基于LabVIEW的电能质量分析与监测系统
2019-07-15逯玉兰
逯 玉 兰
(甘肃农业大学信息科学技术学院 甘肃 兰州 730070)
0 引 言
衡量产品质量需要有相应的标准，对电能质量的分析与监测亦不例外。在电网监测系统中，电能质量主要由电网供给用户使用的交流电的一些具体参数来表征。理想的三相交流电力系统中，每一相电压和电流信号的相位之间都有120°的差值，但用户在实际应用中得到的是电压值标准、波形为正弦波且具有恒定功率的交流电信号[1]。在实际应用中，系统中存在着诸如变压器、电弧炉、继电器等各种各样的用电设施，这些设施在电网中的实际应用和状态的变化(设备的不对称性以及非线性特性)使得电能很难保证处于理想状态，由此产生了电能质量问题[2]。在电网中，交流电三相不平衡、信号频率存在偏差以及电压存在偏差等都会造成用电设备出现故障，所以电能质量问题的定义可描述为：致使用电设备不能稳定工作、出现各类故障的电网电流、电压以及频率偏差。电能质量的内容具体涉及电压偏差、频率偏差、谐波、三相不平衡度以及电压波动和闪变等[3-5]。电能质量监测仪器可以监测电能质量的某些指标值，准确的监测信息为诊断电能质量提供依据，也可用于电力的常规维护，并且能够向用户提供优质的电能[6]。因此建立电能质量综合分析与监测系统是非常必要的，能够对电能质量进行连续、长期、有效地监测，进而对改善电能质量提供一定的依据。
1 硬件结构
电能质量分析与监测系统采用硬件电路和虚拟仪器技术来实现，其结构如图1所示。主要实现负责现场数据的采集、分析计算并保存，同时具有数据查询和报警功能。硬件电路完成数据采集，数据的分析、计算等功能都是由LabVIEW编程来实现的。
图1 电能质量分析与监测系统框图
电网中关于电能质量的监测，在工程实现时往往采用带有多种接口的计算机系统，这些接口包括并行接口、串行接口、USB接口以及PXI接口。在数据采集阶段，可插入式的数据采集卡也是常用的设备，通过这种数据采集卡可以直接采集获取电网数据，并将数据传输到计算机中。然而，数据采集卡的安装并不便捷而且价格昂贵，给低成本的电能质量监测方案带了挑战。本文所设计的方案中，前端数据采集系统以STC单片机为控制核心予以实现，数据的传输采用了将USB控制协议转换为异步串行协议的方案，硬件实现时采用了较为常用的CH341T芯片。从整体上来看，采集的数据看上去就只是“简单”地通过一条USB数据线传输给PC机，然后在LabVIEW平台下进行分析、处理并实现可视化。从系统的实现成本来看，协议转换芯片CH341T结合STC12C5410AD单片机相较于专业的数据采集卡，其成本要低得多。
2 开发环境及系统实现
2.1 LabVIEW程序设计
VISA(Virtual Instrument Software Architecture)是一种比较高性能、高效率的应用编程接口，它是由美国的国家仪器公司创新设计的一种用于与不同仪器之间进行信息传输的通信端口[7]。LabVIEW中的VISA数据存储库在软件成功安装以后长时间驻留在PC机中，它实现和维护着上位机与具体仪器之间的软件连接，从而提供了一种程序控制仪器的具体手段。通过把监测仪器中的数据传递至计算机中，从而实现对仪器程序运行的监测和控制。从本质上来说，VISA本身并不支持编程，它只是提供了一系列关于仪器系统的标准API，而这些API主要用来调用底层的驱动程序以实现对仪器的控制[6]。
本文主要使用了LabVIEW的VISA中的串行信息传输的功能对串行通信相关软件进行开发。主要的应用软件程序见表1。
表1 VISA应用程序
系统的部署配置按照下述流程进行：
(1) 使用VISA Configure Serial Port.vi对端口进行初始化的处理，并且设定信息读取和写入的时间为15秒，无须奇偶验证，停止位设定为1，并且保障整个过程是无流控制。
(2) 接通串口，把缓冲数据以图形的方式进行展现，并且使用位置移位寄存器和字符连接器控制软件对采集的数据进行处理，当数据采集达到一定的标准时，对这些数据进行数值形式的转变并进行展示。
(3) 对数据接收区域的数据进行数据清空处理，为下一次的数据采集打好基础[7]。
(4) 跳转至(2)。
2.2 数据处理
数据处理是对数据采集系统采集得到的数据进行数学运算，采用快速傅里叶变换(FFT)来对电压、电流以及谐波中的数据进行提取，从而对衡量电能质量的关键数据指标进行计算[8]。
2.2.1电压、电流有效值
电压有效值为:
(1)
电流有效值为:
(2)
式中：uj代表j点上的电压数据值，ij代表j点上的电流数据值，N代表数据采集量。
2.2.2功率数据
有功功率的数学表达公式为：
