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

0 引 言
    隨著電力系統(tǒng)運(yùn)行管理的系統(tǒng)化、智能化、自動(dòng)化和網(wǎng)絡(luò)化，對(duì)電網(wǎng)的遠(yuǎn)程實(shí)時(shí)監(jiān)控和自動(dòng)化調(diào)試是電力系統(tǒng)發(fā)展的必然趨勢(shì)。近年來(lái)，隨著人們對(duì)電力能源需求的不斷增長(zhǎng)，電力電子設(shè)備應(yīng)用越來(lái)越廣泛，大量的非線性負(fù)荷、沖擊性負(fù)荷的投運(yùn)，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(dòng)和三相不平衡等問(wèn)題，電能質(zhì)量不斷惡化。為實(shí)現(xiàn)對(duì)電力系統(tǒng)實(shí)時(shí)的監(jiān)控和準(zhǔn)確的調(diào)度，全面掌握電網(wǎng)中電能質(zhì)量狀況并對(duì)電力參數(shù)進(jìn)行快速準(zhǔn)確的測(cè)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(cè)系統(tǒng)(以下簡(jiǎn)稱(chēng)“監(jiān)測(cè)系統(tǒng)”)，不但能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)采集與分析處理，而且還能夠通過(guò)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)與控制，有助于解決現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境惡劣而難以在現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行精確測(cè)試的問(wèn)題。

1 監(jiān)測(cè)系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)
    系統(tǒng)用于供電系統(tǒng)線路中各項(xiàng)電力參數(shù)的監(jiān)測(cè)。根據(jù)被測(cè)參數(shù)的特性，利用相應(yīng)的傳感器通過(guò)數(shù)據(jù)采集電路采集被測(cè)點(diǎn)的電壓和電流信號(hào)，然后根據(jù)采集的被測(cè)點(diǎn)數(shù)據(jù)計(jì)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(cè)系統(tǒng)主要包括管理計(jì)算機(jī)、監(jiān)測(cè)計(jì)算機(jī)、PXI數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)、信號(hào)調(diào)理和工業(yè)以太網(wǎng)交換機(jī)及打印機(jī)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(jì)
    管理計(jì)算機(jī)主要用于系統(tǒng)的運(yùn)行狀態(tài)及數(shù)據(jù)的管理，協(xié)調(diào)系統(tǒng)的運(yùn)行，為用戶(hù)提供現(xiàn)場(chǎng)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)情況，實(shí)現(xiàn)統(tǒng)一的監(jiān)控和數(shù)據(jù)管理。現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)計(jì)算機(jī)主要完成對(duì)供電系統(tǒng)被測(cè)點(diǎn)的信號(hào)進(jìn)行監(jiān)測(cè)，進(jìn)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(shí)現(xiàn)從被測(cè)線路獲取電壓電流的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)。根據(jù)被測(cè)現(xiàn)場(chǎng)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(chǎng)監(jiān)控計(jì)算機(jī)可以將PXI數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，并生成報(bào)表通過(guò)以太網(wǎng)交換機(jī)根據(jù)用戶(hù)的需求上傳給配電系統(tǒng)管理計(jì)算機(jī)；配電系統(tǒng)管理計(jì)算機(jī)具有故障告警功能，也可以通過(guò)以太網(wǎng)接受現(xiàn)場(chǎng)計(jì)算機(jī)的數(shù)據(jù)進(jìn)行數(shù)據(jù)分析，將監(jiān)控故障信號(hào)進(jìn)行回放，利用查找原因，解決問(wèn)題。

