CN104122476A - 一种基于pxi的网络化电能质量在线测试系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种基于PXI的网络化电能质量在线测试系统，该测试系统包括：电压、电流互感器，用于接收输入的电能质量信号；信号调理电路，接收来自电压、电流互感器的信号，并对该信号进行降压、滤波、隔直和放大处理；数据采集单元，与所述信号调理电路进行连接，实时读取信号中的电压信号和电流信号。本发明这种测试系统能够实现远程、实时、全天侯、在线监测系统，能够动态跟踪电网电能质量变化情况，依据电能质量国家标准分析判断电网电能质量和电网安全稳定运行状况。

Description

一种基于PXI的网络化电能质量在线测试系统

技术领域

本发明涉及电能质量测试系统，特别是涉及一种基于PXI的网络化电能质量在线测试系统。

背景技术

传统电能质量测试仪以MPU和MCU为核心，功能相对单一，信号处理和数据分析能力较弱，比较适宜于电能质量的定时巡检和专项检测，着眼于电能质量的被动测试，不具有全方位、网络化、远程主动展现电能质量问题全貌的能力，过程繁杂而间接。因此，需要一种新型的电能质量测试系统。

发明内容

针对以上现有技术的不足，本发明提供一种基于PXI的网络化电能质量在线测试系统。

本发明的目的通过以下技术方案来实现：

一种基于PXI的网络化电能质量在线测试系统，该测试系统包括：

 电压、电流互感器，用于接收输入的电能质量信号；

 信号调理电路，接收来自电压、电流互感器的信号，并对该信号进行降压、滤波、隔直和放大处理；

数据采集单元，与所述信号调理电路进行连接，实时读取信号中的电压信号和电流信号。

进一步，所述信号调理电路包括：

滤波器电路，包括电压信号滤波电路和电流信号滤波电路，用于对接收的信号进行滤波处理；

隔直电路，用于去除信号中的直流信号，使得输出的交流信号相位没有偏移且幅值不改变；

放大电路，用于对隔直电路输出的信号进行放大。

进一步，所述数据采集单元包括：

电压、电流波形监测与显示模块，根据采集的电压和电流信号，对三相电压/电流信号进行图形显示及同步在线监测；

电网状态基础参数监测模块，实时读取电压/电流信号，判断电网的工作状态，并给出报警信号；

三相不平衡监测与计算模块，通过对采集信号的电压电流幅度、相位、频率进行三相不平衡度计算，判断是否满足电能质量的要求；

电压有效值与偏差计算模块，根据采集的电压/电流信号，确定各相电压电流的幅值；

电压波动与闪变模块，通过对监测到的波形信号进行采样，找出最大电压幅值与最小电压幅值之差，确定电压波动率

本发明的优点在于：

本发明是一种基于PXI的网络化电能质量在线测试系统，解决了网络化电能质量在线测试与分析和运行工况跟踪记录问题。

能够实现了对三相电流波形、电压波动与闪变、电压谐波等电能质量的实时监测和远程控制。

附图说明

图1：电能质量监测系统终端结构图；

图2：网络化电能质量测试系统体系结构图；

图3：网络化电能质量测试系统软件结构图；

图4：网络化电能质量测试系统功能图；

图5：远程在线监测系统总体流程图；

图6：电压信号滤波；

图7：电流信号滤波电路；

图8：放大电路；

图9：信号采集部分程序框图；

图10：电压波动计算子程序；

图11：闪变计算子程序框图；

图12：三相基波监测程序框图；

图13：数据保存程序图；

图14：电能质量监测流程。

具体实施方式

以下结合附图和实施例来详细说明本发明的具体实施方式：

本发明以虚拟仪器技术为基础，提供了一种电能质量监测系统，解决了电能质量状态的远程、实时、全天侯、在线监测的方法，包括在线监测，远程网络化测控，运行工况跟踪记录等等。

如图1-5所示，本发明是由硬件和软件组成的多层控制结构，包括硬件设备层,I/O驱动层，应用软件层。

硬件包括PT/CT（电压/电流互感器）、信号调理电路、PXI数据采集平台、服务器及计算机构成。硬件负责信号获取，数据采集。通过数据采集卡及数据线进行信息传输，控制采集卡对接入信号进行多通道实时同步采集。

