基于LabVIEW的電能質量監測和分析平臺

董 林 沈頌陽 張國勝 曹超逸

(上海工程技術大學機械工程學院，上海 201620)

基于LabVIEW的電能質量監測和分析平臺

董 林 沈頌陽 張國勝 曹超逸

(上海工程技術大學機械工程學院，上海 201620)

針對傳統的電力參數監測系統硬件體積龐大以及難以適應復雜、實時多參數測試等問題，基于DAQ設備構建一個完整的USB數據采集系統，采用NI信號流處理技術，通過USB設備實現同步高速信號流處理，不但完成各項電能質量指標的監測，而且實現用戶通過網頁瀏覽器進行遠程電能質量數據的監測。該電能質量監測分析軟件平臺基于LabVIEW完成數據采集、處理、分析、存儲及結果顯示等，與Fluke 437型電能質量分析儀的實驗結果對照可知：該平臺測試結果準確、可靠性較高。

DAQ設備 電能質量 LabVIEW 數據采集 監測與分析

隨著我國工業的快速發展，一些電力電子設備的使用使得大量非線性負荷和不對稱負荷接入電網，致使電力系統電能質量不斷惡化。監測電力系統的電能質量情況，不但能夠掌握自身負荷設備的運行情況，而且可以根據監測的電力參數為電力系統問題產生的原因和解決提供依據，從而保證電力系統經濟、安全地運行。傳統的電能質量監測以硬件為核心，結構復雜、成本高、效率低、功能單一，已無法滿足現代復雜的電能質量監測[1]。

近年來，基于虛擬儀器(VI)和PC的系統，因其成本低、容易開發，廣泛應用在各種領域。其中，基于LabVIEW的監測系統設計簡單、易于使用，被廣泛應用在電力系統中[2,3]。文獻[4]利用虛擬儀器技術設計了一種電能質量監測系統，可完成一些電能質量指標的測量，但是沒有對數據進行存儲，無法實時查看歷史數據。文獻[5]基于LabVIEW采用協同式多線程技術開發了一套電能質量監測系統，但是程序冗余，局部變量過多，內存占有率大，導致系統運算效率不高。文獻[6]只對幾項電能質量指標進行了簡單的仿真分析，沒有開發一套完整的系統。文獻[7]基于LabVIEW提出了一種電能質量遠程監測系統，可通過網頁遠程實時監測電能質量數據變化的情況，但是未對實驗結果進行驗證，系統測量的準確性有待考證。在此筆者設計了一個電能質量監測和分析平臺，將NI數據采集卡安裝于NI CompactDAQ機箱，構建一個完整的USB數據采集系統，能夠靈活地完成各種監測任務。

基于虛擬儀器技術，以最少的硬件支持，利用軟件編程代替硬件電路，完成數據采集、處理和分析。系統結構包括軟件和硬件部分，軟件部分包括電能質量分析與顯示功能，硬件部分包括電壓電流傳感器、信號調理和數據采集卡(DAQ)和安裝有LabVIEW的上位機。

1.1硬件部分

為了進行有效地測量并得到精確的測量結果，電壓電流傳感器的輸出信號必須在數據采集卡采集前進行調理。信號調理由信號放大、電氣隔離及濾波等構成。

硬件設備DAQ的關鍵在于精度和轉換速度，其影響系統的實時性和準確性。NI C系列模塊在單個模塊內集成了A/D轉換器、信號調理和信號連接功能。系統選擇NI數據采集卡9205和9203，并將其安裝于NI CompactDAQ機箱內，以構建一個完整的USB數據采集系統。采用NI信號流處理技術，通過USB設備實現同步高速信號流處理，在USB總線上連續采集波形數據并進行處理。

測量電流采用NI數據采集卡9203，與NI CompactDAQ機箱配合使用。NI 9203具有可編程的±20mA輸入范圍、16位分辨率和200kS/s最大采樣率。

