基于labVIEW的电能质量分析系统1.doc

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。
2.1A/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