基于labVIEW的電能質(zhì)量分析系統(tǒng)

1、基于labVIEW的電能質(zhì)量分析系統(tǒng)數(shù)字信號處理在節(jié)能監(jiān)管平臺中的應用摘要：論文在論述數(shù)字信號處理概念、特點的基礎上，通過實例闡述了在LabVIEW平臺下對電能質(zhì)量進行信號處理同時對電能質(zhì)量分析方法進行研究和討論，基于數(shù)字信號處理技術(shù)實現(xiàn)電能質(zhì)量檢測。著重對電能質(zhì)量的3個重要指標：電壓波動、諧波和三相電壓不平衡度（包括三相電壓，三相電流，有功功率，無功功率，功率因數(shù)等）進行信號分析，去除采集波形數(shù)據(jù)中的高次諧波。關(guān)鍵詞：數(shù)字信號處理技術(shù)；labVIEW;電能質(zhì)量；節(jié)能監(jiān)管；諧波隨著科學技術(shù)的發(fā)展，人們對電能質(zhì)量的要求越來越高，同時由于擾動性負荷（如非線性、沖擊性或不對稱負荷）接入電力系統(tǒng)及其他

2、擾動源存在，造成了大量的電能質(zhì)量問題，諧波污染、三相不平衡度、跌落和閃交也越來越嚴重。電能質(zhì)量問題不僅對電網(wǎng)的安全運行不利，嚴重干擾電網(wǎng)的穩(wěn)定經(jīng)濟運行，還能造成某些對電能質(zhì)量要求較高的電力用戶嚴重的經(jīng)濟損失。電能質(zhì)量在線監(jiān)測技術(shù)就是在這個基礎上發(fā)展起來的。電能的在線監(jiān)測就是要實現(xiàn)實時地監(jiān)視系統(tǒng)的電壓或電流變化，記錄和保存電能質(zhì)量發(fā)生變化時各相電壓或電流的幅值、頻率、電壓波動、三相不平衡度，同時采用濾波技術(shù)對多種電能質(zhì)量的指標進行綜合的監(jiān)測。由于電能質(zhì)量的不斷惡化，電能質(zhì)量問題不僅影響到電網(wǎng)的安全運行，還對一些對電能質(zhì)量的要求很高的新型電力負荷的正常工作造成干擾。使人們對電能質(zhì)量的優(yōu)劣越來越重視

3、，因此對電能質(zhì)量進行有效地分析和監(jiān)測不僅必要而且十分迫切。由于應用于三相電壓電流的諧波檢測的示波器價格昂貴，且較難進行多點的電壓/電流檢測2,我們設計的應用于檢測多點的單相或三相電壓/電流的多路電表，不僅成本低廉、擴展便，還可以進行模擬信號采樣實驗、信號處理實驗，綜合性強。LabVIEW作為一種圖形化的編程語言，不僅具有許多功能強大的模塊節(jié)點和計算能力，可以滿足電能分析的各種復雜算法的計算，而且還具有強大的網(wǎng)絡功能，進行遠程設備控制和數(shù)據(jù)傳輸，虛擬儀器VI的興起對處理電能質(zhì)量測量與分析時的數(shù)據(jù)提供了新的研究途徑。1.labVIEW簡介LabVIEW是一種程序開發(fā)環(huán)境，由美國國家儀器（NI）公司

4、研制開發(fā)的，類似于C和BASIC開發(fā)環(huán)境，但是LabVIEW與其他計算機語言的顯著區(qū)別是：其他計算機語言都是采用基于文本的語言產(chǎn)生代碼，而LabVIEW使用的是圖形化編輯語言G編寫程序，產(chǎn)生的程序是框圖的形式。LabVIEW的函數(shù)庫包括數(shù)據(jù)采集、GPIR串口控制、數(shù)據(jù)分析、數(shù)據(jù)顯示及數(shù)據(jù)存儲等等LabVIEW也有傳統(tǒng)的程序調(diào)試工具，如設置斷點、以動畫方式顯示數(shù)據(jù)及其子程序（子vi）的結(jié)果、單步執(zhí)行等，便于程序的調(diào)試。在電能質(zhì)量分析領域研究中，labVIEW完成的恰恰是對硬件電路板采集通過以太網(wǎng)發(fā)布的數(shù)據(jù)包依據(jù)國際化多功能電表規(guī)約-645規(guī)約進行拆包取數(shù)，并對取得的數(shù)據(jù)進行一系列復雜的邏輯運算得

