基于LabVIEW的多功能農村電網質量監測系統設計

楊 旻

（江蘇大學電氣信息工程學院，江蘇 鎮江 212013）

隨著農村產業經濟的日益發展、農村電網中出現了大量非線性、沖擊性電荷，嚴重影響著農村用戶的日常生產生活。為了改善農村電網電能質量、減少電能質量問題對農民造成的經濟損失，開發多功能農村電網質量監測系統已經成為一種迫切需求。目前農村電網質量監測系統的實現方式主要有基于數字信號處理器(DSP)的監測系統[1]和基于虛擬儀器的監測系統。針對農村技術比較薄弱、資金較少等特點，筆者運用虛擬儀器技術在LabVIEW軟件中設計了一套多功能農村電網質量監測系統，該系統具有精度高、開發成本低、開發周期短等優點，并且可以通過軟件將信號采集卡的模擬輸出端口作為信號源快速驗證系統功能，特別適合農業電氣化發展的需求。

1 系統硬件結構

系統硬件結構見圖1，其中數據采集卡使用NI-DAQCard-6024 E多功能數據采集卡，該采集卡為PCMCIA接口，可用于筆記本電腦和PDA，便攜性較高，有16路12位模擬輸入，2路12位模擬輸出，8條數字I/O線，2個24位計數器，其最高采樣頻率為200 ks/s。NI SCB-68接線模塊可以用于信號調理，對輸入信號進行抗混疊濾波。為了達到國家標準的要求，所測諧波最高次數為50次，因此選擇抗混疊濾波器的截止頻率為2 500 Hz。

圖1 系統硬件結構圖

2 系統分析軟件

“軟件即是儀器”是NI公司提出的口號，因此系統分析軟件是本系統的核心。使用LabVIEW的圖形化編程語言—G語言，可以高效地開發出系統分析軟件的各個功能模塊[2]，并采用LabVIEW的模塊化設計方法組建系統分析軟件的整體。

2.1 系統分析軟件總體結構

我國的國家標準中電能質量主要包括5項指標：供電電壓的允許偏差、電力系統的頻率偏差、三相電壓不平衡度、電網諧波含量、電壓波動與閃變。按照國家標準的要求，系統分析軟件總體結構包括：電壓和頻率偏差計算模塊、三相不平衡度計算模塊、閃變測量模塊、諧波分析模塊，在此基礎上還設計了間諧波檢測模塊和功率測量模塊。

2.2 電壓和頻率偏差計算模塊

電壓偏差即供電電壓的允許偏差，是指電力系統中供電電壓偏離額定電壓的緩慢變動。電壓偏差的定義見式（1）。

式中實測電壓為有效值，可以通過電壓有效值計算公式求出，計算公式見式（2）。

離散化采樣后，若采樣時間間隔相等，其離散化計算公式見式（3）。

頻率偏差是指電力系統在正常運行條件下的實際頻率與額定頻率之差，計算公式見式（4）。

其中f0為額定頻率即工頻（50 Hz）。

LabVIEW波形測量子選板中帶有基本平均直流-均方根測量函數（Basic Averaged DC-RMS.vi），該函數可以按照選定的加窗和平均類型計算波形的直流分量（DC）以及均方根值（RMS，即有效值）[3]，可以利用此函數測量出電壓信號的有效值，再由公式（1）求得電壓偏差；頻率偏差的計算也非常方便，可以通過調用LabVIEW波形測量子選板中自帶的函數提取單頻信息（Extract Single Tone Information.vi），該函數在指定頻段提取幅值最大的成分頻率信號，可以輸出抽取的信號頻率[3]，再根據公式（4）求得頻率偏差。

2.3 三相不平衡度計算模塊

三相不平衡度的計算可以通過對稱分量法進行,在分解出正序（U1）和負序（U2）分量之后，三相不平衡度就可以求出。計算三相不平衡度可以通過下面的簡化算式求得，見式（5）。

式中L可以通過式（6）計算。

式（6）中a，b，c，為3個線電壓的有效值。

2.4 功率測量模塊

功率測量模塊用于計算有功功率、無功功率、視在功率、功率因數等參數。利用LabVIEW波形測量子選板中的基本平均直流-均方根測量函數（Basic Averaged DC-RMS.vi）測量出三相電壓、電流信號的有效值，就可以計算出上述參數。

2.5 間諧波檢測模塊

間諧波作為一種特殊的諧波，其頻率是基波頻率的非整數倍。采用小波分析方法對間諧波進行檢測，LabVIEW軟件的高級信號處理工具包（advanced signal processing toolkit）中帶有連續小波變換（CWT）函數，并利用Matlab腳本節點調用小波工具箱中的小波包變換（WPT）函數，可以實現對間諧波的檢測。

2.6 閃變測量模塊

電壓閃變是由電壓幅值波動所引起的，是人眼對由電壓波動引起的白熾燈亮度變化的主觀感受。國際電工委員會(IEC)根據國際電熱協會（UIE）的推薦，制定了閃變儀的功能設計規范，其框圖如圖2 所示[4]。

圖2 IEC閃變測量儀框圖

框a－框c是對燈—眼—腦環節的模擬，其中框a中的平方器模擬燈的作用，反映了燈光強度與電壓的平方關系，通過平方檢測法從工頻電壓波動中解調出反映電壓波動的調幅波；帶通濾波器由截止頻率分別為0.05 Hz的高通濾波器和35 Hz的低通濾波器構成。

