电能质量监测系统方案

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1、. . 基于LabVIEW的电能质量参数监测系统的研究李瑶瑶1,彭晓1,2,许志伟1,2（1. XX工程学院 电气信息学院,XX 411101；2.XX工程学院 风力发电机组及控制XX省重点实验室,XX 411101摘要：针对传统硬件为基础的电能质量参数监测系统进行改进,设计了一套以LabVIEW为核心平台的电能质量监测系统。通过软硬件结合,利用数据采集卡实时采集电能质量参数信号,实现了长期高效自主运行,实时测算,用户分权限管理等功能。与传统分析仪相比,使用成本低,数据处理能力强,产品升级迭代快等优点。关键词：电能质量；虚拟仪器；数据采集；实时测算中图分类号：TM91 文献标识码：A 文章编号

2、：5 / 5目前,伴随着社会高速发展,对电能需求与日俱增的同时,电能质量的要求也愈加严格1。电能质量的优劣不仅仅关系到电网企业的安全运营,而且会对用户的正常用电活动产生不利影响2。伴随新能源的大力开发与利用,大量分布式电源接入电网对电网造成了前所未有的污染。因此,对电能质量进行实时的监测,对于全面系统的掌握电能质量状况是尤为必要的3。虚拟仪器是20世纪90年代在美国兴起的一款测控软件,其特点就是通过软件编程,结合外置的模/数转换器在一台计算机上实现各种仪器的功能4。本文阐述了一种基于Labview的电能质量参数监测系统的开发思想。以电动汽车充电桩为对象,对充电桩输入端的电能质量进行实时监测。1

3、 硬件设计基于LabVIEW的电能质量参数监测系统硬件结构由传感器、信号调理电路、数据采集卡以及计算机组成,如图1所示。图 1 监测系统硬件组成传感器输出的电信号有时候不适合数据采集卡直接采集。因此,需要信号调理电路对传感器输出的原始信号进行处理,比如去偏执电压,等比例放大,滤波等等。本监测系统采用NI公司的信号调理器。数据采集卡采用NI公司的NI6009多功能AD数据采集卡。单端8通道、差分4通道的模拟输入,分辨率14Bits；最大电压范围10V,精度7.73mv,最小电压范围1V,精度1.53mv。单通道采样率200ks/s。原始电压信号在经过传感器后理论变为幅值9V适合信号采集的电压信号

4、,利用数据采集卡内部信号调理电路对采集信号进行预处理。本监测系统结合实际场站需要设计了6路信号通道,对电动汽车充电桩的输入端三相电压、电流进行数据采集。0、1、2通道完成对三相电压的采样,3、4、5通道完成对三相电流信号的测量。2 软件开发环境及研究内容2.1 软件开发环境及系统研究内容本监测系统运行在NI公司的LabVIEW 2015的软件环境,该环境包括：程序前面板、程序框图和图表连接端口三个部分。程序前面板主要由控制输入控件与显示输出控件组成；框图程序是指前面板对应的程序,LabVIEW程序采用图形编程语言编写,相当于一般程序的源代码用线连接；LabVIEW中的图表连接端口有控制端口、指

5、示端口以及节点端口三个类别。本监测系统从电压偏差波动、频率偏差、有功,无功功率、频谱分析和谐波监测五个模块入手衡量电能质量参数。2.2 电能质量参数分析方法2.2.1 电压电流有效值及功率测量设电压电流瞬时值分别为：、,每个周期内采样点数为,则电压、电流有效值计算公式如下 1 2 3功率测算程序框图如图1所示.图 1 功率测算程序LabVIEW中提供了互相关和自相关的工具包,本监测系统采用此工具包完成视在功率、无功功率以及功率因数的测算。2.2.2 网侧频率测量对网侧频率测量采用过零检测法来实现,软件中对过零法的应用原理是检测基波信号的相邻零点,假设其时刻为t1、t2,则周期,在实际采样中,只

