基于LabVIEW的电能质量监测和分析平台

董 林 沈颂阳 张国胜 曹超逸

(上海工程技术大学机械工程学院，上海 201620)

基于LabVIEW的电能质量监测和分析平台

董 林 沈颂阳 张国胜 曹超逸

(上海工程技术大学机械工程学院，上海 201620)

针对传统的电力参数监测系统硬件体积庞大以及难以适应复杂、实时多参数测试等问题，基于DAQ设备构建一个完整的USB数据采集系统，采用NI信号流处理技术，通过USB设备实现同步高速信号流处理，不但完成各项电能质量指标的监测，而且实现用户通过网页浏览器进行远程电能质量数据的监测。该电能质量监测分析软件平台基于LabVIEW完成数据采集、处理、分析、存储及结果显示等，与Fluke 437型电能质量分析仪的实验结果对照可知：该平台测试结果准确、可靠性较高。

DAQ设备 电能质量 LabVIEW 数据采集 监测与分析

随着我国工业的快速发展，一些电力电子设备的使用使得大量非线性负荷和不对称负荷接入电网，致使电力系统电能质量不断恶化。监测电力系统的电能质量情况，不但能够掌握自身负荷设备的运行情况，而且可以根据监测的电力参数为电力系统问题产生的原因和解决提供依据，从而保证电力系统经济、安全地运行。传统的电能质量监测以硬件为核心，结构复杂、成本高、效率低、功能单一，已无法满足现代复杂的电能质量监测[1]。

近年来，基于虚拟仪器(VI)和PC的系统，因其成本低、容易开发，广泛应用在各种领域。其中，基于LabVIEW的监测系统设计简单、易于使用，被广泛应用在电力系统中[2,3]。文献[4]利用虚拟仪器技术设计了一种电能质量监测系统，可完成一些电能质量指标的测量，但是没有对数据进行存储，无法实时查看历史数据。文献[5]基于LabVIEW采用协同式多线程技术开发了一套电能质量监测系统，但是程序冗余，局部变量过多，内存占有率大，导致系统运算效率不高。文献[6]只对几项电能质量指标进行了简单的仿真分析，没有开发一套完整的系统。文献[7]基于LabVIEW提出了一种电能质量远程监测系统，可通过网页远程实时监测电能质量数据变化的情况，但是未对实验结果进行验证，系统测量的准确性有待考证。在此笔者设计了一个电能质量监测和分析平台，将NI数据采集卡安装于NI CompactDAQ机箱，构建一个完整的USB数据采集系统，能够灵活地完成各种监测任务。

基于虚拟仪器技术，以最少的硬件支持，利用软件编程代替硬件电路，完成数据采集、处理和分析。系统结构包括软件和硬件部分，软件部分包括电能质量分析与显示功能，硬件部分包括电压电流传感器、信号调理和数据采集卡(DAQ)和安装有LabVIEW的上位机。

1.1硬件部分

为了进行有效地测量并得到精确的测量结果，电压电流传感器的输出信号必须在数据采集卡采集前进行调理。信号调理由信号放大、电气隔离及滤波等构成。

硬件设备DAQ的关键在于精度和转换速度，其影响系统的实时性和准确性。NI C系列模块在单个模块内集成了A/D转换器、信号调理和信号连接功能。系统选择NI数据采集卡9205和9203，并将其安装于NI CompactDAQ机箱内，以构建一个完整的USB数据采集系统。采用NI信号流处理技术，通过USB设备实现同步高速信号流处理，在USB总线上连续采集波形数据并进行处理。

测量电流采用NI数据采集卡9203，与NI CompactDAQ机箱配合使用。NI 9203具有可编程的±20mA输入范围、16位分辨率和200kS/s最大采样率。

1.2软件部分

软件系统采用NI公司的LabVIEW图形化编程语言和开发环境，LabVIEW使用图标代替文本行创建应用程序，图形化编程，编程风格简单、直观[4]。LabVIEW不断改进、更新与完善，在数据采集、数据分析、数据表达及网络功能等方面具有独特的优势。

