基于虛擬儀器的電能質(zhì)量分析儀

摘要:   針對現有檢測裝置功能單一、數據處理能力不足等難題,本文綜合各種分析方法,開(kāi)發(fā)了基于虛擬儀器平臺的電能質(zhì)量分析儀,實(shí)現了三相諧波分析、不平衡度、電壓偏差、畸變率等參數計算及在線(xiàn)監控、離線(xiàn)分析、仿真、報警一體式設計,各種分析結果以直觀(guān)的圖形或列表的形式給出,具有性?xún)r(jià)比高、使用方便、性能穩定、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| 驗電筆| 示波表| 電流表| 鉤表| 測試器| 電力計| 電力測量?jì)x| 光度計| 電壓計| 電流計| 

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(zhù)科學(xué)技術(shù)的發(fā)展,微電子器件與電力電子技術(shù)的廣泛應用,人們對電能質(zhì)量的要求越來(lái)越高;同時(shí)由于擾動(dòng)性負荷(如非線(xiàn)性、沖擊性或不對稱(chēng)負荷) 接入電力系統及其他擾動(dòng)源(系統短路故障) 存在,造成了大量的電能質(zhì)量問(wèn)題,諧波污染、三相不平衡度、跌落和閃變也越來(lái)越嚴重[1 ] 。電能質(zhì)量的高低直接影響電力系統的供電安全,嚴重干擾電網(wǎng)的穩定運行,給某些對電能質(zhì)量要求較高的電力用戶(hù)(如紡織行業(yè)、機械電子制造業(yè)等)帶來(lái)嚴重的經(jīng)濟損失。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(gè)課題。
      虛擬儀器是計算機技術(shù)、儀器技術(shù)和通信技術(shù)相結合的產(chǎn)物,其目的是利用計算機強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(kāi)發(fā)的復雜程度,增強系統的功能和靈活性。采用虛擬儀器技術(shù)的電能質(zhì)量分析儀可以解決傳統分析儀功能單一、存儲容量小、非正弦電參量測量誤差大、數據處理能力不足等難題,并具備精確度高、工作穩定、抗干擾能力強等優(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(shí)域仿真法,即利用各種時(shí)域仿真程序對電能質(zhì)量中的各種暫態(tài)現象進(jìn)行研究,較為通用的時(shí)域仿真程序有EMPT、EMTDC、NE2TOMAC、BPA 等系統暫態(tài)仿真程序和Spice 、PSpice 、Mat2lab、Saber 等電力電子仿真程序2 大類(lèi); ②頻域分析法,主要用于諧波問(wèn)題的分析計算,包括頻率掃描、諧波潮流計算等; 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(xiàn)檢測[2 ] 。本文在諧波分析原理的基礎上綜合利用上述3 種分析方法實(shí)現了:三相諧波分析、不平衡度、電壓偏差、畸變率等參數計算以及頻率偏差、電壓波動(dòng)和過(guò)電壓預警,并結合虛擬儀器技術(shù)實(shí)現了時(shí)域仿真分析與實(shí)時(shí)監控等功能。

2 　 電能質(zhì)量標準

       電能質(zhì)量標準是保證電網(wǎng)安全經(jīng)濟運行、保護電氣環(huán)境、保障電力用戶(hù)正常使用電能的基本技術(shù)依據,是實(shí)施電能質(zhì)量監督管理,維護供用電雙方合法權益的法規條文,各級供電部門(mén)和用戶(hù)均需按照標準進(jìn)行供用電。本系統主要分析電壓偏差、頻率偏差、諧波、三相不平衡、電壓波動(dòng)和閃變等五項穩態(tài)電能質(zhì)量指標。
①電壓偏差即供電電壓允許偏差,指電力系統電壓緩慢變化時(shí),實(shí)測電壓與額定電壓之差。
   (1)
②頻率偏差指50 Hz 電力系統在正常運行條件下的頻率實(shí)際值與標稱(chēng)值之差,即:
Δf = f - f ₀ = f - 50 (2)
③諧波是一個(gè)周期電氣量的正弦波分量,其頻率為基波頻率的整數倍,也常稱(chēng)為高次諧波。
④三相不平衡度指50 Hz 電力系統正常運行方式下由于負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 ---三相電壓的負序分量方均根值。
如將式中U₁ 、U₂ 換為I₁ 、I₂ ,則為相應的電流不平衡度ε_I 的表達式。
⑤閃變是人對白熾燈照度波動(dòng)的主觀(guān)視感;電壓波動(dòng)為電壓方均根值一系列的變動(dòng)或連續的改變;其值為相鄰方均根值的兩個(gè)極值U_max 和U_min 之差ΔU ,與標稱(chēng)電壓的百分數表示,即:
(4)

3 　系統設計

       本文所介紹的電能質(zhì)量分析儀采用“工控機+ 數據采集卡”為核心的硬件系統,軟件系統開(kāi)發(fā)采用NI(美國國家儀器) LabWindows/ CVI ,該開(kāi)發(fā)系統以ANSI C 為核心,將功能強大、使用靈活的C 語(yǔ)言平臺與用于數據采集、分析和顯示的測試專(zhuān)業(yè)工具有機結合起來(lái),為C 語(yǔ)言的開(kāi)發(fā)人員建立自動(dòng)化檢測系統、數據采集系統、過(guò)程控制系統等提供了一個(gè)理想的軟件開(kāi)發(fā)環(huán)境[3 ] 。系統框圖如圖1所示。

