基于LabVIEW的電能質(zhì)量分析與遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)系統(tǒng)

王東樓， 何怡剛， 謝 豐， 張金安

(合肥工業(yè)大學(xué)電氣與自動(dòng)化工程學(xué)院，安徽合肥230009)

基于LabVIEW的電能質(zhì)量分析與遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)系統(tǒng)

王東樓， 何怡剛， 謝 豐， 張金安

(合肥工業(yè)大學(xué)電氣與自動(dòng)化工程學(xué)院，安徽合肥230009)

根據(jù)電能質(zhì)量檢測(cè)技術(shù)的現(xiàn)狀及傳統(tǒng)電能質(zhì)量分析儀存在的問題，設(shè)計(jì)一種基于虛擬儀器LabVIEW的新型電能質(zhì)量檢測(cè)系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)對(duì)電網(wǎng)的諧波分析、不平衡度、畸變率、頻率偏差等參數(shù)計(jì)算、報(bào)警和仿真，應(yīng)用虛擬儀器和網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的結(jié)合對(duì)電能質(zhì)量指標(biāo)進(jìn)行在線監(jiān)測(cè)并將監(jiān)測(cè)得到的數(shù)據(jù)通過網(wǎng)絡(luò)傳輸至客戶端，設(shè)計(jì)一種基于LabVIEW的電能質(zhì)量遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，該方法與傳統(tǒng)方法相比，其開發(fā)效率、性價(jià)比、可操作性及可維護(hù)性等方面都具有明顯優(yōu)勢(shì)。

電能質(zhì)量；虛擬儀器；數(shù)據(jù)傳輸；遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)

近年來，隨著工業(yè)的發(fā)展，電網(wǎng)不斷擴(kuò)大，工業(yè)負(fù)荷快速增長，電力系統(tǒng)中引入大量非線性負(fù)荷(如電力電子設(shè)備、大功率整流設(shè)備、電弧爐等)，這些負(fù)荷嚴(yán)重影響電力系統(tǒng)供電電能質(zhì)量；另一方面，隨著科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步，為了提高勞動(dòng)生產(chǎn)率和自動(dòng)化水平，大量基于計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的控制設(shè)備和電子裝置應(yīng)用到各領(lǐng)域，這些裝置或設(shè)備性能好效率高，但對(duì)電源特性變化很敏感，即對(duì)電能質(zhì)量要求很高，而電能質(zhì)量不斷惡化已經(jīng)給這些設(shè)備或裝置的用戶造成了不小的損失，同時(shí)由于非線性負(fù)荷帶來的諧波造成的電能計(jì)量不準(zhǔn)確問題給供電部門造成經(jīng)濟(jì)損失[1-2]。這一問題已引起了各級(jí)電力部門的高度重視，國家已頒布了有關(guān)的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)。專門監(jiān)視記錄電壓合格率的自動(dòng)裝置已在一些電力部門投入實(shí)際運(yùn)行，不少微機(jī)式故障錄波器、變電站自動(dòng)化系統(tǒng)等裝置也考慮了兼顧電能質(zhì)量監(jiān)視的問題。然而，到目前為止，國內(nèi)對(duì)電能質(zhì)量的檢測(cè)分析手段比較落后，大部分產(chǎn)品還停留在用單片機(jī)制作只能進(jìn)行簡單檢測(cè)分析的階段。鑒于這種情況，很有必要引入新技術(shù)開發(fā)出一種全新的電能質(zhì)量監(jiān)測(cè)裝置，能夠?qū)﹄娏ο到y(tǒng)電能質(zhì)量進(jìn)行實(shí)時(shí)準(zhǔn)確的檢測(cè)分析[3]。

以NI公司的LabVIEW軟件為代表的虛擬儀器技術(shù)是以軟件為核心實(shí)現(xiàn)真實(shí)儀器功能的新興技術(shù)，可廣泛運(yùn)用于工業(yè)測(cè)控和分析系統(tǒng)。基于LabVIEW的電能質(zhì)量監(jiān)測(cè)系統(tǒng)可以根據(jù)軟件豐富的接口和庫函數(shù)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的采集和分析處理功能，具有成本低、開發(fā)周期短、操作便捷、易于調(diào)試和升級(jí)等優(yōu)勢(shì)[4]。

