基于LabVIEW的電能監(jiān)測系統(tǒng)的設(shè)計研究

摘要：文中主要是將虛擬儀器技術(shù)作為主要研究對象，研究其在電能質(zhì)量檢測中的作用和方式，通過大量的實踐，研制出了一套基于LabVIEW 的電能監(jiān)測系統(tǒng)，并且對其進行理論層面的剖析，研究各項電能質(zhì)量相關(guān)指標是否符合設(shè)計要求，虛擬儀器中各個軟件的程序編寫也是主要研究內(nèi)容，通過虛擬系統(tǒng)，實現(xiàn)了對電能質(zhì)量各參數(shù)的檢測，分析和記錄數(shù)據(jù)等。最后還對基于此虛擬系統(tǒng)計算得出的數(shù)據(jù)進行相關(guān)誤差分析，找出了其內(nèi)在原因。

關(guān)鍵詞：虛擬儀器技術(shù);電能質(zhì)量監(jiān)測;LabVIEW;設(shè)計研究

電能對于我們?nèi)祟惿顏碚f是一種寶貴的清潔能源，并且是可再生的，對電能的應(yīng)用程度和效率是一個國家綜合國力的必要體現(xiàn)，與國家的發(fā)展和繁榮息息相關(guān)。不僅如此，如何高效的利用電能這種資源來更好地滿足國家的工業(yè)生產(chǎn)，社會和人民的日常生活關(guān)系著國家的發(fā)展大計，也是一個國家科技實力和文明程度的重要特征。所以，進行電能質(zhì)量監(jiān)測是具有很重要的戰(zhàn)略意義，電能質(zhì)量一般包括傳統(tǒng)意義上的穩(wěn)態(tài)電能質(zhì)量和現(xiàn)代意義上的暫態(tài)電能質(zhì)量，如果沒有一個切實可行的監(jiān)測系統(tǒng)，造成的后果不堪設(shè)想。必須要有一個自動化的系統(tǒng)對電參數(shù)進行一個全面的、系統(tǒng)的監(jiān)測，才能準確得到數(shù)據(jù)，其次根據(jù)這些數(shù)據(jù)制定相關(guān)行業(yè)標準和國家標準?；谏鲜觯锰摂M儀器的電能質(zhì)量監(jiān)測系統(tǒng)具有成本可控，使用方法簡單，效率高，準確性好的特點，從而，利用它來進行電能質(zhì)量監(jiān)測能夠相當好的滿足我們實際工程中的需求。

1 對于系統(tǒng)的設(shè)計目標與要求

理論和實踐研究表明，虛擬儀器的相關(guān)技術(shù)具有成本低，性價比較高，抗干擾作用效果明顯，易于使用的優(yōu)點，這些優(yōu)點漸漸的在測量行業(yè)和領(lǐng)域內(nèi)得到了印證。正因為這些不可或缺的特征和優(yōu)點，本文將設(shè)計基于虛擬儀器相關(guān)的質(zhì)量參數(shù)監(jiān)測的相關(guān)系統(tǒng)，設(shè)計成功后的系統(tǒng)將擁有電網(wǎng)信號的相關(guān)數(shù)據(jù)收集、分析綜合和完成各參數(shù)實時監(jiān)測的諸多功能，這些功能的實現(xiàn)必將為整個電力系統(tǒng)行業(yè)注入新鮮的血液。

2 系統(tǒng)設(shè)計中的拓撲結(jié)構(gòu)

文中所設(shè)計的系統(tǒng)由兩部分構(gòu)成，其一是硬件的采集系統(tǒng)，其二是軟件的數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)。其中硬件的采集系統(tǒng)由四個模塊設(shè)計而成，分別是電壓模塊，電流互感器模塊，信號調(diào)理電路模塊和PXI數(shù)據(jù)采集模塊，這些模塊主要作用是用來感知感應(yīng)被測對象和提取信號相關(guān)數(shù)據(jù)。另一方面，軟件的編寫部分是通過LabVIEW 相關(guān)語言軟件編寫的界面相關(guān)顯示的主程序。

3 監(jiān)測系統(tǒng)硬件的外圍電路設(shè)計

3.1 互感器相關(guān)模塊的電路設(shè)計

通過反復(fù)的理論推導(dǎo)和論證，最終決定選用CHB-25NP型具有磁性補償能力的閉環(huán)霍爾電流互感器和CHV-50P/*A型的電壓相關(guān)互感器。這樣的選擇是因為其有很多在監(jiān)測系統(tǒng)中必不可少的優(yōu)點特性，如反應(yīng)時間快，頻率范圍較寬等。表1和表2分別給出電流互感器和電壓互感器的相關(guān)接線圖中的參數(shù)選取標準。

