基于LabVIEW的電能監測系統的設計研究

王輝春,李衛,謝照祥

(云南電網有限責任公司 普洱供電局,云南 普洱 665000)

基于LabVIEW的電能監測系統的設計研究

王輝春,李衛,謝照祥

(云南電網有限責任公司 普洱供電局,云南 普洱 665000)

文中主要是將虛擬儀器技術作為主要研究對象,研究其在電能質量檢測中的作用和方式,通過大量的實踐,研制出了一套基于LabVIEW的電能監測系統,并且對其進行理論層面的剖析,研究各項電能質量相關指標是否符合設計要求,虛擬儀器中各個軟件的程序編寫也是主要研究內容,通過虛擬系統,實現了對電能質量各參數的檢測,分析和記錄數據等。最后還對基于此虛擬系統計算得出的數據進行相關誤差分析,找出了其內在原因。

虛擬儀器技術；電能質量監測；LabVIEW；設計研究

電能對于我們人類生活來說是一種寶貴的清潔能源,并且是可再生的,對電能的應用程度和效率是一個國家綜合國力的必要體現［1］,與國家的發展和繁榮息息相關。不僅如此,如何高效的利用電能這種資源來更好地滿足國家的工業生產,社會和人民的日常生活關系著國家的發展大計,也是一個國家科技實力和文明程度的重要特征［2］。所以,進行電能質量監測是具有很重要的戰略意義,電能質量一般包括傳統意義上的穩態電能質量和現代意義上的暫態電能質量,如果沒有一個切實可行的監測系統,造成的后果不堪設想［3］。必須要有一個自動化的系統對電參數進行一個全面的、系統的監測,才能準確得到數據,其次根據這些數據制定相關行業標準和國家標準。基于上述,利用虛擬儀器的電能質量監測系統具有成本可控,使用方法簡單,效率高,準確性好的特點,從而,利用它來進行電能質量監測能夠相當好的滿足我們實際工程中的需求。

1 對于系統的設計目標與要求

理論和實踐研究表明,虛擬儀器的相關技術具有成本低,性價比較高,抗干擾作用效果明顯,易于使用的優點［4］,這些優點漸漸的在測量行業和領域內得到了印證。正因為這些不可或缺的特征和優點,本文將設計基于虛擬儀器相關的質量參數監測的相關系統,設計成功后的系統將擁有電網信號的相關數據收集、分析綜合和完成各參數實時監測的諸多功能,這些功能的實現必將為整個電力系統行業注入新鮮的血液［5］。

2 系統設計中的拓撲結構

文中所設計的系統由兩部分構成,其一是硬件的采集系統,其二是軟件的數據處理系統［6］。其中硬件的采集系統由四個模塊設計而成,分別是電壓模塊,電流互感器模塊,信號調理電路模塊和PXI數據采集模塊,這些模塊主要作用是用來感知感應被測對象和提取信號相關數據。另一方面,軟件的編寫部分是通過LabVIEW相關語言軟件編寫的界面相關顯示的主程序。

圖1 系統設計中的拓撲結構Fig.1 System design topology

3 監測系統硬件的外圍電路設計

3.1 互感器相關模塊的電路設計

通過反復的理論推導和論證,最終決定選用CHB-25NP型具有磁性補償能力的閉環霍爾電流互感器和CHV-50P/*A型的電壓相關互感器［7］。這樣的選擇是因為其有很多在監測系統中必不可少的優點特性,如反應時間快,頻率范圍較寬等。表2和表3分別給出電流互感器和電壓互感器的相關接線圖中的參數選取標準。

表1 電流互感器模塊中電氣相關參數Tab.1 Electrical current transformer module parameters

表2 電壓互感器模塊中電氣相關參數Tab.2 Voltage transformer module electrical parameters

3.2 濾波的調理電路模塊設計

1）濾波電路模塊中電壓信號的設計

通過實際測試,并且應用Multisim10軟件對電路進行詳細的分析和調試,設定濾波器的截止頻率為10 V,并且要保證在通帶內具有平坦的響應特性。濾波電路如圖2所示。

