基于LabVIEW的電能質量分析與監測系統

逯 玉 蘭

(甘肅農業大學信息科學技術學院 甘肅 蘭州 730070)

0 引 言

衡量產品質量需要有相應的標準，對電能質量的分析與監測亦不例外。在電網監測系統中，電能質量主要由電網供給用戶使用的交流電的一些具體參數來表征。理想的三相交流電力系統中，每一相電壓和電流信號的相位之間都有120°的差值，但用戶在實際應用中得到的是電壓值標準、波形為正弦波且具有恒定功率的交流電信號[1]。在實際應用中，系統中存在著諸如變壓器、電弧爐、繼電器等各種各樣的用電設施，這些設施在電網中的實際應用和狀態的變化(設備的不對稱性以及非線性特性)使得電能很難保證處于理想狀態，由此產生了電能質量問題[2]。在電網中，交流電三相不平衡、信號頻率存在偏差以及電壓存在偏差等都會造成用電設備出現故障，所以電能質量問題的定義可描述為：致使用電設備不能穩定工作、出現各類故障的電網電流、電壓以及頻率偏差。電能質量的內容具體涉及電壓偏差、頻率偏差、諧波、三相不平衡度以及電壓波動和閃變等[3-5]。電能質量監測儀器可以監測電能質量的某些指標值，準確的監測信息為診斷電能質量提供依據，也可用于電力的常規維護，并且能夠向用戶提供優質的電能[6]。因此建立電能質量綜合分析與監測系統是非常必要的，能夠對電能質量進行連續、長期、有效地監測，進而對改善電能質量提供一定的依據。

1 硬件結構

電能質量分析與監測系統采用硬件電路和虛擬儀器技術來實現，其結構如圖1所示。主要實現負責現場數據的采集、分析計算并保存，同時具有數據查詢和報警功能。硬件電路完成數據采集，數據的分析、計算等功能都是由LabVIEW編程來實現的。

圖1 電能質量分析與監測系統框圖

電網中關于電能質量的監測，在工程實現時往往采用帶有多種接口的計算機系統，這些接口包括并行接口、串行接口、USB接口以及PXI接口。在數據采集階段，可插入式的數據采集卡也是常用的設備，通過這種數據采集卡可以直接采集獲取電網數據，并將數據傳輸到計算機中。然而，數據采集卡的安裝并不便捷而且價格昂貴，給低成本的電能質量監測方案帶了挑戰。本文所設計的方案中，前端數據采集系統以STC單片機為控制核心予以實現，數據的傳輸采用了將USB控制協議轉換為異步串行協議的方案，硬件實現時采用了較為常用的CH341T芯片。從整體上來看，采集的數據看上去就只是“簡單”地通過一條USB數據線傳輸給PC機，然后在LabVIEW平臺下進行分析、處理并實現可視化。從系統的實現成本來看，協議轉換芯片CH341T結合STC12C5410AD單片機相較于專業的數據采集卡，其成本要低得多。

2 開發環境及系統實現

2.1 LabVIEW程序設計

VISA(Virtual Instrument Software Architecture)是一種比較高性能、高效率的應用編程接口，它是由美國的國家儀器公司創新設計的一種用于與不同儀器之間進行信息傳輸的通信端口[7]。LabVIEW中的VISA數據存儲庫在軟件成功安裝以后長時間駐留在PC機中，它實現和維護著上位機與具體儀器之間的軟件連接，從而提供了一種程序控制儀器的具體手段。通過把監測儀器中的數據傳遞至計算機中，從而實現對儀器程序運行的監測和控制。從本質上來說，VISA本身并不支持編程，它只是提供了一系列關于儀器系統的標準API，而這些API主要用來調用底層的驅動程序以實現對儀器的控制[6]。

本文主要使用了LabVIEW的VISA中的串行信息傳輸的功能對串行通信相關軟件進行開發。主要的應用軟件程序見表1。

表1 VISA應用程序

系統的部署配置按照下述流程進行：

(1) 使用VISA Configure Serial Port.vi對端口進行初始化的處理，并且設定信息讀取和寫入的時間為15秒，無須奇偶驗證，停止位設定為1，并且保障整個過程是無流控制。

(2) 接通串口，把緩沖數據以圖形的方式進行展現，并且使用位置移位寄存器和字符連接器控制軟件對采集的數據進行處理，當數據采集達到一定的標準時，對這些數據進行數值形式的轉變并進行展示。

(3) 對數據接收區域的數據進行數據清空處理，為下一次的數據采集打好基礎[7]。

(4) 跳轉至(2)。

2.2 數據處理

數據處理是對數據采集系統采集得到的數據進行數學運算，采用快速傅里葉變換(FFT)來對電壓、電流以及諧波中的數據進行提取，從而對衡量電能質量的關鍵數據指標進行計算[8]。

2.2.1電壓、電流有效值

電壓有效值為:

(1)

電流有效值為:

(2)

式中：uj代表j點上的電壓數據值，ij代表j點上的電流數據值，N代表數據采集量。

2.2.2功率數據

有功功率的數學表達公式為：

(3)

