利用CompactRIO開發(fā)實(shí)現(xiàn)電能質(zhì)量分析平臺

實(shí)現(xiàn)一個電能質(zhì)量分析儀，它包含一套完整的儀器，能夠執(zhí)行所有必要的電能相關(guān)的測量，并且能夠在一個運(yùn)行實(shí)時操作系統(tǒng)的小型硬件系統(tǒng)上實(shí)現(xiàn)并行處理。我們還必須考慮系統(tǒng)的可擴(kuò)展性，以便在進(jìn)行設(shè)計測量和數(shù)據(jù)處理運(yùn)算時符合最新的IEC和 EN標(biāo)準(zhǔn)。

解決方案：利用COTS（商業(yè)現(xiàn)成可用）的工具，如NI CompactRIO，一款堅固而可擴(kuò)展的硬件平臺，以及NI LabVIEW圖形開發(fā)環(huán)境來開發(fā)電能質(zhì)量分析儀，并使其遵守國際電能質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)

電能質(zhì)量測量很重要？

電能是一種產(chǎn)品，和任何其他產(chǎn)品一樣，并且它或許是目前工商業(yè)所需要的最必不可少的原材料。它的不同尋常之處在于它必須連續(xù)不斷被接收和使用，人們無法方便地大量儲存電能，并且在使用前無法方便地對它進(jìn)行質(zhì)量檢驗(yàn)。若電能質(zhì)量較差，則有可能對生產(chǎn)線造成重大損傷。因此，通過監(jiān)測電能質(zhì)量，我們就能夠在系統(tǒng)遭到損傷，并導(dǎo)致嚴(yán)重的財務(wù)損失之前找到潛在的問題。此時進(jìn)行預(yù)防工作的成本相對而言是較低的，并且工程師可以進(jìn)行一系列的改善工作，從優(yōu)化系統(tǒng)運(yùn)行流程到監(jiān)測與控制設(shè)備的整體安裝等。

什么是需要測量的量？

典型的電能質(zhì)量分析儀采集并分析電網(wǎng)中的三路電壓，并根據(jù)國際標(biāo)準(zhǔn)的規(guī)定計算電壓質(zhì)量。電壓質(zhì)量由以下參數(shù)進(jìn)行定義：頻率、電壓電平變化、閃變、三相系統(tǒng)不平衡、諧波光譜、總諧波失真和信號電壓電平等。在某些情況下，也需要將電流信號和電壓一起分析。這樣就可以分析電流相關(guān)的參數(shù)，并能夠計算一些間接參量，例如有功功率、無功功率、電能等。

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圖1??帶有電能質(zhì)量監(jiān)控功能的電能傳輸示意圖

我們的電能質(zhì)量分析軟硬件包被命名為ENA（全稱：ELCOM網(wǎng)絡(luò)分析儀），是用于電能質(zhì)量監(jiān)測的綜合的模塊化系統(tǒng)，它符合現(xiàn)行國際標(biāo)準(zhǔn)和其他國際規(guī)定文件的規(guī)定。

選擇開發(fā)平臺的注意事項

我們選擇在NI CompactRIO平臺上利用C系列模塊實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)。與傳統(tǒng)的基于計算機(jī)的儀器相比較，它更加緊湊、堅固，并且尺寸更小。它還具有更好的溫度規(guī)格（工作溫度范圍在-40°C和+70°C之間），以及非常低的功率消耗（約為8瓦）。而且，NI CompactRIO系列產(chǎn)品還能夠?yàn)槲覀兲峁└鞣N不同的尺寸規(guī)格，這對我們來說很重要，幫助我們快速適應(yīng)不同客戶及不同應(yīng)用的需要。

從豐富的C系列I/O模塊中，我們選擇了NI 9225 300V功率測量模塊進(jìn)行高電壓的測量。該模塊是為電網(wǎng)測量而設(shè)計的，能夠測量110V電網(wǎng)的相電壓和線電壓，以及240V電網(wǎng)的相電壓。針對電流測量，我們使用了NI 9227。NI 9225和NI 9227能夠在50k采樣點(diǎn)/秒的采樣率下實(shí)現(xiàn)同步采樣，能夠?qū)崿F(xiàn)精確的三相功率測量以及電能質(zhì)量測量，如：閃變、諧波和功率因數(shù)等。此外，我們還設(shè)計了特殊的電壓和電流模塊供選擇：EL9215U-R1和EL9215I-R1，它們都基于NI 9215模塊設(shè)計并內(nèi)嵌了我們的信號調(diào)理電子元件。它們占用三個插槽，可以集成到CompactRIO機(jī)箱中使用。