    數(shù)據(jù)采集模塊主要由信號(hào)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(hào)調(diào)理電路主要完成將被測(cè)點(diǎn)的電壓、電流信號(hào)進(jìn)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(yùn)放電路、跟隨電路等組成，實(shí)現(xiàn)了外部電力高壓、大電流信號(hào)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(duì)輸入信號(hào)進(jìn)行線性變換，信號(hào)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(hào)轉(zhuǎn)變?yōu)殡妷盒盘?hào)，然后將其送人調(diào)理電路的輸入端，最后利用系統(tǒng)中的軟件模塊對(duì)調(diào)理后的信號(hào)進(jìn)行數(shù)據(jù)采集。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)
3．1 LabVIEW軟件介紹
    在本測(cè)試系統(tǒng)中，采用NI公司的LabVIEW7．1開(kāi)發(fā)系統(tǒng)監(jiān)測(cè)應(yīng)用軟件。LabVIEW是高效圖形化應(yīng)用開(kāi)發(fā)環(huán)境，它結(jié)合了簡(jiǎn)單易用的圖形化開(kāi)發(fā)方式和靈活強(qiáng)大的編程語(yǔ)言?xún)?yōu)勢(shì)，易于實(shí)現(xiàn)軟件和硬件的無(wú)縫連接，在完成數(shù)據(jù)采集后，可以利用LabVIEW提供的強(qiáng)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(yùn)行的軟件代碼。在以往的單機(jī)測(cè)試基礎(chǔ)上進(jìn)行了二次開(kāi)發(fā)，開(kāi)發(fā)了一些專(zhuān)門(mén)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(jì)算機(jī)和測(cè)試計(jì)算機(jī)能夠進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)交換。
3．2 監(jiān)測(cè)系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)
    為節(jié)省內(nèi)存資源，系統(tǒng)狀態(tài)監(jiān)測(cè)軟件除了利用DataSocket技術(shù)共享和發(fā)布實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)外，還利用了Lab-VIEW獨(dú)有的VI Server技術(shù)，用其提供的庫(kù)函數(shù)編程實(shí)現(xiàn)程序的動(dòng)態(tài)控制，保證了VI在需要時(shí)才被裝入內(nèi)存，減少了系統(tǒng)內(nèi)存占用，提高了運(yùn)行效率。
    監(jiān)測(cè)系統(tǒng)應(yīng)用軟件分為管理計(jì)算機(jī)應(yīng)用軟件和現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)計(jì)算機(jī)應(yīng)用軟件兩部分。管理計(jì)算機(jī)應(yīng)用軟件，運(yùn)行在管理計(jì)算機(jī)上，主要完成對(duì)供電系統(tǒng)的協(xié)調(diào)管理功能，并能實(shí)現(xiàn)故障告警等功能；現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)計(jì)算機(jī)應(yīng)用軟件，運(yùn)行在現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)計(jì)算機(jī)上，能夠完成實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)、數(shù)據(jù)保存、歷史回放、生成報(bào)表和數(shù)據(jù)信息的上傳等功能。
    管理計(jì)算機(jī)應(yīng)用軟件主要由四個(gè)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(shí)現(xiàn)對(duì)RS485總線通信參數(shù)和以太網(wǎng)參數(shù)進(jìn)行設(shè)定等；電力參數(shù)分析模塊主要用于當(dāng)現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)計(jì)算機(jī)出現(xiàn)故障報(bào)警時(shí)，通過(guò)以太網(wǎng)調(diào)取現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)控計(jì)算機(jī)采集到的相關(guān)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，然后根據(jù)分析結(jié)果進(jìn)行故障診斷，從而排除系統(tǒng)故障，保證電力供應(yīng)；系統(tǒng)狀態(tài)監(jiān)控模塊主要用來(lái)顯示監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的運(yùn)行狀態(tài)。

