電氣化鐵路電能質(zhì)量參數(shù)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

0 引言

電能作為現(xiàn)代社會(huì)中使用最為廣泛的能源，其應(yīng)用程度是衡量一個(gè)國(guó)家發(fā)展水平的重要標(biāo)志之一。近年來(lái)，隨著我國(guó)電力事業(yè)的迅速發(fā)展，電力系統(tǒng)的規(guī)模日益擴(kuò)大。與此同時(shí)，用戶(hù)對(duì)電能質(zhì)量的要求也越來(lái)越高，使得電能質(zhì)量問(wèn)題日益緊迫地?cái)[在了人們的面前，電能質(zhì)量的好壞直接關(guān)系到國(guó)民經(jīng)濟(jì)的總體效益。鐵路作為國(guó)民經(jīng)濟(jì)的重要基礎(chǔ)設(shè)施，在我國(guó)綜合交通運(yùn)輸體系中扮演著重要角色。在加快節(jié)約型社會(huì)的建設(shè)中，鐵路肩負(fù)著重要責(zé)任。一方面，作為消耗能源的重點(diǎn)行業(yè)，在節(jié)能降耗，提高能源綜合應(yīng)用效率方面大有潛力可挖；另一方面，電氣化鐵路長(zhǎng)期存在功率因數(shù)低、諧波含量高和負(fù)序等問(wèn)題，嚴(yán)重影響公用電網(wǎng)的電能質(zhì)量。從我國(guó)鐵路發(fā)展的歷程和趨勢(shì)來(lái)看，電氣化鐵路在路網(wǎng)中所占的比例將越來(lái)越大，對(duì)公用電網(wǎng)的影響也將越來(lái)越嚴(yán)重。因此，建立和實(shí)施電能質(zhì)量的監(jiān)測(cè)與分析，是提高電能質(zhì)量的一個(gè)重要技術(shù)手段。研制一種新型的電能質(zhì)量參數(shù)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，有效地進(jìn)行電能質(zhì)量參數(shù)的監(jiān)測(cè)，對(duì)于保證電力系統(tǒng)運(yùn)行的安全性、經(jīng)濟(jì)性和可靠性，都具有重要意義。

目前。國(guó)內(nèi)大部分地區(qū)仍采用便攜式電能質(zhì)量監(jiān)測(cè)儀進(jìn)行電能質(zhì)量測(cè)量，由于該儀器的測(cè)量指標(biāo)單一，不能連續(xù)監(jiān)測(cè)，測(cè)量勞動(dòng)強(qiáng)度大，因而不能很好地適應(yīng)電能質(zhì)量管理的需要。隨著數(shù)字化測(cè)量技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)和網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)的飛速發(fā)展，國(guó)內(nèi)一些科研院所已開(kāi)展了電能質(zhì)量遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的研究。采用計(jì)算機(jī)遠(yuǎn)程在線(xiàn)監(jiān)測(cè)，可連續(xù)多點(diǎn)監(jiān)測(cè)，并可輔助管理，故能克服傳統(tǒng)手工監(jiān)測(cè)手段的缺陷。而本文把虛擬儀器技術(shù)應(yīng)用到電能質(zhì)量監(jiān)測(cè)系統(tǒng)中，同樣具有上述優(yōu)點(diǎn)，而且實(shí)現(xiàn)起來(lái)較為方便。

1 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)

