李金喜,　陳繼永

(1.江蘇工程職業(yè)技術(shù)學(xué)院 航空工程學(xué)院, 江蘇 南通　221006；2.江蘇工程職業(yè)技術(shù)學(xué)院 機(jī)電工程學(xué)院, 江蘇 南通　221006)

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基于LabVIEW的煤礦電壓質(zhì)量在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

李金喜1,陳繼永2

(1.江蘇工程職業(yè)技術(shù)學(xué)院 航空工程學(xué)院, 江蘇 南通221006；2.江蘇工程職業(yè)技術(shù)學(xué)院 機(jī)電工程學(xué)院, 江蘇 南通221006)

摘要：針對(duì)煤礦電網(wǎng)日益嚴(yán)峻的供電質(zhì)量問題，采用信號(hào)調(diào)理電路、數(shù)據(jù)采集卡及LabVIEW虛擬儀器技術(shù)設(shè)計(jì)了一套煤礦電壓質(zhì)量在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。仿真及測(cè)試表明，該系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了井下電源電壓質(zhì)量的在線監(jiān)測(cè)，具有實(shí)時(shí)顯示波形，測(cè)量電壓、頻率、諧波、三相電壓不平衡度、電壓波動(dòng)與閃變等指標(biāo)參數(shù)，保存并分析采集數(shù)據(jù)等功能，測(cè)量準(zhǔn)確，可靠性高，具有一定的實(shí)用性。

關(guān)鍵詞：煤礦電網(wǎng)； 電壓質(zhì)量； 在線監(jiān)測(cè)； 三相電壓不平衡度； 電壓波動(dòng)與閃變； 信號(hào)調(diào)理； LabVIEW

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0　引言

隨著電力技術(shù)的發(fā)展，大量的電力電子變流裝置和大容量非線性設(shè)備被引入煤礦供電系統(tǒng)，嚴(yán)重影響了煤礦電網(wǎng)的電能質(zhì)量；同時(shí)，越來越多敏感的電力設(shè)備對(duì)供電質(zhì)量提出了更嚴(yán)格的要求。這兩者的矛盾使得電能質(zhì)量問題受到愈來愈多人的關(guān)注。只有對(duì)煤礦電能質(zhì)量進(jìn)行有效監(jiān)測(cè)和控制，才能有效解決上述問題，保證電力系統(tǒng)的有效運(yùn)行和供電質(zhì)量[1]。隨著電能質(zhì)量研究的發(fā)展，電力監(jiān)測(cè)裝置已經(jīng)從模擬式儀表、數(shù)字式儀表、智能儀器發(fā)展到虛擬儀器階段。虛擬儀器以計(jì)算機(jī)為核心，通過計(jì)算機(jī)實(shí)現(xiàn)各種儀器功能，將儀器系統(tǒng)和計(jì)算機(jī)技術(shù)結(jié)合在一起[2-3]。利用虛擬儀器思想建立測(cè)控系統(tǒng)已成為現(xiàn)代測(cè)控系統(tǒng)的發(fā)展方向。因此，建立基于虛擬儀器的煤礦電能質(zhì)量在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)將是電力監(jiān)控儀器的發(fā)展趨勢(shì)。本文設(shè)計(jì)了基于LabVIEW的煤礦電壓質(zhì)量在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。

1　系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)方案

基于LabVIEW的煤礦電壓質(zhì)量在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)以計(jì)算機(jī)為核心，通過信號(hào)調(diào)理電路和數(shù)據(jù)采集卡等硬件電路將被測(cè)信號(hào)傳輸?shù)接?jì)算機(jī)中，利用LabVIEW軟件編寫的監(jiān)測(cè)軟件對(duì)采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行相應(yīng)的顯示、處理、分析、保存[4-5]。系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)如圖1所示。

圖1　基于LabVIEW的煤礦電壓質(zhì)量在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

2　系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

基于LabVIEW的煤礦電壓質(zhì)量在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)硬件主要完成數(shù)據(jù)采集任務(wù)，由信號(hào)調(diào)理電路和數(shù)據(jù)采集卡組成。數(shù)據(jù)采集卡可將連續(xù)的模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換成離散的數(shù)字信號(hào)后傳輸?shù)接?jì)算機(jī)，供監(jiān)測(cè)系統(tǒng)軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)分析處理。

