基于ZigBee和LabVIEW的電能質(zhì)量監(jiān)測(cè)分析系統(tǒng)設(shè)計(jì)

何建強(qiáng)，滕志軍

（1.商洛學(xué)院電子信息與電氣工程學(xué)院，陜西商洛 726000；2.東北電力大學(xué)現(xiàn)代電力系統(tǒng)仿真控制與綠色電能新技術(shù)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，吉林吉林 132000）

電能是現(xiàn)代社會(huì)最重要的能源。隨著科技和社會(huì)經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，越來(lái)越多的大功率電器和電力電子設(shè)備進(jìn)入人們的日常生活，然而大功率電器在接入電網(wǎng)使用時(shí)對(duì)電網(wǎng)造成的沖擊性和非線性負(fù)荷容量不斷增長(zhǎng)，使得電網(wǎng)中發(fā)生電壓波形畸變、供電頻率波動(dòng)和三相不平衡等電能質(zhì)量的問(wèn)題也日益突出[1]。因此，采用科學(xué)有效的方式實(shí)現(xiàn)電能質(zhì)量的監(jiān)測(cè)和分析對(duì)社會(huì)發(fā)展和電力系統(tǒng)設(shè)備的安全、經(jīng)濟(jì)、穩(wěn)定運(yùn)行有重要意義。逯玉蘭[2]基于LabVIEW建立了對(duì)三相仿真電源進(jìn)行仿真的電能質(zhì)量監(jiān)測(cè)與分析系統(tǒng)，但該系統(tǒng)存在普遍適用性差的問(wèn)題。武鵬飛等[3]基于LabVIEW平臺(tái)對(duì)電能質(zhì)量的4種擾動(dòng)信號(hào)進(jìn)行了模擬，對(duì)電能質(zhì)量的監(jiān)測(cè)具有實(shí)用價(jià)值，但只解決了信號(hào)分析問(wèn)題。楊輝等[4]基于LabVIEW和工業(yè)以太網(wǎng)實(shí)現(xiàn)了電能質(zhì)量參數(shù)的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，但現(xiàn)場(chǎng)布控監(jiān)測(cè)子系統(tǒng)較多，存在布線繁瑣的問(wèn)題。針對(duì)目前基于LabVIEW的電能質(zhì)量數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)分析系統(tǒng)大多采用有線的方式進(jìn)行數(shù)據(jù)通信，造成線路鋪設(shè)、設(shè)備檢修和維護(hù)等工作繁雜的問(wèn)題[5]，本文基于ZigBee無(wú)線網(wǎng)絡(luò)和LabVIEW平臺(tái)設(shè)計(jì)了電能質(zhì)量監(jiān)測(cè)分析系統(tǒng)。該系統(tǒng)利用ZigBee無(wú)線網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)電能質(zhì)量數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)采集和傳輸，通過(guò)LabVIEW平臺(tái)實(shí)現(xiàn)電壓偏差、頻率偏差、諧波等電能質(zhì)量指標(biāo)的分析和顯示，具有數(shù)據(jù)傳輸穩(wěn)定，可視化程度高，維護(hù)更新方便等優(yōu)點(diǎn)。

1 ZigBee技術(shù)

ZigBee是一種基于IEEE802.15.4標(biāo)準(zhǔn)的無(wú)線通信網(wǎng)絡(luò)，具有低功耗、低成本、低復(fù)雜度、可拓展性強(qiáng)、體積結(jié)構(gòu)小和穩(wěn)定高效等特性，能夠?qū)崿F(xiàn)多個(gè)傳感器之間短距離、低速率的數(shù)據(jù)傳輸[6]，在短距離無(wú)線通信中被廣泛應(yīng)用。

ZigBee網(wǎng)絡(luò)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)主要有星形網(wǎng)、樹(shù)狀網(wǎng)和網(wǎng)狀網(wǎng)三種，如圖1中的（a）、（b）、（c）所示。其中，網(wǎng)狀拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的路由機(jī)制使得信息通訊變得更有效率，當(dāng)某個(gè)路由路徑出現(xiàn)問(wèn)題時(shí)，信息可以自動(dòng)沿著其他路由路徑進(jìn)行傳輸，因此在組建網(wǎng)絡(luò)時(shí)，通常采用圖1（c）所示的網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)[7]。

