基于LabVIEW的电能质量监测与分析系统设计

郭华安，加玛力汗·库马什，聂 盼

（1.新疆大学 电气工程学院，乌鲁木齐 830047；2.郑州轻工业学院 经济与管理学院，郑州 450002）

0 引言

人类对电能质量的要求越来越高，而国内对电能质量各项指标的不定期检测已经不能满足供电安全的需要，坚固的电力系统需要长期、连续和精确的监测来保障其安全性。利用电能装置在线测量的网络化和数字实现对全网的多点监控分析等方面的研究已经成为一个重要课题。国内大多数厂商在电能数据监测方面主要采用单片机结构，其通用性和开发维护性都比较差，除此之外，还有一些高校和部门研发出了基于DSP技术的电能数据监测装置，在实用性方面取得了较大进步。国际方面，“网络就是仪器”是发展的主流，利用网络实现远程的电能检测和网络化电能质量管理。在虚拟仪器上搭建网络节点电能管理模块来实现网络化管理则很好地实现了这一要求。本论文则尝试设计了基于虚拟仪器平台的电力试验数据监测系统，取得了较好效果。

1 电能质量监测与分析系统构成

1.1 数据检测系统的硬件部分

在大型电力系统中电压信号和电流信号一般都比较大，需要通过信号调理把其转换成适于采集的信号。

它的硬件系统构成有主机、数据采集卡、屏蔽电缆、连接器和互感器等组成。其中主机采用Intel 公司的Core 2 Duo Processor E8400 3.0G CPU、2G，M/DDR内存，320G/7200PRM、256显示内存及以上配置；数据采集卡选择采用NI公司的6024E；NI公司DAQ卡同时配备一根68芯屏蔽电缆，此电缆一端与数据采集卡相连，另一端与BNC-2120连接器相连，DAQ通过一个68个芯接口与外部进行数据交换；互感器是按比例变换电压或电流的设备。其功能主要是将高电压或大电流按比例变换成标准低电压（100V）或标准小电流（5A或10A），以便实现测量仪表、保护设备及自动控制设备的标准化、小型化。

1.2 数据检测系统的软件部分

图1 系统工作流程

2 电能质量监测与分析系统设计

基于虚拟仪器的电网谐波分系统必须具备检测系统的三大功能模块，即数采集模块、数据的分析模块和显示结果模块。其实电能质量监测与分析系统设计的核心是软件部分。硬件部分只需将监测点的电压和电流信号经过信号调理器和数据采集卡以最小失真度转换为数字信号即可。

图2是该系统的总体结构图。

图2 系统的总体结构图

解决现场实际应用LabVIEW中遇到的现实问题是开发本系统的一个关键原因。在功能强大的LabV IEW图形化编程环境中如何提高对模型探索、总体效率等问题而作的研究是核心工作。在系统的总体设计下编制应用程序，且对算法、程序优化方面的问题进行深入探索才是关键。

由于谐波对电能质量的危害特别大，下面以该系统在谐波分析和控制中的作用为例进行说明。

2.1 测量界面显示

图3 部分谐波分析时瞬时三相电压和电流

图3只是前面板设计的一部分，它是图形化用户界面，该界面可以模拟真实仪器的前面板，通过各种控件来完成量值的输入和输出，对标定值、数据采样值、设定初值进行比较和分析，最终结果利用数据显示控件进行显示，用文件路径显示控件来确定最终准确值的存储位置。

2.2 利用MathScript完成程序控制

使用MathScript 节点的好处是可以方便地“执行数学算法”，充分利用虚拟仪器技术的便利轻松自定义交互式用户界面。在图形编程中使用MathScript节点。节点路径：FunctiosMathmaticsScripts & FormulasScri pt NodesMATLAB Script Node。

图4 谐波分析系统控制面板

用图形化编程语言G语言编写。使用M athScript节点，可以快速地将文本数学命令和图形化编程集成在一起。在程序框图的控制过程中，程序框图由节点、数据和端口连线而成，其中框图是定义虚拟仪器功能的图形化源代码。另外，在M athScript节点边界上定义输入和输出，来设定文本MathScript代码和图形化LabVIEW数据流编程间传送的数据。在虚拟仪器中编程来对输入信息进行运算和处理，在确定完数据采集方式、输入电压和电流范围、信号输入通道等等之后，用信号发生器产生不同基波频率的信号，即干扰信号为10%的3次谐波和5%的5次谐波，其信号表达式为：

启动开关按钮，运行程序，测量相关数据，每隔一定时间将测量的数据存入到指定的位置里，最后，进行对比和分析，检验该系统的检测效果。

3 实验结果分析

Fluke43B（它是一个固定、便携、易用的测试仪器，由电力质量分析仪，万用表以及示波器所集成）电能质景分析仪具有较高的精度。为了验证所研制的电能质量监测与分析系统的精度，进行了简单的实验：信号源产生信号基波值为220V，基波频率在50Hz略微波动，此外还包含3次和5次谐波，其幅值分别为22V和11V。最终得到的实验对比结果如下面表1所示：

表1 谐波测量对比数据

4 结束语

基于LabV IEW的电能质量监测与分析系统设计对电能质量的监测和分析具有良好的实时性和准确性。其中无论是文本化、图形化还是两者的结合，用户都可以在LabVIEW中的 MathScript上选择最佳的语法，从而提高工作效率，另外，LabVIEW软件强大的数据处理功能可以对复杂的数据进行快速处理，这些是单片机等其他系统所无法比拟的。

实践证明，基于LabVIEW的电能质量监测与分析系统可以大大减少电力测量人员的工作量，用很少的硬件就能实现智能化的测量。

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