基于虛擬儀器技術(shù)的電能質(zhì)量監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

寧存岱 潘冬喜

摘 要：國(guó)內(nèi)經(jīng)濟(jì)的整體發(fā)展成為了一個(gè)大趨勢(shì)，各大企業(yè)需要更多的電能，電能的質(zhì)量已經(jīng)成為了人們關(guān)注的焦點(diǎn)。首先，根據(jù)國(guó)家功率質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)的章節(jié)，給出監(jiān)視算法，描述監(jiān)測(cè)電能質(zhì)量參數(shù)的細(xì)節(jié)，使用傳統(tǒng)電源質(zhì)量參數(shù)監(jiān)測(cè)裝置的電力質(zhì)量條件，以此分析虛擬儀器技術(shù)得出該系統(tǒng)的可行性。

關(guān)鍵詞：虛擬儀器；電能質(zhì)量；FFT；LabVIEW；諧波

中圖分類(lèi)號(hào)：TM764 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

doi：10.14031/j.cnki.njwx.2018.10.004

基金項(xiàng)目：廣西高校中青年教師基礎(chǔ)能力提升項(xiàng)目（2017KY1115）

作者簡(jiǎn)介：寧存岱（1984-），男，山東鄄城人，碩士研究生，高級(jí)工程師，研究方向：建筑電氣、智能化，E-mail：228539412@qq.com。

0 引言

電力作為現(xiàn)代社會(huì)最普遍的能源消費(fèi)，是國(guó)家發(fā)展水平的重要標(biāo)志。

1 研究影響和題目的理解

科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步和人民生活水平的提高都依賴(lài)電力的效能和電能的效率。能源發(fā)展戰(zhàn)略規(guī)劃初期，電力的需求大，因此人們關(guān)注電力供應(yīng)量和電力質(zhì)量。目前電能質(zhì)量的檢測(cè)大多采用比較傳統(tǒng)的檢測(cè)方法，通常只是對(duì)幾個(gè)指標(biāo)進(jìn)行檢測(cè)，且功能單一，一般使用單片機(jī)對(duì)結(jié)果進(jìn)行采集并處理，輸出的結(jié)果通過(guò)液晶顯示，一般用來(lái)測(cè)試電能參數(shù)中的電壓，電流，頻率，一般需要人工抄表，對(duì)結(jié)果也缺乏分析。此外，傳統(tǒng)的測(cè)量?jī)x器主要有以下缺陷：

（1）檢測(cè)量比較少。單一的檢測(cè)儀器通常只能檢測(cè)一個(gè)或者幾個(gè)量，不能對(duì)電能質(zhì)量給出全面的評(píng)價(jià)。

（2）費(fèi)時(shí)費(fèi)力。需要大量人工的參與用來(lái)完成數(shù)據(jù)采集的過(guò)程以及對(duì)數(shù)據(jù)的后續(xù)分析及統(tǒng)計(jì)，從發(fā)現(xiàn)電能質(zhì)量問(wèn)題到采取具體措施中間有很大的延時(shí)，從而失去監(jiān)測(cè)的意義。

（3）不具備實(shí)時(shí)性。在具體的檢測(cè)過(guò)程中，需要檢測(cè)的點(diǎn)往往非常分散，還有的點(diǎn)需要長(zhǎng)時(shí)間的監(jiān)測(cè)，傳統(tǒng)儀器往往無(wú)法完成這些任務(wù)，使得無(wú)法實(shí)時(shí)了解當(dāng)前階段的電能質(zhì)量。

（4）研發(fā)時(shí)間長(zhǎng)，花銷(xiāo)大。傳統(tǒng)器件在硬件的設(shè)計(jì)以及后續(xù)的程序編程需要花費(fèi)大量的時(shí)間與金錢(qián)，程序相對(duì)來(lái)說(shuō)比較復(fù)雜，需要不斷的調(diào)試過(guò)程，各個(gè)參數(shù)的硬件往往只對(duì)應(yīng)參數(shù)，需要測(cè)量其他參數(shù)時(shí)還需要其他獨(dú)立的硬件支持。