3. 2 濾波的調(diào)理電路模塊設(shè)計

1)濾波電路模塊中電壓信號的設(shè)計

通過實際測試，并且應(yīng)用Multisim10軟件對電路進行詳細的分析和調(diào)試，設(shè)定濾波器的截止頻率為10 V，并且要保證在通帶內(nèi)具有平坦的響應(yīng)特性。濾波電路如圖2所示。

對電壓信號的濾波效果進行了測試，測試結(jié)果為通帶的增益為2.3，截止頻率結(jié)果是1.5 kHz，其衰減的倍數(shù)最終測試為37 dB。

2)濾波電路模塊中電流信號的設(shè)計

此設(shè)計中應(yīng)保證DAQ卡在接近滿量程的情況下進行測量，這樣可以提高精確度。其電路模擬圖如圖3所示。

根據(jù)測試結(jié)果，其通帶增益達到了35，而截止頻率為1.64 kHz，衰減81 dB。

3)濾波調(diào)理電路供電電源的模塊設(shè)計方案

根據(jù)大量的測試和計算，最后確定了本設(shè)計方案采用LM317和LM337型號的可以調(diào)節(jié)的三端穩(wěn)壓器，這個器件跟二極管相結(jié)合可以對電路起到一個保護作用，最終可以實現(xiàn)可調(diào)直流電壓的輸出功能。相關(guān)電路圖如圖4所示。

4 監(jiān)測系統(tǒng)中軟件相關(guān)模塊設(shè)計

我們知道，在監(jiān)測系統(tǒng)中軟件部分是決定一個系統(tǒng)是否足夠成熟的重要標志，它是整個系統(tǒng)的關(guān)鍵所在，主要是用于對硬件采集來的信號和相關(guān)數(shù)據(jù)進行分析和綜合，并且將其顯示出來，所以在軟件編寫的過程中，要特別注重軟件的可操作性和穩(wěn)定性，否則，硬件采集來的信號將不能有效的進行處理，從而整個設(shè)計也就失敗了，在軟件的設(shè)計中，還要特備注重特別情況的報警和提示功能。本文將從三個方面簡要分析軟件設(shè)計思路和相關(guān)功能實現(xiàn)方式。

4. 1 相關(guān)數(shù)據(jù)采集模塊的軟件設(shè)計

這個模塊將成為整個系統(tǒng)的初始部分，其主要負責(zé)通過與硬件的配合為系統(tǒng)提供有效的可靠數(shù)據(jù)，即所謂的未經(jīng)加工的原始數(shù)據(jù)。本系統(tǒng)將采用LabVIEW函數(shù)中的DAQmg函數(shù)，它具有相對好的性能，可以承擔起整個系統(tǒng)的數(shù)據(jù)收集任務(wù)。采集卡DAQmax函數(shù)通過監(jiān)測得到的是一個六列的數(shù)組，并且是二維的。按照一定的規(guī)則和掃描順序，每個組件采集到的數(shù)據(jù)將被安插在數(shù)組中。這個模塊的后面板所執(zhí)行的程序如圖5所示。

4.2 監(jiān)測系統(tǒng)中波形顯示與參數(shù)測量模塊的設(shè)計

系統(tǒng)中這個程序的作用主要是對三相信號進行一定的處理，即波形重組。這個模塊主要依據(jù)上一個模塊收集到的數(shù)據(jù)和信息，如時間間隔和起始時間等，并且利用庫函數(shù)對其信號的波形簇進行恢復(fù)。還有，它可以充分利用提取到的單頻信息，幅值和電平函數(shù)等重要參數(shù)標準，目的是為了實現(xiàn)基本參數(shù)的精確測量。

4.3 監(jiān)測系統(tǒng)中功率監(jiān)測的模塊設(shè)計方案

整個系統(tǒng)中，這個模塊組件的設(shè)計相對來說比較容易實現(xiàn)，且模塊的功能明確，操作簡單，原理清晰，就是利用固有的定義式包括功率和功率因素等，還要結(jié)合LabVIEW軟件中相對應(yīng)的計算算法和控制組件，換句話說，就是將現(xiàn)有的成熟公式進行程序化實現(xiàn)即可。

4.4 系統(tǒng)中電壓的波動計算模塊設(shè)計方案

在這個模塊的設(shè)計中，首先要根據(jù)波形周期和一定的采樣周期計算采樣的節(jié)點數(shù)目，根據(jù)已有數(shù)據(jù)結(jié)合采樣的數(shù)組長度數(shù)據(jù)，從而計算出一個采樣節(jié)點內(nèi)有多少個波形的周期。從一個數(shù)組中需要知道如何截取采樣點數(shù)是這里面的關(guān)鍵所在。計算出來的有效值可以放到有效值所在的周期數(shù)組。然后根據(jù)一系列的理論推導(dǎo)找出最大值和最小值，這樣，電壓波動也就計算出來了。

