基于CompactRIO的電能質(zhì)量分析儀

圖1帶有電能質(zhì)量監控功能的電能傳輸示意圖

什么是需要測量的量?

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。特殊情況下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。

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。

電能質(zhì)量測量很重要?

電能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。此時(shí)進(jìn)行預防工作的成本相對而言是較低的，并且工程師從優(yōu)化系統運行流程到監測與控制設備的整體安裝等。

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。

我們的電能質(zhì)量分析軟硬件包被命名為ENA，是用于電能質(zhì)量監測的綜合的模塊化系統。

基于CompactRIO的電能質(zhì)量分析儀

本文展示的型號是ENA450電能質(zhì)量分析儀，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，滿(mǎn)足各種不同的應用以及客戶(hù)的特殊需要可以將系統調節成不同的尺寸大小。
除基于完全靈活的NICompactRIO系統(ENA450.EC)以外，本文還創(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);"或者單板RIO(即Single-BoardRIO)(ENA460)系統。

電能質(zhì)量分析儀的性能由儀器硬件和軟件確定。ENA電能質(zhì)量監測系統包含一系列的軟件應用程序，這些應用程序可以用于分析儀的遠程控制、已儲存數據分析及通過(guò)因特網(wǎng)發(fā)布電能質(zhì)量數據。

如何選擇開(kāi)發(fā)平臺

與傳統的基于計算機的儀器相比較，C系列模塊實(shí)現系統更加緊湊、堅固，并且尺寸更小。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，能夠快速適應不同客戶(hù)及不同應用的需要。
本文從豐富的C系列I/O模塊中選擇了為電網(wǎng)測量而設計的NI9225300V功率測量模塊進(jìn)行高電壓的測量。該模塊能夠測量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。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)。
NI9225電能質(zhì)量分析儀和NI9227電能質(zhì)量分析儀能夠在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。本文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。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。

測量能力

固件ENA-Node包括一些并行運行的軟件模塊：
"FFT分析儀
"矢量分析儀
"電流監測器
"閃變計
"EN50160電壓監視器
"半周期RMS監視器
"電壓發(fā)報和報警
"數字輸入

圖2ENA450接線(xiàn)圖–如何連接到輸電線(xiàn)

軟件將會(huì )分析電網(wǎng)的三個(gè)電壓信號(最高可達300Vrms)和三路電流瞬時(shí)值，以便計算電網(wǎng)的各種變量：RMS值、頻率、諧波光譜、總諧波失真、閃變、三相系統不平衡、有功功率、無(wú)功功率、電能和許多其他變量。所有上述固件模塊都適合于50Hz和60Hz電力系統。所有儀器都在9.6kS/秒/通道的采樣率下工作。
通過(guò)使用NI9227電流模塊或者通過(guò)電流鉗連接到ELCOMEL9215I-R1電流模塊，可以直接測量電流變送器(1A/5A)輸出的電流。采樣率與被測量信號的頻率同步。實(shí)施的算法符合IEC61000-4-30、IEC61000-4-15和IEC61000-4-7等電能質(zhì)量標準的規定。

可測量的變量列表

用于儀器控制、數據管理和報表的用戶(hù)界面

所有儀器控制、數據顯示和測量配置都通過(guò)ENA-Touch用戶(hù)界面進(jìn)行。為了顯示測量的數值，它可以容易、妥當地實(shí)現配置并顯示測量的數據。同時(shí)由于顯示了所有的聯(lián)機數據，系統也允許儲存數據以進(jìn)行離線(xiàn)分析。計算后的變量可及時(shí)地進(jìn)行累計并且一些數據在儲存之前就經(jīng)過(guò)了統計評估。數據根據一個(gè)規定的時(shí)間間隔定期儲存，另有一些基于事件的數據僅在事件發(fā)生時(shí)進(jìn)行儲存。

ENA-Touch用戶(hù)界面對于控制進(jìn)行了優(yōu)化，能夠使用觸摸屏進(jìn)行顯示，并且也可以在分辨率為800x480的超級移動(dòng)PC上使用。ENA-Touch可以通過(guò)因特網(wǎng)TCP/IP協(xié)議遠程控制ENA-Node。有兩種類(lèi)型的可視化面板：一些面板在表格中顯示固定數值，一些面板能夠支持多種顯示數據的方法(如表格、頻域圖表、圖表、矢量圖表及電能質(zhì)量的統計結果)以便顯示用戶(hù)自定義的數值。利用ENA-Report可以很方便地地對儲存的數據進(jìn)行離線(xiàn)分析，并生成報告。

結論

由于該解決方案具有開(kāi)放性，所以現有系統能夠很容易與其他系統結合，通信協(xié)議可以根據客戶(hù)需求進(jìn)行調整或者集成到用戶(hù)現有的SCADA系統中。通過(guò)使用具有內置信號調理功能的C系列模塊，可以實(shí)現強大的、用戶(hù)容易掌握的解決方案，可以在很大程度上簡(jiǎn)化軟件維護和進(jìn)一步開(kāi)發(fā)。
開(kāi)放式硬件架構允許用戶(hù)添加新的DIO用于監測和控制，或者添加通信模塊實(shí)現GPS或者GSM無(wú)線(xiàn)通信。這一電能質(zhì)量監測系統的主要優(yōu)勢在于性能高，靈活性好并且尺寸小。