電力供電電能質量監測系統的實現

摘要：本文針對電力系統供電領域，以運行LabVIEW平臺的工業控制計算機為核心，應用虛擬儀器、高速多通道同步數據采集、數字信號處理等技術手段，結合電能質量分析計算的相關原理，實現了電能質量參數的實時在線監測。

關鍵詞：虛擬儀器 同步數據采集 電能質量

1 概述

隨著電力電子技術的應用與發展，電力系統中的非線性負載越來越多，直流輸電、大功率單相整流技術在工業部門和用電設備上被廣泛應用，這些非線性負荷會引起電網電流、電壓波形發生畸變，造成電網的諧波“污染”；沖擊性、波動性負荷，如電弧爐、軋鋼機、電力機車等，運行中不僅產生大量的高次諧波，還引起電壓波動、閃變以及三相不平衡等一系列的電能質量問題。電能質量研究的主要內容包括頻率偏差、電壓偏差、電壓波動與閃變、三相不平衡、暫時或瞬態過電壓、波形畸變（諧波）、電壓暫降、中斷、暫升以及供電連續性等。電能質量問題一方面導致供用電設備本身的安全性和使用壽命降低，嚴重影響電網自身的安全經濟運行。而另一方面，各種復雜的、精密的、對電能質量敏感的用電設備不斷普及，對電能質量及可靠性的要求越來越高。無論從電網運行的需要考慮，還是從供電用戶的需要考慮，加強對電能質量的監測都是非常必要的。

本課題的主要研究目的就是開發出能夠適合中小型企業安裝使用的在線式供電電能質量監測系統，該系統具有較好的適用性和全面的功能，可在線實時監測供電電源的各項指標，具有精度高、實時性好、可擴充性強、界面友好、維護方便、可在線測量并具網絡遠傳通訊功能的優點。通過該系統，一方面電力供電企業可以實時掌握用戶的具體情況，更有效、更有針對性的提供供電服務；另一方面企業用戶可以改善用電狀況，減少故障風險，從而有助于整個供用電網絡的穩定、高效運行。

2 系統結構

電能質量分析及及其監測是一個復雜的系統工程，涉及到電力系統、自動控制、現代通信等多個方面。本課題結合供電系統既有的電能質量測試分析方法、測試裝備進行了開發，設計方案以工業控制計算機為核心，利用通訊總線和分布式監測采集單元。配有高性能數據采集卡，實現快速、在線、準確測量各項電力參數；利用LabVIEW軟件強大的虛擬儀器設計能力，結合合理的數字信號處理算法，實時分析供電系統電壓偏差、頻率偏差、諧波、負序、電壓波動和閃變等重要指標，并對其供電質量和運行性能予以綜合評價和處理意見，同時具有顯示、打印、保存等各種功能，整個系統的結構如圖1所示。

3 工作原理及實現

3.1 信號測量及調理電路 為了配合現場應用的需要，標準信號為取自電流互感器的5A左右交流電流和取自電壓互感器的100V左右交流電壓，經接口轉換電路模塊統一變換成±10V間的電壓信號，同時將多路變換完成的信號集中通過接口接入數據采集卡。

為了達到準確的測量，電壓互感器和電流互感器要有較大的線性工作區和良好的動態響應，在電壓、電流出現較大波動和閃變時能夠保持足夠的精確度。從電壓互感器和電流互感器得到的電壓信號和電流信號首先經過隔離保護電路，即通過光電耦合隔離強弱電信號，有效地抑制系統噪聲，消除接地回路的干擾。

3.2 數據采集卡 數據采集卡是實現測量的關鍵設備，能夠按照預先設定的采樣率將模擬信號轉變為數字信號，隨后通過數據總線送至計算機。考慮到電能質量測量對于電壓、電流信號的同時性要求比較高，因為若同一位置的電壓、電流不同步，那么所進行的功率、相位差等測量就沒有了物理意義，因此，設計選用阿爾泰公司生產的PCI2008高速多路同步采集卡進行采集。該卡是12位16路同步采樣的AD卡，采用PCI2.2總線標準，通過率為25K/通道，單卡總通過率可達400K，為了確保采樣精度，每通道均通過PGA103儀表放大器緩沖后接入4通道同步采用保持AD芯片AD7874，PGA103為程控增益放大器，這樣就可以根據每一路輸入信號電壓的大小來通過軟件編程設定每一路采樣通道的增益，使得12位AD轉換器的分辨率能夠盡可能的大，增加測量的精度。在電能質量國家標準中規定諧波測量儀器的頻率測量范圍是0～2500Hz，根據采樣定理，采集卡的采樣率不應小于信號頻率的兩倍，即此時要求采樣率要達到5KHz 以上，PCI2008卡足以滿足電能質量在線監測的要求。

3.3 工業控制計算機 工業控制計算機的結構與一般PC機類似，但加強了對抗電磁輻射干擾（EMC）、抗機械振動方面的設計，能夠在比較惡劣的工作環境下連續長時間工作。相比DSP、單片機等構成的系統，工控機具有計算能力強、存儲容量大，便于實現數據管理和網絡通信等優點。考慮到數據采集設備通常運行在工業現場，常常有較強的振動、電源干擾和電磁干擾，設計中采用了高性能工業計算機作為數據采集系統軟件運行的計算機平臺。

3.4 虛擬儀器設計 系統軟件利用LabVIEW虛擬儀器技術開發。在軟件開發過程中采用了模塊化和多線程的開發設計方法。系統軟件功能模塊結構如圖2所示，按照主要功能劃分為若干相對獨立的模塊，主要包括數據采集與存儲、數據庫及通信、諧波分析、負序分析、電壓閃變、功率分析、波形記錄、查詢報表、綜合評價等功能模塊。

數據采集與存儲模塊的主要任務是將原始電壓電流信號采集并變換成數字信號，然后顯示出波形和頻譜，存儲并輸出數據文件，在每路通道設計有校正放大環節，通過軟件調節通道線性標定值來實現，使之在輸入信號相同的情況下，各通道最終的測量數據也相同。AD 轉換后的結果送往FIFO存儲器，這是一種“先進先出”式的存儲器，可以保證進行連續數據采集時不會丟失數據。采用FIFO的結構可以不必在每次AD轉換結束后馬上將數據取走，而是將數據緩存在FIFO存儲器內，等若干次采樣結束后再將所有轉換后的數據一次性讀走，大大提高軟件執行的速度，也極大地方便了程序的編寫。

數據庫及通信模塊負責存儲、使用、管理數據和進行通訊數據交換。諧波分析、負序分析、電壓閃變、功率分析等模塊依據電能質量參數測量的相關公式和原理，利用數字信號處理算法，完成整個電能質量的監測。波形記錄、查詢報表模塊用于對測量和分析數據結果的直觀顯示和匯總報表功能。而電能質量綜合評價模塊可以根據監測的數據進行綜合評定，給出當前具體的電能質量水平。

4 結論

本文針對目前用戶和電力供電部門普遍關心的電能質量問題進行研究，系統在設計時采用了高可靠性的硬件電路和模塊化設計，操作方便，開發周期短，具有優異的工作性能。現場測試和用戶使用情況表明，該系統運行穩定，功能完備，設計已經達到了較高水平，具有良好的實用價值和廣闊的市場前景。

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