基于LabVIEW的電能監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)研究

摘要：文中主要是將虛擬儀器技術(shù)作為主要研究對(duì)象，研究其在電能質(zhì)量檢測(cè)中的作用和方式，通過(guò)大量的實(shí)踐，研制出了一套基于LabVIEW 的電能監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，并且對(duì)其進(jìn)行理論層面的剖析，研究各項(xiàng)電能質(zhì)量相關(guān)指標(biāo)是否符合設(shè)計(jì)要求，虛擬儀器中各個(gè)軟件的程序編寫(xiě)也是主要研究?jī)?nèi)容，通過(guò)虛擬系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了對(duì)電能質(zhì)量各參數(shù)的檢測(cè)，分析和記錄數(shù)據(jù)等。最后還對(duì)基于此虛擬系統(tǒng)計(jì)算得出的數(shù)據(jù)進(jìn)行相關(guān)誤差分析，找出了其內(nèi)在原因。

關(guān)鍵詞：虛擬儀器技術(shù);電能質(zhì)量監(jiān)測(cè);LabVIEW;設(shè)計(jì)研究

電能對(duì)于我們?nèi)祟惿顏?lái)說(shuō)是一種寶貴的清潔能源，并且是可再生的，對(duì)電能的應(yīng)用程度和效率是一個(gè)國(guó)家綜合國(guó)力的必要體現(xiàn)，與國(guó)家的發(fā)展和繁榮息息相關(guān)。不僅如此，如何高效的利用電能這種資源來(lái)更好地滿足國(guó)家的工業(yè)生產(chǎn)，社會(huì)和人民的日常生活關(guān)系著國(guó)家的發(fā)展大計(jì)，也是一個(gè)國(guó)家科技實(shí)力和文明程度的重要特征。所以，進(jìn)行電能質(zhì)量監(jiān)測(cè)是具有很重要的戰(zhàn)略意義，電能質(zhì)量一般包括傳統(tǒng)意義上的穩(wěn)態(tài)電能質(zhì)量和現(xiàn)代意義上的暫態(tài)電能質(zhì)量，如果沒(méi)有一個(gè)切實(shí)可行的監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，造成的后果不堪設(shè)想。必須要有一個(gè)自動(dòng)化的系統(tǒng)對(duì)電參數(shù)進(jìn)行一個(gè)全面的、系統(tǒng)的監(jiān)測(cè)，才能準(zhǔn)確得到數(shù)據(jù)，其次根據(jù)這些數(shù)據(jù)制定相關(guān)行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)和國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)。基于上述，利用虛擬儀器的電能質(zhì)量監(jiān)測(cè)系統(tǒng)具有成本可控，使用方法簡(jiǎn)單，效率高，準(zhǔn)確性好的特點(diǎn)，從而，利用它來(lái)進(jìn)行電能質(zhì)量監(jiān)測(cè)能夠相當(dāng)好的滿足我們實(shí)際工程中的需求。

1 對(duì)于系統(tǒng)的設(shè)計(jì)目標(biāo)與要求

理論和實(shí)踐研究表明，虛擬儀器的相關(guān)技術(shù)具有成本低，性價(jià)比較高，抗干擾作用效果明顯，易于使用的優(yōu)點(diǎn)，這些優(yōu)點(diǎn)漸漸的在測(cè)量行業(yè)和領(lǐng)域內(nèi)得到了印證。正因?yàn)檫@些不可或缺的特征和優(yōu)點(diǎn)，本文將設(shè)計(jì)基于虛擬儀器相關(guān)的質(zhì)量參數(shù)監(jiān)測(cè)的相關(guān)系統(tǒng)，設(shè)計(jì)成功后的系統(tǒng)將擁有電網(wǎng)信號(hào)的相關(guān)數(shù)據(jù)收集、分析綜合和完成各參數(shù)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)的諸多功能，這些功能的實(shí)現(xiàn)必將為整個(gè)電力系統(tǒng)行業(yè)注入新鮮的血液。

