基于LabWindows/CVI的电能质量分析仪

陈 莉 张宏立 张瑞明

(新疆大学电气工程学院，新疆 乌鲁木齐 830047)

0 引言

由于系统中的发电机、变压器、线路和用电设备的非线性或不对称，以及外界干扰和各种故障等原因，使电网中产生大量的谐波干扰、电压波动与闪变，造成了系统电压不平衡，从而产生了电能质量问题。衡量电能质量的主要指标有频率偏差、电压偏差、电压波动与闪变、波形和三相电压电流不平衡度等[1]。

与传统的仪器相比，虚拟仪器具有以下优点：数据处理速度快、测量精度高、功能由用户自定义、维护费用低、通信能力强、数据可编辑/存储/打印。本文简单介绍了数据采集卡及其基本函数，建立了用户界面，并利用LabWindows/CVI软件实现了测试功能，大大突破了传统仪器在数据处理、显示和传送等方面的限制。

1 电能质量分析方法及标准

目前常用的电能质量分析方法有：①时域仿真法，即利用各种时域仿真程序对电能质量中的各种暂态现象进行研究，较为通用的时域仿真程序有EMPT、EMTDC、NETOMAC、BPA等系统暂态仿真程序和Spice、PSpice、Matlab、Saber等电力电子仿真程序两大类;②频域分析法，主要用于谐波问题的分析计算，包括频率扫描、谐波潮流计算等;③基于变换的方法，主要有傅里叶变换、神经网络、二次变换、小波变换和Prony分析等5种方法。

由于所处立场不同，关注或表征电能质量的角度不同，人们对电能质量的定义还未能达成完全的共识，但是对其主要技术指标都有较为一致的认识[2]。

①电压偏差，是电压下跌和电压上升的总称。

②频率偏差，对频率质量的要求全网相同，不因用户而异，各国对于该项偏差标准都有相关规定。

③电压三相不平衡，表现为电压的最大偏移与三相电压的平均值超过规定的标准。

④谐波和间谐波，含有基波整数倍频率的正弦电压或电流称为谐波，含有基波非整数倍频率的正弦电压或电流称为间谐波，小于基波频率的分数次谐波也属于间谐波。

⑤电压波动和闪变，电压波动是指在包络线内的电压的有规则变动，或是幅值通常不超出0.9～1.1倍电压范围的一系列电压随机变化;闪变则是指电压波动对照明灯的视觉影响。

2 软硬件设计

2.1 电能质量分析仪的硬件

电能质量分析仪的硬件部分如图1所示。

图1 电能分析仪的硬件框图Fig.1 Hardware block diagram of the power quality analyzer

电压互感器的型号为SPT204，它是一款毫安级精密电压互感器，输入、输出额定电流均为2 mA。信号调理电路主要由隔离放大器和抗混叠滤波器组成。

数据采集卡PCL-818H是一款100 kHz的多功能数据采集卡，它可以通过20芯的扁平电缆接口直接与信号调理板相连，它具有[3]：12位 A/D 分辨率，100 kB/s采样速率，16路单端或8路差分模拟量输入，自动通道/增益扫描，1路12位模拟量输出，16路数字量输入/输出，1路16位计数器。数据采集卡的库函数说明如下。

DRV DeviceOpen(Device Num ，＆DriverHandle)：启动板卡所需函数。其中：DeviceNum是指设备编号，DriverHandle是指向所选设备编号的句柄指针。

DRVAOVoltageOut(DriverHandle，＆ptAOVoltageOut)：模拟输入操作函数。

DRVAIConfig(DriverHandle，＆ptAIConfig)：模拟输入配置函数。

DRVAIVoltageIn(DriverHandle，＆ptAIVolrageIn)：模拟输出操作函数。

DRV DeviceClose(＆DriverHandle)：关闭板卡函数。

2.2 LabWindows/CVI软件开发环境介绍

电能质量分析仪的软件设计采用先进的虚拟仪器程序设计语言工具LabWindows/CVI，其核心是对象编程。LabWindows/CVI将功能强大的C语言平台和用于数据采集、分析和表达的测控专业工具有机地结合起来。集成化开发平台、交互式编程方法、丰富的功能面板和库函数大大地增强了C语言的功能，为熟悉C语言的开发人员建立了一个集检测系统、自动测量环境和过程监控系统等方面的理想软件开发环境。

