基于LabVIEW的微电网电能质量实时监测系统设计

（安徽职业技术学院 机电工程学院，合肥 230011）

0 引言

随着传统化石能源的日益紧缺，作为一种新型能源的分布式能源越来越受到各国的关注,由此对传统电网构成的冲击已经成为不容忽视的问题，为了解决分布式电源接入的问题，因此电力工作者们提出了微电网的概念[1]。作为小型发配电系统的微电网，可以实现其并网或孤岛运行，有机整合了分布式电源、储能装置、负荷、变流器以及监控保护装置等，采用变流装置、运行控制、自动化能量管理等关键技术，最大限度的利用分布式能源出力，降低间歇性分布式能源给配电网带来的不利影响，提高电力系统的可靠性和电能质量[2～4]。电能质量[5～7]是供电企业向社会承诺的最基本内容，已成为我国投资环境的硬指标之一，其好坏直接关系到系统的稳定性和企业的经济效益，而微电网电能质量监测系统是做好微电网电能质量管理，获得详实可靠的第一手数据的先决条件[8]。

虚拟仪器技术是结合高效灵活的软件来实现真实仪器的功能，通过LabVIEW软件中图形化开发工具以及强大的函数功能实现了产品设计参数。为了对并网点、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，本文利用LabVIEW作为上位机软件嵌入到工控机中，PCI板卡作为上位机数据采集模块，搭建了基于虚拟仪器技术的电能质量实时监测系统。实验结果表明此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。

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，硬件主要部分为电力数据采集，软件主要实现电能质量分析，如图1所示。因此系统分为硬件和软件两部分组成，硬件部分包括PCI板卡、前置信号调理等电路；基于LabVIEW软件部分，实现了对电力信号的实时采集显示、存储和分析。

图1 系统结构框图

1.1 硬件设计及选型

电压和电流信号通过信号调理电路后被多功能采集卡采集，同时通过LabVIEW软件对采集的电力数据进行处理和分析。

1.1.1 PCI板卡选型

为了抑制共模电压和共模形式噪音，数据采集卡采集必须有双端差分输入模式；在监测电能质量时需要监测多路电压和电流信号，因此需要选择采样频率较高的、具有隔离保护的数据采集卡。采样频率可达500K/S、12位分辨率及2500DC的直流隔离保护，同时拥有32路单端或16路差分模拟量输入或组合输入方式的研华公司生产的PCI-1715u型多功能采集卡完全能满足本系统要求。

1.1.2 前置信号调理电路设计

由于PCI-1715u的输入信号范围在0到5V，采集信号之前需要进行处理。如图2所示，以输入220V电压进行设计，电流互感器CA139A要求输入为0到2mA的电流信号，所以电阻选取55kΩ。R1和C1构成无源低通滤波电路，具有较好的抗干扰性能。

图2 电压转换电流信号电路

图3为偏置与限幅电路。当2mA电流信号经过U101A运算放大器后转换成1.818V的电压信号。经过二阶滤波电路和U101B构成的偏置电路后，将电压信号的峰值转化成5V，满足了板卡接收信号的要求，即交流电压信号峰值为5V。

TA060是额定输入电流为5A，额定输出电流为2.5mA的电流互感器，可以根据实际需求更换互感器。如图4所示，转换后的2.5mA电流信号经电阻R11后为峰值是2.5V的交流电压信号，然后采用电压采样相同的偏置与限幅电路，满足了为0～5V的输出电压交流信号。

图3 偏置与限幅电路

图4 电流转换电路

1.2 软件结构与实现

基于LabVIEW的上位机软件，完成电能质量检测和分析、以及数据的存储。程序开发过程中使用到DAQNavi和VISA工具包，分别用于板卡数据采集和串口通讯调试。

1.2.1 数据采集模块

数据采集部分使用了DAQNavi工具包中的Assistant模块，设计中使用单通道采样率为6250/S，实时的采集每个电压和电流的波形128个点。PCI-1715u数据采集卡有500K/S的采样频率，可以根据需求选择32个通道的使用个数，设置通道的采样频率，从而实现更精确的波形显示。程序如图5所示，实现了对多路三相电压和电流数据的实时采集，其中子VI实现了电压和电流信号分析、显示及保存等处理功能。

1.2.2 电能质量分析

1）电压偏差

电压是电能质量的重要指标之一，通过电压偏差来体现，是衡量电力系统能否正常运行的一项主要指标。在生产运行方式下，供电系统某母线电压偏差如式(1)所示[9,10]：

图5 数据采集程序框图

上式中δU为电压偏差，UN为系统标称电压，Ure为实际测量电压。单位均为kV。

2）频率偏差

电力系统在正常运行状态下，系统频率采用电压频率来体现，其偏差为的实际电压频率值与50Hz（部分国外采用60Hz）的差值称为系统的频率偏差，是电能质量最重要的指标之一。其数学表达式为：

3）三相不平衡度

电力系统中的三相电压和电流，均可通过对称分量法分解为零序、正序、负序分量。将电压或电流的负序分量与正序分量比值定义为电压或电流的三相不平衡度，用符号ε表示，即：

其中：εU、εI分别为三相电压和三相电流不平衡度，U1、U2为电压正序、负序分量均方根值，单位kV，I1、I2为电流正序、负序分量均方根值，单位kA。

通过计算三相系统的正序和负序分量可以求出三相系统的不平衡度。

4）总谐波畸变率

电力信号谐波的频率为基波频率的整数倍。总谐波畸变率是衡量一个电力系统中谐波影响的程度，类同与正弦波的失真程度[11]。以公式形式表示为：

通过采集的电压和电流的数据，采用电能质量分析方法，利用虚拟仪器技术可以实现基于LabVIEW实时电能质量监测系统，用来分析和展示电压偏差、频率偏差、三相不平衡度、总谐波畸变率等电能质量参数。

1.3 运行效果

图6 电能质量监测界面显示

该界面可选择性显示各处的电压、电流的谐波分量及谐波幅值，内外网的电压波形及不平衡度，并网点和各负载设备的电流波形。如图6所示，分析了并网点电压、电流的谐波分量、电压不平衡度，显示的电压波形为PCC点处的交流电压，电流波形包含了三相不平衡电流、单相负载电流以及测量谐波的三相整流桥电流。表1为数据存储的结果。

表1 数据存储的结果显示

2 结论

本文在研华的PCI-1715u数据采集卡基础上，利用LabVIEW软件，实现了微电网电能质量监测系统。系统能够监测微电网的当前电压和电流的运行状态，以及电压偏差、频率偏差、三相不平衡度、总谐波畸变率等电能质量参数，具有较高的扩展性，数据存储功能可以将数据以Excel表格的形式保存，方便后期处理及分析。

[1]刘建华,谭智商.基于LabVIEW的微电网电能质量监测系统[A].2010 3rd International Conference on Power Electronics and Intelligent Transportation System[C].2010,400-403.

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