通過分析當(dāng)前電能質(zhì)量分析設(shè)備的國內(nèi)外發(fā)展現(xiàn)狀，結(jié)合電能質(zhì)量分析設(shè)備的發(fā)展趨勢(shì)，設(shè)計(jì)了一種數(shù)據(jù)采集和顯示電路，基于LabVIEW軟件的電能質(zhì)量分析和監(jiān)測(cè)平臺(tái)，對(duì)各個(gè)指標(biāo)的理論和方法進(jìn)行了分析，并對(duì)其進(jìn)行了仿真測(cè)試，對(duì)仿真結(jié)果進(jìn)行了對(duì)比分析，設(shè)計(jì)了一種基于LabVIEW的電能質(zhì)量遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。

1 系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)

系統(tǒng)硬件系統(tǒng)主要包括互感器、信號(hào)調(diào)理電路、低通濾波電路、數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)以及計(jì)算機(jī)系統(tǒng)。由于初級(jí)電壓和電流比較大，因此需用互感器變換成實(shí)驗(yàn)所需電壓和電流?；ジ衅鬟x用具有閉環(huán)磁補(bǔ)償功能的霍爾電流互感器LA-50P、電壓互感器CHV-50P。前者原邊被測(cè)電流與副邊輸出電流電氣隔離，輸出信號(hào)真實(shí)反映原邊電流波形，具有良好線性度；后者原邊被測(cè)電壓與副邊輸出電流電氣隔離。因此，可以省略隔離電路，直接將互感器調(diào)理的低壓信號(hào)經(jīng)低通濾波電路后將交流小信號(hào)線性轉(zhuǎn)換成－5～5 V，以適合DAQ采樣數(shù)據(jù)采集卡通過PCI、USB等總線連接到計(jì)算機(jī)，采用的是一款低價(jià)位多功能M系列的PCI-6221采集卡，具有16個(gè)模擬輸入道，每通道最高采樣為250 ks/s，帶寬為700 kHz，分辨率為16 bits，高達(dá)24路數(shù)字I/O，32位計(jì)數(shù)器，最大輸入范圍為－10～10 V，最小輸入范圍為－200～200 mV，整個(gè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)框圖

2 軟件設(shè)計(jì)

軟件部分是整個(gè)檢測(cè)系統(tǒng)的關(guān)鍵，負(fù)責(zé)對(duì)硬件采集來的信號(hào)進(jìn)行處理、分析和顯示，電能質(zhì)量關(guān)鍵參數(shù)檢測(cè)與分析系統(tǒng)軟件可分為用戶登錄、數(shù)據(jù)采集、波形顯示、參數(shù)測(cè)量、參數(shù)分析和遠(yuǎn)程監(jiān)控。

2.1 用戶登錄模塊

該模塊在所有軟件模塊之前，必須先輸入正確的用戶名和登錄密碼才能使用該系統(tǒng)，該系統(tǒng)登陸初始密碼為123456，具體的面板程序框圖如圖2所示。

圖2 用戶登錄模塊程序框圖

2.2 數(shù)據(jù)采集模塊

數(shù)據(jù)采集模塊是整個(gè)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)軟件部分的初始部分，它向整個(gè)檢測(cè)系統(tǒng)提供信號(hào)源原始數(shù)據(jù)。本文采用DAQmx，通過采集卡DAQmx函數(shù)得到一個(gè)6列的二維數(shù)組，按掃描順序，各個(gè)通道所采集的數(shù)據(jù)分別存放在數(shù)組的0、1、2、3、4、5列，因此需要用索引數(shù)組函數(shù)把各個(gè)通道的數(shù)據(jù)從數(shù)組中抽取出來，組成6個(gè)一維數(shù)組，該模塊程序框圖如圖3和圖4所示。

圖3 數(shù)據(jù)采集模塊程序框圖

圖4 DAQ數(shù)據(jù)采集模塊

2.3 電能質(zhì)量分析指標(biāo)