圖1 ZigBee網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

2 電能質(zhì)量測(cè)量方法

根據(jù)國(guó)家電能質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)中穩(wěn)態(tài)電能質(zhì)量指標(biāo)的規(guī)定，本系統(tǒng)對(duì)電能質(zhì)量指標(biāo)中電壓偏差、頻率偏差和諧波三項(xiàng)重要指標(biāo)進(jìn)行測(cè)量和分析。

2.1 電壓偏差

電壓偏差可定義為：

電壓偏差的實(shí)質(zhì)為電壓均方根值的緩慢變化，范圍一般在±10%之內(nèi)。按照定義計(jì)算電壓偏差時(shí)需要先計(jì)算測(cè)量電壓的有效值。電壓有效值的計(jì)算公式為：

式中，△Tk代表兩次采樣的時(shí)間間隔，N代表總的采樣點(diǎn)數(shù)，uk代表第k個(gè)時(shí)間間隔采樣的電壓瞬時(shí)值。

2.2 頻率偏差

由于電網(wǎng)運(yùn)行中存在有功功率的沖擊響應(yīng)，因而出現(xiàn)了頻率偏差，使得電源信號(hào)頻率不能恒定在50 Hz，影響電力系統(tǒng)的穩(wěn)定。其定義為：電力系統(tǒng)正常工作時(shí)，電網(wǎng)的實(shí)際頻率值與標(biāo)稱值之差，計(jì)算公式為：

2.3 諧波

將一電源信號(hào)u(t)傅里葉分解之后，u(t)由若干項(xiàng)組成，其中第一項(xiàng)為基波含量，其余項(xiàng)為諧波含量。諧波電壓含量的計(jì)算公式為：

諧波電壓含量值與基波均方根值的百分比稱為諧波電壓總畸變率，計(jì)算公式為：

第h次諧波電壓含有率為：

由于電力系統(tǒng)諧波具有非線性、隨機(jī)性和復(fù)雜性等特點(diǎn)，因此采取有效的諧波測(cè)量算法，是精確測(cè)量諧波的關(guān)鍵。諧波測(cè)量目前的主要方法有模擬帶通或帶阻濾波器測(cè)量、基于瞬時(shí)無(wú)功功率的測(cè)量、小波分析法測(cè)量和基于FFT測(cè)量法[8]，本文采用LabVIEW中的信號(hào)處理函數(shù)，利用FFT進(jìn)行諧波測(cè)量。

3 系統(tǒng)整體設(shè)計(jì)

系統(tǒng)主要由數(shù)據(jù)采集模塊、數(shù)據(jù)通信模塊和數(shù)據(jù)分析模塊構(gòu)成。數(shù)據(jù)采集模塊由傳感器、信號(hào)調(diào)理電路、A/D轉(zhuǎn)換電路和DSP系統(tǒng)構(gòu)成，實(shí)現(xiàn)電壓信號(hào)的采集；數(shù)據(jù)通信模塊由ZigBee無(wú)線網(wǎng)絡(luò)構(gòu)成，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的無(wú)線傳輸；數(shù)據(jù)分析模塊主要基于LabVIEW軟件實(shí)現(xiàn)電壓偏差、頻率偏差、諧波等電能質(zhì)量指標(biāo)分析，其總體結(jié)構(gòu)框圖如圖2所示。

圖2 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)圖

3.1 系統(tǒng)硬件部分設(shè)計(jì)

3.1.1 數(shù)據(jù)采集通道設(shè)計(jì)

數(shù)據(jù)采集通道由三相模擬電壓通道組成，每個(gè)通道具有信號(hào)調(diào)理、濾波和鉗位保護(hù)功能。信號(hào)采用差分輸入方式輸入，即輸入ADS8364信號(hào)的幅值為+IN和-IN輸入的差，二極管在電路中起到電壓鉗位保護(hù)作用，用于保護(hù)ADS8364，電路如圖3所示。

圖3 模擬數(shù)據(jù)采集通道電路

3.1.2 數(shù)據(jù)通信模塊設(shè)計(jì)

本設(shè)計(jì)的數(shù)據(jù)通信模塊電路包括CC2430芯片及其相關(guān)的外圍電路，該芯片只需配合少數(shù)的外圍元器件即可實(shí)現(xiàn)信號(hào)的無(wú)線收發(fā)功能，外圍電路主要由晶振電路、射頻電路和串口通信電路構(gòu)成[9]，硬件電路設(shè)計(jì)如圖4所示。

