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電能質(zhì)量的實(shí)時(shí)監(jiān)控與分析系統(tǒng)
2011-03-27
為了更好地了解電能質(zhì)量問(wèn)題，必須有一套全面的監(jiān)控及數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，籍此來(lái)描述干擾及電能質(zhì)量變化。我們需要一套可配置、可編程的PXI/CompactPCI 高性能PC 系統(tǒng)，配合高速單元及軟件支持來(lái)實(shí)現(xiàn)性能要求。
在這個(gè)項(xiàng)目中，我們采用美國(guó)國(guó)家儀器PXI 硬件及LabVIEW圖形化編程軟件來(lái)設(shè)計(jì)系統(tǒng)。LabVIEW中的分析及顯示工具是最理想的選擇。結(jié)合LabVIEW中功能強(qiáng)大的分析工具及高性能基于Pentium 的PXI 嵌入式控制器，能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)頻率偏移的實(shí)時(shí)監(jiān)控，檢測(cè)變形與波峰。高速能夠?yàn)樵敿?xì)的諧波、相位偏移分析及提供有效的時(shí)間分辨率。
硬件
系統(tǒng)由美國(guó)國(guó)家儀器PXI Pentium 233 MHz 嵌入式計(jì)算機(jī)及PXI-6070E 多功能數(shù)據(jù)采集板卡構(gòu)成。我們采用SCXI-1120 及SCXI-1327 接線端子來(lái)將電網(wǎng)電壓與計(jì)算機(jī)隔離開(kāi)，將其衰減至能夠適用于卡的電壓范圍，并采用電流探針來(lái)監(jiān)控電流。
系統(tǒng)描述
我們將系統(tǒng)進(jìn)行配置以實(shí)現(xiàn)以下任務(wù)：
高速電壓電流采集模式
該模式下將對(duì)電壓和電流的波形進(jìn)行采樣和保存，以供事后分析。可供用戶選擇的采樣率決定分析結(jié)果的分辨率。在采集過(guò)程中，我們將部分采樣數(shù)據(jù)顯示在前面板上。采集過(guò)程采用硬件或軟件觸發(fā)，在電壓過(guò)零點(diǎn)開(kāi)始采樣。用戶提供的注釋、數(shù)據(jù)、時(shí)間及采樣設(shè)置將作為文件頭寫(xiě)入每個(gè)采樣數(shù)據(jù)文件。該模式下可在指定時(shí)間片內(nèi)實(shí)現(xiàn)連續(xù)采樣，也可由用戶控制采樣起始中止。
連續(xù)事件及頻率監(jiān)控模式
在這一模式下，系統(tǒng)對(duì)電壓及電流的輸入采樣，實(shí)現(xiàn)對(duì)波形失效和脈沖干擾的連續(xù)搜索，記錄指定時(shí)間內(nèi)的所有事件及波形的振幅偏移， 并用時(shí)間戳標(biāo)記。
在監(jiān)控過(guò)程中，被記錄的事件的狀態(tài)將顯示在前面板上。頻率的監(jiān)控由PXI-6007E 上的計(jì)數(shù)器完成，通過(guò)測(cè)量10 個(gè)輸入信號(hào)的周期換算得到。我們還搭建了一個(gè)簡(jiǎn)單的TTL 電路，包含施密特門(mén)、十進(jìn)制計(jì)數(shù)器、觸發(fā)器，它將電壓信號(hào)轉(zhuǎn)換成TTL 電平，為計(jì)數(shù)器產(chǎn)生一個(gè)選通信號(hào)。門(mén)信號(hào)將在10 個(gè)輸入波形的周期的時(shí)間內(nèi)保持開(kāi)狀態(tài)。之后通過(guò)PXI-6070E 發(fā)出的數(shù)字信號(hào)使電路復(fù)位，循環(huán)進(jìn)行后續(xù)的頻率測(cè)量。頻率的當(dāng)前值會(huì)在前面板上顯示。監(jiān)控完成后，將顯示所有被記錄事件的波形，并標(biāo)記時(shí)間信息。
仿真模式
軟件還能夠通過(guò)仿真產(chǎn)生電壓電流輸入波形。我們可以人為設(shè)置噪聲、諧波、相偏參數(shù)，以及隨機(jī)尖峰脈沖和失真，以此模擬隨機(jī)產(chǎn)生的波形。在仿真模式下，將發(fā)生波形作為輸入源，并可以對(duì)其進(jìn)行高速數(shù)據(jù)流盤(pán)。此外還能將發(fā)生波形送入卡上的數(shù)模轉(zhuǎn)換器，并對(duì)結(jié)果進(jìn)行測(cè)量和分析。
分析面板上具有以下功能：
從硬盤(pán)種選擇數(shù)據(jù)文件
采用圖表方式顯示所選文件的波形
• 諧波分析 – 軟件可以打開(kāi)測(cè)量文件中指定周期數(shù)的數(shù)據(jù)，從而對(duì)于所有波形或者波形中的某一部分進(jìn)行，最后將結(jié)果以柱狀圖或文本形式顯示
通常，我們采用25 個(gè)測(cè)量周期的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，最后能顯示每個(gè)被分析周期內(nèi)的總諧波失真。此外，還能在所有測(cè)量周期中選擇五個(gè)諧波來(lái)觀察其趨勢(shì)。
• 相位偏移分析 - 可選擇性地掃描測(cè)量數(shù)據(jù)文件，讀取指定數(shù)量的周期，對(duì)其電壓電流波形進(jìn)行相位偏移計(jì)算，結(jié)果以相位-時(shí)間為坐標(biāo)軸顯示。
• 功率分析 –計(jì)算并顯示真實(shí)的功率因數(shù)、實(shí)際功率（W）、表現(xiàn)功率（VA）及無(wú)功功率（VAR）
電力線監(jiān)控系統(tǒng)的原型基于高性能PXI 硬件來(lái)實(shí)現(xiàn)電壓和電流波形的采集及顯示，系統(tǒng)能夠?qū)Σㄐ蔚氖д妗⒚}沖干擾、頻率偏移進(jìn)行監(jiān)控。高速卡以足夠的時(shí)間分辨率采集并保存數(shù)據(jù)，并實(shí)現(xiàn)對(duì)于波形的后分析。LabVIEW的分析工具能夠方便的實(shí)現(xiàn)諧波、相位偏移及功率分析的算法。通過(guò)對(duì)編程產(chǎn)生不同負(fù)載下的典型波形來(lái)達(dá)到演示和教學(xué)目的。由于編程界面的靈活性和可擴(kuò)展性，在目前的系統(tǒng)建模基礎(chǔ)上還能進(jìn)一步提高分析能力及功能性。
近年來(lái)，電能質(zhì)量已經(jīng)成為重要焦點(diǎn)而越來(lái)越受到公用工程、設(shè)備、咨詢工程師們的關(guān)注。現(xiàn)有的商業(yè)、工業(yè)設(shè)備和儀器，如數(shù)字計(jì)算機(jī)、電力電子設(shè)備及自動(dòng)化設(shè)備，都對(duì)電源干擾很敏感。電源干擾發(fā)生頻繁是由于不斷增加的節(jié)能設(shè)備，如開(kāi)關(guān)電源、變速裝置轉(zhuǎn)換器等。對(duì)干擾進(jìn)行監(jiān)控及實(shí)現(xiàn)對(duì)電能質(zhì)量的研究勢(shì)在必行。
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