基于虛擬儀器技術的電能質(zhì)量實驗教學系統(tǒng)

郝意聞，閆立東，張秉仁

(吉林大學 儀器科學與電氣工程學院，吉林 長春 130026)

在當前國際、國內(nèi)電氣工程學科領域中，電能質(zhì)量是一個重要的研究方向，對它的研究主要分為穩(wěn)態(tài)電能質(zhì)量問題和暫態(tài)電能質(zhì)量問題[1-3]。穩(wěn)態(tài)電能質(zhì)量問題主要是電壓偏差、頻率偏差、系統(tǒng)諧波、電壓波動與閃變、三相不平衡度；暫態(tài)電能質(zhì)量問題主要是電壓的驟升、驟降、跌落、凹陷和中斷等[4]。

“電能質(zhì)量”(power quality)是電氣工程專業(yè)的一門重要專業(yè)課，其主要內(nèi)容包括電能質(zhì)量的基本概念、基本特征、基本理論、檢測方法、控制技術、改善措施等?！半娔苜|(zhì)量”是國內(nèi)絕大多數(shù)高校電氣工程專業(yè)教學大綱中的重要內(nèi)容，被列為優(yōu)選的專業(yè)發(fā)展方向之一。為了提高實驗教學效果，開發(fā)基于虛擬儀器技術的電能質(zhì)量實驗教學系統(tǒng)十分必要。

1 “電能質(zhì)量”實驗教學中虛擬儀器的優(yōu)勢

電能質(zhì)量監(jiān)測儀器是認識電能質(zhì)量問題的“眼睛”，是對電能質(zhì)量信號進行實時監(jiān)測和分析的有力工具?！半娔苜|(zhì)量”課程實驗教學的任務主要是針對電能質(zhì)量的基本問題進行觀察、認識和分析，因此對實驗設備有著特殊的要求，主要是要在有限的教學學時內(nèi)全方位展現(xiàn)電能質(zhì)量問題，將電壓突變等暫態(tài)電能質(zhì)量問題以不依賴電網(wǎng)事故的方式全面展現(xiàn)出來，并且具有數(shù)據(jù)分析和管理功能，從而使學生能夠?qū)﹄娔苜|(zhì)量問題有比較深刻的理解。為實現(xiàn)這一目的，需要配備專門實用的實驗測試設備。

傳統(tǒng)電能質(zhì)量測試儀以MPU和MCU為核心，功能相對單一，信號處理和數(shù)據(jù)分析能力較弱，比較適合電能質(zhì)量的定時巡檢和專項檢測，著眼于電能質(zhì)量的被動測試，但不具有全面、主動展現(xiàn)電能質(zhì)量問題的能力。虛擬儀器代表當今測試技術的潮流和方向，研究、推廣基于虛擬儀器技術的電能質(zhì)量監(jiān)測方法和監(jiān)測裝置是電能質(zhì)量監(jiān)測領域的新技術、新方案,其最為突出的優(yōu)勢是可以滿足上述實驗教學特殊需要。

2 基于PXI的實驗教學系統(tǒng)的硬件設計

電能質(zhì)量實驗教學系統(tǒng)分為穩(wěn)態(tài)電能質(zhì)量信號測試和暫態(tài)電能質(zhì)量信號模擬實驗2個單元。

(1) 穩(wěn)態(tài)電能質(zhì)量信號取自實驗室電源，經(jīng)三相調(diào)壓器、PT/CT接入信號調(diào)理電路，轉(zhuǎn)換為幅值較小的輸入信號送PXI-4472數(shù)據(jù)采集卡[5]。

(2) 暫態(tài)電能質(zhì)量信號由軟件平臺生成，由PXI平臺中的信號發(fā)生卡發(fā)出后接入PXI-4472數(shù)據(jù)采集卡，再經(jīng)暫態(tài)電能質(zhì)量信號測試單元完成波形顯示、數(shù)據(jù)讀取。

(3) PXI平臺是系統(tǒng)的核心，PXI-4472數(shù)據(jù)采集卡有8路同步采樣模擬輸入通道，45 kHz無混疊帶寬，24位A/D轉(zhuǎn)換分辨率，以PXI總線方式傳輸。各通道最高采樣速率102.4 kS/s，通過PXI Express實現(xiàn)多設備觸發(fā)和同步，使用NI-DAQmx驅(qū)動軟件實現(xiàn)與主控機通信[6]。

圖1為測試單元和信號模擬實驗單元結(jié)構(gòu)圖。

圖1 電能質(zhì)量實驗教學系統(tǒng)測試單元結(jié)構(gòu)圖

3 “電能質(zhì)量”實驗教學系統(tǒng)軟件設計

3.1 系統(tǒng)軟件結(jié)構(gòu)

基于LabVIEW的“電能質(zhì)量”實驗教學系統(tǒng)軟件部分使用LabVIEW圖形化語言編程，包含實驗教學所需要的全部信息，有電能質(zhì)量基本參數(shù)監(jiān)測模塊，三相不平衡度監(jiān)測模塊，波動、閃變及諧波監(jiān)測模塊和暫態(tài)電能質(zhì)量信號發(fā)生平臺4個分面板，每個分面板下根據(jù)包含的內(nèi)容設置子面板。

3.2 電能質(zhì)量信號監(jiān)測單元的設計與實現(xiàn)