1.2軟件部分

軟件系統采用NI公司的LabVIEW圖形化編程語言和開發環境，LabVIEW使用圖標代替文本行創建應用程序，圖形化編程，編程風格簡單、直觀[4]。LabVIEW不斷改進、更新與完善，在數據采集、數據分析、數據表達及網絡功能等方面具有獨特的優勢。

采用LabVIEW設計的電能質量監測與分析平臺能完成電能質量監測，實現相關電量參數的采集、處理、分析顯示、存儲及遠程訪問等，其中數據處理和分析部分包括實時波形顯示、基本參量測量、三相不平衡計算、諧波計算和分析與電壓波動和閃變5個部分。

2 電能質量測量原理

2.1電壓偏差測量

電壓偏差是指實際電壓相對于標稱電壓的偏離程度。電壓有效值最常用的測量算法是離散求和的方法，即將一個周期內采集的電壓波形數據按求均方根方式進行計算，得到其有效值，表達式為：

(1)

式中N——一個周期的采樣點數；

Uk——電壓在第k個采樣點處的采樣值。

2.2頻率測量

設計采用基于快速傅里葉變換(FFT)的加窗插值算法來計算頻率。先對被測信號進行采樣和數字化，進行加窗處理，再進行快速傅里葉變換，根據所得到的變換結果，計算信號頻譜的幅頻特性。信號頻譜幅值最大點位置所對應的頻率即被測信號的頻率。設信號的采樣速率為fs，FFT的長度為N，則被測信號的頻率為：

fx=Mfs/N

(2)

式中M——信號頻譜幅值最大點位置。

2.3三相不平衡度計算

任何不對稱的三相相量均可用對稱分量法分解為3組對稱的正序分量、負序分量和零序分量。三相系統中，計算不平衡度的方法如下：

(3)

三相不平衡度為負序分量與正序分量的均方根值之比，用符號εU表示，即：

(4)

2.4諧波分析

目前諧波測量應用最多的方法是快速傅里葉變換[8,9]。當使用傅里葉變換進行諧波檢測時，要求截取一個工頻(基波)周期的信號，不但要求每個周期的采樣點數，還要求采樣周期嚴格與工頻頻率同步，否則會出現頻譜泄漏現象。在該諧波分析模塊中，采用加窗插值的FFT算法，以降低頻譜泄漏和柵欄效應造成的測量誤差，從而保證計算精度。

2.5閃變測量

閃變由供電電壓波動的幅值、頻度和波形決定。從測量儀器的角度出發，通過對電壓信號進行處理，計算出電壓閃變值。首先以電壓傳感器信號為輸入量，通過平方解調器、轉折頻率為0.05Hz和35Hz的帶通濾波器、中心頻率為8.8Hz的視感度加權濾波器，再通過一個平方器、一階平滑加權濾波器后獲得輸出信號。該信號直接反映了電壓波動引起燈光閃爍對人眼視感的影響，是計算瞬時閃變值的中間過程，定義為瞬時閃變值p。采用水平分級狀態時間計算法，即累計概率函數(CPF)曲線，對該信號做遞增分級處理。首先對一段時間(10min)內的p信號進行分級，以p為橫坐標，以不小于每一級p的各級時間在該時段內所占時間長度的百分比為縱坐標，做出CPF曲線。CPF曲線縱坐標0.1%、1%、3%、10%、50%對應的閃變平滑估計值分別為P0.1、P1、P3、P10、P50，則這段時間的短閃變值可按下式計算：

(5)

3 網絡化監測模式

為了通過網絡實現遠程監測電能質量指標數據，必須在Web上進行LabVIEW監測程序的網絡發布[10]。首先需要在服務器端運行LabVIEW，并配置Web服務器。然后在LabVIEW的主菜單中選擇工具?Web發布工具，選擇要發布VI的名稱，并將生成的HTML文件保存在Web服務器配置所設定的根目錄中。最后，在客戶端的網頁瀏覽器地址欄輸入發布的網址，客戶端用戶在獲得服務器的允許后，即可利用瀏覽器通過網頁訪問監測終端，實現電能質量的遠程監測。

