專利名稱：基于虛擬儀器技術(shù)的電能質(zhì)量在線監(jiān)測裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實(shí)用新型涉及一種利用虛擬儀器技術(shù)對(duì)電力系統(tǒng)的電能質(zhì)量進(jìn)行在線監(jiān)測的裝置。
電能質(zhì)量如果不合格不僅對(duì)系統(tǒng)本身的設(shè)備及正常運(yùn)行十分不利，而且對(duì)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(yōu)質(zhì)的電能。但是在實(shí)際的供電系統(tǒng)中，質(zhì)量不合格的電能十分普遍，造成電能質(zhì)量不合格的原因客觀地說有用戶的原因，也有系統(tǒng)本身的原因。因此，在供電系統(tǒng)中能夠在線地監(jiān)測系統(tǒng)的電能質(zhì)量，科學(xué)地確定影響電能質(zhì)量的原因，非常有助于系統(tǒng)和用戶采取措施提高電能質(zhì)量。
電能質(zhì)量在線監(jiān)測裝置類似產(chǎn)品很早就有，但是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。
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(xiàn)中還沒有見到，它的應(yīng)用將大大提高電力系統(tǒng)的自動(dòng)化水平，是改善電能質(zhì)量的重要依據(jù)。
本實(shí)用新型的技術(shù)解決方案是，該基于虛擬儀器技術(shù)的電能質(zhì)量在線監(jiān)測裝置，它主要由三部分構(gòu)成(1)信號(hào)調(diào)理部分，系統(tǒng)中額定值為100V或5A的電壓電流模擬信號(hào)，通過零磁通的互感器LV、LA，變成±10V以內(nèi)的電壓信號(hào)送入數(shù)據(jù)采集卡；這種互感器既能保證信號(hào)采集的準(zhǔn)確度，也能保證信號(hào)采集的帶寬，其基本原理為霍爾磁平衡原理，也稱為“零磁通”原理；采集信號(hào)的路數(shù)可以根據(jù)需要來確定，一臺(tái)裝置最多可以同時(shí)采集16路。(2)數(shù)據(jù)采集卡部分，它的主要功能是實(shí)現(xiàn)數(shù)字量和模擬量之間的相互轉(zhuǎn)換，采集速度可以達(dá)到200kHz/s，采樣精度為12位，有16路模擬輸入通道。(3)含虛擬儀器的計(jì)算機(jī)，其面板上自帶鍵盤和觸摸式鼠標(biāo)，硬件配置采用高檔次計(jì)算機(jī)配置；軟件操作系統(tǒng)應(yīng)用Windows系列操作系統(tǒng)；裝置的背面有10個(gè)接線端子，分別對(duì)應(yīng)三相電壓和三相電流及一個(gè)中性線。
基于虛擬儀器技術(shù)的電能質(zhì)量在線監(jiān)測裝置是應(yīng)用虛擬儀器技術(shù)研制的能夠?qū)╇娤到y(tǒng)的電能質(zhì)量進(jìn)行在線監(jiān)測的一種裝置，它通常可以安裝在變電站的主控室，對(duì)某個(gè)特定的饋電線或大用戶的出線上的電能質(zhì)量進(jìn)行長期的在線監(jiān)測，連續(xù)監(jiān)測的數(shù)據(jù)能夠自動(dòng)進(jìn)行處理和存儲(chǔ)，還可以通過網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)竭h(yuǎn)方的控制中心進(jìn)行分析并給出分析報(bào)告，這個(gè)報(bào)告可以作為供電部門和用戶進(jìn)行電力交易時(shí)的必備的材料，在雙方買賣電量的同時(shí)，考慮電能質(zhì)量的問題的影響，如果是因?yàn)橄到y(tǒng)方面的原因，應(yīng)該由系統(tǒng)向用戶提供必要的補(bǔ)償；如果是用戶方面的原因，應(yīng)該由用戶采取提高電能質(zhì)量的措施或向系統(tǒng)提供資金補(bǔ)償。
基于虛擬儀器技術(shù)的電能質(zhì)量在線監(jiān)測裝置結(jié)構(gòu)示意圖如

