專利名稱：基于虛擬儀器技術(shù)的電能質(zhì)量監(jiān)測裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實用新型涉及一種基于虛擬儀器技術(shù)的電能質(zhì)量監(jiān)測裝置，屬于電力測量領(lǐng) 域。
背景技術(shù)：
近年來，由于大量采用電力電子技術(shù)的工業(yè)設(shè)備和家用電器的應(yīng)用，電能質(zhì)量逐 漸惡化，嚴重影響了電力用戶的生產(chǎn)和生活。但是，現(xiàn)代社會中，電能是一種廣泛使用的能 源，隨著國民經(jīng)濟的發(fā)展，對電能的需求量日益增加，這就需要電力部門實時監(jiān)測電能的質(zhì) 量情況，并及時采取相應(yīng)措施來對電能質(zhì)量進行調(diào)整。通常衡量電能質(zhì)量的主要指標有5 項(1)電壓偏差；(2)頻率偏差；(3)波形質(zhì)量或諧波含量；(4)電壓波動與閃變；(5)三相 不平衡。目前，國內(nèi)外對電能質(zhì)量監(jiān)測方式大致分為三種第一種、專項測量即對各種干擾負荷或補償設(shè)備，如電弧爐、換流設(shè)備、電容器 組、濾波器等在接入電網(wǎng)前后，或反映電能質(zhì)量出現(xiàn)異常，需要對比前后變化情況的場合， 測量這些設(shè)備對電網(wǎng)電能質(zhì)量各項指標的影響，通過與國家相關(guān)標準對照，決定其是否可 以投運或確定電網(wǎng)電能質(zhì)量指標的背景狀況和負荷變動與干擾發(fā)生的實際參量。專項檢測 工作在完成預(yù)定任務(wù)后即可撤消。第二種、定期或不定期監(jiān)測即針對普通電力干擾源，根據(jù)干擾的大小、危害程度 采取定期或不定期監(jiān)測方式。定期監(jiān)測多用于電網(wǎng)電能質(zhì)量的定期普查，主要目的是全面 了解全網(wǎng)電能質(zhì)量水平和干擾源的特性。不定期監(jiān)測主要是針對電力用戶的特殊電能質(zhì)量 問題進行監(jiān)測分析。第三種、在線監(jiān)測在線監(jiān)測主要用于監(jiān)測重要變電站或?qū)嵤o人值班變電站的 公共配電點或重要電力用戶的配電點的電能質(zhì)量。在線監(jiān)測的功能包括數(shù)據(jù)顯示、數(shù)據(jù)存 儲、數(shù)據(jù)遠傳、對監(jiān)測項目的越限報警和遠程控制。通過計算機網(wǎng)絡(luò)將監(jiān)測的實時數(shù)據(jù)、歷 史變化曲線、指標越限報警信號等進行就地顯示和實現(xiàn)遠程監(jiān)控。目前的電能質(zhì)量在線監(jiān)測裝置的相關(guān)產(chǎn)品，都是采用硬件原理研制而成，無論從 功能上，還是從可靠性上都存在較大的缺陷。
發(fā)明內(nèi)容本實用新型的目的是為了解決目前采用硬件原理研制而成的電能質(zhì)量在線監(jiān)測 裝置在功能和可靠性方面都存在的缺陷，提供了一種基于虛擬儀器技術(shù)的電能質(zhì)量監(jiān)測裝置。本實用新型包括信號調(diào)理電路、圖像顯示DSP、數(shù)據(jù)采集卡和含有虛擬儀器的PC 機，信號調(diào)理電路將接收的模擬電壓信號和模擬電流信號分別調(diào)理成標準電壓信號輸出給 數(shù)據(jù)采集卡，圖像顯示DSP接收模擬電壓信號和模擬電流信號，并分別將接收的模擬電壓 和模擬電流信號以波形的形式顯示輸出，所述圖像顯示DSP通過PCI總線與含有虛擬儀器的PC機連接，所述數(shù)據(jù)采集卡通過PCI總線與含有虛擬儀器的PC機連接。