基於虛擬儀器技術的電能質量在線監測裝置的製作方法
2023-07-09 07:46:06
專利名稱：基於虛擬儀器技術的電能質量在線監測裝置的製作方法
技術領域：
本實用新型涉及一種利用虛擬儀器技術對電力系統的電能質量進行在線監測的裝置。
電能質量如果不合格不僅對系統本身的設備及正常運行十分不利，而且對用戶也同樣十分有害，所以不論從供電部門，還是從用戶角度來說都希望有優質的電能。但是在實際的供電系統中，質量不合格的電能十分普遍，造成電能質量不合格的原因客觀地說有用戶的原因，也有系統本身的原因。因此，在供電系統中能夠在線地監測系統的電能質量，科學地確定影響電能質量的原因，非常有助於系統和用戶採取措施提高電能質量。
電能質量在線監測裝置類似產品很早就有，但是都是採用硬體原理研製而成，無論從功能上，還是從可靠性上都存在較大的缺陷。
目前，虛擬儀器技術在航空、航天等行業已經有許多成功的應用，但在電力系統中的應用卻才剛剛開始起步，採用這一技術研製電能質量在線監測裝置，在所查到的國內文獻中還沒有見到，它的應用將大大提高電力系統的自動化水平，是改善電能質量的重要依據。
本實用新型的技術解決方案是，該基於虛擬儀器技術的電能質量在線監測裝置，它主要由三部分構成(1)信號調理部分，系統中額定值為100V或5A的電壓電流模擬信號，通過零磁通的互感器LV、LA，變成±10V以內的電壓信號送入數據採集卡；這種互感器既能保證信號採集的準確度，也能保證信號採集的帶寬，其基本原理為霍爾磁平衡原理，也稱為「零磁通」原理；採集信號的路數可以根據需要來確定，一臺裝置最多可以同時採集16路。(2)數據採集卡部分，它的主要功能是實現數字量和模擬量之間的相互轉換，採集速度可以達到200kHz/s，採樣精度為12位，有16路模擬輸入通道。(3)含虛擬儀器的計算機，其面板上自帶鍵盤和觸摸式滑鼠，硬體配置採用高檔次計算機配置；軟體作業系統應用Windows系列作業系統；裝置的背面有10個接線端子，分別對應三相電壓和三相電流及一個中性線。
基於虛擬儀器技術的電能質量在線監測裝置是應用虛擬儀器技術研製的能夠對供電系統的電能質量進行在線監測的一種裝置，它通常可以安裝在變電站的主控室，對某個特定的饋電線或大用戶的出線上的電能質量進行長期的在線監測，連續監測的數據能夠自動進行處理和存儲，還可以通過網絡傳輸到遠方的控制中心進行分析並給出分析報告，這個報告可以作為供電部門和用戶進行電力交易時的必備的材料，在雙方買賣電量的同時，考慮電能質量的問題的影響，如果是因為系統方面的原因，應該由系統向用戶提供必要的補償；如果是用戶方面的原因，應該由用戶採取提高電能質量的措施或向系統提供資金補償。
基於虛擬儀器技術的電能質量在線監測裝置結構示意圖如
圖1所示，它主要由三部分構成(1)信號調理部分，通過零磁通的互感器採集系統中額定值為100V或5A的電壓電流信號，變成±10V以內的電壓信號送入數據採集卡。這種特殊的互感器既能保證信號採集的準確度，也能保證信號採集的帶寬，其基本原理為霍爾磁平衡原理，也稱為「零磁通」原理。採集信號的路數可以根據需要來確定，一臺裝置最多可以同時採集16路。(2)數據採集卡部分，它的主要功能是實現數字量和模擬量之間的相互轉換，採集速度可以達到200kHz/s，採樣精度為12位，有16路模擬輸入通道。該數據採集卡是現有技術，可以選用美國NI公司的產品--PCI-6023E。(3)含虛擬儀器的計算機，可以是各種類型的計算機、筆記本、手提電腦和工控機等，本裝置採用的是有800×600象素的彩色液晶顯示器的一體化工作站，面板上自帶鍵盤和觸摸式滑鼠，硬體配置採用當前流行的高檔次計算機配置。軟體作業系統應用Windows系列作業系統。裝置的背面有10個接線端子，分別對應三相電壓和三相電流及一個中性線。