圖1所示，它主要由三部分構(gòu)成(1)信號(hào)調(diào)理部分，通過零磁通的互感器采集系統(tǒng)中額定值為100V或5A的電壓電流信號(hào)，變成±10V以內(nèi)的電壓信號(hào)送入數(shù)據(jù)采集卡。這種特殊的互感器既能保證信號(hào)采集的準(zhǔn)確度，也能保證信號(hào)采集的帶寬，其基本原理為霍爾磁平衡原理，也稱為“零磁通”原理。采集信號(hào)的路數(shù)可以根據(jù)需要來確定，一臺(tái)裝置最多可以同時(shí)采集16路。(2)數(shù)據(jù)采集卡部分，它的主要功能是實(shí)現(xiàn)數(shù)字量和模擬量之間的相互轉(zhuǎn)換，采集速度可以達(dá)到200kHz/s，采樣精度為12位，有16路模擬輸入通道。該數(shù)據(jù)采集卡是現(xiàn)有技術(shù)，可以選用美國NI公司的產(chǎn)品--PCI-6023E。(3)含虛擬儀器的計(jì)算機(jī)，可以是各種類型的計(jì)算機(jī)、筆記本、手提電腦和工控機(jī)等，本裝置采用的是有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鼠標(biāo)，硬件配置采用當(dāng)前流行的高檔次計(jì)算機(jī)配置。軟件操作系統(tǒng)應(yīng)用Windows系列操作系統(tǒng)。裝置的背面有10個(gè)接線端子，分別對(duì)應(yīng)三相電壓和三相電流及一個(gè)中性線。
請參閱附圖2，信號(hào)調(diào)理部分是由一塊信號(hào)調(diào)理卡實(shí)現(xiàn)，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(gè)接線端子，分別是1號(hào)對(duì)應(yīng)A相電流輸入端(Ia+)；2號(hào)對(duì)應(yīng)A相電壓端(Ua)；3號(hào)對(duì)應(yīng)A相電流輸出端(Ia-)；4號(hào)對(duì)應(yīng)B相電流輸入端(Ib+)；5號(hào)對(duì)應(yīng)B相電壓端(Ub)；6號(hào)對(duì)應(yīng)B相電流輸出端(Ib-)；7號(hào)對(duì)應(yīng)C相電流輸入端(Ic+)；8號(hào)對(duì)應(yīng)C相電壓端(Uc)；9號(hào)對(duì)應(yīng)C相電流輸出端(Ic-)；10號(hào)對(duì)應(yīng)系統(tǒng)中性點(diǎn)(0V)?；ジ衅饔腥齻€(gè)電壓互感器LVa、LVb和LVc，分別將系統(tǒng)上的額定值為100V的三相電壓變成10V以內(nèi)的三相電壓；三個(gè)電流互感器LAa、LAb和LAc，分別將系統(tǒng)中的額定值為5A的三相電流變成10V以內(nèi)的電壓信號(hào)。輸出端子有9個(gè)，分別是1號(hào)對(duì)應(yīng)輸出A相電壓信號(hào)(ua)；2號(hào)對(duì)應(yīng)輸出B相電壓信號(hào)(ub)；3號(hào)對(duì)應(yīng)輸出C相電壓信號(hào)(uc)；4號(hào)對(duì)應(yīng)輸出A相電流信號(hào)(ia)；5號(hào)對(duì)應(yīng)輸出B相電流信號(hào)(ib)；6號(hào)對(duì)應(yīng)輸出C相電流信號(hào)(ic)；7號(hào)對(duì)應(yīng)+15V直流輸入電壓；8號(hào)對(duì)應(yīng)-15V直流輸入電壓；9號(hào)對(duì)應(yīng)直流電源中性點(diǎn)0V。
信號(hào)調(diào)理卡的工作原理是輸入端從電力系統(tǒng)二次側(cè)采集的電壓和電流信號(hào)，通過互感器都變成電壓信號(hào)從輸出端子排輸出，送入數(shù)據(jù)采集卡。信號(hào)調(diào)理卡需要從計(jì)算機(jī)內(nèi)供給±15V或±12V的直流電源。
根據(jù)實(shí)際系統(tǒng)中有三元件和兩元件兩種接線方式的特點(diǎn)，本裝置的輸入端子可以采用不同接線方式適應(yīng)這兩種接線，如表格1和表格2所示。表格1是對(duì)應(yīng)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(diǎn)。表格2是對(duì)應(yīng)兩元件方式的接線，輸入有兩個(gè)線電壓和兩個(gè)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(jìn)，端子4出；相電流Ic從端子7進(jìn)，端子4出；端子3、6和9用導(dǎo)線直接連接；端子10接系統(tǒng)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(duì)應(yīng)兩種接線方式，虛擬儀器程序也有兩套不同的程序相適應(yīng)。 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于虛擬儀器技術(shù)的電能質(zhì)量在線監(jiān)測裝置的主要特點(diǎn)都體現(xiàn)在軟件上，它采用LabVIEW軟件開發(fā)平臺(tái)提供的G語言編程，裝置的數(shù)據(jù)處理、分析、計(jì)算、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)、顯示及通信等功能全部通過軟件實(shí)現(xiàn)。