基于LabVIEW的电能质量分析与远程监测系统

2016-03-11王东楼何怡刚张金安

电源技术 2016年4期

关键词：虚拟仪器电能远程

王东楼，何怡刚，谢丰，张金安

(合肥工业大学电气与自动化工程学院，安徽合肥230009)

基于LabVIEW的电能质量分析与远程监测系统

王东楼，何怡刚，谢丰，张金安

(合肥工业大学电气与自动化工程学院，安徽合肥230009)

根据电能质量检测技术的现状及传统电能质量分析仪存在的问题，设计一种基于虚拟仪器LabVIEW的新型电能质量检测系统，实现对电网的谐波分析、不平衡度、畸变率、频率偏差等参数计算、报警和仿真，应用虚拟仪器和网络技术的结合对电能质量指标进行在线监测并将监测得到的数据通过网络传输至客户端，设计一种基于LabVIEW的电能质量远程监测系统，该方法与传统方法相比，其开发效率、性价比、可操作性及可维护性等方面都具有明显优势。

电能质量；虚拟仪器；数据传输；远程监测

近年来，随着工业的发展，电网不断扩大，工业负荷快速增长，电力系统中引入大量非线性负荷(如电力电子设备、大功率整流设备、电弧炉等)，这些负荷严重影响电力系统供电电能质量；另一方面，随着科学技术的进步，为了提高劳动生产率和自动化水平，大量基于计算机系统的控制设备和电子装置应用到各领域，这些装置或设备性能好效率高，但对电源特性变化很敏感，即对电能质量要求很高，而电能质量不断恶化已经给这些设备或装置的用户造成了不小的损失，同时由于非线性负荷带来的谐波造成的电能计量不准确问题给供电部门造成经济损失[1-2]。这一问题已引起了各级电力部门的高度重视，国家已颁布了有关的技术标准。专门监视记录电压合格率的自动装置已在一些电力部门投入实际运行，不少微机式故障录波器、变电站自动化系统等装置也考虑了兼顾电能质量监视的问题。然而，到目前为止，国内对电能质量的检测分析手段比较落后，大部分产品还停留在用单片机制作只能进行简单检测分析的阶段。鉴于这种情况，很有必要引入新技术开发出一种全新的电能质量监测装置，能够对电力系统电能质量进行实时准确的检测分析[3]。

以NI公司的LabVIEW软件为代表的虚拟仪器技术是以软件为核心实现真实仪器功能的新兴技术，可广泛运用于工业测控和分析系统。基于LabVIEW的电能质量监测系统可以根据软件丰富的接口和库函数实现数据的采集和分析处理功能，具有成本低、开发周期短、操作便捷、易于调试和升级等优势[4]。

通过分析当前电能质量分析设备的国内外发展现状，结合电能质量分析设备的发展趋势，设计了一种数据采集和显示电路，基于LabVIEW软件的电能质量分析和监测平台，对各个指标的理论和方法进行了分析，并对其进行了仿真测试，对仿真结果进行了对比分析，设计了一种基于LabVIEW的电能质量远程监测系统。

1 系统硬件结构

系统硬件系统主要包括互感器、信号调理电路、低通滤波电路、数据采集系统以及计算机系统。由于初级电压和电流比较大，因此需用互感器变换成实验所需电压和电流。互感器选用具有闭环磁补偿功能的霍尔电流互感器LA-50P、电压互感器CHV-50P。前者原边被测电流与副边输出电流电气隔离，输出信号真实反映原边电流波形，具有良好线性度；后者原边被测电压与副边输出电流电气隔离。因此，可以省略隔离电路，直接将互感器调理的低压信号经低通滤波电路后将交流小信号线性转换成－5～5 V，以适合DAQ采样数据采集卡通过PCI、USB等总线连接到计算机，采用的是一款低价位多功能M系列的PCI-6221采集卡，具有16个模拟输入道，每通道最高采样为250 ks/s，带宽为700 kHz，分辨率为16 bits，高达24路数字I/O，32位计数器，最大输入范围为－10～10 V，最小输入范围为－200～200 mV，整个系统设计如图1所示。

图1 系统总体设计框图

2 软件设计

软件部分是整个检测系统的关键，负责对硬件采集来的信号进行处理、分析和显示，电能质量关键参数检测与分析系统软件可分为用户登录、数据采集、波形显示、参数测量、参数分析和远程监控。

