電氣化鐵路電能質(zhì)量參數監測系統的設計

0 引言

電能作為現代社會(huì )中使用最為廣泛的能源，其應用程度是衡量一個(gè)國家發(fā)展水平的重要標志之一。近年來(lái)，隨著(zhù)我國電力事業(yè)的迅速發(fā)展，電力系統的規模日益擴大。與此同時(shí)，用戶(hù)對電能質(zhì)量的要求也越來(lái)越高，使得電能質(zhì)量問(wèn)題日益緊迫地擺在了人們的面前，電能質(zhì)量的好壞直接關(guān)系到國民經(jīng)濟的總體效益。鐵路作為國民經(jīng)濟的重要基礎設施，在我國綜合交通運輸體系中扮演著(zhù)重要角色。在加快節約型社會(huì )的建設中，鐵路肩負著(zhù)重要責任。一方面，作為消耗能源的重點(diǎn)行業(yè)，在節能降耗，提高能源綜合應用效率方面大有潛力可挖；另一方面，電氣化鐵路長(cháng)期存在功率因數低、諧波含量高和負序等問(wèn)題，嚴重影響公用電網(wǎng)的電能質(zhì)量。從我國鐵路發(fā)展的歷程和趨勢來(lái)看，電氣化鐵路在路網(wǎng)中所占的比例將越來(lái)越大，對公用電網(wǎng)的影響也將越來(lái)越嚴重。因此，建立和實(shí)施電能質(zhì)量的監測與分析，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)量參數監測系統，有效地進(jìn)行電能質(zhì)量參數的監測，對于保證電力系統運行的安全性、經(jīng)濟性和可靠性，都具有重要意義。

目前。國內大部分地區仍采用便攜式電能質(zhì)量監測儀進(jìn)行電能質(zhì)量測量，由于該儀器的測量指標單一，不能連續監測，測量勞動(dòng)強度大，因而不能很好地適應電能質(zhì)量管理的需要。隨著(zhù)數字化測量技術(shù)、計算機技術(shù)和網(wǎng)絡(luò )通信技術(shù)的飛速發(fā)展，國內一些科研院所已開(kāi)展了電能質(zhì)量遠程監測系統的研究。采用計算機遠程在線(xiàn)監測，可連續多點(diǎn)監測，并可輔助管理，故能克服傳統手工監測手段的缺陷。而本文把虛擬儀器技術(shù)應用到電能質(zhì)量監測系統中，同樣具有上述優(yōu)點(diǎn)，而且實(shí)現起來(lái)較為方便。

1 系統總體結構

基于虛擬儀器的電氣化鐵路電能質(zhì)量參數監測系統同樣必須具備傳統監測系統的三大功能模塊，即數據采集模塊、數據分析處理模塊和結果顯示模塊。數據采集模塊還是由傳統的采集硬件來(lái)完成，不同的是數據分析處理模塊完全由計算機軟件來(lái)實(shí)現，這部分功能不受硬件的限制，可以根據用戶(hù)的需求隨時(shí)增加和修改模塊，這一優(yōu)勢是傳統儀器所無(wú)法比擬的。本文所研究的電能質(zhì)量參數監測系統，其軟件部分是核心，只要硬件部分將監測點(diǎn)的電壓和電流信號經(jīng)過(guò)信號調理器和數據采集卡以最小失真度轉換為數字信號，其余的任務(wù)(如加窗、濾波、數據處理和統計分析、數據遠傳以及顯示打印等)就完全交給軟件來(lái)處理。

本系統的硬件由傳感器、信號調理模塊、數據采集卡和計算機組成，其硬件結構如圖1所示。

本系統的軟件開(kāi)發(fā)環(huán)境為LabVIEW，它是美國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。對于一個(gè)虛擬儀器系統而言，軟件是關(guān)鍵，是靈魂，硬件僅用于解決信號的輸入和輸出。

2 系統總體設計思路

基于虛擬儀器技術(shù)的電氣化鐵路電能質(zhì)量參數監測系統要實(shí)現的功能包括實(shí)現對電壓電流的有效值、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的同時(shí)測量。因此，本設計采用模塊化方法，每一個(gè)功能模塊完成相應的功能，最后通過(guò)整合來(lái)完成系統的設計。采用模塊結構的最大的優(yōu)點(diǎn)是效率高。由于模塊可以共享數據，并可相互調用，因此，可以通過(guò)靈活組織各個(gè)模塊來(lái)達到非常高的整體效率。如果需要對模塊某一功能進(jìn)行升級，只需要改寫(xiě)相應的模塊，而不需要改動(dòng)整個(gè)軟件結構。而當需要增加系統功能時(shí)，也只需要增加相應的軟件功能模塊即可。

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

電能質(zhì)量監測的整個(gè)系統可分成采集與實(shí)時(shí)顯示、伏安測量、功率測量、閃變測量及諧波測量等五個(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)調用不同的小功能模塊來(lái)構成。

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

3 電力參數測量程序與測試結果

對于電氣化鐵路，供電部門(mén)的電能質(zhì)量評價(jià)指標主要有功率因數、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。本系統監測的電力參數有電流、電壓、頻率、諧波、功率因數、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，避免信號在做諧波分析時(shí)發(fā)生混疊，首先要對信號進(jìn)行加窗處理，再通過(guò)FFT變換完成諧波分析。這里以A相電壓的諧波測量為例，給出了如圖4所示的基于LabVIEW的諧波計算流程圖。

諧波測量模塊一般要實(shí)現各次諧波頻率、幅值和THD這三個(gè)參數的測量。諧波分析的方法很多，理論和實(shí)現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GB／T14549-93中的附錄D補充件第三條：對于負荷變化快的諧波源(如煉鋼電弧爐、電力機車(chē)等)，測量的時(shí)間間隔不大于2 min，諧波測量次數一般不小于30次。根據IEC 1000-4-7：1991，電磁兼容(EMC)第四部分第七節中，諧波測量范圍取基波和2~40次諧波。本系統中，總諧波次數取40次。

需要對采集到的數據進(jìn)行諧波分析時(shí)，可利用索引數組Index Array從數據文件“采集數據庫，dat”中分別取出每一行的數據，并依次加載在功能函數“Hamming Window．vi”的input signal引腳上，再通過(guò)#harmonics設置諧波次數(諧波次數可設置為40次1，這樣，各次諧波的幅值和頻率將以數組形式表示出來(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，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相電壓諧波測量的流程框圖。

圖6所示是A相電壓諧波測量的顯示面板圖。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)數組控件及數值控件加以顯示，同時(shí)以圖形控件顯示除基波之外的各次諧波的幅值。

4 結束語(yǔ)

將虛擬儀器技術(shù)用于電能質(zhì)量的監測中，具有硬件結構簡(jiǎn)單，軟件開(kāi)發(fā)周期短，功能擴展靈活等優(yōu)點(diǎn)。從仿真結果來(lái)看，該系統運行良好，性能穩定，計算結果、設計思想和實(shí)際相符合，能夠滿(mǎn)足對電能質(zhì)量參數監測的要求。