基于網(wǎng)絡(luò )的遠程電能質(zhì)量監測系統設計

0 引 言

隨著(zhù)電力系統運行管理的系統化、智能化、自動(dòng)化和網(wǎng)絡(luò )化，對電網(wǎng)的遠程實(shí)時(shí)監控和自動(dòng)化調試是電力系統發(fā)展的必然趨勢。近年來(lái)，隨著(zhù)人們對電力能源需求的不斷增長(cháng)，電力電子設備應用越來(lái)越廣泛，大量的非線(xiàn)性負荷、沖擊性負荷的投運，使公用電網(wǎng)中產(chǎn)生了大量的諧波干擾以及電壓波形畸變、電壓波動(dòng)和三相不平衡等問(wèn)題，電能質(zhì)量不斷惡化。為實(shí)現對電力系統實(shí)時(shí)的監控和準確的調度，全面掌握電網(wǎng)中電能質(zhì)量狀況并對電力參數進(jìn)行快速準確的測試就變得十分重要。本文提出了一種基于網(wǎng)絡(luò )的電能質(zhì)量監測系統(以下簡(jiǎn)稱(chēng)“監測系統”)，不但能夠實(shí)現對現場(chǎng)數據的實(shí)時(shí)采集與分析處理，而且還能夠通過(guò)網(wǎng)絡(luò )進(jìn)行遠程監測與控制，有助于解決現場(chǎng)環(huán)境惡劣而難以在現場(chǎng)進(jìn)行精確測試的問(wèn)題。

1 監測系統總體設計

系統用于供電系統線(xiàn)路中各項電力參數的監測。根據被測參數的特性，利用相應的傳感器通過(guò)數據采集電路采集被測點(diǎn)的電壓和電流信號，然后根據采集的被測點(diǎn)數據計算交流供電系統的電壓、電流、頻率、諧波含量、畸變系數、波峰系數等電力參數。監測系統主要包括管理計算機、監測計算機、PXI數據采集系統、信號調理和工業(yè)以太網(wǎng)交換機及打印機等。系統的總體結構圖如圖1所示。

2 系統硬件設計

管理計算機主要用于系統的運行狀態(tài)及數據的管理，協(xié)調系統的運行，為用戶(hù)提供現場(chǎng)實(shí)時(shí)監測情況，實(shí)現統一的監控和數據管理?，F場(chǎng)監測計算機主要完成對供電系統被測點(diǎn)的信號進(jìn)行監測，進(jìn)行數據采集和數據分析；PXI數據采集系統主要實(shí)現從被測線(xiàn)路獲取電壓電流的實(shí)時(shí)數據。根據被測現場(chǎng)的監控需求，選用2塊NI公司的PXI數據采集卡PXI-6254，每塊板卡有32路模擬量輸入通道，共有64路模擬量輸入通道。供電現場(chǎng)監控計算機可以將PXI數據采集系統采集到的數據進(jìn)行分析，并生成報表通過(guò)以太網(wǎng)交換機根據用戶(hù)的需求上傳給配電系統管理計算機；配電系統管理計算機具有故障告警功能，也可以通過(guò)以太網(wǎng)接受現場(chǎng)計算機的數據進(jìn)行數據分析，將監控故障信號進(jìn)行回放，利用查找原因，解決問(wèn)題。

數據采集模塊主要由信號調理電路、硬件同步電路、A／D轉換電路等幾部分組成。信號調理電路主要完成將被測點(diǎn)的電壓、電流信號進(jìn)行調理到采集卡所能承受的范圍內的功能。調理電路主要由電壓互感器、電流互感器、運放電路、跟隨電路等組成，實(shí)現了外部電力高壓、大電流信號與本系統的電氣隔離，減小了外部電磁干擾，提高了電氣安全性能和可靠性，并對輸入信號進(jìn)行線(xiàn)性變換，信號調理電路如圖2所示。電流的調理采用利用精密電阻將電流信號轉變?yōu)殡妷盒盘?，然后將其送人調理電路的輸入端，最后利用系統中的軟件模塊對調理后的信號進(jìn)行數據采集。

3 系統軟件設計

3．1 LabVIEW軟件介紹

在本測試系統中，采用NI公司的LabVIEW7．1開(kāi)發(fā)系統監測應用軟件。LabVIEW是高效圖形化應用開(kāi)發(fā)環(huán)境，它結合了簡(jiǎn)單易用的圖形化開(kāi)發(fā)方式和靈活強大的編程語(yǔ)言?xún)?yōu)勢，易于實(shí)現軟件和硬件的無(wú)縫連接，在完成數據采集后，可以利用LabVIEW提供的強大的數據分析模塊，完成數據處理和顯示，可以高效率的創(chuàng )建穩定運行的軟件代碼。在以往的單機測試基礎上進(jìn)行了二次開(kāi)發(fā)，開(kāi)發(fā)了一些專(zhuān)門(mén)的處理模塊，并成功利用了LabVIEW的網(wǎng)絡(luò )通信技術(shù)，使管理計算機和測試計算機能夠進(jìn)行網(wǎng)絡(luò )數據交換。

