基于LabWindows/CVI的電能質量分析儀

陳 莉 張宏立 張瑞明

(新疆大學電氣工程學院，新疆 烏魯木齊 830047)

0 引言

由于系統中的發電機、變壓器、線路和用電設備的非線性或不對稱，以及外界干擾和各種故障等原因，使電網中產生大量的諧波干擾、電壓波動與閃變，造成了系統電壓不平衡，從而產生了電能質量問題。衡量電能質量的主要指標有頻率偏差、電壓偏差、電壓波動與閃變、波形和三相電壓電流不平衡度等[1]。

與傳統的儀器相比，虛擬儀器具有以下優點：數據處理速度快、測量精度高、功能由用戶自定義、維護費用低、通信能力強、數據可編輯/存儲/打印。本文簡單介紹了數據采集卡及其基本函數，建立了用戶界面，并利用LabWindows/CVI軟件實現了測試功能，大大突破了傳統儀器在數據處理、顯示和傳送等方面的限制。

1 電能質量分析方法及標準

目前常用的電能質量分析方法有：①時域仿真法，即利用各種時域仿真程序對電能質量中的各種暫態現象進行研究，較為通用的時域仿真程序有EMPT、EMTDC、NETOMAC、BPA等系統暫態仿真程序和Spice、PSpice、Matlab、Saber等電力電子仿真程序兩大類;②頻域分析法，主要用于諧波問題的分析計算，包括頻率掃描、諧波潮流計算等;③基于變換的方法，主要有傅里葉變換、神經網絡、二次變換、小波變換和Prony分析等5種方法。

由于所處立場不同，關注或表征電能質量的角度不同，人們對電能質量的定義還未能達成完全的共識，但是對其主要技術指標都有較為一致的認識[2]。

①電壓偏差，是電壓下跌和電壓上升的總稱。

②頻率偏差，對頻率質量的要求全網相同，不因用戶而異，各國對于該項偏差標準都有相關規定。

③電壓三相不平衡，表現為電壓的最大偏移與三相電壓的平均值超過規定的標準。

④諧波和間諧波，含有基波整數倍頻率的正弦電壓或電流稱為諧波，含有基波非整數倍頻率的正弦電壓或電流稱為間諧波，小于基波頻率的分數次諧波也屬于間諧波。

⑤電壓波動和閃變，電壓波動是指在包絡線內的電壓的有規則變動，或是幅值通常不超出0.9～1.1倍電壓范圍的一系列電壓隨機變化;閃變則是指電壓波動對照明燈的視覺影響。

2 軟硬件設計

2.1 電能質量分析儀的硬件

電能質量分析儀的硬件部分如圖1所示。

圖1 電能分析儀的硬件框圖Fig.1 Hardware block diagram of the power quality analyzer

電壓互感器的型號為SPT204，它是一款毫安級精密電壓互感器，輸入、輸出額定電流均為2 mA。信號調理電路主要由隔離放大器和抗混疊濾波器組成。

數據采集卡PCL-818H是一款100 kHz的多功能數據采集卡，它可以通過20芯的扁平電纜接口直接與信號調理板相連，它具有[3]：12位 A/D 分辨率，100 kB/s采樣速率，16路單端或8路差分模擬量輸入，自動通道/增益掃描，1路12位模擬量輸出，16路數字量輸入/輸出，1路16位計數器。數據采集卡的庫函數說明如下。

DRV DeviceOpen(Device Num ，＆DriverHandle)：啟動板卡所需函數。其中：DeviceNum是指設備編號，DriverHandle是指向所選設備編號的句柄指針。

DRVAOVoltageOut(DriverHandle，＆ptAOVoltageOut)：模擬輸入操作函數。

DRVAIConfig(DriverHandle，＆ptAIConfig)：模擬輸入配置函數。

DRVAIVoltageIn(DriverHandle，＆ptAIVolrageIn)：模擬輸出操作函數。

DRV DeviceClose(＆DriverHandle)：關閉板卡函數。

2.2 LabWindows/CVI軟件開發環境介紹

電能質量分析儀的軟件設計采用先進的虛擬儀器程序設計語言工具LabWindows/CVI，其核心是對象編程。LabWindows/CVI將功能強大的C語言平臺和用于數據采集、分析和表達的測控專業工具有機地結合起來。集成化開發平臺、交互式編程方法、豐富的功能面板和庫函數大大地增強了C語言的功能，為熟悉C語言的開發人員建立了一個集檢測系統、自動測量環境和過程監控系統等方面的理想軟件開發環境。

