電能作為現(xiàn)代社會(huì)中使用最為廣泛的能源，其應(yīng)用程度是衡量一個(gè)國(guó)家發(fā)展水平的重要標(biāo)志之一,。近年來(lái),，隨著我國(guó)電力事業(yè)的迅速發(fā)展，電力系統(tǒng)的規(guī)模日益擴(kuò)大,。與此同時(shí),，用戶(hù)對(duì)電能質(zhì)量的要求也越來(lái)越高，使得電能質(zhì)量問(wèn)題日益緊迫地?cái)[在了人們的面前,，電能質(zhì)量的好壞直接關(guān)系到國(guó)民經(jīng)濟(jì)的總體效益,。鐵路作為國(guó)民經(jīng)濟(jì)的重要基礎(chǔ)設(shè)施，在我國(guó)綜合交通運(yùn)輸體系中扮演著重要角色,。在加快節(jié)約型社會(huì)的建設(shè)中,，鐵路肩負(fù)著重要責(zé)任。一方面,，作為消耗能源的重點(diǎn)行業(yè),，在節(jié)能降耗，提高能源綜合應(yīng)用效率方面大有潛力可挖,；另一方面,，電氣化鐵路長(zhǎng)期存在功率因數(shù)低、諧波含量高和負(fù)序等問(wèn)題,，嚴(yán)重影響公用電網(wǎng)的電能質(zhì)量,。從我國(guó)鐵路發(fā)展的歷程和趨勢(shì)來(lái)看，電氣化鐵路在路網(wǎng)中所占的比例將越來(lái)越大,，對(duì)公用電網(wǎng)的影響也將越來(lái)越嚴(yán)重,。因此，建立和實(shí)施電能質(zhì)量的監(jiān)測(cè)與分析,，是提高電能質(zhì)量的一個(gè)重要技術(shù)手段,。研制一種新型的電能質(zhì)量參數(shù)監(jiān)測(cè)系統(tǒng),，有效地進(jìn)行電能質(zhì)量參數(shù)的監(jiān)測(cè)，對(duì)于保證電力系統(tǒng)運(yùn)行的安全性,、經(jīng)濟(jì)性和可靠性,，都具有重要意義。
目前,。國(guó)內(nèi)大部分地區(qū)仍采用便攜式電能質(zhì)量監(jiān)測(cè)儀進(jìn)行電能質(zhì)量測(cè)量,，由于該儀器的測(cè)量指標(biāo)單一，不能連續(xù)監(jiān)測(cè),，測(cè)量勞動(dòng)強(qiáng)度大,，因而不能很好地適應(yīng)電能質(zhì)量管理的需要。隨著數(shù)字化測(cè)量技術(shù),、計(jì)算機(jī)技術(shù)和網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)的飛速發(fā)展,，國(guó)內(nèi)一些科研院所已開(kāi)展了電能質(zhì)量遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的研究。采用計(jì)算機(jī)遠(yuǎn)程在線(xiàn)監(jiān)測(cè),，可連續(xù)多點(diǎn)監(jiān)測(cè),，并可輔助管理，故能克服傳統(tǒng)手工監(jiān)測(cè)手段的缺陷,。而本文把虛擬儀器技術(shù)應(yīng)用到電能質(zhì)量監(jiān)測(cè)系統(tǒng)中,，同樣具有上述優(yōu)點(diǎn)，而且實(shí)現(xiàn)起來(lái)較為方便,。
1 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)