2.3 电能质量分析仪的软件

电能质量参数的计算方法如下。

①利用快速傅里叶变换求取基波和谐波的幅值、相位。电力系统中的电压和电流信号都可用一个周期函数来表示，即：

式(2)中第一项A0为函数f(t)的直流分量，第二项C1sin(hωt+φ1)为基波分量，其余为高次谐波分量[4]。

利用 LabWindows/CVI提供的 FFT()函数[5]，在程序中计算代码如下。

SetCtrlVal(panelHandle，PANEL_JIAMP，Mag[2]*2/samples)

SetCtrlVal(panelHandle，PANEL_SANAMP，Mag[6]*2/samples);

SetCtrlVal(panelHandle，PANEL_WUAMP，Mag[10]*2/samples);

SetCtrlVal(panelHandle，PANEL_JIPHASE，Phase[2]*180/3.1415926+90);

SetCtrlVal(panelHandle，PANEL_SANPHASE，Phase[6]*180/3.1415926+90);

SetCtrlVal(panelHandle，PANEL_WUPHASE，Phase[10]*180/3.1415926+90)。

②采用自相关函数分析法求基波相位差，利用LabWindows/CVI提供的自相关分析函数Correlate()可以方便地分析出各次谐波的强度及含量。

③谐波源使得实际的电压波形偏离正弦波，这种现象称为电压正弦波形畸变，通常以谐波来表征。电压波形畸变的程度用电压正弦波畸变率来衡量，也称电压谐波畸变率，它以各次谐波电压的均方根值与基波电压有效值之比的百分数来表示。电压谐波畸变率为：

式中：un为第n次谐波电压有效值;u1为基波电压有效值[6]。

④点击电能质量分析仪的用户操作界面中的说明按钮，将弹出虚拟谐波分析仪使用说明的对话框。

通过反复试验，得到如表1所示的数据。

表1 理论值和实测值的比较Tab.1 Comparison of the theoretical and actual values

由表1可知，此电能质量分析仪所测量得到的电压基波及各次谐波最大测量误差为0.4%，满足等级为0.5级的仪器精度要求。

3 结束语

本文系统地介绍了如何利用LabWindows/CVI虚拟仪器平台对电能质量进行检测。试验证明，该系统能够进行实时的数据采集、计算、分析、显示与保存，并且能够达到精度要求，充分发挥了虚拟仪器可靠性高、性价比高、灵活性好和维护方便等优势，相信该系统在电能质量检测应用中有一定的帮助作用。

[1]孙晓云，郭立创.基于LabWindows/CVI的虚拟仪器设计与应用[M].北京：电子工业出版社，2005：227 －240.

[2]肖湘宁.电能质量分析与控制[M].北京：中国电力出版社，2004：182 －267.

[3]吴唏.基于LabWindows/CVI 5.0平台的八通道数据采集系统[J].世界产品与技术，2000(4)：58 －60.

[4]许逵，邱国跃.基于虚拟仪器技术的谐波监测系统的软件设计[J].中国西部科技，2008(27)：45 －47.

[5]张毅刚，乔立岩.虚拟仪器软件开发环境LabWindows/CVI6.0编程指南[M].北京：机械工业出版社，2002：58－60.

[6]扶蔚鹏，王旭红，王晖.电源电压波形畸变率的分析[J].长沙电力学院学报：自然科学版，2001(1)：47 －49.

[7]林琳，邓曙光.基于虚拟仪器LabWindows/CVI的电能质量分析仪[J].湖南城市学院学报：自然科学版，2008，9(3)：48 －50.