基于同步采集和LabVIEW的發電機并網監控裝置設計*

郭子強，吳亞盆，劉丹丹

(國網蘭州供電公司，甘肅 蘭州 730070)

0 引 言

眾所周知，并網技術原理早已成熟。對于多電源系統，若不同電源電壓幅值、頻率、相角在某一時間點達至允許差異范圍內，便可并列運行，否則強行并列運行可能造成短路事故。由于公網是個龐大且復雜的系統，其他電源上網必須經由嚴格核準。因此，并網監控裝置呈現出專業性強、程序復雜且體量大、不常見的特點，而對于一些移動電源裝備，雖然具備并網能力，但也只是內嵌于控制器內，存在可移植性差、并網參數監控及顯示不全面、研發成本高等問題。為了解決發電機無并網功能以及并網控制器無法通用、并網參數監控能力受限的問題，筆者研制了一種獨立的基于同步采集卡和LabVIEW的發電機并網監控裝置。裝置基本功能為：采集卡同步采集市電和發電車電壓信號，完成數字化調理后上傳LabVIEW軟件平臺，平臺分析判斷電壓的頻率、頻率差，相位、相位差，電壓、電壓差等供電參數，實時監控發電車同期并網時序[1]。經實踐驗證，該裝置不僅操作簡易，通用性強，更能夠搭配各型應急電源車實現低壓并網功能，解決了供電保障現場電源點必須停電接入的問題。

1 系統設計

1.1 系統設計中的拓撲結構

基于LabVIEW的發電機并網監控裝置主要由三部分組成，一是電壓采集系統，二是發電機電參數采集系統，三是LabVIEW軟件處理系統。其中，電壓采集系統由電壓互感器和信號調理電路以及同步采集卡組成；發電機電參數采集數據來源于發電機斷路器智能控制器；LabVIEW軟件系統是使用圖形化G程序語言，人機交互界面友好,程序設計簡單，具備直觀顯示虛擬同步發電機運行狀態和通過多種典型實驗來驗證控制算法的特性。系統整體拓撲結構見圖1。

圖1 系統設計中的拓撲結構圖

1.2 電壓采集系統硬件設計

電壓采集系統硬件部分是由電壓轉換電路、數據采集卡、PC機等組成，主要實現6路電壓信號的同步采集、數字化轉換和處理等功能，電路原理見圖2。主要設計部分說明如下：

圖2 電壓轉換電路原理圖

(1) 系統采用電流型電壓互感器做系統隔離和電壓轉換，互感器采用星型連接，在交流10～500 V范圍內，線性度等級0.2級，隔離耐壓交流3 500 V，沖擊耐壓8 000 V(1.2/50 μs)。

(2) 系統采用北京阿爾泰USB2884采集卡做電壓采集，該采集卡提供6路差分模擬信號輸入，16位ADC，可實現對6路電壓的同步轉換，轉換速率高達250 kHz/s，8K字FIFO存儲，輸入量程±10 V、±5 V可選。

(3) PC機采用東凌工業一體PC機，該PC機支持-40～+80 ℃工作環境，IP65防塵防水等級，酷睿I5處理器，2路高速USB，1路RS485接口，觸摸屏。

1.3 系統軟件設計

系統軟件采用LabVIEW軟件平臺編制，主要分后臺程序框圖和前面板兩部分。其中，前面板采用交互式圖形化設計，用于輸入參數設置和顯示并網電氣參數，前面板示意圖見圖3。

圖3 系統軟件前面板

程序框圖是VI圖形化的源程序，又稱代碼窗口，在程序框圖中對VI編程，以控制和操控定義在前面板上的輸入和輸出功能。此系統主要包括數據采集、數字信號調理、電力數據分析、數據顯示幾部分。

主要利用了LabVIEW電力測量工具包Power Measurement子函數，見圖4。該子函數主要功能是根據同步采集到的電壓波形信息，經處理和分析得到6路電壓的頻率、相位、電壓值[2]。另外，根據發電車同期并列條件要求，設置了電壓允許偏差±5%、頻率允許偏差±1 Hz、相位允許偏差±5°的限制規定值[3]，當發電機輸出電壓不滿足限定值時，禁止并網信號燈就會亮起報警。

圖4 Power Measurement子函數

2 測試驗證

為了驗證所設計的發電機并網監控裝置，文中選用了三通道信號發生器加信號放大器對監控裝置進行驗證，Fluke 8845A數字萬用表和TYKE TBS2204B數字示波器比對，在交流10 V-AC500 V范圍內,平均分配20個測試點，電壓最大偏差小于0.2%。40～70 Hz范圍內平均分配20個測試點，最大誤差小于0.01 Hz。0°～360°初相角最大偏差0.02°。超過限制規定值，報警信號燈亮起。經過驗證，0.4 kV發電機并網監控裝置達到了設計要求，實物見圖5所示。

圖5 0.4 kV發電機并網監控裝置實物圖

裝置整體采用不銹鋼材質的籠型結構，尺寸1000 mm×950 mm×900 mm，質量約70 kg，底盤帶有承重輪。進出線每相雙進雙出，均有相色標，并自帶核相功能。內部主回路和控制部分做了封閉處理，外部具有信息顯示屏和控制屏，可供操作人員實時監測各類運行信息，操作方式有全自動和手動兩種方式可供選擇。通電運行后，能夠清晰顯示精確的并網參

數，對于不同型號的發電機只需要對其參數采集端口作適配性改進即可。并網裝置的成功研制，對于提升發電機并網能力，減少用戶短時停電次數，增收多供電量，助力優化營商環境具有重要意義，也為拓展發電機組并網使用場景起到積極的作用。

3 結 語

基于現有的并網監控裝置體量大、專用性高、移植性差等問題，文中重點對所研制的一種基于同步采集卡和LabVIEW的發電機并網監控裝置進行應用分析，經測試具有友好的交互界面，可移植性好，很方便現場操作人員使用，可以為普及發電機組并網打好了堅實的基礎。