專利名稱：基于虛擬儀器技術(shù)的電能質(zhì)量監(jiān)測(cè)裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實(shí)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(cè)裝置，屬于電力測(cè)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(yán)重影響了電力用戶的生產(chǎn)和生活。但是，現(xiàn)代社會(huì)中，電能是一種廣泛使用的能 源，隨著國民經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，對(duì)電能的需求量日益增加，這就需要電力部門實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)電能的質(zhì) 量情況，并及時(shí)采取相應(yīng)措施來對(duì)電能質(zhì)量進(jìn)行調(diào)整。通常衡量電能質(zhì)量的主要指標(biāo)有5 項(xiàng)(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(dòng)與閃變；(5)三相 不平衡。目前，國內(nèi)外對(duì)電能質(zhì)量監(jiān)測(cè)方式大致分為三種第一種、專項(xiàng)測(cè)量即對(duì)各種干擾負(fù)荷或補(bǔ)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(duì)比前后變化情況的場(chǎng)合， 測(cè)量這些設(shè)備對(duì)電網(wǎng)電能質(zhì)量各項(xiàng)指標(biāo)的影響，通過與國家相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)對(duì)照，決定其是否可 以投運(yùn)或確定電網(wǎng)電能質(zhì)量指標(biāo)的背景狀況和負(fù)荷變動(dòng)與干擾發(fā)生的實(shí)際參量。專項(xiàng)檢測(cè) 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(cè)即針對(duì)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(cè)方式。定期監(jiān)測(cè)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(cè)主要是針對(duì)電力用戶的特殊電能質(zhì)量 問題進(jìn)行監(jiān)測(cè)分析。第三種、在線監(jiān)測(cè)在線監(jiān)測(cè)主要用于監(jiān)測(cè)重要變電站或?qū)嵤o人值班變電站的 公共配電點(diǎn)或重要電力用戶的配電點(diǎn)的電能質(zhì)量。在線監(jiān)測(cè)的功能包括數(shù)據(jù)顯示、數(shù)據(jù)存 儲(chǔ)、數(shù)據(jù)遠(yuǎn)傳、對(duì)監(jiān)測(cè)項(xiàng)目的越限報(bào)警和遠(yuǎn)程控制。通過計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)將監(jiān)測(cè)的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)、歷 史變化曲線、指標(biāo)越限報(bào)警信號(hào)等進(jìn)行就地顯示和實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程監(jiān)控。目前的電能質(zhì)量在線監(jiān)測(cè)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(shí)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(cè) 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(cè)裝置。本實(shí)用新型包括信號(hào)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(jī)，信號(hào)調(diào)理電路將接收的模擬電壓信號(hào)和模擬電流信號(hào)分別調(diào)理成標(biāo)準(zhǔn)電壓信號(hào)輸出給 數(shù)據(jù)采集卡，圖像顯示DSP接收模擬電壓信號(hào)和模擬電流信號(hào)，并分別將接收的模擬電壓 和模擬電流信號(hào)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(jī)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(jī)連接。本實(shí)用新型的優(yōu)點(diǎn)1、可以分別計(jì)量從基波到20次諧波的電能，對(duì)目前廣泛使用的感應(yīng)系和數(shù)字式 電能表計(jì)量的準(zhǔn)確度提供比較和參考；2、可以測(cè)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(duì)治理諧波提供依據(jù)；3、可以對(duì)測(cè)量的數(shù)據(jù)進(jìn)行存檔管理，借助通信網(wǎng)進(jìn)行數(shù)據(jù)遠(yuǎn)方傳輸和遠(yuǎn)方測(cè)量， 是電力市場(chǎng)環(huán)境下實(shí)現(xiàn)電能計(jì)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(cè)裝置，從根本上解決了目前電力 系統(tǒng)中對(duì)諧波監(jiān)測(cè)即電能無法計(jì)量的問題，對(duì)提高電網(wǎng)的安全穩(wěn)定運(yùn)行和電能計(jì)量準(zhǔn)確度 都具有非常重要的理論與實(shí)際意義。

圖1是本實(shí)用新型結(jié)構(gòu)示意圖，圖2是信號(hào)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(shí)施方式
具體實(shí)施方式
