基于LabVIEW的煤礦電壓質量在線監測系統設計

李金喜,　陳繼永

(1.江蘇工程職業技術學院 航空工程學院, 江蘇 南通　221006；2.江蘇工程職業技術學院 機電工程學院, 江蘇 南通　221006)

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基于LabVIEW的煤礦電壓質量在線監測系統設計

李金喜1,陳繼永2

(1.江蘇工程職業技術學院 航空工程學院, 江蘇 南通221006；2.江蘇工程職業技術學院 機電工程學院, 江蘇 南通221006)

摘要：針對煤礦電網日益嚴峻的供電質量問題，采用信號調理電路、數據采集卡及LabVIEW虛擬儀器技術設計了一套煤礦電壓質量在線監測系統。仿真及測試表明，該系統實現了井下電源電壓質量的在線監測，具有實時顯示波形，測量電壓、頻率、諧波、三相電壓不平衡度、電壓波動與閃變等指標參數，保存并分析采集數據等功能，測量準確，可靠性高，具有一定的實用性。

關鍵詞：煤礦電網； 電壓質量； 在線監測； 三相電壓不平衡度； 電壓波動與閃變； 信號調理； LabVIEW

網絡出版地址：http://www.cnki.net/kcms/detail/32.1627.TP.20160803.1009.020.html

0　引言

隨著電力技術的發展，大量的電力電子變流裝置和大容量非線性設備被引入煤礦供電系統，嚴重影響了煤礦電網的電能質量；同時，越來越多敏感的電力設備對供電質量提出了更嚴格的要求。這兩者的矛盾使得電能質量問題受到愈來愈多人的關注。只有對煤礦電能質量進行有效監測和控制，才能有效解決上述問題，保證電力系統的有效運行和供電質量[1]。隨著電能質量研究的發展，電力監測裝置已經從模擬式儀表、數字式儀表、智能儀器發展到虛擬儀器階段。虛擬儀器以計算機為核心，通過計算機實現各種儀器功能，將儀器系統和計算機技術結合在一起[2-3]。利用虛擬儀器思想建立測控系統已成為現代測控系統的發展方向。因此，建立基于虛擬儀器的煤礦電能質量在線監測系統將是電力監控儀器的發展趨勢。本文設計了基于LabVIEW的煤礦電壓質量在線監測系統。

1　系統總體設計方案

基于LabVIEW的煤礦電壓質量在線監測系統以計算機為核心，通過信號調理電路和數據采集卡等硬件電路將被測信號傳輸到計算機中，利用LabVIEW軟件編寫的監測軟件對采集到的數據進行相應的顯示、處理、分析、保存[4-5]。系統總體設計如圖1所示。

圖1　基于LabVIEW的煤礦電壓質量在線監測系統總體設計

2　系統硬件設計

基于LabVIEW的煤礦電壓質量在線監測系統硬件主要完成數據采集任務，由信號調理電路和數據采集卡組成。數據采集卡可將連續的模擬信號轉換成離散的數字信號后傳輸到計算機，供監測系統軟件進行數據分析處理。

信號調理電路以SPT204A(0.1級)微型電流型電壓互感器為核心，配合其外圍應用電路實現信號的量程變換與強弱電隔離。SPT204A額定輸入、輸出電流均為2 mA，其測量精度高、無漂移、耐沖擊性強，完全能滿足測量要求[6]。信號調理電路如圖2所示。

數據采集卡采用PCI-9812，該卡為4通道12位20 MSample/s、同步采樣、模擬輸入數據采集卡。其硬件可編程輸入范圍為±1，±5 V，輸入阻抗為50 Ω、1.25 kΩ及15 MΩ。板載32 kB采樣點FIFO緩沖器，避免采樣時的數據丟失。板卡采用DMA

圖2　信號調理電路

總線控制方式，加快了數據的傳輸速率，同時擁有軟觸發、預觸發、中間觸發、后觸發、延時觸發等多種觸發方式，擴展了高速數據采集卡的應用范圍。數據采集卡內部結構如圖3所示。

圖3　數據采集卡內部結構

3　系統軟件設計

基于LabVIEW的煤礦電壓質量在線監測系統軟件主要完成對數據采集卡的配置，輸入信號的還原、濾波，波形顯示、存儲，電壓質量參數分析等功能，并可進行系統仿真與離線分析。系統軟件設計流程如圖4所示。

圖4　系統軟件設計流程

3.1數據采集卡參數配置與驅動

因為系統采用的數據采集卡不是NI公司的，所以，在進行設備驅動及數據采集卡參數配置時，需調用第三方的管理配置軟件和驅動程序[7]。鑒于LabVIEW的強大兼容性，采用DAQ pilot和DAQ master軟件完成設備自檢、重啟，建立數據采集通道，配置采樣率、通道數、緩存塊、采樣分辨率等。

