基于虛擬儀器的電能質(zhì)量分析儀

基于虛擬儀器的電能質(zhì)量分析儀

摘要:   針對現(xiàn)有檢測裝置功能單一、數(shù)據(jù)處理能力不足等難題,本文綜合各種分析方法,開發(fā)了基于虛擬儀器平臺的電能質(zhì)量分析儀,實(shí)現(xiàn)了三相諧波分析、不平衡度、電壓偏差、畸變率等參數(shù)計(jì)算及在線監(jiān)控、離線分析、仿真、報警一體式設(shè)計(jì),各種分析結(jié)果以直觀的圖形或列表的形式給出,具有性價比高、使用方便、性能穩(wěn)定、分析精度高等優(yōu)點(diǎn)。
關(guān)鍵詞:   電力分析儀| 諧波分析儀| 發(fā)生器| 多用表| 驗(yàn)電筆| 示波表| 電流表| 鉤表| 測試器| 電力計(jì)| 電力測量儀| 光度計(jì)| 電壓計(jì)| 電流計(jì)| 

Abstract :  To overcome some disadvantages , such as inadequate capacity in data processing , single function of the current power quality monitoring devices , a power quality analyzer based on virtual inst rument is designed. This system in use of many methods of power quality analysis , accomplishes the calculation of some parameters , such as harmonic analysis , degree of imbalance , voltage excursion and aberration rate. And the on-line monitoring and off-line analysis integrated with emulation and alarm system comes t rue. All the result s show this analyzer has much excellence , such as easy to use , good performance and high precision.
Keywords :  power quality ;virtual inst rument ;harmonic analysis ;degree of unbalancedness ; symmet rical component s method

0 　 引言

       隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展,微電子器件與電力電子技術(shù)的廣泛應(yīng)用,人們對電能質(zhì)量的要求越來越高;同時由于擾動性負(fù)荷(如非線性、沖擊性或不對稱負(fù)荷) 接入電力系統(tǒng)及其他擾動源(系統(tǒng)短路故障) 存在,造成了大量的電能質(zhì)量問題,諧波污染、三相不平衡度、跌落和閃變也越來越嚴(yán)重[1 ] 。電能質(zhì)量的高低直接影響電力系統(tǒng)的供電安全,嚴(yán)重干擾電網(wǎng)的穩(wěn)定運(yùn)行,給某些對電能質(zhì)量要求較高的電力用戶(如紡織行業(yè)、機(jī)械電子制造業(yè)等)帶來嚴(yán)重的經(jīng)濟(jì)損失。因此對電能質(zhì)量的檢測與分析是電力行業(yè)普遍關(guān)注的一個課題。
      虛擬儀器是計(jì)算機(jī)技術(shù)、儀器技術(shù)和通信技術(shù)相結(jié)合的產(chǎn)物,其目的是利用計(jì)算機(jī)強(qiáng)大的資源使硬件技術(shù)軟件化,分立元件模塊化,降低程序開發(fā)的復(fù)雜程度,增強(qiáng)系統(tǒng)的功能和靈活性。采用虛擬儀器技術(shù)的電能質(zhì)量分析儀可以解決傳統(tǒng)分析儀功能單一、存儲容量小、非正弦電參量測量誤差大、數(shù)據(jù)處理能力不足等難題,并具備精確度高、工作穩(wěn)定、抗干擾能力強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)。

1 　 電能質(zhì)量分析方法

       目前常用的電能質(zhì)量分析方法有: ①時域仿真法,即利用各種時域仿真程序?qū)﹄娔苜|(zhì)量中的各種暫態(tài)現(xiàn)象進(jìn)行研究,較為通用的時域仿真程序有EMPT、EMTDC、NE2TOMAC、BPA 等系統(tǒng)暫態(tài)仿真程序和Spice 、PSpice 、Mat2lab、Saber 等電力電子仿真程序2 大類; ②頻域分析法,主要用于諧波問題的分析計(jì)算,包括頻率掃描、諧波潮流計(jì)算等; ③變換法,包括傅里葉變換和小波變換法,主要用于電能質(zhì)量的在線檢測[2 ] 。本文在諧波分析原理的基礎(chǔ)上綜合利用上述3 種分析方法實(shí)現(xiàn)了:三相諧波分析、不平衡度、電壓偏差、畸變率等參數(shù)計(jì)算以及頻率偏差、電壓波動和過電壓預(yù)警,并結(jié)合虛擬儀器技術(shù)實(shí)現(xiàn)了時域仿真分析與實(shí)時監(jiān)控等功能。

