基于Lab VIEW的电能质量监测系统设计

程信羲,陈其工,高文根

(安徽工程大学安徽检测技术与节能装置省级重点实验室,安徽芜湖 241000)



基于Lab VIEW的电能质量监测系统设计

程信羲,陈其工∗,高文根

(安徽工程大学安徽检测技术与节能装置省级重点实验室,安徽芜湖 241000)

摘要:为了能够实时监测微电网系统的电能质量参数,利用工控机作为上位机,Lab VIEW作为上位机软件,结合PCI板卡建立了基于虚拟仪器技术的电能质量实时监测系统,可对并网点、逆变器以及负载等微网设备的电能质量的可视化实时监测．实验结果表明,系统可以根据用户需求实时监测微网各处的电能质量,保证微网安全有效地运行,具有一定的扩展性．

关 键 词:Lab VIEW;电能质量监测;硬件电路;软件结构

随着社会不断进步,人类对能源的需求不断增大,电力需求也逐年增加,使得分布式能源迅速崛起．微电网是由分布式电源、储能系统和负荷构成且可以实现自我控制、保护和管理的自治系统,分为并网运行、孤岛运行两种典型的稳态运行状态[1]．为了保证微电网安全有效运行,需要对电能质量进行实时监测,对电能的稳定提出了更高的要求[2]．

虚拟仪器技术可通过软件实现真实仪器的功能,通过Lab VIEW软件中丰富的功能函数进行数据处理．基于虚拟仪器技术开发了电能质量实时监测系统,可以实现微电网系统运行中各种复杂信号分析与显示功能,且扩展能力强．

1 系统总体设计

基于虚拟仪器的微电网电能质量监测系统主要包含了数据采集和电能质量分析两部分．系统结构框图如图1所示．

图1 系统结构框图

2 硬件设计及选型

2．1 PCI板卡选型

采集卡选用研华PCI-1715u数据采集卡,其拥有32路单端或16路差分模拟量输入或组合输入方式,采样频率可达500 k HZ、12位分辨率及2500DC的直流隔离保护．采集卡的输入选择双端差分输入模式,此模式可以使得放大器有效地抑制共模电压以及任何与信号混杂在一起的共模形式噪音,提高测量质量．

2．2 信号调理电路设计

电压转换电流信号电路如图2所示．由图2可知,输入是220 V相电压,电压经过电阻R102和R103后转换成2 m A的电流信号．R101和C101构成RC低通滤波电路,抗干扰性强,有较好的低频性能．CA139A是额定输入输出均为2 m A的电流互感器,有一定的隔离作用．

图2 电压转换电流信号电路

电压跟随电路如图3所示．2 m A电流信号经过电路,利用阻值为909Ω的电阻R104转换成1．818 V的电压信号,此交流电压信号的峰值约为1．818V∗＝2．57 V．二极管是为了防止运放器LM224同相输入端和反相输入端的差值过大,运放器由电源板提供12 V的直流电．

图3 电压跟随电路

偏置与限幅电路如图4所示．峰值为2．5 V的交流电压信号进入电路,经过二阶滤波电路和偏置电路,将电压信号的峰值变成5 V,保证工控机中PCI1715U板卡接收的信号是峰值为5 V的交流电压信号．

用IC法获得采样电压时,接线原理图如图5所示．TA0193-2M电流互感器将输入的交流电流信号转换成2．5 m A交流电流信号,通过阻值为732Ω的电阻,2．5 m A∗732Ω∗＝2．5 V转换成峰值是2．5 V的交流电压信号．

图4 偏置与限幅电路

图5 IC法获取采样电压原理接线图

3 软件结构与实现

以工控机作为上位机,用Lab VIEW完成电能质量检测、数据存储和分析,软件设计流程图如图6所示．原始电压、电流经信号调理电路后转换为符合PCI-1715u板卡接收的交流电压信号,使用DAQNavi工具包中的Assistant模块结合板卡进行采集,通过电能质量分析后显示数据．

3．1 电能质量分析

三相电压和电流有效值是电能质量分析的基础指标,根据采集的离散化电压、电流序列,计算电压和电流的有效值[3]．

电压有效值:

电流有效值:

频率偏差是指电力系统在正常运行状态下,系统频率的实际值与额定值的差值,即:Δf＝fR－fN．其中,fR为实际频率值;fN为系统的额定频率;Δf为频率偏差．通常使用过零检测法测量电压频率,但此方法易受谐波以及其他干扰的影响,精度不能保证．在本系统中,使用了二阶巴特沃斯低通滤波器,可以有效地降低干扰影响,提高测量的精确度[4]．

电压信号基本参数测量程序如图7所示．利用For循环和条件语句,通过判定比较和赋值．条件语句中条件为真时,赋值是电压变比;条件为假时,赋值为0．这样可以仅保留前6路的电压信号,因为在信号调理电路中缩小了电压信号的值,所以在程序中需要通过电压变比进行放大,最后再去除电压信号的直流分量,得到的原始输入信号就是微电网中并网点处内外网的实际电压信号电压,并计算电压信号的有效值．

IEC精确定义的利用负序电压有效值与正序电压有效值的比值来计算三相电压不平衡度:

