基于LabVIEW的電能監測系統的設計研究

摘要：文中主要是將虛擬儀器技術(shù)作為主要研究對象，研究其在電能質(zhì)量檢測中的作用和方式，通過(guò)大量的實(shí)踐，研制出了一套基于LabVIEW 的電能監測系統，并且對其進(jìn)行理論層面的剖析，研究各項電能質(zhì)量相關(guān)指標是否符合設計要求，虛擬儀器中各個(gè)軟件的程序編寫(xiě)也是主要研究?jì)热?，通過(guò)虛擬系統，實(shí)現了對電能質(zhì)量各參數的檢測，分析和記錄數據等。最后還對基于此虛擬系統計算得出的數據進(jìn)行相關(guān)誤差分析，找出了其內在原因。

關(guān)鍵詞：虛擬儀器技術(shù);電能質(zhì)量監測;LabVIEW;設計研究

電能對于我們人類(lèi)生活來(lái)說(shuō)是一種寶貴的清潔能源，并且是可再生的，對電能的應用程度和效率是一個(gè)國家綜合國力的必要體現，與國家的發(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(mǎn)足國家的工業(yè)生產(chǎn)，社會(huì )和人民的日常生活關(guān)系著(zhù)國家的發(fā)展大計，也是一個(gè)國家科技實(shí)力和文明程度的重要特征。所以，進(jìn)行電能質(zhì)量監測是具有很重要的戰略意義，電能質(zhì)量一般包括傳統意義上的穩態(tài)電能質(zhì)量和現代意義上的暫態(tài)電能質(zhì)量，如果沒(méi)有一個(gè)切實(shí)可行的監測系統，造成的后果不堪設想。必須要有一個(gè)自動(dòng)化的系統對電參數進(jìn)行一個(gè)全面的、系統的監測，才能準確得到數據，其次根據這些數據制定相關(guān)行業(yè)標準和國家標準?；谏鲜?，利用虛擬儀器的電能質(zhì)量監測系統具有成本可控，使用方法簡(jiǎn)單，效率高，準確性好的特點(diǎn)，從而，利用它來(lái)進(jìn)行電能質(zhì)量監測能夠相當好的滿(mǎn)足我們實(shí)際工程中的需求。

1 對于系統的設計目標與要求

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?xún)r(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)漸漸的在測量行業(yè)和領(lǐng)域內得到了印證。正因為這些不可或缺的特征和優(yōu)點(diǎn)，本文將設計基于虛擬儀器相關(guān)的質(zhì)量參數監測的相關(guān)系統，設計成功后的系統將擁有電網(wǎng)信號的相關(guān)數據收集、分析綜合和完成各參數實(shí)時(shí)監測的諸多功能，這些功能的實(shí)現必將為整個(gè)電力系統行業(yè)注入新鮮的血液。

2 系統設計中的拓撲結構

文中所設計的系統由兩部分構成，其一是硬件的采集系統，其二是軟件的數據處理系統。其中硬件的采集系統由四個(gè)模塊設計而成，分別是電壓模塊，電流互感器模塊，信號調理電路模塊和PXI數據采集模塊，這些模塊主要作用是用來(lái)感知感應被測對象和提取信號相關(guān)數據。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 監測系統硬件的外圍電路設計

3.1 互感器相關(guān)模塊的電路設計

通過(guò)反復的理論推導和論證，最終決定選用CHB-25NP型具有磁性補償能力的閉環(huán)霍爾電流互感器和CHV-50P/*A型的電壓相關(guān)互感器。這樣的選擇是因為其有很多在監測系統中必不可少的優(yōu)點(diǎn)特性，如反應時(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(xiàn)圖中的參數選取標準。

3. 2 濾波的調理電路模塊設計

1)濾波電路模塊中電壓信號的設計

通過(guò)實(shí)際測試，并且應用Multisim10軟件對電路進(jìn)行詳細的分析和調試，設定濾波器的截止頻率為10 V，并且要保證在通帶內具有平坦的響應特性。濾波電路如圖2所示。

對電壓信號的濾波效果進(jìn)行了測試，測試結果為通帶的增益為2.3，截止頻率結果是1.5 kHz，其衰減的倍數最終測試為37 dB。

2)濾波電路模塊中電流信號的設計

此設計中應保證DAQ卡在接近滿(mǎn)量程的情況下進(jìn)行測量，這樣可以提高精確度。其電路模擬圖如圖3所示。

根據測試結果，其通帶增益達到了35，而截止頻率為1.64 kHz，衰減81 dB。

3)濾波調理電路供電電源的模塊設計方案

根據大量的測試和計算，最后確定了本設計方案采用LM317和LM337型號的可以調節的三端穩壓器，這個(gè)器件跟二極管相結合可以對電路起到一個(gè)保護作用，最終可以實(shí)現可調直流電壓的輸出功能。相關(guān)電路圖如圖4所示。

4 監測系統中軟件相關(guān)模塊設計

我們知道，在監測系統中軟件部分是決定一個(gè)系統是否足夠成熟的重要標志，它是整個(gè)系統的關(guān)鍵所在，主要是用于對硬件采集來(lái)的信號和相關(guān)數據進(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定性，否則，硬件采集來(lái)的信號將不能有效的進(jìn)行處理，從而整個(gè)設計也就失敗了，在軟件的設計中，還要特備注重特別情況的報警和提示功能。本文將從三個(gè)方面簡(jiǎn)要分析軟件設計思路和相關(guān)功能實(shí)現方式。

