電氣化鐵路電能質(zhì)量參數(shù)監(jiān)測系統(tǒng)的設計

0 引言

電能作為現(xiàn)代社會中使用最為廣泛的能源，其應用程度是衡量一個國家發(fā)展水平的重要標志之一。近年來，隨著我國電力事業(yè)的迅速發(fā)展，電力系統(tǒng)的規(guī)模日益擴大。與此同時，用戶對電能質(zhì)量的要求也越來越高，使得電能質(zhì)量問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重要角色。在加快節(jié)約型社會的建設中，鐵路肩負著重要責任。一方面，作為消耗能源的重點行業(yè)，在節(jié)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，電氣化鐵路長期存在功率因數(shù)低、諧波含量高和負序等問題，嚴重影響公用電網(wǎng)的電能質(zhì)量。從我國鐵路發(fā)展的歷程和趨勢來看，電氣化鐵路在路網(wǎng)中所占的比例將越來越大，對公用電網(wǎng)的影響也將越來越嚴重。因此，建立和實施電能質(zhì)量的監(jiān)測與分析，是提高電能質(zhì)量的一個重要技術(shù)手段。研制一種新型的電能質(zhì)量參數(shù)監(jiān)測系統(tǒng)，有效地進行電能質(zhì)量參數(shù)的監(jiān)測，對于保證電力系統(tǒng)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(nèi)大部分地區(qū)仍采用便攜式電能質(zhì)量監(jiān)測儀進行電能質(zhì)量測量，由于該儀器的測量指標單一，不能連續(xù)監(jiān)測，測量勞動強度大，因而不能很好地適應電能質(zhì)量管理的需要。隨著數(shù)字化測量技術(shù)、計算機技術(shù)和網(wǎng)絡通信技術(shù)的飛速發(fā)展，國內(nèi)一些科研院所已開展了電能質(zhì)量遠程監(jiān)測系統(tǒng)的研究。采用計算機遠程在線監(jiān)測，可連續(xù)多點監(jiān)測，并可輔助管理，故能克服傳統(tǒng)手工監(jiān)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(jiān)測系統(tǒng)中，同樣具有上述優(yōu)點，而且實現(xiàn)起來較為方便。

1 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)

基于虛擬儀器的電氣化鐵路電能質(zhì)量參數(shù)監(jiān)測系統(tǒng)同樣必須具備傳統(tǒng)監(jiān)測系統(tǒng)的三大功能模塊，即數(shù)據(jù)采集模塊、數(shù)據(jù)分析處理模塊和結(jié)果顯示模塊。數(shù)據(jù)采集模塊還是由傳統(tǒng)的采集硬件來完成，不同的是數(shù)據(jù)分析處理模塊完全由計算機軟件來實現(xiàn)，這部分功能不受硬件的限制，可以根據(jù)用戶的需求隨時增加和修改模塊，這一優(yōu)勢是傳統(tǒng)儀器所無法比擬的。本文所研究的電能質(zhì)量參數(shù)監(jiān)測系統(tǒng)，其軟件部分是核心，只要硬件部分將監(jiān)測點的電壓和電流信號經(jīng)過信號調(diào)理器和數(shù)據(jù)采集卡以最小失真度轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號，其余的任務(如加窗、濾波、數(shù)據(jù)處理和統(tǒng)計分析、數(shù)據(jù)遠傳以及顯示打印等)就完全交給軟件來處理。

本系統(tǒng)的硬件由傳感器、信號調(diào)理模塊、數(shù)據(jù)采集卡和計算機組成，其硬件結(jié)構(gòu)如圖1所示。

本系統(tǒng)的軟件開發(fā)環(huán)境為LabVIEW，它是美國NI公司推出的一種基于G語言的虛擬儀器軟件開發(fā)工具。對于一個虛擬儀器系統(tǒng)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(tǒng)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(shù)監(jiān)測系統(tǒng)要實現(xiàn)的功能包括實現(xiàn)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(shù)的同時測量。因此，本設計采用模塊化方法，每一個功能模塊完成相應的功能，最后通過整合來完成系統(tǒng)的設計。采用模塊結(jié)構(gòu)的最大的優(yōu)點是效率高。由于模塊可以共享數(shù)據(jù)，并可相互調(diào)用，因此，可以通過靈活組織各個模塊來達到非常高的整體效率。如果需要對模塊某一功能進行升級，只需要改寫相應的模塊，而不需要改動整個軟件結(jié)構(gòu)。而當需要增加系統(tǒng)功能時，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(shù)據(jù)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模塊里，即伏安測量模塊，其系統(tǒng)功能如圖2所示。

電能質(zhì)量監(jiān)測的整個系統(tǒng)可分成采集與實時顯示、伏安測量、功率測量、閃變測量及諧波測量等五個大的模塊，可在主程序界面的前面板中以五頁顯示，同時也可以通過調(diào)用不同的小功能模塊來構(gòu)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(shù)來實現(xiàn)分頁，其電能質(zhì)量監(jiān)測主程序前面板如圖3所示。圖中程序頁面顯示的是伏安測量頁面，每個頁面可以實現(xiàn)不同的測試任務。

3 電力參數(shù)測量程序與測試結(jié)果

對于電氣化鐵路，供電部門的電能質(zhì)量評價指標主要有功率因數(shù)、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及閃變等。本系統(tǒng)監(jiān)測的電力參數(shù)有電流、電壓、頻率、諧波、功率因數(shù)、功率(右功、無功、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發(fā)生混疊，首先要對信號進行加窗處理，再通過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現(xiàn)各次諧波頻率、幅值和THD這三個參數(shù)的測量。諧波分析的方法很多，理論和實現(xiàn)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，可供直接進行快速頻譜分析。

根據(jù)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、電力機車等)，測量的時間間隔不大于2 min，諧波測量次數(shù)一般不小于30次。根據(jù)IEC 1000-4-7：1991，電磁兼容(EMC)第四部分第七節(jié)中，諧波測量范圍取基波和2~40次諧波。本系統(tǒng)中，總諧波次數(shù)取40次。

需要對采集到的數(shù)據(jù)進行諧波分析時，可利用索引數(shù)組Index Array從數(shù)據(jù)文件“采集數(shù)據(jù)庫，dat”中分別取出每一行的數(shù)據(jù)，并依次加載在功能函數(shù)“Hamming Window．vi”的input signal引腳上，再通過#harmonics設置諧波次數(shù)(諧波次數(shù)可設置為40次1，這樣，各次諧波的幅值和頻率將以數(shù)組形式表示出來。由于諧波的幅值和頻率包含基頻成分，故可通過“Delete From Array．vi”除去其中的基波信號，然后再通過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％，它們可以分別通過數(shù)組控件及數(shù)值控件加以顯示，同時以圖形控件顯示除基波之外的各次諧波的幅值。

4 結(jié)束語

將虛擬儀器技術(shù)用于電能質(zhì)量的監(jiān)測中，具有硬件結(jié)構(gòu)簡單，軟件開發(fā)周期短，功能擴展靈活等優(yōu)點。從仿真結(jié)果來看，該系統(tǒng)運行良好，性能穩(wěn)定，計算結(jié)果、設計思想和實際相符合，能夠滿足對電能質(zhì)量參數(shù)監(jiān)測的要求。