基于labVIEW的电能质量分析系统

基于labVIEW的电能质量分析系统——数字信号处理在节能监管平台中的应用摘要：论文在论述数字信号处理概念、特点的基础上，通过实例阐述了在LabVIEW平台下对电能质量进行信号处理同时对电能质量分析方法进行研究和讨论，基于数字信号处理技术实现电能质量检测。

着重对电能质量的3个重要指标：电压波动、谐波和三相电压不平衡度（包括三相电压，三相电流，有功功率，无功功率，功率因数等）进行信号分析，去除采集波形数据中的高次谐波。

关键词：数字信号处理技术；labVIEW；电能质量；节能监管；谐波随着科学技术的发展，人们对电能质量的要求越来越高，同时由于扰动性负荷(如非线性、冲击性或不对称负荷)接入电力系统及其他扰动源存在，造成了大量的电能质量问题，谐波污染、三相不平衡度、跌落和闪交也越来越严重。

电能质量问题不仅对电网的安全运行不利，严重干扰电网的稳定经济运行，还能造成某些对电能质量要求较高的电力用户严重的经济损失。

电能质量在线监测技术就是在这个基础上发展起来的。

电能的在线监测就是要实现实时地监视系统的电压或电流变化，记录和保存电能质量发生变化时各相电压或电流的幅值、频率、电压波动、三相不平衡度，同时采用滤波技术对多种电能质量的指标进行综合的监测。

由于电能质量的不断恶化，电能质量问题不仅影响到电网的安全运行，还对一些对电能质量的要求很高的新型电力负荷的正常工作造成干扰。

使人们对电能质量的优劣越来越重视，因此对电能质量进行有效地分析和监测不仅必要而且十分迫切。

由于应用于三相电压电流的谐波检测的示波器价格昂贵，且较难进行多点的电压／电流检测［２］，我们设计的应用于检测多点的单相或三相电压／电流的多路电表，不仅成本低廉、扩展便，还可以进行模拟信号采样实验、信号处理实验，综合性强。

LabVIEW作为一种图形化的编程语言，不仅具有许多功能强大的模块节点和计算能力，可以满足电能分析的各种复杂算法的计算，而且还具有强大的网络功能，进行远程设备控制和数据传输，虚拟仪器VI的兴起对处理电能质量测量与分析时的数据提供了新的研究途径。

1. labVIEW简介LabVIEW是一种程序开发环境，由美国国家仪器（NI）公司研制开发的，类似于C和BASIC开发环境，但是LabVIEW与其他计算机语言的显著区别是：其他计算机语言都是采用基于文本的语言产生代码，而LabVIEW使用的是图形化编辑语言G编写程序，产生的程序是框图的形式。

LabVIEW的函数库包括数据采集、GPIB、串口控制、数据分析、数据显示及数据存储等等LabVIEW也有传统的程序调试工具，如设置断点、以动画方式显示数据及其子程序(子vi)的结果、单步执行等，便于程序的调试。

在电能质量分析领域研究中，labVIEW完成的恰恰是对硬件电路板采集通过以太网发布的数据包依据国际化多功能电表规约—645规约进行拆包取数，并对取得的数据进行一系列复杂的逻辑运算得出各类电能指标进而进行更进一步的信号分析。

2 电能质量检测实验平台组成电能质量检测实验平台包括A/D信号采样模块(网关)、电能质量处理模块和上位机。

A/D信号采样模块负责采集信号并送至电能质量处理模块；电能质量处理模块对采集的电压／电流信号进行数据的预处理，并通过基于以太网的数据通信系统将数据传输至PC机；PC机接收上传的数据并完成数据的进一步处理和各项电能参数的实时显示、存储。

由于是基于以太网的设计，所以易于扩展多支路的电压/电流的检测。

另外，我们自己设计研发的多路电表使用起来更方便添加外部测量设备。

2.1 A/D信号采样电压和电流信号幅值较高，而我们使用的ARM（CORTEX-M3）芯片采样电压在3.3V以内，故需要A/D采样电路将电网信号转化为A/D采样模块所能接收的信号。

其采样流程为：电压或电流信号先经过采样电压互感器或是电流互感器输入端；采样互感器输出的是与电网电压信号成比例的正负对称的电压信号，再经过信号调理电路将采样信号抬压到3V以内，以供ARM芯片内部A/D转换器采样。