圖4 無(wú)線通信系統(tǒng)硬件電路

1）晶振時(shí)鐘電路：32 MHz晶振，提供系統(tǒng)正常工作時(shí)的時(shí)鐘頻率，它分別與CC2430的引腳19和引腳21相連；32.768 kHz晶振，提供系統(tǒng)休眠模式下的工作頻率，它分別與CC2430的引腳43和引腳44相連。R401、R402為偏置電阻，其中R401用于為32 MHz的晶振提供合適的工作電流。

2）射頻天線電路：由 L401、L402、L403、C404 及雙λ/4傳輸線構(gòu)成， 其中L401、L402、L403、C404用于阻抗匹配，λ/4傳輸線用于差分射頻信號(hào)相位同步。

3）串口通信電路：系統(tǒng)設(shè)置串口P0_2、P0_3、P0_4、P0_5分別用做TXD串行數(shù)據(jù)發(fā)送、RXD串行數(shù)據(jù)接收、CTS清除發(fā)送信號(hào)、RTS請(qǐng)求發(fā)送信號(hào)，P0_2、P0_5 為接收輸入端，P0_3、P0_4 為發(fā)送輸出端。

系統(tǒng)采用MAX687電壓轉(zhuǎn)換芯片和FZT749擴(kuò)流芯片進(jìn)行輸出，為CC2430提供3.3 V工作電壓，滿足其余節(jié)點(diǎn)的供電需求。

3.2 系統(tǒng)軟件部分設(shè)計(jì)

3.2.1 ZigBee無(wú)線網(wǎng)絡(luò)程序設(shè)計(jì)

電能質(zhì)量數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)采集和傳輸，是通過(guò)ZigBee終端采集節(jié)點(diǎn)軟件設(shè)計(jì)來(lái)實(shí)現(xiàn)的。組建穩(wěn)定可靠的ZigBee無(wú)線網(wǎng)絡(luò)是監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的關(guān)鍵。ZigBee終端節(jié)點(diǎn)在接通電源后，對(duì)相關(guān)設(shè)備進(jìn)行初始化，判斷是否成功加入網(wǎng)絡(luò)。若入網(wǎng)成功則開(kāi)始采集數(shù)據(jù)，并進(jìn)行傳輸，循環(huán)調(diào)用sendDATA（）函數(shù)發(fā)送信息狀態(tài)。完成一次數(shù)據(jù)傳輸后，判斷是否繼續(xù)有采集任務(wù)，如果沒(méi)有將進(jìn)入睡眠狀態(tài)，直至下次采集任務(wù)到來(lái)時(shí)進(jìn)入工作狀態(tài)[10]。圖5為ZigBee數(shù)據(jù)采集節(jié)點(diǎn)程序流程圖。

圖5 ZigBee數(shù)據(jù)采集節(jié)點(diǎn)程序流程圖

3.2.2 數(shù)據(jù)分析模塊程序設(shè)計(jì)

LabVIEW中提供了豐富的數(shù)字信號(hào)處理工具，包括各種窗函數(shù)和FFT函數(shù)，運(yùn)用這些函數(shù)和工具可以方便地進(jìn)行電壓偏差、頻率、諧波和三相不平衡度等分析。因此，本系統(tǒng)采用LabVIEW實(shí)現(xiàn)電壓偏差、頻率偏差和諧波分析，數(shù)據(jù)分析流程如圖6所示。

圖6 數(shù)據(jù)分析軟件設(shè)計(jì)流程圖

1）電壓偏差分析系統(tǒng)：利用Amplitude and Levels.vi測(cè)量電壓峰-峰值，可得實(shí)測(cè)電壓幅值，根據(jù)式(1)，求得電壓偏差。

2）頻率偏差分析系統(tǒng)：通過(guò)Extract Single Tone Information.vi得到實(shí)測(cè)頻率，根據(jù)式(3)，把實(shí)測(cè)頻率與系統(tǒng)頻率做差，得到頻率偏差。

3）諧波分析系統(tǒng)：由Harmonic Distortion Analyzer.vi可得基波電壓頻率、總諧波畸變率、各次諧波的電壓幅值。

3.2.3 電壓偏差分析系統(tǒng)程序設(shè)計(jì)

