基于LabVIEW 電力測量工具包的電力系統三相不平衡度測量系統

林綠浩 潘維加 冉曉洪 劉含露

（1.長沙理工大學電氣與信息工程學院，長沙 410004；2.湖北省咸寧市供電公司，湖北 咸寧 437100）

LabVIEW電力測量資源工具包（Electrical power measurements resource kit ） 是 NI（National Instrument）公司針對電力系統開發的應用軟件[1-2]，目前共有兩個版本，每個工具包的版本都對應相應的LabVIEW版本，不可混用。其中Electrical Power 1.1為最新的版本，適用于 LabVIEW 2011；Electrical Power 1.0僅適用于LabVIEW 8.6。

現有版本的電力測量資源工具包（Electrical Power 1.1）剛剛發展起來，實現的功能還比較有限，主要針對直流、單相交流和三相交流系統進行參數測量，其功能包括三個部分：第一部分是測量輸入電壓/電流的有效值；第二部分是功率的測量，包括有功功率、無功功率、視在功率、均方根和相位角；第三部分是針對三相交流系統測量電壓/電流相位、畫出相位圖以及測量正序、負序和零序電壓/電流值。

利用LabVIEW電力測量資源工具包，構建電力系統三相不平衡度測量系統，使檢測過程更簡單、測量結果更直觀。通過對實驗結果的分析，驗證了測量系統的正確性。

1 電力系統三相不平衡度測量系統的設計

1.1 測量系統的硬件設計

三相不平衡度測量系統硬件結構如圖1所示，主要包括KS833信號發生器、信號調理電路、PCI-6133數據采集卡和裝有LabVIEW的工業控制計算機。

圖1 硬件結構示意圖

信號發生器選用深圳凱旋電氣自動化有限公司生產的 KS833三相交直流多功能標準源裝置，其性能指標見表1。該裝置可以發出高精度的三相不平衡信號。

信號調理電路是連接信號發生器和數據采集卡的橋梁，將信號發生器輸出的信號調理成適合數據采集卡采集的標準信號。系統設計中根據信號發生器輸出的信號和數據采集卡可以接收的輸入信號的特點選擇合適的調理電路。號在進入采集卡時需要“排隊”進行 A/D轉換，則采集到的相位不同步，測量的結果也就失去了意義。PCI-6133將采集得到數據送入工業計算機，由相應的程序對采集到的信號進行處理，并將測量結果顯示出來。

表1 KS833的主要性能指標

表2 PCI-6133的主要性能指標

1.2 測量系統的軟件設計

數據采集卡采用NI公司S系列PCI-6133數據采集卡[3]，其主要性能指標見表2。

選擇該數據采集卡主要是因為它擁有 8路同步采樣模擬輸入，測量三相不平衡度需要數據在采集的時候相位上保持同步，如果共用一個 A/D轉換，信

根據電力系統三相不平衡度測量原理[4-6]，利用LabVIEW 電力測量資源工具包開發測量電壓/電流三相不平衡度的程序框圖如圖2所示。

圖2 三相不平衡度測量程序圖

圖 2利用了電力測量資源工具包中測量三相交流參數的 symmetrical components.vi子程序。該symmetrical components.vi子程序的主要功能是根據所給電壓/電流的幅值和相位信息來得到每相的正序、負序和零序值。首先將采集到的三相電壓/電流信號拆分得到A、B、C三相各自的電壓/電流分量；每相信號再由單頻測量控件測量得到各自的幅值和相位。根據symmetrical components.vi輸入端的數據格式需要，將每一相的幅值和相位首先打包成簇（因為幅值和相位屬性不一樣，只能打包成簇而不能打包成數組），然后將三相的參數再組合成數組輸入。通過symmetrical components.vi可以得到每相的正序、負序和零序值。另外，根據測量三相不平衡度標準的規定[7]，設置了一個三相不平衡度為 2%的限制規定值：當測量信號的三相不平衡度值超過了這個限制的規定時，信號燈就會亮起報警。

2 測量結果及分析

為了驗證所設計的電力系統三相不平衡度測量系統的正確性，筆者選擇了三相電壓信號和電流信號分別進行了實驗。

2.1 電壓三相不平衡度測量

實驗中，利用KS833發出三相電壓信號：

信號采集卡PCI-6133將采集到的電壓信號送入計算機，通過三相不平衡度測量程序對電壓信號進行分析處理，得到的測量結果如圖3所示。圖中分別給出了每相電壓的正序、負序和零序值，還給出了每相電壓的波形圖及三相電壓的不平衡度。由于電壓的三相不平衡度測量結果為1.36%，小于2%，未超過限制規定，報警燈沒有亮起。

可見，三相電壓不平衡度測量結果證明了所設計的測量系統的正確性。

圖3 電壓三相不平衡度測量實驗結果

2.2 電流三相不平衡度測量

實驗中，利用KS833發出三相電流信號：

信號采集卡PCI-6133將采集到的電流信號送入計算機，利用三相不平衡度測量程序對電流信號進行分析處理，得到的測量結果如圖4所示。

圖4 電流三相不平衡度測量實驗結果

圖 4分別給出了每相電流的正序、負序和零序值，還給出了每相電流的波形圖及三相電流的不平衡度。電流的三相不平衡度測量結果為 26.12%，遠遠超過了設置的2%限制規定值，報警信號燈亮起。

可見，三相電流不平衡度測量結果證明了所設計測量系統的正確性。

3 結論

在LabVIEW虛擬儀器開發環境的基礎上設計了檢測電力系統三相不平衡度的虛擬測量系統。硬件上由KS833發出三相不平衡信號，原始信號經過信號調理電路后再由PCI-6133數據采集卡進入工業計算機。軟件上主要是利用LabVIEW電力系統資源工具包得到正序、負序、零序分量，對三相不平衡度進行計算。通過選擇三相電壓和電流信號對所設計的測量系統進行實驗，驗證了該測量系統的正確性。

[1]陳樹學,劉萱. LabVIEW寶典[M]. 北京：電子工業出版社,2011.

[2]彭勇，潘曉燁，謝龍漢. LabVIEW虛擬儀器設計及分析[M]. 北京:清華大學出版社,2011.

[3]白云,高玉鵬,胡小江,等. 基于LabVIEW的數據采集與處理技術[M]. 西安:西安電子科技大學出版社,2009.

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[5]Von Jouanne A, Banerjee B. Assessment of voltage unbalance[J]. IEEE Transactions on Power Delivery,2001,16(4):782-790.

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[7]李治,全國電壓電流等級和頻率標準化技術委員會,歐盟-亞洲電能質量項目中國合作組. 電能質量國家標準應用指南[M]. 北京:中國標準出版社,2009.