程信羲,陳其工,高文根

(安徽工程大學(xué)安徽檢測(cè)技術(shù)與節(jié)能裝置省級(jí)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,安徽蕪湖 241000)

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基于Lab VIEW的電能質(zhì)量監(jiān)測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

程信羲,陳其工?,高文根

(安徽工程大學(xué)安徽檢測(cè)技術(shù)與節(jié)能裝置省級(jí)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,安徽蕪湖 241000)

摘要:為了能夠?qū)崟r(shí)監(jiān)測(cè)微電網(wǎng)系統(tǒng)的電能質(zhì)量參數(shù),利用工控機(jī)作為上位機(jī),Lab VIEW作為上位機(jī)軟件,結(jié)合PCI板卡建立了基于虛擬儀器技術(shù)的電能質(zhì)量實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)系統(tǒng),可對(duì)并網(wǎng)點(diǎn)、逆變器以及負(fù)載等微網(wǎng)設(shè)備的電能質(zhì)量的可視化實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)．實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明,系統(tǒng)可以根據(jù)用戶需求實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)微網(wǎng)各處的電能質(zhì)量,保證微網(wǎng)安全有效地運(yùn)行,具有一定的擴(kuò)展性．

關(guān) 鍵 詞:Lab VIEW;電能質(zhì)量監(jiān)測(cè);硬件電路;軟件結(jié)構(gòu)

隨著社會(huì)不斷進(jìn)步,人類對(duì)能源的需求不斷增大,電力需求也逐年增加,使得分布式能源迅速崛起．微電網(wǎng)是由分布式電源、儲(chǔ)能系統(tǒng)和負(fù)荷構(gòu)成且可以實(shí)現(xiàn)自我控制、保護(hù)和管理的自治系統(tǒng),分為并網(wǎng)運(yùn)行、孤島運(yùn)行兩種典型的穩(wěn)態(tài)運(yùn)行狀態(tài)[1]．為了保證微電網(wǎng)安全有效運(yùn)行,需要對(duì)電能質(zhì)量進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè),對(duì)電能的穩(wěn)定提出了更高的要求[2]．

虛擬儀器技術(shù)可通過軟件實(shí)現(xiàn)真實(shí)儀器的功能,通過Lab VIEW軟件中豐富的功能函數(shù)進(jìn)行數(shù)據(jù)處理．基于虛擬儀器技術(shù)開發(fā)了電能質(zhì)量實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)系統(tǒng),可以實(shí)現(xiàn)微電網(wǎng)系統(tǒng)運(yùn)行中各種復(fù)雜信號(hào)分析與顯示功能,且擴(kuò)展能力強(qiáng)．

1 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

基于虛擬儀器的微電網(wǎng)電能質(zhì)量監(jiān)測(cè)系統(tǒng)主要包含了數(shù)據(jù)采集和電能質(zhì)量分析兩部分．系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示．

圖1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖

2 硬件設(shè)計(jì)及選型

2．1 PCI板卡選型

采集卡選用研華PCI-1715u數(shù)據(jù)采集卡,其擁有32路單端或16路差分模擬量輸入或組合輸入方式,采樣頻率可達(dá)500 k HZ、12位分辨率及2500DC的直流隔離保護(hù)．采集卡的輸入選擇雙端差分輸入模式,此模式可以使得放大器有效地抑制共模電壓以及任何與信號(hào)混雜在一起的共模形式噪音,提高測(cè)量質(zhì)量．

2．2 信號(hào)調(diào)理電路設(shè)計(jì)

電壓轉(zhuǎn)換電流信號(hào)電路如圖2所示．由圖2可知,輸入是220 V相電壓,電壓經(jīng)過電阻R102和R103后轉(zhuǎn)換成2 m A的電流信號(hào)．R101和C101構(gòu)成RC低通濾波電路,抗干擾性強(qiáng),有較好的低頻性能．CA139A是額定輸入輸出均為2 m A的電流互感器,有一定的隔離作用．

圖2 電壓轉(zhuǎn)換電流信號(hào)電路

電壓跟隨電路如圖3所示．2 m A電流信號(hào)經(jīng)過電路,利用阻值為909Ω的電阻R104轉(zhuǎn)換成1．818 V的電壓信號(hào),此交流電壓信號(hào)的峰值約為1．818V?＝2．57 V．二極管是為了防止運(yùn)放器LM224同相輸入端和反相輸入端的差值過大,運(yùn)放器由電源板提供12 V的直流電．