2.1 用户登录模块

该模块在所有软件模块之前，必须先输入正确的用户名和登录密码才能使用该系统，该系统登陆初始密码为123456，具体的面板程序框图如图2所示。

图2 用户登录模块程序框图

2.2 数据采集模块

数据采集模块是整个监测系统软件部分的初始部分，它向整个检测系统提供信号源原始数据。本文采用DAQmx，通过采集卡DAQmx函数得到一个6列的二维数组，按扫描顺序，各个通道所采集的数据分别存放在数组的0、1、2、3、4、5列，因此需要用索引数组函数把各个通道的数据从数组中抽取出来，组成6个一维数组，该模块程序框图如图3和图4所示。

图3 数据采集模块程序框图

图4 DAQ数据采集模块

2.3 电能质量分析指标

2.3.1 电压偏差

有效值是电能分析的基础指标[1]，包括三相电压和电流有效值，对随时间变化的电压信号、电流信号进行离散化采样，根据采样得到离散化电压、电流序列，可以计算出电压有效值和电流有效值：

供电系统在正常运行方式下，某一节点的电压测量值与系统标称电压之差对系统标称电压的百分数称为该节点的电压偏差。

2.3.2 频率偏差

在电工学理论中，电力系统频率是指电压或电流的波形在单位时间内发生交变的次数。电力系统在正常运行条件下，系统频率的实际测量值与标称值(工频)之差称为系统的频率偏差。

由于采用了非同步采样，所以为了得到准确的频率值，采用过零点比较法，在采集的数据中寻找过零点值。由于采集数据波形是近似的正弦或者余弦函数，在过零点处近似直线，且点与点之间的采样间隔时间固定，则可以根据图5找到零点的值[5-6]。

图5 过零点插值

2.3.3 三相不平衡度

三相不平衡度指三相电力系统中三相不平衡的程度，用电压、电流负序基波分量或零序基波分量与正序基波分量的方均根百分比表示，首先根据零序分量的计算公式计算三相电压电流中的零序分量：

电压、电流的负序不平衡度和零序不平衡度分别用εU2、εU0和εI2、εI0表示。在含有负序分量的三相系统中，不平衡度的表达式为：

如果不存在零序分量，则可按照，不含有零序分量的三相系统中不平衡度的表达式(已知三相量、、时)计算：

2.3.4 谐波分析

表示畸变波形偏离正弦波形程度的最常用的特征量有谐波含量、总畸变率和次谐波含有率。谐波含量就是各次谐波的平方和开方。为了说明某次谐波分量的大小，常以该次谐波的有效值与基波有效值的百分比表示，称为该次谐波含有率(HR)。畸变波形引起的偏离正弦波形的程度，则以谐波畸变率(THD)表示，简称畸变率，它等于各次谐波有效值的平方和的平方根与基波有效值的百分比。

本部分设计直接用LabVIEW里面自带的谐波分析模块，主要监测各次谐波 (2～15次)的含有量、谐波的总失真度(THD)、基波幅值、直流分量等，程序框图如图6。

图6 谐波分析模块程序框图

3 仿真测试

基于虚拟仪器的电能质量分析系统对电能参数的监测分析，由于要实现的功能比较多，所以可以设计不同的功能模块，每一个功能模块完成相应的分析、测量和显示，最后通过整合构成一个完整的系统以及对各项电能参数的测量和分析。本系统采用事件结构实现菜单和相应的功能模块调用，各功能模块设计成不同的程序，每个程序都有自己的用户界面。图7中系统主界面显示各相基本电量的测量值，主要为三相电压和电流的有效值、幅值、频率偏差和报警等电能指标。

图7 系统主界面

系统提供了两个数据源采集数据和仿真信号，可通过前面板上“读数据/仿真信号”布尔按钮进行切换。通过“仿真信号.vi”产生相位互差120°的三相动态电压、电流信号进行仿真测试，电压、电流噪声水平均由前面板控件进行调节。设置系统频率为50 Hz，电流幅值为35 A，电压幅值在“仿真信号.vi”中设置为311.08 V，完成之后点击运行，测得的各相指标数据如图7，谐波分析如图8。由仿真得出，设计的各个功能模块均得以实现。

图8 谐波分析主界面

4 数据传输及远程监测系统

4.1 数据的网络传输

对于采集到的电能质量监测数据，在前端保存后，必须对数据进行网络传输，使客户端得到完整的数据。虚拟仪器LabVIEW中提供了强大的网络通信功能，包括TCP、UDP、SMTP、IrDA、Bluetooth、DataSocket、远程面板、共享面板等，可以利用这些功能来编写一种软件实现远程虚拟仪器。

