专利名称：基于虚拟仪器技术的电能质量在线监测装置的制作方法
技术领域：
本实用新型涉及一种利用虚拟仪器技术对电力系统的电能质量进行在线监测的装置。
电能质量如果不合格不仅对系统本身的设备及正常运行十分不利，而且对用户也同样十分有害，所以不论从供电部门，还是从用户角度来说都希望有优质的电能。但是在实际的供电系统中，质量不合格的电能十分普遍，造成电能质量不合格的原因客观地说有用户的原因，也有系统本身的原因。因此，在供电系统中能够在线地监测系统的电能质量，科学地确定影响电能质量的原因，非常有助于系统和用户采取措施提高电能质量。
电能质量在线监测装置类似产品很早就有，但是都是采用硬件原理研制而成，无论从功能上，还是从可靠性上都存在较大的缺陷。
目前，虚拟仪器技术在航空、航天等行业已经有许多成功的应用，但在电力系统中的应用却才刚刚开始起步，采用这一技术研制电能质量在线监测装置，在所查到的国内文献中还没有见到，它的应用将大大提高电力系统的自动化水平，是改善电能质量的重要依据。
本实用新型的技术解决方案是，该基于虚拟仪器技术的电能质量在线监测装置，它主要由三部分构成(1)信号调理部分，系统中额定值为100V或5A的电压电流模拟信号，通过零磁通的互感器LV、LA，变成±10V以内的电压信号送入数据采集卡；这种互感器既能保证信号采集的准确度，也能保证信号采集的带宽，其基本原理为霍尔磁平衡原理，也称为“零磁通”原理；采集信号的路数可以根据需要来确定，一台装置最多可以同时采集16路。(2)数据采集卡部分，它的主要功能是实现数字量和模拟量之间的相互转换，采集速度可以达到200kHz/s，采样精度为12位，有16路模拟输入通道。(3)含虚拟仪器的计算机，其面板上自带键盘和触摸式鼠标，硬件配置采用高档次计算机配置；软件操作系统应用Windows系列操作系统；装置的背面有10个接线端子，分别对应三相电压和三相电流及一个中性线。
基于虚拟仪器技术的电能质量在线监测装置是应用虚拟仪器技术研制的能够对供电系统的电能质量进行在线监测的一种装置，它通常可以安装在变电站的主控室，对某个特定的馈电线或大用户的出线上的电能质量进行长期的在线监测，连续监测的数据能够自动进行处理和存储，还可以通过网络传输到远方的控制中心进行分析并给出分析报告，这个报告可以作为供电部门和用户进行电力交易时的必备的材料，在双方买卖电量的同时，考虑电能质量的问题的影响，如果是因为系统方面的原因，应该由系统向用户提供必要的补偿；如果是用户方面的原因，应该由用户采取提高电能质量的措施或向系统提供资金补偿。
基于虚拟仪器技术的电能质量在线监测装置结构示意图如
图1所示，它主要由三部分构成(1)信号调理部分，通过零磁通的互感器采集系统中额定值为100V或5A的电压电流信号，变成±10V以内的电压信号送入数据采集卡。这种特殊的互感器既能保证信号采集的准确度，也能保证信号采集的带宽，其基本原理为霍尔磁平衡原理，也称为“零磁通”原理。采集信号的路数可以根据需要来确定，一台装置最多可以同时采集16路。(2)数据采集卡部分，它的主要功能是实现数字量和模拟量之间的相互转换，采集速度可以达到200kHz/s，采样精度为12位，有16路模拟输入通道。该数据采集卡是现有技术，可以选用美国NI公司的产品--PCI-6023E。(3)含虚拟仪器的计算机，可以是各种类型的计算机、笔记本、手提电脑和工控机等，本装置采用的是有800×600象素的彩色液晶显示器的一体化工作站，面板上自带键盘和触摸式鼠标，硬件配置采用当前流行的高档次计算机配置。软件操作系统应用Windows系列操作系统。装置的背面有10个接线端子，分别对应三相电压和三相电流及一个中性线。
