基于LabVIEW的电能监测系统的设计研究

王辉春,李卫,谢照祥

(云南电网有限责任公司 普洱供电局,云南 普洱 665000)

基于LabVIEW的电能监测系统的设计研究

王辉春,李卫,谢照祥

(云南电网有限责任公司 普洱供电局,云南 普洱 665000)

文中主要是将虚拟仪器技术作为主要研究对象,研究其在电能质量检测中的作用和方式,通过大量的实践,研制出了一套基于LabVIEW的电能监测系统,并且对其进行理论层面的剖析,研究各项电能质量相关指标是否符合设计要求,虚拟仪器中各个软件的程序编写也是主要研究内容,通过虚拟系统,实现了对电能质量各参数的检测,分析和记录数据等。最后还对基于此虚拟系统计算得出的数据进行相关误差分析,找出了其内在原因。

虚拟仪器技术；电能质量监测；LabVIEW；设计研究

电能对于我们人类生活来说是一种宝贵的清洁能源,并且是可再生的,对电能的应用程度和效率是一个国家综合国力的必要体现［1］,与国家的发展和繁荣息息相关。不仅如此,如何高效的利用电能这种资源来更好地满足国家的工业生产,社会和人民的日常生活关系着国家的发展大计,也是一个国家科技实力和文明程度的重要特征［2］。所以,进行电能质量监测是具有很重要的战略意义,电能质量一般包括传统意义上的稳态电能质量和现代意义上的暂态电能质量,如果没有一个切实可行的监测系统,造成的后果不堪设想［3］。必须要有一个自动化的系统对电参数进行一个全面的、系统的监测,才能准确得到数据,其次根据这些数据制定相关行业标准和国家标准。基于上述,利用虚拟仪器的电能质量监测系统具有成本可控,使用方法简单,效率高,准确性好的特点,从而,利用它来进行电能质量监测能够相当好的满足我们实际工程中的需求。

1 对于系统的设计目标与要求

理论和实践研究表明,虚拟仪器的相关技术具有成本低,性价比较高,抗干扰作用效果明显,易于使用的优点［4］,这些优点渐渐的在测量行业和领域内得到了印证。正因为这些不可或缺的特征和优点,本文将设计基于虚拟仪器相关的质量参数监测的相关系统,设计成功后的系统将拥有电网信号的相关数据收集、分析综合和完成各参数实时监测的诸多功能,这些功能的实现必将为整个电力系统行业注入新鲜的血液［5］。

2 系统设计中的拓扑结构

文中所设计的系统由两部分构成,其一是硬件的采集系统,其二是软件的数据处理系统［6］。其中硬件的采集系统由四个模块设计而成,分别是电压模块,电流互感器模块,信号调理电路模块和PXI数据采集模块,这些模块主要作用是用来感知感应被测对象和提取信号相关数据。另一方面,软件的编写部分是通过LabVIEW相关语言软件编写的界面相关显示的主程序。

图1 系统设计中的拓扑结构Fig.1 System design topology

3 监测系统硬件的外围电路设计

3.1 互感器相关模块的电路设计

通过反复的理论推导和论证,最终决定选用CHB-25NP型具有磁性补偿能力的闭环霍尔电流互感器和CHV-50P/*A型的电压相关互感器［7］。这样的选择是因为其有很多在监测系统中必不可少的优点特性,如反应时间快,频率范围较宽等。表2和表3分别给出电流互感器和电压互感器的相关接线图中的参数选取标准。

表1 电流互感器模块中电气相关参数Tab.1 Electrical current transformer module parameters

表2 电压互感器模块中电气相关参数Tab.2 Voltage transformer module electrical parameters

3.2 滤波的调理电路模块设计

1）滤波电路模块中电压信号的设计

通过实际测试,并且应用Multisim10软件对电路进行详细的分析和调试,设定滤波器的截止频率为10 V,并且要保证在通带内具有平坦的响应特性。滤波电路如图2所示。