2.3 電能質量分析儀的軟件

電能質量參數的計算方法如下。

①利用快速傅里葉變換求取基波和諧波的幅值、相位。電力系統中的電壓和電流信號都可用一個周期函數來表示，即：

式(2)中第一項A0為函數f(t)的直流分量，第二項C1sin(hωt+φ1)為基波分量，其余為高次諧波分量[4]。

利用 LabWindows/CVI提供的 FFT()函數[5]，在程序中計算代碼如下。

SetCtrlVal(panelHandle，PANEL_JIAMP，Mag[2]*2/samples)

SetCtrlVal(panelHandle，PANEL_SANAMP，Mag[6]*2/samples);

SetCtrlVal(panelHandle，PANEL_WUAMP，Mag[10]*2/samples);

SetCtrlVal(panelHandle，PANEL_JIPHASE，Phase[2]*180/3.1415926+90);

SetCtrlVal(panelHandle，PANEL_SANPHASE，Phase[6]*180/3.1415926+90);

SetCtrlVal(panelHandle，PANEL_WUPHASE，Phase[10]*180/3.1415926+90)。

②采用自相關函數分析法求基波相位差，利用LabWindows/CVI提供的自相關分析函數Correlate()可以方便地分析出各次諧波的強度及含量。

③諧波源使得實際的電壓波形偏離正弦波，這種現象稱為電壓正弦波形畸變，通常以諧波來表征。電壓波形畸變的程度用電壓正弦波畸變率來衡量，也稱電壓諧波畸變率，它以各次諧波電壓的均方根值與基波電壓有效值之比的百分數來表示。電壓諧波畸變率為：

式中：un為第n次諧波電壓有效值;u1為基波電壓有效值[6]。

④點擊電能質量分析儀的用戶操作界面中的說明按鈕，將彈出虛擬諧波分析儀使用說明的對話框。

通過反復試驗，得到如表1所示的數據。

表1 理論值和實測值的比較Tab.1 Comparison of the theoretical and actual values

由表1可知，此電能質量分析儀所測量得到的電壓基波及各次諧波最大測量誤差為0.4%，滿足等級為0.5級的儀器精度要求。

3 結束語

本文系統地介紹了如何利用LabWindows/CVI虛擬儀器平臺對電能質量進行檢測。試驗證明，該系統能夠進行實時的數據采集、計算、分析、顯示與保存，并且能夠達到精度要求，充分發揮了虛擬儀器可靠性高、性價比高、靈活性好和維護方便等優勢，相信該系統在電能質量檢測應用中有一定的幫助作用。

[1]孫曉云，郭立創.基于LabWindows/CVI的虛擬儀器設計與應用[M].北京：電子工業出版社，2005：227 －240.

[2]肖湘寧.電能質量分析與控制[M].北京：中國電力出版社，2004：182 －267.

[3]吳唏.基于LabWindows/CVI 5.0平臺的八通道數據采集系統[J].世界產品與技術，2000(4)：58 －60.

[4]許逵，邱國躍.基于虛擬儀器技術的諧波監測系統的軟件設計[J].中國西部科技，2008(27)：45 －47.

[5]張毅剛，喬立巖.虛擬儀器軟件開發環境LabWindows/CVI6.0編程指南[M].北京：機械工業出版社，2002：58－60.

[6]扶蔚鵬，王旭紅，王暉.電源電壓波形畸變率的分析[J].長沙電力學院學報：自然科學版，2001(1)：47 －49.

[7]林琳，鄧曙光.基于虛擬儀器LabWindows/CVI的電能質量分析儀[J].湖南城市學院學報：自然科學版，2008，9(3)：48 －50.