3.2仿真信號源配置

為擴展系統功能、提高系統實用性、方便程序功能展示，系統模擬了含有13次諧波及高斯噪聲的三相電源系統，用以產生電壓波形，如圖5所示。通過對信號源中各參數的設置，可模擬產生特定的波形，利用監測系統可分析仿真信號源的電壓質量。

圖5　仿真信號源前面板(單相)

3.3電壓、頻率偏差測量

電壓偏差和頻率偏差是電力監測中最主要的測量參數，針對這2個參數有許多不同的測量方法。

供電電壓偏差是指在系統正常運行情況下，供電點處實際運行電壓對系統標稱電壓的偏差相對值，以百分數表示。其計算表達式為

(1)

式中：δU為供電電壓偏差；Ure為電壓測量值，V；Un為系統標稱電壓，V。

采用有效值定義法的離散計算公式(均勻采樣條件)測量電壓有效值：

(2)

式中：U為電壓有效值，V；Uk為電壓有效值的離散值，V。

在電網正常運行情況下，電力系統的頻率偏差是指系統頻率的實際值與標稱值之差，其計算公式為

(3)

式中：δf為頻率偏差，Hz；fre為實際頻率，Hz；fn為系統標稱頻率，Hz。

目前主要的系統頻率測量方法有解析法、周期法及其改進算法、傅里葉變換法和誤差最小化原理類算法。本系統直接調用LabVIEW軟件自帶的頻率模塊完成系統的頻率測量。單相電壓、頻率偏差測量程序如圖6所示。

3.4諧波分析

對于諧波問題的分析，LabVIEW提供了多種函數模塊[8]：FFT變換幅值-相位譜函數，FFT變換實部-虛部函數，小波變換函數及Mathscript節點函數等。諧波分析程序采用了LabVIEW內建的諧波分析模塊及FFT幅值-相位譜函數，通過與加窗函數結合，有效地減少了FFT變換的頻譜泄漏問題與柵欄效應，得到基波頻率、各次諧波幅值和總的諧波畸變率、頻譜圖等諧波參量。諧波分析程序流程如圖7所示。

圖6　單相電壓、頻率偏差測量程序

圖7　諧波分析程序流程

3.5三相電壓不平衡度測量

三相電壓不平衡度是指電力系統三相電壓的不平衡程度。對三相電壓不平衡度的測量，一般是按照對稱分量法來獲取三相中的正序、負序、零序分量，然后按照相應的計算公式推導不平衡度。對于不含有零序分量的電力系統，可利用電能質量標準中的三相電壓不平衡度計算公式來求取，通過前期的信號處理提取出基頻分量，代入式(4),即可求解出三相電壓不平衡度。

(4)

其中：

(5)

式中Ua,Ub,Uc分別表示三相電壓，V。

三相電壓不平衡度測量程序流程如圖8所示。

3.6電壓波動與閃變測量

電壓波動是指一系列電壓波動或工頻電壓包絡線的周期變化。電壓波動值為電壓均方根的2個極

圖8　三相電壓不平衡度測量程序流程

值之差ΔU，通常以額定電壓的百分數表示其相對百分值d，即

(6)

式中Umax,Umin分別為電壓均方根的最大值和最小值，V。

電壓閃變是指人眼對由電壓波動所引起的照明異常的視覺感受，通常是以白熾燈的工況作為判斷依據。閃變不僅與電壓波動的幅值有關，而且與電壓波動的頻率和波形、照明燈具的性能及人的視感因素有關。

目前常用的電壓波動測量方法有4種：平方檢測法、整流檢測法、有效值檢測法、小波分解法和同步檢測法[9]，國家標準中推薦采用平方檢測法。

電壓閃變的測量采用IEC推薦的閃變測量模型(圖9)，其測量基礎是將信號看成對工頻電壓波形的調制，經閃變測量模型后即可測量閃變參數值。圖9中，S(t)為瞬時閃變視感度函數；Pst為短時閃變量；Plt為長時閃變量。

圖9　IEC推薦的閃變測量模型

由圖9可知，電壓閃變的測量模型結合了電壓波動的平方檢波結構，在電壓波動測量程序的基礎上經加權濾波、平方、低通濾波后即可進行閃變的統計評定。利用LabVIEW豐富的函數與結構可實現電壓波動與閃變的測量。電壓波動與閃變測量程序流程如圖10所示。圖10中,S(n)為瞬時閃變視感度。