    現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)計(jì)算機(jī)應(yīng)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(gè)主模塊組成。為了實(shí)現(xiàn)對(duì)供電系統(tǒng)中監(jiān)測(cè)線路的監(jiān)控，現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)計(jì)算機(jī)首先要通過(guò)數(shù)據(jù)采集模塊對(duì)所監(jiān)測(cè)線路的信號(hào)進(jìn)行采集，并能夠利用數(shù)據(jù)分析模塊進(jìn)行分析，如對(duì)電壓電流穩(wěn)態(tài)／瞬態(tài)參數(shù)進(jìn)行分析，并能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)電網(wǎng)進(jìn)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(dòng)判斷是否存在故障，若有故障，通過(guò)故障告警模塊將故障信息上傳給管理計(jì)算機(jī)，同時(shí)保存相關(guān)數(shù)據(jù)；若沒(méi)有故障，則放棄保存該部分?jǐn)?shù)據(jù)。為了監(jiān)測(cè)方便，該軟件也可以先記錄數(shù)據(jù)，然后進(jìn)行特性參數(shù)分析，或直接進(jìn)人單個(gè)模塊直接分析參數(shù)。本地波形監(jiān)控模塊同步實(shí)時(shí)采集多個(gè)通道的波形，并能通過(guò)網(wǎng)絡(luò)把現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)結(jié)果發(fā)送給管理計(jì)算機(jī)，以供用戶(hù)在遠(yuǎn)程終端監(jiān)測(cè)。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(chǔ)、回放和生成報(bào)表及打印等功能?，F(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)計(jì)算機(jī)程序流程如圖4所示。

4 遠(yuǎn)程通信技術(shù)在監(jiān)測(cè)系統(tǒng)中的應(yīng)用
    對(duì)供電系統(tǒng)的遠(yuǎn)程監(jiān)控，主要是利用網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)的。遠(yuǎn)程面板和DataSocket通信是LabVIEW為適應(yīng)工業(yè)以太網(wǎng)發(fā)展而開(kāi)發(fā)的數(shù)據(jù)通信方式，遠(yuǎn)程面板支持直接操作位于遠(yuǎn)程計(jì)算機(jī)上的VI前面板，而DataSocket可用于高速實(shí)時(shí)地發(fā)布測(cè)試數(shù)據(jù)。
    1)遠(yuǎn)程面板技術(shù)
    為實(shí)現(xiàn)對(duì)遠(yuǎn)程現(xiàn)場(chǎng)中的狀態(tài)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，系統(tǒng)采用了遠(yuǎn)程面板技術(shù)。進(jìn)行遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)時(shí)，LabVIEW的遠(yuǎn)程面板技術(shù)可以實(shí)現(xiàn)用戶(hù)在辦公室的計(jì)算機(jī)中通過(guò)網(wǎng)絡(luò)監(jiān)測(cè)現(xiàn)場(chǎng)的情況。遠(yuǎn)程面板技術(shù)，通過(guò)設(shè)置LabVIEW中相關(guān)參數(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)供電系統(tǒng)的遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)。該技術(shù)允許用戶(hù)直接在客戶(hù)端打開(kāi)并操作位于遠(yuǎn)程計(jì)算機(jī)上的VI前面板。
    2)DataSocket技術(shù)
    隨著現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展，用Web Server在網(wǎng)絡(luò)上傳播VI的動(dòng)態(tài)圖像可以達(dá)到滿意的效果。Lab-VIEW提供的一種在網(wǎng)上進(jìn)行實(shí)時(shí)高速數(shù)據(jù)交換的方法--DataSocker，它主要面向測(cè)量和網(wǎng)上實(shí)時(shí)高速數(shù)據(jù)交換，可用于一個(gè)計(jì)算機(jī)內(nèi)或者網(wǎng)絡(luò)中多個(gè)應(yīng)用程序之間的數(shù)據(jù)交換，從而滿足了遠(yuǎn)程現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)的需要。

5 結(jié)束語(yǔ)
    本文提出的基于網(wǎng)絡(luò)的電能質(zhì)量監(jiān)測(cè)系統(tǒng)不但能夠完成供電系統(tǒng)電氣參數(shù)的測(cè)試，而且能夠?qū)崿F(xiàn)用戶(hù)在遠(yuǎn)程終端對(duì)現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行監(jiān)測(cè)和控制。通過(guò)實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，該監(jiān)測(cè)系統(tǒng)具有運(yùn)行穩(wěn)定、測(cè)量精度高、實(shí)時(shí)性好、操作簡(jiǎn)單、便于維護(hù)等特點(diǎn)，系統(tǒng)能夠滿足對(duì)供電系統(tǒng)遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)和控制的要求。