作者:
　　Daniel Kaminský - ELCOM, a.s.
　　Petr Bilik - ELCOM, a.s.
　　Jiri Hula - ELCOM, a.s.
行業(yè):
　　能源/電力
產(chǎn)品:
　　CompactRIO, LabVIEW
挑戰(zhàn):
　　實(shí)現(xiàn)一個(gè)電能質(zhì)量分析儀,，它包含一套完整的儀器,，能夠執(zhí)行所有必要的電能相關(guān)的測量,，并且能夠在一個(gè)運(yùn)行實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)的小型硬件系統(tǒng)上實(shí)現(xiàn)并行處理。我們還必須考慮系統(tǒng)的可擴(kuò)展性,，以便在進(jìn)行設(shè)計(jì)測量和數(shù)據(jù)處理運(yùn)算時(shí)符合最新的IEC和 EN標(biāo)準(zhǔn)。
　
解決方案:
　　利用COTS（商業(yè)現(xiàn)成可用）的工具,，如NI CompactRIO,，一款堅(jiān)固而可擴(kuò)展的硬件平臺(tái)，以及NI LabVIEW圖形開發(fā)環(huán)境來開發(fā)電能質(zhì)量分析儀,，并使其遵守國際電能質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)
　
　　"ENA電能質(zhì)量分析儀系列可以根據(jù)最新的國際標(biāo)準(zhǔn)和/或客戶需要的任何額外功能,，在短時(shí)間內(nèi)很方便地進(jìn)行修改或者擴(kuò)展。 -丹尼爾•卡明斯基博士(Dr. Daniel Kaminsky)，Elcom公司主管 "
　
電能質(zhì)量測量很重要,？
　　電能是一種產(chǎn)品,，和任何其他產(chǎn)品一樣，并且它或許是目前工商業(yè)所需要的最必不可少的原材料,。它的不同尋常之處在于它必須連續(xù)不斷被接收和使用,，人們無法方便地大量儲(chǔ)存電能，并且在使用前無法方便地對(duì)它進(jìn)行質(zhì)量檢驗(yàn),。若電能質(zhì)量較差,，則有可能對(duì)生產(chǎn)線造成重大損傷。因此,，通過監(jiān)測電能質(zhì)量,，我們就能夠在系統(tǒng)遭到損傷，并導(dǎo)致嚴(yán)重的財(cái)務(wù)損失之前找到潛在的問題,。此時(shí)進(jìn)行預(yù)防工作的成本相對(duì)而言是較低的,，并且工程師可以進(jìn)行一系列的改善工作，從優(yōu)化系統(tǒng)運(yùn)行流程到監(jiān)測與控制設(shè)備的整體安裝等,。
　
什么是需要測量的量,？
　　典型的電能質(zhì)量分析儀采集并分析電網(wǎng)中的三路電壓，并根據(jù)國際標(biāo)準(zhǔn)的規(guī)定計(jì)算電壓質(zhì)量,。電壓質(zhì)量由以下參數(shù)進(jìn)行定義：頻率,、電壓電平變化、閃變,、三相系統(tǒng)不平衡,、諧波光譜、總諧波失真和信號(hào)電壓電平等,。在某些情況下,，也需要將電流信號(hào)和電壓一起分析。這樣就可以分析電流相關(guān)的參數(shù),，并能夠計(jì)算一些間接參量,，例如有功功率、無功功率,、電能等,。