一、下面結(jié)合圖1至圖3說明本實(shí)施方式，本實(shí)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(jī)4，信號(hào)調(diào)理電路1將接收的模擬 電壓信號(hào)和模擬電流信號(hào)分別調(diào)理成標(biāo)準(zhǔn)電壓信號(hào)輸出給數(shù)據(jù)采集卡3，圖像顯示DSP2接 收模擬電壓信號(hào)和模擬電流信號(hào)，并分別將接收的模擬電壓和模擬電流信號(hào)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(jī)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(jī)4連接。虛擬儀器技術(shù)誕生于20世紀(jì)末，被譽(yù)為21世紀(jì)的技術(shù)，“測(cè)控技術(shù)的革命”，它的 口號(hào)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(hào)，它 的主要技術(shù)特點(diǎn)是徹底改變了傳統(tǒng)的以硬件為核心的測(cè)量技術(shù)，改為以軟件為主的測(cè)量新 思路，通過功能強(qiáng)大的軟件開發(fā)平臺(tái)LabVIEW可以實(shí)現(xiàn)各種測(cè)量的信號(hào)采樣、分析、計(jì)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(shí)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(jì)算機(jī) 的儀器，所以也稱為微機(jī)化儀器，它充分利用計(jì)算機(jī)的硬件和軟件資源，并密切依賴于計(jì)算 機(jī)軟件和硬件的發(fā)展，是各種測(cè)量?jī)x器和測(cè)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(cè)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)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(duì)現(xiàn)場(chǎng)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(hào)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(cè)的虛擬程序完成。 虛擬程序嵌入在含有虛擬儀器的PC機(jī)4，整個(gè)構(gòu)成一個(gè)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(shí)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(gè)優(yōu)秀的控制 分析軟件，很難想象可以構(gòu)成一臺(tái)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(dòng)程序三種接口軟件。 其中儀器接口為儀器與計(jì)算機(jī)之間的通信協(xié)議和方法。通信接口按標(biāo)準(zhǔn)方式將儀器連接起 來，它是儀器與儀器驅(qū)動(dòng)程序之間的通信接口，實(shí)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(dòng)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(dòng)器是完成對(duì)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(jì)機(jī)上運(yùn)行。儀器驅(qū)動(dòng)器 是整個(gè)虛擬儀器系統(tǒng)的核心，是完成對(duì)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(jì)算機(jī)的數(shù)據(jù)分析與顯示能力與儀器驅(qū)動(dòng)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(jì)量是用圖形編程語言LabVIEW設(shè)計(jì)虛擬儀 器，即LabVIEW圖形化軟件編程平臺(tái)，在此平臺(tái)下，用戶只要簡(jiǎn)單的定義和連接各個(gè)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(shí)間。相對(duì)于傳統(tǒng)儀器而言，虛擬儀器 具有很大的優(yōu)越性，正因?yàn)槿绱?，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(chǎng)，既然是商品，當(dāng)然也要按商品按質(zhì)論價(jià)。近年來，電網(wǎng)不斷擴(kuò)大，工業(yè)負(fù)荷快速增長(zhǎng)，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(fù)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(yán)重畸變。而工業(yè)的發(fā)展和科技的進(jìn)步使得越來越多的用戶采 用性能好效率高但對(duì)電源特性變化敏感和對(duì)供電系統(tǒng)注入干擾(如諧波、電壓波動(dòng)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(biāo)準(zhǔn)把衡量電能質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)暫分為供電電壓偏差、電壓波動(dòng)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(xiàng)。只有對(duì)上述這些電參量進(jìn)行 實(shí)時(shí)準(zhǔn)確的測(cè)量，才能為下一步判斷這些指標(biāo)是否滿足國家標(biāo)準(zhǔn)做好準(zhǔn)備。虛擬儀器作為 新一代測(cè)量工具，它具有開發(fā)迅速、成本低廉、使用簡(jiǎn)單、功能強(qiáng)大且隨時(shí)可擴(kuò)展等傳統(tǒng)儀 器不可比擬的優(yōu)越性，實(shí)驗(yàn)表明，利用它來開發(fā)多功能電能計(jì)量裝置，能夠在技術(shù)上和經(jīng)濟(jì) 上都能較好滿足現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際的需要。信號(hào)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(zhǔn)確度為0. 1級(jí)，霍爾電壓互感器將接收的模擬電壓 信號(hào)調(diào)理成標(biāo)準(zhǔn)電壓信號(hào)，霍爾電流互感器將接收的模擬電流信號(hào)調(diào)理成標(biāo)準(zhǔn)電壓信號(hào)， 所述標(biāo)準(zhǔn)電壓信號(hào)為士 IOV以內(nèi)的電壓。對(duì)三相三線制系統(tǒng)，需要3個(gè)PT和3個(gè)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(hào)調(diào)理電路1作為采樣和 接口部件，對(duì)基波和諧波的測(cè)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(cè)要求，對(duì)IOOkHz/ s的卡來說，對(duì)基波如果8個(gè)通道同時(shí)使用可以保證每個(gè)通道每個(gè)周波采樣200個(gè)點(diǎn)；對(duì)20 次諧波可以保證每個(gè)通道每個(gè)周波采樣10個(gè)點(diǎn)。