式中：A、B、C為相序，uAj代表j點的A相電壓數據值，iAj代表j點上的A相電流數據值，其他以此類推。

視在功率:

S=UAIA+UBIB+UCIC

(4)

無功功率:

(5)

功率因數:

(6)

2.2.3三相不平衡度分析

三相不平衡度分析電力系統的三相平衡，指的是系統中三相電壓或者電流幅值大小相等，相位互差120°。但由于系統中存在很多不平衡因素，三相交流電力系統是不符合這種理想狀態的，即不平衡[2]。一般，三相電力系統的電壓和電流不平衡度分別用εU和εI表示，其值分別是電壓和電流均方根值的百分比。正序分量主要是把處在現實中的電力系統按照對稱分量的方式進行分解，其正序對稱系統中的分量；負序分量主要是把處在現實中的電力系統按照對稱分量的方式進行分解，其負序對稱系統中的分量[9]。

必須測出各向量的大小及其相位才能計算正負序分量，計算復雜。

通常，工程上使用一個簡單的估計公式。設三相制的線電壓分別為K、L、M，令：

(7)

則：

(8)

三相電流不平衡度也可以用類似的公式估算。

LabVIEW中的提取單頻信息函數，可以檢測出信號的幅值、頻率、相位，再利用對稱分量法設計程序，最后代入式(7)求得三相不平衡度，程序如圖2所示。

圖2 三相不平衡度子程序

2.2.4頻率偏差分析

頻率偏差是輸出信號頻率與標稱頻率的差值。通常情況下，電力系統的標準對稱頻率包含50 Hz和60 Hz，我國使用的是50 Hz頻率[8]。

Δf=f-fN

(9)

式中：f為實測頻率，fN為額定頻率，Δf為頻率偏差。通常使用過零檢測法測量電壓頻率，但此方法易受諧波的影響，精度不能保證。本系統使用了二階巴特沃斯低通濾波器，可以有效地降低干擾，程序如圖3所示。

圖3 頻率偏差子程序

2.2.5電壓波動分析

電壓波動為一系列電壓變動或連續的電壓偏差。電壓波動值為電壓均方根值中的最大值Umax和最小值Umin的差ΔU，通過特定電壓UN百分比來進行表示，即：

(10)

采用For循環結構獲取最大值、最小值，每3個點循環比較大小，找出所有的極值點。再判斷相鄰最大值、最小值的差值，根據式(10)計算出電壓波動，LabVIEW程序如圖4所示。

2.2.6諧波分析

(1) 第n次諧波電壓含有率HRUn為：

(11)

式中：U1為基波電壓值，Un為第n次諧波電壓值。

(2) 第n次諧波電流含有率HRIn可以用類似的公式表示：

(12)

式中：I1為基波電流值，In為第n次諧波電流值。

(3) 諧波電壓含量UN：

(13)

(4) 諧波電流含量IN：

(14)

(5) 電壓總諧波畸變率THDU[10]：

(15)

(6) 電流總諧波畸變率THDI：

(16)

LabVIEW程序面板中的諧波失真分析函數(Harmonic Distortion Analyzer.vi)，該函數是加了漢寧窗的FFT算法模塊，是測量諧波的核心部分，可以快速計算出待測信號的基波頻率、各次諧波幅值、各次諧波含有量、總諧波畸變率(THD)等。諧波分析子程序如圖5所示。

圖5 諧波分析子程序

3 實驗與仿真結果

試驗電源選用自設的仿真三相電源，含有基波信號、諧波信號和均勻白噪聲信號。電能質量分析與監測系統前面板如圖6所示。表2是某一時刻的部分電能質量監測數據。由表2可知，本系統測量的各相電壓有效值的誤差分別為9.3%、1.5%、1.5%，頻率的誤差分別為1.52%、1.84%、0.86%，除了A相的電壓有效值誤差比較大，可能是由干擾引起的，其他測量值的誤差都在2%以內，說明本系統能夠很好地監測電壓波動、電壓偏差、頻率偏差、三相電壓不平衡度、各次諧波電流等電能質量指標。

圖6 電能質量分析與監測系統前面板

相序電壓有效值/A電壓偏差/VTHDU/%各次諧波電流/A234 … 12電壓波動/%頻率偏差/Hz三相不平衡度/%A10.930.3653.845.241.863.260.071.1-0.7625.86B9.850.0065.935.693.542.910.043.6-0.9225.86C10.150.0034.825.341.373.630.051.8-0.4325.86

4 結 語

本文采用虛擬儀器技術開發了電能質量分析與監測系統，應用LabVIEW比較強的G程序編輯的功能，從而大大提高了數據采集的效率。系統根據電能質量的參考標準，對電壓電流有效值、三相不平衡度、頻率偏差、電壓波動、電壓電流各次諧波含量以及畸變率等參量進行了仿真和計算。本系統與傳統的電能質量監測儀相比較，更加簡便，適用性更廣，功能更加的全面，精確度和實時性相對高，也大大降低了系統的綜合成本，縮短了系統的開發周期。