2 系統(tǒng)設(shè)計(jì)中的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

文中所設(shè)計(jì)的系統(tǒng)由兩部分構(gòu)成，其一是硬件的采集系統(tǒng)，其二是軟件的數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)。其中硬件的采集系統(tǒng)由四個(gè)模塊設(shè)計(jì)而成，分別是電壓模塊，電流互感器模塊，信號(hào)調(diào)理電路模塊和PXI數(shù)據(jù)采集模塊，這些模塊主要作用是用來(lái)感知感應(yīng)被測(cè)對(duì)象和提取信號(hào)相關(guān)數(shù)據(jù)。另一方面，軟件的編寫(xiě)部分是通過(guò)LabVIEW 相關(guān)語(yǔ)言軟件編寫(xiě)的界面相關(guān)顯示的主程序。

3 監(jiān)測(cè)系統(tǒng)硬件的外圍電路設(shè)計(jì)

3.1 互感器相關(guān)模塊的電路設(shè)計(jì)

通過(guò)反復(fù)的理論推導(dǎo)和論證，最終決定選用CHB-25NP型具有磁性補(bǔ)償能力的閉環(huán)霍爾電流互感器和CHV-50P/*A型的電壓相關(guān)互感器。這樣的選擇是因?yàn)槠溆泻芏嘣诒O(jiān)測(cè)系統(tǒng)中必不可少的優(yōu)點(diǎn)特性，如反應(yīng)時(shí)間快，頻率范圍較寬等。表1和表2分別給出電流互感器和電壓互感器的相關(guān)接線圖中的參數(shù)選取標(biāo)準(zhǔn)。

3. 2 濾波的調(diào)理電路模塊設(shè)計(jì)

1)濾波電路模塊中電壓信號(hào)的設(shè)計(jì)

通過(guò)實(shí)際測(cè)試，并且應(yīng)用Multisim10軟件對(duì)電路進(jìn)行詳細(xì)的分析和調(diào)試，設(shè)定濾波器的截止頻率為10 V，并且要保證在通帶內(nèi)具有平坦的響應(yīng)特性。濾波電路如圖2所示。

對(duì)電壓信號(hào)的濾波效果進(jìn)行了測(cè)試，測(cè)試結(jié)果為通帶的增益為2.3，截止頻率結(jié)果是1.5 kHz，其衰減的倍數(shù)最終測(cè)試為37 dB。

2)濾波電路模塊中電流信號(hào)的設(shè)計(jì)

此設(shè)計(jì)中應(yīng)保證DAQ卡在接近滿量程的情況下進(jìn)行測(cè)量，這樣可以提高精確度。其電路模擬圖如圖3所示。

根據(jù)測(cè)試結(jié)果，其通帶增益達(dá)到了35，而截止頻率為1.64 kHz，衰減81 dB。

3)濾波調(diào)理電路供電電源的模塊設(shè)計(jì)方案

根據(jù)大量的測(cè)試和計(jì)算，最后確定了本設(shè)計(jì)方案采用LM317和LM337型號(hào)的可以調(diào)節(jié)的三端穩(wěn)壓器，這個(gè)器件跟二極管相結(jié)合可以對(duì)電路起到一個(gè)保護(hù)作用，最終可以實(shí)現(xiàn)可調(diào)直流電壓的輸出功能。相關(guān)電路圖如圖4所示。

4 監(jiān)測(cè)系統(tǒng)中軟件相關(guān)模塊設(shè)計(jì)

我們知道，在監(jiān)測(cè)系統(tǒng)中軟件部分是決定一個(gè)系統(tǒng)是否足夠成熟的重要標(biāo)志，它是整個(gè)系統(tǒng)的關(guān)鍵所在，主要是用于對(duì)硬件采集來(lái)的信號(hào)和相關(guān)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析和綜合，并且將其顯示出來(lái)，所以在軟件編寫(xiě)的過(guò)程中，要特別注重軟件的可操作性和穩(wěn)定性，否則，硬件采集來(lái)的信號(hào)將不能有效的進(jìn)行處理，從而整個(gè)設(shè)計(jì)也就失敗了，在軟件的設(shè)計(jì)中，還要特備注重特別情況的報(bào)警和提示功能。本文將從三個(gè)方面簡(jiǎn)要分析軟件設(shè)計(jì)思路和相關(guān)功能實(shí)現(xiàn)方式。

4. 1 相關(guān)數(shù)據(jù)采集模塊的軟件設(shè)計(jì)