基于虛擬儀器的電氣化鐵路電能質(zhì)量參數(shù)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)同樣必須具備傳統(tǒng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的三大功能模塊,，即數(shù)據(jù)采集模塊,、數(shù)據(jù)分析處理模塊和結(jié)果顯示模塊,。數(shù)據(jù)采集模塊還是由傳統(tǒng)的采集硬件來(lái)完成，不同的是數(shù)據(jù)分析處理模塊完全由計(jì)算機(jī)軟件來(lái)實(shí)現(xiàn),，這部分功能不受硬件的限制,，可以根據(jù)用戶(hù)的需求隨時(shí)增加和修改模塊，這一優(yōu)勢(shì)是傳統(tǒng)儀器所無(wú)法比擬的,。本文所研究的電能質(zhì)量參數(shù)監(jiān)測(cè)系統(tǒng),，其軟件部分是核心，只要硬件部分將監(jiān)測(cè)點(diǎn)的電壓和電流信號(hào)經(jīng)過(guò)信號(hào)調(diào)理器和數(shù)據(jù)采集卡以最小失真度轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào),，其余的任務(wù)(如加窗,、濾波、數(shù)據(jù)處理和統(tǒng)計(jì)分析,、數(shù)據(jù)遠(yuǎn)傳以及顯示打印等)就完全交給軟件來(lái)處理,。
本系統(tǒng)的硬件由傳感器、信號(hào)調(diào)理模塊,、數(shù)據(jù)采集卡和計(jì)算機(jī)組成,，其硬件結(jié)構(gòu)如圖1所示,。
本系統(tǒng)的軟件開(kāi)發(fā)環(huán)境為LabVIEW，它是美國(guó)NI公司推出的一種基于G語(yǔ)言的虛擬儀器軟件開(kāi)發(fā)工具,。對(duì)于一個(gè)虛擬儀器系統(tǒng)而言,，軟件是關(guān)鍵，是靈魂,，硬件僅用于解決信號(hào)的輸入和輸出,。
2 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)思路
基于虛擬儀器技術(shù)的電氣化鐵路電能質(zhì)量參數(shù)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)要實(shí)現(xiàn)的功能包括實(shí)現(xiàn)對(duì)電壓電流的有效值、電壓偏差,、電網(wǎng)頻率,、頻率偏差、三相不平衡度,、諧波含有率和閃變等不同參數(shù)的同時(shí)測(cè)量,。因此，本設(shè)計(jì)采用模塊化方法,，每一個(gè)功能模塊完成相應(yīng)的功能,，最后通過(guò)整合來(lái)完成系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。采用模塊結(jié)構(gòu)的最大的優(yōu)點(diǎn)是效率高,。由于模塊可以共享數(shù)據(jù),，并可相互調(diào)用，因此,，可以通過(guò)靈活組織各個(gè)模塊來(lái)達(dá)到非常高的整體效率,。如果需要對(duì)模塊某一功能進(jìn)行升級(jí)，只需要改寫(xiě)相應(yīng)的模塊,，而不需要改動(dòng)整個(gè)軟件結(jié)構(gòu),。而當(dāng)需要增加系統(tǒng)功能時(shí)，也只需要增加相應(yīng)的軟件功能模塊即可,。
電能質(zhì)量測(cè)量的模塊主要包括數(shù)據(jù)采集模塊,、有效值測(cè)量模塊、電壓偏差測(cè)量模塊,、頻率測(cè)量模塊,、頻率偏差測(cè)量模塊、三相不平衡度測(cè)量模塊,、功率測(cè)量模塊,、諧波測(cè)量模塊和閃變測(cè)量模塊等。其中有效值測(cè)量模塊,、電壓偏差測(cè)量模塊,、頻率測(cè)量及頻率偏差測(cè)量和三相不平衡測(cè)量模塊可以整合在一個(gè)模塊里，即伏安測(cè)量模塊,，其系統(tǒng)功能如圖2所示,。
電能質(zhì)量監(jiān)測(cè)的整個(gè)系統(tǒng)可分成采集與實(shí)時(shí)顯示,、伏安測(cè)量、功率測(cè)量,、閃變測(cè)量及諧波測(cè)量等五個(gè)大的模塊,，可在主程序界面的前面板中以五頁(yè)顯示，同時(shí)也可以通過(guò)調(diào)用不同的小功能模塊來(lái)構(gòu)成,。
