基于LabWindows/CVI的電能質(zhì)量分析儀

陳 莉 張宏立 張瑞明

(新疆大學(xué)電氣工程學(xué)院，新疆 烏魯木齊 830047)

0 引言

由于系統(tǒng)中的發(fā)電機(jī)、變壓器、線路和用電設(shè)備的非線性或不對(duì)稱，以及外界干擾和各種故障等原因，使電網(wǎng)中產(chǎn)生大量的諧波干擾、電壓波動(dòng)與閃變，造成了系統(tǒng)電壓不平衡，從而產(chǎn)生了電能質(zhì)量問題。衡量電能質(zhì)量的主要指標(biāo)有頻率偏差、電壓偏差、電壓波動(dòng)與閃變、波形和三相電壓電流不平衡度等[1]。

與傳統(tǒng)的儀器相比，虛擬儀器具有以下優(yōu)點(diǎn)：數(shù)據(jù)處理速度快、測(cè)量精度高、功能由用戶自定義、維護(hù)費(fèi)用低、通信能力強(qiáng)、數(shù)據(jù)可編輯/存儲(chǔ)/打印。本文簡(jiǎn)單介紹了數(shù)據(jù)采集卡及其基本函數(shù)，建立了用戶界面，并利用LabWindows/CVI軟件實(shí)現(xiàn)了測(cè)試功能，大大突破了傳統(tǒng)儀器在數(shù)據(jù)處理、顯示和傳送等方面的限制。

1 電能質(zhì)量分析方法及標(biāo)準(zhǔn)

目前常用的電能質(zhì)量分析方法有：①時(shí)域仿真法，即利用各種時(shí)域仿真程序?qū)﹄娔苜|(zhì)量中的各種暫態(tài)現(xiàn)象進(jìn)行研究，較為通用的時(shí)域仿真程序有EMPT、EMTDC、NETOMAC、BPA等系統(tǒng)暫態(tài)仿真程序和Spice、PSpice、Matlab、Saber等電力電子仿真程序兩大類;②頻域分析法，主要用于諧波問題的分析計(jì)算，包括頻率掃描、諧波潮流計(jì)算等;③基于變換的方法，主要有傅里葉變換、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、二次變換、小波變換和Prony分析等5種方法。

由于所處立場(chǎng)不同，關(guān)注或表征電能質(zhì)量的角度不同，人們對(duì)電能質(zhì)量的定義還未能達(dá)成完全的共識(shí)，但是對(duì)其主要技術(shù)指標(biāo)都有較為一致的認(rèn)識(shí)[2]。

①電壓偏差，是電壓下跌和電壓上升的總稱。

②頻率偏差，對(duì)頻率質(zhì)量的要求全網(wǎng)相同，不因用戶而異，各國對(duì)于該項(xiàng)偏差標(biāo)準(zhǔn)都有相關(guān)規(guī)定。

③電壓三相不平衡，表現(xiàn)為電壓的最大偏移與三相電壓的平均值超過規(guī)定的標(biāo)準(zhǔn)。

④諧波和間諧波，含有基波整數(shù)倍頻率的正弦電壓或電流稱為諧波，含有基波非整數(shù)倍頻率的正弦電壓或電流稱為間諧波，小于基波頻率的分?jǐn)?shù)次諧波也屬于間諧波。

⑤電壓波動(dòng)和閃變，電壓波動(dòng)是指在包絡(luò)線內(nèi)的電壓的有規(guī)則變動(dòng)，或是幅值通常不超出0.9～1.1倍電壓范圍的一系列電壓隨機(jī)變化;閃變則是指電壓波動(dòng)對(duì)照明燈的視覺影響。

2 軟硬件設(shè)計(jì)

2.1 電能質(zhì)量分析儀的硬件

電能質(zhì)量分析儀的硬件部分如圖1所示。

圖1 電能分析儀的硬件框圖Fig.1 Hardware block diagram of the power quality analyzer

電壓互感器的型號(hào)為SPT204，它是一款毫安級(jí)精密電壓互感器，輸入、輸出額定電流均為2 mA。信號(hào)調(diào)理電路主要由隔離放大器和抗混疊濾波器組成。

數(shù)據(jù)采集卡PCL-818H是一款100 kHz的多功能數(shù)據(jù)采集卡，它可以通過20芯的扁平電纜接口直接與信號(hào)調(diào)理板相連，它具有[3]：12位 A/D 分辨率，100 kB/s采樣速率，16路單端或8路差分模擬量輸入，自動(dòng)通道/增益掃描，1路12位模擬量輸出，16路數(shù)字量輸入/輸出，1路16位計(jì)數(shù)器。數(shù)據(jù)采集卡的庫函數(shù)說明如下。

DRV DeviceOpen(Device Num ，＆DriverHandle)：?jiǎn)?dòng)板卡所需函數(shù)。其中：DeviceNum是指設(shè)備編號(hào)，DriverHandle是指向所選設(shè)備編號(hào)的句柄指針。