（5）不具備擴(kuò)展性。隨著人們不同的需求，往往在器件原來(lái)的結(jié)構(gòu)上進(jìn)行改進(jìn)或者修改，傳統(tǒng)測(cè)量?jī)x器，往往需要更新硬件，這就需要大量的資金投入才能完成更新過(guò)程，因此，傳統(tǒng)儀器更新?lián)Q代慢，不容易集成。

2 虛擬儀器技術(shù)

由于具有強(qiáng)大的用戶自定義函數(shù)，開(kāi)發(fā)周期短，實(shí)用性強(qiáng)，維護(hù)簡(jiǎn)單。具有廣泛的經(jīng)濟(jì)發(fā)展空間的虛擬儀器技術(shù)，以低成本，對(duì)20世紀(jì)90年代的電力行業(yè)企業(yè)影響非常大，也快速影響到了其他行業(yè)。所以這項(xiàng)技術(shù)的發(fā)展，虛擬主機(jī)能力，技術(shù)可以迅速改善經(jīng)濟(jì)，所以發(fā)展其使用的電能質(zhì)量參數(shù)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)在任何時(shí)候，都可以方便使用，以顯示出強(qiáng)大的，可擴(kuò)展的功能已經(jīng)開(kāi)發(fā)出一種低成本的現(xiàn)場(chǎng)可操控的實(shí)際需要。

這些虛擬儀器技術(shù)的工作原理的基礎(chǔ)理論，APP，計(jì)算機(jī)的技術(shù)支持和設(shè)備，本文設(shè)計(jì)了電能質(zhì)量參數(shù)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，從而使計(jì)算機(jī)強(qiáng)大的測(cè)量操作加工能力和設(shè)備的硬件，都可以控制起來(lái)，靈活的措施來(lái)克服監(jiān)測(cè)系統(tǒng)電能質(zhì)量參數(shù)在當(dāng)前限制的重要意義，已達(dá)到電源的質(zhì)量，可以簡(jiǎn)單改進(jìn)，所以我們將開(kāi)發(fā)基于虛擬儀器技術(shù)的電能質(zhì)量參數(shù)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。

3 電能質(zhì)量參數(shù)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的控制技術(shù)研究

在測(cè)試任務(wù)時(shí)應(yīng)該選擇測(cè)試系統(tǒng)的類(lèi)型來(lái)完成設(shè)計(jì)問(wèn)題為系統(tǒng)監(jiān)控第一總體規(guī)劃時(shí)必須考慮，系統(tǒng)設(shè)計(jì)還必須考慮質(zhì)量控制系統(tǒng)參數(shù)。開(kāi)發(fā)質(zhì)量監(jiān)控系統(tǒng)（7周）的過(guò)程要分為以下幾個(gè)階段。

（1）模擬測(cè)試階段。模擬檢測(cè)利用模擬技術(shù)來(lái)操作檢測(cè)信號(hào)，例如電壓表，電流表和電氣測(cè)量設(shè)備。基本結(jié)構(gòu)是電磁，結(jié)果是一個(gè)指標(biāo)。模擬檢測(cè)系統(tǒng)具有結(jié)構(gòu)復(fù)雜、精度低、自動(dòng)化程度低等缺點(diǎn)。

（2）數(shù)字檢測(cè)步驟。當(dāng)檢測(cè)信號(hào)的數(shù)字檢測(cè)用的A / d（模擬/數(shù)字轉(zhuǎn)換）轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)時(shí)是使用數(shù)字信號(hào)處理技術(shù)，具有一個(gè)數(shù)字計(jì)數(shù)器計(jì)算，處理顯示在十進(jìn)制的測(cè)量值的（模擬/數(shù)字轉(zhuǎn)換）之后進(jìn)行處理。因此，數(shù)字檢測(cè)可以高速響應(yīng)和支持高精度要求，讀數(shù)明了，可直接使用。但是，適用于虛擬測(cè)試，此系統(tǒng)只能獨(dú)立運(yùn)行且僅有一個(gè)能力。

（3）主機(jī)的控制系統(tǒng)。電腦的發(fā)展和改革，使電子檢測(cè)技術(shù)水平不斷提高。智能檢測(cè)系統(tǒng)是利用微型計(jì)算機(jī)的功能開(kāi)發(fā)的，例如存儲(chǔ)器、數(shù)學(xué)運(yùn)算、邏輯判斷、命令識(shí)別等。一種用于檢測(cè)電源質(zhì)量的參數(shù)作為嵌入式微處理器系統(tǒng)，在軟件或硬件硬化的形式，自動(dòng)測(cè)試，也稱(chēng)為智能數(shù)據(jù)處理功能存在的所有功能模塊，可是無(wú)論是在開(kāi)發(fā)還是應(yīng)用方面，虛擬儀器比智能部件都缺乏靈活性。