5、出各類電能指標進而進行更進一步的信號分析。2電能質(zhì)量檢測實驗平臺組成電能質(zhì)量檢測實驗平臺包括A/D信號采樣模塊（網(wǎng)關(guān)）、電能質(zhì)量處理模塊和上位機。A/D信號采樣模塊負責采集信號并送至電能質(zhì)量處理模塊；電能質(zhì)量處理模塊對采集的電壓/電流信號進行數(shù)據(jù)的預處理，并通過基于以太網(wǎng)的數(shù)據(jù)通信系統(tǒng)將數(shù)據(jù)傳輸至PC機；PC機接收上傳的數(shù)據(jù)并完成數(shù)據(jù)的進一步處理和各項電能參數(shù)的實時顯示、存儲。由于是基于以太網(wǎng)的設計，所以易于擴展多支路的電壓/電流的檢測。另外，我們自己設計研發(fā)的多路電表使用起來更方便添加外部測量設備。A/D信號采樣電壓和電流信號幅值較高，而我們使用的ARM（CORTEX-M3芯片采樣電壓在3.

6、3V以內(nèi)，故需要A/D采樣電路將電網(wǎng)信號轉(zhuǎn)化為A/D采樣模塊所能接收的信號。其采樣流程為：電壓或電流信號先經(jīng)過采樣電壓互感器或是電流互感器輸入端；采樣互感器輸出的是與電網(wǎng)電壓信號成比例的正負對稱的電壓信號，再經(jīng)過信號調(diào)理電路將采樣信號抬壓到3V以內(nèi)，以供ARM5片內(nèi)部A/D轉(zhuǎn)換器采樣。采樣電壓互感器輸入最高電壓220V（對更高的電壓可再增加前級電壓互感器降低其電壓等級）。電流互感器輸入最大電流5V。電能質(zhì)量處理模塊電能質(zhì)量處理模塊的核心AR怵用CORTEX-M渠備強大運算能力，同時兼顧了控制領域的需求，特別適合控制對象復雜并且又需要較高實時運算能力的場合。ARM字處理的核心系統(tǒng)是整個電能質(zhì)量檢

7、測卡的核心部分，外擴了其他設備。該系統(tǒng)由主板供電，接收高速、高精度數(shù)據(jù)采樣系統(tǒng)提供的模擬信號將其轉(zhuǎn)化為數(shù)字信號后進行處理，并將計算的電能質(zhì)量參數(shù)結(jié)果傳送到以太網(wǎng)控制器；然后以太網(wǎng)控制器將接收到的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化為以太網(wǎng)數(shù)據(jù)包格式后，發(fā)送至網(wǎng)絡。上位機上位機部分的軟件采用labview語言編寫，為提高程序的執(zhí)行效率和實現(xiàn)電能質(zhì)量數(shù)據(jù)的存儲而引入了多線程技術(shù)和數(shù)據(jù)庫技術(shù)。為了使上位機成為開放式的網(wǎng)絡儀器，必須使上位機軟件具有以太網(wǎng)協(xié)議的網(wǎng)絡通信接口，以太網(wǎng)遵循TCP/IP協(xié)議進行數(shù)據(jù)通信，并可方便地與網(wǎng)絡鏈接。工沖W支H文®5工麗石田哲.至楨鋤3睢次學應轂總理內(nèi)容J三匚步反rF?泊三上圖為上位機

8、軟件。其界面友好，可選擇某一路波形進行顯示，還可選擇單獨顯示某一路中的各可通過實時波形檢測界面切換到諧波頻譜棒圖分析、諧波檢測報表、諧波數(shù)據(jù)歷史曲線幾個界面進行諧數(shù)據(jù)分析。模擬信號采樣實驗信號的采樣涉及到采樣頻率、采樣時鐘和采樣精度等。選取特定的高精度采樣芯片或利用ARMft部的A/D采樣模塊進行對模擬電壓/電流信號采樣。為了節(jié)約成本，本文不采用昂貴的采樣芯片，而直接利用ARW部A/D采樣模塊進行采樣。利用ARM可在線編譯和多次燒寫的特性，可以利用片內(nèi)資源進行數(shù)據(jù)采樣、處理、中斷以及通信的實驗。頻率測量實驗目前，關(guān)于頻率的測量的研究，國內(nèi)外已經(jīng)有很多成果，也獲得許多成熟的算法，大體可以歸結(jié)為硬

