基于虚拟仪器的电能质量分析仪

基于虚拟仪器的电能质量分析仪

摘要:   针对现有检测装置功能单一、数据处理能力不足等难题,本文综合各种分析方法,开发了基于虚拟仪器平台的电能质量分析仪,实现了三相谐波分析、不平衡度、电压偏差、畸变率等参数计算及在线监控、离线分析、仿真、报警一体式设计,各种分析结果以直观的图形或列表的形式给出,具有性价比高、使用方便、性能稳定、分析精度高等优点。
关键词:   电力分析仪| 谐波分析仪| 发生器| 多用表| 验电笔| 示波表| 电流表| 钩表| 测试器| 电力计| 电力测量仪| 光度计| 电压计| 电流计| 

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

       随着科学技术的发展,微电子器件与电力电子技术的广泛应用,人们对电能质量的要求越来越高;同时由于扰动性负荷(如非线性、冲击性或不对称负荷) 接入电力系统及其他扰动源(系统短路故障) 存在,造成了大量的电能质量问题,谐波污染、三相不平衡度、跌落和闪变也越来越严重[1 ] 。电能质量的高低直接影响电力系统的供电安全,严重干扰电网的稳定运行,给某些对电能质量要求较高的电力用户(如纺织行业、机械电子制造业等)带来严重的经济损失。因此对电能质量的检测与分析是电力行业普遍关注的一个课题。
      虚拟仪器是计算机技术、仪器技术和通信技术相结合的产物,其目的是利用计算机强大的资源使硬件技术软件化,分立元件模块化,降低程序开发的复杂程度,增强系统的功能和灵活性。采用虚拟仪器技术的电能质量分析仪可以解决传统分析仪功能单一、存储容量小、非正弦电参量测量误差大、数据处理能力不足等难题,并具备精确度高、工作稳定、抗干扰能力强等优点。

1 　 电能质量分析方法

       目前常用的电能质量分析方法有: ①时域仿真法,即利用各种时域仿真程序对电能质量中的各种暂态现象进行研究,较为通用的时域仿真程序有EMPT、EMTDC、NE2TOMAC、BPA 等系统暂态仿真程序和Spice 、PSpice 、Mat2lab、Saber 等电力电子仿真程序2 大类; ②频域分析法,主要用于谐波问题的分析计算,包括频率扫描、谐波潮流计算等; ③变换法,包括傅里叶变换和小波变换法,主要用于电能质量的在线检测[2 ] 。本文在谐波分析原理的基础上综合利用上述3 种分析方法实现了:三相谐波分析、不平衡度、电压偏差、畸变率等参数计算以及频率偏差、电压波动和过电压预警,并结合虚拟仪器技术实现了时域仿真分析与实时监控等功能。

2 　 电能质量标准

       电能质量标准是保证电网安全经济运行、保护电气环境、保障电力用户正常使用电能的基本技术依据,是实施电能质量监督管理,维护供用电双方合法权益的法规条文,各级供电部门和用户均需按照标准进行供用电。本系统主要分析电压偏差、频率偏差、谐波、三相不平衡、电压波动和闪变等五项稳态电能质量指标。
①电压偏差即供电电压允许偏差,指电力系统电压缓慢变化时,实测电压与额定电压之差。
   (1)
②频率偏差指50 Hz 电力系统在正常运行条件下的频率实际值与标称值之差,即:
Δf = f - f ₀ = f - 50 (2)
③谐波是一个周期电气量的正弦波分量,其频率为基波频率的整数倍,也常称为高次谐波。
④三相不平衡度指50 Hz 电力系统正常运行方式下由于负序分量引起的三相不平衡的程度。电压或电流不平衡分别用εu或εI表示,即用电压或电流负序分量与正序分量的方均根值的百分比表示:
(3)
式中U₁ ---三相电压的正序分量方均根值;
      U₂ ---三相电压的负序分量方均根值。
如将式中U₁ 、U₂ 换为I₁ 、I₂ ,则为相应的电流不平衡度ε_I 的表达式。
⑤闪变是人对白炽灯照度波动的主观视感;电压波动为电压方均根值一系列的变动或连续的改变;其值为相邻方均根值的两个极值U_max 和U_min 之差ΔU ,与标称电压的百分数表示,即:
(4)