軟件的主要流程模塊如圖3所示虛擬儀器程序首先從數(shù)據(jù)采集卡讀入數(shù)字信號(hào)，然后對(duì)采集的數(shù)字信號(hào)進(jìn)行數(shù)字濾波和加窗等數(shù)據(jù)處理，再對(duì)這些信號(hào)進(jìn)行傅氏變換和頻譜分析，將分析結(jié)果通過各種方式顯示和存儲(chǔ)，其中有波形和頻譜顯示、諧波含量顯示、三相不對(duì)稱顯示、數(shù)據(jù)調(diào)整和參數(shù)設(shè)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(duì)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(duì)稱度，以及電壓、電流的正序、負(fù)序和零序分量；(3)電壓波動(dòng)與閃變以曲線的形式記錄連續(xù)變化的三相電壓數(shù)值，給出三相電壓波動(dòng)的指標(biāo)及三相電壓有效值，當(dāng)電壓越限時(shí)給出顯示；(4)數(shù)字顯示分別給出三相電壓、電流及功率因數(shù)角的數(shù)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(jiān)測到1到20次諧波的數(shù)值；(5)調(diào)整由于硬件的信號(hào)采集元件的誤差，數(shù)字信號(hào)與模擬信號(hào)之間會(huì)產(chǎn)生一定的誤差，本裝置是采用軟件調(diào)整的辦法對(duì)其誤差進(jìn)行修正，在裝置安裝完成后對(duì)信號(hào)采集的準(zhǔn)確度進(jìn)行調(diào)整，調(diào)整后的準(zhǔn)確度經(jīng)過測試可以達(dá)到0.2級(jí)以上；(6)路徑裝置運(yùn)行的一些初始數(shù)據(jù)在路徑里面事先設(shè)置好，包括地點(diǎn)、路徑、通道、采樣個(gè)數(shù)、采樣率、加窗類型、最高諧波次數(shù)及采樣時(shí)延等項(xiàng)。
裝置的軟件有兩部分，一個(gè)是在線監(jiān)測，它主要實(shí)現(xiàn)上面的一些功能，另一個(gè)是監(jiān)測分析，它是一個(gè)離線分析程序，主要是通過讀取裝置在線監(jiān)測存儲(chǔ)的數(shù)據(jù)，對(duì)各項(xiàng)電能質(zhì)量的指標(biāo)進(jìn)行分析。裝置的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)采用文本格式，每分鐘記錄一次，每天存儲(chǔ)一個(gè)文件，一臺(tái)裝置可以連續(xù)運(yùn)行5年以上。
裝置的數(shù)據(jù)可以實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)方傳輸，根據(jù)系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)情況可以任意選擇多種方式，如果現(xiàn)場有局域網(wǎng)，可以采用網(wǎng)卡進(jìn)行數(shù)據(jù)共享方式，通過遠(yuǎn)方計(jì)算機(jī)獲得現(xiàn)場數(shù)據(jù)；如果有電話線，可以通過調(diào)制解調(diào)器撥號(hào)連接，進(jìn)行數(shù)據(jù)定期傳輸。
本裝置通常安裝在供電系統(tǒng)的變電站，可以監(jiān)測站內(nèi)母線的電能質(zhì)量，也可以監(jiān)測某個(gè)計(jì)量回路的電能質(zhì)量。本裝置采用寬電壓電源供電從100V到250V都可以自適應(yīng)。
最大的特點(diǎn)是用戶自定義，即用戶可以根據(jù)自己的需要更改或擴(kuò)充裝置的功能，其次，裝置的強(qiáng)大的功能和高可靠性也是同類型產(chǎn)品無法比擬的。
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(xiàn)中還沒有見到，它的應(yīng)用將大大提高電力系統(tǒng)的自動(dòng)化水平，是改善電能質(zhì)量的重要依據(jù)。
權(quán)利要求1.一種基于虛擬儀器技術(shù)的電能質(zhì)量在線監(jiān)測裝置，其特征在于它主要由三部分構(gòu)成(1)信號(hào)調(diào)理部分，系統(tǒng)中額定值為100V或5A的電壓電流模擬信號(hào)，通過零磁通的互感器LV、LA，變成±10V以內(nèi)的電壓信號(hào)送入數(shù)據(jù)采集卡；這種互感器既能保證信號(hào)采集的準(zhǔn)確度，也能保證信號(hào)采集的帶寬，其基本原理為霍爾磁平衡原理，也稱為“零磁通”原理；采集信號(hào)的路數(shù)可以根據(jù)需要來確定，一臺(tái)裝置最多可以同時(shí)采集16路；(2)數(shù)據(jù)采集卡部分，它的主要功能是實(shí)現(xiàn)數(shù)字量和模擬量之間的相互轉(zhuǎn)換，采集速度可以達(dá)到200kHz/s，采樣精度為12位，有16路模擬輸入通道；(3)含虛擬儀器的計(jì)算機(jī)，其面板上自帶鍵盤和觸摸式鼠標(biāo)，硬件配置采用高檔次計(jì)算機(jī)配置；軟件操作系統(tǒng)應(yīng)用Windows系列操作系統(tǒng)；裝置的背面有10個(gè)接線端子，分別對(duì)應(yīng)三相電壓和三相電流及一個(gè)中性線。
