shè)計(jì)

文中設(shè)計(jì)的硬件設(shè)備主要包括電壓探頭、電流探頭、分壓器、數(shù)據(jù)采集卡、工控機(jī)及DTU模塊，實(shí)現(xiàn)對(duì)電壓電流信號(hào)的調(diào)理、隔離、采集及存儲(chǔ)。動(dòng)車組接觸網(wǎng)一側(cè)的電壓經(jīng)過(guò)電壓互感器，采用電壓探頭連接電壓互感器二次側(cè)與100∶1分壓器，最后將信號(hào)輸入至數(shù)據(jù)采集卡。電流則經(jīng)過(guò)電流互感器，采用電流探頭連接電流互感器副邊及采集系統(tǒng)。以上即得到適合數(shù)據(jù)采集卡的電壓電流信號(hào)。同時(shí)為了精確、有效、合理地測(cè)量動(dòng)車組電壓電流信號(hào)，文中采用多功能型的PCIe數(shù)據(jù)采集卡，對(duì)信號(hào)進(jìn)行信號(hào)放大、濾波、獨(dú)立ADC轉(zhuǎn)換及電氣隔離等信號(hào)調(diào)理，具備2個(gè)模擬輸入通道、-5～5 V的采集量程、14 bit分辨率、最大采樣1 MS/s、高速傳輸?shù)腜CIe總線及DMA控制器，其中數(shù)據(jù)采集卡通過(guò)PCIe總線連接到工控機(jī)。采集卡硬件原理框圖如圖2所示。

圖2 采集卡硬件原理圖

1.2 軟件設(shè)計(jì)

軟件部分主要包括實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)與線下分析系統(tǒng)，基于LabVIEW語(yǔ)言的易開發(fā)、操作及顯示便捷等特點(diǎn)完成對(duì)系統(tǒng)軟件部分的設(shè)計(jì)[8-11]，利用模塊化及多線程編程思路實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的傳輸、顯示、存儲(chǔ)及分析等功能，其中通過(guò)采集卡廠商提供的接口函數(shù)(API函數(shù))便可實(shí)現(xiàn)對(duì)采集卡的通道、采樣頻率、設(shè)備號(hào)等參數(shù)進(jìn)行設(shè)置，數(shù)據(jù)分析處理主要包括波形顯示、基本指標(biāo)參量計(jì)算、諧波分析、頻譜分析、數(shù)據(jù)庫(kù)查詢等部分，同時(shí)利用DTU模塊實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程控制及數(shù)據(jù)下載傳輸?shù)裙δ埽阌跀?shù)據(jù)處理分析。其中數(shù)據(jù)存儲(chǔ)包括電壓電流數(shù)據(jù)原始數(shù)據(jù)存入主機(jī)硬盤，電能參數(shù)計(jì)算結(jié)果寫入數(shù)據(jù)庫(kù)，系統(tǒng)故障信息寫入數(shù)據(jù)庫(kù)。系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)流程框圖如圖3所示。

圖3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)流程圖

2 電能質(zhì)量測(cè)試原理與軟件設(shè)計(jì)

2.1 電壓、電流有效值

電能質(zhì)量參數(shù)中的基礎(chǔ)評(píng)估指標(biāo)之一是有效值。動(dòng)車組供電電壓有效值為27.5 kV，由于采集系統(tǒng)采集得到的電壓電流信號(hào)均是離散信號(hào)，因此根據(jù)有效值的定義可得：

(1)

(2)

式中：URMS、IRMS為電壓有效值、電流有效值；N為一個(gè)周期內(nèi)的采樣點(diǎn)數(shù)；Uk、Ik分別為電壓、電流在第k個(gè)采樣點(diǎn)處的采樣值。

2.2 頻率偏差和電壓偏差

頻率偏差是指動(dòng)車組供電系統(tǒng)在正常運(yùn)行情況下的實(shí)際頻率測(cè)量值與標(biāo)準(zhǔn)頻率值之差。文中采用的是過(guò)零點(diǎn)檢測(cè)法，首先使用低通濾波器濾除產(chǎn)生多余零點(diǎn)的諧波、干擾、噪音等高頻分量，結(jié)合系統(tǒng)的采樣頻率與相鄰2個(gè)零點(diǎn)之間的采樣點(diǎn)數(shù)便可計(jì)算出1/2周期內(nèi)的頻率，以此類推計(jì)算多個(gè)頻率值的平均值即是信號(hào)頻率，最后根據(jù)頻率偏差的定義(式(3))即可計(jì)算出頻率偏差。其中動(dòng)車組是單相供電方式，其電壓電流工作頻率均是50 Hz。

f=f1-f2

(3)

