基于網(wǎng)絡(luò)的電能質(zhì)量監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計

0 引 言
    隨著電力系統(tǒng)運行管理的系統(tǒng)化、智能化、自動化和網(wǎng)絡(luò)化，對電網(wǎng)的遠程實時監(jiān)控和自動化調(diào)試是電力系統(tǒng)發(fā)展的必然趨勢。近年來，隨著人們對電力能源需求的不斷增長，電力電子設(shè)備應用越來越廣泛，大量的非線性負荷、沖擊性負荷的投運，使公用電網(wǎng)中產(chǎn)生了大量的諧波干擾以及電壓波形畸變、電壓波動和三相不平衡等問題，電能質(zhì)量不斷惡化。為實現(xiàn)對電力系統(tǒng)實時的監(jiān)控和準確的調(diào)度，全面掌握電網(wǎng)中電能質(zhì)量狀況并對電力參數(shù)進行快速準確的測試就變得十分重要。本文提出了一種基于網(wǎng)絡(luò)的電能質(zhì)量監(jiān)測系統(tǒng)(以下簡稱“監(jiān)測系統(tǒng)”)，不但能夠?qū)崿F(xiàn)對現(xiàn)場數(shù)據(jù)的實時采集與分析處理，而且還能夠通過網(wǎng)絡(luò)進行遠程監(jiān)測與控制，有助于解決現(xiàn)場環(huán)境惡劣而難以在現(xiàn)場進行精確測試的問題。

1 監(jiān)測系統(tǒng)總體設(shè)計
    系統(tǒng)用于供電系統(tǒng)線路中各項電力參數(shù)的監(jiān)測。根據(jù)被測參數(shù)的特性，利用相應的傳感器通過數(shù)據(jù)采集電路采集被測點的電壓和電流信號，然后根據(jù)采集的被測點數(shù)據(jù)計算交流供電系統(tǒng)的電壓、電流、頻率、諧波含量、畸變系數(shù)、波峰系數(shù)等電力參數(shù)。監(jiān)測系統(tǒng)主要包括管理計算機、監(jiān)測計算機、PXI數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)、信號調(diào)理和工業(yè)以太網(wǎng)交換機及打印機等。系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)圖如圖1所示。

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計
    管理計算機主要用于系統(tǒng)的運行狀態(tài)及數(shù)據(jù)的管理，協(xié)調(diào)系統(tǒng)的運行，為用戶提供現(xiàn)場實時監(jiān)測情況，實現(xiàn)統(tǒng)一的監(jiān)控和數(shù)據(jù)管理?，F(xiàn)場監(jiān)測計算機主要完成對供電系統(tǒng)被測點的信號進行監(jiān)測，進行數(shù)據(jù)采集和數(shù)據(jù)分析；PXI數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)主要實現(xiàn)從被測線路獲取電壓電流的實時數(shù)據(jù)。根據(jù)被測現(xiàn)場的監(jiān)控需求，選用2塊NI公司的PXI數(shù)據(jù)采集卡PXI-6254，每塊板卡有32路模擬量輸入通道，共有64路模擬量輸入通道。供電現(xiàn)場監(jiān)控計算機可以將PXI數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)采集到的數(shù)據(jù)進行分析，并生成報表通過以太網(wǎng)交換機根據(jù)用戶的需求上傳給配電系統(tǒng)管理計算機；配電系統(tǒng)管理計算機具有故障告警功能，也可以通過以太網(wǎng)接受現(xiàn)場計算機的數(shù)據(jù)進行數(shù)據(jù)分析，將監(jiān)控故障信號進行回放，利用查找原因，解決問題。