請參閱附圖2，信號調理部分是由一塊信號調理卡實現，它主要由輸入端子排(DZin)、互感器(LV、LA)和輸出端子排(DZout)三部分組成。輸入端子排有10個接線端子，分別是1號對應A相電流輸入端(Ia+)；2號對應A相電壓端(Ua)；3號對應A相電流輸出端(Ia-)；4號對應B相電流輸入端(Ib+)；5號對應B相電壓端(Ub)；6號對應B相電流輸出端(Ib-)；7號對應C相電流輸入端(Ic+)；8號對應C相電壓端(Uc)；9號對應C相電流輸出端(Ic-)；10號對應系統中性點(0V)。互感器有三個電壓互感器LVa、LVb和LVc，分別將系統上的額定值為100V的三相電壓變成10V以內的三相電壓；三個電流互感器LAa、LAb和LAc，分別將系統中的額定值為5A的三相電流變成10V以內的電壓信號。輸出端子有9個，分別是1號對應輸出A相電壓信號(ua)；2號對應輸出B相電壓信號(ub)；3號對應輸出C相電壓信號(uc)；4號對應輸出A相電流信號(ia)；5號對應輸出B相電流信號(ib)；6號對應輸出C相電流信號(ic)；7號對應+15V直流輸入電壓；8號對應-15V直流輸入電壓；9號對應直流電源中性點0V。
信號調理卡的工作原理是輸入端從電力系統二次側採集的電壓和電流信號，通過互感器都變成電壓信號從輸出端子排輸出，送入數據採集卡。信號調理卡需要從計算機內供給±15V或±12V的直流電源。
根據實際系統中有三元件和兩元件兩種接線方式的特點，本裝置的輸入端子可以採用不同接線方式適應這兩種接線，如表格1和表格2所示。表格1是對應三元件方式的接線，輸入有三相相電壓和三相相電流及中性點。表格2是對應兩元件方式的接線，輸入有兩個線電壓和兩個相電流，線電壓Uab接端子2；線電壓Ucb接端子8；相電流Ia從端子1進，端子4出；相電流Ic從端子7進，端子4出；端子3、6和9用導線直接連接；端子10接系統的B相電壓端，在兩元件接線方式(也叫V形接線)下，B相是接地的；端子5空載。對應兩種接線方式，虛擬儀器程序也有兩套不同的程序相適應。 表1按三相三元件接線方式接線 表2按三相兩元件接線方式接線基於虛擬儀器技術的電能質量在線監測裝置的主要特點都體現在軟體上，它採用LabVIEW軟體開發平臺提供的G語言編程，裝置的數據處理、分析、計算、數據存儲、顯示及通信等功能全部通過軟體實現。軟體的主要流程模塊如圖3所示虛擬儀器程序首先從數據採集卡讀入數位訊號，然後對採集的數位訊號進行數字濾波和加窗等數據處理，再對這些信號進行傅氏變換和頻譜分析，將分析結果通過各種方式顯示和存儲，其中有波形和頻譜顯示、諧波含量顯示、三相不對稱顯示、數據調整和參數設置等。
裝置的主要功能有(1)波形和頻譜顯示可以分別顯示三相電壓和電流的波形和幅值頻譜；(2)不對稱顯示三相電壓和電流的相量圖，分別給出電壓和電流的不對稱度，以及電壓、電流的正序、負序和零序分量；(3)電壓波動與閃變以曲線的形式記錄連續變化的三相電壓數值，給出三相電壓波動的指標及三相電壓有效值，當電壓越限時給出顯示；(4)數字顯示分別給出三相電壓、電流及功率因數角的數值，各相電壓、電流的總諧波畸變率，給出各相有功、無功和視功及三相功率，以上各相均可以監測到1到20次諧波的數值；(5)調整由於硬體的信號採集元件的誤差，數位訊號與模擬信號之間會產生一定的誤差，本裝置是採用軟體調整的辦法對其誤差進行修正，在裝置安裝完成後對信號採集的準確度進行調整，調整後的準確度經過測試可以達到0.2級以上；(6)路徑裝置運行的一些初始數據在路徑裡面事先設置好，包括地點、路徑、通道、採樣個數、採樣率、加窗類型、最高諧波次數及採樣時延等項。
裝置的軟體有兩部分，一個是在線監測，它主要實現上面的一些功能，另一個是監測分析，它是一個離線分析程序，主要是通過讀取裝置在線監測存儲的數據，對各項電能質量的指標進行分析。裝置的數據存儲採用文本格式，每分鐘記錄一次，每天存儲一個文件，一臺裝置可以連續運行5年以上。
裝置的數據可以實現遠方傳輸，根據系統的網絡情況可以任意選擇多種方式，如果現場有區域網，可以採用網卡進行數據共享方式，通過遠方計算機獲得現場數據；如果有電話線，可以通過數據機撥號連接，進行數據定期傳輸。