由于需要開發(fā)易于使用并且具有可移植性和可擴(kuò)展性的解決方案，所以我們選用了NI LabVIEW作為軟件開發(fā)環(huán)境，用于開發(fā)ENA的各部分軟件。根據(jù)所選擇的CompactRIO型號不同以及所選擇的輸入模塊的不同，有幾種不同型號的CompactRIO 電能質(zhì)量分析儀。ENA 電能質(zhì)量分析儀固件的最低要求是帶400MHz處理器的控制器和帶有2M現(xiàn)場可編程門陣列（Gate FPGA）的機(jī)箱。

基于CompactRIO的電能質(zhì)量分析儀

我們在這里展示的型號是ENA450，但是由于NI CompactRIO產(chǎn)品系列和系統(tǒng)的可擴(kuò)展性以及LabVIEW代碼的可移植性，我們能夠?qū)⑾到y(tǒng)調(diào)節(jié)成不同的尺寸大小，以滿足各種不同的應(yīng)用以及客戶的特殊需要。除基于完全靈活的NI CompactRIO 系統(tǒng)（ENA450.EC）以外，我們還創(chuàng)造了另外兩種整體解決方案，可以把應(yīng)用程序部署至：

·??集成化的CompactRIO系統(tǒng)（ENA450.EB, ENA450.NB），其在同一個機(jī)箱內(nèi)同時安裝了實(shí)時處理器和可重新配置現(xiàn)場可編程門陣列（FPGA）。

·??或者單板RIO（即Single-Board RIO）（ENA460）系統(tǒng)，其在單個印刷電路板上包含NI CompactRIO系統(tǒng)的三個核心部件-實(shí)時處理器、現(xiàn)場可編程門陣列（FPGA）和I/O 。

電能質(zhì)量分析儀的性能由儀器硬件和軟件確定。ENA電能質(zhì)量監(jiān)測系統(tǒng)包含一系列的軟件應(yīng)用程序，這些應(yīng)用程序可以用于分析儀的遠(yuǎn)程控制、已儲存數(shù)據(jù)分析及通過因特網(wǎng)發(fā)布電能質(zhì)量數(shù)據(jù)。這種?；睦砟羁梢詫?shí)現(xiàn)所有客戶需求，并且使成本最小化。

測量能力

固件ENA-Node（參見圖庫）在基于CompactRIO的ENA450分析儀上直接運(yùn)行并且提供各種測量服務(wù)，包括處理所有數(shù)據(jù)采集、計算和儲存。

固件ENA-Node包括一些并行運(yùn)行的軟件模塊：

· FFT分析儀
· 矢量分析儀
· 電流監(jiān)測器
· 閃變計
· EN50160電壓監(jiān)視器
· 半周期RMS監(jiān)視器
· 電壓發(fā)報和報警
· 數(shù)字輸入

所有上述固件模塊都適合于50Hz 和60Hz 電力系統(tǒng)。用戶可以通過儀器顯示器觀察數(shù)據(jù)并且把數(shù)據(jù)儲存在數(shù)據(jù)文件中。所有儀器都在9.6 kS/秒/通道的采樣率下工作。采樣率與被測量信號的頻率同步。實(shí)施的算法符合IEC61000-4-30、IEC61000-4-15和IEC61000-4-7等電能質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)的規(guī)定。

軟件將會分析電網(wǎng)的三個電壓信號(最高可達(dá)300Vrms)和三路電流瞬時值，以便計算電網(wǎng)的各種變量：RMS值、頻率、諧波光譜、總諧波失真、閃變、三相系統(tǒng)不平衡、有功功率、無功功率、電能和許多其他變量。通過使用NI 9227電流模塊或者通過電流鉗連接到ELCOM EL9215I-R1電流模塊，可以直接測量電流變送器（1A/5A）輸出的電流。