圖2 電壓信號濾波電路Fig.2 Voltage signal filtering

對電壓信號的濾波效果進行了測試,測試結果為通帶的增益為2.3,截止頻率結果是1.5 kHz,其衰減的倍數最終測試為37 dB。

2）濾波電路模塊中電流信號的設計

此設計中應保證DAQ卡在接近滿量程的情況下進行測量,這樣可以提高精確度。其電路模擬圖如圖3所示。

圖3 電流信號濾波電路Fig.3 Current signal filter circuit

根據測試結果,其通帶增益達到了35,而截止頻率為1.64 kHz,衰減81 dB。

3）濾波調理電路供電電源的模塊設計方案

根據大量的測試和計算,最后確定了本設計方案采用LM317和LM337型號的可以調節的三端穩壓器［8］,這個器件跟二極管相結合可以對電路起到一個保護作用,最終可以實現可調直流電壓的輸出功能。相關電路圖如圖4所示。

圖4 電源模塊的電路設計圖Fig.4 Circuit design of the power module

4 監測系統中軟件相關模塊設計

我們知道,在監測系統中軟件部分是決定一個系統是否足夠成熟的重要標志,它是整個系統的關鍵所在,主要是用于對硬件采集來的信號和相關數據進行分析和綜合,并且將其顯示出來,所以在軟件編寫的過程中,要特別注重軟件的可操作性和穩定性,否則,硬件采集來的信號將不能有效的進行處理,從而整個設計也就失敗了,在軟件的設計中,還要特備注重特別情況的報警和提示功能。本文將從三個方面簡要分析軟件設計思路和相關功能實現方式。

4.1 相關數據采集模塊的軟件設計

這個模塊將成為整個系統的初始部分,其主要負責通過與硬件的配合為系統提供有效的可靠數據,即所謂的未經加工的原始數據。本系統將采用LabVIEW函數中的DAQmx函數,它具有相對好的性能,可以承擔起整個系統的數據收集任務。采集卡DAQmax函數通過監測得到的是一個六列的數組,并且是二維的。按照一定的規則和掃描順序,每個組件采集到的數據將被安插在數組中。這個模塊的后面板所執行的程序如圖5所示。

圖5 監測系統數據的采集模塊程序圖Fig.5 Acquisition module program chart data of monitoring system

4.2 監測系統中波形顯示與參數測量模塊的設計

系統中這個程序的作用主要是對三相信號進行一定的處理,即波形重組。這個模塊主要依據上一個模塊收集到的數據和信息,如時間間隔和起始時間等,并且利用庫函數對其信號的波形簇進行恢復。還有,它可以充分利用提取到的單頻信息,幅值和電平函數等重要參數標準,目的是為了實現基本參數的精確測量。

4.3 監測系統中功率監測的模塊設計方案

整個系統中,這個模塊組件的設計相對來說比較容易實現,且模塊的功能明確,操作簡單,原理清晰,就是利用固有的定義式包括功率和功率因素等,還要結合LabVIEW軟件中相對應的計算算法和控制組件,換句話說,就是將現有的成熟公式進行程序化實現即可。

4.4 系統中電壓的波動計算模塊設計方案

在這個模塊的設計中,首先要根據波形周期和一定的采樣周期計算采樣的節點數目,根據已有數據結合采樣的數組長度數據,從而計算出一個采樣節點內有多少個波形的周期。從一個數組中需要知道如何截取采樣點數是這里面的關鍵所在。計算出來的有效值可以放到有效值所在的周期數組。然后根據一系列的理論推導找出最大值和最小值,這樣,電壓波動也就計算出來了。

5 監測系統的性能測試及分析

文中主要從兩方面來測試設計的系統是否滿足設計要求,且有無重大的設計缺陷,第一方面主要是電能質量關鍵參數監測模塊的測試,第二方面是暫態信號發生器的模塊測試。

5.1 系統中電能質量關鍵參數模塊的測試

誤差主要用絕對誤差和相對誤差來詮釋,根據的是與誤差相關的兩個公式:

絕對誤差=|實際值-測量值|

相對誤差=絕對誤差/實際值

根據系統測試,主要的結果反映如圖6所示。

圖6 三相電壓的測量誤差結果圖Fig.6 Three-phase voltage measurement error results

1）首先對三相電壓相關參數進行測量,測量的誤差結果如圖6所示。

進行了多次的實際測試,從上圖這個誤差統計圖可以看出,系統軟件在電壓這一個模塊的誤差范圍大概為0～1.3﹪,根據文獻資料和相關工程技術標準,一般來說,可接受的誤差在百分之幾至千分之幾就可以接受,顯然,系統的誤差范圍可以達到要求的標準。

