专利名称：基于虚拟仪器技术的电能质量监测装置的制作方法
技术领域：
本实用新型涉及一种基于虚拟仪器技术的电能质量监测装置，属于电力测量领 域。
背景技术：
近年来，由于大量采用电力电子技术的工业设备和家用电器的应用，电能质量逐 渐恶化，严重影响了电力用户的生产和生活。但是，现代社会中，电能是一种广泛使用的能 源，随着国民经济的发展，对电能的需求量日益增加，这就需要电力部门实时监测电能的质 量情况，并及时采取相应措施来对电能质量进行调整。通常衡量电能质量的主要指标有5 项(1)电压偏差；(2)频率偏差；(3)波形质量或谐波含量；(4)电压波动与闪变；(5)三相 不平衡。目前，国内外对电能质量监测方式大致分为三种第一种、专项测量即对各种干扰负荷或补偿设备，如电弧炉、换流设备、电容器 组、滤波器等在接入电网前后，或反映电能质量出现异常，需要对比前后变化情况的场合， 测量这些设备对电网电能质量各项指标的影响，通过与国家相关标准对照，决定其是否可 以投运或确定电网电能质量指标的背景状况和负荷变动与干扰发生的实际参量。专项检测 工作在完成预定任务后即可撤消。第二种、定期或不定期监测即针对普通电力干扰源，根据干扰的大小、危害程度 采取定期或不定期监测方式。定期监测多用于电网电能质量的定期普查，主要目的是全面 了解全网电能质量水平和干扰源的特性。不定期监测主要是针对电力用户的特殊电能质量 问题进行监测分析。第三种、在线监测在线监测主要用于监测重要变电站或实施无人值班变电站的 公共配电点或重要电力用户的配电点的电能质量。在线监测的功能包括数据显示、数据存 储、数据远传、对监测项目的越限报警和远程控制。通过计算机网络将监测的实时数据、历 史变化曲线、指标越限报警信号等进行就地显示和实现远程监控。目前的电能质量在线监测装置的相关产品，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。
发明内容本实用新型的目的是为了解决目前采用硬件原理研制而成的电能质量在线监测 装置在功能和可靠性方面都存在的缺陷，提供了一种基于虚拟仪器技术的电能质量监测装置。本实用新型包括信号调理电路、图像显示DSP、数据采集卡和含有虚拟仪器的PC 机，信号调理电路将接收的模拟电压信号和模拟电流信号分别调理成标准电压信号输出给 数据采集卡，图像显示DSP接收模拟电压信号和模拟电流信号，并分别将接收的模拟电压 和模拟电流信号以波形的形式显示输出，所述图像显示DSP通过PCI总线与含有虚拟仪器的PC机连接，所述数据采集卡通过PCI总线与含有虚拟仪器的PC机连接。本实用新型的优点1、可以分别计量从基波到20次谐波的电能，对目前广泛使用的感应系和数字式 电能表计量的准确度提供比较和参考；2、可以测量从基波到20次谐波的电压、电流、有功、无功、功率因数和总谐波畸变 率等参数，对治理谐波提供依据；3、可以对测量的数据进行存档管理，借助通信网进行数据远方传输和远方测量， 是电力市场环境下实现电能计量系统的基本形式。4、采用虚拟仪器技术研制电力系统电能质量监测装置，从根本上解决了目前电力 系统中对谐波监测即电能无法计量的问题，对提高电网的安全稳定运行和电能计量准确度 都具有非常重要的理论与实际意义。
图1是本实用新型结构示意图，图2是信号调理电路具体电路图，图3是虚拟仪器 系统软件结构框架图。
具体实施方式
具体实施方式
一、下面结合图1至图3说明本实施方式，本实施方式包括调理电路 1、图像显示DSP2、数据采集卡3和含有虚拟仪器的PC机4，信号调理电路1将接收的模拟 电压信号和模拟电流信号分别调理成标准电压信号输出给数据采集卡3，图像显示DSP2接 收模拟电压信号和模拟电流信号，并分别将接收的模拟电压和模拟电流信号以波形的形式 显示输出，所述图像显示DSP2通过PCI总线与含有虚拟仪器的PC机4连接，所述数据采集卡3通过PCI总线与含有虚拟仪器的PC机4连接。虚拟仪器技术诞生于20世纪末，被誉为21世纪的技术，“测控技术的革命”，它的 口号是“软件就是仪器”，今年推出的新一代的虚拟仪器又提出“网络就是仪器”的口号，它 的主要技术特点是彻底改变了传统的以硬件为核心的测量技术，改为以软件为主的测量新 思路，通过功能强大的软件开发平台LabVIEW可以实现各种测量的信号采样、分析、计算、 显示、通信和管理等功能，其中少量的硬件仅仅是起到模数转换的作用，其余的功能全部通 过软件来实现，从而避免了硬件设备低可靠性的问题。