基于LabVIEW的電能質(zhì)量分析與遠(yuǎn)程監(jiān)測系統(tǒng)

王東樓， 何怡剛， 謝 豐， 張金安

(合肥工業(yè)大學(xué)電氣與自動化工程學(xué)院，安徽合肥230009)

基于LabVIEW的電能質(zhì)量分析與遠(yuǎn)程監(jiān)測系統(tǒng)

王東樓， 何怡剛， 謝 豐， 張金安

(合肥工業(yè)大學(xué)電氣與自動化工程學(xué)院，安徽合肥230009)

根據(jù)電能質(zhì)量檢測技術(shù)的現(xiàn)狀及傳統(tǒng)電能質(zhì)量分析儀存在的問題，設(shè)計一種基于虛擬儀器LabVIEW的新型電能質(zhì)量檢測系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)對電網(wǎng)的諧波分析、不平衡度、畸變率、頻率偏差等參數(shù)計算、報警和仿真，應(yīng)用虛擬儀器和網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的結(jié)合對電能質(zhì)量指標(biāo)進(jìn)行在線監(jiān)測并將監(jiān)測得到的數(shù)據(jù)通過網(wǎng)絡(luò)傳輸至客戶端，設(shè)計一種基于LabVIEW的電能質(zhì)量遠(yuǎn)程監(jiān)測系統(tǒng)，該方法與傳統(tǒng)方法相比，其開發(fā)效率、性價比、可操作性及可維護(hù)性等方面都具有明顯優(yōu)勢。

電能質(zhì)量；虛擬儀器；數(shù)據(jù)傳輸；遠(yuǎn)程監(jiān)測

近年來，隨著工業(yè)的發(fā)展，電網(wǎng)不斷擴(kuò)大，工業(yè)負(fù)荷快速增長，電力系統(tǒng)中引入大量非線性負(fù)荷(如電力電子設(shè)備、大功率整流設(shè)備、電弧爐等)，這些負(fù)荷嚴(yán)重影響電力系統(tǒng)供電電能質(zhì)量；另一方面，隨著科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步，為了提高勞動生產(chǎn)率和自動化水平，大量基于計算機(jī)系統(tǒng)的控制設(shè)備和電子裝置應(yīng)用到各領(lǐng)域，這些裝置或設(shè)備性能好效率高，但對電源特性變化很敏感，即對電能質(zhì)量要求很高，而電能質(zhì)量不斷惡化已經(jīng)給這些設(shè)備或裝置的用戶造成了不小的損失，同時由于非線性負(fù)荷帶來的諧波造成的電能計量不準(zhǔn)確問題給供電部門造成經(jīng)濟(jì)損失[1-2]。這一問題已引起了各級電力部門的高度重視，國家已頒布了有關(guān)的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)。專門監(jiān)視記錄電壓合格率的自動裝置已在一些電力部門投入實(shí)際運(yùn)行，不少微機(jī)式故障錄波器、變電站自動化系統(tǒng)等裝置也考慮了兼顧電能質(zhì)量監(jiān)視的問題。然而，到目前為止，國內(nèi)對電能質(zhì)量的檢測分析手段比較落后，大部分產(chǎn)品還停留在用單片機(jī)制作只能進(jìn)行簡單檢測分析的階段。鑒于這種情況，很有必要引入新技術(shù)開發(fā)出一種全新的電能質(zhì)量監(jiān)測裝置，能夠?qū)﹄娏ο到y(tǒng)電能質(zhì)量進(jìn)行實(shí)時準(zhǔn)確的檢測分析[3]。

以NI公司的LabVIEW軟件為代表的虛擬儀器技術(shù)是以軟件為核心實(shí)現(xiàn)真實(shí)儀器功能的新興技術(shù)，可廣泛運(yùn)用于工業(yè)測控和分析系統(tǒng)。基于LabVIEW的電能質(zhì)量監(jiān)測系統(tǒng)可以根據(jù)軟件豐富的接口和庫函數(shù)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的采集和分析處理功能，具有成本低、開發(fā)周期短、操作便捷、易于調(diào)試和升級等優(yōu)勢[4]。

