利用NI CompactRIO開發(fā)完整并現(xiàn)成可用的電能質(zhì)量分析平臺

　　帶有電能質(zhì)量監(jiān)控功能的電能傳輸示意圖

　　作者:

　　Daniel Kaminský - ELCOM, a.s.

　　Petr Bilik - ELCOM, a.s.

　　Jiri Hula - ELCOM, a.s.

　　行業(yè):

　　能源/電力

　　產(chǎn)品:

　　CompactRIO, LabVIEW

　　挑戰(zhàn):

　　實現(xiàn)一個電能質(zhì)量分析儀，它包含一套完整的儀器，能夠執(zhí)行所有必要的電能相關(guān)的測量，并且能夠在一個運行實時操作系統(tǒng)的小型硬件系統(tǒng)上實現(xiàn)并行處理。我們還必須考慮系統(tǒng)的可擴展性，以便在進行設計測量和數(shù)據(jù)處理運算時符合最新的IEC和 EN標準。

　　解決方案:

　　利用COTS(商業(yè)現(xiàn)成可用)的工具，如NI CompactRIO，一款堅固而可擴展的硬件平臺，以及NI LabVIEW圖形開發(fā)環(huán)境來開發(fā)電能質(zhì)量分析儀，并使其遵守國際電能質(zhì)量標準

　　"ENA電能質(zhì)量分析儀系列可以根據(jù)最新的國際標準和/或客戶需要的任何額外功能，在短時間內(nèi)很方便地進行修改或者擴展。 -丹尼爾•卡明斯基博士(Dr. Daniel Kaminsky)，Elcom公司主管 "

　　電能質(zhì)量測量很重要?

　　電能是一種產(chǎn)品，和任何其他產(chǎn)品一樣，并且它或許是目前工商業(yè)所需要的最必不可少的原材料。它的不同尋常之處在于它必須連續(xù)不斷被接收和使用，人們無法方便地大量儲存電能，并且在使用前無法方便地對它進行質(zhì)量檢驗。若電能質(zhì)量較差，則有可能對生產(chǎn)線造成重大損傷。因此，通過監(jiān)測電能質(zhì)量，我們就能夠在系統(tǒng)遭到損傷，并導致嚴重的財務損失之前找到潛在的問題。此時進行預防工作的成本相對而言是較低的，并且工程師可以進行一系列的改善工作，從優(yōu)化系統(tǒng)運行流程到監(jiān)測與控制設備的整體安裝等。

　　什么是需要測量的量?

　　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(jù)國際標準的規(guī)定計算電壓質(zhì)量。電壓質(zhì)量由以下參數(shù)進行定義：頻率、電壓電平變化、閃變、三相系統(tǒng)不平衡、諧波光譜、總諧波失真和信號電壓電平等。在某些情況下，也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(shù)，并能夠計算一些間接參量，例如有功功率、無功功率、電能等。

　　圖1 帶有電能質(zhì)量監(jiān)控功能的電能傳輸示意圖

　　我們的電能質(zhì)量分析軟硬件包被命名為ENA(全稱：ELCOM網(wǎng)絡分析儀)，是用于電能質(zhì)量監(jiān)測的綜合的模塊化系統(tǒng)，它符合現(xiàn)行國際標準和其他國際規(guī)定文件的規(guī)定。

　　選擇開發(fā)平臺的注意事項

　　我們選擇在NI CompactRIO平臺上利用C系列模塊實現(xiàn)系統(tǒng)。與傳統(tǒng)的基于計算機的儀器相比較，它更加緊湊、堅固，并且尺寸更小(高X寬X深：88X180X90mm或3.4X7X3.5英寸)。它還具有更好的溫度規(guī)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)。而且，NI CompactRIO系列產(chǎn)品還能夠為我們提供各種不同的尺寸規(guī)格，這對我們來說很重要，幫助我們快速適應不同客戶及不同應用的需要。

　　從豐富的C系列I/O模塊中，我們選擇了NI 9225 300V功率測量模塊進行高電壓的測量。該模塊是為電網(wǎng)測量而設計的，能夠測量110V電網(wǎng)的相電壓和線電壓，以及240V電網(wǎng)的相電壓。針對電流測量，我們使用了NI 9227。NI 9225和NI 9227能夠在50k采樣點/秒的采樣率下實現(xiàn)同步采樣，能夠?qū)崿F(xiàn)精確的三相功率測量以及電能質(zhì)量測量，如：閃變、諧波和功率因數(shù)等。此外，我們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NI 9215模塊設計并內(nèi)嵌了我們的信號調(diào)理電子元件。它們占用三個插槽，可以集成到CompactRIO機箱中使用。

　　由于需要開發(fā)易于使用并且具有可移植性和可擴展性的解決方案，所以我們選用了NI LabVIEW作為軟件開發(fā)環(huán)境，用于開發(fā)ENA的各部分軟件。根據(jù)所選擇的CompactRIO型號不同以及所選擇的輸入模塊的不同，有幾種不同型號的CompactRIO 電能質(zhì)量分析儀。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(xiàn)場可編程門陣列(Gate FPGA)的機箱。

　　基于CompactRIO的電能質(zhì)量分析儀

　　我們在這里展示的型號是ENA450，但是由于NI CompactRIO產(chǎn)品系列和系統(tǒng)的可擴展性以及LabVIEW代碼的可移植性，我們能夠?qū)⑾到y(tǒng)調(diào)節(jié)成不同的尺寸大小，以滿足各種不同的應用以及客戶的特殊需要。除基于完全靈活的NI CompactRIO 系統(tǒng)(ENA450.EC)以外，我們還創(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(tǒng)(ENA450.EB, ENA450.NB)，其在同一個機箱內(nèi)同時安裝了實時處理器和可重新配置現(xiàn)場可編程門陣列(FPGA)。

