電能質量的實時監控與分析系統
2011-03-27
為了更好地了解電能質量問題，必須有一套全面的監控及數據采集系統，籍此來描述干擾及電能質量變化。我們需要一套可配置、可編程的PXI/CompactPCI 高性能PC 系統，配合高速單元及軟件支持來實現性能要求。
在這個項目中，我們采用美國國家儀器PXI 硬件及LabVIEW圖形化編程軟件來設計系統。LabVIEW中的分析及顯示工具是最理想的選擇。結合LabVIEW中功能強大的分析工具及高性能基于Pentium 的PXI 嵌入式控制器，能夠實現對頻率偏移的實時監控，檢測變形與波峰。高速能夠為詳細的諧波、相位偏移分析及提供有效的時間分辨率。
硬件
系統由美國國家儀器PXI Pentium 233 MHz 嵌入式計算機及PXI-6070E 多功能數據采集板卡構成。我們采用SCXI-1120 及SCXI-1327 接線端子來將電網電壓與計算機隔離開，將其衰減至能夠適用于卡的電壓范圍，并采用電流探針來監控電流。
系統描述
我們將系統進行配置以實現以下任務：
高速電壓電流采集模式
該模式下將對電壓和電流的波形進行采樣和保存，以供事后分析。可供用戶選擇的采樣率決定分析結果的分辨率。在采集過程中，我們將部分采樣數據顯示在前面板上。采集過程采用硬件或軟件觸發，在電壓過零點開始采樣。用戶提供的注釋、數據、時間及采樣設置將作為文件頭寫入每個采樣數據文件。該模式下可在指定時間片內實現連續采樣，也可由用戶控制采樣起始中止。
連續事件及頻率監控模式
在這一模式下，系統對電壓及電流的輸入采樣，實現對波形失效和脈沖干擾的連續搜索，記錄指定時間內的所有事件及波形的振幅偏移， 并用時間戳標記。
在監控過程中，被記錄的事件的狀態將顯示在前面板上。頻率的監控由PXI-6007E 上的計數器完成，通過測量10 個輸入信號的周期換算得到。我們還搭建了一個簡單的TTL 電路，包含施密特門、十進制計數器、觸發器，它將電壓信號轉換成TTL 電平，為計數器產生一個選通信號。門信號將在10 個輸入波形的周期的時間內保持開狀態。之后通過PXI-6070E 發出的數字信號使電路復位，循環進行后續的頻率測量。頻率的當前值會在前面板上顯示。監控完成后，將顯示所有被記錄事件的波形，并標記時間信息。
仿真模式
軟件還能夠通過仿真產生電壓電流輸入波形。我們可以人為設置噪聲、諧波、相偏參數，以及隨機尖峰脈沖和失真，以此模擬隨機產生的波形。在仿真模式下，將發生波形作為輸入源，并可以對其進行高速數據流盤。此外還能將發生波形送入卡上的數模轉換器，并對結果進行測量和分析。
分析面板上具有以下功能：
從硬盤種選擇數據文件
采用圖表方式顯示所選文件的波形
• 諧波分析 – 軟件可以打開測量文件中指定周期數的數據，從而對于所有波形或者波形中的某一部分進行，最后將結果以柱狀圖或文本形式顯示
通常，我們采用25 個測量周期的數據進行分析，最后能顯示每個被分析周期內的總諧波失真。此外，還能在所有測量周期中選擇五個諧波來觀察其趨勢。
• 相位偏移分析 - 可選擇性地掃描測量數據文件，讀取指定數量的周期，對其電壓電流波形進行相位偏移計算，結果以相位-時間為坐標軸顯示。
• 功率分析 –計算并顯示真實的功率因數、實際功率（W）、表現功率（VA）及無功功率（VAR）
電力線監控系統的原型基于高性能PXI 硬件來實現電壓和電流波形的采集及顯示，系統能夠對波形的失真、脈沖干擾、頻率偏移進行監控。高速卡以足夠的時間分辨率采集并保存數據，并實現對于波形的后分析。LabVIEW的分析工具能夠方便的實現諧波、相位偏移及功率分析的算法。通過對編程產生不同負載下的典型波形來達到演示和教學目的。由于編程界面的靈活性和可擴展性，在目前的系統建模基礎上還能進一步提高分析能力及功能性。
近年來，電能質量已經成為重要焦點而越來越受到公用工程、設備、咨詢工程師們的關注。現有的商業、工業設備和儀器，如數字計算機、電力電子設備及自動化設備，都對電源干擾很敏感。電源干擾發生頻繁是由于不斷增加的節能設備，如開關電源、變速裝置轉換器等。對干擾進行監控及實現對電能質量的研究勢在必行。
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