2 　 電能質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)

       電能質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)是保證電網(wǎng)安全經(jīng)濟(jì)運(yùn)行、保護(hù)電氣環(huán)境、保障電力用戶正常使用電能的基本技術(shù)依據(jù),是實(shí)施電能質(zhì)量監(jiān)督管理,維護(hù)供用電雙方合法權(quán)益的法規(guī)條文,各級供電部門和用戶均需按照標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行供用電。本系統(tǒng)主要分析電壓偏差、頻率偏差、諧波、三相不平衡、電壓波動和閃變等五項(xiàng)穩(wěn)態(tài)電能質(zhì)量指標(biāo)。
①電壓偏差即供電電壓允許偏差,指電力系統(tǒng)電壓緩慢變化時,實(shí)測電壓與額定電壓之差。
   (1)
②頻率偏差指50 Hz 電力系統(tǒng)在正常運(yùn)行條件下的頻率實(shí)際值與標(biāo)稱值之差,即:
Δf = f - f ₀ = f - 50 (2)
③諧波是一個周期電氣量的正弦波分量,其頻率為基波頻率的整數(shù)倍,也常稱為高次諧波。
④三相不平衡度指50 Hz 電力系統(tǒng)正常運(yùn)行方式下由于負(fù)序分量引起的三相不平衡的程度。電壓或電流不平衡分別用εu或εI表示,即用電壓或電流負(fù)序分量與正序分量的方均根值的百分比表示:
(3)
式中U₁ ---三相電壓的正序分量方均根值;
      U₂ ---三相電壓的負(fù)序分量方均根值。
如將式中U₁ 、U₂ 換為I₁ 、I₂ ,則為相應(yīng)的電流不平衡度ε_I 的表達(dá)式。
⑤閃變是人對白熾燈照度波動的主觀視感;電壓波動為電壓方均根值一系列的變動或連續(xù)的改變;其值為相鄰方均根值的兩個極值U_max 和U_min 之差ΔU ,與標(biāo)稱電壓的百分?jǐn)?shù)表示,即:
(4)

3 　系統(tǒng)設(shè)計(jì)

       本文所介紹的電能質(zhì)量分析儀采用“工控機(jī)+ 數(shù)據(jù)采集卡”為核心的硬件系統(tǒng),軟件系統(tǒng)開發(fā)采用NI(美國國家儀器) LabWindows/ CVI ,該開發(fā)系統(tǒng)以ANSI C 為核心,將功能強(qiáng)大、使用靈活的C 語言平臺與用于數(shù)據(jù)采集、分析和顯示的測試專業(yè)工具有機(jī)結(jié)合起來,為C 語言的開發(fā)人員建立自動化檢測系統(tǒng)、數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)、過程控制系統(tǒng)等提供了一個理想的軟件開發(fā)環(huán)境[3 ] 。系統(tǒng)框圖如圖1所示。