3 　系统设计

       本文所介绍的电能质量分析仪采用“工控机+ 数据采集卡”为核心的硬件系统,软件系统开发采用NI(美国国家仪器) LabWindows/ CVI ,该开发系统以ANSI C 为核心,将功能强大、使用灵活的C 语言平台与用于数据采集、分析和显示的测试专业工具有机结合起来,为C 语言的开发人员建立自动化检测系统、数据采集系统、过程控制系统等提供了一个理想的软件开发环境[3 ] 。系统框图如图1所示。

图1 　电能质量分析仪框图

　     系统分时域仿真与实时监控2 种状态。仿真分析时三相电信号由仿真系统随机生成的正弦信号、多阶谐波信号和噪声叠加构成,再由电能质量分析仪软件分析后在显示终端显示出来,如果分析指标达到预警值则会有声音和图示报警,此外用户根据需要可以对分析结果执行保存、打印等操作。实时监控时信号源由电压、电流传感器采集得到,经信号调理电路(包括隔离和滤波) 送至数据采集系统,分析方法与时域仿真时一致。
3.1    硬件电路设计
        为增强仪器的通用性,电流、电压互感器的输出作为分析仪的输入信号。互感器采用北京莱姆电子有限公司生产的L EM 电流电压互感器模块,它是使用霍尔元件并引进瑞士L EM 公司的最新技术---“磁补偿原理”制作而成的,具有较好的频率响应和较大的输入范围,有利于精确测量谐波成分。
        在数据采集卡的前端采用隔离模块以完成接地,放大器加上静电和电磁屏蔽并浮置起来,使输入和输出回路与电源没有直接的电路藕合关系,提高安全性,避免形成环流,提高抗干扰能力。隔离放大器采用AD (Analog Devices) 公司生产的输入输出隔离放大器AD202 ,根据调制解调原理可以实现电源、地线和信号线的三重隔离,共模抑制比CMRR130 dB ,抗共模干扰300 V 以上,隔离电压1000 V ,输入模拟量电压量程:DC ±5 V、±10 V、±24 V或其他用户指定值,AC220 V、380 V ,若其他交流值须经电压、电流互感器变换。
       抗混叠低通滤波器采用MAX275 专用芯片,其作用是滤掉周期信号中50 次谐波(2. 5 kHz) 以上的高频成份,使输入的模数转换器的信号为有限带宽信号,并且以很小的衰减让各个有效频率信号通过,而抑制这个频带以外的频率信号,防止信号的频谱发生混叠及高频干扰。

图2 　隔离和抗混叠原理图

　     数据采集使用NI PCI26224 数据采集卡,支持32 通道单端输入/ 16 通道双端输入,最大采样率为250 KS/ s ,16位AD 转换,为多通道、多功能、高精度的电能质量分析仪提供了硬件支持。
3. 2  软件设计
        在LabWindows/ CVI 软件开发平台上,将数据采集系统结合上述分析指标,开发一套电能质量分析系统,该系统能够对电能质量的主要参数进行实时检测,提供在线和离线分析及仿真功能,以列表的形式给出三相电信号的相关参数,并提供预警功能,当频率偏差、电压波动等超过标准值时系统会给出声音和图形报警, 运行界面如图3所示。

图3 　电能质量分析仪主界面(仿真)

         仿真分析时,三相电信号上分别叠加不同阶次谐波(幅值、相位也不同) 和噪声信号,用于验证系统的正确性,叠加效果见图3 ,其中1 相(绿色) 叠加有3、5、9、15 次谐波和幅度15 的噪声,2 相(粉红色) 叠加有5、7 次谐波和幅度20 的噪声,3 相(红色) 叠加有3、5、7、10 次谐波和幅度15 的噪声。
         仿真分析及数据采集、处理用到的关键技术如下:
         ①信号源:主要是仿真时的信号源,即随机生成的正弦信号、多阶谐波信号和噪声的叠加。正弦信号(基波) 由随机函数rand( ) 产生的相位值给正弦波函数SineWave( ) 作参数生成;谐波信号是高频(50 Hz 的整数倍) 正弦波,生成方法与基波一致,根据需要可以叠加多个不同幅值、不同相位、不同阶次的谐波,谐波的最高次数受限于系统采样率;系统提供白噪声和高斯噪声供仿真分析,由WhiteNoise () 和GaussNoise () 两个函数生成。根据信号叠加原理将上述三种信号叠加即可,同时分析仪提供了非常易用的信号源设置工具(图4) ,使用者只需点击几下鼠标即可完成多种信号的叠加,并即时显示在分析界面上。

