王輝春,李衛(wèi),謝照祥

(云南電網(wǎng)有限責(zé)任公司 普洱供電局,云南 普洱 665000)

基于LabVIEW的電能監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)研究

王輝春,李衛(wèi),謝照祥

(云南電網(wǎng)有限責(zé)任公司 普洱供電局,云南 普洱 665000)

文中主要是將虛擬儀器技術(shù)作為主要研究對(duì)象,研究其在電能質(zhì)量檢測(cè)中的作用和方式,通過(guò)大量的實(shí)踐,研制出了一套基于LabVIEW的電能監(jiān)測(cè)系統(tǒng),并且對(duì)其進(jìn)行理論層面的剖析,研究各項(xiàng)電能質(zhì)量相關(guān)指標(biāo)是否符合設(shè)計(jì)要求,虛擬儀器中各個(gè)軟件的程序編寫也是主要研究?jī)?nèi)容,通過(guò)虛擬系統(tǒng),實(shí)現(xiàn)了對(duì)電能質(zhì)量各參數(shù)的檢測(cè),分析和記錄數(shù)據(jù)等。最后還對(duì)基于此虛擬系統(tǒng)計(jì)算得出的數(shù)據(jù)進(jìn)行相關(guān)誤差分析,找出了其內(nèi)在原因。

虛擬儀器技術(shù)；電能質(zhì)量監(jiān)測(cè)；LabVIEW；設(shè)計(jì)研究

電能對(duì)于我們?nèi)祟惿顏?lái)說(shuō)是一種寶貴的清潔能源,并且是可再生的,對(duì)電能的應(yīng)用程度和效率是一個(gè)國(guó)家綜合國(guó)力的必要體現(xiàn)［1］,與國(guó)家的發(fā)展和繁榮息息相關(guān)。不僅如此,如何高效的利用電能這種資源來(lái)更好地滿足國(guó)家的工業(yè)生產(chǎn),社會(huì)和人民的日常生活關(guān)系著國(guó)家的發(fā)展大計(jì),也是一個(gè)國(guó)家科技實(shí)力和文明程度的重要特征［2］。所以,進(jìn)行電能質(zhì)量監(jiān)測(cè)是具有很重要的戰(zhàn)略意義,電能質(zhì)量一般包括傳統(tǒng)意義上的穩(wěn)態(tài)電能質(zhì)量和現(xiàn)代意義上的暫態(tài)電能質(zhì)量,如果沒有一個(gè)切實(shí)可行的監(jiān)測(cè)系統(tǒng),造成的后果不堪設(shè)想［3］。必須要有一個(gè)自動(dòng)化的系統(tǒng)對(duì)電參數(shù)進(jìn)行一個(gè)全面的、系統(tǒng)的監(jiān)測(cè),才能準(zhǔn)確得到數(shù)據(jù),其次根據(jù)這些數(shù)據(jù)制定相關(guān)行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)和國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)?；谏鲜?利用虛擬儀器的電能質(zhì)量監(jiān)測(cè)系統(tǒng)具有成本可控,使用方法簡(jiǎn)單,效率高,準(zhǔn)確性好的特點(diǎn),從而,利用它來(lái)進(jìn)行電能質(zhì)量監(jiān)測(cè)能夠相當(dāng)好的滿足我們實(shí)際工程中的需求。

1 對(duì)于系統(tǒng)的設(shè)計(jì)目標(biāo)與要求

理論和實(shí)踐研究表明,虛擬儀器的相關(guān)技術(shù)具有成本低,性價(jià)比較高,抗干擾作用效果明顯,易于使用的優(yōu)點(diǎn)［4］,這些優(yōu)點(diǎn)漸漸的在測(cè)量行業(yè)和領(lǐng)域內(nèi)得到了印證。正因?yàn)檫@些不可或缺的特征和優(yōu)點(diǎn),本文將設(shè)計(jì)基于虛擬儀器相關(guān)的質(zhì)量參數(shù)監(jiān)測(cè)的相關(guān)系統(tǒng),設(shè)計(jì)成功后的系統(tǒng)將擁有電網(wǎng)信號(hào)的相關(guān)數(shù)據(jù)收集、分析綜合和完成各參數(shù)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)的諸多功能,這些功能的實(shí)現(xiàn)必將為整個(gè)電力系統(tǒng)行業(yè)注入新鮮的血液［5］。