2）對三相電流的誤差進行測量,根據多次測量的實驗值可以有效的統計出,設計的電能監測系統在電流模塊的誤差大概范圍為0～2.2﹪,我們經過多方考證,對于實際應用中的設計要求,其允許的相對誤差范圍應該為百分之幾-千分之幾,經過對比發現,此系統的誤差范圍符合工業實際應用,是比較精確地。

3）系統的電壓電流的偏差設計測試:對整個監測系統的電壓電流的偏差設計進行必要測試,結果如下圖11所示,其中A,B,C三相的電壓、電流額定值依次設置為220 V,221 V，222 V,4.6 mA,3.8 mA,2.5 mA。根據目前的國家標準和相關文件規定,供電電壓允許偏差為±6﹪,所以我們在實際測試中得出的結果是符合要求的,相對準確的。

5.2 監測系統中暫態信號發生器模塊的相關測試

這個模塊對整個系統的平穩運行也起到一個關鍵性作用,對于這個模塊的的相關測試,我們只要知道它在實際運行中是否可以按照設計要求產生準確的波形圖就可以。經過實際檢測,我們可以得到如下的波形圖。

與相關文獻和工程實際應用中出現的波形信號相比較,可以得出結論:此模塊產生的波形故障信號是符合設計要求的。

6 結束語

文中在虛擬儀器技術原理掌握的基礎上,基于LabVIEW設計軟件進行了電能質量監測系統的設計與研究,根據設計要求,設計出了一套切實可行的監測系統,對于電能的高效利用作出了創新性的研究。并且對于設計出的系統進行了一系列的定量分析,找出其存在的誤差并且對照已有的工程質量的標準,得出結論,所設計出的系統是符合現有標準的誤差范圍的,所監測的數據質量是切實可信的。

電能的高效利用關乎國家可持續發展的大計,本文的研究內容和所做的工作還很有限,對電能質量進行實時的,網絡化遠程監測與分析的研究才剛起步,在后續的設計研究中,會更加注意系統的綜合運用性,特別注意與實際相結合,對參數的設置更加合理,以期達到更穩定更使人信賴的系統。

圖7 電壓的中斷信號產生的波形圖Fig.7 Interrupt signal generated voltage waveform diagram

圖8 電壓的凹陷信號產生的波形圖Fig.8 Voltage signal waveform diagram recess

［1］Dugan R C，Megranghan M F，Benty H W.Electrical power system quality［M］.NewYork:MC Graw-Hill，1996.

［2］Xu W，Jose J R，Dommel H W.A multiphase harmonic load-flow solution technique［J］.IEEE Trans on Power Systems，1991，6（l）:174-182.

［3］Daubechies I.Ten lectures on wavelets［C］.Philadelphia，Pennsylvania，SIAM Mathematieal Analysis，1992.

［4］British Standard Institution.BS EN 50160:2007 Voltage characteristics of electricity supplied by public distribution system［S］.2007.

［5］IEEE Standards Coordinating Committee 22 on Power Quality，IEEE Std 1159-1995［C］.IEEE Recommended Practice for Monitoring Electric Power Quality，ISBN-1-55937-549-3，1995.

［6］黃振華.基于虛擬儀器的電力參數及FACTS裝置監測系統［D］.北京:清華大學，2006.

［7］全國電壓電流等級和頻率標準化技術委員會.電壓電流頻率和電能質量國家標準應用手冊［S］.北京:中國電力出版社，2001.

［8］林海雪.三相電壓不平衡標準 ［J］.建筑電氣，2011，27（10）: 25-29.LIN Hai-xue.Standard three-phase voltage imbalance［J］.Electrical Building，2011，27（10）:25-29.

Designing energy monitoring system of LabVIEW-based

WANG Hui-chun，LI Wei，XIE Zhao-xiang
（Puˊer Power Supply Bureau,Yunnan Power Grid Co.,Ltd.,Pu′er 665000，China）

This article is the virtual instrument technology as the main research object，its role and the way in power quality detection，through a lot of practice，developed a set of power monitoring system based on LabVIEW，and its theoretical analysis，study whether the power quality related indicators meet the design requirements，the virtual instrument software program is written in each main contents，through virtual system to achieve the parameters of power quality detection，analysis and recording data.Finally，based on this virtual system data calculated correlation error analysis to identify their underlying causes.

virtual instrument technology；power quality monitoring；LabVIEW；design

TM933.4

：A

：1674-6236（2015）18-0130-04

2015-03-30稿件編號：201503451

王輝春（1985—）,男,天津人,工程師。研究方向:繼電保護檢修管理。