基于LabVIEW的微電網電能質量實時監測系統設計

（安徽職業技術學院 機電工程學院，合肥 230011）

0 引言

隨著傳統化石能源的日益緊缺，作為一種新型能源的分布式能源越來越受到各國的關注,由此對傳統電網構成的沖擊已經成為不容忽視的問題，為了解決分布式電源接入的問題，因此電力工作者們提出了微電網的概念[1]。作為小型發配電系統的微電網，可以實現其并網或孤島運行，有機整合了分布式電源、儲能裝置、負荷、變流器以及監控保護裝置等，采用變流裝置、運行控制、自動化能量管理等關鍵技術，最大限度的利用分布式能源出力，降低間歇性分布式能源給配電網帶來的不利影響，提高電力系統的可靠性和電能質量[2～4]。電能質量[5～7]是供電企業向社會承諾的最基本內容，已成為我國投資環境的硬指標之一，其好壞直接關系到系統的穩定性和企業的經濟效益，而微電網電能質量監測系統是做好微電網電能質量管理，獲得詳實可靠的第一手數據的先決條件[8]。

虛擬儀器技術是結合高效靈活的軟件來實現真實儀器的功能，通過LabVIEW軟件中圖形化開發工具以及強大的函數功能實現了產品設計參數。為了對并網點、逆變器以及負載等微網設備的電能質量的可視化實時監測，本文利用LabVIEW作為上位機軟件嵌入到工控機中，PCI板卡作為上位機數據采集模塊，搭建了基于虛擬儀器技術的電能質量實時監測系統。實驗結果表明此系統可以根據用戶需求實時監測微網各處的電能質量，保證微網安全有效地運行，具有一定的擴展性。

1 系統總體設計

基于虛擬儀器的微電網電能質量監測系統，硬件主要部分為電力數據采集，軟件主要實現電能質量分析，如圖1所示。因此系統分為硬件和軟件兩部分組成，硬件部分包括PCI板卡、前置信號調理等電路；基于LabVIEW軟件部分，實現了對電力信號的實時采集顯示、存儲和分析。

圖1 系統結構框圖

1.1 硬件設計及選型

電壓和電流信號通過信號調理電路后被多功能采集卡采集，同時通過LabVIEW軟件對采集的電力數據進行處理和分析。

1.1.1 PCI板卡選型

為了抑制共模電壓和共模形式噪音，數據采集卡采集必須有雙端差分輸入模式；在監測電能質量時需要監測多路電壓和電流信號，因此需要選擇采樣頻率較高的、具有隔離保護的數據采集卡。采樣頻率可達500K/S、12位分辨率及2500DC的直流隔離保護，同時擁有32路單端或16路差分模擬量輸入或組合輸入方式的研華公司生產的PCI-1715u型多功能采集卡完全能滿足本系統要求。

1.1.2 前置信號調理電路設計

由于PCI-1715u的輸入信號范圍在0到5V，采集信號之前需要進行處理。如圖2所示，以輸入220V電壓進行設計，電流互感器CA139A要求輸入為0到2mA的電流信號，所以電阻選取55kΩ。R1和C1構成無源低通濾波電路，具有較好的抗干擾性能。

圖2 電壓轉換電流信號電路

圖3為偏置與限幅電路。當2mA電流信號經過U101A運算放大器后轉換成1.818V的電壓信號。經過二階濾波電路和U101B構成的偏置電路后，將電壓信號的峰值轉化成5V，滿足了板卡接收信號的要求，即交流電壓信號峰值為5V。

TA060是額定輸入電流為5A，額定輸出電流為2.5mA的電流互感器，可以根據實際需求更換互感器。如圖4所示，轉換后的2.5mA電流信號經電阻R11后為峰值是2.5V的交流電壓信號，然后采用電壓采樣相同的偏置與限幅電路，滿足了為0～5V的輸出電壓交流信號。

圖3 偏置與限幅電路

圖4 電流轉換電路

1.2 軟件結構與實現

基于LabVIEW的上位機軟件，完成電能質量檢測和分析、以及數據的存儲。程序開發過程中使用到DAQNavi和VISA工具包，分別用于板卡數據采集和串口通訊調試。

1.2.1 數據采集模塊

數據采集部分使用了DAQNavi工具包中的Assistant模塊，設計中使用單通道采樣率為6250/S，實時的采集每個電壓和電流的波形128個點。PCI-1715u數據采集卡有500K/S的采樣頻率，可以根據需求選擇32個通道的使用個數，設置通道的采樣頻率，從而實現更精確的波形顯示。程序如圖5所示，實現了對多路三相電壓和電流數據的實時采集，其中子VI實現了電壓和電流信號分析、顯示及保存等處理功能。

1.2.2 電能質量分析

1）電壓偏差

電壓是電能質量的重要指標之一，通過電壓偏差來體現，是衡量電力系統能否正常運行的一項主要指標。在生產運行方式下，供電系統某母線電壓偏差如式(1)所示[9,10]：

圖5 數據采集程序框圖

上式中δU為電壓偏差，UN為系統標稱電壓，Ure為實際測量電壓。單位均為kV。

2）頻率偏差

電力系統在正常運行狀態下，系統頻率采用電壓頻率來體現，其偏差為的實際電壓頻率值與50Hz（部分國外采用60Hz）的差值稱為系統的頻率偏差，是電能質量最重要的指標之一。其數學表達式為：

3）三相不平衡度

電力系統中的三相電壓和電流，均可通過對稱分量法分解為零序、正序、負序分量。將電壓或電流的負序分量與正序分量比值定義為電壓或電流的三相不平衡度，用符號ε表示，即：

其中：εU、εI分別為三相電壓和三相電流不平衡度，U1、U2為電壓正序、負序分量均方根值，單位kV，I1、I2為電流正序、負序分量均方根值，單位kA。

通過計算三相系統的正序和負序分量可以求出三相系統的不平衡度。

4）總諧波畸變率

電力信號諧波的頻率為基波頻率的整數倍。總諧波畸變率是衡量一個電力系統中諧波影響的程度，類同與正弦波的失真程度[11]。以公式形式表示為：

通過采集的電壓和電流的數據，采用電能質量分析方法，利用虛擬儀器技術可以實現基于LabVIEW實時電能質量監測系統，用來分析和展示電壓偏差、頻率偏差、三相不平衡度、總諧波畸變率等電能質量參數。

1.3 運行效果

圖6 電能質量監測界面顯示

該界面可選擇性顯示各處的電壓、電流的諧波分量及諧波幅值，內外網的電壓波形及不平衡度，并網點和各負載設備的電流波形。如圖6所示，分析了并網點電壓、電流的諧波分量、電壓不平衡度，顯示的電壓波形為PCC點處的交流電壓，電流波形包含了三相不平衡電流、單相負載電流以及測量諧波的三相整流橋電流。表1為數據存儲的結果。

表1 數據存儲的結果顯示

2 結論

本文在研華的PCI-1715u數據采集卡基礎上，利用LabVIEW軟件，實現了微電網電能質量監測系統。系統能夠監測微電網的當前電壓和電流的運行狀態，以及電壓偏差、頻率偏差、三相不平衡度、總諧波畸變率等電能質量參數，具有較高的擴展性，數據存儲功能可以將數據以Excel表格的形式保存，方便后期處理及分析。

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