2 系統(tǒng)設(shè)計(jì)中的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

文中所設(shè)計(jì)的系統(tǒng)由兩部分構(gòu)成,其一是硬件的采集系統(tǒng),其二是軟件的數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)［6］。其中硬件的采集系統(tǒng)由四個(gè)模塊設(shè)計(jì)而成,分別是電壓模塊,電流互感器模塊,信號(hào)調(diào)理電路模塊和PXI數(shù)據(jù)采集模塊,這些模塊主要作用是用來(lái)感知感應(yīng)被測(cè)對(duì)象和提取信號(hào)相關(guān)數(shù)據(jù)。另一方面,軟件的編寫部分是通過(guò)LabVIEW相關(guān)語(yǔ)言軟件編寫的界面相關(guān)顯示的主程序。

圖1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)中的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)Fig.1 System design topology

3 監(jiān)測(cè)系統(tǒng)硬件的外圍電路設(shè)計(jì)

3.1 互感器相關(guān)模塊的電路設(shè)計(jì)

通過(guò)反復(fù)的理論推導(dǎo)和論證,最終決定選用CHB-25NP型具有磁性補(bǔ)償能力的閉環(huán)霍爾電流互感器和CHV-50P/*A型的電壓相關(guān)互感器［7］。這樣的選擇是因?yàn)槠溆泻芏嘣诒O(jiān)測(cè)系統(tǒng)中必不可少的優(yōu)點(diǎn)特性,如反應(yīng)時(shí)間快,頻率范圍較寬等。表2和表3分別給出電流互感器和電壓互感器的相關(guān)接線圖中的參數(shù)選取標(biāo)準(zhǔn)。

表1 電流互感器模塊中電氣相關(guān)參數(shù)Tab.1 Electrical current transformer module parameters

表2 電壓互感器模塊中電氣相關(guān)參數(shù)Tab.2 Voltage transformer module electrical parameters

3.2 濾波的調(diào)理電路模塊設(shè)計(jì)

1）濾波電路模塊中電壓信號(hào)的設(shè)計(jì)

通過(guò)實(shí)際測(cè)試,并且應(yīng)用Multisim10軟件對(duì)電路進(jìn)行詳細(xì)的分析和調(diào)試,設(shè)定濾波器的截止頻率為10 V,并且要保證在通帶內(nèi)具有平坦的響應(yīng)特性。濾波電路如圖2所示。

圖2 電壓信號(hào)濾波電路Fig.2 Voltage signal filtering

對(duì)電壓信號(hào)的濾波效果進(jìn)行了測(cè)試,測(cè)試結(jié)果為通帶的增益為2.3,截止頻率結(jié)果是1.5 kHz,其衰減的倍數(shù)最終測(cè)試為37 dB。

2）濾波電路模塊中電流信號(hào)的設(shè)計(jì)

此設(shè)計(jì)中應(yīng)保證DAQ卡在接近滿量程的情況下進(jìn)行測(cè)量,這樣可以提高精確度。其電路模擬圖如圖3所示。

圖3 電流信號(hào)濾波電路Fig.3 Current signal filter circuit

根據(jù)測(cè)試結(jié)果,其通帶增益達(dá)到了35,而截止頻率為1.64 kHz,衰減81 dB。

3）濾波調(diào)理電路供電電源的模塊設(shè)計(jì)方案

根據(jù)大量的測(cè)試和計(jì)算,最后確定了本設(shè)計(jì)方案采用LM317和LM337型號(hào)的可以調(diào)節(jié)的三端穩(wěn)壓器［8］,這個(gè)器件跟二極管相結(jié)合可以對(duì)電路起到一個(gè)保護(hù)作用,最終可以實(shí)現(xiàn)可調(diào)直流電壓的輸出功能。相關(guān)電路圖如圖4所示。