基于虛擬儀器的電氣化鐵路電能質(zhì)量參數(shù)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)同樣必須具備傳統(tǒng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的三大功能模塊，即數(shù)據(jù)采集模塊、數(shù)據(jù)分析處理模塊和結(jié)果顯示模塊。數(shù)據(jù)采集模塊還是由傳統(tǒng)的采集硬件來(lái)完成，不同的是數(shù)據(jù)分析處理模塊完全由計(jì)算機(jī)軟件來(lái)實(shí)現(xiàn)，這部分功能不受硬件的限制，可以根據(jù)用戶(hù)的需求隨時(shí)增加和修改模塊，這一優(yōu)勢(shì)是傳統(tǒng)儀器所無(wú)法比擬的。本文所研究的電能質(zhì)量參數(shù)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，其軟件部分是核心，只要硬件部分將監(jiān)測(cè)點(diǎn)的電壓和電流信號(hào)經(jīng)過(guò)信號(hào)調(diào)理器和數(shù)據(jù)采集卡以最小失真度轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)，其余的任務(wù)(如加窗、濾波、數(shù)據(jù)處理和統(tǒng)計(jì)分析、數(shù)據(jù)遠(yuǎn)傳以及顯示打印等)就完全交給軟件來(lái)處理。

本系統(tǒng)的硬件由傳感器、信號(hào)調(diào)理模塊、數(shù)據(jù)采集卡和計(jì)算機(jī)組成，其硬件結(jié)構(gòu)如圖1所示。

本系統(tǒng)的軟件開(kāi)發(fā)環(huán)境為LabVIEW，它是美國(guó)NI公司推出的一種基于G語(yǔ)言的虛擬儀器軟件開(kāi)發(fā)工具。對(duì)于一個(gè)虛擬儀器系統(tǒng)而言，軟件是關(guān)鍵，是靈魂，硬件僅用于解決信號(hào)的輸入和輸出。

2 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)思路

基于虛擬儀器技術(shù)的電氣化鐵路電能質(zhì)量參數(shù)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)要實(shí)現(xiàn)的功能包括實(shí)現(xiàn)對(duì)電壓電流的有效值、電壓偏差、電網(wǎng)頻率、頻率偏差、三相不平衡度、諧波含有率和閃變等不同參數(shù)的同時(shí)測(cè)量。因此，本設(shè)計(jì)采用模塊化方法，每一個(gè)功能模塊完成相應(yīng)的功能，最后通過(guò)整合來(lái)完成系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。采用模塊結(jié)構(gòu)的最大的優(yōu)點(diǎn)是效率高。由于模塊可以共享數(shù)據(jù)，并可相互調(diào)用，因此，可以通過(guò)靈活組織各個(gè)模塊來(lái)達(dá)到非常高的整體效率。如果需要對(duì)模塊某一功能進(jìn)行升級(jí)，只需要改寫(xiě)相應(yīng)的模塊，而不需要改動(dòng)整個(gè)軟件結(jié)構(gòu)。而當(dāng)需要增加系統(tǒng)功能時(shí)，也只需要增加相應(yīng)的軟件功能模塊即可。

電能質(zhì)量測(cè)量的模塊主要包括數(shù)據(jù)采集模塊、有效值測(cè)量模塊、電壓偏差測(cè)量模塊、頻率測(cè)量模塊、頻率偏差測(cè)量模塊、三相不平衡度測(cè)量模塊、功率測(cè)量模塊、諧波測(cè)量模塊和閃變測(cè)量模塊等。其中有效值測(cè)量模塊、電壓偏差測(cè)量模塊、頻率測(cè)量及頻率偏差測(cè)量和三相不平衡測(cè)量模塊可以整合在一個(gè)模塊里，即伏安測(cè)量模塊，其系統(tǒng)功能如圖2所示。

電能質(zhì)量監(jiān)測(cè)的整個(gè)系統(tǒng)可分成采集與實(shí)時(shí)顯示、伏安測(cè)量、功率測(cè)量、閃變測(cè)量及諧波測(cè)量等五個(gè)大的模塊，可在主程序界面的前面板中以五頁(yè)顯示，同時(shí)也可以通過(guò)調(diào)用不同的小功能模塊來(lái)構(gòu)成。

在主程序的前面板中，可以利用LabVIEW提供的選項(xiàng)卡控件“Tab Control．vi”功能函數(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)分頁(yè)，其電能質(zhì)量監(jiān)測(cè)主程序前面板如圖3所示。圖中程序頁(yè)面顯示的是伏安測(cè)量頁(yè)面，每個(gè)頁(yè)面可以實(shí)現(xiàn)不同的測(cè)試任務(wù)。