请参阅附图2，信号调理部分是由一块信号调理卡实现，它主要由输入端子排(DZin)、互感器(LV、LA)和输出端子排(DZout)三部分组成。输入端子排有10个接线端子，分别是1号对应A相电流输入端(Ia+)；2号对应A相电压端(Ua)；3号对应A相电流输出端(Ia-)；4号对应B相电流输入端(Ib+)；5号对应B相电压端(Ub)；6号对应B相电流输出端(Ib-)；7号对应C相电流输入端(Ic+)；8号对应C相电压端(Uc)；9号对应C相电流输出端(Ic-)；10号对应系统中性点(0V)。互感器有三个电压互感器LVa、LVb和LVc，分别将系统上的额定值为100V的三相电压变成10V以内的三相电压；三个电流互感器LAa、LAb和LAc，分别将系统中的额定值为5A的三相电流变成10V以内的电压信号。输出端子有9个，分别是1号对应输出A相电压信号(ua)；2号对应输出B相电压信号(ub)；3号对应输出C相电压信号(uc)；4号对应输出A相电流信号(ia)；5号对应输出B相电流信号(ib)；6号对应输出C相电流信号(ic)；7号对应+15V直流输入电压；8号对应-15V直流输入电压；9号对应直流电源中性点0V。
信号调理卡的工作原理是输入端从电力系统二次侧采集的电压和电流信号，通过互感器都变成电压信号从输出端子排输出，送入数据采集卡。信号调理卡需要从计算机内供给±15V或±12V的直流电源。
根据实际系统中有三元件和两元件两种接线方式的特点，本装置的输入端子可以采用不同接线方式适应这两种接线，如表格1和表格2所示。表格1是对应三元件方式的接线，输入有三相相电压和三相相电流及中性点。表格2是对应两元件方式的接线，输入有两个线电压和两个相电流，线电压Uab接端子2；线电压Ucb接端子8；相电流Ia从端子1进，端子4出；相电流Ic从端子7进，端子4出；端子3、6和9用导线直接连接；端子10接系统的B相电压端，在两元件接线方式(也叫V形接线)下，B相是接地的；端子5空载。对应两种接线方式，虚拟仪器程序也有两套不同的程序相适应。 表1按三相三元件接线方式接线 表2按三相两元件接线方式接线基于虚拟仪器技术的电能质量在线监测装置的主要特点都体现在软件上，它采用LabVIEW软件开发平台提供的G语言编程，装置的数据处理、分析、计算、数据存储、显示及通信等功能全部通过软件实现。软件的主要流程模块如图3所示虚拟仪器程序首先从数据采集卡读入数字信号，然后对采集的数字信号进行数字滤波和加窗等数据处理，再对这些信号进行傅氏变换和频谱分析，将分析结果通过各种方式显示和存储，其中有波形和频谱显示、谐波含量显示、三相不对称显示、数据调整和参数设置等。
装置的主要功能有(1)波形和频谱显示可以分别显示三相电压和电流的波形和幅值频谱；(2)不对称显示三相电压和电流的相量图，分别给出电压和电流的不对称度，以及电压、电流的正序、负序和零序分量；(3)电压波动与闪变以曲线的形式记录连续变化的三相电压数值，给出三相电压波动的指标及三相电压有效值，当电压越限时给出显示；(4)数字显示分别给出三相电压、电流及功率因数角的数值，各相电压、电流的总谐波畸变率，给出各相有功、无功和视功及三相功率，以上各相均可以监测到1到20次谐波的数值；(5)调整由于硬件的信号采集元件的误差，数字信号与模拟信号之间会产生一定的误差，本装置是采用软件调整的办法对其误差进行修正，在装置安装完成后对信号采集的准确度进行调整，调整后的准确度经过测试可以达到0.2级以上；(6)路径装置运行的一些初始数据在路径里面事先设置好，包括地点、路径、通道、采样个数、采样率、加窗类型、最高谐波次数及采样时延等项。
装置的软件有两部分，一个是在线监测，它主要实现上面的一些功能，另一个是监测分析，它是一个离线分析程序，主要是通过读取装置在线监测存储的数据，对各项电能质量的指标进行分析。装置的数据存储采用文本格式，每分钟记录一次，每天存储一个文件，一台装置可以连续运行5年以上。
装置的数据可以实现远方传输，根据系统的网络情况可以任意选择多种方式，如果现场有局域网，可以采用网卡进行数据共享方式，通过远方计算机获得现场数据；如果有电话线，可以通过调制解调器拨号连接，进行数据定期传输。