圖3 電壓跟隨電路

偏置與限幅電路如圖4所示．峰值為2．5 V的交流電壓信號(hào)進(jìn)入電路,經(jīng)過二階濾波電路和偏置電路,將電壓信號(hào)的峰值變成5 V,保證工控機(jī)中PCI1715U板卡接收的信號(hào)是峰值為5 V的交流電壓信號(hào)．

用IC法獲得采樣電壓時(shí),接線原理圖如圖5所示．TA0193-2M電流互感器將輸入的交流電流信號(hào)轉(zhuǎn)換成2．5 m A交流電流信號(hào),通過阻值為732Ω的電阻,2．5 m A?732Ω?＝2．5 V轉(zhuǎn)換成峰值是2．5 V的交流電壓信號(hào)．

圖4 偏置與限幅電路

圖5 IC法獲取采樣電壓原理接線圖

3 軟件結(jié)構(gòu)與實(shí)現(xiàn)

以工控機(jī)作為上位機(jī),用Lab VIEW完成電能質(zhì)量檢測(cè)、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)和分析,軟件設(shè)計(jì)流程圖如圖6所示．原始電壓、電流經(jīng)信號(hào)調(diào)理電路后轉(zhuǎn)換為符合PCI-1715u板卡接收的交流電壓信號(hào),使用DAQNavi工具包中的Assistant模塊結(jié)合板卡進(jìn)行采集,通過電能質(zhì)量分析后顯示數(shù)據(jù)．

3．1 電能質(zhì)量分析

三相電壓和電流有效值是電能質(zhì)量分析的基礎(chǔ)指標(biāo),根據(jù)采集的離散化電壓、電流序列,計(jì)算電壓和電流的有效值[3]．

電壓有效值:

電流有效值:

頻率偏差是指電力系統(tǒng)在正常運(yùn)行狀態(tài)下,系統(tǒng)頻率的實(shí)際值與額定值的差值,即:Δf＝fR－fN．其中,fR為實(shí)際頻率值;fN為系統(tǒng)的額定頻率;Δf為頻率偏差．通常使用過零檢測(cè)法測(cè)量電壓頻率,但此方法易受諧波以及其他干擾的影響,精度不能保證．在本系統(tǒng)中,使用了二階巴特沃斯低通濾波器,可以有效地降低干擾影響,提高測(cè)量的精確度[4]．

電壓信號(hào)基本參數(shù)測(cè)量程序如圖7所示．利用For循環(huán)和條件語句,通過判定比較和賦值．條件語句中條件為真時(shí),賦值是電壓變比;條件為假時(shí),賦值為0．這樣可以僅保留前6路的電壓信號(hào),因?yàn)樵谛盘?hào)調(diào)理電路中縮小了電壓信號(hào)的值,所以在程序中需要通過電壓變比進(jìn)行放大,最后再去除電壓信號(hào)的直流分量,得到的原始輸入信號(hào)就是微電網(wǎng)中并網(wǎng)點(diǎn)處內(nèi)外網(wǎng)的實(shí)際電壓信號(hào)電壓,并計(jì)算電壓信號(hào)的有效值．

IEC精確定義的利用負(fù)序電壓有效值與正序電壓有效值的比值來計(jì)算三相電壓不平衡度:

．此方法通過測(cè)得各相電壓的幅值和相位來計(jì)算電壓不平衡度[5]．

不平衡度測(cè)量程序框圖如圖8所示．將已計(jì)算出的PCC點(diǎn)內(nèi)外網(wǎng)電壓的幅值和相位大小通過索引,保留內(nèi)網(wǎng)的幅值與相位,再由序分量子Ⅵ計(jì)算出不平衡度和正、負(fù)、零序分量大?。?/p>

圖8 不平衡度測(cè)量程序框圖

總諧波畸變度是衡量一個(gè)電源中諧波成分多少的量,表示信號(hào)波形相對(duì)于正弦波的失真程度[6]．以公式形式表示為:

創(chuàng)建PCC點(diǎn)處幅頻曲線波形的程序框圖如圖9所示．將PCC點(diǎn)的電壓和電流合并,與采樣頻率一起作為幅度譜和相位譜Ⅵ的輸入信號(hào),返回值是幅度譜的大小和頻率間隔,頻率間隔通常作為頻率軸的乘數(shù),用于顯示頻域．處理幅度譜的大小和頻率,創(chuàng)建幅頻曲線波形圖．