信號(hào)調(diào)理電路以SPT204A(0.1級(jí))微型電流型電壓互感器為核心，配合其外圍應(yīng)用電路實(shí)現(xiàn)信號(hào)的量程變換與強(qiáng)弱電隔離。SPT204A額定輸入、輸出電流均為2 mA，其測(cè)量精度高、無漂移、耐沖擊性強(qiáng)，完全能滿足測(cè)量要求[6]。信號(hào)調(diào)理電路如圖2所示。

數(shù)據(jù)采集卡采用PCI-9812，該卡為4通道12位20 MSample/s、同步采樣、模擬輸入數(shù)據(jù)采集卡。其硬件可編程輸入范圍為±1，±5 V，輸入阻抗為50 Ω、1.25 kΩ及15 MΩ。板載32 kB采樣點(diǎn)FIFO緩沖器，避免采樣時(shí)的數(shù)據(jù)丟失。板卡采用DMA

圖2　信號(hào)調(diào)理電路

總線控制方式，加快了數(shù)據(jù)的傳輸速率，同時(shí)擁有軟觸發(fā)、預(yù)觸發(fā)、中間觸發(fā)、后觸發(fā)、延時(shí)觸發(fā)等多種觸發(fā)方式，擴(kuò)展了高速數(shù)據(jù)采集卡的應(yīng)用范圍。數(shù)據(jù)采集卡內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖3所示。

圖3　數(shù)據(jù)采集卡內(nèi)部結(jié)構(gòu)

3　系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

基于LabVIEW的煤礦電壓質(zhì)量在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)軟件主要完成對(duì)數(shù)據(jù)采集卡的配置，輸入信號(hào)的還原、濾波，波形顯示、存儲(chǔ)，電壓質(zhì)量參數(shù)分析等功能，并可進(jìn)行系統(tǒng)仿真與離線分析。系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)流程如圖4所示。

圖4　系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)流程

3.1數(shù)據(jù)采集卡參數(shù)配置與驅(qū)動(dòng)

因?yàn)橄到y(tǒng)采用的數(shù)據(jù)采集卡不是NI公司的，所以，在進(jìn)行設(shè)備驅(qū)動(dòng)及數(shù)據(jù)采集卡參數(shù)配置時(shí)，需調(diào)用第三方的管理配置軟件和驅(qū)動(dòng)程序[7]。鑒于LabVIEW的強(qiáng)大兼容性，采用DAQ pilot和DAQ master軟件完成設(shè)備自檢、重啟，建立數(shù)據(jù)采集通道，配置采樣率、通道數(shù)、緩存塊、采樣分辨率等。

3.2仿真信號(hào)源配置

為擴(kuò)展系統(tǒng)功能、提高系統(tǒng)實(shí)用性、方便程序功能展示，系統(tǒng)模擬了含有13次諧波及高斯噪聲的三相電源系統(tǒng)，用以產(chǎn)生電壓波形，如圖5所示。通過對(duì)信號(hào)源中各參數(shù)的設(shè)置，可模擬產(chǎn)生特定的波形，利用監(jiān)測(cè)系統(tǒng)可分析仿真信號(hào)源的電壓質(zhì)量。

圖5　仿真信號(hào)源前面板(單相)

3.3電壓、頻率偏差測(cè)量

電壓偏差和頻率偏差是電力監(jiān)測(cè)中最主要的測(cè)量參數(shù)，針對(duì)這2個(gè)參數(shù)有許多不同的測(cè)量方法。

供電電壓偏差是指在系統(tǒng)正常運(yùn)行情況下，供電點(diǎn)處實(shí)際運(yùn)行電壓對(duì)系統(tǒng)標(biāo)稱電壓的偏差相對(duì)值，以百分?jǐn)?shù)表示。其計(jì)算表達(dá)式為

(1)

式中：δU為供電電壓偏差；Ure為電壓測(cè)量值，V；Un為系統(tǒng)標(biāo)稱電壓，V。

采用有效值定義法的離散計(jì)算公式(均勻采樣條件)測(cè)量電壓有效值：

(2)

式中：U為電壓有效值，V；Uk為電壓有效值的離散值，V。

在電網(wǎng)正常運(yùn)行情況下，電力系統(tǒng)的頻率偏差是指系統(tǒng)頻率的實(shí)際值與標(biāo)稱值之差，其計(jì)算公式為