本實用新型的優(yōu)點1、可以分別計量從基波到20次諧波的電能，對目前廣泛使用的感應(yīng)系和數(shù)字式 電能表計量的準確度提供比較和參考；2、可以測量從基波到20次諧波的電壓、電流、有功、無功、功率因數(shù)和總諧波畸變 率等參數(shù)，對治理諧波提供依據(jù)；3、可以對測量的數(shù)據(jù)進行存檔管理，借助通信網(wǎng)進行數(shù)據(jù)遠方傳輸和遠方測量， 是電力市場環(huán)境下實現(xiàn)電能計量系統(tǒng)的基本形式。4、采用虛擬儀器技術(shù)研制電力系統(tǒng)電能質(zhì)量監(jiān)測裝置，從根本上解決了目前電力 系統(tǒng)中對諧波監(jiān)測即電能無法計量的問題，對提高電網(wǎng)的安全穩(wěn)定運行和電能計量準確度 都具有非常重要的理論與實際意義。

圖1是本實用新型結(jié)構(gòu)示意圖，圖2是信號調(diào)理電路具體電路圖，圖3是虛擬儀器 系統(tǒng)軟件結(jié)構(gòu)框架圖。
具體實施方式
具體實施方式
一、下面結(jié)合圖1至圖3說明本實施方式，本實施方式包括調(diào)理電路 1、圖像顯示DSP2、數(shù)據(jù)采集卡3和含有虛擬儀器的PC機4，信號調(diào)理電路1將接收的模擬 電壓信號和模擬電流信號分別調(diào)理成標準電壓信號輸出給數(shù)據(jù)采集卡3，圖像顯示DSP2接 收模擬電壓信號和模擬電流信號，并分別將接收的模擬電壓和模擬電流信號以波形的形式 顯示輸出，所述圖像顯示DSP2通過PCI總線與含有虛擬儀器的PC機4連接，所述數(shù)據(jù)采集卡3通過PCI總線與含有虛擬儀器的PC機4連接。虛擬儀器技術(shù)誕生于20世紀末，被譽為21世紀的技術(shù)，“測控技術(shù)的革命”，它的 口號是“軟件就是儀器”，今年推出的新一代的虛擬儀器又提出“網(wǎng)絡(luò)就是儀器”的口號，它 的主要技術(shù)特點是徹底改變了傳統(tǒng)的以硬件為核心的測量技術(shù)，改為以軟件為主的測量新 思路，通過功能強大的軟件開發(fā)平臺LabVIEW可以實現(xiàn)各種測量的信號采樣、分析、計算、 顯示、通信和管理等功能，其中少量的硬件僅僅是起到模數(shù)轉(zhuǎn)換的作用，其余的功能全部通 過軟件來實現(xiàn)，從而避免了硬件設(shè)備低可靠性的問題。虛擬儀器技術(shù)是完全依賴于計算機 的儀器，所以也稱為微機化儀器，它充分利用計算機的硬件和軟件資源，并密切依賴于計算 機軟件和硬件的發(fā)展，是各種測量儀器和測控技術(shù)發(fā)展的方向。目前，虛擬儀器技術(shù)在航空、航天等行業(yè)已經(jīng)有許多成功的應(yīng)用，但在電力系統(tǒng)中 的應(yīng)用卻才剛剛開始起步，采用這一技術(shù)研制電能質(zhì)量在線監(jiān)測裝置，在所查到的國內(nèi)文 獻中還沒有見到，它的應(yīng)用將大大提高電力系統(tǒng)的自動化水平，是改善電能質(zhì)量的重要依 據(jù)。