在主程序的前面板中,，可以利用LabVIEW提供的選項(xiàng)卡控件“Tab Control．vi”功能函數(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)分頁(yè)，其電能質(zhì)量監(jiān)測(cè)主程序前面板如圖3所示,。圖中程序頁(yè)面顯示的是伏安測(cè)量頁(yè)面,，每個(gè)頁(yè)面可以實(shí)現(xiàn)不同的測(cè)試任務(wù)。
3 電力參數(shù)測(cè)量程序與測(cè)試結(jié)果
對(duì)于電氣化鐵路,，供電部門(mén)的電能質(zhì)量評(píng)價(jià)指標(biāo)主要有功率因數(shù),、三相電壓不平衡度、各次諧波電壓及諧波電流,、電壓總諧波畸變率和電壓波動(dòng)及閃變等,。本系統(tǒng)監(jiān)測(cè)的電力參數(shù)有電流、電壓,、頻率,、諧波、功率因數(shù),、功率(右功,、無(wú)功、視在功率和總功率),、三相電壓不平衡度,、三相電流不平衡度和閃變等。
由于譜泄漏的原因,，為了減少泄漏誤差,，避免信號(hào)在做諧波分析時(shí)發(fā)生混疊,，首先要對(duì)信號(hào)進(jìn)行加窗處理,，再通過(guò)FFT變換完成諧波分析。這里以A相電壓的諧波測(cè)量為例,，給出了如圖4所示的基于LabVIEW的諧波計(jì)算流程圖,。
諧波測(cè)量模塊一般要實(shí)現(xiàn)各次諧波頻率、幅值和THD這三個(gè)參數(shù)的測(cè)量,。諧波分析的方法很多,，理論和實(shí)現(xiàn)上都比較成熟的是快速傅立葉變換(FFT)分析法，LabVIEW提供有諧波分析軟件包,，可供直接進(jìn)行快速頻譜分析,。
根據(jù)GB／T14549-93中的附錄D補(bǔ)充件第三條：對(duì)于負(fù)荷變化快的諧波源(如煉鋼電弧爐,、電力機(jī)車(chē)等)，測(cè)量的時(shí)間間隔不大于2 min,，諧波測(cè)量次數(shù)一般不小于30次,。根據(jù)IEC 1000-4-7：1991，電磁兼容(EMC)第四部分第七節(jié)中,，諧波測(cè)量范圍取基波和2~40次諧波,。本系統(tǒng)中，總諧波次數(shù)取40次,。
需要對(duì)采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行諧波分析時(shí),，可利用索引數(shù)組Index Array從數(shù)據(jù)文件“采集數(shù)據(jù)庫(kù)，dat”中分別取出每一行的數(shù)據(jù),，并依次加載在功能函數(shù)“Hamming Window．vi”的input signal引腳上,，再通過(guò)#harmonics設(shè)置諧波次數(shù)(諧波次數(shù)可設(shè)置為40次1，這樣,，各次諧波的幅值和頻率將以數(shù)組形式表示出來(lái),。由于諧波的幅值和頻率包含基頻成分，故可通過(guò)“Delete From Array．vi”除去其中的基波信號(hào),，然后再通過(guò)諧波幅值圖形象顯示除基波外各次諧波的幅值,。圖5為A相電壓諧波測(cè)量的流程框圖。
圖6所示是A相電壓諧波測(cè)量的顯示面板圖,。圖6中顯示了諧波頻率,、諧波幅值和THD％，它們可以分別通過(guò)數(shù)組控件及數(shù)值控件加以顯示,，同時(shí)以圖形控件顯示除基波之外的各次諧波的幅值,。
4 結(jié)束語(yǔ)
將虛擬儀器技術(shù)用于電能質(zhì)量的監(jiān)測(cè)中，具有硬件結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單,，軟件開(kāi)發(fā)周期短,，功能擴(kuò)展靈活等優(yōu)點(diǎn)。從仿真結(jié)果來(lái)看,，該系統(tǒng)運(yùn)行良好,，性能穩(wěn)定，計(jì)算結(jié)果,、設(shè)計(jì)思想和實(shí)際相符合,，能夠滿(mǎn)足對(duì)電能質(zhì)量參數(shù)監(jiān)測(cè)的要求。