图2 电压信号滤波电路Fig.2 Voltage signal filtering

对电压信号的滤波效果进行了测试,测试结果为通带的增益为2.3,截止频率结果是1.5 kHz,其衰减的倍数最终测试为37 dB。

2）滤波电路模块中电流信号的设计

此设计中应保证DAQ卡在接近满量程的情况下进行测量,这样可以提高精确度。其电路模拟图如图3所示。

图3 电流信号滤波电路Fig.3 Current signal filter circuit

根据测试结果,其通带增益达到了35,而截止频率为1.64 kHz,衰减81 dB。

3）滤波调理电路供电电源的模块设计方案

根据大量的测试和计算,最后确定了本设计方案采用LM317和LM337型号的可以调节的三端稳压器［8］,这个器件跟二极管相结合可以对电路起到一个保护作用,最终可以实现可调直流电压的输出功能。相关电路图如图4所示。

图4 电源模块的电路设计图Fig.4 Circuit design of the power module

4 监测系统中软件相关模块设计

我们知道,在监测系统中软件部分是决定一个系统是否足够成熟的重要标志,它是整个系统的关键所在,主要是用于对硬件采集来的信号和相关数据进行分析和综合,并且将其显示出来,所以在软件编写的过程中,要特别注重软件的可操作性和稳定性,否则,硬件采集来的信号将不能有效的进行处理,从而整个设计也就失败了,在软件的设计中,还要特备注重特别情况的报警和提示功能。本文将从三个方面简要分析软件设计思路和相关功能实现方式。

4.1 相关数据采集模块的软件设计

这个模块将成为整个系统的初始部分,其主要负责通过与硬件的配合为系统提供有效的可靠数据,即所谓的未经加工的原始数据。本系统将采用LabVIEW函数中的DAQmx函数,它具有相对好的性能,可以承担起整个系统的数据收集任务。采集卡DAQmax函数通过监测得到的是一个六列的数组,并且是二维的。按照一定的规则和扫描顺序,每个组件采集到的数据将被安插在数组中。这个模块的后面板所执行的程序如图5所示。

图5 监测系统数据的采集模块程序图Fig.5 Acquisition module program chart data of monitoring system

4.2 监测系统中波形显示与参数测量模块的设计

系统中这个程序的作用主要是对三相信号进行一定的处理,即波形重组。这个模块主要依据上一个模块收集到的数据和信息,如时间间隔和起始时间等,并且利用库函数对其信号的波形簇进行恢复。还有,它可以充分利用提取到的单频信息,幅值和电平函数等重要参数标准,目的是为了实现基本参数的精确测量。

4.3 监测系统中功率监测的模块设计方案

整个系统中,这个模块组件的设计相对来说比较容易实现,且模块的功能明确,操作简单,原理清晰,就是利用固有的定义式包括功率和功率因素等,还要结合LabVIEW软件中相对应的计算算法和控制组件,换句话说,就是将现有的成熟公式进行程序化实现即可。

4.4 系统中电压的波动计算模块设计方案

在这个模块的设计中,首先要根据波形周期和一定的采样周期计算采样的节点数目,根据已有数据结合采样的数组长度数据,从而计算出一个采样节点内有多少个波形的周期。从一个数组中需要知道如何截取采样点数是这里面的关键所在。计算出来的有效值可以放到有效值所在的周期数组。然后根据一系列的理论推导找出最大值和最小值,这样,电压波动也就计算出来了。

5 监测系统的性能测试及分析

文中主要从两方面来测试设计的系统是否满足设计要求,且有无重大的设计缺陷,第一方面主要是电能质量关键参数监测模块的测试,第二方面是暂态信号发生器的模块测试。

5.1 系统中电能质量关键参数模块的测试

误差主要用绝对误差和相对误差来诠释,根据的是与误差相关的两个公式:

绝对误差=|实际值-测量值|

相对误差=绝对误差/实际值

根据系统测试,主要的结果反映如图6所示。

图6 三相电压的测量误差结果图Fig.6 Three-phase voltage measurement error results

1）首先对三相电压相关参数进行测量,测量的误差结果如图6所示。

进行了多次的实际测试,从上图这个误差统计图可以看出,系统软件在电压这一个模块的误差范围大概为0～1.3﹪,根据文献资料和相关工程技术标准,一般来说,可接受的误差在百分之几至千分之几就可以接受,显然,系统的误差范围可以达到要求的标准。

2）对三相电流的误差进行测量,根据多次测量的实验值可以有效的统计出,设计的电能监测系统在电流模块的误差大概范围为0～2.2﹪,我们经过多方考证,对于实际应用中的设计要求,其允许的相对误差范围应该为百分之几-千分之几,经过对比发现,此系统的误差范围符合工业实际应用,是比较精确地。

