基于LabVIEW的微電網(wǎng)電能質(zhì)量實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

（安徽職業(yè)技術(shù)學(xué)院 機(jī)電工程學(xué)院，合肥 230011）

0 引言

隨著傳統(tǒng)化石能源的日益緊缺，作為一種新型能源的分布式能源越來(lái)越受到各國(guó)的關(guān)注,由此對(duì)傳統(tǒng)電網(wǎng)構(gòu)成的沖擊已經(jīng)成為不容忽視的問(wèn)題，為了解決分布式電源接入的問(wèn)題，因此電力工作者們提出了微電網(wǎng)的概念[1]。作為小型發(fā)配電系統(tǒng)的微電網(wǎng)，可以實(shí)現(xiàn)其并網(wǎng)或孤島運(yùn)行，有機(jī)整合了分布式電源、儲(chǔ)能裝置、負(fù)荷、變流器以及監(jiān)控保護(hù)裝置等，采用變流裝置、運(yùn)行控制、自動(dòng)化能量管理等關(guān)鍵技術(shù)，最大限度的利用分布式能源出力，降低間歇性分布式能源給配電網(wǎng)帶來(lái)的不利影響，提高電力系統(tǒng)的可靠性和電能質(zhì)量[2～4]。電能質(zhì)量[5～7]是供電企業(yè)向社會(huì)承諾的最基本內(nèi)容，已成為我國(guó)投資環(huán)境的硬指標(biāo)之一，其好壞直接關(guān)系到系統(tǒng)的穩(wěn)定性和企業(yè)的經(jīng)濟(jì)效益，而微電網(wǎng)電能質(zhì)量監(jiān)測(cè)系統(tǒng)是做好微電網(wǎng)電能質(zhì)量管理，獲得詳實(shí)可靠的第一手?jǐn)?shù)據(jù)的先決條件[8]。

虛擬儀器技術(shù)是結(jié)合高效靈活的軟件來(lái)實(shí)現(xiàn)真實(shí)儀器的功能，通過(guò)LabVIEW軟件中圖形化開(kāi)發(fā)工具以及強(qiáng)大的函數(shù)功能實(shí)現(xiàn)了產(chǎn)品設(shè)計(jì)參數(shù)。為了對(duì)并網(wǎng)點(diǎn)、逆變器以及負(fù)載等微網(wǎng)設(shè)備的電能質(zhì)量的可視化實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，本文利用LabVIEW作為上位機(jī)軟件嵌入到工控機(jī)中，PCI板卡作為上位機(jī)數(shù)據(jù)采集模塊，搭建了基于虛擬儀器技術(shù)的電能質(zhì)量實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明此系統(tǒng)可以根據(jù)用戶需求實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)微網(wǎng)各處的電能質(zhì)量，保證微網(wǎng)安全有效地運(yùn)行，具有一定的擴(kuò)展性。

1 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

基于虛擬儀器的微電網(wǎng)電能質(zhì)量監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，硬件主要部分為電力數(shù)據(jù)采集，軟件主要實(shí)現(xiàn)電能質(zhì)量分析，如圖1所示。因此系統(tǒng)分為硬件和軟件兩部分組成，硬件部分包括PCI板卡、前置信號(hào)調(diào)理等電路；基于LabVIEW軟件部分，實(shí)現(xiàn)了對(duì)電力信號(hào)的實(shí)時(shí)采集顯示、存儲(chǔ)和分析。

圖1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖

1.1 硬件設(shè)計(jì)及選型

電壓和電流信號(hào)通過(guò)信號(hào)調(diào)理電路后被多功能采集卡采集，同時(shí)通過(guò)LabVIEW軟件對(duì)采集的電力數(shù)據(jù)進(jìn)行處理和分析。

1.1.1 PCI板卡選型

為了抑制共模電壓和共模形式噪音，數(shù)據(jù)采集卡采集必須有雙端差分輸入模式；在監(jiān)測(cè)電能質(zhì)量時(shí)需要監(jiān)測(cè)多路電壓和電流信號(hào)，因此需要選擇采樣頻率較高的、具有隔離保護(hù)的數(shù)據(jù)采集卡。采樣頻率可達(dá)500K/S、12位分辨率及2500DC的直流隔離保護(hù)，同時(shí)擁有32路單端或16路差分模擬量輸入或組合輸入方式的研華公司生產(chǎn)的PCI-1715u型多功能采集卡完全能滿足本系統(tǒng)要求。