圖4 電源模塊的電路設(shè)計(jì)圖Fig.4 Circuit design of the power module

4 監(jiān)測(cè)系統(tǒng)中軟件相關(guān)模塊設(shè)計(jì)

我們知道,在監(jiān)測(cè)系統(tǒng)中軟件部分是決定一個(gè)系統(tǒng)是否足夠成熟的重要標(biāo)志,它是整個(gè)系統(tǒng)的關(guān)鍵所在,主要是用于對(duì)硬件采集來(lái)的信號(hào)和相關(guān)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析和綜合,并且將其顯示出來(lái),所以在軟件編寫的過(guò)程中,要特別注重軟件的可操作性和穩(wěn)定性,否則,硬件采集來(lái)的信號(hào)將不能有效的進(jìn)行處理,從而整個(gè)設(shè)計(jì)也就失敗了,在軟件的設(shè)計(jì)中,還要特備注重特別情況的報(bào)警和提示功能。本文將從三個(gè)方面簡(jiǎn)要分析軟件設(shè)計(jì)思路和相關(guān)功能實(shí)現(xiàn)方式。

4.1 相關(guān)數(shù)據(jù)采集模塊的軟件設(shè)計(jì)

這個(gè)模塊將成為整個(gè)系統(tǒng)的初始部分,其主要負(fù)責(zé)通過(guò)與硬件的配合為系統(tǒng)提供有效的可靠數(shù)據(jù),即所謂的未經(jīng)加工的原始數(shù)據(jù)。本系統(tǒng)將采用LabVIEW函數(shù)中的DAQmx函數(shù),它具有相對(duì)好的性能,可以承擔(dān)起整個(gè)系統(tǒng)的數(shù)據(jù)收集任務(wù)。采集卡DAQmax函數(shù)通過(guò)監(jiān)測(cè)得到的是一個(gè)六列的數(shù)組,并且是二維的。按照一定的規(guī)則和掃描順序,每個(gè)組件采集到的數(shù)據(jù)將被安插在數(shù)組中。這個(gè)模塊的后面板所執(zhí)行的程序如圖5所示。

圖5 監(jiān)測(cè)系統(tǒng)數(shù)據(jù)的采集模塊程序圖Fig.5 Acquisition module program chart data of monitoring system

4.2 監(jiān)測(cè)系統(tǒng)中波形顯示與參數(shù)測(cè)量模塊的設(shè)計(jì)

系統(tǒng)中這個(gè)程序的作用主要是對(duì)三相信號(hào)進(jìn)行一定的處理,即波形重組。這個(gè)模塊主要依據(jù)上一個(gè)模塊收集到的數(shù)據(jù)和信息,如時(shí)間間隔和起始時(shí)間等,并且利用庫(kù)函數(shù)對(duì)其信號(hào)的波形簇進(jìn)行恢復(fù)。還有,它可以充分利用提取到的單頻信息,幅值和電平函數(shù)等重要參數(shù)標(biāo)準(zhǔn),目的是為了實(shí)現(xiàn)基本參數(shù)的精確測(cè)量。

4.3 監(jiān)測(cè)系統(tǒng)中功率監(jiān)測(cè)的模塊設(shè)計(jì)方案

整個(gè)系統(tǒng)中,這個(gè)模塊組件的設(shè)計(jì)相對(duì)來(lái)說(shuō)比較容易實(shí)現(xiàn),且模塊的功能明確,操作簡(jiǎn)單,原理清晰,就是利用固有的定義式包括功率和功率因素等,還要結(jié)合LabVIEW軟件中相對(duì)應(yīng)的計(jì)算算法和控制組件,換句話說(shuō),就是將現(xiàn)有的成熟公式進(jìn)行程序化實(shí)現(xiàn)即可。