驱动层通过仪器驱动程序DLL和PCI控制卡驱动。

应用软件层负责数据处理和测试结果显示，采用图形化编程语言LabVIEW编写，包含了本领域测试所需要的信息，实现了系列测试与分析功能。

利用MyEclipse平台和MySQL数据库、tomcat服务器、JDK设计网站登陆界面；利用Labview软件的Web发布功能进行网络发布，并将两者进行整合，最终实现在登录网站后可实时动态观测电能质量。使用JAVA语言编写网络登录界面的注册、 登录、 转接LabVIEW远程界面等程序；使用MYSQL数据库进行存储用户信息储存；使客户端计算机可以通过服务器监测运行状态数据。

互感器配置电路

选用闭环霍尔电流互感器CHB-25NP和闭环霍尔电压互感器CHV-50P/*A。互感器具有磁补偿功能和较短的反应时间、较宽的频率范围，很好地实现隔离作用，方便互感器输出侧低压信号直接处理并送数据采集卡。

信号调理电路

信号调理电路对电压电流信号进行降压、滤波、隔直以及放大处理，达到PXI数据采集系统允许电压范围内，六路信号经过调理后由PXIe-8115连接器输送至信号采集卡。信号调理电路包括调理电路供电电源、电压信号滤波器、电流信号滤波器、隔直电路、放大电路等。

（1）滤波器，如图6-7所示，由于电压信号的幅值为3V~4V左右，而使用的数据采集卡的量程在10V以内，根据准确测试的实验前提，应该保证采集卡所采集的信号电压在允许范围内尽可能大。为了满足在通带内得到较为平坦的频率响应特性的要求，采用简单的二阶压控电压源型巴特沃斯低通滤波器。二阶压控电压源低通滤波电路由两个RC 环节和同相比例放大电路构成。

（2）隔直电路

在实际的电网输出信号中，一般会存在一定的直流成分，因此信号调理电路中应包括去直流电路。

由于电流互感器自身的工作原理，输出端信号不仅包含交流信号，还包含了部分幅值与交流信号幅值接近的直流信号。由于信号中混杂了直流信号，致使输出端直接输出的电流信号发生较大程度的偏移，而原始的输入信号中并非仅为交流信号，因此需要选用一个简单合理、适用性强的去除直流偏移量的电路，此电路在去除直流偏移量的同时不改变交流信号的相位，最大限度保留原始信息。电路原理如

信号经过有源低通滤波器滤除交流信号，剩下直流信号，再使用减法器将原信号减去直流信号，达到去除直流偏移量的目的。一阶有源滤波器是由一个一阶无源低通滤波器和一个电压跟随器构成。考虑到原信号基波频率为50Hz，尽量减小一阶无源低通滤波器的上限频率，才能在做减法的过程中保证50Hz工频信号的完整，防止失真，这里选取                                                ,C1=10uf，经计算，一阶无源低通滤波器的上限频率,运算放大器选用OP07。直流偏移去

输入输出交流信号波形完全重合，交流信号的相位没有发生偏移且幅值也没有发生改变，达到预期效果。

（3）放大电路，如图8所示，经过隔直电路之后的交流电流信号比较小,需要将其放大，以便输入PXI供数据采集。放大电路选用两片双运算集成放大器LF353芯片，用两级级联方式连接，将第一级输出直接接入第二级输入，实现30~86.7放大倍数可调。

PXI数据采集单元

PXI平台是采集单元的核心，选用PXI-4472数据采集卡，具有8路同步采样模拟输入通道，45kHz无混叠带宽，24位A/D转换分辨率，PXI总线方式传输，输入电压信号范围±10V，各通道最高采样速率达到250 kS/s，各通道间隔离，每通道具有可编程增益和低通滤波选项，通过PXI Express实现多设备触发和同步，使用NI-DAQmx驱动软件实现与主控机通信。