虚拟仪器技术是完全依赖于计算机 的仪器，所以也称为微机化仪器，它充分利用计算机的硬件和软件资源，并密切依赖于计算 机软件和硬件的发展，是各种测量仪器和测控技术发展的方向。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。本实施方式所涉及的虚拟装置硬件部分采用这种方式即基于数据采集的虚拟仪 器系统，这种方式对现场要求很低，不需要改变接入方式，只须将原来接入电能表的导线接 入该装置的信号调理电路1即可，其余部分全由带有电能质量在线监测的虚拟程序完成。 虚拟程序嵌入在含有虚拟仪器的PC机4，整个构成一个虚拟仪器系统，基本硬件确定以后，就可通过不同的软件实现不同的功能，软件是虚拟仪器系统的关键，没有一个优秀的控制 分析软件，很难想象可以构成一台理想的虚拟仪器系统。参见图3，在虚拟装置中，软件部分至少需要仪器、通信和驱动程序三种接口软件。 其中仪器接口为仪器与计算机之间的通信协议和方法。通信接口按标准方式将仪器连接起 来，它是仪器与仪器驱动程序之间的通信接口，实际上就是数据采集系统的I/O接口软件。 仪器驱动程序接口将通信接口与开发环境(ADE)连接起来。仪器驱动器是完成对某一特 定仪器控制与通信的一段程序。它作为用户应用程序的一部分在计机上运行。仪器驱动器 是整个虚拟仪器系统的核心，是完成对仪器硬件控制的纽带和桥梁。应用软件开发环境将 计算机的数据分析与显示能力与仪器驱动器融合在一起，为用户开发虚拟仪器提供了必要 的软件工具和环境。本装置使用的多功能电能计量是用图形编程语言LabVIEW设计虚拟仪 器，即LabVIEW图形化软件编程平台，在此平台下，用户只要简单的定义和连接各个逻辑框 即可构成程序，大大缩短了虚拟仪器控制软件的开发时间。相对于传统仪器而言，虚拟仪器 具有很大的优越性，正因为如此，虚拟仪器才在各种行业中迅速得以推广应用，电力行业也 不例外。随着电力工业飞速发展和管理体制的转变，电能作为一种特殊商品正逐渐走向市 场，既然是商品，当然也要按商品按质论价。近年来，电网不断扩大，工业负荷快速增长，特 别是大量电力电子装置、炼钢电弧炉、电气化铁路等非线性负荷在电力系统中的广泛应用， 造成系统电压和电流波形的严重畸变。而工业的发展和科技的进步使得越来越多的用户采 用性能好效率高但对电源特性变化敏感和对供电系统注入干扰(如谐波、电压波动等)的新 设备，电能质量低劣的问题逐渐明显起来，电能质量的重要性越来越得到人们重视。国家 最新颁布的有关电能质量的标准把衡量电能质量标准暂分为供电电压偏差、电压波动和闪 变、公用电网谐波、三相不平衡以及电力系统频率偏差等五项。只有对上述这些电参量进行 实时准确的测量，才能为下一步判断这些指标是否满足国家标准做好准备。虚拟仪器作为 新一代测量工具，它具有开发迅速、成本低廉、使用简单、功能强大且随时可扩展等传统仪 器不可比拟的优越性，实验表明，利用它来开发多功能电能计量装置，能够在技术上和经济 上都能较好满足现场实际的需要。信号调理电路1包括霍尔电压互感器和霍尔电流互感器，霍尔电压互感器和霍尔 电流互感器的频带为0 kHz 100kHz，准确度为0. 1级，霍尔电压互感器将接收的模拟电压 信号调理成标准电压信号，霍尔电流互感器将接收的模拟电流信号调理成标准电压信号， 所述标准电压信号为士 IOV以内的电压。对三相三线制系统，需要3个PT和3个CT，PT的 变比为二次100V/5V，CT的变比为5A/5V。具体如图2所示。信号调理电路1作为采样和 接口部件，对基波和谐波的测量起到关键作用。数据采集卡3采用DAQ型数据采集卡，采样率200kHz/s，12bit分辨率，16A/I通 道，完全能够满足三相电压和三相电流的三相三线制系统的电能质量监测要求，对IOOkHz/ s的卡来说，对基波如果8个通道同时使用可以保证每个通道每个周波采样200个点；对20 次谐波可以保证每个通道每个周波采样10个点。含有虚拟仪器的PC机4中的LabVIEW虚拟仪器程序能够在WindOWS2000/NT/9X 操作系统下运行，工作站主要硬件系统最低配置要求16MB RAM内存(推荐32MB以上)，486 中央处理器(推荐Pentium级别以上)。随着计算机硬件价格的不断下跌，本装置可采用当 前流行配置的计算机(PIII700以上、内存128MB以上)组建工作站，这样能使虚拟仪器程序