通過分析當(dāng)前電能質(zhì)量分析設(shè)備的國內(nèi)外發(fā)展現(xiàn)狀，結(jié)合電能質(zhì)量分析設(shè)備的發(fā)展趨勢，設(shè)計了一種數(shù)據(jù)采集和顯示電路，基于LabVIEW軟件的電能質(zhì)量分析和監(jiān)測平臺，對各個指標(biāo)的理論和方法進(jìn)行了分析，并對其進(jìn)行了仿真測試，對仿真結(jié)果進(jìn)行了對比分析，設(shè)計了一種基于LabVIEW的電能質(zhì)量遠(yuǎn)程監(jiān)測系統(tǒng)。

1 系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)

系統(tǒng)硬件系統(tǒng)主要包括互感器、信號調(diào)理電路、低通濾波電路、數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)以及計算機(jī)系統(tǒng)。由于初級電壓和電流比較大，因此需用互感器變換成實(shí)驗(yàn)所需電壓和電流。互感器選用具有閉環(huán)磁補(bǔ)償功能的霍爾電流互感器LA-50P、電壓互感器CHV-50P。前者原邊被測電流與副邊輸出電流電氣隔離，輸出信號真實(shí)反映原邊電流波形，具有良好線性度；后者原邊被測電壓與副邊輸出電流電氣隔離。因此，可以省略隔離電路，直接將互感器調(diào)理的低壓信號經(jīng)低通濾波電路后將交流小信號線性轉(zhuǎn)換成－5～5 V，以適合DAQ采樣數(shù)據(jù)采集卡通過PCI、USB等總線連接到計算機(jī)，采用的是一款低價位多功能M系列的PCI-6221采集卡，具有16個模擬輸入道，每通道最高采樣為250 ks/s，帶寬為700 kHz，分辨率為16 bits，高達(dá)24路數(shù)字I/O，32位計數(shù)器，最大輸入范圍為－10～10 V，最小輸入范圍為－200～200 mV，整個系統(tǒng)設(shè)計如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)總體設(shè)計框圖

2 軟件設(shè)計

軟件部分是整個檢測系統(tǒng)的關(guān)鍵，負(fù)責(zé)對硬件采集來的信號進(jìn)行處理、分析和顯示，電能質(zhì)量關(guān)鍵參數(shù)檢測與分析系統(tǒng)軟件可分為用戶登錄、數(shù)據(jù)采集、波形顯示、參數(shù)測量、參數(shù)分析和遠(yuǎn)程監(jiān)控。

2.1 用戶登錄模塊

該模塊在所有軟件模塊之前，必須先輸入正確的用戶名和登錄密碼才能使用該系統(tǒng)，該系統(tǒng)登陸初始密碼為123456，具體的面板程序框圖如圖2所示。

圖2 用戶登錄模塊程序框圖

2.2 數(shù)據(jù)采集模塊

數(shù)據(jù)采集模塊是整個監(jiān)測系統(tǒng)軟件部分的初始部分，它向整個檢測系統(tǒng)提供信號源原始數(shù)據(jù)。本文采用DAQmx，通過采集卡DAQmx函數(shù)得到一個6列的二維數(shù)組，按掃描順序，各個通道所采集的數(shù)據(jù)分別存放在數(shù)組的0、1、2、3、4、5列，因此需要用索引數(shù)組函數(shù)把各個通道的數(shù)據(jù)從數(shù)組中抽取出來，組成6個一維數(shù)組，該模塊程序框圖如圖3和圖4所示。

圖3 數(shù)據(jù)采集模塊程序框圖

圖4 DAQ數(shù)據(jù)采集模塊

2.3 電能質(zhì)量分析指標(biāo)