本實施方式所涉及的虛擬裝置硬件部分采用這種方式即基于數(shù)據(jù)采集的虛擬儀 器系統(tǒng)，這種方式對現(xiàn)場要求很低，不需要改變接入方式，只須將原來接入電能表的導(dǎo)線接 入該裝置的信號調(diào)理電路1即可，其余部分全由帶有電能質(zhì)量在線監(jiān)測的虛擬程序完成。 虛擬程序嵌入在含有虛擬儀器的PC機4，整個構(gòu)成一個虛擬儀器系統(tǒng)，基本硬件確定以后，就可通過不同的軟件實現(xiàn)不同的功能，軟件是虛擬儀器系統(tǒng)的關(guān)鍵，沒有一個優(yōu)秀的控制 分析軟件，很難想象可以構(gòu)成一臺理想的虛擬儀器系統(tǒng)。參見圖3，在虛擬裝置中，軟件部分至少需要儀器、通信和驅(qū)動程序三種接口軟件。 其中儀器接口為儀器與計算機之間的通信協(xié)議和方法。通信接口按標準方式將儀器連接起 來，它是儀器與儀器驅(qū)動程序之間的通信接口，實際上就是數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的I/O接口軟件。 儀器驅(qū)動程序接口將通信接口與開發(fā)環(huán)境(ADE)連接起來。儀器驅(qū)動器是完成對某一特 定儀器控制與通信的一段程序。它作為用戶應(yīng)用程序的一部分在計機上運行。儀器驅(qū)動器 是整個虛擬儀器系統(tǒng)的核心，是完成對儀器硬件控制的紐帶和橋梁。應(yīng)用軟件開發(fā)環(huán)境將 計算機的數(shù)據(jù)分析與顯示能力與儀器驅(qū)動器融合在一起，為用戶開發(fā)虛擬儀器提供了必要 的軟件工具和環(huán)境。本裝置使用的多功能電能計量是用圖形編程語言LabVIEW設(shè)計虛擬儀 器，即LabVIEW圖形化軟件編程平臺，在此平臺下，用戶只要簡單的定義和連接各個邏輯框 即可構(gòu)成程序，大大縮短了虛擬儀器控制軟件的開發(fā)時間。相對于傳統(tǒng)儀器而言，虛擬儀器 具有很大的優(yōu)越性，正因為如此，虛擬儀器才在各種行業(yè)中迅速得以推廣應(yīng)用，電力行業(yè)也 不例外。隨著電力工業(yè)飛速發(fā)展和管理體制的轉(zhuǎn)變，電能作為一種特殊商品正逐漸走向市 場，既然是商品，當然也要按商品按質(zhì)論價。近年來，電網(wǎng)不斷擴大，工業(yè)負荷快速增長，特 別是大量電力電子裝置、煉鋼電弧爐、電氣化鐵路等非線性負荷在電力系統(tǒng)中的廣泛應(yīng)用， 造成系統(tǒng)電壓和電流波形的嚴重畸變。而工業(yè)的發(fā)展和科技的進步使得越來越多的用戶采 用性能好效率高但對電源特性變化敏感和對供電系統(tǒng)注入干擾(如諧波、電壓波動等)的新 設(shè)備，電能質(zhì)量低劣的問題逐漸明顯起來，電能質(zhì)量的重要性越來越得到人們重視。國家 最新頒布的有關(guān)電能質(zhì)量的標準把衡量電能質(zhì)量標準暫分為供電電壓偏差、電壓波動和閃 變、公用電網(wǎng)諧波、三相不平衡以及電力系統(tǒng)頻率偏差等五項。只有對上述這些電參量進行 實時準確的測量，才能為下一步判斷這些指標是否滿足國家標準做好準備。虛擬儀器作為 新一代測量工具，它具有開發(fā)迅速、成本低廉、使用簡單、功能強大且隨時可擴展等傳統(tǒng)儀 器不可比擬的優(yōu)越性，實驗表明，利用它來開發(fā)多功能電能計量裝置，能夠在技術(shù)上和經(jīng)濟 上都能較好滿足現(xiàn)場實際的需要。