1.1.2 前置信號(hào)調(diào)理電路設(shè)計(jì)

由于PCI-1715u的輸入信號(hào)范圍在0到5V，采集信號(hào)之前需要進(jìn)行處理。如圖2所示，以輸入220V電壓進(jìn)行設(shè)計(jì)，電流互感器CA139A要求輸入為0到2mA的電流信號(hào)，所以電阻選取55kΩ。R1和C1構(gòu)成無(wú)源低通濾波電路，具有較好的抗干擾性能。

圖2 電壓轉(zhuǎn)換電流信號(hào)電路

圖3為偏置與限幅電路。當(dāng)2mA電流信號(hào)經(jīng)過(guò)U101A運(yùn)算放大器后轉(zhuǎn)換成1.818V的電壓信號(hào)。經(jīng)過(guò)二階濾波電路和U101B構(gòu)成的偏置電路后，將電壓信號(hào)的峰值轉(zhuǎn)化成5V，滿足了板卡接收信號(hào)的要求，即交流電壓信號(hào)峰值為5V。

TA060是額定輸入電流為5A，額定輸出電流為2.5mA的電流互感器，可以根據(jù)實(shí)際需求更換互感器。如圖4所示，轉(zhuǎn)換后的2.5mA電流信號(hào)經(jīng)電阻R11后為峰值是2.5V的交流電壓信號(hào)，然后采用電壓采樣相同的偏置與限幅電路，滿足了為0～5V的輸出電壓交流信號(hào)。

圖3 偏置與限幅電路

圖4 電流轉(zhuǎn)換電路

1.2 軟件結(jié)構(gòu)與實(shí)現(xiàn)

基于LabVIEW的上位機(jī)軟件，完成電能質(zhì)量檢測(cè)和分析、以及數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)。程序開(kāi)發(fā)過(guò)程中使用到DAQNavi和VISA工具包，分別用于板卡數(shù)據(jù)采集和串口通訊調(diào)試。

1.2.1 數(shù)據(jù)采集模塊

數(shù)據(jù)采集部分使用了DAQNavi工具包中的Assistant模塊，設(shè)計(jì)中使用單通道采樣率為6250/S，實(shí)時(shí)的采集每個(gè)電壓和電流的波形128個(gè)點(diǎn)。PCI-1715u數(shù)據(jù)采集卡有500K/S的采樣頻率，可以根據(jù)需求選擇32個(gè)通道的使用個(gè)數(shù)，設(shè)置通道的采樣頻率，從而實(shí)現(xiàn)更精確的波形顯示。程序如圖5所示，實(shí)現(xiàn)了對(duì)多路三相電壓和電流數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)采集，其中子VI實(shí)現(xiàn)了電壓和電流信號(hào)分析、顯示及保存等處理功能。

1.2.2 電能質(zhì)量分析

1）電壓偏差

電壓是電能質(zhì)量的重要指標(biāo)之一，通過(guò)電壓偏差來(lái)體現(xiàn)，是衡量電力系統(tǒng)能否正常運(yùn)行的一項(xiàng)主要指標(biāo)。在生產(chǎn)運(yùn)行方式下，供電系統(tǒng)某母線電壓偏差如式(1)所示[9,10]：

圖5 數(shù)據(jù)采集程序框圖

上式中δU為電壓偏差，UN為系統(tǒng)標(biāo)稱電壓，Ure為實(shí)際測(cè)量電壓。單位均為kV。

2）頻率偏差

電力系統(tǒng)在正常運(yùn)行狀態(tài)下，系統(tǒng)頻率采用電壓頻率來(lái)體現(xiàn)，其偏差為的實(shí)際電壓頻率值與50Hz（部分國(guó)外采用60Hz）的差值稱為系統(tǒng)的頻率偏差，是電能質(zhì)量最重要的指標(biāo)之一。其數(shù)學(xué)表達(dá)式為：

3）三相不平衡度

電力系統(tǒng)中的三相電壓和電流，均可通過(guò)對(duì)稱分量法分解為零序、正序、負(fù)序分量。將電壓或電流的負(fù)序分量與正序分量比值定義為電壓或電流的三相不平衡度，用符號(hào)ε表示，即：

其中：εU、εI分別為三相電壓和三相電流不平衡度，U1、U2為電壓正序、負(fù)序分量均方根值，單位kV，I1、I2為電流正序、負(fù)序分量均方根值，單位kA。