3.7數據存儲

數據存儲是每一個監測系統的重要組成部分，數據存儲可為分析系統故障、制作報表、統計系統運行狀況等提供數據資料。利用LabVIEW軟件非常豐富的文件存儲函數與數據庫工具包可方便地建立數據存儲通道，實現測量數據的存儲[10]。數據存儲程序流程如圖11所示。

圖10　電壓波動與閃變測量程序流程

圖11　數據存儲程序流程

4　系統測試與分析

為了驗證系統功能與運行情況，在實驗室中對系統進行了仿真和實際測試。將系統的測量數據與理論分析數據、電能質量分析儀的數據進行對比分析，驗證系統測量的準確性及有效性。

4.1仿真實驗

仿真實驗測量的是三相仿真信號源的電壓、頻率、諧波、三相電壓不平衡度等相關參數，驗證數據記錄程序的功能。實驗前首先對仿真信號源、系統額定參數等進行設定。仿真信號源可以設定三相電源的相位、頻率、各次諧波的電壓值等參數，見表1。為了模擬電源的真實性，在參數設置中添加了奇數次的諧波參數設定，為后續驗證諧波測量提供了參考。三相仿真信號源的諧波參數對比見表2，包括諧波總畸變率(THD)、各次諧波的幅值、含有量等參數的對比分析。表1、表2中，系統采樣率均為2 000 Hz，采樣數均為1 000。

從表1、表2可以看出，所設計的系統測量數據與理論分析的結果基本一致，在驗證本系統測量精確性的同時，也驗證了本系統的可靠性與穩定性。

表1　三相仿真信號源的基本參數對比

表2　三相仿真信號源的諧波參數對比

4.2實際測試

實際測試以煤礦供電三相電源中的一相為例，將額定電壓為220 V的單相電源經調壓器轉換為100 V電壓作為待測對象，經系統硬件將信號輸入到計算機中供監測軟件進行數據處理分析，同時利用HIOKI 3196電能質量分析儀對被測電源進行數據分析。測試電路如圖12所示。

圖12　測試電路

被測電源的電壓和頻率參數對比結果見表3。以電能質量分析儀的測量數據為參考標準，將設計的煤礦電壓質量在線監測系統的數據與其進行對比，量化了本系統的測量誤差。

從表3可知，系統測量的數據基本上與電能質量分析儀的結果一致，測量數據基本正確，充分驗證了系統所采用測量算法的準確性及系統的穩定性、可靠性、實用性。

表3　被測電源的電壓和頻率參數對比

注：被測系統(單相)電壓等級：100 V；系統頻率：50 Hz；電壓上下限為±10%；頻率上下限為±0.2 Hz。

5　結語

設計了一套基于LabVIEW的煤礦電壓質量在線監測系統，詳細介紹了系統的硬件與軟件設計，并對系統進行了仿真與實際測試，將本系統的測量數據分別與理論分析數據和電能質量分析儀的數據進行對比分析，驗證了系統的準確性、可靠性、穩定性與實用性。

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文章編號：1671-251X(2016)08-0080-05

DOI:10.13272/j.issn.1671-251x.2016.08.020

收稿日期：2016-04-12；修回日期：2016-05-26；責任編輯：徐瑛。

基金項目：南通市科技計劃項目(CP22014001)。

作者簡介：李金喜(1981-)，男，江蘇銅山人，講師，碩士，主要研究方向為測控技術，E-mail:80727107@qq.com。

中圖分類號：TD608

文獻標志碼：A網絡出版時間：2016-08-03 10:09

Design of online monitoring system of coal mine voltage quality based on LabVIEW

LI Jinxi1,CHEN Jiyong2

(1.School of Aviation Engineering, Jiangsu College of Engineering and Technology,Nantong 221006, China; 2.School of Mechatronic Engineering, Jiangsu College of Engineering and Technology, Nantong 221006, China)

Abstract：In view of increasingly serious problem of power supply quality of coal mine power grid, an online monitoring system of coal mine voltage quality was designed by use of signal processing circuit, data acquisition unit and technology of virtual instrument of LabVIEW. Simulation and test results show that the system realizes online monitoring of power supply voltage quality of underground power grid, has functions of wave display in real time, measurement of parameters of voltage, frequency, harmonics, three-phase voltage unbalance factor, voltage fluctuation and flicker, data storage and data analysis, and is good in measurement accuracy and high in reliability with practice.

Key words:coal mine power grid; voltage quality; online monitoring; three-phase voltage unbalance factory; voltage fluctuation and flicker; signal processing; LabVIEW

李金喜, 陳繼永.基于LabVIEW的煤礦電壓質量在線監測系統設計[J].工礦自動化，2016,42(8)：80-84.