基于虛擬儀器技術的電能質量實驗教學系統

郝意聞，閆立東，張秉仁

(吉林大學 儀器科學與電氣工程學院，吉林 長春 130026)

在當前國際、國內電氣工程學科領域中，電能質量是一個重要的研究方向，對它的研究主要分為穩態電能質量問題和暫態電能質量問題[1-3]。穩態電能質量問題主要是電壓偏差、頻率偏差、系統諧波、電壓波動與閃變、三相不平衡度；暫態電能質量問題主要是電壓的驟升、驟降、跌落、凹陷和中斷等[4]。

“電能質量”(power quality)是電氣工程專業的一門重要專業課，其主要內容包括電能質量的基本概念、基本特征、基本理論、檢測方法、控制技術、改善措施等。“電能質量”是國內絕大多數高校電氣工程專業教學大綱中的重要內容，被列為優選的專業發展方向之一。為了提高實驗教學效果，開發基于虛擬儀器技術的電能質量實驗教學系統十分必要。

1 “電能質量”實驗教學中虛擬儀器的優勢

電能質量監測儀器是認識電能質量問題的“眼睛”，是對電能質量信號進行實時監測和分析的有力工具。“電能質量”課程實驗教學的任務主要是針對電能質量的基本問題進行觀察、認識和分析，因此對實驗設備有著特殊的要求，主要是要在有限的教學學時內全方位展現電能質量問題，將電壓突變等暫態電能質量問題以不依賴電網事故的方式全面展現出來，并且具有數據分析和管理功能，從而使學生能夠對電能質量問題有比較深刻的理解。為實現這一目的，需要配備專門實用的實驗測試設備。

傳統電能質量測試儀以MPU和MCU為核心，功能相對單一，信號處理和數據分析能力較弱，比較適合電能質量的定時巡檢和專項檢測，著眼于電能質量的被動測試，但不具有全面、主動展現電能質量問題的能力。虛擬儀器代表當今測試技術的潮流和方向，研究、推廣基于虛擬儀器技術的電能質量監測方法和監測裝置是電能質量監測領域的新技術、新方案,其最為突出的優勢是可以滿足上述實驗教學特殊需要。

2 基于PXI的實驗教學系統的硬件設計

電能質量實驗教學系統分為穩態電能質量信號測試和暫態電能質量信號模擬實驗2個單元。

(1) 穩態電能質量信號取自實驗室電源，經三相調壓器、PT/CT接入信號調理電路，轉換為幅值較小的輸入信號送PXI-4472數據采集卡[5]。

(2) 暫態電能質量信號由軟件平臺生成，由PXI平臺中的信號發生卡發出后接入PXI-4472數據采集卡，再經暫態電能質量信號測試單元完成波形顯示、數據讀取。

(3) PXI平臺是系統的核心，PXI-4472數據采集卡有8路同步采樣模擬輸入通道，45 kHz無混疊帶寬，24位A/D轉換分辨率，以PXI總線方式傳輸。各通道最高采樣速率102.4 kS/s，通過PXI Express實現多設備觸發和同步，使用NI-DAQmx驅動軟件實現與主控機通信[6]。

圖1為測試單元和信號模擬實驗單元結構圖。

圖1 電能質量實驗教學系統測試單元結構圖

3 “電能質量”實驗教學系統軟件設計

3.1 系統軟件結構

基于LabVIEW的“電能質量”實驗教學系統軟件部分使用LabVIEW圖形化語言編程，包含實驗教學所需要的全部信息，有電能質量基本參數監測模塊，三相不平衡度監測模塊，波動、閃變及諧波監測模塊和暫態電能質量信號發生平臺4個分面板，每個分面板下根據包含的內容設置子面板。

3.2 電能質量信號監測單元的設計與實現

電能質量涉及的內容極為豐富，本文僅列舉2個典型模塊的程序設計與實現。

3.2.1 電壓、電流波形與電能質量基本參數監測

首先對三相電壓、電流信號進行波形重組。根據采集的數據、采樣周期和采樣起始時間(設為0)，利用Build waveform函數把它們集合成為信號波形簇，從而實現信號波形顯示。對采集到的電壓、電流信號進行2次for循環并取平均值，將電壓信號與電流信號相乘得到有功功率。將平均值與標準值復合運算，求出電壓偏差，使用電壓、電流平均值進而得到其他一系列參數[6]。該模塊實現了三相電壓、電流波形和電能質量基本參數的實時在線監測，進而對電網工作狀態進行基本判斷。波形監測模塊前面板如圖2所示。