6、需要通过计算此相邻两点间的采样数,即可得出电网频率。在使用软件测量电网频率时要考虑零点漂移带来的误差影响,由于温度影响,本系统所采用的NI6009数据采集卡有温漂保护电路,保证了正常实验环境下数据的可靠性。被测信号通过Matlab的小波去噪模块后,利用SINAD信纳比分析中完成对信号基频以及频偏的计算。程序框图如图2所示.图 2 SINAD分析原理图2.2.3 谐波分析及频谱分析本系统首先对采集信号进行离散傅里叶变换,通过公式4： 4 计算各次谐波的幅值和相位,其中N是采样点数采用谐波失真分析根据总谐波畸变率计算公式： 5得出总谐波畸变率THD。为了尽可能的还原真实信号,削弱频谱失真对测量结果

7、的影响。本监测系统采用边缘变化平缓的XXHanning窗函数代替一般矩形窗,削弱了由于采用一般矩形窗带来的泄漏误差,减小了旁瓣效应。谐波分析程序如图3所示.图 3 谐波分析程序2.2.4 用户登录为保障充电桩稳定高效运行,本监测系统设置用户登录模块并通过条件选择对用户组分为管理账号和一般账号。一般用户可实现简单的充电功能,管理者可实现数据存储处理、历史信息查询、故障处理紧急停机等功能。如图4、5所示.图4 用户登录程序图5 密码确认程序3 监测系统前面板及硬件实现虚拟仪器LabVIEW的应用程序界面称为前面板,前面板多有对象可分为控制量和显示量。在LabVIEW环境中可以把友好交互作为出发点,

8、设计这些控件的属性和外观达到最直观、生动、易操作的用户界面。根据该监测系统所需功能设计前面板如下图所示.图6 电能质量参数监测系统主面板前面板能实现模拟信号的调试、真实信号的实时监测以及数据的存储与读取选择,通过选择A、B、C通道实现对多通道数据的选择性处理。图 7 功率分析模块图 8 谐波检测模块硬件实现采用开关电源模拟充电桩交流输入直流输出的性能,通过变压器连接数据采集卡,然后在软件中对信号进行等比例放大得到原始信号。4 结语本文利用LabVIEW进行监测系统的开发,软硬件相结合。研究了电能质量参数的测试算法,构建了了多元、多层次的用户管理系统,设计了人机友好的交互界面。本监测系统通过数据

9、采集卡对供电端信号进行数据采集,从而进行计算,实现了对输入电能质量以及充电桩输入输出状态的实时监控,保障了充电桩的稳定运行,对保障电动汽车充电站稳定运营具有重要意义。参 考 文 献1肖湘宁. 电能质量分析与控制M.；中国电力,2004.87-88.2张逸,林焱,吴丹岳. 电能质量监测系统研究现状及发展趋势J.；电力系统保护与控制,2015.138-146.3张喆. 含分布式电源的配电系统电能质量概率评估D.；华北电力大学,2013.4李永臣,艾欣. 基于虚拟仪器的电能质量在线监测系统M.；现代电力,2002.49-53.The Research on the Power Quality Mon

10、itoring System Based on LabVIEWLI Yao-yao1,PENG Xiao1,2,XU Zhi-wei1,2（1. College of Electrical and Information Engineering,Hunan Institute of Engineering,Xiangtan 411101,China；2. Hunan Provincial Key Laboratory of Wind Generator and Its Control,Hunan Institute of Engineering,Xiangtan 411101,ChinaAbs

11、tract: Based on the traditional hardware, the quality parameter monitoring system is improved, and a set of power quality monitoring system is designed with LabVIEW as the core platform. Through the combination of hardware and software, the data acquisition card is used to collect the power quality

12、parameter signal in real time, and realize the function of long-term, high efficiency, autonomous operation, real-time measurement, users permission management and so on. Compared with the traditional analyzer, the cost is low, the data processing ability is strong, the product is upgraded iteratively and so on.Keywords: power quality; Virtual instruments; Data collection; Real-time measurement基金项目：XX省教育厅创新平台项目；XX省科技厅重点研发计划项目.作者简介：李瑶瑶1993,男,研究生,研究方向：