3 電力參數(shù)測(cè)量程序與測(cè)試結(jié)果

對(duì)于電氣化鐵路，供電部門(mén)的電能質(zhì)量評(píng)價(jià)指標(biāo)主要有功率因數(shù)、三相電壓不平衡度、各次諧波電壓及諧波電流、電壓總諧波畸變率和電壓波動(dòng)及閃變等。本系統(tǒng)監(jiān)測(cè)的電力參數(shù)有電流、電壓、頻率、諧波、功率因數(shù)、功率(右功、無(wú)功、視在功率和總功率)、三相電壓不平衡度、三相電流不平衡度和閃變等。

由于譜泄漏的原因，為了減少泄漏誤差，避免信號(hào)在做諧波分析時(shí)發(fā)生混疊，首先要對(duì)信號(hào)進(jìn)行加窗處理，再通過(guò)FFT變換完成諧波分析。這里以A相電壓的諧波測(cè)量為例，給出了如圖4所示的基于LabVIEW的諧波計(jì)算流程圖。

諧波測(cè)量模塊一般要實(shí)現(xiàn)各次諧波頻率、幅值和THD這三個(gè)參數(shù)的測(cè)量。諧波分析的方法很多，理論和實(shí)現(xiàn)上都比較成熟的是快速傅立葉變換(FFT)分析法，LabVIEW提供有諧波分析軟件包，可供直接進(jìn)行快速頻譜分析。

根據(jù)GB／T14549-93中的附錄D補(bǔ)充件第三條：對(duì)于負(fù)荷變化快的諧波源(如煉鋼電弧爐、電力機(jī)車(chē)等)，測(cè)量的時(shí)間間隔不大于2 min，諧波測(cè)量次數(shù)一般不小于30次。根據(jù)IEC 1000-4-7：1991，電磁兼容(EMC)第四部分第七節(jié)中，諧波測(cè)量范圍取基波和2~40次諧波。本系統(tǒng)中，總諧波次數(shù)取40次。

需要對(duì)采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行諧波分析時(shí)，可利用索引數(shù)組Index Array從數(shù)據(jù)文件“采集數(shù)據(jù)庫(kù)，dat”中分別取出每一行的數(shù)據(jù)，并依次加載在功能函數(shù)“Hamming Window．vi”的input signal引腳上，再通過(guò)#harmonics設(shè)置諧波次數(shù)(諧波次數(shù)可設(shè)置為40次1，這樣，各次諧波的幅值和頻率將以數(shù)組形式表示出來(lái)。由于諧波的幅值和頻率包含基頻成分，故可通過(guò)“Delete From Array．vi”除去其中的基波信號(hào)，然后再通過(guò)諧波幅值圖形象顯示除基波外各次諧波的幅值。圖5為A相電壓諧波測(cè)量的流程框圖。

圖6所示是A相電壓諧波測(cè)量的顯示面板圖。圖6中顯示了諧波頻率、諧波幅值和THD％，它們可以分別通過(guò)數(shù)組控件及數(shù)值控件加以顯示，同時(shí)以圖形控件顯示除基波之外的各次諧波的幅值。

4 結(jié)束語(yǔ)

將虛擬儀器技術(shù)用于電能質(zhì)量的監(jiān)測(cè)中，具有硬件結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，軟件開(kāi)發(fā)周期短，功能擴(kuò)展靈活等優(yōu)點(diǎn)。從仿真結(jié)果來(lái)看，該系統(tǒng)運(yùn)行良好，性能穩(wěn)定，計(jì)算結(jié)果、設(shè)計(jì)思想和實(shí)際相符合，能夠滿(mǎn)足對(duì)電能質(zhì)量參數(shù)監(jiān)測(cè)的要求。