含有虛擬儀器的PC機(jī)4中的LabVIEW虛擬儀器程序能夠在WindOWS2000/NT/9X 操作系統(tǒng)下運(yùn)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(jí)別以上)。隨著計(jì)算機(jī)硬件價(jià)格的不斷下跌，本裝置可采用當(dāng) 前流行配置的計(jì)算機(jī)(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(yùn)行和分析速度更快。含有虛擬儀器的PC機(jī)4對(duì)采樣信號(hào)進(jìn)行分析和處理，應(yīng)用虛擬儀器技術(shù)的開發(fā)平 臺(tái)，對(duì)實(shí)驗(yàn)和仿真的數(shù)據(jù)進(jìn)行研究，采取將基波和諧波分量分別計(jì)量的方式，找出諧波對(duì)電 能計(jì)量準(zhǔn)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(cè)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(yuǎn)程抄表功能；采用將基波電能與諧波電能分開計(jì)量的方 法，并對(duì)諧波電能進(jìn)行綜合評(píng)估。本實(shí)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(cè)裝置能夠?qū)崿F(xiàn)以下 幾個(gè)功能1、分析諧波對(duì)感應(yīng)系電能表計(jì)量電能準(zhǔn)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(rèn)為在有諧波的情況下，會(huì)使得電能 表計(jì)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(shí)驗(yàn)搞清楚這一問題。擬采用基波與諧波參量分別計(jì)量的方式， 與原感應(yīng)系電能表進(jìn)行比較，從而確定諧波影響計(jì)量的數(shù)值。2、采用因特網(wǎng)通信方式開發(fā)遠(yuǎn)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(yuǎn)程抄表。虛擬電能表的這一功能不同于一般的遠(yuǎn)程抄表功能，它是在虛擬儀器的開發(fā)平 臺(tái)上構(gòu)造一個(gè)通信網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)，通過TCP/IP協(xié)議實(shí)現(xiàn)電能計(jì)量數(shù)據(jù)的遠(yuǎn)程通信，這種通信方 式不僅可以實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程抄表，還可以實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程管理和控制。3、開發(fā)的電能質(zhì)量監(jiān)測(cè)裝置不但具有分析功能還有計(jì)量功能；普通的監(jiān)測(cè)裝置只具有單一的監(jiān)測(cè)功能，虛擬監(jiān)測(cè)裝置不僅能夠進(jìn)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(duì)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(biāo)。還可以計(jì)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(duì)電壓和電流值進(jìn)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(biāo)等，數(shù)值有瞬時(shí)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(diǎn)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(shí)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(cè)裝置，其特征在于，它包括信號(hào)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(jī)(4)，信號(hào)調(diào)理電路(1)將接收的模擬電壓信號(hào)和模擬電流信號(hào)分別調(diào)理成標(biāo)準(zhǔn)電壓信號(hào)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(hào)和模擬電流信號(hào)，并分別將接收的模擬電壓和模擬電流信號(hào)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(jī)(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(jī)(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(cè)裝置，其特征在于，信號(hào) 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(zhǔn)確度為0. 1級(jí)，霍爾電壓互感器將接收的模擬電壓信號(hào)調(diào)理成 標(biāo)準(zhǔn)電壓信號(hào)，霍爾電流互感器將接收的模擬電流信號(hào)調(diào)理成標(biāo)準(zhǔn)電壓信號(hào)，所述標(biāo)準(zhǔn)電 壓信號(hào)為士 IOV以內(nèi)的電壓信號(hào)。
專利摘要基于虛擬儀器技術(shù)的電能質(zhì)量監(jiān)測(cè)裝置，屬于電力測(cè)量領(lǐng)域，本實(shí)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(cè)裝置在功能和可靠性方面都存在的缺陷。本實(shí)用新型包括信號(hào)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(jī)，信號(hào)調(diào)理電路將接收的模擬電壓信號(hào)和模擬電流信號(hào)分別調(diào)理成標(biāo)準(zhǔn)電壓信號(hào)輸出給數(shù)據(jù)采集卡，圖像顯示DSP接收模擬電壓信號(hào)和模擬電流信號(hào)，并分別將接收的模擬電壓和模擬電流信號(hào)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(jī)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(jī)連接，本實(shí)用新型用于電能質(zhì)量監(jiān)測(cè)。
文檔編號(hào)G01R21/00GK201749162SQ20102052805
公開日2011年2月16日 申請(qǐng)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(qiáng), 何宇, 呂飛孔, 金鎮(zhèn)山 申請(qǐng)人:黑龍江省電力科學(xué)研究院