基于LabVIEW的電能質量監測系統設計

楊猛 程林

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引言

電能作為一種特殊能源，被廣泛應用于現代社會的各行各業中[1]。電能質量，一般意義上說，就是電網供給用電部門的交流電的品質[2]。要準確研究電能質量，以達到有效改善電能質量的目的，需要通過高精度等級的監測儀器設備對能夠準確反映電能質量的各個指標參數進行準確測量[3]。所以，研制一種測量使用簡單快捷、安全系數高的電能質量監測設備，實現三相電壓、頻率、三相不平衡度、電力諧波等電能質量指標的實時監測，對改善電能質量，確保供電系統正常運行，有非常重大的意義。

在LabVIEW平臺下，可通過圖形化的編程，實現強大的數據采集、計算和分析，十分方便應用于實際工程對象的測量，便于搭建測量系統，具有功能強大、開發周期短、投資少等特點[4]。本文在LabVIEW平臺下，開展電能質量監測研究，設計并實現基于LabVIEW的電能質量監測系統。

1 電能質量監測指標

1.1 電壓偏差

供電電壓偏差是指實際測量所得的電壓有效值和系統額定電壓值之間的差值，電壓偏差值用百分數表示：

式中，U為電壓有效值，T為周期， 為瞬時電壓值，為系統標稱電壓。

電壓偏差是電能質量最重要的指標之一，在電力系統中，系統無功功率不足、電能傳輸距離太長、系統無功補償過量、系統負荷過輕或是過重等都可以引起供電電壓的偏差。

1.2 頻率偏差

頻率偏差是指實際測量所得的頻率和額定頻率之間的差值：

式中，f為實測頻率， 為額定頻率。頻率f的測量是計算電能質量頻率偏差的基礎，只有在準確測量頻率的前提下，才能保證最后計算所得到的頻率偏差的精確度，本文采用改進FFT測頻算法，該算法廣泛應用于數字信號測量[5]。

頻率偏差是電能質量的重要指標，電力系統不管是以高頻還是低頻運行，都將對用電企業和發電廠產生很大的影響。

1.3 三相電壓不平衡度

理想情況下，交流系統三相電壓的幅值相同，且任意兩相之間的相位角互差120°，有這種特性的電力系統為三相平衡系統。三相電壓不平衡度是衡量系統能否安全運行的重要指標，通常由電壓的零序分量或負序分量與正序分量之比的百分數表示。

三相不平衡度的測量使用對稱分量法來實現：

式中， 、 、 表示三相相量， 、 、 分別表示零序分量、正序分量及負序分量， 表示旋轉因子。

1.4 電力諧波

在電力系統中，可以用波形畸變率和各次諧波含有率來衡量波形畸變的程度。各次諧波分量的總有效值和基波分量有效值之比的百分數為波形畸變率，各次諧波分量的有效值與基波分量有效值之比的百分數為各次諧波含有率：

式中， 為基波電壓有效值， 為各次諧波電壓分量總的有效值， 為第k次分量的有效值。

本文諧波測量采用改進FFT算法[6]。

2 系統硬件設計

2.1 系統硬件組成

電能質量監測系統的硬件組成，是后續進行基于LabVIEW軟件設計的基礎。系統硬件組成如圖1所示，包括電壓互感器及PXI控制器兩大部分，其中PXI控制器除本身主機機箱外，包含數據采集卡及其前端接線盒，數據采集卡兼具信號調理與數據采集功能。

圖1 系統硬件組成

2.2 電壓互感器

被測電壓進入數據采集卡之前，需經過電壓互感器將被測信號轉換為適合數據采集卡量程要求的電壓信號，同時對信號進行電氣隔離，保證人員與設備安全。

本文選用LXYA380V/5V精密電壓互感器，具備精度等級高、線性度范圍廣、響應速度快、過載能力強等優勢。可保證初級回路的任何變化都將被實時、精確反映到與次級相連的設備上，實現對一次電壓的隔離變換，同時滿足高絕緣性能。