圖1  帶有電能質(zhì)量監(jiān)控功能的電能傳輸示意圖

　　我們的電能質(zhì)量分析軟硬件包被命名為ENA（全稱：ELCOM網(wǎng)絡(luò)分析儀），是用于電能質(zhì)量監(jiān)測的綜合的模塊化系統(tǒng),，它符合現(xiàn)行國際標(biāo)準(zhǔn)和其他國際規(guī)定文件的規(guī)定,。
　
選擇開發(fā)平臺(tái)的注意事項(xiàng)
　　我們選擇在NI CompactRIO平臺(tái)上利用C系列模塊實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)。與傳統(tǒng)的基于計(jì)算機(jī)的儀器相比較,，它更加緊湊,、堅(jiān)固,，并且尺寸更小（高 寬 深：88 180 90mm或3.4 7 3.5英寸）,。它還具有更好的溫度規(guī)格（工作溫度范圍在-40°C和+70°C之間）,，以及非常低的功率消耗（約為8瓦）。而且,，NI CompactRIO系列產(chǎn)品還能夠?yàn)槲覀兲峁└鞣N不同的尺寸規(guī)格,，這對(duì)我們來說很重要，幫助我們快速適應(yīng)不同客戶及不同應(yīng)用的需要,。
　
　　從豐富的C系列I/O模塊中,，我們選擇了NI 9225 300V功率測量模塊進(jìn)行高電壓的測量。該模塊是為電網(wǎng)測量而設(shè)計(jì)的,，能夠測量110V電網(wǎng)的相電壓和線電壓,，以及240V電網(wǎng)的相電壓。針對(duì)電流測量,，我們使用了NI 9227,。NI 9225和NI 9227能夠在50k采樣點(diǎn)/秒的采樣率下實(shí)現(xiàn)同步采樣，能夠?qū)崿F(xiàn)精確的三相功率測量以及電能質(zhì)量測量,，如：閃變,、諧波和功率因數(shù)等。此外,，我們還設(shè)計(jì)了特殊的電壓和電流模塊供選擇：EL9215U-R1和EL9215I-R1,，它們都基于NI 9215模塊設(shè)計(jì)并內(nèi)嵌了我們的信號(hào)調(diào)理電子元件。它們占用三個(gè)插槽,，可以集成到CompactRIO機(jī)箱中使用,。
　
　　由于需要開發(fā)易于使用并且具有可移植性和可擴(kuò)展性的解決方案，所以我們選用了NI LabVIEW作為軟件開發(fā)環(huán)境,，用于開發(fā)ENA的各部分軟件,。根據(jù)所選擇的CompactRIO型號(hào)不同以及所選擇的輸入模塊的不同，有幾種不同型號(hào)的CompactRIO 電能質(zhì)量分析儀,。ENA 電能質(zhì)量分析儀固件的最低要求是帶400MHz處理器的控制器和帶有2M現(xiàn)場可編程門陣列（Gate FPGA）的機(jī)箱,。
　
基于CompactRIO的電能質(zhì)量分析儀
　　我們在這里展示的型號(hào)是ENA450,，但是由于NI CompactRIO產(chǎn)品系列和系統(tǒng)的可擴(kuò)展性以及LabVIEW代碼的可移植性,，我們能夠?qū)⑾到y(tǒng)調(diào)節(jié)成不同的尺寸大小，以滿足各種不同的應(yīng)用以及客戶的特殊需要,。除基于完全靈活的NI CompactRIO 系統(tǒng)（ENA450.EC）以外,，我們還創(chuàng)造了另外兩種整體解決方案，可以把應(yīng)用程序部署至：
 　
　　•集成化的CompactRIO系統(tǒng)（ENA450.EB, ENA450.NB）,，其在同一個(gè)機(jī)箱內(nèi)同時(shí)安裝了實(shí)時(shí)處理器和可重新配置現(xiàn)場可編程門陣列（FPGA）,。
　　•或者單板RIO（即Single-Board RIO）（ENA460）系統(tǒng),，其在單個(gè)印刷電路板上包含NI CompactRIO系統(tǒng)的三個(gè)核心部件-實(shí)時(shí)處理器、現(xiàn)場可編程門陣列（FPGA）和I/O ,。
　
　　電能質(zhì)量分析儀的性能由儀器硬件和軟件確定,。ENA電能質(zhì)量監(jiān)測系統(tǒng)包含一系列的軟件應(yīng)用程序，這些應(yīng)用程序可以用于分析儀的遠(yuǎn)程控制,、已儲(chǔ)存數(shù)據(jù)分析及通過因特網(wǎng)發(fā)布電能質(zhì)量數(shù)據(jù),。這種模化的理念可以實(shí)現(xiàn)所有客戶需求,，并且使成本最小化,。
　
測量能力
　　固件ENA-Node（參見圖庫）在基于CompactRIO的ENA450分析儀上直接運(yùn)行并且提供各種測量服務(wù)，包括處理所有數(shù)據(jù)采集,、計(jì)算和儲(chǔ)存,。
　
　　固件ENA-Node包括一些并行運(yùn)行的軟件模塊：
　　•FFT分析儀
　　•矢量分析儀
　　•電流監(jiān)測器
　　•閃變計(jì)
　　•EN50160電壓監(jiān)視器
　　•半周期RMS監(jiān)視器
　　•電壓發(fā)報(bào)和報(bào)警
　　•數(shù)字輸入
　
　　所有上述固件模塊都適合于50Hz 和60Hz 電力系統(tǒng)。用戶可以通過儀器顯示器觀察數(shù)據(jù)并且把數(shù)據(jù)儲(chǔ)存在數(shù)據(jù)文件中,。所有儀器都在9.6 kS/秒/通道的采樣率下工作,。采樣率與被測量信號(hào)的頻率同步。實(shí)施的算法符合IEC61000-4-30,、IEC61000-4-15和IEC61000-4-7等電能質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)的規(guī)定,。
　
　　軟件將會(huì)分析電網(wǎng)的三個(gè)電壓信號(hào)(最高可達(dá)300Vrms)和三路電流瞬時(shí)值，以便計(jì)算電網(wǎng)的各種變量：RMS值,、頻率,、諧波光譜、總諧波失真,、閃變,、三相系統(tǒng)不平衡、有功功率,、無功功率,、電能和許多其他變量。通過使用NI 9227電流模塊或者通過電流鉗連接到ELCOM EL9215I-R1電流模塊,，可以直接測量電流變送器（1A/5A）輸出的電流,。