2.3.1 電壓偏差

有效值是電能分析的基礎(chǔ)指標(biāo)[1]，包括三相電壓和電流有效值，對(duì)隨時(shí)間變化的電壓信號(hào)、電流信號(hào)進(jìn)行離散化采樣，根據(jù)采樣得到離散化電壓、電流序列，可以計(jì)算出電壓有效值和電流有效值：

供電系統(tǒng)在正常運(yùn)行方式下，某一節(jié)點(diǎn)的電壓測(cè)量值與系統(tǒng)標(biāo)稱電壓之差對(duì)系統(tǒng)標(biāo)稱電壓的百分?jǐn)?shù)稱為該節(jié)點(diǎn)的電壓偏差。

2.3.2 頻率偏差

在電工學(xué)理論中，電力系統(tǒng)頻率是指電壓或電流的波形在單位時(shí)間內(nèi)發(fā)生交變的次數(shù)。電力系統(tǒng)在正常運(yùn)行條件下，系統(tǒng)頻率的實(shí)際測(cè)量值與標(biāo)稱值(工頻)之差稱為系統(tǒng)的頻率偏差。

由于采用了非同步采樣，所以為了得到準(zhǔn)確的頻率值，采用過零點(diǎn)比較法，在采集的數(shù)據(jù)中尋找過零點(diǎn)值。由于采集數(shù)據(jù)波形是近似的正弦或者余弦函數(shù)，在過零點(diǎn)處近似直線，且點(diǎn)與點(diǎn)之間的采樣間隔時(shí)間固定，則可以根據(jù)圖5找到零點(diǎn)的值[5-6]。

圖5 過零點(diǎn)插值

2.3.3 三相不平衡度

三相不平衡度指三相電力系統(tǒng)中三相不平衡的程度，用電壓、電流負(fù)序基波分量或零序基波分量與正序基波分量的方均根百分比表示，首先根據(jù)零序分量的計(jì)算公式計(jì)算三相電壓電流中的零序分量：

電壓、電流的負(fù)序不平衡度和零序不平衡度分別用εU2、εU0和εI2、εI0表示。在含有負(fù)序分量的三相系統(tǒng)中，不平衡度的表達(dá)式為：

如果不存在零序分量，則可按照，不含有零序分量的三相系統(tǒng)中不平衡度的表達(dá)式(已知三相量、、時(shí))計(jì)算：

2.3.4 諧波分析

表示畸變波形偏離正弦波形程度的最常用的特征量有諧波含量、總畸變率和次諧波含有率。諧波含量就是各次諧波的平方和開方。為了說明某次諧波分量的大小，常以該次諧波的有效值與基波有效值的百分比表示，稱為該次諧波含有率(HR)?；儾ㄐ我鸬钠x正弦波形的程度，則以諧波畸變率(THD)表示，簡稱畸變率，它等于各次諧波有效值的平方和的平方根與基波有效值的百分比。

本部分設(shè)計(jì)直接用LabVIEW里面自帶的諧波分析模塊，主要監(jiān)測(cè)各次諧波 (2～15次)的含有量、諧波的總失真度(THD)、基波幅值、直流分量等，程序框圖如圖6。

圖6 諧波分析模塊程序框圖

3 仿真測(cè)試

基于虛擬儀器的電能質(zhì)量分析系統(tǒng)對(duì)電能參數(shù)的監(jiān)測(cè)分析，由于要實(shí)現(xiàn)的功能比較多，所以可以設(shè)計(jì)不同的功能模塊，每一個(gè)功能模塊完成相應(yīng)的分析、測(cè)量和顯示，最后通過整合構(gòu)成一個(gè)完整的系統(tǒng)以及對(duì)各項(xiàng)電能參數(shù)的測(cè)量和分析。本系統(tǒng)采用事件結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)菜單和相應(yīng)的功能模塊調(diào)用，各功能模塊設(shè)計(jì)成不同的程序，每個(gè)程序都有自己的用戶界面。圖7中系統(tǒng)主界面顯示各相基本電量的測(cè)量值，主要為三相電壓和電流的有效值、幅值、頻率偏差和報(bào)警等電能指標(biāo)。