数据采集程序

监测系统软件初始部分即是采集卡采集部分，采集到的信息作为后部分软件处理的输出信息。对LabVIEW而言，可使用两类模入函数将采集卡采集到的信息传入PC中，分别是传统NI-DAQ和新版本NI-DAQmx。采用的是NI-DAQmx，相比前者而言，新版本NI-DAQmx的优点是增加了设置通道的DAQ助手和扩展了在LabVIEW中使用设备的测量任务。在程序中加入DAQ助手，采集卡将采集到的数据通过DAQ助手送入程序软件中进行处理，得到一个6列的二维数组，使用Index array函数对数组按照顺序对0、1、2、3、4、5列进行诸列抽取，取出的数据即是采集卡各通道所采集的数据，将它们组成6个一维数组。

当需要利用LabVIEW程序分析处理PC机外部输入的信号时，在函数选板中会出现DAQ助手模块。如图9所示，程序中首先设置并选择DAQmx任务名，通过DAQ助手可以建立电压采集任务，选择该任务即完成数据的读入。

DAQ将数据采集读取出来后，该数据就是实时电压/电流信号。该数组再通过LabVIEW中的索引数组模块，将电压和电流信号分开。至此，电网中的电压电流信号就这样被采集并输入到了LabVIEW程序中，然后就可以进行数据处理了。

电能质量监测模块客户端软件

电压、电流波形监测与显示模块

DAQ将数据采集读取出来后，输出一个6维数组数据，即为实时电压电流信号。通过LabVIEW中的索引数组模块，将电压和电流信号分开，0-2对应输出的是A、B、C三相电压信号，3-5对应输出的是A、B、C三相电流信号。对所采集的三相电压/电流信号进行两部分处理，第一部分通过波形创建、幅值和电平测量函数，得到对应的幅值与有效值；第二部分进行两次for循环，取N次数据和除以N的方法，求出对应的平均值，将平均值与标准值复合运算，求出电压偏差。以A相为例，通过两部分可以求得A相的电压电流有效值U、I与平均值，即可通过编程计算得到有功功率P、视在功率S、无功功率Q和功率因数cosφ等其他一系列实验需要电网参数。

由于采样周期已知，采样起始时间人为设置为0时刻，采集卡可以为PC机送入三相电压/电流实时采集，应用这些条件以及LabVIEW中自带的函数，来进行三相波形信号的显示。程序中利用Build waveform函数产生信号波形簇，后接波形图表功能，显示对应波形，实现信号波形的恢复。最后利用LabVIEW自带的提取单频信息函数、幅值和电平函数来显示所采信号的频率、幅值和相位。该模块实现了三相电压、电流波形的实时同步在线监测。

电网状态基础参数监测模块

该模块通过对实时读取信号的基本参数按照计算公式编写相应程序，对结果与国标进行比较，判断电网的工作状态，超过国标要求即报警。可以测量以下参数：电压/电流最大值、电压/电流有效值、电压/电流实时相位、电压偏差、频率偏差以及有功功率、无功功率和功率因数等。

三相不平衡度监测与计算模块

针对不含零序分量的三相系统，采用以下国际电工委员会推荐的算法求出三相电压的不平衡度。该模块的任务是通过电压电流幅度、相位、频率进行三相电压不平衡度计算，并将计算结果与国家标准比较,判断是否满足电能质量要求。三相电压不平衡度的计算针对基波信号，在频域内进行抗混叠滤波滤除1.8KHz以上的谐波，然后进行数字低通滤波，采用巴特沃斯型低通数字滤波器，截止频率定为100Hz，尽可能只留下50Hz工频信号。接下来对工频信号进行幅值、相位测量，重新构造三相电压向量，根据三相不平衡度计算公式编写计算子程序，从而得到三相电压不平衡度。针对不含零序分量的三相系统，三相不平衡度计算采用国际电工委员会推荐的三相电量法。

电压有效值与偏差计算模块

电压有效值和电压偏差测量子程序。其中有效值计算子程序是结合电压有效值定义式，用LabVIEW软件相应的数学编写而成。电流有效值和偏差的测量其原理及子程序与电压一样。