采样电压互感器输入最高电压220V（对更高的电压可再增加前级电压互感器降低其电压等级）。

电流互感器输入最大电流5V。

2.2 电能质量处理模块电能质量处理模块的核心———ARM采用CORTEX-M3,具备强大运算能力，同时兼顾了控制领域的需求，特别适合控制对象复杂并且又需要较高实时运算能力的场合。

ARM数字处理的核心系统是整个电能质量检测卡的核心部分，外扩了其他设备。

该系统由主板供电，接收高速、高精度数据采样系统提供的模拟信号，将其转化为数字信号后进行处理，并将计算的电能质量参数结果传送到以太网控制器；然后以太网控制器将接收到的数据转化为以太网数据包格式后，发送至网络。

2.3上位机上位机部分的软件采用labview语言编写，为提高程序的执行效率和实现电能质量数据的存储而引入了多线程技术和数据库技术。

为了使上位机成为开放式的网络仪器，必须使上位机软件具有以太网协议的网络通信接口，以太网遵循TCP/IP协议进行数据通信，并可方便地与网络链接。

上图为上位机软件。

其界面友好，可选择某一路波形进行显示，还可选择单独显示某一路中的各可通过实时波形检测界面切换到谐波频谱棒图分析、谐波检测报表、谐波数据历史曲线几个界面进行谐数据分析。

2.4 模拟信号采样实验信号的采样涉及到采样频率、采样时钟和采样精度等。

选取特定的高精度采样芯片或利用ARM内部的A/D采样模块进行对模拟电压／电流信号采样。

为了节约成本，本文不采用昂贵的采样芯片，而直接利用ARM内部A/D采样模块进行采样。

利用ARM可在线编译和多次烧写的特性，可以利用片内资源进行数据采样、处理、中断以及通信的实验。

2.5 频率测量实验目前，关于频率的测量的研究，国内外已经有很多成果，也获得许多成熟的算法，大体可以归结为硬件测频法、软件测频方法两类。

硬件测频法又可分为计数法和周期法；软件测频方法又可分为周期法、解析法、误差最小原理类算法、离散傅里叶变换和快速傅里叶变换等数字处理算法。

因此，根据信号频率和系统高速数据采样和数据处理能力，设计了多种频率测量实验。

2.6 串口通信实验和以太网控制器实验当前在下位机和上位机的数据通信中，工业以太网已处于较为领先的地位，ARM通过串口控制以太网控制芯片，来完成数据的发送和接收，从而设计了串口通信的实验和以太网控制器驱动的设计实验。

2.7 捕获单元实验捕获单元能捕获到捕获单元外部引脚的跳变，一旦出现跳变就会出现使能触发。

当捕获到控制芯片的INT引脚电位发生跳变时，触发中断开始接收外部的数据。

3 信号处理实验信号处理实验主要是对电压/电流信号进行谐波分析。

谐波分析的算法较多，其中主要有：FFT，小波变换，Ｓ变换等。

本文采用FFT算法能对谐波和间谐波进行检测。

根据采样定理，为保证采样频率为信号最高频率的一定倍数要求倍，对采样信号可进行10次以内的谐波和间谐波分析。

3.1处理模块对于硬件采数以太网发布数据包的工作不做详细探讨，上位机部分labVIEW以其现有的数据处理模块给没有编程基础的人带来了很大的方便，其中很多波形处理模块，使用起来简单方便。

此时处理数据的算法选取好坏显得尤为重要。

LabVIEW每一个子VI都由前面板和程序框图构成，前面板主要是形象的图形表示主要用于用户对采集处理的数据进行查询及管理，是人机交互界面。

数据展现是整个电能质量分析系统中重要的一部分,在一般的应用程序中,通常使用表格的形式来显示数据。

而在分析系统中,除了使用表格来显示数据之外,还需要图形显示,使人们可以从生动的图形展示中了解电能质量的状况。

本系统通过利用labview图形控件来展示电能质量数据,操作简单。

通过数据库中查询用户需要的数据,得到数据对象。

由于所显示的信息并不是直接取数据库中的数据,而是显示通过统计、比对、计算得到的结果。

在服务器端对数据对象进行解析,按照用户所要查看的图表类型,对得到的数据进行分解,计算等操作,最终封装到一个界面，并返回给客户端,然后客户端再对数据包进行解析,将数据传给图形显示控件进行展现。