图4 信号源设置装置

        ②数据采集系统:在实时监控时就要用到数据采集。
        在Labwindows/ CVI 中提供了丰富的数据采集函数,主要的函数库有Easy I/ O for DAQ、Traditional NI2DAQ 和最新的NI2DAQmx。本系统采用NI2DAQmx 函数库,一个完整的数据采集系统由几部分组成: 创建采集任务DAQmxCreat Task ( ) ;创建输入通道DAQmxCreatAIVoltageChan ( ) ; 设置采样率DAQmxCfgSampClk Timing( ) 、缓冲区大小DAQmxSetBufferAtt ribute ( ) ;开始采集任务DAQmxStart Task ( ) ;采集数据DAQmxReadAnalogF64 () ;停止采集任务DAQmxStop Task ( ) ;销毁任务DAQmx2
Clear Task ( ) ;数据保存ArrayTo File ( ) 和数据读取File2ToArray ( ) ;打印报表PrintCt rl ( ) 。
        ③谐波分析谐波分析采用自相关函数分析法,利用LabWindows/ CVI 提供的自相关分析函数Correlate ( ) 可以方便的分析出各次谐波的强度及含量。
        ④频谱分析在分析频率偏差时要用到频谱分析,分析出信号的主频率。系统中采用加窗的快速傅立叶变换函数ReFFT( ) ,窗函数采用海宁窗Hanning ( ) ,该窗适于分析低频信号,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统中计算三相不平衡度采用对称分量法,分别求出正序分量和负序分量,再由公式计算出三相不平衡度。正、负序分量的计算如下:

(5)

      式中Ua 、Ub 、Uc 为三相基波,α为旋转因子,即:

      在没有零序分量的三相系统中,当已知三相量U_a 、U_b 、U_c 时,可用下式求不平衡度:

(8)

式中：

       三相基波用自相关分析函数Correlate ( ) 可以得到;复数计算时将上述公式简化后采用实部和虚部分别计算;其他计算用LabWindows/ CVI 语句描述出来计算即可。系统中提供了直观的各相矢量坐标图及零序、正序和负序分量演示,便于用户查看,如图5 所示。

图5 　用对称分量法计算三相不平衡度

4 　 结束语

       本系统根据实际需求开发,严格按照电能质量国家标准的要求设计,实现了在线监测、离线分析、仿真、预警等多功能一体式设计,实测显示该系统具有很好的稳定性和较高的分析精度,有很高的实用价值和广阔的市场前景。

参考文献

[ 1 ]樊晓芳. 电能质量分析技术研究与实现[D] . 南京:南京理工大学,2005.
[ 2 ]邵如平,宜勇,艾欣. 电能质量在线测新方法研究[J ] .电力自动化设备,2003 (1) :72275.
[ 3 ]王建新,杨世凤,隋美丽. Labwindows/ C 测试技术及工程应用[M] . 北京: 化学工业出版社,2006.
[ 4 ]吴唏. 基于Labwindows/ CVI 5. 0 平台的八通道数据采集系统[J ] . 测控技术,2000 ,4 :58260.
[ 5 ]刘君华. 基于Labwindows/ CVI 的虚拟仪器设计[M] .北京. 电子工业出版社,2003.
[ 6 ] 刘君华. 虚拟仪器编程语言Labwindows/ CVI 教程[M] . 北京: 电子工业出版社. 2001.
[ 7 ]宋宇峰. Labwindows/ CVI 逐步深入与开发实例[M] .北京: 机械工业出版社, 2003.