2.3 采集設備

系統主機選用PXI控制器NI PXIe-1078（9槽PXIe機箱），是為各種測試和測量應用程序設計，其高帶寬背板可提供每插槽高達1 GB/s的專用帶寬以滿足高效運轉需要。

數據采集卡選用NI PXIe-4303 PXI模擬輸入模塊，為 PXI 系統 提 供 32 通 道 模 擬 輸 入 信 號 ， 具 有 多 個 模 數 轉 換 器 以 及 內 置 信號 調 理 功 能， 采 樣 率 范 圍 為 5kS/ s/ ch～2MS/ s/ ch，適用 于 電壓、熱電 偶 和 電流 測量。該 模 塊 可 針對 每 個 通道 選擇 相應 的 數字 濾波 器， 從而 提高 濾波 性能，可以同時 使用 四 個 不同 的 采樣 速率和 觸發 配置。SC Express家族將DAQ和信號調理集成到單個PXI Express模塊，可實現最佳的同步、吞吐量和精度。

NI PXIe-4303模擬輸入模塊提供前置安裝接線盒TB-4302，用于螺栓接線端連接，實現電壓輸入測量。

圖2 PXI控制器采集設備

3 系統軟件設計

3.1 軟件組成與運行流程

系統軟件主要包含原始數據采集及指標計算監測兩部分。其中，原始數據采集，實現將電壓互感器輸出的電壓信號實時采集并按指定格式存儲；指標計算監測，將提取存儲的原始數據，進行下一步的分析與計算，實現電能質量指標的實時監測顯示，其包含基本參數模塊、三相不平衡模塊及諧波模塊。

軟件組成與運行流程如圖3所示：

圖3 軟件組成與運行流程

3.2 原始數據采集

在LabVIEW平臺下，通過DAQmx函數模塊實現電壓原始數據采集，并將采集到的數據按指定路徑與格式存儲，供后續模塊調用。所涉及的DAQmx函數包括創建通道、開始觸發、定時函數、啟動任務、讀取函數、終止任務、清除任務等[7]。程序框圖如圖4所示：

圖4 原始數據采集程序框圖

3.3 指標計算與監測

在LabVIEW平臺下，按第1節所述各式實現指標的計算與監測。所采用的主要函數及描述如表1所示：

表1 指標計算與監測主要函數

4 系統仿真測試

在完成系統設計后，在LabVIEW平臺下，采用信號發生器函數生成標準信號對各個功能模塊進行仿真測試，把實測數據與標準輸入信號即理論值進行比較，計算仿真測量值與理論值之間的誤差，并與國家標準中規定的誤差限值進行比對分析，驗證系統測量的精準度。

對于電壓、頻率等基本參數以及三相不平衡度，輸入的三相電壓信號為：幅值220V、頻率50Hz、相位依次相差120°的標準正弦信號；對于電力諧波，輸入的仿真信號為基波頻率50Hz、包含25次諧波的正弦組合信號。

LabVIEW監測顯示界面如圖5所示：

圖5 LabVIEW監測顯示界面

數據分析結果如表2所示：由上表可見，本系統對各項電能質量指標的測量誤差，遠低于國標所規定的測量系統誤差限值，即完全滿足測量精度要求。此外，經過系統長時間運行可知，系統運行穩定，能夠實現對電能質量指標的長時間實時監測。

表2 數據分析結果

5 結束語

本文對基于LabVIEW的電能質量監測系統展開研究：給出關鍵電能質量監測指標的計算分析方法，給出監測系統的硬件組成及設備選型，結合虛擬儀器技術，在LabVIEW平臺下，給出數據采集以及三相電壓、頻率、三相不平衡度、電力諧波等關鍵電能質量指標監測的軟件實現方法，在此基礎上，對監測系統進行仿真測試。測試結果表明，本文所設計的電能質量監測系統能夠實現電能質量指標的實時監測，滿足國標測量精度要求，且具備長時間運行的穩定性。后續，將把本系統應用于實際系統的測量，進一步驗證系統的綜合性能，發揮其實用價值。