這個(gè)模塊將成為整個(gè)系統(tǒng)的初始部分，其主要負(fù)責(zé)通過(guò)與硬件的配合為系統(tǒng)提供有效的可靠數(shù)據(jù)，即所謂的未經(jīng)加工的原始數(shù)據(jù)。本系統(tǒng)將采用LabVIEW函數(shù)中的DAQmg函數(shù)，它具有相對(duì)好的性能，可以承擔(dān)起整個(gè)系統(tǒng)的數(shù)據(jù)收集任務(wù)。采集卡DAQmax函數(shù)通過(guò)監(jiān)測(cè)得到的是一個(gè)六列的數(shù)組，并且是二維的。按照一定的規(guī)則和掃描順序，每個(gè)組件采集到的數(shù)據(jù)將被安插在數(shù)組中。這個(gè)模塊的后面板所執(zhí)行的程序如圖5所示。

4.2 監(jiān)測(cè)系統(tǒng)中波形顯示與參數(shù)測(cè)量模塊的設(shè)計(jì)

系統(tǒng)中這個(gè)程序的作用主要是對(duì)三相信號(hào)進(jìn)行一定的處理，即波形重組。這個(gè)模塊主要依據(jù)上一個(gè)模塊收集到的數(shù)據(jù)和信息，如時(shí)間間隔和起始時(shí)間等，并且利用庫(kù)函數(shù)對(duì)其信號(hào)的波形簇進(jìn)行恢復(fù)。還有，它可以充分利用提取到的單頻信息，幅值和電平函數(shù)等重要參數(shù)標(biāo)準(zhǔn)，目的是為了實(shí)現(xiàn)基本參數(shù)的精確測(cè)量。

4.3 監(jiān)測(cè)系統(tǒng)中功率監(jiān)測(cè)的模塊設(shè)計(jì)方案

整個(gè)系統(tǒng)中，這個(gè)模塊組件的設(shè)計(jì)相對(duì)來(lái)說(shuō)比較容易實(shí)現(xiàn)，且模塊的功能明確，操作簡(jiǎn)單，原理清晰，就是利用固有的定義式包括功率和功率因素等，還要結(jié)合LabVIEW軟件中相對(duì)應(yīng)的計(jì)算算法和控制組件，換句話說(shuō)，就是將現(xiàn)有的成熟公式進(jìn)行程序化實(shí)現(xiàn)即可。

4.4 系統(tǒng)中電壓的波動(dòng)計(jì)算模塊設(shè)計(jì)方案

在這個(gè)模塊的設(shè)計(jì)中，首先要根據(jù)波形周期和一定的采樣周期計(jì)算采樣的節(jié)點(diǎn)數(shù)目，根據(jù)已有數(shù)據(jù)結(jié)合采樣的數(shù)組長(zhǎng)度數(shù)據(jù)，從而計(jì)算出一個(gè)采樣節(jié)點(diǎn)內(nèi)有多少個(gè)波形的周期。從一個(gè)數(shù)組中需要知道如何截取采樣點(diǎn)數(shù)是這里面的關(guān)鍵所在。計(jì)算出來(lái)的有效值可以放到有效值所在的周期數(shù)組。然后根據(jù)一系列的理論推導(dǎo)找出最大值和最小值，這樣，電壓波動(dòng)也就計(jì)算出來(lái)了。

5 監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的性能測(cè)試及分析

文中主要從兩方面來(lái)測(cè)試設(shè)計(jì)的系統(tǒng)是否滿足設(shè)計(jì)要求，且有無(wú)重大的設(shè)計(jì)缺陷，第一方面主要是電能質(zhì)量關(guān)鍵參數(shù)監(jiān)測(cè)模塊的測(cè)試，第二方面是暫態(tài)信號(hào)發(fā)生器的模塊測(cè)試。

5.1 系統(tǒng)中電能質(zhì)量關(guān)鍵參數(shù)模塊的測(cè)試

誤差主要用絕對(duì)誤差和相對(duì)誤差來(lái)詮釋，根據(jù)的是與誤差相關(guān)的兩個(gè)公式：

絕對(duì)誤差=|實(shí)際值-測(cè)量值|

相對(duì)誤差=絕對(duì)誤差/實(shí)際值

根據(jù)系統(tǒng)測(cè)試，主要的結(jié)果反映如圖6所示。

1)首先對(duì)三相電壓相關(guān)參數(shù)進(jìn)行測(cè)量，測(cè)量的誤差結(jié)果如圖6所示。

進(jìn)行了多次的實(shí)際測(cè)試，從上圖這個(gè)誤差統(tǒng)計(jì)圖可以看出，系統(tǒng)軟件在電壓這一個(gè)模塊的誤差范圍大概為0～1.3%，根據(jù)文獻(xiàn)資料和相關(guān)工程技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，一般來(lái)說(shuō)，可接受的誤差在百分之幾至千分之幾就可以接受，顯然，系統(tǒng)的誤差范圍可以達(dá)到要求的標(biāo)準(zhǔn)。