    數(shù)據(jù)采集模塊主要由信號調(diào)理電路、硬件同步電路、A／D轉(zhuǎn)換電路等幾部分組成。信號調(diào)理電路主要完成將被測點的電壓、電流信號進行調(diào)理到采集卡所能承受的范圍內(nèi)的功能。調(diào)理電路主要由電壓互感器、電流互感器、運放電路、跟隨電路等組成，實現(xiàn)了外部電力高壓、大電流信號與本系統(tǒng)的電氣隔離，減小了外部電磁干擾，提高了電氣安全性能和可靠性，并對輸入信號進行線性變換，信號調(diào)理電路如圖2所示。電流的調(diào)理采用利用精密電阻將電流信號轉(zhuǎn)變?yōu)殡妷盒盘枺缓髮⑵渌腿苏{(diào)理電路的輸入端，最后利用系統(tǒng)中的軟件模塊對調(diào)理后的信號進行數(shù)據(jù)采集。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計
3．1 LabVIEW軟件介紹
    在本測試系統(tǒng)中，采用NI公司的LabVIEW7．1開發(fā)系統(tǒng)監(jiān)測應用軟件。LabVIEW是高效圖形化應用開發(fā)環(huán)境，它結(jié)合了簡單易用的圖形化開發(fā)方式和靈活強大的編程語言優(yōu)勢，易于實現(xiàn)軟件和硬件的無縫連接，在完成數(shù)據(jù)采集后，可以利用LabVIEW提供的強大的數(shù)據(jù)分析模塊，完成數(shù)據(jù)處理和顯示，可以高效率的創(chuàng)建穩(wěn)定運行的軟件代碼。在以往的單機測試基礎(chǔ)上進行了二次開發(fā)，開發(fā)了一些專門的處理模塊，并成功利用了LabVIEW的網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)，使管理計算機和測試計算機能夠進行網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)交換。
3．2 監(jiān)測系統(tǒng)軟件設(shè)計
    為節(jié)省內(nèi)存資源，系統(tǒng)狀態(tài)監(jiān)測軟件除了利用DataSocket技術(shù)共享和發(fā)布實時數(shù)據(jù)外，還利用了Lab-VIEW獨有的VI Server技術(shù)，用其提供的庫函數(shù)編程實現(xiàn)程序的動態(tài)控制，保證了VI在需要時才被裝入內(nèi)存，減少了系統(tǒng)內(nèi)存占用，提高了運行效率。
    監(jiān)測系統(tǒng)應用軟件分為管理計算機應用軟件和現(xiàn)場監(jiān)測計算機應用軟件兩部分。管理計算機應用軟件，運行在管理計算機上，主要完成對供電系統(tǒng)的協(xié)調(diào)管理功能，并能實現(xiàn)故障告警等功能；現(xiàn)場監(jiān)測計算機應用軟件，運行在現(xiàn)場監(jiān)測計算機上，能夠完成實時監(jiān)測、數(shù)據(jù)保存、歷史回放、生成報表和數(shù)據(jù)信息的上傳等功能。
    管理計算機應用軟件主要由四個模塊組成，程序結(jié)構(gòu)圖如圖3所示。系統(tǒng)配置模塊的功能是實現(xiàn)對RS485總線通信參數(shù)和以太網(wǎng)參數(shù)進行設(shè)定等；電力參數(shù)分析模塊主要用于當現(xiàn)場監(jiān)測計算機出現(xiàn)故障報警時，通過以太網(wǎng)調(diào)取現(xiàn)場監(jiān)控計算機采集到的相關(guān)數(shù)據(jù)進行分析，然后根據(jù)分析結(jié)果進行故障診斷，從而排除系統(tǒng)故障，保證電力供應；系統(tǒng)狀態(tài)監(jiān)控模塊主要用來顯示監(jiān)測系統(tǒng)的運行狀態(tài)。