2.3.1 電壓偏差

有效值是電能分析的基礎(chǔ)指標(biāo)[1]，包括三相電壓和電流有效值，對隨時間變化的電壓信號、電流信號進(jìn)行離散化采樣，根據(jù)采樣得到離散化電壓、電流序列，可以計算出電壓有效值和電流有效值：

供電系統(tǒng)在正常運(yùn)行方式下，某一節(jié)點(diǎn)的電壓測量值與系統(tǒng)標(biāo)稱電壓之差對系統(tǒng)標(biāo)稱電壓的百分?jǐn)?shù)稱為該節(jié)點(diǎn)的電壓偏差。

2.3.2 頻率偏差

在電工學(xué)理論中，電力系統(tǒng)頻率是指電壓或電流的波形在單位時間內(nèi)發(fā)生交變的次數(shù)。電力系統(tǒng)在正常運(yùn)行條件下，系統(tǒng)頻率的實(shí)際測量值與標(biāo)稱值(工頻)之差稱為系統(tǒng)的頻率偏差。

由于采用了非同步采樣，所以為了得到準(zhǔn)確的頻率值，采用過零點(diǎn)比較法，在采集的數(shù)據(jù)中尋找過零點(diǎn)值。由于采集數(shù)據(jù)波形是近似的正弦或者余弦函數(shù)，在過零點(diǎn)處近似直線，且點(diǎn)與點(diǎn)之間的采樣間隔時間固定，則可以根據(jù)圖5找到零點(diǎn)的值[5-6]。

圖5 過零點(diǎn)插值

2.3.3 三相不平衡度

三相不平衡度指三相電力系統(tǒng)中三相不平衡的程度，用電壓、電流負(fù)序基波分量或零序基波分量與正序基波分量的方均根百分比表示，首先根據(jù)零序分量的計算公式計算三相電壓電流中的零序分量：

電壓、電流的負(fù)序不平衡度和零序不平衡度分別用εU2、εU0和εI2、εI0表示。在含有負(fù)序分量的三相系統(tǒng)中，不平衡度的表達(dá)式為：

如果不存在零序分量，則可按照，不含有零序分量的三相系統(tǒng)中不平衡度的表達(dá)式(已知三相量、、時)計算：

2.3.4 諧波分析

表示畸變波形偏離正弦波形程度的最常用的特征量有諧波含量、總畸變率和次諧波含有率。諧波含量就是各次諧波的平方和開方。為了說明某次諧波分量的大小，常以該次諧波的有效值與基波有效值的百分比表示，稱為該次諧波含有率(HR)。畸變波形引起的偏離正弦波形的程度，則以諧波畸變率(THD)表示，簡稱畸變率，它等于各次諧波有效值的平方和的平方根與基波有效值的百分比。

本部分設(shè)計直接用LabVIEW里面自帶的諧波分析模塊，主要監(jiān)測各次諧波 (2～15次)的含有量、諧波的總失真度(THD)、基波幅值、直流分量等，程序框圖如圖6。

圖6 諧波分析模塊程序框圖

3 仿真測試

基于虛擬儀器的電能質(zhì)量分析系統(tǒng)對電能參數(shù)的監(jiān)測分析，由于要實(shí)現(xiàn)的功能比較多，所以可以設(shè)計不同的功能模塊，每一個功能模塊完成相應(yīng)的分析、測量和顯示，最后通過整合構(gòu)成一個完整的系統(tǒng)以及對各項(xiàng)電能參數(shù)的測量和分析。本系統(tǒng)采用事件結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)菜單和相應(yīng)的功能模塊調(diào)用，各功能模塊設(shè)計成不同的程序，每個程序都有自己的用戶界面。圖7中系統(tǒng)主界面顯示各相基本電量的測量值，主要為三相電壓和電流的有效值、幅值、頻率偏差和報警等電能指標(biāo)。

