電氣化鐵路電能質量參數監測系統的設計

0 引言

??? 電能作為現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展水平的重要標志之一。近年來，隨著我國電力事業的迅速發展，電力系統的規模日益擴大。與此同時，用戶對電能質量的要求也越來越高，使得電能質量問題日益緊迫地擺在了人們的面前，電能質量的好壞直接關系到國民經濟的總體效益。鐵路作為國民經濟的重要基礎設施，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，在節能降耗，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低、諧波含量高和負序等問題，嚴重影響公用電網的電能質量。從我國鐵路發展的歷程和趨勢來看，電氣化鐵路在路網中所占的比例將越來越大，對公用電網的影響也將越來越嚴重。因此，建立和實施電能質量的監測與分析，是提高電能質量的一個重要技術手段。研制一種新型的電能質量參數監測系統，有效地進行電能質量參數的監測，對于保證電力系統運行的安全性、經濟性和可靠性，都具有重要意義。

??? 目前。國內大部分地區仍采用便攜式電能質量監測儀進行電能質量測量，由于該儀器的測量指標單一，不能連續監測，測量勞動強度大，因而不能很好地適應電能質量管理的需要。隨著數字化測量技術、計算機技術和網絡通信技術的飛速發展，國內一些科研院所已開展了電能質量遠程監測系統的研究。采用計算機遠程在線監測，可連續多點監測，并可輔助管理，故能克服傳統手工監測手段的缺陷。而本文把虛擬儀器技術應用到電能質量監測系統中，同樣具有上述優點，而且實現起來較為方便。

1 系統總體結構

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

??? 本系統的硬件由傳感器、信號調理模塊、數據采集卡和計算機組成，其硬件結構如圖1所示。

??? 本系統的軟件開發環境為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工具。對于一個虛擬儀器系統而言，軟件是關鍵，是靈魂，硬件僅用于解決信號的輸入和輸出。

2 系統總體設計思路

??? 基于虛擬儀器技術的電氣化鐵路電能質量參數監測系統要實現的功能包括實現對電壓電流的有效值、電壓偏差、電網頻率、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的設計。采用模塊結構的最大的優點是效率高。由于模塊可以共享數據，并可相互調用，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構。而當需要增加系統功能時，也只需要增加相應的軟件功能模塊即可。

??? 電能質量測量的模塊主要包括數據采集模塊、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，其系統功能如圖2所示。

??? 電能質量監測的整個系統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，同時也可以通過調用不同的小功能模塊來構成。

?? 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”功能函數來實現分頁，其電能質量監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，每個頁面可以實現不同的測試任務。

3 電力參數測量程序與測試結果

??? 對于電氣化鐵路，供電部門的電能質量評價指標主要有功率因數、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。本系統監測的電力參數有電流、電壓、頻率、諧波、功率因數、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各次諧波頻率、幅值和THD這三個參數的測量。諧波分析的方法很多，理論和實現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，諧波測量次數一般不小于30次。根據IEC 1000-4-7：1991，電磁兼容(EMC)第四部分第七節中，諧波測量范圍取基波和2~40次諧波。本系統中，總諧波次數取40次。

??? 需要對采集到的數據進行諧波分析時，可利用索引數組Index Array從數據文件“采集數據庫，dat”中分別取出每一行的數據，并依次加載在功能函數“Hamming Window．vi”的input signal引腳上，再通過#harmonics設置諧波次數(諧波次數可設置為40次1，這樣，各次諧波的幅值和頻率將以數組形式表示出來。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組控件及數值控件加以顯示，同時以圖形控件顯示除基波之外的各次諧波的幅值。

4 結束語

??? 將虛擬儀器技術用于電能質量的監測中，具有硬件結構簡單，軟件開發周期短，功能擴展靈活等優點。從仿真結果來看，該系統運行良好，性能穩定，計算結果、設計思想和實際相符合，能夠滿足對電能質量參數監測的要求。