2)對(duì)三相電流的誤差進(jìn)行測(cè)量，根據(jù)多次測(cè)量的實(shí)驗(yàn)值可以有效的統(tǒng)計(jì)出，設(shè)計(jì)的電能監(jiān)測(cè)系統(tǒng)在電流模塊的誤差大概范圍為0～2.2%，我們經(jīng)過(guò)多方考證，對(duì)于實(shí)際應(yīng)用中的設(shè)計(jì)要求，其允許的相對(duì)誤差范圍應(yīng)該為百分之幾一千分之幾，經(jīng)過(guò)對(duì)比發(fā)現(xiàn)，此系統(tǒng)的誤差范圍符合工業(yè)實(shí)際應(yīng)用，是比較精確地。

3)系統(tǒng)的電壓電流的偏差設(shè)計(jì)測(cè)試：對(duì)整個(gè)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的電壓電流的偏差設(shè)計(jì)進(jìn)行必要測(cè)試，結(jié)果如下圖7所示，其中A，B，C三相的電壓、電流額定值依次設(shè)置為220 V，221 V，222 V，4.6 mA，3.8 mA，2.5 mA。根據(jù)目前的國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)和相關(guān)文件規(guī)定，供電電壓允許偏差為±6%，所以我們?cè)趯?shí)際測(cè)試中得出的結(jié)果是符合要求的，相對(duì)準(zhǔn)確的。

5.2 監(jiān)測(cè)系統(tǒng)中暫態(tài)信號(hào)發(fā)生器模塊的相關(guān)測(cè)試

這個(gè)模塊對(duì)整個(gè)系統(tǒng)的平穩(wěn)運(yùn)行也起到一個(gè)關(guān)鍵性作用，對(duì)于這個(gè)模塊的的相關(guān)測(cè)試，我們只要知道它在實(shí)際運(yùn)行中是否可以按照設(shè)計(jì)要求產(chǎn)生準(zhǔn)確的波形圖就可以。經(jīng)過(guò)實(shí)際檢測(cè)，我們可以得到如下的波形圖。

與相關(guān)文獻(xiàn)和工程實(shí)際應(yīng)用中出現(xiàn)的波形信號(hào)相比較，可以得出結(jié)論：此模塊產(chǎn)生的波形故障信號(hào)是符合設(shè)計(jì)要求的。

6 結(jié)束語(yǔ)

文中在虛擬儀器技術(shù)原理掌握的基礎(chǔ)上，基于LabVIEW設(shè)計(jì)軟件進(jìn)行了電能質(zhì)量監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與研究，根據(jù)設(shè)計(jì)要求，設(shè)計(jì)出了一套切實(shí)可行的監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，對(duì)于電能的高效利用作出了創(chuàng)新性的研究。并且對(duì)于設(shè)計(jì)出的系統(tǒng)進(jìn)行了一系列的定量分析，找出其存在的誤差并且對(duì)照已有的工程質(zhì)量的標(biāo)準(zhǔn)，得出結(jié)論，所設(shè)計(jì)出的系統(tǒng)是符合現(xiàn)有標(biāo)準(zhǔn)的誤差范圍的，所監(jiān)測(cè)的數(shù)據(jù)質(zhì)量是切實(shí)可信的。

電能的高效利用關(guān)乎國(guó)家可持續(xù)發(fā)展的大計(jì)，本文的研究?jī)?nèi)容和所做的工作還很有限，對(duì)電能質(zhì)量進(jìn)行實(shí)時(shí)的，網(wǎng)絡(luò)化遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)與分析的研究才剛起步，在后續(xù)的設(shè)計(jì)研究中，會(huì)更加注意系統(tǒng)的綜合運(yùn)用性，特別注意與實(shí)際相結(jié)合，對(duì)參數(shù)的設(shè)置更加合理，以期達(dá)到更穩(wěn)定更使人信賴的系統(tǒng)。