通過(guò)計(jì)算三相系統(tǒng)的正序和負(fù)序分量可以求出三相系統(tǒng)的不平衡度。

4）總諧波畸變率

電力信號(hào)諧波的頻率為基波頻率的整數(shù)倍。總諧波畸變率是衡量一個(gè)電力系統(tǒng)中諧波影響的程度，類同與正弦波的失真程度[11]。以公式形式表示為：

通過(guò)采集的電壓和電流的數(shù)據(jù)，采用電能質(zhì)量分析方法，利用虛擬儀器技術(shù)可以實(shí)現(xiàn)基于LabVIEW實(shí)時(shí)電能質(zhì)量監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，用來(lái)分析和展示電壓偏差、頻率偏差、三相不平衡度、總諧波畸變率等電能質(zhì)量參數(shù)。

1.3 運(yùn)行效果

圖6 電能質(zhì)量監(jiān)測(cè)界面顯示

該界面可選擇性顯示各處的電壓、電流的諧波分量及諧波幅值，內(nèi)外網(wǎng)的電壓波形及不平衡度，并網(wǎng)點(diǎn)和各負(fù)載設(shè)備的電流波形。如圖6所示，分析了并網(wǎng)點(diǎn)電壓、電流的諧波分量、電壓不平衡度，顯示的電壓波形為PCC點(diǎn)處的交流電壓，電流波形包含了三相不平衡電流、單相負(fù)載電流以及測(cè)量諧波的三相整流橋電流。表1為數(shù)據(jù)存儲(chǔ)的結(jié)果。

表1 數(shù)據(jù)存儲(chǔ)的結(jié)果顯示

2 結(jié)論

本文在研華的PCI-1715u數(shù)據(jù)采集卡基礎(chǔ)上，利用LabVIEW軟件，實(shí)現(xiàn)了微電網(wǎng)電能質(zhì)量監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。系統(tǒng)能夠監(jiān)測(cè)微電網(wǎng)的當(dāng)前電壓和電流的運(yùn)行狀態(tài)，以及電壓偏差、頻率偏差、三相不平衡度、總諧波畸變率等電能質(zhì)量參數(shù)，具有較高的擴(kuò)展性，數(shù)據(jù)存儲(chǔ)功能可以將數(shù)據(jù)以Excel表格的形式保存，方便后期處理及分析。

[1]劉建華,譚智商.基于LabVIEW的微電網(wǎng)電能質(zhì)量監(jiān)測(cè)系統(tǒng)[A].2010 3rd International Conference on Power Electronics and Intelligent Transportation System[C].2010,400-403.

[2]Hatziargyriou N, Asand H, Iravani, et al. Microgrid[A].IEEE Power and Energy Magazine[C].2007,5(4):78-94.

[3]Morozumi S.Microgrid demonstration projects in Japan[A].IEEE Power Conversion Conference[C].2007:635-642.

[4]楊新法,蘇劍,呂志鵬,等.微電網(wǎng)技術(shù)綜述[J].中國(guó)電機(jī)工程學(xué)報(bào),2014,34(1):57-70.

[5]林海雪.電能質(zhì)量指標(biāo)的完善化及其展望[J].中國(guó)電機(jī)工程學(xué)報(bào),2014,34(29):5073-5079.

[6]張逸,林焱,吳丹岳.電能質(zhì)量監(jiān)測(cè)系統(tǒng)研究現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢(shì)[J].電力系統(tǒng)保護(hù)與控制,2015,43(2):138-147.

[7]王金麗,盛萬(wàn)興,宋祺鵬,等.配電網(wǎng)電能質(zhì)量智能監(jiān)控與治理仿真[J].電網(wǎng)技術(shù),2014,38(2):515-519.

[8]王鐸.基于LabVIEW電能質(zhì)量監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的研究[D].吉林:吉林大學(xué),2013.

[9]肖湘寧.電能質(zhì)量分析與控制[M].北京:中國(guó)電力出版社,2010.

[10]馬永強(qiáng),周林,武劍,等.基于LabVIEW的新型電能質(zhì)量實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)[J].電測(cè)與儀表,2009,46(3):41.

[11]甘穎.基于LabVIEW的電能質(zhì)量監(jiān)測(cè)系統(tǒng)[J].儀器儀表學(xué)報(bào),2011,32(12):384-385.