信號調(diào)理電路1包括霍爾電壓互感器和霍爾電流互感器，霍爾電壓互感器和霍爾 電流互感器的頻帶為0 kHz 100kHz，準確度為0. 1級，霍爾電壓互感器將接收的模擬電壓 信號調(diào)理成標準電壓信號，霍爾電流互感器將接收的模擬電流信號調(diào)理成標準電壓信號， 所述標準電壓信號為士 IOV以內(nèi)的電壓。對三相三線制系統(tǒng)，需要3個PT和3個CT，PT的 變比為二次100V/5V，CT的變比為5A/5V。具體如圖2所示。信號調(diào)理電路1作為采樣和 接口部件，對基波和諧波的測量起到關(guān)鍵作用。數(shù)據(jù)采集卡3采用DAQ型數(shù)據(jù)采集卡，采樣率200kHz/s，12bit分辨率，16A/I通 道，完全能夠滿足三相電壓和三相電流的三相三線制系統(tǒng)的電能質(zhì)量監(jiān)測要求，對IOOkHz/ s的卡來說，對基波如果8個通道同時使用可以保證每個通道每個周波采樣200個點；對20 次諧波可以保證每個通道每個周波采樣10個點。含有虛擬儀器的PC機4中的LabVIEW虛擬儀器程序能夠在WindOWS2000/NT/9X 操作系統(tǒng)下運行，工作站主要硬件系統(tǒng)最低配置要求16MB RAM內(nèi)存(推薦32MB以上)，486 中央處理器(推薦Pentium級別以上)。隨著計算機硬件價格的不斷下跌，本裝置可采用當 前流行配置的計算機(PIII700以上、內(nèi)存128MB以上)組建工作站，這樣能使虛擬儀器程序
5運行和分析速度更快。含有虛擬儀器的PC機4對采樣信號進行分析和處理，應(yīng)用虛擬儀器技術(shù)的開發(fā)平 臺，對實驗和仿真的數(shù)據(jù)進行研究，采取將基波和諧波分量分別計量的方式，找出諧波對電 能計量準確度的影響；通過虛擬儀器技術(shù)手段開發(fā)多功能電能質(zhì)量監(jiān)測裝置；利用虛擬儀 器技術(shù)開發(fā)基于現(xiàn)代通信技術(shù)的遠程抄表功能；采用將基波電能與諧波電能分開計量的方 法，并對諧波電能進行綜合評估。本實用新型采用虛擬儀器技術(shù)開發(fā)研制新型的電能質(zhì)量監(jiān)測裝置能夠?qū)崿F(xiàn)以下 幾個功能1、分析諧波對感應(yīng)系電能表計量電能準確度的影響；系統(tǒng)和用戶中的很多設(shè)備都是諧波源，通常認為在有諧波的情況下，會使得電能 表計量的電能偏低，但少了多少及與諧波次數(shù)、比例等定量的關(guān)系缺乏必要的研究，本課題 的首要任務(wù)是通過仿真與實驗搞清楚這一問題。擬采用基波與諧波參量分別計量的方式， 與原感應(yīng)系電能表進行比較，從而確定諧波影響計量的數(shù)值。2、采用因特網(wǎng)通信方式開發(fā)遠程抄表功能；在虛擬儀器基礎(chǔ)上建立的電能表系統(tǒng)，具有很多功能，其中最主要的功能之一是 遠程抄表。虛擬電能表的這一功能不同于一般的遠程抄表功能，它是在虛擬儀器的開發(fā)平 臺上構(gòu)造一個通信網(wǎng)絡(luò)節(jié)點，通過TCP/IP協(xié)議實現(xiàn)電能計量數(shù)據(jù)的遠程通信，這種通信方 式不僅可以實現(xiàn)遠程抄表，還可以實現(xiàn)遠程管理和控制。