式中f、f1、f2分別表示頻率偏差、實(shí)際頻率、額定頻率。

電壓偏差是指電壓實(shí)際有效值與電壓額定值之差，如式(4)所示：

U=U1-U2

(4)

式中U、U1、U2分別為電壓偏差、電壓實(shí)際有效值、電壓額定值。

2.3 電壓閃變

電壓閃變是指電壓有效值最大值與最小值之差與額定電壓值的比值，如式(5)所示：

(5)

式中d、Umax、Umin、UN分別表示電壓閃變、電壓有效值中的最大值、最小值、額定電壓值。

2.4 諧波分析

為了測(cè)量電壓電流各次諧波的頻率、幅值及總諧波含量THD，文中采用諧波失真模塊計(jì)算諧波相關(guān)參數(shù)。其中諧波是指與工頻成整數(shù)倍關(guān)系的頻率分量(根據(jù)IEC相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)及國(guó)際定義)。其中電壓總諧波畸變率THD以及第h次電壓諧波含量計(jì)算公式如式(6)、式(7)所示。

電壓波形畸變總含量THD：

(6)

第h次電壓諧波含量：

(7)

式中THD、HRh、U1、Uh分別表示電壓波形畸變總含量、第h次諧波含量、基波電壓(方均根值)、第h次諧波電壓(方均根值)。

其諧波分析模塊程序如圖4所示。

圖4 電壓諧波分析程序

2.5 功率

電能質(zhì)量參數(shù)中的評(píng)估指標(biāo)還包括功率參數(shù)：有功功率、無(wú)功功率、功率因數(shù)及視在功率。功率相關(guān)計(jì)算公式如下：

有功功率為

(8)

式中：P、uk、ik、URMS、IRMS、θ分別表示有功功率、第k個(gè)采樣點(diǎn)的瞬時(shí)電壓、瞬時(shí)電流、電壓有效值、電流有效值、電壓與電流的相位差；N為一個(gè)周期內(nèi)的采樣點(diǎn)數(shù)。

視在功率為

S=URMSIRMS

(9)

式中S、URMS、IRMS分別為視在功率、電壓有效值、電流有效值。

無(wú)功功率為

(10)

式中Q、S、P分別表示無(wú)功功率、視在功率及有功功率。

功率因數(shù)為

(11)

式中：cosθ表示功率因數(shù)；θ表示電壓與電流相位差。

其功率計(jì)算模塊程序如圖5所示。

圖5 功率計(jì)算模塊程序

3 系統(tǒng)精度測(cè)試與現(xiàn)車測(cè)試

為了驗(yàn)證系統(tǒng)的精度及可靠性，文中對(duì)整個(gè)系統(tǒng)進(jìn)行基于信號(hào)發(fā)生器的系統(tǒng)精度測(cè)試以及基于動(dòng)車組的實(shí)際運(yùn)行測(cè)試，電能質(zhì)量監(jiān)測(cè)分析系統(tǒng)主界面如圖6所示。

圖6 電能質(zhì)量監(jiān)測(cè)分析系統(tǒng)主界面

系統(tǒng)主界面主要包括系統(tǒng)參數(shù)設(shè)置、1 min實(shí)時(shí)波形顯示、電能質(zhì)量監(jiān)測(cè)、數(shù)據(jù)庫(kù)查詢、遠(yuǎn)程通信等部分。其中實(shí)時(shí)波形界面顯示電壓電流波形、諧波含量分析、頻譜分析。其中電能質(zhì)量監(jiān)測(cè)界面顯示電能質(zhì)量各個(gè)指標(biāo)的測(cè)量值，主要有1 min電壓電流有效值顯示，計(jì)算功率、電壓閃變、頻率偏差、電壓偏差等電能指標(biāo)。