圖1 　電能質(zhì)量分析儀框圖

　     系統分時(shí)域仿真與實(shí)時(shí)監控2 種狀態(tài)。仿真分析時(shí)三相電信號由仿真系統隨機生成的正弦信號、多階諧波信號和噪聲疊加構成,再由電能質(zhì)量分析儀軟件分析后在顯示終端顯示出來(lái),如果分析指標達到預警值則會(huì )有聲音和圖示報警,此外用戶(hù)根據需要可以對分析結果執行保存、打印等操作。實(shí)時(shí)監控時(shí)信號源由電壓、電流傳感器采集得到,經(jīng)信號調理電路(包括隔離和濾波) 送至數據采集系統,分析方法與時(shí)域仿真時(shí)一致。
3.1    硬件電路設計
        為增強儀器的通用性,電流、電壓互感器的輸出作為分析儀的輸入信號�；ジ衅鞑捎帽本┤R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)---“磁補償原理”制作而成的,具有較好的頻率響應和較大的輸入范圍,有利于精確測量諧波成分。
        在數據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(lái),使輸入和輸出回路與電源沒(méi)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 ,根據調制解調原理可以實(shí)現電源、地線(xiàn)和信號線(xiàn)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(hù)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(zhuān)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,使輸入的模數轉換器的信號為有限帶寬信號,并且以很小的衰減讓各個(gè)有效頻率信號通過(guò),而抑制這個(gè)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

　     數據采集使用NI PCI26224 數據采集卡,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  軟件設計
        在LabWindows/ CVI 軟件開(kāi)發(fā)平臺上,將數據采集系統結合上述分析指標,開(kāi)發(fā)一套電能質(zhì)量分析系統,該系統能夠對電能質(zhì)量的主要參數進(jìn)行實(shí)時(shí)檢測,提供在線(xiàn)和離線(xiàn)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,并提供預警功能,當頻率偏差、電壓波動(dòng)等超過(guò)標準值時(shí)系統會(huì )給出聲音和圖形報警, 運行界面如圖3所示。

圖3 　電能質(zhì)量分析儀主界面(仿真)

         仿真分析時(shí),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,用于驗證系統的正確性,疊加效果見(jiàn)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。
         仿真分析及數據采集、處理用到的關(guān)鍵技術(shù)如下:
         ①信號源:主要是仿真時(shí)的信號源,即隨機生成的正弦信號、多階諧波信號和噪聲的疊加。正弦信號(基波) 由隨機函數rand( ) 產(chǎn)生的相位值給正弦波函數SineWave( ) 作參數生成;諧波信號是高頻(50 Hz 的整數倍) 正弦波,生成方法與基波一致,根據需要可以疊加多個(gè)不同幅值、不同相位、不同階次的諧波,諧波的最高次數受限于系統采樣率;系統提供白噪聲和高斯噪聲供仿真分析,由WhiteNoise () 和GaussNoise () 兩個(gè)函數生成。根據信號疊加原理將上述三種信號疊加即可,同時(shí)分析儀提供了非常易用的信號源設置工具(圖4) ,使用者只需點(diǎn)擊幾下鼠標即可完成多種信號的疊加,并即時(shí)顯示在分析界面上。

圖4 信號源設置裝置

        ②數據采集系統:在實(shí)時(shí)監控時(shí)就要用到數據采集。
        在Labwindows/ CVI 中提供了豐富的數據采集函數,主要的函數庫有Easy I/ O for DAQ、Traditional NI2DAQ 和最新的NI2DAQmx。本系統采用NI2DAQmx 函數庫,一個(gè)完整的數據采集系統由幾部分組成: 創(chuàng )建采集任務(wù)DAQmxCreat Task ( ) ;創(chuàng )建輸入通道DAQmxCreatAIVoltageChan ( ) ; 設置采樣率DAQmxCfgSampClk Timing( ) 、緩沖區大小DAQmxSetBufferAtt ribute ( ) ;開(kāi)始采集任務(wù)DAQmxStart Task ( ) ;采集數據DAQmxReadAnalogF64 () ;停止采集任務(wù)DAQmxStop Task ( ) ;銷(xiāo)毀任務(wù)DAQmx2
Clear Task ( ) ;數據保存ArrayTo File ( ) 和數據讀取File2ToArray ( ) ;打印報表PrintCt rl ( ) 。
        ③諧波分析諧波分析采用自相關(guān)函數分析法,利用LabWindows/ CVI 提供的自相關(guān)分析函數Correlate ( ) 可以方便的分析出各次諧波的強度及含量。
        ④頻譜分析在分析頻率偏差時(shí)要用到頻譜分析,分析出信號的主頻率。系統中采用加窗的快速傅立葉變換函數ReFFT( ) ,窗函數采用海寧窗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中計算三相不平衡度采用對稱(chēng)分量法,分別求出正序分量和負序分量,再由公式計算出三相不平衡度。正、負序分量的計算如下:

(5)

      式中Ua 、Ub 、Uc 為三相基波,α為旋轉因子,即:

      在沒(méi)有零序分量的三相系統中,當已知三相量U_a 、U_b 、U_c 時(shí),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Correlate ( ) 可以得到;復數計算時(shí)將上述公式簡(jiǎn)化后采用實(shí)部和虛部分別計算;其他計算用LabWindows/ CVI 語(yǔ)句描述出來(lái)計算即可。系統中提供了直觀(guān)的各相矢量坐標圖及零序、正序和負序分量演示,便于用戶(hù)查看,如圖5 所示。

圖5 　用對稱(chēng)分量法計算三相不平衡度

4 　 結束語(yǔ)

       本系統根據實(shí)際需求開(kāi)發(fā),嚴格按照電能質(zhì)量國家標準的要求設計,實(shí)現了在線(xiàn)監測、離線(xiàn)分析、仿真、預警等多功能一體式設計,實(shí)測顯示該系統具有很好的穩定性和較高的分析精度,有很高的實(shí)用價(jià)值和廣闊的市場(chǎng)前景。

參考文獻

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