网络化的电能质量综合监测系统的研究.pdf

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第38卷第1期2010年1月1日电力系统保护与控制PowerSystemProtectionandContro1、,o1.38N0.1Jan.1,2010网络化的电能质量综合监测系统的研究王明渝,周延静,赵俊晖,邓威(重庆大学输配电装备及系统安全与新技术国家重点实验室,重庆400044)摘要:为了弥补传统电能测量仪器功能单一、存储容量小,无法进行网络化监测等缺点,系统利用了虚拟仪器技术在图形化集成开发环境,信号处理分析和网络通讯方面的巨大优势,实现了对电能质量五项稳态指标的监测,而且系统具有很好的人机交互界面,提出了利用LabSQL模块和数据库技术实现远程数据存储以及基于B/W模式和RemotePane1s技术的信息发布方案,使得用户可以通过Interact直接查看即时和历史电能质量数据,实现信息共享。对本系统进行了实验室调试,试验结果表明该系统能较好地满足实际测量的需要,并且具有良好的效果。关键词:虚拟仪器;电能质量;谐波;网络化Researchofthenetworkedintegratedmonitoringsystemforpowerquality—WANGMingyu,ZHOUYanking,ZHAOJun-hui,DENGWei(StateKeyLaboratoryofPowerTransmissionEquipment&SystemSecurityandNewTechnology,Chongqing400044,China)Abstract:ThissystemmakesuseofthegreatadvantagesofLabVlEWvirtualinstrumenttechnologyingraphicaldevelopenvironment,signalanalysisandnetworkcommunication.Itcouldsatisfytherequirementofmonitoringfivesteadytargetsforpower—quali ̄andhavelivelymanmachineinterface.ThispaperproposesthemodeoftheremotedatastoragebasedontheLabSQLmoduleanddatabasetechnologyandtheinformationpublishingschemebasedontheB/SmodeandRemotePanelstechnology.Usercaninquirethedataofpowerqualitythroughintemet.Thissystemcanmakeupthedisadvantagesofthetraditionalmeasuringinstrument.Theexperimentresultsshowthatitcansatisfythepracticalrequirementbydebugging.ThisworkissupportedbyInnovationFoundationofChongqingUniversity(No.200706A1B0080208).Keywords:LabVIEW;powerquality;harmonic;networked中图分类号:TM76文献标识码:A文章编号:1674-3415(2010)01-0087-050引言电能质量的高低直接影响电力系统的供电安全。不合格的电能将严重干扰电网的稳定运行,而且会对某些对电能质量要求较高的用户带来严重的经济损失。因此电能质量的检测与分析成为电力行业普遍关注的一个课题。虚拟仪器的兴起给电能质量测量与分析提供了新的研究途径IJJ。虚拟仪器是计算机技术、仪器技术和通信技术相结合的产物,其目的是利用计算机强大的资源使硬件技术软件化,分立元件模块化,降低程序开发的复杂程度,增强系统的功能和灵活性口J。采用虚拟仪器技术的电能质量分析仪可以克服传统分析仪功能单一、存储容量小、非正弦电参量测量误差大、数据处理能基金项目:重庆大学研究生科技创新基金(200706A1B0080208)力不足等难题,并具备精确度高、工作稳定、抗干扰能力强等优点J。虚拟仪器采用图形化编程,大大地降低了软件系统的开发周期,也使程序具有很强的通用性。虚拟仪器的网络通信功能使得用户可以很容易地编写出具有强大网络通信能力的应用程序,实现远程网络化控制。把网络技术与虚拟仪器相结合,构成网络虚拟仪器系统,是虚拟仪器系统发展的方向。本文首先介绍了基于虚拟仪器技术的网络化的电能质量综合监测系统的总体设计架构以及硬件设计,然后论述了各测量模块的软件设计方案,提出了远程数据存储以及信息发布方案,最后通过实验结果验证了系统的正确性。1系统的整体架构及功能本系统采用客户机/服务器模式建立计算机网.88.电力系统保护与控制络,系统整体设计架构见图1。