根據(jù)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)《電能質(zhì)量供電電壓偏差》（GB/T 12325-2008）的規(guī)定，采用LabVIEW中的幅值和電平VI（Amplitude and Levels.vi），得到實(shí)測(cè)的交流電壓幅值[11]。依據(jù)式(1)可得電壓偏差，實(shí)現(xiàn)程序如圖7所示。

圖7 電壓偏差分析系統(tǒng)程序

3.2.4 頻率偏差分析系統(tǒng)程序設(shè)計(jì)

根據(jù)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)《電能質(zhì)量電力系統(tǒng)頻率偏差》（GB/T 15945-2008）的規(guī)定，使用LabVIEW中提取單頻信息VI（Extract Single Tone Information.vi），測(cè)量交流電壓頻率，程序如圖8所示。對(duì)于測(cè)量頻域信號(hào)，提取單頻信息VI中同樣添加了“Hanning窗”，根據(jù)式(3)得到頻率偏差[12]。然后通過(guò)數(shù)值比較，判斷頻率偏差是否超限。

圖8 頻率偏差分析系統(tǒng)程序

3.2.5 諧波分析系統(tǒng)程序設(shè)計(jì)

LabVIEW中的諧波失真分析VI（Harmonic Distortion Analyzer.vi）對(duì)諧波分析采用FFT測(cè)量方法，并結(jié)合“Hanning窗”函數(shù)抑制誤差。可實(shí)現(xiàn)總諧波畸變率、各次諧波電壓幅值和諧波含有量等參數(shù)測(cè)量[13]。諧波分析系統(tǒng)程序如圖9所示。

圖9 諧波分析系統(tǒng)程序

4 系統(tǒng)測(cè)試與結(jié)果分析

本設(shè)計(jì)在系統(tǒng)測(cè)試中設(shè)置系統(tǒng)電壓為220 V，系統(tǒng)頻率為50 Hz，采樣頻率為6 400 S/s-1，顯示的采樣點(diǎn)數(shù)為640。系統(tǒng)開(kāi)始運(yùn)行后，測(cè)得電壓偏差、頻率偏差、諧波分析結(jié)果如圖10所示。

圖10 電能質(zhì)量分析系統(tǒng)前面板

根據(jù)程序的設(shè)定，每0.2 s計(jì)算一次。圖10（a）為運(yùn)行到18.4 s時(shí)的界面，瞬時(shí)電壓偏差為9.853%，超過(guò)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)中限定的+7%，故系統(tǒng)報(bào)警提示。圖10（b）可查看頻率偏差的歷史數(shù)據(jù)，在系統(tǒng)開(kāi)始運(yùn)行后的 1.8，5.2，7.8，8，10.8，15，15.4 s時(shí)的頻率均出現(xiàn)較大波動(dòng)，但是頻率偏差都沒(méi)有超出國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)中限定的±0.2 Hz，所以指示燈沒(méi)有亮起。從圖10（c）中可得，諧波總畸變率為0.027%，基波電壓幅值為220.495 V，基波電壓頻率為49.959 Hz。由左圖柱狀圖，可以看到基波至20次諧波的電壓幅值分布，在數(shù)值顯示的列表中，可以查詢各次諧波具體的電壓幅值。由右圖柱狀圖可得2～20次諧波含量，其可通過(guò)填寫(xiě)諧波次數(shù)查詢。此時(shí)顯示查詢四次諧波，諧波含量為0.504%。

5 結(jié)論

本文設(shè)計(jì)的電能質(zhì)量分析系統(tǒng)結(jié)合了ZigBee無(wú)線通信技術(shù)和虛擬儀器技術(shù)的優(yōu)勢(shì)，提高了系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性、可靠性。利用ZigBee技術(shù)低功耗、高可靠性等特點(diǎn)為分析系統(tǒng)提供可靠、穩(wěn)定的無(wú)線通信基礎(chǔ)；利用LabVIEW建立的數(shù)據(jù)分析系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了電壓偏差、頻率偏差和諧波的分析，提高了數(shù)據(jù)測(cè)量的精度和速度，且系統(tǒng)易于擴(kuò)充和修改。該系統(tǒng)克服了電能質(zhì)量數(shù)據(jù)有線傳輸方式下布線難、成本高等缺點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)了電能質(zhì)量監(jiān)測(cè)系統(tǒng)無(wú)線化、智能化，具有一定的工程應(yīng)用價(jià)值。