基于LabVIEW的電能質量監測與分析系統設計

郭華安，加瑪力汗·庫馬什，聶 盼

（1.新疆大學 電氣工程學院，烏魯木齊 830047；2.鄭州輕工業學院 經濟與管理學院，鄭州 450002）

0 引言

人類對電能質量的要求越來越高，而國內對電能質量各項指標的不定期檢測已經不能滿足供電安全的需要，堅固的電力系統需要長期、連續和精確的監測來保障其安全性。利用電能裝置在線測量的網絡化和數字實現對全網的多點監控分析等方面的研究已經成為一個重要課題。國內大多數廠商在電能數據監測方面主要采用單片機結構，其通用性和開發維護性都比較差，除此之外，還有一些高校和部門研發出了基于DSP技術的電能數據監測裝置，在實用性方面取得了較大進步。國際方面，“網絡就是儀器”是發展的主流，利用網絡實現遠程的電能檢測和網絡化電能質量管理。在虛擬儀器上搭建網絡節點電能管理模塊來實現網絡化管理則很好地實現了這一要求。本論文則嘗試設計了基于虛擬儀器平臺的電力試驗數據監測系統，取得了較好效果。

1 電能質量監測與分析系統構成

1.1 數據檢測系統的硬件部分

在大型電力系統中電壓信號和電流信號一般都比較大，需要通過信號調理把其轉換成適于采集的信號。

它的硬件系統構成有主機、數據采集卡、屏蔽電纜、連接器和互感器等組成。其中主機采用Intel 公司的Core 2 Duo Processor E8400 3.0G CPU、2G，M/DDR內存，320G/7200PRM、256顯示內存及以上配置；數據采集卡選擇采用NI公司的6024E；NI公司DAQ卡同時配備一根68芯屏蔽電纜，此電纜一端與數據采集卡相連，另一端與BNC-2120連接器相連，DAQ通過一個68個芯接口與外部進行數據交換；互感器是按比例變換電壓或電流的設備。其功能主要是將高電壓或大電流按比例變換成標準低電壓（100V）或標準小電流（5A或10A），以便實現測量儀表、保護設備及自動控制設備的標準化、小型化。

1.2 數據檢測系統的軟件部分

圖1 系統工作流程

2 電能質量監測與分析系統設計

基于虛擬儀器的電網諧波分系統必須具備檢測系統的三大功能模塊，即數采集模塊、數據的分析模塊和顯示結果模塊。其實電能質量監測與分析系統設計的核心是軟件部分。硬件部分只需將監測點的電壓和電流信號經過信號調理器和數據采集卡以最小失真度轉換為數字信號即可。

圖2是該系統的總體結構圖。

圖2 系統的總體結構圖

解決現場實際應用LabVIEW中遇到的現實問題是開發本系統的一個關鍵原因。在功能強大的LabV IEW圖形化編程環境中如何提高對模型探索、總體效率等問題而作的研究是核心工作。在系統的總體設計下編制應用程序，且對算法、程序優化方面的問題進行深入探索才是關鍵。

由于諧波對電能質量的危害特別大，下面以該系統在諧波分析和控制中的作用為例進行說明。

2.1 測量界面顯示

圖3 部分諧波分析時瞬時三相電壓和電流

圖3只是前面板設計的一部分，它是圖形化用戶界面，該界面可以模擬真實儀器的前面板，通過各種控件來完成量值的輸入和輸出，對標定值、數據采樣值、設定初值進行比較和分析，最終結果利用數據顯示控件進行顯示，用文件路徑顯示控件來確定最終準確值的存儲位置。

2.2 利用MathScript完成程序控制

使用MathScript 節點的好處是可以方便地“執行數學算法”，充分利用虛擬儀器技術的便利輕松自定義交互式用戶界面。在圖形編程中使用MathScript節點。節點路徑：FunctiosMathmaticsScripts & FormulasScri pt NodesMATLAB Script Node。

圖4 諧波分析系統控制面板

用圖形化編程語言G語言編寫。使用M athScript節點，可以快速地將文本數學命令和圖形化編程集成在一起。在程序框圖的控制過程中，程序框圖由節點、數據和端口連線而成，其中框圖是定義虛擬儀器功能的圖形化源代碼。另外，在M athScript節點邊界上定義輸入和輸出，來設定文本MathScript代碼和圖形化LabVIEW數據流編程間傳送的數據。在虛擬儀器中編程來對輸入信息進行運算和處理，在確定完數據采集方式、輸入電壓和電流范圍、信號輸入通道等等之后，用信號發生器產生不同基波頻率的信號，即干擾信號為10%的3次諧波和5%的5次諧波，其信號表達式為：

啟動開關按鈕，運行程序，測量相關數據，每隔一定時間將測量的數據存入到指定的位置里，最后，進行對比和分析，檢驗該系統的檢測效果。

3 實驗結果分析

Fluke43B（它是一個固定、便攜、易用的測試儀器，由電力質量分析儀，萬用表以及示波器所集成）電能質景分析儀具有較高的精度。為了驗證所研制的電能質量監測與分析系統的精度，進行了簡單的實驗：信號源產生信號基波值為220V，基波頻率在50Hz略微波動，此外還包含3次和5次諧波，其幅值分別為22V和11V。最終得到的實驗對比結果如下面表1所示：

表1 諧波測量對比數據

4 結束語

基于LabV IEW的電能質量監測與分析系統設計對電能質量的監測和分析具有良好的實時性和準確性。其中無論是文本化、圖形化還是兩者的結合，用戶都可以在LabVIEW中的 MathScript上選擇最佳的語法，從而提高工作效率，另外，LabVIEW軟件強大的數據處理功能可以對復雜的數據進行快速處理，這些是單片機等其他系統所無法比擬的。

實踐證明，基于LabVIEW的電能質量監測與分析系統可以大大減少電力測量人員的工作量，用很少的硬件就能實現智能化的測量。

[1] 孫秋野,柳昂,王云爽. LabVIEW 8.5快速入門與提高[M].西安:西安交通大學出版社,2007.

[2] 林海雪.現代電能質量的基本問題[J].電網技術,2001,25(10):5.10.

[3] 林海雪.電力系統的三相不平衡[M],中國電力出版社,1998.

[4] 方敏,陳志超,張明.基于虛擬儀器的過程控制系統的設計[J].儀表技術與傳感器,2008,(9):37-39.

[5] 王磊,陶梅.精通Labview 8.0[M].北京:電子工業出版社,2007.

[6] 張紅民,李曉峰.基于LabVIEW的多線程編程技術比較研究[J].電子技術應用,2008,34(10):89-91.