5 監(jiān)測系統(tǒng)的性能測試及分析

文中主要從兩方面來測試設(shè)計的系統(tǒng)是否滿足設(shè)計要求，且有無重大的設(shè)計缺陷，第一方面主要是電能質(zhì)量關(guān)鍵參數(shù)監(jiān)測模塊的測試，第二方面是暫態(tài)信號發(fā)生器的模塊測試。

5.1 系統(tǒng)中電能質(zhì)量關(guān)鍵參數(shù)模塊的測試

誤差主要用絕對誤差和相對誤差來詮釋，根據(jù)的是與誤差相關(guān)的兩個公式：

絕對誤差=|實際值-測量值|

相對誤差=絕對誤差/實際值

根據(jù)系統(tǒng)測試，主要的結(jié)果反映如圖6所示。

1)首先對三相電壓相關(guān)參數(shù)進行測量，測量的誤差結(jié)果如圖6所示。

進行了多次的實際測試，從上圖這個誤差統(tǒng)計圖可以看出，系統(tǒng)軟件在電壓這一個模塊的誤差范圍大概為0～1.3%，根據(jù)文獻資料和相關(guān)工程技術(shù)標準，一般來說，可接受的誤差在百分之幾至千分之幾就可以接受，顯然，系統(tǒng)的誤差范圍可以達到要求的標準。

2)對三相電流的誤差進行測量，根據(jù)多次測量的實驗值可以有效的統(tǒng)計出，設(shè)計的電能監(jiān)測系統(tǒng)在電流模塊的誤差大概范圍為0～2.2%，我們經(jīng)過多方考證，對于實際應(yīng)用中的設(shè)計要求，其允許的相對誤差范圍應(yīng)該為百分之幾一千分之幾，經(jīng)過對比發(fā)現(xiàn)，此系統(tǒng)的誤差范圍符合工業(yè)實際應(yīng)用，是比較精確地。

3)系統(tǒng)的電壓電流的偏差設(shè)計測試：對整個監(jiān)測系統(tǒng)的電壓電流的偏差設(shè)計進行必要測試，結(jié)果如下圖7所示，其中A，B，C三相的電壓、電流額定值依次設(shè)置為220 V，221 V，222 V，4.6 mA，3.8 mA，2.5 mA。根據(jù)目前的國家標準和相關(guān)文件規(guī)定，供電電壓允許偏差為±6%，所以我們在實際測試中得出的結(jié)果是符合要求的，相對準確的。

5.2 監(jiān)測系統(tǒng)中暫態(tài)信號發(fā)生器模塊的相關(guān)測試

這個模塊對整個系統(tǒng)的平穩(wěn)運行也起到一個關(guān)鍵性作用，對于這個模塊的的相關(guān)測試，我們只要知道它在實際運行中是否可以按照設(shè)計要求產(chǎn)生準確的波形圖就可以。經(jīng)過實際檢測，我們可以得到如下的波形圖。

與相關(guān)文獻和工程實際應(yīng)用中出現(xiàn)的波形信號相比較，可以得出結(jié)論：此模塊產(chǎn)生的波形故障信號是符合設(shè)計要求的。

6 結(jié)束語

文中在虛擬儀器技術(shù)原理掌握的基礎(chǔ)上，基于LabVIEW設(shè)計軟件進行了電能質(zhì)量監(jiān)測系統(tǒng)的設(shè)計與研究，根據(jù)設(shè)計要求，設(shè)計出了一套切實可行的監(jiān)測系統(tǒng)，對于電能的高效利用作出了創(chuàng)新性的研究。并且對于設(shè)計出的系統(tǒng)進行了一系列的定量分析，找出其存在的誤差并且對照已有的工程質(zhì)量的標準，得出結(jié)論，所設(shè)計出的系統(tǒng)是符合現(xiàn)有標準的誤差范圍的，所監(jiān)測的數(shù)據(jù)質(zhì)量是切實可信的。

電能的高效利用關(guān)乎國家可持續(xù)發(fā)展的大計，本文的研究內(nèi)容和所做的工作還很有限，對電能質(zhì)量進行實時的，網(wǎng)絡(luò)化遠程監(jiān)測與分析的研究才剛起步，在后續(xù)的設(shè)計研究中，會更加注意系統(tǒng)的綜合運用性，特別注意與實際相結(jié)合，對參數(shù)的設(shè)置更加合理，以期達到更穩(wěn)定更使人信賴的系統(tǒng)。