本裝置通常安裝在供電系統的變電站，可以監測站內母線的電能質量，也可以監測某個計量迴路的電能質量。本裝置採用寬電壓電源供電從100V到250V都可以自適應。
最大的特點是用戶自定義，即用戶可以根據自己的需要更改或擴充裝置的功能，其次，裝置的強大的功能和高可靠性也是同類型產品無法比擬的。
虛擬儀器技術在航空、航天等行業已經有許多成功的應用，但在電力系統中的應用卻才剛剛開始起步，採用這一技術研製電能質量在線監測裝置，在所查到的國內文獻中還沒有見到，它的應用將大大提高電力系統的自動化水平，是改善電能質量的重要依據。
權利要求1.一種基於虛擬儀器技術的電能質量在線監測裝置，其特徵在於它主要由三部分構成(1)信號調理部分，系統中額定值為100V或5A的電壓電流模擬信號，通過零磁通的互感器LV、LA，變成±10V以內的電壓信號送入數據採集卡；這種互感器既能保證信號採集的準確度，也能保證信號採集的帶寬，其基本原理為霍爾磁平衡原理，也稱為「零磁通」原理；採集信號的路數可以根據需要來確定，一臺裝置最多可以同時採集16路；(2)數據採集卡部分，它的主要功能是實現數字量和模擬量之間的相互轉換，採集速度可以達到200kHz/s，採樣精度為12位，有16路模擬輸入通道；(3)含虛擬儀器的計算機，其面板上自帶鍵盤和觸摸式滑鼠，硬體配置採用高檔次計算機配置；軟體作業系統應用Windows系列作業系統；裝置的背面有10個接線端子，分別對應三相電壓和三相電流及一個中性線。
2.根據權利要求1所述的基於虛擬儀器技術的電能質量在線監測裝置，其特徵在於所述信號調理部分由一塊信號調理卡實現，它主要由輸入端子排(DZin)、互感器(LV、LA)和輸出端子排(DZout)三部分組成；輸入端子排有10個接線端子，分別是1號對應A相電流輸入端(Ia+)；2號對應A相電壓端(Ua)；3號對應A相電流輸出端(Ia-)；4號對應B相電流輸入端(Ib+)；5號對應B相電壓端(Ub)；6號對應B相電流輸出端(Ib-)；7號對應C相電流輸入端(Ic+)；8號對應C相電壓端(Uc)；9號對應C相電流輸出端(Ic-)；10號對應系統中性點(0V)；互感器有三個電壓互感器LVa、LVb和LVc，分別將系統上的額定值為100V的三相電壓變成10V以內的三相電壓；三個電流互感器LAa、LAb和LAc，分別將系統中的額定值為5A的三相電流變成10V以內的電壓信號；輸出端子有9個，分別是1號對應輸出A相電壓信號(ua)；2號對應輸出B相電壓信號(ub)；3號對應輸出C相電壓信號(uc)；4號對應輸出A相電流信號(ia)；5號對應輸出B相電流信號(ib)；6號對應輸出C相電流信號(ic)；7號對應+15V直流輸入電壓；8號對應-15V直流輸入電壓；9號對應直流電源中性點0V。
3.根據權利要求1或2所述的基於虛擬儀器技術的電能質量在線監測裝置，其特徵在於所述數據採集卡採用型號為PCI-6023E的集成塊。
4.根據權利要求3所述的基於虛擬儀器技術的電能質量在線監測裝置，其特徵在於所述含虛擬儀器的計算機採用的是有800×600象素的彩色液晶顯示器的一體化工作站。
專利摘要本實用新型涉及一種利用虛擬儀器技術對電力系統的電能質量進行在線監測的裝置。它主要由三部分構成(1)信號調理部分，系統中額定值為100V或5A的電壓電流模擬信號，通過零磁通的互感器LV、LA，變成±10V以內的電壓信號送入數據採集卡；(2)數據採集卡部分，它的主要功能是實現數字量和模擬量之間的相互轉換，(3)含虛擬儀器的計算機，其面板上自帶鍵盤和觸摸式滑鼠，硬體配置採用高檔次計算機配置；軟體作業系統應用Windows系列作業系統；裝置的背面有10個接線端子，分別對應三相電壓和三相電流及一個中性線。它的應用將大大提高電力系統的自動化水平，是改善電能質量的重要依據。
文檔編號G01R19/25GK2522866SQ0220914
公開日2002年11月27日 申請日期2002年4月2日 優先權日2002年4月2日
發明者艾欣 申請人:華北電力大學(北京)