    現(xiàn)場監(jiān)測計算機應用軟件由數(shù)據(jù)采集模塊、數(shù)據(jù)分析模塊、故障告警模塊和本地波形監(jiān)控模塊四個主模塊組成。為了實現(xiàn)對供電系統(tǒng)中監(jiān)測線路的監(jiān)控，現(xiàn)場監(jiān)測計算機首先要通過數(shù)據(jù)采集模塊對所監(jiān)測線路的信號進行采集，并能夠利用數(shù)據(jù)分析模塊進行分析，如對電壓電流穩(wěn)態(tài)／瞬態(tài)參數(shù)進行分析，并能夠?qū)崿F(xiàn)對電網(wǎng)進行諧波分析、畸變分析和功率因數(shù)分析等，然后將根據(jù)分析結(jié)果自動判斷是否存在故障，若有故障，通過故障告警模塊將故障信息上傳給管理計算機，同時保存相關(guān)數(shù)據(jù)；若沒有故障，則放棄保存該部分數(shù)據(jù)。為了監(jiān)測方便，該軟件也可以先記錄數(shù)據(jù)，然后進行特性參數(shù)分析，或直接進人單個模塊直接分析參數(shù)。本地波形監(jiān)控模塊同步實時采集多個通道的波形，并能通過網(wǎng)絡(luò)把現(xiàn)場監(jiān)測結(jié)果發(fā)送給管理計算機，以供用戶在遠程終端監(jiān)測。數(shù)據(jù)采集模塊、數(shù)據(jù)分析模塊和本地波形監(jiān)控模塊都包含數(shù)據(jù)存儲、回放和生成報表及打印等功能?，F(xiàn)場監(jiān)測計算機程序流程如圖4所示。

4 遠程通信技術(shù)在監(jiān)測系統(tǒng)中的應用
    對供電系統(tǒng)的遠程監(jiān)控，主要是利用網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)來實現(xiàn)的。遠程面板和DataSocket通信是LabVIEW為適應工業(yè)以太網(wǎng)發(fā)展而開發(fā)的數(shù)據(jù)通信方式，遠程面板支持直接操作位于遠程計算機上的VI前面板，而DataSocket可用于高速實時地發(fā)布測試數(shù)據(jù)。
    1)遠程面板技術(shù)
    為實現(xiàn)對遠程現(xiàn)場中的狀態(tài)進行實時監(jiān)測，系統(tǒng)采用了遠程面板技術(shù)。進行遠程監(jiān)測時，LabVIEW的遠程面板技術(shù)可以實現(xiàn)用戶在辦公室的計算機中通過網(wǎng)絡(luò)監(jiān)測現(xiàn)場的情況。遠程面板技術(shù)，通過設(shè)置LabVIEW中相關(guān)參數(shù)來實現(xiàn)供電系統(tǒng)的遠程監(jiān)測。該技術(shù)允許用戶直接在客戶端打開并操作位于遠程計算機上的VI前面板。
    2)DataSocket技術(shù)
    隨著現(xiàn)代科學技術(shù)的不斷發(fā)展，用Web Server在網(wǎng)絡(luò)上傳播VI的動態(tài)圖像可以達到滿意的效果。Lab-VIEW提供的一種在網(wǎng)上進行實時高速數(shù)據(jù)交換的方法--DataSocker，它主要面向測量和網(wǎng)上實時高速數(shù)據(jù)交換，可用于一個計算機內(nèi)或者網(wǎng)絡(luò)中多個應用程序之間的數(shù)據(jù)交換，從而滿足了遠程現(xiàn)場監(jiān)測的需要。

5 結(jié)束語
    本文提出的基于網(wǎng)絡(luò)的電能質(zhì)量監(jiān)測系統(tǒng)不但能夠完成供電系統(tǒng)電氣參數(shù)的測試，而且能夠?qū)崿F(xiàn)用戶在遠程終端對現(xiàn)場進行監(jiān)測和控制。通過實驗發(fā)現(xiàn)，該監(jiān)測系統(tǒng)具有運行穩(wěn)定、測量精度高、實時性好、操作簡單、便于維護等特點，系統(tǒng)能夠滿足對供電系統(tǒng)遠程監(jiān)測和控制的要求。