(3)
式中：A、B、C为相序，uAj代表j点的A相电压数据值，iAj代表j点上的A相电流数据值，其他以此类推。
视在功率:
S=UAIA+UBIB+UCIC
(4)
无功功率:
(5)
功率因数:
(6)
2.2.3三相不平衡度分析
三相不平衡度分析电力系统的三相平衡，指的是系统中三相电压或者电流幅值大小相等，相位互差120°。但由于系统中存在很多不平衡因素，三相交流电力系统是不符合这种理想状态的，即不平衡[2]。一般，三相电力系统的电压和电流不平衡度分别用εU和εI表示，其值分别是电压和电流均方根值的百分比。正序分量主要是把处在现实中的电力系统按照对称分量的方式进行分解，其正序对称系统中的分量；负序分量主要是把处在现实中的电力系统按照对称分量的方式进行分解，其负序对称系统中的分量[9]。
必须测出各向量的大小及其相位才能计算正负序分量，计算复杂。
通常，工程上使用一个简单的估计公式。设三相制的线电压分别为K、L、M，令：
(7)
则：
(8)
三相电流不平衡度也可以用类似的公式估算。
LabVIEW中的提取单频信息函数，可以检测出信号的幅值、频率、相位，再利用对称分量法设计程序，最后代入式(7)求得三相不平衡度，程序如图2所示。
图2 三相不平衡度子程序
2.2.4频率偏差分析
频率偏差是输出信号频率与标称频率的差值。通常情况下，电力系统的标准对称频率包含50 Hz和60 Hz，我国使用的是50 Hz频率[8]。
Δf=f-fN
(9)
式中：f为实测频率，fN为额定频率，Δf为频率偏差。通常使用过零检测法测量电压频率，但此方法易受谐波的影响，精度不能保证。本系统使用了二阶巴特沃斯低通滤波器，可以有效地降低干扰，程序如图3所示。
图3 频率偏差子程序
2.2.5电压波动分析
电压波动为一系列电压变动或连续的电压偏差。电压波动值为电压均方根值中的最大值Umax和最小值Umin的差ΔU，通过特定电压UN百分比来进行表示，即：
(10)
采用For循环结构获取最大值、最小值，每3个点循环比较大小，找出所有的极值点。再判断相邻最大值、最小值的差值，根据式(10)计算出电压波动，LabVIEW程序如图4所示。
2.2.6谐波分析
(1) 第n次谐波电压含有率HRUn为：
(11)
式中：U1为基波电压值，Un为第n次谐波电压值。
(2) 第n次谐波电流含有率HRIn可以用类似的公式表示：
(12)
式中：I1为基波电流值，In为第n次谐波电流值。
(3) 谐波电压含量UN：
(13)
(4) 谐波电流含量IN：
(14)
(5) 电压总谐波畸变率THDU[10]：
(15)
(6) 电流总谐波畸变率THDI：
(16)
LabVIEW程序面板中的谐波失真分析函数(Harmonic Distortion Analyzer.vi)，该函数是加了汉宁窗的FFT算法模块，是测量谐波的核心部分，可以快速计算出待测信号的基波频率、各次谐波幅值、各次谐波含有量、总谐波畸变率(THD)等。谐波分析子程序如图5所示。
图5 谐波分析子程序
3 实验与仿真结果
试验电源选用自设的仿真三相电源，含有基波信号、谐波信号和均匀白噪声信号。电能质量分析与监测系统前面板如图6所示。表2是某一时刻的部分电能质量监测数据。由表2可知，本系统测量的各相电压有效值的误差分别为9.3%、1.5%、1.5%，频率的误差分别为1.52%、1.84%、0.86%，除了A相的电压有效值误差比较大，可能是由干扰引起的，其他测量值的误差都在2%以内，说明本系统能够很好地监测电压波动、电压偏差、频率偏差、三相电压不平衡度、各次谐波电流等电能质量指标。
图6 电能质量分析与监测系统前面板
相序电压有效值/A电压偏差/VTHDU/%各次谐波电流/A234 … 12电压波动/%频率偏差/Hz三相不平衡度/%A10.930.3653.845.241.863.260.071.1-0.7625.86B9.850.0065.935.693.542.910.043.6-0.9225.86C10.150.0034.825.341.373.630.051.8-0.4325.86
4 结 语
本文采用虚拟仪器技术开发了电能质量分析与监测系统，应用LabVIEW比较强的G程序编辑的功能，从而大大提高了数据采集的效率。系统根据电能质量的参考标准，对电压电流有效值、三相不平衡度、频率偏差、电压波动、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。本系统与传统的电能质量监测仪相比较，更加简便，适用性更广，功能更加的全面，精确度和实时性相对高，也大大降低了系统的综合成本，缩短了系统的开发周期。
