摘要：本文针对电力系统供电领域，以运行LabVIEW平台的工业控制计算机为核心，应用虚拟仪器、高速多通道同步数据采集、数字信号处理等技术手段，结合电能质量分析计算的相关原理，实现了电能质量参数的实时在线监测。
关键词：虚拟仪器 同步数据采集 电能质量
1 概述
随着电力电子技术的应用与发展，电力系统中的非线性负载越来越多，直流输电、大功率单相整流技术在工业部门和用电设备上被广泛应用，这些非线性负荷会引起电网电流、电压波形发生畸变，造成电网的谐波“污染”；冲击性、波动性负荷，如电弧炉、轧钢机、电力机车等，运行中不仅产生大量的高次谐波，还引起电压波动、闪变以及三相不平衡等一系列的电能质量问题。电能质量研究的主要内容包括频率偏差、电压偏差、电压波动与闪变、三相不平衡、暂时或瞬态过电压、波形畸变（谐波）、电压暂降、中断、暂升以及供电连续性等。电能质量问题一方面导致供用电设备本身的安全性和使用寿命降低，严重影响电网自身的安全经济运行。而另一方面，各种复杂的、精密的、对电能质量敏感的用电设备不断普及，对电能质量及可靠性的要求越来越高。无论从电网运行的需要考虑，还是从供电用户的需要考虑，加强对电能质量的监测都是非常必要的。
本课题的主要研究目的就是开发出能够适合中小型企业安装使用的在线式供电电能质量监测系统，该系统具有较好的适用性和全面的功能，可在线实时监测供电电源的各项指标，具有精度高、实时性好、可扩充性强、界面友好、维护方便、可在线测量并具网络远传通讯功能的优点。通过该系统，一方面电力供电企业可以实时掌握用户的具体情况，更有效、更有针对性的提供供电服务；另一方面企业用户可以改善用电状况，减少故障风险，从而有助于整个供用电网络的稳定、高效运行。
2 系统结构
电能质量分析及及其监测是一个复杂的系统工程，涉及到电力系统、自动控制、现代通信等多个方面。本课题结合供电系统既有的电能质量测试分析方法、测试装备进行了开发，设计方案以工业控制计算机为核心，利用通讯总线和分布式监测采集单元。配有高性能数据采集卡，实现快速、在线、准确测量各项电力参数；利用LabVIEW软件强大的虚拟仪器设计能力，结合合理的数字信号处理算法，实时分析供电系统电压偏差、频率偏差、谐波、负序、电压波动和闪变等重要指标，并对其供电质量和运行性能予以综合评价和处理意见，同时具有显示、打印、保存等各种功能，整个系统的结构如图1所示。
3 工作原理及实现
3.1 信号测量及调理电路 为了配合现场应用的需要，标准信号为取自电流互感器的5A左右交流电流和取自电压互感器的100V左右交流电压，经接口转换电路模块统一变换成±10V间的电压信号，同时将多路变换完成的信号集中通过接口接入数据采集卡。
为了达到准确的测量，电压互感器和电流互感器要有较大的线性工作区和良好的动态响应，在电压、电流出现较大波动和闪变时能够保持足够的精确度。从电压互感器和电流互感器得到的电压信号和电流信号首先经过隔离保护电路，即通过光电耦合隔离强弱电信号，有效地抑制系统噪声，消除接地回路的干扰。
3.2 数据采集卡 数据采集卡是实现测量的关键设备，能够按照预先设定的采样率将模拟信号转变为数字信号，随后通过数据总线送至计算机。考虑到电能质量测量对于电压、电流信号的同时性要求比较高，因为若同一位置的电压、电流不同步，那么所进行的功率、相位差等测量就没有了物理意义，因此，设计选用阿尔泰公司生产的PCI2008高速多路同步采集卡进行采集。该卡是12位16路同步采样的AD卡，采用PCI2.2总线标准，通过率为25K/通道，单卡总通过率可达400K，为了确保采样精度，每通道均通过PGA103仪表放大器缓冲后接入4通道同步采用保持AD芯片AD7874，PGA103为程控增益放大器，这样就可以根据每一路输入信号电压的大小来通过软件编程设定每一路采样通道的增益，使得12位AD转换器的分辨率能够尽可能的大，增加测量的精度。在电能质量国家标准中规定谐波测量仪器的频率测量范围是0～2500Hz，根据采样定理，采集卡的采样率不应小于信号频率的两倍，即此时要求采样率要达到5KHz 以上，PCI2008卡足以满足电能质量在线监测的要求。
3.3 工业控制计算机 工业控制计算机的结构与一般PC机类似，但加强了对抗电磁辐射干扰（EMC）、抗机械振动方面的设计，能够在比较恶劣的工作环境下连续长时间工作。相比DSP、单片机等构成的系统，工控机具有计算能力强、存储容量大，便于实现数据管理和网络通信等优点。考虑到数据采集设备通常运行在工业现场，常常有较强的振动、电源干扰和电磁干扰，设计中采用了高性能工业计算机作为数据采集系统软件运行的计算机平台。
3.4 虚拟仪器设计 系统软件利用LabVIEW虚拟仪器技术开发。在软件开发过程中采用了模块化和多线程的开发设计方法。系统软件功能模块结构如图2所示，按照主要功能划分为若干相对独立的模块，主要包括数据采集与存储、数据库及通信、谐波分析、负序分析、电压闪变、功率分析、波形记录、查询报表、综合评价等功能模块。
数据采集与存储模块的主要任务是将原始电压电流信号采集并变换成数字信号，然后显示出波形和频谱，存储并输出数据文件，在每路通道设计有校正放大环节，通过软件调节通道线性标定值来实现，使之在输入信号相同的情况下，各通道最终的测量数据也相同。AD 转换后的结果送往FIFO存储器，这是一种“先进先出”式的存储器，可以保证进行连续数据采集时不会丢失数据。采用FIFO的结构可以不必在每次AD转换结束后马上将数据取走，而是将数据缓存在FIFO存储器内，等若干次采样结束后再将所有转换后的数据一次性读走，大大提高软件执行的速度，也极大地方便了程序的编写。
数据库及通信模块负责存储、使用、管理数据和进行通讯数据交换。谐波分析、负序分析、电压闪变、功率分析等模块依据电能质量参数测量的相关公式和原理，利用数字信号处理算法，完成整个电能质量的监测。波形记录、查询报表模块用于对测量和分析数据结果的直观显示和汇总报表功能。而电能质量综合评价模块可以根据监测的数据进行综合评定，给出当前具体的电能质量水平。
4 结论
本文针对目前用户和电力供电部门普遍关心的电能质量问题进行研究，系统在设计时采用了高可靠性的硬件电路和模块化设计，操作方便，开发周期短，具有优异的工作性能。现场测试和用户使用情况表明，该系统运行稳定，功能完备，设计已经达到了较高水平，具有良好的实用价值和广阔的市场前景。
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