采用LabVIEW设计的电能质量监测与分析平台能完成电能质量监测，实现相关电量参数的采集、处理、分析显示、存储及远程访问等，其中数据处理和分析部分包括实时波形显示、基本参量测量、三相不平衡计算、谐波计算和分析与电压波动和闪变5个部分。

2 电能质量测量原理

2.1电压偏差测量

电压偏差是指实际电压相对于标称电压的偏离程度。电压有效值最常用的测量算法是离散求和的方法，即将一个周期内采集的电压波形数据按求均方根方式进行计算，得到其有效值，表达式为：

(1)

式中N——一个周期的采样点数；

Uk——电压在第k个采样点处的采样值。

2.2频率测量

设计采用基于快速傅里叶变换(FFT)的加窗插值算法来计算频率。先对被测信号进行采样和数字化，进行加窗处理，再进行快速傅里叶变换，根据所得到的变换结果，计算信号频谱的幅频特性。信号频谱幅值最大点位置所对应的频率即被测信号的频率。设信号的采样速率为fs，FFT的长度为N，则被测信号的频率为：

fx=Mfs/N

(2)

式中M——信号频谱幅值最大点位置。

2.3三相不平衡度计算

任何不对称的三相相量均可用对称分量法分解为3组对称的正序分量、负序分量和零序分量。三相系统中，计算不平衡度的方法如下：

(3)

三相不平衡度为负序分量与正序分量的均方根值之比，用符号εU表示，即：

(4)

2.4谐波分析

目前谐波测量应用最多的方法是快速傅里叶变换[8,9]。当使用傅里叶变换进行谐波检测时，要求截取一个工频(基波)周期的信号，不但要求每个周期的采样点数，还要求采样周期严格与工频频率同步，否则会出现频谱泄漏现象。在该谐波分析模块中，采用加窗插值的FFT算法，以降低频谱泄漏和栅栏效应造成的测量误差，从而保证计算精度。

2.5闪变测量

闪变由供电电压波动的幅值、频度和波形决定。从测量仪器的角度出发，通过对电压信号进行处理，计算出电压闪变值。首先以电压传感器信号为输入量，通过平方解调器、转折频率为0.05Hz和35Hz的带通滤波器、中心频率为8.8Hz的视感度加权滤波器，再通过一个平方器、一阶平滑加权滤波器后获得输出信号。该信号直接反映了电压波动引起灯光闪烁对人眼视感的影响，是计算瞬时闪变值的中间过程，定义为瞬时闪变值p。采用水平分级状态时间计算法，即累计概率函数(CPF)曲线，对该信号做递增分级处理。首先对一段时间(10min)内的p信号进行分级，以p为横坐标，以不小于每一级p的各级时间在该时段内所占时间长度的百分比为纵坐标，做出CPF曲线。CPF曲线纵坐标0.1%、1%、3%、10%、50%对应的闪变平滑估计值分别为P0.1、P1、P3、P10、P50，则这段时间的短闪变值可按下式计算：

(5)

3 网络化监测模式

为了通过网络实现远程监测电能质量指标数据，必须在Web上进行LabVIEW监测程序的网络发布[10]。首先需要在服务器端运行LabVIEW，并配置Web服务器。然后在LabVIEW的主菜单中选择工具≫Web发布工具，选择要发布VI的名称，并将生成的HTML文件保存在Web服务器配置所设定的根目录中。最后，在客户端的网页浏览器地址栏输入发布的网址，客户端用户在获得服务器的允许后，即可利用浏览器通过网页访问监测终端，实现电能质量的远程监测。

4 实验测量结果

4.1硬件方面

实验过程中，测量电压采用DL-PT202H1电流型精密电压互感器，将强电压信号转换成弱电压信号，再通过数据采集卡9205采集送到LabVIEW进行处理。测量电流采用LCTA21CE-20A/20mA系列精密微型电流互感器，与数据采集卡9203配合使用进行测量。电压传感器的测量原理如图1所示。

图1 电流型电压互感器测量原理

4.2测量结果

4.2.1实时波形显示模块

电压、电流经过各传感器变送后，由数据采集卡采集信号，将数据传到PC机上(安装有LabVIEW软件)，完成数据的相关处理，并将电压、电流的实时波形显示出来，其中包括三相电压、三相电流和中性线电流，用户可实时观测电压、电流波形的变化情况。