3．2 監測系統軟件設計

為節省內存資源，系統狀態(tài)監測軟件除了利用DataSocket技術(shù)共享和發(fā)布實(shí)時(shí)數據外，還利用了Lab-VIEW獨有的VI Server技術(shù)，用其提供的庫函數編程實(shí)現程序的動(dòng)態(tài)控制，保證了VI在需要時(shí)才被裝入內存，減少了系統內存占用，提高了運行效率。

監測系統應用軟件分為管理計算機應用軟件和現場(chǎng)監測計算機應用軟件兩部分。管理計算機應用軟件，運行在管理計算機上，主要完成對供電系統的協(xié)調管理功能，并能實(shí)現故障告警等功能；現場(chǎng)監測計算機應用軟件，運行在現場(chǎng)監測計算機上，能夠完成實(shí)時(shí)監測、數據保存、歷史回放、生成報表和數據信息的上傳等功能。

管理計算機應用軟件主要由四個(gè)模塊組成，程序結構圖如圖3所示。系統配置模塊的功能是實(shí)現對RS485總線(xiàn)通信參數和以太網(wǎng)參數進(jìn)行設定等；電力參數分析模塊主要用于當現場(chǎng)監測計算機出現故障報警時(shí)，通過(guò)以太網(wǎng)調取現場(chǎng)監控計算機采集到的相關(guān)數據進(jìn)行分析，然后根據分析結果進(jìn)行故障診斷，從而排除系統故障，保證電力供應；系統狀態(tài)監控模塊主要用來(lái)顯示監測系統的運行狀態(tài)。

現場(chǎng)監測計算機應用軟件由數據采集模塊、數據分析模塊、故障告警模塊和本地波形監控模塊四個(gè)主模塊組成。為了實(shí)現對供電系統中監測線(xiàn)路的監控，現場(chǎng)監測計算機首先要通過(guò)數據采集模塊對所監測線(xiàn)路的信號進(jìn)行采集，并能夠利用數據分析模塊進(jìn)行分析，如對電壓電流穩態(tài)／瞬態(tài)參數進(jìn)行分析，并能夠實(shí)現對電網(wǎng)進(jìn)行諧波分析、畸變分析和功率因數分析等，然后將根據分析結果自動(dòng)判斷是否存在故障，若有故障，通過(guò)故障告警模塊將故障信息上傳給管理計算機，同時(shí)保存相關(guān)數據；若沒(méi)有故障，則放棄保存該部分數據。為了監測方便，該軟件也可以先記錄數據，然后進(jìn)行特性參數分析，或直接進(jìn)人單個(gè)模塊直接分析參數。本地波形監控模塊同步實(shí)時(shí)采集多個(gè)通道的波形，并能通過(guò)網(wǎng)絡(luò )把現場(chǎng)監測結果發(fā)送給管理計算機，以供用戶(hù)在遠程終端監測。數據采集模塊、數據分析模塊和本地波形監控模塊都包含數據存儲、回放和生成報表及打印等功能?，F場(chǎng)監測計算機程序流程如圖4所示。

4 遠程通信技術(shù)在監測系統中的應用

對供電系統的遠程監控，主要是利用網(wǎng)絡(luò )通信技術(shù)來(lái)實(shí)現的。遠程面板和DataSocket通信是LabVIEW為適應工業(yè)以太網(wǎng)發(fā)展而開(kāi)發(fā)的數據通信方式，遠程面板支持直接操作位于遠程計算機上的VI前面板，而DataSocket可用于高速實(shí)時(shí)地發(fā)布測試數據。

1)遠程面板技術(shù)

為實(shí)現對遠程現場(chǎng)中的狀態(tài)進(jìn)行實(shí)時(shí)監測，系統采用了遠程面板技術(shù)。進(jìn)行遠程監測時(shí)，LabVIEW的遠程面板技術(shù)可以實(shí)現用戶(hù)在辦公室的計算機中通過(guò)網(wǎng)絡(luò )監測現場(chǎng)的情況。遠程面板技術(shù)，通過(guò)設置LabVIEW中相關(guān)參數來(lái)實(shí)現供電系統的遠程監測。該技術(shù)允許用戶(hù)直接在客戶(hù)端打開(kāi)并操作位于遠程計算機上的VI前面板。

2)DataSocket技術(shù)

隨著(zhù)現代科學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展，用Web Server在網(wǎng)絡(luò )上傳播VI的動(dòng)態(tài)圖像可以達到滿(mǎn)意的效果。Lab-VIEW提供的一種在網(wǎng)上進(jìn)行實(shí)時(shí)高速數據交換的方法--DataSocker，它主要面向測量和網(wǎng)上實(shí)時(shí)高速數據交換，可用于一個(gè)計算機內或者網(wǎng)絡(luò )中多個(gè)應用程序之間的數據交換，從而滿(mǎn)足了遠程現場(chǎng)監測的需要。

5 結束語(yǔ)

本文提出的基于網(wǎng)絡(luò )的電能質(zhì)量監測系統不但能夠完成供電系統電氣參數的測試，而且能夠實(shí)現用戶(hù)在遠程終端對現場(chǎng)進(jìn)行監測和控制。通過(guò)實(shí)驗發(fā)現，該監測系統具有運行穩定、測量精度高、實(shí)時(shí)性好、操作簡(jiǎn)單、便于維護等特點(diǎn)，系統能夠滿(mǎn)足對供電系統遠程監測和控制的要求。