圖7 系統(tǒng)主界面

系統(tǒng)提供了兩個數(shù)據(jù)源采集數(shù)據(jù)和仿真信號，可通過前面板上“讀數(shù)據(jù)/仿真信號”布爾按鈕進(jìn)行切換。通過“仿真信號.vi”產(chǎn)生相位互差120°的三相動態(tài)電壓、電流信號進(jìn)行仿真測試，電壓、電流噪聲水平均由前面板控件進(jìn)行調(diào)節(jié)。設(shè)置系統(tǒng)頻率為50 Hz，電流幅值為35 A，電壓幅值在“仿真信號.vi”中設(shè)置為311.08 V，完成之后點(diǎn)擊運(yùn)行，測得的各相指標(biāo)數(shù)據(jù)如圖7，諧波分析如圖8。由仿真得出，設(shè)計的各個功能模塊均得以實(shí)現(xiàn)。

圖8 諧波分析主界面

4 數(shù)據(jù)傳輸及遠(yuǎn)程監(jiān)測系統(tǒng)

4.1 數(shù)據(jù)的網(wǎng)絡(luò)傳輸

對于采集到的電能質(zhì)量監(jiān)測數(shù)據(jù)，在前端保存后，必須對數(shù)據(jù)進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)傳輸，使客戶端得到完整的數(shù)據(jù)。虛擬儀器LabVIEW中提供了強(qiáng)大的網(wǎng)絡(luò)通信功能，包括TCP、UDP、SMTP、IrDA、Bluetooth、DataSocket、遠(yuǎn)程面板、共享面板等，可以利用這些功能來編寫一種軟件實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程虛擬儀器。

DataSocket(DS)是NI公司推出的基于TCP/IP協(xié)議的新技術(shù)，DataSocket面向測量和網(wǎng)上實(shí)時高速數(shù)據(jù)交換，可用于一個計算機(jī)內(nèi)或者網(wǎng)絡(luò)中多個應(yīng)用程序之間的數(shù)據(jù)交換，極大地簡化了應(yīng)用程序之間以及計算機(jī)之間進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸?shù)倪^程，用DataSocket技術(shù)傳輸數(shù)據(jù)，對于用戶來說極為方便[8]。

以功率測量數(shù)據(jù)的傳輸為例。首先在數(shù)據(jù)采集的前端，計算機(jī)運(yùn)行DS Server，然后在DataSocket Server Manager中添加數(shù)據(jù)項(xiàng)power，類型為數(shù)值，初始值為0，其他設(shè)置采用默認(rèn)值。數(shù)據(jù)采集端和數(shù)據(jù)接收客戶端程序圖如圖9，錯誤輸出連接到While循環(huán)的條件端口，用來控制循環(huán)的停止，一旦出現(xiàn)錯誤，程序則停止執(zhí)行。

圖9 數(shù)據(jù)采集端和數(shù)據(jù)接收客戶端程序

4.2 在線監(jiān)控

在傳統(tǒng)C/S結(jié)構(gòu)中，客戶端同時承擔(dān)了視圖邏輯和業(yè)務(wù)邏輯兩部分功能，二者之間界限不明顯，無論在功能劃分上還是具體程序?qū)崿F(xiàn)上，兩個層面往往交織在一起，不便于分工合作和開發(fā)，同時每個客戶端都需要安裝客戶端軟件，機(jī)器需要較高的配置，客戶端維護(hù)頻繁，系統(tǒng)的強(qiáng)健性下降，用戶也需要進(jìn)行專門的培訓(xùn)才能操作。C/S維護(hù)和升級成本高，對客戶端的操作系統(tǒng)一般也會有限制，只適合在局域網(wǎng)范圍內(nèi)的監(jiān)控，監(jiān)控范圍小，不適合做遠(yuǎn)程監(jiān)控[7-8]。