3.1 系統(tǒng)精度測(cè)試

文中采用信號(hào)發(fā)生器作為采集系統(tǒng)的信號(hào)輸入源，通道1作為電壓信號(hào)，參數(shù)為基波幅值220 V，3次諧波20 V，5次諧波5 V，相位為0°，通道2作為電流信號(hào)，參數(shù)為基波幅值220 V，3次諧波20 V，5次諧波5 V，相位為0°，分別接入數(shù)據(jù)采集卡輸入通道，調(diào)整頻率在50 Hz工頻附近波動(dòng)，觀察并記錄電能質(zhì)量各個(gè)參數(shù)測(cè)試結(jié)果，最終測(cè)試結(jié)果如表1所示。

表1 基于信號(hào)發(fā)生器的基本參數(shù)測(cè)量結(jié)果

實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：系統(tǒng)測(cè)試得到電壓或電流的有效值相對(duì)誤差最大值為0.05 %；電壓或電流頻率相對(duì)誤差最大值為0.04 %；電壓或電流THD的相對(duì)誤差最大值為0.09 %，因此可得電能質(zhì)量參數(shù)計(jì)算結(jié)果誤差均很小，可準(zhǔn)確的獲取諧波信息，系統(tǒng)精度較好，滿足系統(tǒng)的指標(biāo)需求。

3.2 系統(tǒng)現(xiàn)車測(cè)試

為了進(jìn)一步驗(yàn)證系統(tǒng)的可靠性，文中設(shè)計(jì)的系統(tǒng)在某動(dòng)車上進(jìn)行掛車測(cè)試。由于動(dòng)車組供電方式是單相交流供電方式，其標(biāo)準(zhǔn)有效值是27.5 kV，工作頻率是50 Hz。動(dòng)車組接觸網(wǎng)一側(cè)的電壓經(jīng)過(guò)電壓互感器，采用電壓探頭連接電壓互感器二次側(cè)與100∶1分壓器，最后將信號(hào)輸入至數(shù)據(jù)采集卡。電流則經(jīng)過(guò)電流互感器，采用電流探頭連接電流互感器副邊及采集系統(tǒng)。以上即得到適合數(shù)據(jù)采集卡的電壓電流信號(hào)?，F(xiàn)場(chǎng)測(cè)試接線如圖7所示。

圖7 現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試接線圖

根據(jù)電能質(zhì)量分析系統(tǒng)計(jì)算電能質(zhì)量各個(gè)指標(biāo)結(jié)果，測(cè)試結(jié)果如表2所示。本次實(shí)驗(yàn)采集了某運(yùn)行時(shí)段內(nèi)30 min的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，分析了6組數(shù)據(jù)。

表2 基于現(xiàn)車的基本參數(shù)測(cè)量結(jié)果

實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：采用文中設(shè)計(jì)的系統(tǒng)對(duì)動(dòng)車組進(jìn)行電能質(zhì)量測(cè)量，其中供電電壓偏差保持在2%左右，頻率偏差保持在0.05%以內(nèi)，電壓THD最大值為0.517%，電流THD最大值為1.264%。而牽引網(wǎng)單相供電電壓偏差限值為+7%～10%，電壓總畸變率THD限值為5%[4]。因此，通過(guò)文中設(shè)計(jì)的系統(tǒng)所采集的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)分析得到，在該實(shí)驗(yàn)測(cè)試時(shí)間段內(nèi)動(dòng)車組供電電能質(zhì)量良好，測(cè)量誤差及測(cè)試范圍均滿足動(dòng)車組應(yīng)用需求及標(biāo)準(zhǔn)。

4 結(jié)束語(yǔ)

文中基于LabVIEW平臺(tái)設(shè)計(jì)了一種動(dòng)車組電能質(zhì)量監(jiān)測(cè)與分析系統(tǒng)，該系統(tǒng)能夠測(cè)試多指標(biāo)，計(jì)算處理速度較快，軟件操作便捷，人機(jī)交互界面友好。通過(guò)系統(tǒng)精度驗(yàn)證測(cè)試與實(shí)際掛車測(cè)試結(jié)果表明，該系統(tǒng)能夠滿足監(jiān)測(cè)需求、精度要求，具有較高的可靠性和穩(wěn)定性，較好地滿足了動(dòng)車組電能質(zhì)量監(jiān)測(cè)分析的需求。