圖2 電壓、電流波形監測模塊前面板

3.2.2 三相電壓不平衡度計算模塊

該模塊的功能是通過電壓和電流幅度、相位、頻率進行三相電壓不平衡度計算，將計算結果與國家標準進行比較,判斷是否滿足電能的質量要求，同時顯示三相電壓向量。三相電壓不平衡度的計算針對基波信號，在頻域內進行抗混疊濾波，濾除1.8 kHz以上的諧波，然后進行數字低通濾波，盡可能只留下50 Hz工頻信號[7]。該模塊程序框圖和前面板如圖3和圖4所示。針對不含零序分量的三相系統，三相不平衡度計算采用國際電工委員會推薦的三相電量法[8]。

圖3 三相電壓不平衡度計算模塊程序框圖

圖4 三相電壓不平衡度計算模塊前面板

3.3 暫態電能質量信號發生器設計與實現

電壓的驟升、驟降、凹陷、跌落、中斷等情況屬于電能質量的暫態問題，也稱為暫態性故障，在電能質量實驗教學中理應充分展現和分析，才能達到預期的效果。但這些情況的發生帶有很大的隨機性，在實驗教學的有限學時內，采用電網直接接入，長時間在線靜候，以期出現并及時捕捉到暫態問題是不現實的。因此，在設計電能質量暫態信號監測實驗的同時，也設計了暫態電能質量信號發生器。該信號發生器能逼真模擬和發出實驗所用的5種故障信號，其原理是將正弦信號與滿足標準的擾動信號疊加，其中擾動信號是嚴格按照國家標準對于驟升、驟降、波動、中斷和凹陷信號的定義進行設計的仿真信號[9]。圖5是電壓驟降信號發生器前面板框圖。

圖5 電壓驟降信號發生器前面板

4 系統功能與實驗教學

電能質量實驗教學系統也稱電能質量監測系統,以實驗教學為目的，以國家標準為依據，以穩態信號測試和暫態信號模擬實驗為2種實驗接入模式，以電能質量參數測試為核心，以數據分析和數據管理為擴展，以暫態信號模擬為特色，集成了在線測試、波形顯示、數據讀取、信號處理與分析、超標預警、數據管理等多項功能，實現了工程化電能質量監測和電能質量實驗教學的全要素集成(見圖6)。

圖6 電能質量實驗教學系統功能要素集成框圖

該電能質量實驗教學系統所實現的監測與顯示數據共有4類：

(1) 實時監測數據：包括電壓/電流波形(單相、三相)、電壓偏差、有功功率、功率因數、電網諧波電壓/電流幅值、相位等[10]；

(2) 實時計算數據：包括三相電壓/電流偏差百分比、供電頻率偏差百分比、各次諧波含有率，諧波電壓畸變率等；

(3) 超標報警：包括電壓、電流、頻率偏差超標報警、三相電壓不平衡度報警、總諧波失真報警等；

(4) 實時分析數據：包括穩態信號波形相位圖、基本參數統計圖、信號序分量矢量圖等。

基于“電能質量”實驗教學系統開展的實驗項目如表1所示。

表1 虛擬電能質量實驗教學系統的教學實驗

5 結束語

應用電能質量實驗教學系統進行電能質量實驗教學，較之工程化的電能質量測試儀具有鮮明的優勢與特色，可以充分展現電能質量問題的全貌和電能質量領域與時俱進的教育理念。

[1] A Serdar Yilmaz, Abdulhamit Subasi, Mehmet Bayrak.Application of Lifting based Wavelet Transforms to characterize Power Quality Events[J].Energy Conversion and Management, 2007，48(1):112-123.

[2] Xie Lichun.Design and Implementation of Power Quality Monitoring Systems[J].Energy Procedia, 2012(13)：1587-1591.

[3] 劉義成,張學廣,景卉,等.電網電壓正負序分量快速檢測算法[J].電工技術學報,2011,26(9):217-222.

[4] 程浩忠,艾芊,張志剛,等.電能質量[M].北京:清華大學出版社,2006.

[5] 馬永強,周林,武劍,等.基于LabVIEW的新型電能質量實時監測系統[J].電測與儀表,2009(3)：40-44，71.

[6] 閻鴻程,黃建業,高偉.基于LabVIEW軟件的電能質量監測系統[J].電工電氣,2010(7):13-16，19.

[7] 張青,張波.電能質量檢測綜合實驗平臺研制[J].實驗技術與管理,2011,28(5):76-79.

[8] 周林,張有玉,劉強.三相平衡度算法的比較研究[J].華東電力，2010，38(2):210-215.

[9] 林海雪.現代電能質量的基本問題[J].電網技術,2002,25(10):5-12.

[10] 汪小平,王紹蘭,楊維翰.基于LabVIEW軟件虛擬儀器的電能質量分析儀[J].儀器與儀表,2000(5):19-21.