4. 1 相關(guān)數據采集模塊的軟件設計

這個(gè)模塊將成為整個(gè)系統的初始部分，其主要負責通過(guò)與硬件的配合為系統提供有效的可靠數據，即所謂的未經(jīng)加工的原始數據。本系統將采用LabVIEW函數中的DAQmg函數，它具有相對好的性能，可以承擔起整個(gè)系統的數據收集任務(wù)。采集卡DAQmax函數通過(guò)監測得到的是一個(gè)六列的數組，并且是二維的。按照一定的規則和掃描順序，每個(gè)組件采集到的數據將被安插在數組中。這個(gè)模塊的后面板所執行的程序如圖5所示。

4.2 監測系統中波形顯示與參數測量模塊的設計

系統中這個(gè)程序的作用主要是對三相信號進(jìn)行一定的處理，即波形重組。這個(gè)模塊主要依據上一個(gè)模塊收集到的數據和信息，如時(shí)間間隔和起始時(shí)間等，并且利用庫函數對其信號的波形簇進(jìn)行恢復。還有，它可以充分利用提取到的單頻信息，幅值和電平函數等重要參數標準，目的是為了實(shí)現基本參數的精確測量。

4.3 監測系統中功率監測的模塊設計方案

整個(gè)系統中，這個(gè)模塊組件的設計相對來(lái)說(shuō)比較容易實(shí)現，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，還要結合LabVIEW軟件中相對應的計算算法和控制組件，換句話(huà)說(shuō)，就是將現有的成熟公式進(jìn)行程序化實(shí)現即可。

4.4 系統中電壓的波動(dòng)計算模塊設計方案

在這個(gè)模塊的設計中，首先要根據波形周期和一定的采樣周期計算采樣的節點(diǎn)數目，根據已有數據結合采樣的數組長(cháng)度數據，從而計算出一個(gè)采樣節點(diǎn)內有多少個(gè)波形的周期。從一個(gè)數組中需要知道如何截取采樣點(diǎn)數是這里面的關(guān)鍵所在。計算出來(lái)的有效值可以放到有效值所在的周期數組。然后根據一系列的理論推導找出最大值和最小值，這樣，電壓波動(dòng)也就計算出來(lái)了。

5 監測系統的性能測試及分析

文中主要從兩方面來(lái)測試設計的系統是否滿(mǎn)足設計要求，且有無(wú)重大的設計缺陷，第一方面主要是電能質(zhì)量關(guān)鍵參數監測模塊的測試，第二方面是暫態(tài)信號發(fā)生器的模塊測試。

5.1 系統中電能質(zhì)量關(guān)鍵參數模塊的測試

誤差主要用絕對誤差和相對誤差來(lái)詮釋?zhuān)鶕氖桥c誤差相關(guān)的兩個(gè)公式：

絕對誤差=|實(shí)際值-測量值|

相對誤差=絕對誤差/實(shí)際值

根據系統測試，主要的結果反映如圖6所示。

1)首先對三相電壓相關(guān)參數進(jìn)行測量，測量的誤差結果如圖6所示。

進(jìn)行了多次的實(shí)際測試，從上圖這個(gè)誤差統計圖可以看出，系統軟件在電壓這一個(gè)模塊的誤差范圍大概為0～1.3%，根據文獻資料和相關(guān)工程技術(shù)標準，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，系統的誤差范圍可以達到要求的標準。

2)對三相電流的誤差進(jìn)行測量，根據多次測量的實(shí)驗值可以有效的統計出，設計的電能監測系統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，對于實(shí)際應用中的設計要求，其允許的相對誤差范圍應該為百分之幾一千分之幾，經(jīng)過(guò)對比發(fā)現，此系統的誤差范圍符合工業(yè)實(shí)際應用，是比較精確地。

3)系統的電壓電流的偏差設計測試：對整個(gè)監測系統的電壓電流的偏差設計進(jìn)行必要測試，結果如下圖7所示，其中A，B，C三相的電壓、電流額定值依次設置為220 V，221 V，222 V，4.6 mA，3.8 mA，2.5 mA。根據目前的國家標準和相關(guān)文件規定，供電電壓允許偏差為±6%，所以我們在實(shí)際測試中得出的結果是符合要求的，相對準確的。

5.2 監測系統中暫態(tài)信號發(fā)生器模塊的相關(guān)測試

這個(gè)模塊對整個(gè)系統的平穩運行也起到一個(gè)關(guān)鍵性作用，對于這個(gè)模塊的的相關(guān)測試，我們只要知道它在實(shí)際運行中是否可以按照設計要求產(chǎn)生準確的波形圖就可以。經(jīng)過(guò)實(shí)際檢測，我們可以得到如下的波形圖。

與相關(guān)文獻和工程實(shí)際應用中出現的波形信號相比較，可以得出結論：此模塊產(chǎn)生的波形故障信號是符合設計要求的。

6 結束語(yǔ)

文中在虛擬儀器技術(shù)原理掌握的基礎上，基于LabVIEW設計軟件進(jìn)行了電能質(zhì)量監測系統的設計與研究，根據設計要求，設計出了一套切實(shí)可行的監測系統，對于電能的高效利用作出了創(chuàng )新性的研究。并且對于設計出的系統進(jìn)行了一系列的定量分析，找出其存在的誤差并且對照已有的工程質(zhì)量的標準，得出結論，所設計出的系統是符合現有標準的誤差范圍的，所監測的數據質(zhì)量是切實(shí)可信的。

電能的高效利用關(guān)乎國家可持續發(fā)展的大計，本文的研究?jì)热莺退龅墓ぷ鬟€很有限，對電能質(zhì)量進(jìn)行實(shí)時(shí)的，網(wǎng)絡(luò )化遠程監測與分析的研究才剛起步，在后續的設計研究中，會(huì )更加注意系統的綜合運用性，特別注意與實(shí)際相結合，對參數的設置更加合理，以期達到更穩定更使人信賴(lài)的系統。