图1系统整体设计架构各客户端装有数据采集卡构成虚拟仪器,完成电能质量五项指标的实时监测。当某项指标超标时,系统将报警并对越限时的波形进行储存。系统将客户端监测分析后的数据通过计算机网络写入远程服务器。远程服务器端首先充当数据库服务器的角色,对各个监测站点(客户端)的测量结果进行进一步统计分析和管理,汇总出所需的电能质量日报表、年度报表等。远程服务器还充当Web服务器的角色,可用Web方式发布整个电网电能质量的总体信息,提供各种电能质量数据的下载,供用户使用。此外,有权限的用户可以利用LabVIEW里的RemotePanels技术,直接通过网页浏览器查看或控Ⅵ制远端各监测站点(客户端)的。2客户端系统硬件设计由于虚拟仪器的优势使得系统涉及的硬件较少。电能质量检测系统的硬件包括:电压电流霍尔传感器、信号调理电路、数据采集卡和计算机。客户端硬件设计框图如图2所示。信客数据处理模块原电压号-q数据户—始二=>电流调-4采集卡端二数据显示模块—信传理感PC号电机二二=数据存储模块器路图2客户端硬件设计框图Fig.2Hardwarediagramofclient2.1电压电流传感器本系统选用闭环补偿霍尔传感器。闭环补偿霍尔传感器具有很高的测量精度和很好的线性度,响应快,非常适合高精度仪表。特别是当被监测的电压和电流信号波形含有高次谐波时,采用一般互感器的信号失真度大,会严重影响分析结果,而采用闭环补偿原理的霍尔传感器就能以最小失真度转换原始信号,保证数据分析的准确性。2.2信号调理信号调理电路的功能是:完成信号的放大、隔离和滤波等预处理以提高测量的准确性和可靠性。信号调理电路将电压和电流信号变换为适合数据采集卡的一5V~+5V的电压信号,并对信号进行低通滤波,以消除频谱分析时高频信号引起的频谱混叠现象。根据采样定律,要想防止频谱混叠,需滤除/2以上频率的谐波和噪声干扰。本系统隔离部分选用了AD公司的专用的CMOS隔离放大器AD202。AD202具有精度高、功耗低、共模性能好、体积小和价格低等特点,因此AD202被广泛应用于多通道数据采集系统。抗混叠滤波器是前向通道的主要组成部分,滤波芯片采用MAXIM公司的MAX275,组成四阶低通滤波器。使用MAX275的关键在于选择合适的中心频率,品质因素Q,低通滤波器的增益。根据参考数据手册的外围电阻计算公式算出电阻的阻值,达到滤除信号中/2以上频率的谐波和噪声干扰的目的。2.3数据采集卡高精度的A/D转换是虚拟测试仪器的一个重要环节。A/D的精度与运行的可靠性直接影响到电能质量的分析结果。本监测装置采用NI公司M系列的PCI.6251型数据采集卡。该数据采集卡具有8对差分输入/16个单端输入,A/D转换精度可达16位,多通道时的最大采样率为1.00MS/s,可将其直接插入工控机扩展槽,在计算机控制下对多路信号进行每周期256点的高速采样。3系统软件设计系统总体软件设计的流程图如图3所示。其中采样设置主要是对采样率、采样点数和电压、电流的变比等进行设置。电压偏差测量模块计算电压的偏差值;频率偏差测量模块计算频率的偏差值;三相不平衡度测量模块包含了对三相不平衡度的计算和对电压、电流相位以及正序、负序、零序分量的计算;电压波动及闪变测量模块包含了对电压波动的计算和对短时间闪变值、长时间闪变值的计算;谐波测量模块包含了各次谐波分量、含有率、谐波总畸变率的计算及谐波柱形图显示,还能实现直接对n次谐波信息进行查询:电压电流实时波形监测模块包含了对电压、电流各相峰值、有效值的测量以及对各相的功王明渝,等网络化的电能质量综合监测系统的研究一89一率计算。采样设置数据采集电能质量监测电I额{磊嚣i翥l军差l差l錾谐I电压f益测{“越限l量指标l一报警l存储I…’l数据库l一—多上是图3系统总体软件设计流程图Fig.3Softwareflowchartofsystem该系统对电能参数的测量基本上遵循传统的测量方法,如:频率检测使用过零检测法;三相不平衡度检测采用几何法推导出的简单不平衡度计算公式进行计算【4j:闪变测量按照IEC推荐的闪变仪的规范进行设计L5J。在已知或测得谐波基波频率的情况下,对谐波的分析可以采用基于三角基函数的神经网络分析方法,算法详见文献J。由于算法用到了神经网络,那么可以利用MATLABScript节点调用MATLAB程序。图4系统总体应用程序界面Fig.4FrontpanelofthewholesystemMATLABScript节点与公式节点类似,可以根据需要添加输入输出向量,实现与LabVIEW程序中的数据通讯。值得注意的是,在添加输入输出向量时,一定要注意选择恰当的数据类型。在MATLABScript节点框架的右键菜单中选择Import,可将编写好的M语言直接调入。系统的总体应用程序界面(前面板)如图4所示。4数据存储与数据发布本系统为了实现网络化的电能质量综合监测系统,一方面,客户端把采集分析得到的电能质量参数准确地上传到远程数据库服务器进行数据的管理、汇总;另一方面,采用B/W(Browser/Web)模式和LabVIEW的RemotePanels技术,使有权限的用户通过Internet在任何地点都可实时查看电能质量状况以及历史数据,实现数据的网络共享。