3）系统的电压电流的偏差设计测试:对整个监测系统的电压电流的偏差设计进行必要测试,结果如下图11所示,其中A,B,C三相的电压、电流额定值依次设置为220 V,221 V，222 V,4.6 mA,3.8 mA,2.5 mA。根据目前的国家标准和相关文件规定,供电电压允许偏差为±6﹪,所以我们在实际测试中得出的结果是符合要求的,相对准确的。

5.2 监测系统中暂态信号发生器模块的相关测试

这个模块对整个系统的平稳运行也起到一个关键性作用,对于这个模块的的相关测试,我们只要知道它在实际运行中是否可以按照设计要求产生准确的波形图就可以。经过实际检测,我们可以得到如下的波形图。

与相关文献和工程实际应用中出现的波形信号相比较,可以得出结论:此模块产生的波形故障信号是符合设计要求的。

6 结束语

文中在虚拟仪器技术原理掌握的基础上,基于LabVIEW设计软件进行了电能质量监测系统的设计与研究,根据设计要求,设计出了一套切实可行的监测系统,对于电能的高效利用作出了创新性的研究。并且对于设计出的系统进行了一系列的定量分析,找出其存在的误差并且对照已有的工程质量的标准,得出结论,所设计出的系统是符合现有标准的误差范围的,所监测的数据质量是切实可信的。

电能的高效利用关乎国家可持续发展的大计,本文的研究内容和所做的工作还很有限,对电能质量进行实时的,网络化远程监测与分析的研究才刚起步,在后续的设计研究中,会更加注意系统的综合运用性,特别注意与实际相结合,对参数的设置更加合理,以期达到更稳定更使人信赖的系统。

图7 电压的中断信号产生的波形图Fig.7 Interrupt signal generated voltage waveform diagram

图8 电压的凹陷信号产生的波形图Fig.8 Voltage signal waveform diagram recess

［1］Dugan R C，Megranghan M F，Benty H W.Electrical power system quality［M］.NewYork:MC Graw-Hill，1996.

［2］Xu W，Jose J R，Dommel H W.A multiphase harmonic load-flow solution technique［J］.IEEE Trans on Power Systems，1991，6（l）:174-182.

［3］Daubechies I.Ten lectures on wavelets［C］.Philadelphia，Pennsylvania，SIAM Mathematieal Analysis，1992.

［4］British Standard Institution.BS EN 50160:2007 Voltage characteristics of electricity supplied by public distribution system［S］.2007.

［5］IEEE Standards Coordinating Committee 22 on Power Quality，IEEE Std 1159-1995［C］.IEEE Recommended Practice for Monitoring Electric Power Quality，ISBN-1-55937-549-3，1995.

［6］黄振华.基于虚拟仪器的电力参数及FACTS装置监测系统［D］.北京:清华大学，2006.

［7］全国电压电流等级和频率标准化技术委员会.电压电流频率和电能质量国家标准应用手册［S］.北京:中国电力出版社，2001.

［8］林海雪.三相电压不平衡标准 ［J］.建筑电气，2011，27（10）: 25-29.LIN Hai-xue.Standard three-phase voltage imbalance［J］.Electrical Building，2011，27（10）:25-29.

Designing energy monitoring system of LabVIEW-based

WANG Hui-chun，LI Wei，XIE Zhao-xiang
（Puˊer Power Supply Bureau,Yunnan Power Grid Co.,Ltd.,Pu′er 665000，China）

This article is the virtual instrument technology as the main research object，its role and the way in power quality detection，through a lot of practice，developed a set of power monitoring system based on LabVIEW，and its theoretical analysis，study whether the power quality related indicators meet the design requirements，the virtual instrument software program is written in each main contents，through virtual system to achieve the parameters of power quality detection，analysis and recording data.Finally，based on this virtual system data calculated correlation error analysis to identify their underlying causes.

virtual instrument technology；power quality monitoring；LabVIEW；design

TM933.4

：A

：1674-6236（2015）18-0130-04

2015-03-30稿件编号：201503451

王辉春（1985—）,男,天津人,工程师。研究方向:继电保护检修管理。