圖7 系統(tǒng)主界面

系統(tǒng)提供了兩個(gè)數(shù)據(jù)源采集數(shù)據(jù)和仿真信號(hào)，可通過前面板上“讀數(shù)據(jù)/仿真信號(hào)”布爾按鈕進(jìn)行切換。通過“仿真信號(hào).vi”產(chǎn)生相位互差120°的三相動(dòng)態(tài)電壓、電流信號(hào)進(jìn)行仿真測(cè)試，電壓、電流噪聲水平均由前面板控件進(jìn)行調(diào)節(jié)。設(shè)置系統(tǒng)頻率為50 Hz，電流幅值為35 A，電壓幅值在“仿真信號(hào).vi”中設(shè)置為311.08 V，完成之后點(diǎn)擊運(yùn)行，測(cè)得的各相指標(biāo)數(shù)據(jù)如圖7，諧波分析如圖8。由仿真得出，設(shè)計(jì)的各個(gè)功能模塊均得以實(shí)現(xiàn)。

圖8 諧波分析主界面

4 數(shù)據(jù)傳輸及遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)系統(tǒng)

4.1 數(shù)據(jù)的網(wǎng)絡(luò)傳輸

對(duì)于采集到的電能質(zhì)量監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，在前端保存后，必須對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)傳輸，使客戶端得到完整的數(shù)據(jù)。虛擬儀器LabVIEW中提供了強(qiáng)大的網(wǎng)絡(luò)通信功能，包括TCP、UDP、SMTP、IrDA、Bluetooth、DataSocket、遠(yuǎn)程面板、共享面板等，可以利用這些功能來編寫一種軟件實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程虛擬儀器。

DataSocket(DS)是NI公司推出的基于TCP/IP協(xié)議的新技術(shù)，DataSocket面向測(cè)量和網(wǎng)上實(shí)時(shí)高速數(shù)據(jù)交換，可用于一個(gè)計(jì)算機(jī)內(nèi)或者網(wǎng)絡(luò)中多個(gè)應(yīng)用程序之間的數(shù)據(jù)交換，極大地簡化了應(yīng)用程序之間以及計(jì)算機(jī)之間進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸?shù)倪^程，用DataSocket技術(shù)傳輸數(shù)據(jù)，對(duì)于用戶來說極為方便[8]。

以功率測(cè)量數(shù)據(jù)的傳輸為例。首先在數(shù)據(jù)采集的前端，計(jì)算機(jī)運(yùn)行DS Server，然后在DataSocket Server Manager中添加數(shù)據(jù)項(xiàng)power，類型為數(shù)值，初始值為0，其他設(shè)置采用默認(rèn)值。數(shù)據(jù)采集端和數(shù)據(jù)接收客戶端程序圖如圖9，錯(cuò)誤輸出連接到While循環(huán)的條件端口，用來控制循環(huán)的停止，一旦出現(xiàn)錯(cuò)誤，程序則停止執(zhí)行。

圖9 數(shù)據(jù)采集端和數(shù)據(jù)接收客戶端程序

4.2 在線監(jiān)控

在傳統(tǒng)C/S結(jié)構(gòu)中，客戶端同時(shí)承擔(dān)了視圖邏輯和業(yè)務(wù)邏輯兩部分功能，二者之間界限不明顯，無論在功能劃分上還是具體程序?qū)崿F(xiàn)上，兩個(gè)層面往往交織在一起，不便于分工合作和開發(fā)，同時(shí)每個(gè)客戶端都需要安裝客戶端軟件，機(jī)器需要較高的配置，客戶端維護(hù)頻繁，系統(tǒng)的強(qiáng)健性下降，用戶也需要進(jìn)行專門的培訓(xùn)才能操作。C/S維護(hù)和升級(jí)成本高，對(duì)客戶端的操作系統(tǒng)一般也會(huì)有限制，只適合在局域網(wǎng)范圍內(nèi)的監(jiān)控，監(jiān)控范圍小，不適合做遠(yuǎn)程監(jiān)控[7-8]。