4.1数据存储LabVIEW的数据库访问功能包(LabSQL)是一个免费的、多数据库、跨平台的工具包,它利用MicrosoftADO以及SQL语言来完成对数据库的访问,将复杂的底层ADO和SQL操作封装成一系列Ⅵ的LabSQLVIs,简单易用。在使用LabSQLs之前,首先需要在Windows操作系统中的ODBC数据源中创建DSN(datasourcename,数据源名)。LabSQL与数据库之间的连接就是建立在DSN基础上的。在创建DSN的时候首先需要选择新数据源的“”驱动程序为SQLServer,然后指定新数据源想要连接到的SQL服务器,并键入新数据源的名称和与之关联的数据库,最后是测试新的数据源。通过测试完成对新数据源的建立后,这时LabSQLVIs就可以利用这个DSN访问与之关联的数据库了,也就是可以方便地通过LabSQLVIs完成对数据库的查询、添加、删除、修改等操作【8】。利用LabSQLVIs对数据库进行操作的程序框图如5所示。围图5数据库操作程序框图Fig.5DatabaseoperationprogramframeworkLabSQLVIs可以对指定的SOLf] ̄务器中(在创建DSN时填写)的DB数据源所关联的数据库进行操作。所指定的服务器既可以是本地的也可以是远程的。如果是远程服务器,那么对其上的数据库进行操作也就是实现了数据库的远程操作。这也是实现基于虚拟仪器的网络化电能质量监测系统的一个重电力系统保护与控制“”要组成部分。CommandText端口是对数据库进行操作的SQL语句,编写恰当的语句就可以对数据进行适当的操作,以写入数据库为例,其语法为:insert…‘’’’…into表名(dl,d2,)values(ddl,dd2,1“”表名为DB数据源所关联的数据库中表的名“”字,也就是指定想要插入新的数据的表,ddl和“”“”“”dd2为字段dl和d2的值。4.2电能质量信息发布4.2.1米用B/W(Browser/Web)模式在服务器端和用户之间,对信息的发布运用了B/W模式。服务器端通过Web方式发布对数据库数据分析、汇总后所得到的各种电能质量信息。具体实现方案是通过利用MacromediaDreamweaver软件及ASP技术编写动态网页,使有访问权限的用户通过Intemet访问数据库查询当前和历史电能质量数据,并提供各种电能质量报告的下载。4.2.2采用RemotePanels技术实现信息发布在客户端和用户之间,对信息的发布运用了RemotePanels技术。这样有访问权限的用户就可以Ⅵ直接通过浏览器查看远程,并可以进一步获得远程虚拟仪器的控制权。具体步骤如下:第一步:在客户端计算机上运行LabVIEW,并配置WebServer。WebServer的配置包含三个方面:文件路径和网络设置,用户访问权限设置,VI访问权限设置。第二步:在LabVIEW的主菜单中选择tools>>WebPublishingTool,在弹出的对话框中输入VI的名称,并一定将生成的HTML文件保存在WebServerConfiguration所指定的根目录中。第三步:在网页浏览器的地址栏输入想要查看或操作的远程vI的网址。这时RemotePanels就可以出现在浏览器上,用户可以点击鼠标在菜单中获取RemotePanels的控制权。5仿真测试为了验证系统的正确性,用福禄克公司Topas2000电能质量分析仪和本监测系统对同一电压波形进行处理,并将测量结果进行比较。由于福禄克公司的Topas2000电能质量分析仪是第一款实现—1EC610004.30A级精度,测量到的数据精确有效,符合EN50160标准,被公认为电能质量专家用于调查严重电能质量问题的首选工具。所以完全可以通过与其结果的比较,验证系统的正确性和准确性。以测量实验室A相电压为例,比较结果如表1所示。从表1可以看出:基于虚拟仪器的电能质量监测系统,可以十分准确地测到电压有效值,电压峰值,基波频率,基波电压有效值及各次谐波的有效值,并可以根据设定的限值进行报警。表1不同方法结果比较Tab.1Comparisonofdifferentmethods6结束语将虚拟仪器应用到电能质量监测系统里,其强大的信号处理和数据分析模块,不仅使系统具有较高的计算精度,而且具有很好的人机交互界面。此外由于虚拟仪器可以直接对数据库进行操作,还有强大的网络通讯能力,使得建立网络化的电能监测系统成为现实,这都是传统仪器无法比拟的优点。参考文献[1]肖湘宁,徐永海,刘连光.供电系统电能质量【M】.北京:华北电力大学出版社,2000.XIAOXiang-ning,XUYong-hai,LIULian-guang.PowerQualityofPowerSupplySystem[M].Beijing.-NoahChinaElectricPowerUniversityPress,2000.