DataSocket(DS)是NI公司推出的基于TCP/IP协议的新技术，DataSocket面向测量和网上实时高速数据交换，可用于一个计算机内或者网络中多个应用程序之间的数据交换，极大地简化了应用程序之间以及计算机之间进行数据传输的过程，用DataSocket技术传输数据，对于用户来说极为方便[8]。

以功率测量数据的传输为例。首先在数据采集的前端，计算机运行DS Server，然后在DataSocket Server Manager中添加数据项power，类型为数值，初始值为0，其他设置采用默认值。数据采集端和数据接收客户端程序图如图9，错误输出连接到While循环的条件端口，用来控制循环的停止，一旦出现错误，程序则停止执行。

图9 数据采集端和数据接收客户端程序

4.2 在线监控

在传统C/S结构中，客户端同时承担了视图逻辑和业务逻辑两部分功能，二者之间界限不明显，无论在功能划分上还是具体程序实现上，两个层面往往交织在一起，不便于分工合作和开发，同时每个客户端都需要安装客户端软件，机器需要较高的配置，客户端维护频繁，系统的强健性下降，用户也需要进行专门的培训才能操作。C/S维护和升级成本高，对客户端的操作系统一般也会有限制，只适合在局域网范围内的监控，监控范围小，不适合做远程监控[7-8]。

B/S模式也就是浏览器和服务器模式，是对C/S结构改进的三层分布式体系结构，其用户界面是通过浏览器来实现的，服务器上存放着数据和应用系统，大大减轻了客户端的负载和系统维护与升级的工作量。本文采用B/S网络结构，使用户能够通过网络浏览器与远程虚拟电能质量监测系统进行通信，实现了电能质量监测数据的远程传输。基于B/S模式实现远程监控被控对象，采用四层结构，第一层表示层，第二层业务逻辑层，第三层数据访问层，第四层远程监控层，具体实现的结构框图如图10所示。

图10 基于B/S结构的远程监控框图

测试时，在LabVIEW主菜单中选择工具，在随后弹出的选项对话框的下拉列表框中选择Web服务器，进入配置页面即可进行配置。然后使用Web发布工具进行网页配置。系统测试时先在服务器端运行“电能质量分析.vi”，然后在客户端浏览器中输入给出的URL地址，在客户端浏览器中打开程序的前面板后，在如图11所示界面的程序前面板上单击鼠标右键，在弹出的菜单中选择“请求vi控制权”，即可通过浏览器远程监测电能质量的各项指标。

图11 电能质量分析远程监控网页浏览图

5 结语

针对现有电能质量检测装置的不足，以虚拟仪器Lab-VIEW为平台开发了一套电能质量综合检测系统，利用虚拟仪器强大的信号处理和数据分析能力及友好的人机交互界面，大大减少了资源的投入，提高了工作效率。采用DataSocket技术和在传统C/S结构上改进的B/S网络模型使用户能够通过网络浏览器与远程虚拟电能质量监测系统进行通信，实现了电能质量监测数据的远程传输。

[1]肖湘宁.电能质量分析与控制[M].北京：中国电力出版社，2010.

[2]郭艳红.基于虚拟仪器的电能质量监测与分析[D].成都：西华大学，2012.

[3]李森.基于LabVIEW电能质量测量系统设计[J].电子测量技术，2008，31：58-62.

[4]王政，刘国海，沈跃，等.基于LabVIEW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(6)：83-87.

[5]郭华安，加玛力汗·库马什，聂盼.基于LabVIEW的电能质量监测与分析系统设计[J].制造业与自动化，2013(2)：107-109.

[6]李冬明，王厚志.基于LabVIEW的电能质量监测系统研究[J].哈尔滨理工大学学报，2012(4)：57-63.

[7]郑红强.基于B/S结构的远程监控平台的设计与实现[D].北京：北京邮电大学，2010.

[8]全晓丽，周南权，余永辉.基于虚拟仪器技术的网络实验系统的研究[J].计算机工程与设计，2011(32)：3227-3230.

Power quality analysis and remote monitoring system based on LabVIEW

Because of present situation of power quality monitoring and the problems in traditional power quality analysis instruments，a novel power quality automatic monitoring system based on virtual instrument technology in LabVIEW environment was designed. The designed system can evaluate the grid harmonic and realize the calculation，alert and simulation of the unbalance factor，total harmonic distortion，frequency deviation and other parameters.The index data can be obtained on line and transferred to the clients via internet by virtual instrument and internet technology.Compared with the traditional monitoring ways，the proposed system has better efficient，cost performance，operability and maintainability.

power quality;virtual instrument;data transmission;remote monitoring

TM 73

1002-087 X(2016)04-0881-04