CN102087314A - 基于虚拟仪器的电网谐波分析仪 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于虚拟仪器的电网谐波分析仪，该分析仪包括硬件结构和软件结构两部分，(一)硬件结构：分析仪由电压、电流互感器、采集卡及工控机等部分组成，电流、电压互感器及信号调理电路都封装在一数据采集箱内，箱内装有开关稳压电源，整个数据采集箱需要交流220V供电；在数据采集箱前面板上有12个接口，分别为A，B，C三相电压电流接入口，经电压、电流互感器及信号调理电路后，送往安装在工控机上的PCI数据采集卡；(二)软件结构：本发明的软件部分由数据采集模块即电量信号采集模块、数据处理模块、数据存储模块、波形处理模块即波形显示模块组成，其中数据处理模块又由频谱分析模块、谐波分析模块和功率测量模块组成。
Description
技术领域
本发明涉及一种基于虚拟仪器的电网谐波分析仪，属于电力系统电能质量检测类装置，其中涉及到电网谐波含量、频率波动和负载功率等参数的监测。
背景技术
近年来，随着全球工业化进程的不断加快，对地球的污染和破坏空前加剧。电力系统也面临着污染，公用电网中的谐波电压和谐波电流就是对电网环境最严重的一种污染，已成为影响电能质量的公害。理想的公用电网所提供的电压应该是单一而固定的频率以及规定的电压幅值。谐波电压和谐波电流的出现，对于公用电网是一种污染。谐波使电能产生、传输和利用的效率降低，使电气设备过热、产生振动和噪声，并使绝缘老化、使用寿命缩短，甚至发生故障或烧毁机器。谐波可引起电力系统局部并联谐振或串联谐振，使谐波含量放大，造成电容器等设备烧毁。谐波还会引起继电保护和自动装置误动作，是电能计量出现混乱。对于电力系统外部，谐波对通信设备和电子设备产生严重干扰。因此，无论是从电力系统保护和供电系统的安全经济运行，还是从保证设备安全运行来看，深入研究电力系统谐波问题意义重大，能带来明显的社会经济效益。
虚拟仪器的概念是1986年由美国国家仪器公司(Natinoal Instrmunet)首先提出的。虚拟仪器是指通过应用程序将通用计算机与功能化模块硬件结合起来，用户可以通过友好的图形界面来操作这台计算机，就像在操作自己定义、自己设计的一台单个仪器一样，从而完成对被测试量的采集、分析、判断、显示、数据存储等。虚拟仪器的实质是利用计算机显示器的显示功能来模拟传统仪器的控制面板，以多种形式表达输出检测结果；利用计算机强大的软件功能实现对信号数据的运算、分析和处理；利用工IO接口设备完成信号的采集、测量与调理，从而完成各种测试功能的一种计算机仪器系统。
与传统仪器一样，虚拟仪器同样可以划分为数据采集、数据分析处理、显示结果三大功能块，虚拟仪器以透明方式把计算机资源和仪器硬件的测控能力相结合，实现仪器的功能运作。应用程序将可选硬件(如GPIB、VXI、PCI、USB等总线I/O设备)和可重复使用源码库函数等软件结合起来实现模块间的通信，源码库函数为用户构造自己的虚拟仪器系统提供了基本的软件模块。当用户的测试要求变化时，可以方便地由用户自己来增减硬软件模块，或重新配置现有系统以满足系统的测试要求。
虚拟仪器与传统仪器的比较见下表1。
针对以上需求，设计一种性价比高、功能全面的电能监测仪已迫在眉睫。本系统基于“软件及仪器”的设计理念，使用计算机、采集卡及LabVIEW组建监测系统，其能综合实时监测三相电压谐波总含量及各相谐波含量、三相电流谐波总含量及各相含量、电压波形、电流波形、电压基频及其偏差、电流基频及其偏差、电网功率等关键参数。仪器要求安装及接线方便，现场信号采集简单可靠，并具有较强的抗电磁干扰能力；要求设备具有智能化操作、监测参数全面、数据分析准确、多方式数据存储、界面友好等优点，能为电网安全运行及故障分析提供有力保证。
发明内容
本发明的目的在于提供一种基于虚拟仪器的电网谐波分析仪，采用“软件及仪器”设计理念，设计了低成本，高可靠性，多功能，易扩展的谐波分析系统。系统使用电流电压互感器采集电力系统二次侧电流电压，并将采集数据送入PCI采集卡，在工业一体化工作站上使用LabVIEW开发应用软件，对采集到的数据进行处理分析。系统的设计重点在于软件的设计，基于同一套硬件设备，只要在软件在稍作扩展，就可以实现多种测试功能，这也符合目前自动化测试技术的发展要求。本分析仪可实时监测电能质量，这为电力网的正常运行提供有力保障，也可为建设坚强型智能电网奠定基础。