[2]侯国屏,王坤.LabVIEW7.1编程与虚拟仪器设计【M】.北京:清华大学出版社,2005.HOUGuo-ping,WANGKun.Labview7.1ProgrammingandVirtualInstrumentDesign[M].Beijing:QinghuaUniversityPress,2005.[3]邓少军,张振川.电能质量监测设备的发展[J].电测与仪表,2005,42(473):7-9.—DENGShao ̄un,ZHANGZhenchuan.DevelopmentofPowerQualityMonitoringSystemDevice[J],Electrical王明渝,等网络化的电能质量综合监测系统的研究-91.(上接第22页continuedfrompage22)『7lCaider6nAJ,VinagreBM,FeliuVFractionalOrderControlStrategiesforPowerElectronicBuckConverters—[J].SignalProcessing,2006,86(10):28032819.8]AnguloF,OlivarG,TabordaA.ContinuationofPeriodic—OrbitsinAZADStrategyControlledBuckConverter[J】.Chaos,Solitons&Fractals,2008,38(2):348.363.19JHsiehFH,YenNZ,JuangYOptimalControllerofABuckDC.DCConverterUsingtheUncertainLoadasStochasticNoise『J1.IEEETransonCircuitsandSystemsIi:ExpressBriefs,2005,52f2、:77.81.I10jPapafotiouGA,MargarisNI.CalculationandStabilityInvestigationofPeriodicSteadyStatesoftheVoltageControlledBuckDC.DCConverterfJ1.IEEETransOn—PowerElectronics,2004,19f41:959970.1lljGarceraG,FigueresE,PascualM,eta1.AnalysisandDesignofaRobustAverageCurrentModeControlLoopf0rParalle1BuckDC.DCConverterstoReduceLineandLoadDisturbance『J1.IEEProceedingsofElectricPowerApplications,2004,l5lf41:4l4.424.12jLinFJ,ShiehPH,ChouPH.RobustAdaptiveBacksteppingMotionControlofLinearUltrasonicMotorsUsingFuzzyNeuralNetworkfJ1.IEEETransonFuzzySystems,2008,16(3):676。692.[13]JankovicM.Forwarding,Backstepping,andFiniteSpectrumAssignmentforTimeDelaySystems【J】.Automatica,2009,45f1):2-9.[14]WenCY,ZhouJ,WangW.DecentralizedAdaptiveBacksteppingStabilizationofInterconnectedSystemswithDynamicInputandOutputInteractions【J1.Automatica,2009,45(1):55-67.[15]LinFJ,TengLT,ShiehPH.IntelligentAdaptiveBacksteppingControlSystemforMagneticLevitationApparatus[J].IEEETransonMagnetics,2007,43(5):—20092018.—[16]LinFJ,ChangCK,HuangPK.FPGABasedAdaptive—BacksteppingSlidingModeControlforLinearInductionMotorDrive[J].IEEETransonPowerElectronics,—2007,22(4):12221231.收稿日期:2009-02-06;修回日期:2009-04-05作者简介:张天瑜(1980一),男,讲师,技师,硕士,研究方向为电气工程中的多种物理场耦合理论及其数值分析,电力电子系统中的复杂行为、先进控制、鲁棒控制与故障诊断—Email:zhangtianyu163@tom.com
周大爷
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