9、件測頻法、軟件測頻方法兩類。硬件測頻法又可分為計數(shù)法和周期法；軟件測頻方法又可分為周期法、解析法、誤差最小原理類算法、離散傅里葉變換和快速傅里葉變換等數(shù)字處理算法。因此，根據(jù)信號頻率和系統(tǒng)高速數(shù)據(jù)采樣和數(shù)據(jù)處理能力，設計了多種頻率測量實驗。串口通信實驗和以太網(wǎng)控制器實驗當前在下位機和上位機的數(shù)據(jù)通信中，工業(yè)以太網(wǎng)已處于較為領先的地位，ARM通過串口控制以太網(wǎng)控制芯片，來完成數(shù)據(jù)的發(fā)送和接收，從而設計了串口通信的實驗和以太網(wǎng)控制器驅(qū)動的設計實驗。2.7捕獲單元實驗捕獲單元能捕獲到捕獲單元外部引腳的跳變，一旦出現(xiàn)跳變就會出現(xiàn)使能觸發(fā)。當捕獲到控制芯片的INT引腳電位發(fā)生跳變時，觸發(fā)中斷開始接收外部

10、的數(shù)據(jù)。3信號處理實驗信號處理實驗主要是對電壓/電流信號進行諧波分析。諧波分析的算法較多，其中主要有：FFT,小波變換，S變換等。本文采用FFT算法能對諧波和間諧波進行檢測。根據(jù)采樣定理，為保證采樣頻率為信號最高頻率的一定倍數(shù)要求倍，對采樣信號可進行10次以內(nèi)的諧波和間諧波分析。處理模塊對于硬件采數(shù)以太網(wǎng)發(fā)布數(shù)據(jù)包的工彳不做詳細探討，上位機部分labVIEW以其現(xiàn)有的數(shù)據(jù)處理模塊給沒有編程基礎的人帶來了很大的方便，其中很多波形處理模塊，使用起來簡單方便。此時處理數(shù)據(jù)的算法選取好壞顯得尤為重要。LabVIEW每一個子VI都由前面板和程序框圖構(gòu)成，前面板主要是形象的圖形表示主要用于用戶對采集處理的

11、數(shù)據(jù)進行查詢及管理，是人機交互界面。數(shù)據(jù)展現(xiàn)是整個電能質(zhì)量分析系統(tǒng)中重要的一部分，在一般的應用程序中，通常使用表格的形式來顯示數(shù)據(jù)。而在分析系統(tǒng)中，除了使用表格來顯示數(shù)據(jù)之外，還需要圖形顯示，使人們可以從生動的圖形展示中了解電能質(zhì)量的狀況。本系統(tǒng)通過利用labview圖形控件來展示電能質(zhì)量數(shù)據(jù)，操作簡單。通過數(shù)據(jù)庫中查詢用戶需要的數(shù)據(jù)，得到數(shù)據(jù)對象。由于所顯示的信息并不是直接取數(shù)據(jù)庫中的數(shù)據(jù)，而是顯示通過統(tǒng)計、比對、計算得到的結(jié)果。在服務器端對數(shù)據(jù)對象進行解析，按照用戶所要查看的圖表類型，對得到的數(shù)據(jù)進行分解，計算等操作最終封裝到一個界面，并返回給客戶端，然后客戶端再對數(shù)據(jù)包進行解析，將數(shù)據(jù)傳

12、給圖形顯示控件進行展現(xiàn)。這個過程就是對數(shù)字信號進行處理的過程。對于程序框圖，它是數(shù)據(jù)處理層，電能質(zhì)量分析的主干。主要完成從電能質(zhì)量監(jiān)測數(shù)據(jù)中心數(shù)據(jù)庫中采集用于分析用的各項數(shù)據(jù)，拆以太網(wǎng)數(shù)據(jù)包，并在轉(zhuǎn)換的過程中對相關(guān)的基礎數(shù)據(jù)進行計算，為各種指標分析做準備，計算功能主要包括如下兩方面：(1)諧波數(shù)據(jù)計算；(2)電壓電流的有功功率，無功功率，功率因數(shù)的計算；數(shù)據(jù)采集及預處理流程通過對監(jiān)測數(shù)據(jù)中心中的結(jié)構(gòu)及數(shù)據(jù)進行分析，將監(jiān)測數(shù)據(jù)中心的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)到電能質(zhì)量分析系統(tǒng)的數(shù)據(jù)庫中，對于某些基礎指標(如諧波、電壓暫降以及綜合評估所涉及的分析用基礎數(shù)據(jù))，需要在采集的過程中進行計算。采集方式采用設定時間的方式，可