本发明一种基于虚拟仪器的电网谐波分析仪，其技术方案如下：该分析仪包括硬件结构和软件结构两部分。
1、谐波分析仪硬件结构
分析仪由电压、电流互感器、采集卡及工控机等部分组成，系统结构如图1，其中电压、电流互感器采用北京森社电子有限公司的产品，采集卡使用了阿尔泰科技有限公司的高精度多通道板卡，工控机选用了研祥科技的工业一体化工作站。
电流、电压互感器及信号调理电路都封装在一数据采集箱内，箱内装有开关稳压电源，整个数据采集箱需要交流220V供电。在数据采集箱前面板上有12个接口，分别为A，B，C三相电压电流接入口，经电压、电流互感器及信号调理电路后，送往安装在工控机上的PCI数据采集卡。
2、软件结构
虚拟仪器系统以软件为核心，依靠软件及硬件(采集器卡)实现仪器功能，并利用计算机强大的运算、显示与扩展功能，使系统具有传统仪器无法比拟的优越性。按系统工作流程划分，其软件结构如图2所示。数据采集器卡采集到数据并通过计算机总线传递至计算机，是数据采集程序的起点。数据通过设备驱动程序到达计算机内部，在计算机内通过LabVIEW软件平台构成的应用程序对数据进行处理，其中应用程序是由多个LabVIEW子程序构成，如图3所示。一个或多个子程序可构成一个功能相对独立的程序模块，本系统就由数据采集模块(即电量信号采集模块)、数据处理模块、数据存储模块和波形处理模块(即波形显示模块)组成，如图4所示，其中数据处理模块又由频谱分析模块、谐波分析模块和功率测量模块组成。
数据采集模块：数据采集模块完成被测三相电压电流信号的采集，即从实验电路获得的电压电流信号，然后通过LabVIEW与PCI采集卡之间的驱动程序完成数据采集过程。
数据处理模块：数据处理模块的主要功能是对采集得到的数据进行处理，分析三相电压电流信号的频谱、谐波参数和功率等。本模块又由频谱分析模块、谐波分析模块和功率测量模块组成，其中谐波分析模块是系统设计的核心；为了进行谐波分析，在谐波分析模块中调用了LabVIEW开发环境提供的FFT函数，其本质是对采集到的电流离散值进行FFT变换，最后可输出各个频率处信号的强度，就是这里的谐波含量。
数据存储模块：数据存储模块完成将各模块分析后的数据存储在数据库系统中，以便操作人员查阅和进行统计分析。
波形处理模块：波形处理模块主要完成三相电压电流信号波形及其频谱图的实时显示，也可人工调用数据库系统的波形数据，显示任意时间段的波形图像。如需要保存当前波形，可点击用户界面上的“保存为JPG”按钮，将此时波形以JPG的格式保存在指定目录中。
本发明一种基于虚拟仪器的电网谐波分析仪，其优点及功效在于：该发明使用后可以实现电能质量实时监测，及时发现异常，避免恶性故障发生；减少以往检测方法对人力、物力的浪费，符合高效节能的设计理念；当电力系统故障发生后，可为故障的定位提供依据；为建设坚强型智能电网奠定基础。
附图说明
图1所示为本发明谐波分析仪硬件电路结构。
图2所示为本发明分析仪软件结构图。
图3所示为本发明LabVIEW子程序结构图。
图4所示为本发明分析仪软件组成结构图。
图5所示为本发明分析仪外观图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例，对本发明的技术方案做进一步的详细说明。
一种基于虚拟仪器的电网谐波分析仪，如图1、2所示，该分析仪包括硬件结构和软件结构两部分。
1、谐波分析仪硬件结构
分析仪由电压、电流互感器、采集卡及工控机等部分组成，系统结构如图1，外观如图5所示，其中电压、电流互感器采用北京森社电子有限公司的产品，采集卡使用了阿尔泰科技有限公司的高精度多通道板卡，工控机选用了研祥科技的工业一体化工作站。
电流、电压互感器及信号调理电路都封装在一数据采集箱内，箱内装有开关稳压电源，整个数据采集箱需要交流220V供电。在数据采集箱前面板上有12个接口，分别为A，B，C三相电压电流接入口，经电压、电流互感器及信号调理电路后，送往安装在工控机上的PCI数据采集卡。
2、软件结构
虚拟仪器系统以软件为核心，依靠软件及硬件(采集器卡)实现仪器功能，并利用计算机强大的运算、显示与扩展功能，使系统具有传统仪器无法比拟的优越性。按系统工作流程划分，其软件结构如图2所示。数据采集器卡采集到数据并通过计算机总线传递至计算机，是数据采集程序的起点。数据通过设备驱动程序到达计算机内部，在计算机内通过LabVIEW软件平台构成的应用程序对数据进行处理，其中应用程序是由多个LabVIEW子程序构成，如图3所示。