4.4 系統(tǒng)中電壓的波動(dòng)計(jì)算模塊設(shè)計(jì)方案

在這個(gè)模塊的設(shè)計(jì)中,首先要根據(jù)波形周期和一定的采樣周期計(jì)算采樣的節(jié)點(diǎn)數(shù)目,根據(jù)已有數(shù)據(jù)結(jié)合采樣的數(shù)組長(zhǎng)度數(shù)據(jù),從而計(jì)算出一個(gè)采樣節(jié)點(diǎn)內(nèi)有多少個(gè)波形的周期。從一個(gè)數(shù)組中需要知道如何截取采樣點(diǎn)數(shù)是這里面的關(guān)鍵所在。計(jì)算出來(lái)的有效值可以放到有效值所在的周期數(shù)組。然后根據(jù)一系列的理論推導(dǎo)找出最大值和最小值,這樣,電壓波動(dòng)也就計(jì)算出來(lái)了。

5 監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的性能測(cè)試及分析

文中主要從兩方面來(lái)測(cè)試設(shè)計(jì)的系統(tǒng)是否滿足設(shè)計(jì)要求,且有無(wú)重大的設(shè)計(jì)缺陷,第一方面主要是電能質(zhì)量關(guān)鍵參數(shù)監(jiān)測(cè)模塊的測(cè)試,第二方面是暫態(tài)信號(hào)發(fā)生器的模塊測(cè)試。

5.1 系統(tǒng)中電能質(zhì)量關(guān)鍵參數(shù)模塊的測(cè)試

誤差主要用絕對(duì)誤差和相對(duì)誤差來(lái)詮釋,根據(jù)的是與誤差相關(guān)的兩個(gè)公式:

絕對(duì)誤差=|實(shí)際值-測(cè)量值|

相對(duì)誤差=絕對(duì)誤差/實(shí)際值

根據(jù)系統(tǒng)測(cè)試,主要的結(jié)果反映如圖6所示。

圖6 三相電壓的測(cè)量誤差結(jié)果圖Fig.6 Three-phase voltage measurement error results

1）首先對(duì)三相電壓相關(guān)參數(shù)進(jìn)行測(cè)量,測(cè)量的誤差結(jié)果如圖6所示。

進(jìn)行了多次的實(shí)際測(cè)試,從上圖這個(gè)誤差統(tǒng)計(jì)圖可以看出,系統(tǒng)軟件在電壓這一個(gè)模塊的誤差范圍大概為0～1.3﹪,根據(jù)文獻(xiàn)資料和相關(guān)工程技術(shù)標(biāo)準(zhǔn),一般來(lái)說(shuō),可接受的誤差在百分之幾至千分之幾就可以接受,顯然,系統(tǒng)的誤差范圍可以達(dá)到要求的標(biāo)準(zhǔn)。

2）對(duì)三相電流的誤差進(jìn)行測(cè)量,根據(jù)多次測(cè)量的實(shí)驗(yàn)值可以有效的統(tǒng)計(jì)出,設(shè)計(jì)的電能監(jiān)測(cè)系統(tǒng)在電流模塊的誤差大概范圍為0～2.2﹪,我們經(jīng)過(guò)多方考證,對(duì)于實(shí)際應(yīng)用中的設(shè)計(jì)要求,其允許的相對(duì)誤差范圍應(yīng)該為百分之幾-千分之幾,經(jīng)過(guò)對(duì)比發(fā)現(xiàn),此系統(tǒng)的誤差范圍符合工業(yè)實(shí)際應(yīng)用,是比較精確地。

3）系統(tǒng)的電壓電流的偏差設(shè)計(jì)測(cè)試:對(duì)整個(gè)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的電壓電流的偏差設(shè)計(jì)進(jìn)行必要測(cè)試,結(jié)果如下圖11所示,其中A,B,C三相的電壓、電流額定值依次設(shè)置為220 V,221 V，222 V,4.6 mA,3.8 mA,2.5 mA。根據(jù)目前的國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)和相關(guān)文件規(guī)定,供電電壓允許偏差為±6﹪,所以我們?cè)趯?shí)際測(cè)試中得出的結(jié)果是符合要求的,相對(duì)準(zhǔn)確的。