．此方法通过测得各相电压的幅值和相位来计算电压不平衡度[5]．

不平衡度测量程序框图如图8所示．将已计算出的PCC点内外网电压的幅值和相位大小通过索引,保留内网的幅值与相位,再由序分量子Ⅵ计算出不平衡度和正、负、零序分量大小．

图8 不平衡度测量程序框图

总谐波畸变度是衡量一个电源中谐波成分多少的量,表示信号波形相对于正弦波的失真程度[6]．以公式形式表示为:

创建PCC点处幅频曲线波形的程序框图如图9所示．将PCC点的电压和电流合并,与采样频率一起作为幅度谱和相位谱Ⅵ的输入信号,返回值是幅度谱的大小和频率间隔,频率间隔通常作为频率轴的乘数,用于显示频域．处理幅度谱的大小和频率,创建幅频曲线波形图．

图9 PCC处频谱曲线及数据保存程序框图

利用虚拟仪器技术设计电能质量分析程序方便简洁,以上程序实现了各处交流电压和电流的波形、序分量的显示、PCC并网点的电压和电流的谐波分量、不平衡度的实时分析等问题．此外,根据采集的电压和电流的数据,计算出了有效值、幅值、相位及频率．

3．2 运行效果

PCC点外网的三相电压与电流波形显示界面如图10所示．由图10可知,波形幅值大小为311 V．电流波形图是逆变器的实际电流值,30 k W逆变器的理论电流值为45 A;20 k W逆变器的理论电流值为30 A; 3 k W逆变器的理论电流值为15 A．然而,图10中3 k W逆变器的电流只有7 A左右,由此可知逆变器越小,受天气因素影响越大．

图10 电压和电流波形显示界面

PCC点外网电压的不平衡度及电流谐波含量分析图如图11所示．由二维罗盘图可直观地反映不平衡度情况．图11中仅正序分量有数值,负序分量和零序分量基本为0,表明三相电压是平衡的．电压不平衡时会存在负序分量,直接导致达到数倍的电流不平衡的发生,对整个系统的安全运行有很大的影响．谐波分析界面显示的是PCC并网点A相的电流谐波含量,可通过支路的选择查看其他电流信号的谐波情况．谐波的存在会导致系统中的元件产生附加的谐波损耗,降低了发电、输电及负载用电的效率,大量3次谐波流过中性线时还可能因为过热导致火灾,所以对谐波的监测是非常必要的．由图11可知,PCC点外网A相电流的仅含有一次谐波分量,高次谐波为0．

图11 不平衡度及谐波分析效果图

4 结论

利用Lab VIEW软件结合研华的PCI-1715u数据采集卡,完成了微电网电能质量监测系统．系统能够实时、准确地显示微电网的当前运行状态以及所有参数信息,具有较高的扩展性．

系统根据电能质量的参考标准,对电压电流有效值、频率偏差、电压波动、三相不平衡度、电压电流各次谐波含量以及畸变率等参量进行了仿真和计算,计算速度快,数据准确,具有很强的实用性和扩展性．

参考文献:

[1] 丁明,张颖媛,茆美琴．微网研究中的关键技术[J]．电网技术,2009(11):6-11．

[2] 沈斌,胡阳成．Lab VIEW在电能质量监测系统中的应用研究[J]．工业控制计算机,2010,23(9):29-30．

[3] 王政,刘国海,沈跃,等．基于Lab VIEW的电能质量监测系统及其数据存储格式的研究[J]．电测与仪表,2013,50(6): 83-87．

[4] 马永强,周林,武剑,等．基于Lab VIEW的新型电能质量实时监测系统[J]．电测与仪表,2009,46(3):41．

[5] IEC 61000-4-30．Electromagnetic Compatibility(EMC)-Part 4-30 Testing and Measurement Techniques-Power Quality Measurement Methods[S]．International Electrotechnical Commission,2003．

[6] 甘颖．基于Lab VIEW的电能质量监测系统[J]．仪器仪表学报,2011,32(12):384-385．

Design of power quality monitoring system based on LabVIEW

CHENG Xin-xi,CHEN Qi-gong∗,GAO Wen-gen
(Anhui Key Laboratory of Detetion Technology and Energy Saving Devices, Anhui Polytechnic University,Wuhu 241000,China)

Abstract:To be able to monitor real-time micro-grid system power quality parameters,the authors use the IPC as a PC,Lab VIEW as PC software,combined with the PCI board to establish a real-time power quality monitoring system based on virtual instrument technology,so as to achieve outlets,reverse variable power quality and load control devices and other micro-network visualization in real time．Besides, this paper describes the hardware circuit design,power quality index calculation and software design methods in details．Experimental results show that this system can realize micro-grid power quality realtime monitoring to ensure the safe and effective operation of the micro-network,according to user needs, and has certain scalability．

Key words:Lab VIEW;power quality monitoring;hardware circuit;software architecture

中图分类号:TM935

文献标识码:A

收稿日期:2015-10-15

基金项目:安徽省科技攻关基金资助项目(1301022045)

作者简介:程信羲(1990-),男,安徽滁州人,硕士研究生．

通讯作者:陈其工(1961-),男,安徽明光人,教授,博导．