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圖2??ENA450接線圖–如何連接到輸電線

可測量的變量列表

電壓 ??	??電流 ??	??功率 ??	??電能 ??	?? ? 根據(jù)EN50160評估的電壓 ? ??
??RMS?（200毫秒和半周期） ??	??RMS?（200毫秒和半周期） ??	??功率因數(shù) ??	??有功電能合計 ??	??RMS ??
??THD ??	??THD ??	??余弦 ??	??基本有功電能(諧波1) ??	??THD ??
??諧波(1-50) ??	??諧波?(1-50) ??	??有功功率合計 ??	??無功電能合計 ??	??諧波(1-25) ??
??間諧波(0.5 – 49.5) ??	??間諧波(0.5 – 49.5) ??	??諧波有功功率(1-50) ??	??基本無功電能(諧波1) ??	??不平衡 ??
??直流部分 ??	??直流部分 ??	??無功功率合計 ??	??視在能量合計 ??	??頻率 ??
??不平衡 ??	?? ??	??諧波無功功率(1-50) ??	??正有功電能 ??	??信號電壓 ??
??短時閃變Pst，長時閃變Plt ??	?? ??	?? ??	??負(fù)有功電能 ??	?? ??
?? ??	?? ??	??視在功率合計 ??	??電感無功電能 ??	?? ??
?? ??	?? ??	??諧波視在功率（1-50） ??	??電容無功電能 ??	?? ?

用于儀器控制、數(shù)據(jù)管理和報表的用戶界面

易于使用的ENA-Touch用戶界面是一個用于ENA測量服務(wù)的圖形用戶界面。所有儀器控制、數(shù)據(jù)顯示和測量配置都通過ENA-Touch用戶界面進(jìn)行。為了顯示測量的數(shù)值，它可以容易、妥當(dāng)?shù)貙?shí)現(xiàn)配置并顯示測量的數(shù)據(jù)。有兩種類型的可視化面板：一些面板在表格中顯示固定數(shù)值，一些面板能夠支持多種顯示數(shù)據(jù)的方法（如表格、頻域圖表、圖表、矢量圖表及電能質(zhì)量的統(tǒng)計結(jié)果）以便顯示用戶自定義的數(shù)值。ENA-Touch用戶界面對于控制進(jìn)行了優(yōu)化，能夠使用觸摸屏進(jìn)行顯示，并且也可以在分辨率為800x480的超級移動PC上使用。ENA-Touch可以通過因特網(wǎng)TCP/IP協(xié)議遠(yuǎn)程控制ENA-Node。同時由于顯示了所有的聯(lián)機(jī)數(shù)據(jù)，系統(tǒng)也允許儲存數(shù)據(jù)以進(jìn)行離線分析。計算后的變量可及時地進(jìn)行累計并且一些數(shù)據(jù)在儲存之前就經(jīng)過了統(tǒng)計評估。數(shù)據(jù)根據(jù)一個規(guī)定的時間間隔定期儲存，另有一些基于事件的數(shù)據(jù)僅在事件發(fā)生時進(jìn)行儲存。

利用ENA-Report可以很方便地地對儲存的數(shù)據(jù)進(jìn)行離線分析，并生成報告。

利用ENA進(jìn)行分布式電能質(zhì)量監(jiān)測

利用一些ENA450分析儀可以構(gòu)造分布式監(jiān)測系統(tǒng)。分布式系統(tǒng)中的數(shù)據(jù)可以復(fù)制到MS-SQL或者ORACLE數(shù)據(jù)庫，以便進(jìn)行集中儲存和離線分析。

結(jié)論

這一電能質(zhì)量監(jiān)測系統(tǒng)的主要優(yōu)勢在于性能高，靈活性好并且尺寸小。通過使用具有內(nèi)置信號調(diào)理功能的C系列模塊，可以實(shí)現(xiàn)強(qiáng)大的、用戶容易掌握的解決方案，可以在很大程度上簡化軟件維護(hù)和進(jìn)一步開發(fā)，而不會對當(dāng)前的系統(tǒng)產(chǎn)生影響。若現(xiàn)有的電能質(zhì)量監(jiān)測標(biāo)準(zhǔn)有了任何更新或者修改，電能質(zhì)量監(jiān)測儀的特性可以快速更新并且緊跟最新標(biāo)準(zhǔn)。由于該解決方案具有開放性，所以現(xiàn)有系統(tǒng)能夠很容易與其他系統(tǒng)結(jié)合，通信協(xié)議可以根據(jù)客戶需求進(jìn)行調(diào)整或者集成到用戶現(xiàn)有的SCADA系統(tǒng)中。開放式硬件架構(gòu)允許用戶添加新的DIO用于監(jiān)測和控制，或者添加通信模塊實(shí)現(xiàn)GPS 或者GSM無線通信。