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)量在線監(jiān)測裝置，其特征在于所述信號(hào)調(diào)理部分由一塊信號(hào)調(diào)理卡實(shí)現(xiàn)，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(gè)接線端子，分別是1號(hào)對(duì)應(yīng)A相電流輸入端(Ia+)；2號(hào)對(duì)應(yīng)A相電壓端(Ua)；3號(hào)對(duì)應(yīng)A相電流輸出端(Ia-)；4號(hào)對(duì)應(yīng)B相電流輸入端(Ib+)；5號(hào)對(duì)應(yīng)B相電壓端(Ub)；6號(hào)對(duì)應(yīng)B相電流輸出端(Ib-)；7號(hào)對(duì)應(yīng)C相電流輸入端(Ic+)；8號(hào)對(duì)應(yīng)C相電壓端(Uc)；9號(hào)對(duì)應(yīng)C相電流輸出端(Ic-)；10號(hào)對(duì)應(yīng)系統(tǒng)中性點(diǎn)(0V)；互感器有三個(gè)電壓互感器LVa、LVb和LVc，分別將系統(tǒng)上的額定值為100V的三相電壓變成10V以內(nèi)的三相電壓；三個(gè)電流互感器LAa、LAb和LAc，分別將系統(tǒng)中的額定值為5A的三相電流變成10V以內(nèi)的電壓信號(hào)；輸出端子有9個(gè)，分別是1號(hào)對(duì)應(yīng)輸出A相電壓信號(hào)(ua)；2號(hào)對(duì)應(yīng)輸出B相電壓信號(hào)(ub)；3號(hào)對(duì)應(yīng)輸出C相電壓信號(hào)(uc)；4號(hào)對(duì)應(yīng)輸出A相電流信號(hào)(ia)；5號(hào)對(duì)應(yīng)輸出B相電流信號(hào)(ib)；6號(hào)對(duì)應(yīng)輸出C相電流信號(hào)(ic)；7號(hào)對(duì)應(yīng)+15V直流輸入電壓；8號(hào)對(duì)應(yīng)-15V直流輸入電壓；9號(hào)對(duì)應(yīng)直流電源中性點(diǎn)0V。
3.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的基于虛擬儀器技術(shù)的電能質(zhì)量在線監(jiān)測裝置，其特征在于所述數(shù)據(jù)采集卡采用型號(hào)為PCI-6023E的集成塊。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的基于虛擬儀器技術(shù)的電能質(zhì)量在線監(jiān)測裝置，其特征在于所述含虛擬儀器的計(jì)算機(jī)采用的是有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(shí)用新型涉及一種利用虛擬儀器技術(shù)對(duì)電力系統(tǒng)的電能質(zhì)量進(jìn)行在線監(jiān)測的裝置。它主要由三部分構(gòu)成(1)信號(hào)調(diào)理部分，系統(tǒng)中額定值為100V或5A的電壓電流模擬信號(hào)，通過零磁通的互感器LV、LA，變成±10V以內(nèi)的電壓信號(hào)送入數(shù)據(jù)采集卡；(2)數(shù)據(jù)采集卡部分，它的主要功能是實(shí)現(xiàn)數(shù)字量和模擬量之間的相互轉(zhuǎn)換，(3)含虛擬儀器的計(jì)算機(jī)，其面板上自帶鍵盤和觸摸式鼠標(biāo)，硬件配置采用高檔次計(jì)算機(jī)配置；軟件操作系統(tǒng)應(yīng)用Windows系列操作系統(tǒng)；裝置的背面有10個(gè)接線端子，分別對(duì)應(yīng)三相電壓和三相電流及一個(gè)中性線。它的應(yīng)用將大大提高電力系統(tǒng)的自動(dòng)化水平，是改善電能質(zhì)量的重要依據(jù)。
文檔編號(hào)G01R19/25GK2522866SQ0220914
公開日2002年11月27日 申請日期2002年4月2日 優(yōu)先權(quán)日2002年4月2日
發(fā)明者艾欣 申請人:華北電力大學(xué)(北京)