4.2.2基本参数测量模块

基本参量测量模块主要完成三相电压、三相电流的有效值和频率的测量与计算，还有三相功率的测量(有功功率、无功功率、视在功率和功率因数)，并计算出电能指标电压偏差和频率偏差。测量结果在如图2所示的基本参数测量模块界面上显示。

图2 基本参数测量模块界面

4.3测量结果验证

为了验证设计平台测量结果的准确性，选用Fluke 437型电能质量分析仪作为对比仪器，以其测量值作为实际参考值。该仪器的各项性能指标较高，可以通过与其测量结果的比较，验证平台测量的准确性和可靠性。Fluke 437和本平台对于电能质量基本参数的测量结果对照见表1，电能质量各项电能指标的测量结果对照见表2。

表1 基本参数测量对比

表2 各项电能质量指标测量对比

通过表1、2的实验结果对比表明，所设计的电能质量监测和分析平台测量的各项电能质量指标的误差在1%之内，测量结果较准确。

5 结束语

笔者基于DAQ设备和LabVIEW技术，完成了一套电能质量监测与分析平台的设计。硬件采用NI C系列模块，将NI数据采集卡9205和9203安装于NI CompactDAQ机箱内，构建一个完整的USB数据采集系统。软件利用LabVIEW软件进行电能质量监测与分析系统的程序设计，完成数据采集、计算、分析及结果显示等功能，实现电能质量的监测与分析，并且用户能够实时查询历史电能质量数据。通过LabVIEW提供的进行远程访问的Web服务器技术的功能，采用B/S组网模式和Web浏览方法，进行电能质量监测系统的远程访问设计，实现电能质量的远程监测。与Fluke 437型电能质量分析仪测量结果对比，验证了该系统平台的可靠性和准确性。

[1] 王平，高阳，王林泓，等.基于DSP与FPGA的实时电能质量监测终端系统[J].电力系统保护与控制，2012,40(12):125～129.

[2] 阎鸿程，黄建业，高伟.基于LabVIEW软件的电能质量监测系统[J].电工电气，2010,(7):13～16，19.

[3] 方向东.基于LabVIEW的电能质量自动监测系统[J].计算技术与自动化，2007,26(1):33～35.

[4] 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].制造业自动化，2013,35(4):107～109.

[5] 李冬明,王厚志,高玺亮,等.基于LabVIEW的电能质量监测系统研究[J].哈尔滨理工大学学报，2012,17(4):57～63.

[6] 缑新科，牟英，郑伟.基于LabVIEW的电能质量分析系统[J].电子测量技术，2008,31(9):72～74.

[7] 刘海昌，刘豪，王姣侠，等.电能质量远程监测系统的设计与实现[J].电力系统保护与控制，2009,37(13):109～111.

[8] 赵成勇，高本锋，贾秀芳.基于LabVIEW的电能质量综合检测系统[J].华北电力大学学报，2006,32(2):63～67.

[9] 韩烨，刘志刚，李文帆.基于LabVIEW的新型电能质量分析软件开发[J].电力系统保护与控制，2012,40(16):121～125.

[10] 王明渝，周延静，赵俊晖，等.网络化的电能质量综合监测系统的研究[J].电力系统保护与控制，2010,38(1):87～91.

(Continued on Page 209)

PowerQualityMonitoringandAnalysisPlatformBasedonLabVIEW

DONG Lin, SHEN Song-yang, ZHANG Guo-sheng, CAO Chao-yi

(CollegeofMechanicalEngineering,ShanghaiUniversityofEngineeringScience,Shanghai201620,China)

Aiming at the bulky hardware and the difficulty in adapting to the complex, real-time and multi parameter testing in the traditional electric power system for the parameter monitoring, a DAQ equipment-based complete USB data acquisition system was built, which adopts NI signal streaming technology to realize the synchronization of high speed signal processing flow via a USB device and to complete the monitoring of power

TM933

A

1000-3932(2016)02-0177-05

2015-12-14(修改稿)基金项目：2014年上海高校青年骨干教师国内访问学者计划项目；大学生创新训练项目(CS1501001，CS1501018)