圖1 　電能質(zhì)量分析儀框圖

　     系統(tǒng)分時域仿真與實(shí)時監(jiān)控2 種狀態(tài)。仿真分析時三相電信號由仿真系統(tǒng)隨機(jī)生成的正弦信號、多階諧波信號和噪聲疊加構(gòu)成,再由電能質(zhì)量分析儀軟件分析后在顯示終端顯示出來,如果分析指標(biāo)達(dá)到預(yù)警值則會有聲音和圖示報警,此外用戶根據(jù)需要可以對分析結(jié)果執(zhí)行保存、打印等操作。實(shí)時監(jiān)控時信號源由電壓、電流傳感器采集得到,經(jīng)信號調(diào)理電路(包括隔離和濾波) 送至數(shù)據(jù)采集系統(tǒng),分析方法與時域仿真時一致。
3.1    硬件電路設(shè)計(jì)
        為增強(qiáng)儀器的通用性,電流、電壓互感器的輸出作為分析儀的輸入信號。互感器采用北京萊姆電子有限公司生產(chǎn)的L EM 電流電壓互感器模塊,它是使用霍爾元件并引進(jìn)瑞士L EM 公司的最新技術(shù)---“磁補(bǔ)償原理”制作而成的,具有較好的頻率響應(yīng)和較大的輸入范圍,有利于精確測量諧波成分。
        在數(shù)據(jù)采集卡的前端采用隔離模塊以完成接地,放大器加上靜電和電磁屏蔽并浮置起來,使輸入和輸出回路與電源沒有直接的電路藕合關(guān)系,提高安全性,避免形成環(huán)流,提高抗干擾能力。隔離放大器采用AD (Analog Devices) 公司生產(chǎn)的輸入輸出隔離放大器AD202 ,根據(jù)調(diào)制解調(diào)原理可以實(shí)現(xiàn)電源、地線和信號線的三重隔離,共模抑制比CMRR130 dB ,抗共模干擾300 V 以上,隔離電壓1000 V ,輸入模擬量電壓量程:DC ±5 V、±10 V、±24 V或其他用戶指定值,AC220 V、380 V ,若其他交流值須經(jīng)電壓、電流互感器變換。
       抗混疊低通濾波器采用MAX275 專用芯片,其作用是濾掉周期信號中50 次諧波(2. 5 kHz) 以上的高頻成份,使輸入的模數(shù)轉(zhuǎn)換器的信號為有限帶寬信號,并且以很小的衰減讓各個有效頻率信號通過,而抑制這個頻帶以外的頻率信號,防止信號的頻譜發(fā)生混疊及高頻干擾。

圖2 　隔離和抗混疊原理圖

　     數(shù)據(jù)采集使用NI PCI26224 數(shù)據(jù)采集卡,支持32 通道單端輸入/ 16 通道雙端輸入,最大采樣率為250 KS/ s ,16位AD 轉(zhuǎn)換,為多通道、多功能、高精度的電能質(zhì)量分析儀提供了硬件支持。
3. 2  軟件設(shè)計(jì)
        在LabWindows/ CVI 軟件開發(fā)平臺上,將數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)結(jié)合上述分析指標(biāo),開發(fā)一套電能質(zhì)量分析系統(tǒng),該系統(tǒng)能夠?qū)﹄娔苜|(zhì)量的主要參數(shù)進(jìn)行實(shí)時檢測,提供在線和離線分析及仿真功能,以列表的形式給出三相電信號的相關(guān)參數(shù),并提供預(yù)警功能,當(dāng)頻率偏差、電壓波動等超過標(biāo)準(zhǔn)值時系統(tǒng)會給出聲音和圖形報警, 運(yùn)行界面如圖3所示。

圖3 　電能質(zhì)量分析儀主界面(仿真)

         仿真分析時,三相電信號上分別疊加不同階次諧波(幅值、相位也不同) 和噪聲信號,用于驗(yàn)證系統(tǒng)的正確性,疊加效果見圖3 ,其中1 相(綠色) 疊加有3、5、9、15 次諧波和幅度15 的噪聲,2 相(粉紅色) 疊加有5、7 次諧波和幅度20 的噪聲,3 相(紅色) 疊加有3、5、7、10 次諧波和幅度15 的噪聲。
         仿真分析及數(shù)據(jù)采集、處理用到的關(guān)鍵技術(shù)如下:
         ①信號源:主要是仿真時的信號源,即隨機(jī)生成的正弦信號、多階諧波信號和噪聲的疊加。正弦信號(基波) 由隨機(jī)函數(shù)rand( ) 產(chǎn)生的相位值給正弦波函數(shù)SineWave( ) 作參數(shù)生成;諧波信號是高頻(50 Hz 的整數(shù)倍) 正弦波,生成方法與基波一致,根據(jù)需要可以疊加多個不同幅值、不同相位、不同階次的諧波,諧波的最高次數(shù)受限于系統(tǒng)采樣率;系統(tǒng)提供白噪聲和高斯噪聲供仿真分析,由WhiteNoise () 和GaussNoise () 兩個函數(shù)生成。根據(jù)信號疊加原理將上述三種信號疊加即可,同時分析儀提供了非常易用的信號源設(shè)置工具(圖4) ,使用者只需點(diǎn)擊幾下鼠標(biāo)即可完成多種信號的疊加,并即時顯示在分析界面上。