圖9 PCC處頻譜曲線及數(shù)據(jù)保存程序框圖

利用虛擬儀器技術(shù)設(shè)計(jì)電能質(zhì)量分析程序方便簡潔,以上程序?qū)崿F(xiàn)了各處交流電壓和電流的波形、序分量的顯示、PCC并網(wǎng)點(diǎn)的電壓和電流的諧波分量、不平衡度的實(shí)時(shí)分析等問題．此外,根據(jù)采集的電壓和電流的數(shù)據(jù),計(jì)算出了有效值、幅值、相位及頻率．

3．2 運(yùn)行效果

PCC點(diǎn)外網(wǎng)的三相電壓與電流波形顯示界面如圖10所示．由圖10可知,波形幅值大小為311 V．電流波形圖是逆變器的實(shí)際電流值,30 k W逆變器的理論電流值為45 A;20 k W逆變器的理論電流值為30 A; 3 k W逆變器的理論電流值為15 A．然而,圖10中3 k W逆變器的電流只有7 A左右,由此可知逆變器越小,受天氣因素影響越大．

圖10 電壓和電流波形顯示界面

PCC點(diǎn)外網(wǎng)電壓的不平衡度及電流諧波含量分析圖如圖11所示．由二維羅盤圖可直觀地反映不平衡度情況．圖11中僅正序分量有數(shù)值,負(fù)序分量和零序分量基本為0,表明三相電壓是平衡的．電壓不平衡時(shí)會(huì)存在負(fù)序分量,直接導(dǎo)致達(dá)到數(shù)倍的電流不平衡的發(fā)生,對(duì)整個(gè)系統(tǒng)的安全運(yùn)行有很大的影響．諧波分析界面顯示的是PCC并網(wǎng)點(diǎn)A相的電流諧波含量,可通過支路的選擇查看其他電流信號(hào)的諧波情況．諧波的存在會(huì)導(dǎo)致系統(tǒng)中的元件產(chǎn)生附加的諧波損耗,降低了發(fā)電、輸電及負(fù)載用電的效率,大量3次諧波流過中性線時(shí)還可能因?yàn)檫^熱導(dǎo)致火災(zāi),所以對(duì)諧波的監(jiān)測(cè)是非常必要的．由圖11可知,PCC點(diǎn)外網(wǎng)A相電流的僅含有一次諧波分量,高次諧波為0．

圖11 不平衡度及諧波分析效果圖

4 結(jié)論

利用Lab VIEW軟件結(jié)合研華的PCI-1715u數(shù)據(jù)采集卡,完成了微電網(wǎng)電能質(zhì)量監(jiān)測(cè)系統(tǒng)．系統(tǒng)能夠?qū)崟r(shí)、準(zhǔn)確地顯示微電網(wǎng)的當(dāng)前運(yùn)行狀態(tài)以及所有參數(shù)信息,具有較高的擴(kuò)展性．

系統(tǒng)根據(jù)電能質(zhì)量的參考標(biāo)準(zhǔn),對(duì)電壓電流有效值、頻率偏差、電壓波動(dòng)、三相不平衡度、電壓電流各次諧波含量以及畸變率等參量進(jìn)行了仿真和計(jì)算,計(jì)算速度快,數(shù)據(jù)準(zhǔn)確,具有很強(qiáng)的實(shí)用性和擴(kuò)展性．

參考文獻(xiàn):

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Design of power quality monitoring system based on LabVIEW

CHENG Xin-xi,CHEN Qi-gong?,GAO Wen-gen
(Anhui Key Laboratory of Detetion Technology and Energy Saving Devices, Anhui Polytechnic University,Wuhu 241000,China)

Abstract:To be able to monitor real-time micro-grid system power quality parameters,the authors use the IPC as a PC,Lab VIEW as PC software,combined with the PCI board to establish a real-time power quality monitoring system based on virtual instrument technology,so as to achieve outlets,reverse variable power quality and load control devices and other micro-network visualization in real time．Besides, this paper describes the hardware circuit design,power quality index calculation and software design methods in details．Experimental results show that this system can realize micro-grid power quality realtime monitoring to ensure the safe and effective operation of the micro-network,according to user needs, and has certain scalability．

Key words:Lab VIEW;power quality monitoring;hardware circuit;software architecture

中圖分類號(hào):TM935

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:A

收稿日期:2015-10-15

基金項(xiàng)目:安徽省科技攻關(guān)基金資助項(xiàng)目(1301022045)

作者簡介:程信羲(1990-),男,安徽滁州人,碩士研究生．

通訊作者:陳其工(1961-),男,安徽明光人,教授,博導(dǎo)．