利用NICompactRIO開發(fā)完整并現(xiàn)成可用的電能質(zhì)量分析平臺(tái)

挑戰(zhàn):

實(shí)現(xiàn)一個(gè)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(cè)量，并且能夠在一個(gè)運(yùn)行實(shí)時(shí)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(jì)測(cè)量和數(shù)據(jù)處理運(yùn)算時(shí)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NICompactRIO，一款堅(jiān)固而可擴(kuò)展的硬件平臺(tái)，以及NILabVIEW圖形開發(fā)環(huán)境來(lái)開發(fā)電能質(zhì)量分析儀，并使其遵守國(guó)際電能質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)

"ENA電能質(zhì)量分析儀系列可以根據(jù)最新的國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)和/或客戶需要的任何額外功能，在短時(shí)間內(nèi)很方便地進(jìn)行修改或者擴(kuò)展。-丹尼爾•卡明斯基博士(Dr.DanielKaminsky)，Elcom公司主管"

電能質(zhì)量測(cè)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(wú)法方便地大量?jī)?chǔ)存電能，并且在使用前無(wú)法方便地對(duì)它進(jìn)行質(zhì)量檢驗(yàn)。若電能質(zhì)量較差，則有可能對(duì)生產(chǎn)線造成重大損傷。因此，通過(guò)監(jiān)測(cè)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(cái)務(wù)損失之前找到潛在的問(wèn)題。此時(shí)進(jìn)行預(yù)防工作的成本相對(duì)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(cè)與控制設(shè)備的整體安裝等。

什么是需要測(cè)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(guó)際標(biāo)準(zhǔn)的規(guī)定計(jì)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(hào)電壓電平等。在某些情況下，也需要將電流信號(hào)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(jì)算一些間接參量，例如有功功率、無(wú)功功率、電能等。

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(cè)的綜合的模塊化系統(tǒng)，它符合現(xiàn)行國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)和其他國(guó)際規(guī)定文件的規(guī)定。

選擇開發(fā)平臺(tái)的注意事項(xiàng)

我們選擇在NICompactRIO平臺(tái)上利用C系列模塊實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)。與傳統(tǒng)的基于計(jì)算機(jī)的儀器相比較，它更加緊湊、堅(jiān)固，并且尺寸更?。ǜ邔捝睿?818090mm或3.473.5英寸）。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，NICompactRIO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(duì)我們來(lái)說(shuō)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NI9225300V功率測(cè)量模塊進(jìn)行高電壓的測(cè)量。該模塊是為電網(wǎng)測(cè)量而設(shè)計(jì)的，能夠測(cè)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(duì)電流測(cè)量，我們使用了NI9227。NI9225和NI9227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(cè)量以及電能質(zhì)量測(cè)量，如：閃變、諧波和功率因數(shù)等。此外，我們還設(shè)計(jì)了特殊的電壓和電流模塊供選擇：EL9215U-R1和EL9215I-R1，它們都基于NI9215模塊設(shè)計(jì)并內(nèi)嵌了我們的信號(hào)調(diào)理電子元件。它們占用三個(gè)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NILabVIEW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(hào)不同以及所選擇的輸入模塊的不同，有幾種不同型號(hào)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(chǎng)可編程門陣列（GateFPGA）的機(jī)箱。

基于CompactRIO的電能質(zhì)量分析儀

我們?cè)谶@里展示的型號(hào)是ENA450，但是由于NICompactRIO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NICompactRIO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(gè)機(jī)箱內(nèi)同時(shí)安裝了實(shí)時(shí)處理器和可重新配置現(xiàn)場(chǎng)可編程門陣列（FPGA）。

•或者單板RIO（即Single-BoardRIO）（ENA460）系統(tǒng)，其在單個(gè)印刷電路板上包含NICompactRIO系統(tǒng)的三個(gè)核心部件-實(shí)時(shí)處理器、現(xiàn)場(chǎng)可編程門陣列（FPGA）和I/O。