B/S模式也就是瀏覽器和服務(wù)器模式，是對(duì)C/S結(jié)構(gòu)改進(jìn)的三層分布式體系結(jié)構(gòu)，其用戶界面是通過瀏覽器來實(shí)現(xiàn)的，服務(wù)器上存放著數(shù)據(jù)和應(yīng)用系統(tǒng)，大大減輕了客戶端的負(fù)載和系統(tǒng)維護(hù)與升級(jí)的工作量。本文采用B/S網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，使用戶能夠通過網(wǎng)絡(luò)瀏覽器與遠(yuǎn)程虛擬電能質(zhì)量監(jiān)測(cè)系統(tǒng)進(jìn)行通信，實(shí)現(xiàn)了電能質(zhì)量監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的遠(yuǎn)程傳輸?；贐/S模式實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程監(jiān)控被控對(duì)象，采用四層結(jié)構(gòu)，第一層表示層，第二層業(yè)務(wù)邏輯層，第三層數(shù)據(jù)訪問層，第四層遠(yuǎn)程監(jiān)控層，具體實(shí)現(xiàn)的結(jié)構(gòu)框圖如圖10所示。

圖10 基于B/S結(jié)構(gòu)的遠(yuǎn)程監(jiān)控框圖

測(cè)試時(shí)，在LabVIEW主菜單中選擇工具，在隨后彈出的選項(xiàng)對(duì)話框的下拉列表框中選擇Web服務(wù)器，進(jìn)入配置頁面即可進(jìn)行配置。然后使用Web發(fā)布工具進(jìn)行網(wǎng)頁配置。系統(tǒng)測(cè)試時(shí)先在服務(wù)器端運(yùn)行“電能質(zhì)量分析.vi”，然后在客戶端瀏覽器中輸入給出的URL地址，在客戶端瀏覽器中打開程序的前面板后，在如圖11所示界面的程序前面板上單擊鼠標(biāo)右鍵，在彈出的菜單中選擇“請(qǐng)求vi控制權(quán)”，即可通過瀏覽器遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)電能質(zhì)量的各項(xiàng)指標(biāo)。

圖11 電能質(zhì)量分析遠(yuǎn)程監(jiān)控網(wǎng)頁瀏覽圖

5 結(jié)語

針對(duì)現(xiàn)有電能質(zhì)量檢測(cè)裝置的不足，以虛擬儀器Lab-VIEW為平臺(tái)開發(fā)了一套電能質(zhì)量綜合檢測(cè)系統(tǒng)，利用虛擬儀器強(qiáng)大的信號(hào)處理和數(shù)據(jù)分析能力及友好的人機(jī)交互界面，大大減少了資源的投入，提高了工作效率。采用DataSocket技術(shù)和在傳統(tǒng)C/S結(jié)構(gòu)上改進(jìn)的B/S網(wǎng)絡(luò)模型使用戶能夠通過網(wǎng)絡(luò)瀏覽器與遠(yuǎn)程虛擬電能質(zhì)量監(jiān)測(cè)系統(tǒng)進(jìn)行通信，實(shí)現(xiàn)了電能質(zhì)量監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的遠(yuǎn)程傳輸。

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Power quality analysis and remote monitoring system based on LabVIEW

Because of present situation of power quality monitoring and the problems in traditional power quality analysis instruments，a novel power quality automatic monitoring system based on virtual instrument technology in LabVIEW environment was designed. The designed system can evaluate the grid harmonic and realize the calculation，alert and simulation of the unbalance factor，total harmonic distortion，frequency deviation and other parameters.The index data can be obtained on line and transferred to the clients via internet by virtual instrument and internet technology.Compared with the traditional monitoring ways，the proposed system has better efficient，cost performance，operability and maintainability.

power quality;virtual instrument;data transmission;remote monitoring

TM 73

A

1002-087 X(2016)04-0881-04

2015-09-15

國家杰出青年科學(xué)基金(50925727)；國防科技計(jì)劃項(xiàng)目(C1120110004、9140A27020211DZ5102)；教育部科學(xué)技術(shù)研究重大項(xiàng)目(313018)；安徽省科技計(jì)劃重點(diǎn)項(xiàng)目(1301022036)；中央高?；究蒲袠I(yè)務(wù)費(fèi)專項(xiàng)資金(2012HGCX0003)

王東樓(1989—)，男，安徽省人，碩士，主要研究方向?yàn)樘摂M儀器設(shè)計(jì)和智能電網(wǎng)研究。