DRVAOVoltageOut(DriverHandle，＆ptAOVoltageOut)：模擬輸入操作函數(shù)。

DRVAIConfig(DriverHandle，＆ptAIConfig)：模擬輸入配置函數(shù)。

DRVAIVoltageIn(DriverHandle，＆ptAIVolrageIn)：模擬輸出操作函數(shù)。

DRV DeviceClose(＆DriverHandle)：關(guān)閉板卡函數(shù)。

2.2 LabWindows/CVI軟件開發(fā)環(huán)境介紹

電能質(zhì)量分析儀的軟件設(shè)計(jì)采用先進(jìn)的虛擬儀器程序設(shè)計(jì)語言工具LabWindows/CVI，其核心是對(duì)象編程。LabWindows/CVI將功能強(qiáng)大的C語言平臺(tái)和用于數(shù)據(jù)采集、分析和表達(dá)的測(cè)控專業(yè)工具有機(jī)地結(jié)合起來。集成化開發(fā)平臺(tái)、交互式編程方法、豐富的功能面板和庫函數(shù)大大地增強(qiáng)了C語言的功能，為熟悉C語言的開發(fā)人員建立了一個(gè)集檢測(cè)系統(tǒng)、自動(dòng)測(cè)量環(huán)境和過程監(jiān)控系統(tǒng)等方面的理想軟件開發(fā)環(huán)境。

2.3 電能質(zhì)量分析儀的軟件

電能質(zhì)量參數(shù)的計(jì)算方法如下。

①利用快速傅里葉變換求取基波和諧波的幅值、相位。電力系統(tǒng)中的電壓和電流信號(hào)都可用一個(gè)周期函數(shù)來表示，即：

式(2)中第一項(xiàng)A0為函數(shù)f(t)的直流分量，第二項(xiàng)C1sin(hωt+φ1)為基波分量，其余為高次諧波分量[4]。

利用 LabWindows/CVI提供的 FFT()函數(shù)[5]，在程序中計(jì)算代碼如下。

SetCtrlVal(panelHandle，PANEL_JIAMP，Mag[2]*2/samples)

SetCtrlVal(panelHandle，PANEL_SANAMP，Mag[6]*2/samples);

SetCtrlVal(panelHandle，PANEL_WUAMP，Mag[10]*2/samples);

SetCtrlVal(panelHandle，PANEL_JIPHASE，Phase[2]*180/3.1415926+90);

SetCtrlVal(panelHandle，PANEL_SANPHASE，Phase[6]*180/3.1415926+90);

SetCtrlVal(panelHandle，PANEL_WUPHASE，Phase[10]*180/3.1415926+90)。

②采用自相關(guān)函數(shù)分析法求基波相位差，利用LabWindows/CVI提供的自相關(guān)分析函數(shù)Correlate()可以方便地分析出各次諧波的強(qiáng)度及含量。

③諧波源使得實(shí)際的電壓波形偏離正弦波，這種現(xiàn)象稱為電壓正弦波形畸變，通常以諧波來表征。電壓波形畸變的程度用電壓正弦波畸變率來衡量，也稱電壓諧波畸變率，它以各次諧波電壓的均方根值與基波電壓有效值之比的百分?jǐn)?shù)來表示。電壓諧波畸變率為：

式中：un為第n次諧波電壓有效值;u1為基波電壓有效值[6]。

④點(diǎn)擊電能質(zhì)量分析儀的用戶操作界面中的說明按鈕，將彈出虛擬諧波分析儀使用說明的對(duì)話框。

通過反復(fù)試驗(yàn)，得到如表1所示的數(shù)據(jù)。

表1 理論值和實(shí)測(cè)值的比較Tab.1 Comparison of the theoretical and actual values

由表1可知，此電能質(zhì)量分析儀所測(cè)量得到的電壓基波及各次諧波最大測(cè)量誤差為0.4%，滿足等級(jí)為0.5級(jí)的儀器精度要求。

3 結(jié)束語

本文系統(tǒng)地介紹了如何利用LabWindows/CVI虛擬儀器平臺(tái)對(duì)電能質(zhì)量進(jìn)行檢測(cè)。試驗(yàn)證明，該系統(tǒng)能夠進(jìn)行實(shí)時(shí)的數(shù)據(jù)采集、計(jì)算、分析、顯示與保存，并且能夠達(dá)到精度要求，充分發(fā)揮了虛擬儀器可靠性高、性價(jià)比高、靈活性好和維護(hù)方便等優(yōu)勢(shì)，相信該系統(tǒng)在電能質(zhì)量檢測(cè)應(yīng)用中有一定的幫助作用。

[1]孫曉云，郭立創(chuàng).基于LabWindows/CVI的虛擬儀器設(shè)計(jì)與應(yīng)用[M].北京：電子工業(yè)出版社，2005：227 －240.

[2]肖湘寧.電能質(zhì)量分析與控制[M].北京：中國電力出版社，2004：182 －267.

[3]吳唏.基于LabWindows/CVI 5.0平臺(tái)的八通道數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)[J].世界產(chǎn)品與技術(shù)，2000(4)：58 －60.

[4]許逵，邱國躍.基于虛擬儀器技術(shù)的諧波監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)[J].中國西部科技，2008(27)：45 －47.

[5]張毅剛，喬立巖.虛擬儀器軟件開發(fā)環(huán)境LabWindows/CVI6.0編程指南[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2002：58－60.

[6]扶蔚鵬，王旭紅，王暉.電源電壓波形畸變率的分析[J].長(zhǎng)沙電力學(xué)院學(xué)報(bào)：自然科學(xué)版，2001(1)：47 －49.

[7]林琳，鄧曙光.基于虛擬儀器LabWindows/CVI的電能質(zhì)量分析儀[J].湖南城市學(xué)院學(xué)報(bào)：自然科學(xué)版，2008，9(3)：48 －50.