3、開發(fā)的電能質(zhì)量監(jiān)測裝置不但具有分析功能還有計量功能；普通的監(jiān)測裝置只具有單一的監(jiān)測功能，虛擬監(jiān)測裝置不僅能夠進行電能質(zhì)量分 析，如電壓質(zhì)量、頻率質(zhì)量、波形質(zhì)量等，特別是對諧波分析可以給出各次諧波在基波中所 占的百分比等指標。還可以計量諧波電能。4、開發(fā)電能表的數(shù)據(jù)庫和文檔管理功能；虛擬裝置雖然只是對電壓和電流值進行采樣，但通過虛擬儀器的分析和處理可以 得到眾多的相關(guān)變量，如電壓、電流、功率、頻率、功率因數(shù)及諧波指標等，數(shù)值有瞬時值、有 效值、峰值等，這樣大量的數(shù)據(jù)必須有數(shù)據(jù)庫和相應(yīng)的管理系統(tǒng)。5、開發(fā)電能表的相關(guān)功能。虛擬裝置的最大特點是功能由用戶自定義，它可以根據(jù)需要添加各種功能，如顯 示波形；用棒圖形式顯示諧波；顯示電壓、電流值；顯示功率值；顯示功率因數(shù)瞬時值和平 均值等等。
權(quán)利要求基于虛擬儀器技術(shù)的電能質(zhì)量監(jiān)測裝置，其特征在于，它包括信號調(diào)理電路(1)、圖像顯示DSP(2)、數(shù)據(jù)采集卡(3)和含有虛擬儀器的PC機(4)，信號調(diào)理電路(1)將接收的模擬電壓信號和模擬電流信號分別調(diào)理成標準電壓信號輸出給數(shù)據(jù)采集卡(3)，圖像顯示DSP(2)接收模擬電壓信號和模擬電流信號，并分別將接收的模擬電壓和模擬電流信號以波形的形式顯示輸出，所述圖像顯示DSP(2)通過PCI總線與含有虛擬儀器的PC機(4)連接，所述數(shù)據(jù)采集卡(3)通過PCI總線與含有虛擬儀器的PC機(4)連接。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于虛擬儀器技術(shù)的電能質(zhì)量監(jiān)測裝置，其特征在于，信號 調(diào)理電路(1)包括霍爾電壓互感器和霍爾電流互感器，霍爾電壓互感器和霍爾電流互感器 的頻帶為0 kHz 100kHz，準確度為0. 1級，霍爾電壓互感器將接收的模擬電壓信號調(diào)理成 標準電壓信號，霍爾電流互感器將接收的模擬電流信號調(diào)理成標準電壓信號，所述標準電 壓信號為士 IOV以內(nèi)的電壓信號。
專利摘要基于虛擬儀器技術(shù)的電能質(zhì)量監(jiān)測裝置，屬于電力測量領(lǐng)域，本實用新型為解決目前采用硬件原理研制而成的電能質(zhì)量在線監(jiān)測裝置在功能和可靠性方面都存在的缺陷。本實用新型包括信號調(diào)理電路、圖像顯示DSP、數(shù)據(jù)采集卡和含有虛擬儀器的PC機，信號調(diào)理電路將接收的模擬電壓信號和模擬電流信號分別調(diào)理成標準電壓信號輸出給數(shù)據(jù)采集卡，圖像顯示DSP接收模擬電壓信號和模擬電流信號，并分別將接收的模擬電壓和模擬電流信號以波形的形式顯示輸出，所述圖像顯示DSP通過PCI總線與含有虛擬儀器的PC機連接，所述數(shù)據(jù)采集卡通過PCI總線與含有虛擬儀器的PC機連接，本實用新型用于電能質(zhì)量監(jiān)測。
文檔編號G01R21/00GK201749162SQ20102052805
公開日2011年2月16日 申請日期2010年9月14日 優(yōu)先權(quán)日2010年9月14日
發(fā)明者任強, 何宇, 呂飛孔, 金鎮(zhèn)山 申請人:黑龍江省電力科學(xué)研究院