　　· 或者單板RIO(即Single-Board RIO)(ENA460)系統(tǒng)，其在單個印刷電路板上包含NI CompactRIO系統(tǒng)的三個核心部件-實時處理器、現(xiàn)場可編程門陣列(FPGA)和I/O 。

　　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(jiān)測系統(tǒng)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(shù)據(jù)分析及通過因特網(wǎng)發(fā)布電能質(zhì)量數(shù)據(jù)。這種?；睦砟羁梢詫崿F(xiàn)所有客戶需求，并且使成本最小化。

　　測量能力

　　固件ENA-Node(參見圖庫)在基于CompactRIO的ENA450分析儀上直接運行并且提供各種測量服務，包括處理所有數(shù)據(jù)采集、計算和儲存。

　　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(jiān)測器

　　· 閃變計

　　· EN50160電壓監(jiān)視器

　　· 半周期RMS監(jiān)視器

　　· 電壓發(fā)報和報警

　　· 數(shù)字輸入

　　所有上述固件模塊都適合于50Hz 和60Hz 電力系統(tǒng)。用戶可以通過儀器顯示器觀察數(shù)據(jù)并且把數(shù)據(jù)儲存在數(shù)據(jù)文件中。所有儀器都在9.6 kS/秒/通道的采樣率下工作。采樣率與被測量信號的頻率同步。實施的算法符合IEC61000-4-30、IEC61000-4-15和IEC61000-4-7等電能質(zhì)量標準的規(guī)定。

　　軟件將會分析電網(wǎng)的三個電壓信號(最高可達300Vrms)和三路電流瞬時值，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(tǒng)不平衡、有功功率、無功功率、電能和許多其他變量。通過使用NI 9227電流模塊或者通過電流鉗連接到ELCOM EL9215I-R1電流模塊，可以直接測量電流變送器(1A/5A)輸出的電流。

　　圖2 ENA450接線圖–如何連接到輸電線

　　可測量的變量列表

　　用于儀器控制、數(shù)據(jù)管理和報表的用戶界面

　　易于使用的ENA-Touch用戶界面是一個用于ENA測量服務的圖形用戶界面。所有儀器控制、數(shù)據(jù)顯示和測量配置都通過ENA-Touch用戶界面進行。為了顯示測量的數(shù)值，它可以容易、妥當?shù)貙崿F(xiàn)配置并顯示測量的數(shù)據(jù)。有兩種類型的可視化面板：一些面板在表格中顯示固定數(shù)值，一些面板能夠支持多種顯示數(shù)據(jù)的方法(如表格、頻域圖表、圖表、矢量圖表及電能質(zhì)量的統(tǒng)計結(jié)果)以便顯示用戶自定義的數(shù)值。ENA-Touch用戶界面對于控制進行了優(yōu)化，能夠使用觸摸屏進行顯示，并且也可以在分辨率為800x480的超級移動PC上使用。ENA-Touch可以通過因特網(wǎng)TCP/IP協(xié)議遠程控制ENA-Node。同時由于顯示了所有的聯(lián)機數(shù)據(jù)，系統(tǒng)也允許儲存數(shù)據(jù)以進行離線分析。計算后的變量可及時地進行累計并且一些數(shù)據(jù)在儲存之前就經(jīng)過了統(tǒng)計評估。數(shù)據(jù)根據(jù)一個規(guī)定的時間間隔定期儲存，另有一些基于事件的數(shù)據(jù)僅在事件發(fā)生時進行儲存。

　　利用ENA-Report可以很方便地地對儲存的數(shù)據(jù)進行離線分析，并生成報告。

　　利用ENA進行分布式電能質(zhì)量監(jiān)測

　　利用一些ENA450分析儀可以構(gòu)造分布式監(jiān)測系統(tǒng)。分布式系統(tǒng)中的數(shù)據(jù)可以復制到MS-SQL或者ORACLE數(shù)據(jù)庫，以便進行集中儲存和離線分析。

　　結(jié)論

　　這一電能質(zhì)量監(jiān)測系統(tǒng)的主要優(yōu)勢在于性能高，靈活性好并且尺寸小。通過使用具有內(nèi)置信號調(diào)理功能的C系列模塊，可以實現(xiàn)強大的、用戶容易掌握的解決方案，可以在很大程度上簡化軟件維護和進一步開發(fā)，而不會對當前的系統(tǒng)產(chǎn)生影響。若現(xiàn)有的電能質(zhì)量監(jiān)測標準有了任何更新或者修改，電能質(zhì)量監(jiān)測儀的特性可以快速更新并且緊跟最新標準。由于該解決方案具有開放性，所以現(xiàn)有系統(tǒng)能夠很容易與其他系統(tǒng)結(jié)合，通信協(xié)議可以根據(jù)客戶需求進行調(diào)整或者集成到用戶現(xiàn)有的SCADA系統(tǒng)中。開放式硬件架構(gòu)允許用戶添加新的DIO用于監(jiān)測和控制，或者添加通信模塊實現(xiàn)GPS 或者GSM無線通信。

　　NI CompactRIO and NI LabVIEW的靈活性還使我們得以在數(shù)周時間內(nèi)實現(xiàn)完整的PMU(相位測量單元)分析儀。它允許根據(jù)IEEE C37.118-2005標準對同步相量進行精確評估。目前我們正試圖將PMU分析儀功能結(jié)合到電能質(zhì)量分析儀ENA450中，以成為一個單獨的儀器。