圖2  ENA450接線圖–如何連接到輸電線

可測量的變量列表

　　用于儀器控制,、數(shù)據(jù)管理和報(bào)表的用戶界面
　
　　易于使用的ENA-Touch用戶界面是一個(gè)用于ENA測量服務(wù)的圖形用戶界面,。所有儀器控制、數(shù)據(jù)顯示和測量配置都通過ENA-Touch用戶界面進(jìn)行,。為了顯示測量的數(shù)值,，它可以容易、妥當(dāng)?shù)貙?shí)現(xiàn)配置并顯示測量的數(shù)據(jù),。有兩種類型的可視化面板：一些面板在表格中顯示固定數(shù)值,，一些面板能夠支持多種顯示數(shù)據(jù)的方法（如表格,、頻域圖表、圖表,、矢量圖表及電能質(zhì)量的統(tǒng)計(jì)結(jié)果）以便顯示用戶自定義的數(shù)值,。ENA-Touch用戶界面對(duì)于控制進(jìn)行了優(yōu)化，能夠使用觸摸屏進(jìn)行顯示,，并且也可以在分辨率為800x480的超級(jí)移動(dòng)PC上使用,。ENA-Touch可以通過因特網(wǎng)TCP/IP協(xié)議遠(yuǎn)程控制ENA-Node。同時(shí)由于顯示了所有的聯(lián)機(jī)數(shù)據(jù),，系統(tǒng)也允許儲(chǔ)存數(shù)據(jù)以進(jìn)行離線分析,。計(jì)算后的變量可及時(shí)地進(jìn)行累計(jì)并且一些數(shù)據(jù)在儲(chǔ)存之前就經(jīng)過了統(tǒng)計(jì)評(píng)估。數(shù)據(jù)根據(jù)一個(gè)規(guī)定的時(shí)間間隔定期儲(chǔ)存,，另有一些基于事件的數(shù)據(jù)僅在事件發(fā)生時(shí)進(jìn)行儲(chǔ)存,。
　
　　利用ENA-Report可以很方便地地對(duì)儲(chǔ)存的數(shù)據(jù)進(jìn)行離線分析，并生成報(bào)告,。
　
利用ENA進(jìn)行分布式電能質(zhì)量監(jiān)測
　　利用一些ENA450分析儀可以構(gòu)造分布式監(jiān)測系統(tǒng),。分布式系統(tǒng)中的數(shù)據(jù)可以復(fù)制到MS-SQL或者ORACLE數(shù)據(jù)庫，以便進(jìn)行集中儲(chǔ)存和離線分析,。
　
結(jié)論
　　這一電能質(zhì)量監(jiān)測系統(tǒng)的主要優(yōu)勢在于性能高,，靈活性好并且尺寸小。通過使用具有內(nèi)置信號(hào)調(diào)理功能的C系列模塊,，可以實(shí)現(xiàn)強(qiáng)大的,、用戶容易掌握的解決方案，可以在很大程度上簡化軟件維護(hù)和進(jìn)一步開發(fā),，而不會(huì)對(duì)當(dāng)前的系統(tǒng)產(chǎn)生影響,。若現(xiàn)有的電能質(zhì)量監(jiān)測標(biāo)準(zhǔn)有了任何更新或者修改，電能質(zhì)量監(jiān)測儀的特性可以快速更新并且緊跟最新標(biāo)準(zhǔn),。由于該解決方案具有開放性,，所以現(xiàn)有系統(tǒng)能夠很容易與其他系統(tǒng)結(jié)合，通信協(xié)議可以根據(jù)客戶需求進(jìn)行調(diào)整或者集成到用戶現(xiàn)有的SCADA系統(tǒng)中,。開放式硬件架構(gòu)允許用戶添加新的DIO用于監(jiān)測和控制,，或者添加通信模塊實(shí)現(xiàn)GPS 或者GSM無線通信。
　
　　NI CompactRIO and NI LabVIEW的靈活性還使我們得以在數(shù)周時(shí)間內(nèi)實(shí)現(xiàn)完整的PMU（相位測量單元）分析儀,。它允許根據(jù)IEEE C37.118-2005標(biāo)準(zhǔn)對(duì)同步相量進(jìn)行精確評(píng)估,。目前我們正試圖將PMU分析儀功能結(jié)合到電能質(zhì)量分析儀ENA450中，以成為一個(gè)單獨(dú)的儀器,。