（4）虛擬化軟件的檢測(cè)。檢測(cè)虛擬化組合的數(shù)據(jù)收集和實(shí)現(xiàn)，通過(guò)軟件設(shè)備的一些或全部功能所需的一般計(jì)算機(jī)支持需要的計(jì)算，通信技術(shù)和測(cè)試、測(cè)量硬件基礎(chǔ)。虛擬工具代表了傳統(tǒng)測(cè)量概念的根本性變化，也是監(jiān)測(cè)電力質(zhì)量參數(shù)發(fā)展的關(guān)鍵方法。

（5）電壓波動(dòng)的測(cè)量。檢測(cè)電壓波動(dòng)的常用方法包括檢測(cè)裝置的方法，檢測(cè)有效值的方法，引起同步檢測(cè)的方法等。推薦的IEC方法是同步檢測(cè)方法，即檢測(cè)矩形波的方法。

部分電壓波動(dòng)典型地被檢測(cè)為電壓波動(dòng)電壓（50 Hz或60 Hz）的波動(dòng)或波動(dòng)分量的峰值，作為由RMS調(diào)制電壓的幅度調(diào)制的模量波。對(duì)于每個(gè)具有調(diào)制波的波形，它可以被認(rèn)為是不同頻率分量的組合。為了簡(jiǎn)化分析而不失一般性，可以使用檢測(cè)頻率載波中的一個(gè)頻率調(diào)制的調(diào)制分析電壓波動(dòng)的方法。瞬時(shí)電壓分析是u（t）= A（1+ mcosΩt）coxωt

基于虛擬儀器技術(shù)的數(shù)據(jù)

u2（t）=a2/2（1+m2/2）+ma2cosΩt+m2a2/4cos2Ωt

+a2/2（1+m2/2）cos2ωt+m2a2/8cos2（ω+Ω）t

+m2a2/8cos（ω-Ω）t+ma2/2cos（2ω+Ω）t

+ma2/2cos（2ω-Ω）t

由此等式可以看出，對(duì)于直流分量以外的二次項(xiàng)波長(zhǎng)調(diào)制，頻率分量包含以下內(nèi)容。Ω、2Ω、ω、2ω、2（±Ω）、20±Ω，當(dāng)005～35 Hz用于濾除直流成分和組分赫茲的帶通濾波器，調(diào)制因子m是遠(yuǎn)小于1，所述頻率分量幅度的調(diào)制波是比電壓值小，因此它可以很容易地計(jì)算出來(lái)。這意味著通過(guò)濾波解調(diào)，可以獲得約8%的加權(quán)波長(zhǎng)調(diào)幅，并且可以獲得元件電壓波動(dòng)。這種方法適用于數(shù)字信號(hào)處理。

4 結(jié)論

采用準(zhǔn)工具有一個(gè)圖形化編程語(yǔ)言，設(shè)備的硬件和軟件的能力有限制，用戶界面圖形，同實(shí)行和監(jiān)控系統(tǒng)的發(fā)展，控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)工具大大減少了生產(chǎn)時(shí)間，設(shè)備的質(zhì)量有保障，設(shè)備金錢(qián)的使用減少。本文是對(duì)虛擬設(shè)備監(jiān)控技術(shù)的電氣系統(tǒng)的控制進(jìn)行分析。希望在各種條件的環(huán)境影響下，電能質(zhì)量參數(shù)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)一定要做出改進(jìn)。瞬態(tài)過(guò)電壓系統(tǒng)不參與瞬態(tài)過(guò)電壓、頻率、諧波電壓、電壓波動(dòng)和相位平衡等五項(xiàng)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)的測(cè)量和分析，實(shí)現(xiàn)一體化。數(shù)據(jù)庫(kù)監(jiān)控系統(tǒng)在電力功能質(zhì)量方面的研究較少，需要進(jìn)一步開(kāi)展研究。

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