電能質(zhì)量涉及的內(nèi)容極為豐富，本文僅列舉2個典型模塊的程序設計與實現(xiàn)。

3.2.1 電壓、電流波形與電能質(zhì)量基本參數(shù)監(jiān)測

首先對三相電壓、電流信號進行波形重組。根據(jù)采集的數(shù)據(jù)、采樣周期和采樣起始時間(設為0)，利用Build waveform函數(shù)把它們集合成為信號波形簇，從而實現(xiàn)信號波形顯示。對采集到的電壓、電流信號進行2次for循環(huán)并取平均值，將電壓信號與電流信號相乘得到有功功率。將平均值與標準值復合運算，求出電壓偏差，使用電壓、電流平均值進而得到其他一系列參數(shù)[6]。該模塊實現(xiàn)了三相電壓、電流波形和電能質(zhì)量基本參數(shù)的實時在線監(jiān)測，進而對電網(wǎng)工作狀態(tài)進行基本判斷。波形監(jiān)測模塊前面板如圖2所示。

圖2 電壓、電流波形監(jiān)測模塊前面板

3.2.2 三相電壓不平衡度計算模塊

該模塊的功能是通過電壓和電流幅度、相位、頻率進行三相電壓不平衡度計算，將計算結(jié)果與國家標準進行比較,判斷是否滿足電能的質(zhì)量要求，同時顯示三相電壓向量。三相電壓不平衡度的計算針對基波信號，在頻域內(nèi)進行抗混疊濾波，濾除1.8 kHz以上的諧波，然后進行數(shù)字低通濾波，盡可能只留下50 Hz工頻信號[7]。該模塊程序框圖和前面板如圖3和圖4所示。針對不含零序分量的三相系統(tǒng)，三相不平衡度計算采用國際電工委員會推薦的三相電量法[8]。

圖3 三相電壓不平衡度計算模塊程序框圖

圖4 三相電壓不平衡度計算模塊前面板

3.3 暫態(tài)電能質(zhì)量信號發(fā)生器設計與實現(xiàn)

電壓的驟升、驟降、凹陷、跌落、中斷等情況屬于電能質(zhì)量的暫態(tài)問題，也稱為暫態(tài)性故障，在電能質(zhì)量實驗教學中理應充分展現(xiàn)和分析，才能達到預期的效果。但這些情況的發(fā)生帶有很大的隨機性，在實驗教學的有限學時內(nèi)，采用電網(wǎng)直接接入，長時間在線靜候，以期出現(xiàn)并及時捕捉到暫態(tài)問題是不現(xiàn)實的。因此，在設計電能質(zhì)量暫態(tài)信號監(jiān)測實驗的同時，也設計了暫態(tài)電能質(zhì)量信號發(fā)生器。該信號發(fā)生器能逼真模擬和發(fā)出實驗所用的5種故障信號，其原理是將正弦信號與滿足標準的擾動信號疊加，其中擾動信號是嚴格按照國家標準對于驟升、驟降、波動、中斷和凹陷信號的定義進行設計的仿真信號[9]。圖5是電壓驟降信號發(fā)生器前面板框圖。

圖5 電壓驟降信號發(fā)生器前面板

4 系統(tǒng)功能與實驗教學

電能質(zhì)量實驗教學系統(tǒng)也稱電能質(zhì)量監(jiān)測系統(tǒng),以實驗教學為目的，以國家標準為依據(jù)，以穩(wěn)態(tài)信號測試和暫態(tài)信號模擬實驗為2種實驗接入模式，以電能質(zhì)量參數(shù)測試為核心，以數(shù)據(jù)分析和數(shù)據(jù)管理為擴展，以暫態(tài)信號模擬為特色，集成了在線測試、波形顯示、數(shù)據(jù)讀取、信號處理與分析、超標預警、數(shù)據(jù)管理等多項功能，實現(xiàn)了工程化電能質(zhì)量監(jiān)測和電能質(zhì)量實驗教學的全要素集成(見圖6)。

圖6 電能質(zhì)量實驗教學系統(tǒng)功能要素集成框圖

該電能質(zhì)量實驗教學系統(tǒng)所實現(xiàn)的監(jiān)測與顯示數(shù)據(jù)共有4類：

(1) 實時監(jiān)測數(shù)據(jù)：包括電壓/電流波形(單相、三相)、電壓偏差、有功功率、功率因數(shù)、電網(wǎng)諧波電壓/電流幅值、相位等[10]；

(2) 實時計算數(shù)據(jù)：包括三相電壓/電流偏差百分比、供電頻率偏差百分比、各次諧波含有率，諧波電壓畸變率等；

(3) 超標報警：包括電壓、電流、頻率偏差超標報警、三相電壓不平衡度報警、總諧波失真報警等；

(4) 實時分析數(shù)據(jù)：包括穩(wěn)態(tài)信號波形相位圖、基本參數(shù)統(tǒng)計圖、信號序分量矢量圖等。

基于“電能質(zhì)量”實驗教學系統(tǒng)開展的實驗項目如表1所示。

表1 虛擬電能質(zhì)量實驗教學系統(tǒng)的教學實驗

5 結(jié)束語

應用電能質(zhì)量實驗教學系統(tǒng)進行電能質(zhì)量實驗教學，較之工程化的電能質(zhì)量測試儀具有鮮明的優(yōu)勢與特色，可以充分展現(xiàn)電能質(zhì)量問題的全貌和電能質(zhì)量領域與時俱進的教育理念。

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