根据采集进来的电压电流信号，利用LabVIEW中的幅值和电平测量模块可以准确的得到各相电压电流的幅值，然后利用有效值计算，进一步对幅值进行运算得到各相电压电流的有效值。

（5）电压波动与闪变模块

如图10-11所示，根据电压波动的定义，在所监测到的波形信号中进行采样，通过找到最大电压幅值与最小电压幅值之差，计算出电压波动率。

远程监控

（1）Remote Panels发布技术，本发明采用LabVIEW Remote Panels技术实现的远程监测。LabVIEW Web Server集成了Remote Panels技术，将LabVIEW应用程序作为一种ActiveX控件嵌入到网页中进行发布。在客户端中输入正确的网址即可进入远程监控界面，进行远程监测与控制。

（2）Web服务器设置，Web 浏览器访问权限设置，程序访问权限设置和程序发布。

（3）客户端设置，客户端安装LabVIEW Run-Time Engine，在IE浏览器输入服务器发布的网页地址对发布的程序进行与访问权限相应的操作。在查看程序过程中可以申请控制权，得到控制权后可以控制程序运行。

（4）客户端测试，客户端登录界面具有身份验证和用户资料管理功能，通过用户名和密码进行验证，禁止非法用户访问系统。用户资料管理包括新用户的注册、注销、密码修改等。

本发明是一种基于PXI的网络化电能质量在线测试系统，解决了网络化电能质量在线测试与分析和运行工况跟踪记录问题。

如图12所示，实现了对三相电流波形、电压波动与闪变、电压谐波等电能质量的实时监测和远程控制。如图13-14及表1所示，系统所实现的监测与显示数据共有四类：实时监测数据，包括电压/电流波形（单相、三相）、供电频率、电压偏差、正序电压/电流、负序电压/电流、有功功率、功率因数、电网谐波电压/电流幅值、相位等；实时计算数据，包括三相电压/电流偏差百分比、供电频率偏差百分比、各次谐波含有率，谐波电压畸变率、总谐波畸变率等；超标报警，包括电压、电流频率偏差超标报警、三相电压不平衡度报警、总谐波失真报警等；实时分析数据，包括稳态信号波形相位图、基本参数统计图、信号序分量矢量图等。

表1 电能质量系统功能表

应当理解，以上借助优选实施例对本发明的技术方案进行的详细说明是示意性的而非限制性的。本领域的普通技术人员在阅读本发明说明书的基础上可以对各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。

Claims (3)

1.一种基于PXI的网络化电能质量在线测试系统，其特征在于，该测试系统包括：

 电压、电流互感器，用于接收输入的电能质量信号；

 信号调理电路，接收来自电压、电流互感器的信号，并对该信号进行降压、滤波、隔直和放大处理；

数据采集单元，与所述信号调理电路进行连接，实时读取信号中的电压信号和电流信号。

2.根据权利要求1一种基于PXI的网络化电能质量在线测试系统，其特征在于，所述信号调理电路包括：

滤波器电路，包括电压信号滤波电路和电流信号滤波电路，用于对接收的信号进行滤波处理；

隔直电路，用于去除信号中的直流信号，使得输出的交流信号相位没有偏移且幅值不改变；

放大电路，用于对隔直电路输出的信号进行放大。

3.根据权利要求1一种基于PXI的网络化电能质量在线测试系统，其特征在于，所述数据采集单元包括：

电压、电流波形监测与显示模块，根据采集的电压和电流信号，对三相电压/电流信号进行图形显示及同步在线监测；

电网状态基础参数监测模块，实时读取电压/电流信号，判断电网的工作状态，并给出报警信号；

三相不平衡监测与计算模块，通过对采集信号的电压电流幅度、相位、频率进行三相不平衡度计算，判断是否满足电能质量的要求；

电压有效值与偏差计算模块，根据采集的电压/电流信号，确定各相电压电流的幅值；

电压波动与闪变模块，通过对监测到的波形信号进行采样，找出最大电压幅值与最小电压幅值之差，确定电压波动率。