基于同步采集和LabVIEW的发电机并网监控装置设计*

郭子强，吴亚盆，刘丹丹

(国网兰州供电公司，甘肃 兰州 730070)

0 引 言

众所周知，并网技术原理早已成熟。对于多电源系统，若不同电源电压幅值、频率、相角在某一时间点达至允许差异范围内，便可并列运行，否则强行并列运行可能造成短路事故。由于公网是个庞大且复杂的系统，其他电源上网必须经由严格核准。因此，并网监控装置呈现出专业性强、程序复杂且体量大、不常见的特点，而对于一些移动电源装备，虽然具备并网能力，但也只是内嵌于控制器内，存在可移植性差、并网参数监控及显示不全面、研发成本高等问题。为了解决发电机无并网功能以及并网控制器无法通用、并网参数监控能力受限的问题，笔者研制了一种独立的基于同步采集卡和LabVIEW的发电机并网监控装置。装置基本功能为：采集卡同步采集市电和发电车电压信号，完成数字化调理后上传LabVIEW软件平台，平台分析判断电压的频率、频率差，相位、相位差，电压、电压差等供电参数，实时监控发电车同期并网时序[1]。经实践验证，该装置不仅操作简易，通用性强，更能够搭配各型应急电源车实现低压并网功能，解决了供电保障现场电源点必须停电接入的问题。

1 系统设计

1.1 系统设计中的拓扑结构

基于LabVIEW的发电机并网监控装置主要由三部分组成，一是电压采集系统，二是发电机电参数采集系统，三是LabVIEW软件处理系统。其中，电压采集系统由电压互感器和信号调理电路以及同步采集卡组成；发电机电参数采集数据来源于发电机断路器智能控制器；LabVIEW软件系统是使用图形化G程序语言，人机交互界面友好,程序设计简单，具备直观显示虚拟同步发电机运行状态和通过多种典型实验来验证控制算法的特性。系统整体拓扑结构见图1。

图1 系统设计中的拓扑结构图

1.2 电压采集系统硬件设计

电压采集系统硬件部分是由电压转换电路、数据采集卡、PC机等组成，主要实现6路电压信号的同步采集、数字化转换和处理等功能，电路原理见图2。主要设计部分说明如下：

图2 电压转换电路原理图

(1) 系统采用电流型电压互感器做系统隔离和电压转换，互感器采用星型连接，在交流10～500 V范围内，线性度等级0.2级，隔离耐压交流3 500 V，冲击耐压8 000 V(1.2/50 μs)。

(2) 系统采用北京阿尔泰USB2884采集卡做电压采集，该采集卡提供6路差分模拟信号输入，16位ADC，可实现对6路电压的同步转换，转换速率高达250 kHz/s，8K字FIFO存储，输入量程±10 V、±5 V可选。

(3) PC机采用东凌工业一体PC机，该PC机支持-40～+80 ℃工作环境，IP65防尘防水等级，酷睿I5处理器，2路高速USB，1路RS485接口，触摸屏。

1.3 系统软件设计

系统软件采用LabVIEW软件平台编制，主要分后台程序框图和前面板两部分。其中，前面板采用交互式图形化设计，用于输入参数设置和显示并网电气参数，前面板示意图见图3。

图3 系统软件前面板

程序框图是VI图形化的源程序，又称代码窗口，在程序框图中对VI编程，以控制和操控定义在前面板上的输入和输出功能。此系统主要包括数据采集、数字信号调理、电力数据分析、数据显示几部分。

主要利用了LabVIEW电力测量工具包Power Measurement子函数，见图4。该子函数主要功能是根据同步采集到的电压波形信息，经处理和分析得到6路电压的频率、相位、电压值[2]。另外，根据发电车同期并列条件要求，设置了电压允许偏差±5%、频率允许偏差±1 Hz、相位允许偏差±5°的限制规定值[3]，当发电机输出电压不满足限定值时，禁止并网信号灯就会亮起报警。

图4 Power Measurement子函数

2 测试验证

为了验证所设计的发电机并网监控装置，文中选用了三通道信号发生器加信号放大器对监控装置进行验证，Fluke 8845A数字万用表和TYKE TBS2204B数字示波器比对，在交流10 V-AC500 V范围内,平均分配20个测试点，电压最大偏差小于0.2%。40～70 Hz范围内平均分配20个测试点，最大误差小于0.01 Hz。0°～360°初相角最大偏差0.02°。超过限制规定值，报警信号灯亮起。经过验证，0.4 kV发电机并网监控装置达到了设计要求，实物见图5所示。

图5 0.4 kV发电机并网监控装置实物图

装置整体采用不锈钢材质的笼型结构，尺寸1000 mm×950 mm×900 mm，质量约70 kg，底盘带有承重轮。进出线每相双进双出，均有相色标，并自带核相功能。内部主回路和控制部分做了封闭处理，外部具有信息显示屏和控制屏，可供操作人员实时监测各类运行信息，操作方式有全自动和手动两种方式可供选择。通电运行后，能够清晰显示精确的并网参

数，对于不同型号的发电机只需要对其参数采集端口作适配性改进即可。并网装置的成功研制，对于提升发电机并网能力，减少用户短时停电次数，增收多供电量，助力优化营商环境具有重要意义，也为拓展发电机组并网使用场景起到积极的作用。

3 结 语

基于现有的并网监控装置体量大、专用性高、移植性差等问题，文中重点对所研制的一种基于同步采集卡和LabVIEW的发电机并网监控装置进行应用分析，经测试具有友好的交互界面，可移植性好，很方便现场操作人员使用，可以为普及发电机组并网打好了坚实的基础。