框b中的視感度加權濾波器用來模擬人眼的頻率選擇特性。

框c是平方器和一階低通濾波器,用來模擬人腦神經的視感反應和記憶效應。

框d用于統計和閃變值的評定。

經過統計，可以得到瞬時閃變值的累積概率函數(CPF)曲線，然后根據式（7）計算短時間閃變值 ，用于衡量閃變的嚴重程度。

式中 P0.1，P1，P3，P10，P50，分別為 10 分鐘內瞬時閃變值超過0.1%、1%、3%、10%和50%時間的覺察單位值。如果輸入信號是周期性穩態電壓波動信號，則P0.1=P1=P3=P10=P50=S(t)，計算公式可以簡化為式（8）。

式中，S（t）為瞬時閃變值的穩定平均值。

對于長時間閃變值P1t，國標通用規定統計時間為2 h。根據IEC的推薦，對于已順序測得12個10 min短時間閃變值P1t數據，P1t可以通過式（9）求得。

2.7 諧波分析模塊

諧波是一個周期性電氣量的正弦波分量，其頻率為基波頻率的整數倍。諧波是衡量電能質量的一項重要指標，諧波分析最經典也是目前最常用的方法是快速傅里葉變換法（FFT）[5]，但是在實際采樣過程中，不能做到嚴格的同步采樣，因此FFT算法存在柵欄效應和頻譜泄漏現象，會對電能參數（如頻率、幅值和相位等）的測量精度產生影響，需要通過加窗的方法來提高精度。

諧波的嚴重程度通常用各次諧波含有率（HR）和總諧波畸變率（THD）來衡量。具體的分析方法是：采用FFT算法計算基波和各次諧波的幅值，通過式（10）和式（11）計算 次電壓含有率HRUn和總諧波畸變率(THD)[6]。

總諧波畸變率(THD)是諧波總量的有效值與基波分量的有效值之比，可以反映諧波總的含量。其中，Ui為i次諧波電壓幅值，U1為基波電壓幅值，n是總諧波次數。

LabVIEW軟件中的諧波失真分析函數（Harmonic Distortion Analyzer.vi）內置有加 Hanning窗的FFT算法，可以快速直接的計算出直流分量、基波幅值、各次諧波的幅值、總諧波畸變率（THD）等。數據采集采用差分輸入方式，將采樣方式配置為有限采樣[7]，采樣率和采樣點數都設置為100 00。諧波分析模塊程序框圖如圖3所示。

圖3 諧波分析模塊程序框圖

3 諧波分析實驗結果

使用LabVIEW軟件中的混合單頻和噪聲信號函數（Tones and Noise Waveform.vi），向 602 4E 采集卡的模擬輸出通道AO 0發生如下諧波波形，見式（12）。

諧波信號發生模塊如圖4所示，由于NI 6024E采集卡的模擬輸入電壓范圍為-5V—+5V，為了便于采集，因此將模擬輸出AO電壓范圍也設置為-5～+5V。將SCB-68接線模塊的模擬輸出通道AO 0與其模擬輸入通道AI 0相連，就可以對諧波信號發生模塊在AO 0上發生的諧波波形信號進行采集，諧波分析結果如表1所示。實驗同時測得基波幅值為 3.000 6 V，基頻為 50.000 3 Hz，THD為79.850 3%，各次諧波含量也可以通過LabVIEW中的波形圖表控件直觀的顯示出來，見圖5。通過實驗結果可以計算出最大的相對誤差為1.08%，因此設計的諧波分析模塊的測試結果是準確可靠的。

圖4 諧波信號發生模塊程序框圖

表1 諧波分析實驗結果

圖5 各次諧波含量柱狀圖

4 結論

隨著我國農村經濟的不斷發展和大量農電設備不斷投入使用，農村電網質量問題得到了廣泛的關注。為此，筆者以虛擬儀器技術為核心，依據電能質量的各項指標及其分析方法，借助LabVIEW軟件中功能強大的VI軟件，開發了一套多功能農村電網質量監測系統。實驗結果表明，該系統具有很高的穩定性和測量精度，能夠有效、準確地監測出電能質量各項指標，對改善農村電網質量，減小由電能質量問題引起的經濟損失有著一定的實際應用價值。

[1] 徐雷鈞，白 雪，趙不賄.基于嵌入式系統的農村電網質量監測技術研究[J].中國農村水利水電，2008，（8）：138-141.

[2] 潘文霞，韓中林，劉 剛，等.基于MATLAB與虛擬儀器對風電場電能質量監測系統[J].控制理論與應用，2008，（4）：331-335.

[3] 候國屏，王 坤，葉齊鑫.LabVIEW 7.1編程與虛擬儀器設計[M].北京：清華大學出版社，2005.

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[6] S.K Bath,Sanjay Kumra.Simulation and Measurement of Power Waveform Distortions using LabVIEW[C].IEEE Power Modulator Conference,Las Vegas,NV,USA，2008：427-434.

[7] J.Travis，J.Kring.LabVIEW for Everyone[M],3rd Edition,Prentice Hall,2007.