B/S模式也就是瀏覽器和服務(wù)器模式，是對C/S結(jié)構(gòu)改進(jìn)的三層分布式體系結(jié)構(gòu)，其用戶界面是通過瀏覽器來實(shí)現(xiàn)的，服務(wù)器上存放著數(shù)據(jù)和應(yīng)用系統(tǒng)，大大減輕了客戶端的負(fù)載和系統(tǒng)維護(hù)與升級的工作量。本文采用B/S網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，使用戶能夠通過網(wǎng)絡(luò)瀏覽器與遠(yuǎn)程虛擬電能質(zhì)量監(jiān)測系統(tǒng)進(jìn)行通信，實(shí)現(xiàn)了電能質(zhì)量監(jiān)測數(shù)據(jù)的遠(yuǎn)程傳輸。基于B/S模式實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程監(jiān)控被控對象，采用四層結(jié)構(gòu)，第一層表示層，第二層業(yè)務(wù)邏輯層，第三層數(shù)據(jù)訪問層，第四層遠(yuǎn)程監(jiān)控層，具體實(shí)現(xiàn)的結(jié)構(gòu)框圖如圖10所示。

圖10 基于B/S結(jié)構(gòu)的遠(yuǎn)程監(jiān)控框圖

測試時，在LabVIEW主菜單中選擇工具，在隨后彈出的選項(xiàng)對話框的下拉列表框中選擇Web服務(wù)器，進(jìn)入配置頁面即可進(jìn)行配置。然后使用Web發(fā)布工具進(jìn)行網(wǎng)頁配置。系統(tǒng)測試時先在服務(wù)器端運(yùn)行“電能質(zhì)量分析.vi”，然后在客戶端瀏覽器中輸入給出的URL地址，在客戶端瀏覽器中打開程序的前面板后，在如圖11所示界面的程序前面板上單擊鼠標(biāo)右鍵，在彈出的菜單中選擇“請求vi控制權(quán)”，即可通過瀏覽器遠(yuǎn)程監(jiān)測電能質(zhì)量的各項(xiàng)指標(biāo)。

圖11 電能質(zhì)量分析遠(yuǎn)程監(jiān)控網(wǎng)頁瀏覽圖

5 結(jié)語

針對現(xiàn)有電能質(zhì)量檢測裝置的不足，以虛擬儀器Lab-VIEW為平臺開發(fā)了一套電能質(zhì)量綜合檢測系統(tǒng)，利用虛擬儀器強(qiáng)大的信號處理和數(shù)據(jù)分析能力及友好的人機(jī)交互界面，大大減少了資源的投入，提高了工作效率。采用DataSocket技術(shù)和在傳統(tǒng)C/S結(jié)構(gòu)上改進(jìn)的B/S網(wǎng)絡(luò)模型使用戶能夠通過網(wǎng)絡(luò)瀏覽器與遠(yuǎn)程虛擬電能質(zhì)量監(jiān)測系統(tǒng)進(jìn)行通信，實(shí)現(xiàn)了電能質(zhì)量監(jiān)測數(shù)據(jù)的遠(yuǎn)程傳輸。

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Power quality analysis and remote monitoring system based on LabVIEW

Because of present situation of power quality monitoring and the problems in traditional power quality analysis instruments，a novel power quality automatic monitoring system based on virtual instrument technology in LabVIEW environment was designed. The designed system can evaluate the grid harmonic and realize the calculation，alert and simulation of the unbalance factor，total harmonic distortion，frequency deviation and other parameters.The index data can be obtained on line and transferred to the clients via internet by virtual instrument and internet technology.Compared with the traditional monitoring ways，the proposed system has better efficient，cost performance，operability and maintainability.

power quality;virtual instrument;data transmission;remote monitoring

TM 73

A

1002-087 X(2016)04-0881-04

2015-09-15

國家杰出青年科學(xué)基金(50925727)；國防科技計劃項(xiàng)目(C1120110004、9140A27020211DZ5102)；教育部科學(xué)技術(shù)研究重大項(xiàng)目(313018)；安徽省科技計劃重點(diǎn)項(xiàng)目(1301022036)；中央高校基本科研業(yè)務(wù)費(fèi)專項(xiàng)資金(2012HGCX0003)

王東樓(1989—)，男，安徽省人，碩士，主要研究方向?yàn)樘摂M儀器設(shè)計和智能電網(wǎng)研究。