5.2 監(jiān)測(cè)系統(tǒng)中暫態(tài)信號(hào)發(fā)生器模塊的相關(guān)測(cè)試

這個(gè)模塊對(duì)整個(gè)系統(tǒng)的平穩(wěn)運(yùn)行也起到一個(gè)關(guān)鍵性作用,對(duì)于這個(gè)模塊的的相關(guān)測(cè)試,我們只要知道它在實(shí)際運(yùn)行中是否可以按照設(shè)計(jì)要求產(chǎn)生準(zhǔn)確的波形圖就可以。經(jīng)過(guò)實(shí)際檢測(cè),我們可以得到如下的波形圖。

與相關(guān)文獻(xiàn)和工程實(shí)際應(yīng)用中出現(xiàn)的波形信號(hào)相比較,可以得出結(jié)論:此模塊產(chǎn)生的波形故障信號(hào)是符合設(shè)計(jì)要求的。

6 結(jié)束語(yǔ)

文中在虛擬儀器技術(shù)原理掌握的基礎(chǔ)上,基于LabVIEW設(shè)計(jì)軟件進(jìn)行了電能質(zhì)量監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與研究,根據(jù)設(shè)計(jì)要求,設(shè)計(jì)出了一套切實(shí)可行的監(jiān)測(cè)系統(tǒng),對(duì)于電能的高效利用作出了創(chuàng)新性的研究。并且對(duì)于設(shè)計(jì)出的系統(tǒng)進(jìn)行了一系列的定量分析,找出其存在的誤差并且對(duì)照已有的工程質(zhì)量的標(biāo)準(zhǔn),得出結(jié)論,所設(shè)計(jì)出的系統(tǒng)是符合現(xiàn)有標(biāo)準(zhǔn)的誤差范圍的,所監(jiān)測(cè)的數(shù)據(jù)質(zhì)量是切實(shí)可信的。

電能的高效利用關(guān)乎國(guó)家可持續(xù)發(fā)展的大計(jì),本文的研究?jī)?nèi)容和所做的工作還很有限,對(duì)電能質(zhì)量進(jìn)行實(shí)時(shí)的,網(wǎng)絡(luò)化遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)與分析的研究才剛起步,在后續(xù)的設(shè)計(jì)研究中,會(huì)更加注意系統(tǒng)的綜合運(yùn)用性,特別注意與實(shí)際相結(jié)合,對(duì)參數(shù)的設(shè)置更加合理,以期達(dá)到更穩(wěn)定更使人信賴的系統(tǒng)。

圖7 電壓的中斷信號(hào)產(chǎn)生的波形圖Fig.7 Interrupt signal generated voltage waveform diagram

圖8 電壓的凹陷信號(hào)產(chǎn)生的波形圖Fig.8 Voltage signal waveform diagram recess

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Designing energy monitoring system of LabVIEW-based

WANG Hui-chun，LI Wei，XIE Zhao-xiang
（Puˊer Power Supply Bureau,Yunnan Power Grid Co.,Ltd.,Pu′er 665000，China）

This article is the virtual instrument technology as the main research object，its role and the way in power quality detection，through a lot of practice，developed a set of power monitoring system based on LabVIEW，and its theoretical analysis，study whether the power quality related indicators meet the design requirements，the virtual instrument software program is written in each main contents，through virtual system to achieve the parameters of power quality detection，analysis and recording data.Finally，based on this virtual system data calculated correlation error analysis to identify their underlying causes.

virtual instrument technology；power quality monitoring；LabVIEW；design

TM933.4

：A

：1674-6236（2015）18-0130-04

2015-03-30稿件編號(hào)：201503451

王輝春（1985—）,男,天津人,工程師。研究方向:繼電保護(hù)檢修管理。