本系统软件运用了模块化设计思想，整个系统应用程序由：数据采集模块(即电量信号采集模块)、数据处理模块、数据存储模块和波形处理模块(及波形显示模块)组成，如图4所示，其中数据处理模块又由频谱分析模块、谐波分析模块和功率测量模块组成。
数据采集模块：数据采集模块完成被测三相电压电流信号的采集，即从实验电路获得的电压电流信号，然后通过LabVIEW与PCI采集卡之间的驱动程序完成数据采集过程。
数据处理模块：数据处理模块的主要功能是对采集得到的数据进行处理，分析三相电压电流信号的频谱、谐波参数和功率等。本模块又由频谱分析模块、谐波分析模块和功率测量模块组成，其中谐波分析模块是系统设计的核心；为了进行谐波分析，在谐波分析模块中调用了LabVIEW开发环境提供的FFT函数，其本质是对采集到的电流离散值进行FFT变换，最后可输出各个频率处信号的强度，就是这里的谐波含量。
数据存储模块：数据存储模块完成将各模块分析后的数据存储在数据库系统中，以便操作人员查阅和进行统计分析。
波形处理模块：波形处理模块主要完成三相电压电流信号波形及其频谱图的实时显示，也可人工调用数据库系统的波形数据，显示任意时间段的波形图像。如需要保存当前波形，可点击用户界面上的“保存为JPG”按钮，将此时波形以JPG的格式保存在指定目录中。
本系统可应用在任何需要监测谐波含量的电力线路上，在此以变电站谐波分析为例作以说明。
取变电站二次侧三相电压，分别记为A、B、C相，将A相电压电压接入图5所示采集箱的“电压A”及“UNa”接口，同样，将B、C相电压接入相应的接口。接入电流时，需要先断开此路电流互感器，再将三相电流引入图5所示电流接口，其中，标有“电流A”、“电流B”及“电流C”字样的接口为电流输出端，标有“INa”、“INb”及“INc”字样的端口为对应的电流输出端，接好电路，可用万用表测量电流互感器二次侧确实已形成回路时，方可将接有谐波分析仪的电流互感器投入电网。
打开谐波分析仪电源开关，仪分析仪便会实时监测该线路的三相电压及电流的谐波含量，并将分析结果显示在工控机的LCD屏幕上，供电力工作人员查询分析使用。如想打印分析结果，只需用鼠标点击“打印分析报告”按钮，便可将分析结果打印出来。
Claims (1)
1.一种基于虚拟仪器的电网谐波分析仪，该分析仪包括硬件结构和软件结构两部分，其特征在于：
(一)、谐波分析仪硬件结构
分析仪主要包括电压、电流互感器、数据采集卡及工控机，电流、电压互感器及一信号调理电路都封装在一数据采集箱内，箱内装有开关稳压电源，整个数据采集箱需要交流220V供电；在数据采集箱前面板上有12个接口，分别为A，B，C三相电压电流接入口，经电压、电流互感器及信号调理电路后，送往安装在工控机上的PCI数据采集卡；
(二)、软件结构
软件部分由数据采集模块即电量信号采集模块、数据处理模块、数据存储模块、波形处理模块即波形显示模块组成，其中数据处理模块又由频谱分析模块、谐波分析模块和功率测量模块组成；
数据采集模块：数据采集模块完成被测三相电压电流信号的采集，即从实验电路获得的电压电流信号，然后通过LabVIEW与PCI采集卡之间的驱动程序完成数据采集过程；
数据处理模块：数据处理模块的对采集得到的数据进行处理，分析三相电压电流信号的频谱、谐波参数和功率；本模块又由频谱分析模块、谐波分析模块和功率测量模块组成，其中谐波分析模块是系统设计的核心；为了进行谐波分析，在谐波分析模块中调用了LabVIEW开发环境提供的FFT函数，其本质是对采集到的电流离散值进行FFT变换，最后可输出各个频率处信号的强度，就是这里的谐波含量；
数据存储模块：数据存储模块完成将各模块分析后的数据存储在数据库系统中，以便操作人员查阅和进行统计分析；
波形处理模块：波形处理模块主要完成三相电压电流信号波形及其频谱图的实时显示，也可人工调用数据库系统的波形数据，显示任意时间段的波形图像；如需要保存当前波形，可点击用户界面上的“保存为JPG”按钮，将此时波形以JPG的格式保存在指定目录中。
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