13、以根據(jù)用戶設定的時間，定時地執(zhí)行數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換。波形處理及各項電能質(zhì)量數(shù)據(jù)的計算方法3.3.1數(shù)據(jù)傳輸處理各項性能指標：序號項目描述1電壓/電流/頻率可測量三相電壓、零線電壓、三相電流、零線電流、頻率等2諧波測量可測量至50次諧波，測量結(jié)果包括各次諧波電壓、諧波電流的幅值、電壓諧波的總失真度、各次電壓諧波/電流諧波含有率；可顯示諧波頻譜圖3功率測量可測量三相視在功率、有功功率、無功功率、功率因數(shù)、三相電能等4三相不平衡測量可測量三相電壓不平衡度及正序、負序、零序電壓；三電流不平衡度及正序、負序、零序電流；可顯示電壓矢量、電流矢量5浪涌電流可記錄至少40個浪涌電流事件6波動/閃變波動、短時閃變、長時閃

14、變測量驟升/驟降可記錄電壓驟升、驟降事件，最多可記錄40個事件可長時間地記錄基本的（穩(wěn)態(tài)）電能質(zhì)量參數(shù)，記錄時間間隔從3秒到監(jiān)測記錄30分鐘可調(diào)。9圖形顯示界面可用于查看電壓/電流信號波形.3.2諧波數(shù)據(jù)計算諧波和間諧波：含有基波整數(shù)倍頻率的正弦電壓或電流稱為諧波。含有基波非整數(shù)倍頻率的正弦電壓或電流稱為間諧波，小于基波頻率的分數(shù)次諧波也屬于間諧波。對于諧波的分析，需要基于1個或多個周波采樣點（每個周波內(nèi)包含128個采樣點）的電壓及電流數(shù)據(jù)來分離諧波，并計算各次諧波分量的幅值及相角，最終計算各次諧波的阻抗、電壓含量、背景諧波、用戶諧波。在我們的系統(tǒng)中，取10個周期的采樣點，大約是1280個點。

15、3.3電壓波動和閃變電壓波動和閃變：電壓波動是指在包絡線內(nèi)的電壓的有規(guī)則變動，或是幅值通常不超出0.91.1倍電壓范圍的一系列電壓隨機變化。常會引起許多電能設備不能正常工作。閃變則是指電壓波動對照明燈的視覺影響。引起閃變的主要因素是供電電壓波動的幅值、頻度、和波形。3.4獨特性硬件部分：1、沒有觸發(fā)閾值，能連續(xù)記錄一年以上每一個電網(wǎng)周波的128個數(shù)據(jù)和所有電能質(zhì)量事件；2、4路電壓、12路電流；3、內(nèi)置的存儲器，使設備具有超強的存儲容量；4、超過0.1%的采樣精度；5、高精度的電壓、電流輸入；6、強大的諧波分析能力，分析可達；7、詳細的間諧波和次諧波測量分析能力；8、連續(xù)的故障錄波功能；9、可

16、擴展多路輸入輸出模塊，可增加設備的監(jiān)控能力和狀態(tài)監(jiān)測功能；10、多種通訊接口（2個10MB/100MB以太網(wǎng)接口、RS-485接口、RS-232接口、USB接口）,適用于各種通信方式；11、模數(shù)轉(zhuǎn)換能力強大；12、不用GPS就能達到0.1ms時間同步，用GPS同步精度更高；13、內(nèi)置超強電容（在電網(wǎng)突然斷電的情況下，自身能提供電源維持電力安全運行黑匣子繼續(xù)工作25秒）；14、較寬的電源范圍以及以太網(wǎng)供電。軟件部分：1、對采集板采集的波形數(shù)據(jù)進行濾波得到有效波形進行分析。2、可以讓操作者查看、控制、分析和監(jiān)控多個同時測量的設備。在一個站點和多個站點之間數(shù)據(jù)都能精確地時間同步，通過點擊每個節(jié)點的IP地址能夠進入該設備的監(jiān)測界面，可對實時數(shù)據(jù)進行瀏覽或?qū)υO備進行設置。3、分析軟件能夠通過趨勢圖、事件列表、諧波圖、總結(jié)表、趨勢表的形式對電能質(zhì)量進行分析，采集多周期波形處理，進行滑動窗平均計算，去除噪聲。4、分析軟件能夠?qū)﹄娋W(wǎng)中所發(fā)生的事件有一個快速、清晰的了解。所有的單點測量、多點測量的數(shù)據(jù)進行顯示。軟件程序框圖大體構(gòu)成如下圖所示：A結(jié)論:對電能質(zhì)量的監(jiān)測分析要用到很多方法，LabVIEW具有強大的信號分析與數(shù)學運算能力，提供了豐富的庫函數(shù)和應用子程序，本文通過軟件自身所帶的VI對諧波，電壓波動和三相不平衡度進行的分析，為電力系統(tǒng)電能質(zhì)量的提