利用NICompactRIO開(kāi)發(fā)完整并現成可用的電能質(zhì)量分

挑戰:

實(shí)現一個(gè)電能質(zhì)量分析儀，它包含一套完整的儀器，能夠執行所有必要的電能相關(guān)的測量，并且能夠在一個(gè)運行實(shí)時(shí)操作系統的小型硬件系統上實(shí)現并行處理。我們還必須考慮系統的可擴展性，以便在進(jìn)行設計測量和數據處理運算時(shí)符合最新的IEC和EN標準。

解決方案:

利用COTS（商業(yè)現成可用）的工具，如NICompactRIO，一款堅固而可擴展的硬件平臺，以及NILabVIEW圖形開(kāi)發(fā)環(huán)境來(lái)開(kāi)發(fā)電能質(zhì)量分析儀，并使其遵守國際電能質(zhì)量標準

ENA電能質(zhì)量分析儀系列可以根據最新的國際標準和/或客戶(hù)需要的任何額外功能，在短時(shí)間內很方便地進(jìn)行修改或者擴展。-丹尼爾•卡明斯基博士(Dr.DanielKaminsky)，Elcom公司主管

電能質(zhì)量測量很重要？

電能是一種產(chǎn)品，和任何其他產(chǎn)品一樣，并且它或許是目前工商業(yè)所需要的最必不可少的原材料。它的不同尋常之處在于它必須連續不斷被接收和使用，人們無(wú)法方便地大量?jì)Υ骐娔?，并且在使用前無(wú)法方便地對它進(jìn)行質(zhì)量檢驗。若電能質(zhì)量較差，則有可能對生產(chǎn)線(xiàn)造成重大損傷。因此，通過(guò)監測電能質(zhì)量，我們就能夠在系統遭到損傷，并導致嚴重的財務(wù)損失之前找到潛在的問(wèn)題。此時(shí)進(jìn)行預防工作的成本相對而言是較低的，并且工程師可以進(jìn)行一系列的改善工作，從優(yōu)化系統運行流程到監測與控制設備的整體安裝等。

什么是需要測量的量？

典型的電能質(zhì)量分析儀采集并分析電網(wǎng)中的三路電壓，并根據國際標準的規定計算電壓質(zhì)量。電壓質(zhì)量由以下參數進(jìn)行定義：頻率、電壓電平變化、閃變、三相系統不平衡、諧波光譜、總諧波失真和信號電壓電平等。在某些情況下，也需要將電流信號和電壓一起分析。這樣就可以分析電流相關(guān)的參數，并能夠計算一些間接參量，例如有功功率、無(wú)功功率、電能等。

圖1帶有電能質(zhì)量監控功能的電能傳輸示意圖

我們的電能質(zhì)量分析軟硬件包被命名為ENA（全稱(chēng)：ELCOM網(wǎng)絡(luò )分析儀），是用于電能質(zhì)量監測的綜合的模塊化系統，它符合現行國際標準和其他國際規定文件的規定。

選擇開(kāi)發(fā)平臺的注意事項

我們選擇在NICompactRIO平臺上利用C系列模塊實(shí)現系統。與傳統的基于計算機的儀器相比較，它更加緊湊、堅固，并且尺寸更?。ǜ邔捝睿?818090mm或3.473.5英寸）。它還具有更好的溫度規格（工作溫度范圍在-40°C和+70°C之間），以及非常低的功率消耗（約為8瓦）。而且，NICompactRIO系列產(chǎn)品還能夠為我們提供各種不同的尺寸規格，這對我們來(lái)說(shuō)很重要，幫助我們快速適應不同客戶(hù)及不同應用的需要。

從豐富的C系列I/O模塊中，我們選擇了NI9225300V功率測量模塊進(jìn)行高電壓的測量。該模塊是為電網(wǎng)測量而設計的，能夠測量110V電網(wǎng)的相電壓和線(xiàn)電壓，以及240V電網(wǎng)的相電壓。針對電流測量，我們使用了NI9227。NI9225和NI9227能夠在50k采樣點(diǎn)/秒的采樣率下實(shí)現同步采樣，能夠實(shí)現精確的三相功率測量以及電能質(zhì)量測量，如：閃變、諧波和功率因數等。此外，我們還設計了特殊的電壓和電流模塊供選擇：EL9215U-R1和EL9215I-R1，它們都基于NI9215模塊設計并內嵌了我們的信號調理電子元件。它們占用三個(gè)插槽，可以集成到CompactRIO機箱中使用。

由于需要開(kāi)發(fā)易于使用并且具有可移植性和可擴展性的解決方案，所以我們選用了NILabVIEW作為軟件開(kāi)發(fā)環(huán)境，用于開(kāi)發(fā)ENA的各部分軟件。根據所選擇的CompactRIO型號不同以及所選擇的輸入模塊的不同，有幾種不同型號的CompactRIO電能質(zhì)量分析儀。ENA電能質(zhì)量分析儀固件的最低要求是帶400MHz處理器的控制器和帶有2M現場(chǎng)可編程門(mén)陣列（GateFPGA）的機箱。

基于CompactRIO的電能質(zhì)量分析儀

我們在這里展示的型號是ENA450，但是由于NICompactRIO產(chǎn)品系列和系統的可擴展性以及LabVIEW代碼的可移植性，我們能夠將系統調節成不同的尺寸大小，以滿(mǎn)足各種不同的應用以及客戶(hù)的特殊需要。除基于完全靈活的NICompactRIO系統（ENA450.EC）以外，我們還創(chuàng )造了另外兩種整體解決方案，可以把應用程序部署至：

•集成化的CompactRIO系統（ENA450.EB,ENA450.NB），其在同一個(gè)機箱內同時(shí)安裝了實(shí)時(shí)處理器和可重新配置現場(chǎng)可編程門(mén)陣列（FPGA）。

•或者單板RIO（即Single-BoardRIO）（ENA460）系統，其在單個(gè)印刷電路板上包含NICompactRIO系統的三個(gè)核心部件-實(shí)時(shí)處理器、現場(chǎng)可編程門(mén)陣列（FPGA）和I/O。