5运行和分析速度更快。含有虚拟仪器的PC机4对采样信号进行分析和处理，应用虚拟仪器技术的开发平 台，对实验和仿真的数据进行研究，采取将基波和谐波分量分别计量的方式，找出谐波对电 能计量准确度的影响；通过虚拟仪器技术手段开发多功能电能质量监测装置；利用虚拟仪 器技术开发基于现代通信技术的远程抄表功能；采用将基波电能与谐波电能分开计量的方 法，并对谐波电能进行综合评估。本实用新型采用虚拟仪器技术开发研制新型的电能质量监测装置能够实现以下 几个功能1、分析谐波对感应系电能表计量电能准确度的影响；系统和用户中的很多设备都是谐波源，通常认为在有谐波的情况下，会使得电能 表计量的电能偏低，但少了多少及与谐波次数、比例等定量的关系缺乏必要的研究，本课题 的首要任务是通过仿真与实验搞清楚这一问题。拟采用基波与谐波参量分别计量的方式， 与原感应系电能表进行比较，从而确定谐波影响计量的数值。2、采用因特网通信方式开发远程抄表功能；在虚拟仪器基础上建立的电能表系统，具有很多功能，其中最主要的功能之一是 远程抄表。虚拟电能表的这一功能不同于一般的远程抄表功能，它是在虚拟仪器的开发平 台上构造一个通信网络节点，通过TCP/IP协议实现电能计量数据的远程通信，这种通信方 式不仅可以实现远程抄表，还可以实现远程管理和控制。3、开发的电能质量监测装置不但具有分析功能还有计量功能；普通的监测装置只具有单一的监测功能，虚拟监测装置不仅能够进行电能质量分 析，如电压质量、频率质量、波形质量等，特别是对谐波分析可以给出各次谐波在基波中所 占的百分比等指标。还可以计量谐波电能。4、开发电能表的数据库和文档管理功能；虚拟装置虽然只是对电压和电流值进行采样，但通过虚拟仪器的分析和处理可以 得到众多的相关变量，如电压、电流、功率、频率、功率因数及谐波指标等，数值有瞬时值、有 效值、峰值等，这样大量的数据必须有数据库和相应的管理系统。5、开发电能表的相关功能。虚拟装置的最大特点是功能由用户自定义，它可以根据需要添加各种功能，如显 示波形；用棒图形式显示谐波；显示电压、电流值；显示功率值；显示功率因数瞬时值和平 均值等等。
权利要求基于虚拟仪器技术的电能质量监测装置，其特征在于，它包括信号调理电路(1)、图像显示DSP(2)、数据采集卡(3)和含有虚拟仪器的PC机(4)，信号调理电路(1)将接收的模拟电压信号和模拟电流信号分别调理成标准电压信号输出给数据采集卡(3)，图像显示DSP(2)接收模拟电压信号和模拟电流信号，并分别将接收的模拟电压和模拟电流信号以波形的形式显示输出，所述图像显示DSP(2)通过PCI总线与含有虚拟仪器的PC机(4)连接，所述数据采集卡(3)通过PCI总线与含有虚拟仪器的PC机(4)连接。
2.根据权利要求1所述的基于虚拟仪器技术的电能质量监测装置，其特征在于，信号 调理电路(1)包括霍尔电压互感器和霍尔电流互感器，霍尔电压互感器和霍尔电流互感器 的频带为0 kHz 100kHz，准确度为0. 1级，霍尔电压互感器将接收的模拟电压信号调理成 标准电压信号，霍尔电流互感器将接收的模拟电流信号调理成标准电压信号，所述标准电 压信号为士 IOV以内的电压信号。
专利摘要基于虚拟仪器技术的电能质量监测装置，属于电力测量领域，本实用新型为解决目前采用硬件原理研制而成的电能质量在线监测装置在功能和可靠性方面都存在的缺陷。本实用新型包括信号调理电路、图像显示DSP、数据采集卡和含有虚拟仪器的PC机，信号调理电路将接收的模拟电压信号和模拟电流信号分别调理成标准电压信号输出给数据采集卡，图像显示DSP接收模拟电压信号和模拟电流信号，并分别将接收的模拟电压和模拟电流信号以波形的形式显示输出，所述图像显示DSP通过PCI总线与含有虚拟仪器的PC机连接，所述数据采集卡通过PCI总线与含有虚拟仪器的PC机连接，本实用新型用于电能质量监测。
文档编号G01R21/00GK201749162SQ20102052805
公开日2011年2月16日 申请日期2010年9月14日 优先权日2010年9月14日
发明者任强, 何宇, 吕飞孔, 金镇山 申请人:黑龙江省电力科学研究院