基于LabVIEW的電氣化鐵路電能質(zhì)量監測系統的設計

　　引言

　　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“TabControl.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。

　　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。本系統的軟件開(kāi)發(fā)環(huán)境為L(cháng)abVIEW，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。