本装置通常安装在供电系统的变电站，可以监测站内母线的电能质量，也可以监测某个计量回路的电能质量。本装置采用宽电压电源供电从100V到250V都可以自适应。
最大的特点是用户自定义，即用户可以根据自己的需要更改或扩充装置的功能，其次，装置的强大的功能和高可靠性也是同类型产品无法比拟的。
虚拟仪器技术在航空、航天等行业已经有许多成功的应用，但在电力系统中的应用却才刚刚开始起步，采用这一技术研制电能质量在线监测装置，在所查到的国内文献中还没有见到，它的应用将大大提高电力系统的自动化水平，是改善电能质量的重要依据。
权利要求1.一种基于虚拟仪器技术的电能质量在线监测装置，其特征在于它主要由三部分构成(1)信号调理部分，系统中额定值为100V或5A的电压电流模拟信号，通过零磁通的互感器LV、LA，变成±10V以内的电压信号送入数据采集卡；这种互感器既能保证信号采集的准确度，也能保证信号采集的带宽，其基本原理为霍尔磁平衡原理，也称为“零磁通”原理；采集信号的路数可以根据需要来确定，一台装置最多可以同时采集16路；(2)数据采集卡部分，它的主要功能是实现数字量和模拟量之间的相互转换，采集速度可以达到200kHz/s，采样精度为12位，有16路模拟输入通道；(3)含虚拟仪器的计算机，其面板上自带键盘和触摸式鼠标，硬件配置采用高档次计算机配置；软件操作系统应用Windows系列操作系统；装置的背面有10个接线端子，分别对应三相电压和三相电流及一个中性线。
2.根据权利要求1所述的基于虚拟仪器技术的电能质量在线监测装置，其特征在于所述信号调理部分由一块信号调理卡实现，它主要由输入端子排(DZin)、互感器(LV、LA)和输出端子排(DZout)三部分组成；输入端子排有10个接线端子，分别是1号对应A相电流输入端(Ia+)；2号对应A相电压端(Ua)；3号对应A相电流输出端(Ia-)；4号对应B相电流输入端(Ib+)；5号对应B相电压端(Ub)；6号对应B相电流输出端(Ib-)；7号对应C相电流输入端(Ic+)；8号对应C相电压端(Uc)；9号对应C相电流输出端(Ic-)；10号对应系统中性点(0V)；互感器有三个电压互感器LVa、LVb和LVc，分别将系统上的额定值为100V的三相电压变成10V以内的三相电压；三个电流互感器LAa、LAb和LAc，分别将系统中的额定值为5A的三相电流变成10V以内的电压信号；输出端子有9个，分别是1号对应输出A相电压信号(ua)；2号对应输出B相电压信号(ub)；3号对应输出C相电压信号(uc)；4号对应输出A相电流信号(ia)；5号对应输出B相电流信号(ib)；6号对应输出C相电流信号(ic)；7号对应+15V直流输入电压；8号对应-15V直流输入电压；9号对应直流电源中性点0V。
3.根据权利要求1或2所述的基于虚拟仪器技术的电能质量在线监测装置，其特征在于所述数据采集卡采用型号为PCI-6023E的集成块。
4.根据权利要求3所述的基于虚拟仪器技术的电能质量在线监测装置，其特征在于所述含虚拟仪器的计算机采用的是有800×600象素的彩色液晶显示器的一体化工作站。
专利摘要本实用新型涉及一种利用虚拟仪器技术对电力系统的电能质量进行在线监测的装置。它主要由三部分构成(1)信号调理部分，系统中额定值为100V或5A的电压电流模拟信号，通过零磁通的互感器LV、LA，变成±10V以内的电压信号送入数据采集卡；(2)数据采集卡部分，它的主要功能是实现数字量和模拟量之间的相互转换，(3)含虚拟仪器的计算机，其面板上自带键盘和触摸式鼠标，硬件配置采用高档次计算机配置；软件操作系统应用Windows系列操作系统；装置的背面有10个接线端子，分别对应三相电压和三相电流及一个中性线。它的应用将大大提高电力系统的自动化水平，是改善电能质量的重要依据。
文档编号G01R19/25GK2522866SQ0220914
公开日2002年11月27日 申请日期2002年4月2日 优先权日2002年4月2日
发明者艾欣 申请人:华北电力大学(北京)