4 實驗測量結果

4.1硬件方面

實驗過程中，測量電壓采用DL-PT202H1電流型精密電壓互感器，將強電壓信號轉換成弱電壓信號，再通過數據采集卡9205采集送到LabVIEW進行處理。測量電流采用LCTA21CE-20A/20mA系列精密微型電流互感器，與數據采集卡9203配合使用進行測量。電壓傳感器的測量原理如圖1所示。

圖1 電流型電壓互感器測量原理

4.2測量結果

4.2.1實時波形顯示模塊

電壓、電流經過各傳感器變送后，由數據采集卡采集信號，將數據傳到PC機上(安裝有LabVIEW軟件)，完成數據的相關處理，并將電壓、電流的實時波形顯示出來，其中包括三相電壓、三相電流和中性線電流，用戶可實時觀測電壓、電流波形的變化情況。

4.2.2基本參數測量模塊

基本參量測量模塊主要完成三相電壓、三相電流的有效值和頻率的測量與計算，還有三相功率的測量(有功功率、無功功率、視在功率和功率因數)，并計算出電能指標電壓偏差和頻率偏差。測量結果在如圖2所示的基本參數測量模塊界面上顯示。

圖2 基本參數測量模塊界面

4.3測量結果驗證

為了驗證設計平臺測量結果的準確性，選用Fluke 437型電能質量分析儀作為對比儀器，以其測量值作為實際參考值。該儀器的各項性能指標較高，可以通過與其測量結果的比較，驗證平臺測量的準確性和可靠性。Fluke 437和本平臺對于電能質量基本參數的測量結果對照見表1，電能質量各項電能指標的測量結果對照見表2。

表1 基本參數測量對比

表2 各項電能質量指標測量對比

通過表1、2的實驗結果對比表明，所設計的電能質量監測和分析平臺測量的各項電能質量指標的誤差在1%之內，測量結果較準確。

5 結束語

筆者基于DAQ設備和LabVIEW技術，完成了一套電能質量監測與分析平臺的設計。硬件采用NI C系列模塊，將NI數據采集卡9205和9203安裝于NI CompactDAQ機箱內，構建一個完整的USB數據采集系統。軟件利用LabVIEW軟件進行電能質量監測與分析系統的程序設計，完成數據采集、計算、分析及結果顯示等功能，實現電能質量的監測與分析，并且用戶能夠實時查詢歷史電能質量數據。通過LabVIEW提供的進行遠程訪問的Web服務器技術的功能，采用B/S組網模式和Web瀏覽方法，進行電能質量監測系統的遠程訪問設計，實現電能質量的遠程監測。與Fluke 437型電能質量分析儀測量結果對比，驗證了該系統平臺的可靠性和準確性。

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[6] 緱新科，牟英，鄭偉.基于LabVIEW的電能質量分析系統[J].電子測量技術，2008,31(9):72～74.

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(Continued on Page 209)

PowerQualityMonitoringandAnalysisPlatformBasedonLabVIEW

DONG Lin, SHEN Song-yang, ZHANG Guo-sheng, CAO Chao-yi

(CollegeofMechanicalEngineering,ShanghaiUniversityofEngineeringScience,Shanghai201620,China)

Aiming at the bulky hardware and the difficulty in adapting to the complex, real-time and multi parameter testing in the traditional electric power system for the parameter monitoring, a DAQ equipment-based complete USB data acquisition system was built, which adopts NI signal streaming technology to realize the synchronization of high speed signal processing flow via a USB device and to complete the monitoring of power

TM933

A

1000-3932(2016)02-0177-05

2015-12-14(修改稿)基金項目：2014年上海高校青年骨干教師國內訪問學者計劃項目；大學生創新訓練項目(CS1501001，CS1501018)