圖4 信號源設(shè)置裝置

        ②數(shù)據(jù)采集系統(tǒng):在實(shí)時監(jiān)控時就要用到數(shù)據(jù)采集。
        在Labwindows/ CVI 中提供了豐富的數(shù)據(jù)采集函數(shù),主要的函數(shù)庫有Easy I/ O for DAQ、Traditional NI2DAQ 和最新的NI2DAQmx。本系統(tǒng)采用NI2DAQmx 函數(shù)庫,一個完整的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)由幾部分組成: 創(chuàng)建采集任務(wù)DAQmxCreat Task ( ) ;創(chuàng)建輸入通道DAQmxCreatAIVoltageChan ( ) ; 設(shè)置采樣率DAQmxCfgSampClk Timing( ) 、緩沖區(qū)大小DAQmxSetBufferAtt ribute ( ) ;開始采集任務(wù)DAQmxStart Task ( ) ;采集數(shù)據(jù)DAQmxReadAnalogF64 () ;停止采集任務(wù)DAQmxStop Task ( ) ;銷毀任務(wù)DAQmx2
Clear Task ( ) ;數(shù)據(jù)保存ArrayTo File ( ) 和數(shù)據(jù)讀取File2ToArray ( ) ;打印報表PrintCt rl ( ) 。
        ③諧波分析諧波分析采用自相關(guān)函數(shù)分析法,利用LabWindows/ CVI 提供的自相關(guān)分析函數(shù)Correlate ( ) 可以方便的分析出各次諧波的強(qiáng)度及含量。
        ④頻譜分析在分析頻率偏差時要用到頻譜分析,分析出信號的主頻率。系統(tǒng)中采用加窗的快速傅立葉變換函數(shù)ReFFT( ) ,窗函數(shù)采用海寧窗Hanning ( ) ,該窗適于分析低頻信號,可以有效提高分析精度。
        ⑤三相不平衡度在有零序分量的三相系統(tǒng)中計(jì)算三相不平衡度采用對稱分量法,分別求出正序分量和負(fù)序分量,再由公式計(jì)算出三相不平衡度。正、負(fù)序分量的計(jì)算如下:

(5)

      式中Ua 、Ub 、Uc 為三相基波,α為旋轉(zhuǎn)因子,即:

      在沒有零序分量的三相系統(tǒng)中,當(dāng)已知三相量U_a 、U_b 、U_c 時,可用下式求不平衡度:

(8)

式中：

       三相基波用自相關(guān)分析函數(shù)Correlate ( ) 可以得到;復(fù)數(shù)計(jì)算時將上述公式簡化后采用實(shí)部和虛部分別計(jì)算;其他計(jì)算用LabWindows/ CVI 語句描述出來計(jì)算即可。系統(tǒng)中提供了直觀的各相矢量坐標(biāo)圖及零序、正序和負(fù)序分量演示,便于用戶查看,如圖5 所示。

圖5 　用對稱分量法計(jì)算三相不平衡度

4 　 結(jié)束語

       本系統(tǒng)根據(jù)實(shí)際需求開發(fā),嚴(yán)格按照電能質(zhì)量國家標(biāo)準(zhǔn)的要求設(shè)計(jì),實(shí)現(xiàn)了在線監(jiān)測、離線分析、仿真、預(yù)警等多功能一體式設(shè)計(jì),實(shí)測顯示該系統(tǒng)具有很好的穩(wěn)定性和較高的分析精度,有很高的實(shí)用價值和廣闊的市場前景。

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