电能质量的实时监控与分析系统设计方案

      近年来，电能质量已经成为重要焦点而越来越受到公用工程、设备、咨询工程师们的关注。现有的商业、工业设备和仪器，如数字计算机、电力电子设备及自动化设备，都对电源干扰很敏感。电源干扰发生频繁是由于不断增加的节能设备，如开关电源、变速装置转换器等。对电源干扰进行监控及数据采集实现对电能质量的研究势在必行。

　　为了更好地了解电能质量问题，必须有一套全面的监控及数据采集系统，籍此来描述干扰及电能质量变化。在实验中需要一套可配置、可编程的PXI/CompactPCI高性能PC系统，配合高速数据采集单元及软件支持来实现性能要求。

　　在这个项目中，采用美国国家仪器PXI硬件及LabVIEW图形化编程软件来设计系统。LabVIEW中的分析及显示工具是最理想的选择。结合LabVIEW中功能强大的分析工具及高性能基于Pentium的PXI嵌入式控制器，能够实现对频率偏移的实时监控，检测变形与波峰。高速数据采集能够为详细的谐波、相位偏移分析及电力分析提供有效的时间分辨率。

　　硬件

　　系统由美国国家仪器PXIPentium233MHz嵌入式计算机及PXI-6070E多功能数据采集板卡构成。并且采用SCXI-1120及SCXI-1327接线端子来将电网电压与计算机隔离开，将其衰减至能够适用于数据采集卡的电压范围，并采用电流探针来监控电流。

　　系统描述

　　我们将系统进行配置以实现以下任务：

　　连续事件及频率监控模式

　　在这一模式下，系统对电压及电流的输入采样，实现对波形失效和脉冲干扰的连续搜索，记录指定时间内的所有事件及波形的振幅偏移，并用时间戳标记。

　　在监控过程中，被记录的事件的状态将显示在前面板上。频率的监控由PXI-6007E上的计数器完成，通过测量10个输入信号的周期换算得到。搭建了一个简单的TTL电路，包含施密特门、十进制计数器、触发器，它将电压信号转换成TTL电平，为计数器产生一个选通信号。门信号将在10个输入波形的周期的时间内保持开状态。之后通过PXI-6070E发出的数字信号使电路复位，循环进行后续的频率测量。频率的当前值会在前面板上显示。监控完成后，将显示所有被记录事件的波形，并标记时间信息。

　　仿真模式

　　高速电压电流采集模式

　　该模式下将对电压和电流的波形进行采样和保存，以供事后分析。可供用户选择的采样率决定分析结果的分辨率。在采集过程中，可以将部分采样数据显示在前面板上。采集过程采用硬件或软件触发，在电压过零点开始采样。用户提供的注释、数据、时间及采样设置将作为文件头写入每个采样数据文件。该模式下可在指定时间片内实现连续采样，也可由用户控制采样起始中止。

　　分析面板上具有以下功能：

　　１.从硬盘种选择数据文件

　　２.采用图表方式显示所选文件的波形

　　３.谐波分析？软件可以打开测量文件中指定周期数的数据，从而对于所有波形或者波形中的某一部分进行谐波分析，最后将结果以柱状图或文本形式显示

　　通常，我们采用25个测量周期的数据进行分析，最后能显示每个被分析周期内的总谐波失真。此外，还能在所有测量周期中选择五个谐波来观察其趋势。

　　１.相位偏移分析-可选择性地扫描测量数据文件，读取指定数量的周期，对其电压电流波形进行相位偏移计算，结果以相位-时间为坐标轴显示。

　　２.功率分析？计算并显示真实的功率因数、实际功率(W)、表现功率(VA)及无功功率(VAR)

　　仿真模式

　　软件还能够通过仿真产生电压电流输入波形。我们可以人为设置噪声、谐波、相偏参数，以及随机尖峰脉冲和失真，以此模拟随机产生的波形。在仿真模式下，将发生波形作为输入源，并可以对其进行高速数据流盘。此外还能将发生波形送入数据采集卡上的数模转换器，并对结果进行测量和分析。

　　结论

　　电力线监控系统的原型基于高性能PXI硬件来实现电压和电流波形的采集及显示，系统能够对波形的失真、脉冲干扰、频率偏移进行监控。高速数据采集卡以足够的时间分辨率采集并保存数据，并实现对于波形的后分析。LabVIEW的分析工具能够方便的实现谐波、相位偏移及功率分析的算法。通过对仿真器编程产生不同负载下的典型波形来达到演示和教学目的。由于编程界面的灵活性和可扩展性，在目前的系统建模基础上还能进一步提高分析能力及功能性。