这个过程就是对数字信号进行处理的过程。

对于程序框图，它是数据处理层，电能质量分析的主干。

主要完成从电能质量监测数据中心数据库中采集用于分析用的各项数据，拆以太网数据包，并在转换的过程中对相关的基础数据进行计算，为各种指标分析做准备，计算功能主要包括如下两方面：(1）谐波数据计算；(2）电压电流的有功功率，无功功率，功率因数的计算；3.2 数据采集及预处理流程通过对监测数据中心中的结构及数据进行分析,将监测数据中心的数据转到电能质量分析系统的数据库中,对于某些基础指标(如谐波、电压暂降以及综合评估所涉及的分析用基础数据）,需要在采集的过程中进行计算。

采集方式采用设定时间的方式,可以根据用户设定的时间,定时地执行数据转换。

3.3波形处理及各项电能质量数据的计算方法3.3.1 数据传输处理各项性能指标：序号项目描述1 电压/电流/频率可测量三相电压、零线电压、三相电流、零线电流、频率等2 谐波测量可测量至50次谐波，测量结果包括各次谐波电压、谐波电流的幅值、电压谐波的总失真度、各次电压谐波/电流谐波含有率；可显示谐波频谱图3 功率测量可测量三相视在功率、有功功率、无功功率、功率因数、三相电能等4 三相不平衡测量可测量三相电压不平衡度及正序、负序、零序电压；三电流不平衡度及正序、负序、零序电流；可显示电压矢量、电流矢量5 浪涌电流可记录至少40个浪涌电流事件6 波动/闪变波动、短时闪变、长时闪变测量7 骤升/骤降可记录电压骤升、骤降事件，最多可记录40个事件8 监测记录可长时间地记录基本的（稳态）电能质量参数，记录时间间隔从3秒到30分钟可调。

9 图形显示界面可用于查看电压/电流信号波形3.3.2 谐波数据计算谐波和间谐波：含有基波整数倍频率的正弦电压或电流称为谐波。

含有基波非整数倍频率的正弦电压或电流称为间谐波，小于基波频率的分数次谐波也属于间谐波。

对于谐波的分析,需要基于1个或多个周波采样点（每个周波内包含128个采样点）的电压及电流数据来分离谐波，并计算各次谐波分量的幅值及相角，最终计算各次谐波的阻抗、电压含量、背景谐波、用户谐波。

在我们的系统中，取10个周期的采样点，大约是1280个点。

3.3.3电压波动和闪变电压波动和闪变：电压波动是指在包络线内的电压的有规则变动，或是幅值通常不超出0.9～1.1倍电压范围的一系列电压随机变化。

常会引起许多电能设备不能正常工作。

闪变则是指电压波动对照明灯的视觉影响。

引起闪变的主要因素是供电电压波动的幅值、频度、和波形。

3.4 独特性硬件部分：1、没有触发阈值，能连续记录一年以上每一个电网周波的128个数据和所有电能质量事件；2、4路电压、12路电流；3、内置的存储器，使设备具有超强的存储容量；4、超过0.1%的采样精度；5、高精度的电压、电流输入；6、强大的谐波分析能力，分析可达；7、详细的间谐波和次谐波测量分析能力；8、连续的故障录波功能；9、可扩展多路输入输出模块，可增加设备的监控能力和状态监测功能；10、多种通讯接口（2个10MB/100MB以太网接口、RS-485接口、RS-232接口、USB接口），适用于各种通信方式；11、模数转换能力强大；12、不用GPS就能达到0.1ms时间同步，用GPS同步精度更高；13、内置超强电容（在电网突然断电的情况下，自身能提供电源维持电力安全运行黑匣子继续工作25秒）；14、较宽的电源范围以及以太网供电。