(3)

式中：δf為頻率偏差，Hz；fre為實(shí)際頻率，Hz；fn為系統(tǒng)標(biāo)稱頻率，Hz。

目前主要的系統(tǒng)頻率測(cè)量方法有解析法、周期法及其改進(jìn)算法、傅里葉變換法和誤差最小化原理類算法。本系統(tǒng)直接調(diào)用LabVIEW軟件自帶的頻率模塊完成系統(tǒng)的頻率測(cè)量。單相電壓、頻率偏差測(cè)量程序如圖6所示。

3.4諧波分析

對(duì)于諧波問題的分析，LabVIEW提供了多種函數(shù)模塊[8]：FFT變換幅值-相位譜函數(shù)，F(xiàn)FT變換實(shí)部-虛部函數(shù)，小波變換函數(shù)及Mathscript節(jié)點(diǎn)函數(shù)等。諧波分析程序采用了LabVIEW內(nèi)建的諧波分析模塊及FFT幅值-相位譜函數(shù)，通過與加窗函數(shù)結(jié)合，有效地減少了FFT變換的頻譜泄漏問題與柵欄效應(yīng)，得到基波頻率、各次諧波幅值和總的諧波畸變率、頻譜圖等諧波參量。諧波分析程序流程如圖7所示。

圖6　單相電壓、頻率偏差測(cè)量程序

圖7　諧波分析程序流程

3.5三相電壓不平衡度測(cè)量

三相電壓不平衡度是指電力系統(tǒng)三相電壓的不平衡程度。對(duì)三相電壓不平衡度的測(cè)量，一般是按照對(duì)稱分量法來獲取三相中的正序、負(fù)序、零序分量，然后按照相應(yīng)的計(jì)算公式推導(dǎo)不平衡度。對(duì)于不含有零序分量的電力系統(tǒng)，可利用電能質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)中的三相電壓不平衡度計(jì)算公式來求取，通過前期的信號(hào)處理提取出基頻分量，代入式(4),即可求解出三相電壓不平衡度。

(4)

其中：

(5)

式中Ua,Ub,Uc分別表示三相電壓，V。

三相電壓不平衡度測(cè)量程序流程如圖8所示。

3.6電壓波動(dòng)與閃變測(cè)量

電壓波動(dòng)是指一系列電壓波動(dòng)或工頻電壓包絡(luò)線的周期變化。電壓波動(dòng)值為電壓均方根的2個(gè)極

圖8　三相電壓不平衡度測(cè)量程序流程

值之差ΔU，通常以額定電壓的百分?jǐn)?shù)表示其相對(duì)百分值d，即

(6)

式中Umax,Umin分別為電壓均方根的最大值和最小值，V。

電壓閃變是指人眼對(duì)由電壓波動(dòng)所引起的照明異常的視覺感受，通常是以白熾燈的工況作為判斷依據(jù)。閃變不僅與電壓波動(dòng)的幅值有關(guān)，而且與電壓波動(dòng)的頻率和波形、照明燈具的性能及人的視感因素有關(guān)。

目前常用的電壓波動(dòng)測(cè)量方法有4種：平方檢測(cè)法、整流檢測(cè)法、有效值檢測(cè)法、小波分解法和同步檢測(cè)法[9]，國家標(biāo)準(zhǔn)中推薦采用平方檢測(cè)法。

電壓閃變的測(cè)量采用IEC推薦的閃變測(cè)量模型(圖9)，其測(cè)量基礎(chǔ)是將信號(hào)看成對(duì)工頻電壓波形的調(diào)制，經(jīng)閃變測(cè)量模型后即可測(cè)量閃變參數(shù)值。圖9中，S(t)為瞬時(shí)閃變視感度函數(shù)；Pst為短時(shí)閃變量；Plt為長時(shí)閃變量。

圖9　IEC推薦的閃變測(cè)量模型

由圖9可知，電壓閃變的測(cè)量模型結(jié)合了電壓波動(dòng)的平方檢波結(jié)構(gòu)，在電壓波動(dòng)測(cè)量程序的基礎(chǔ)上經(jīng)加權(quán)濾波、平方、低通濾波后即可進(jìn)行閃變的統(tǒng)計(jì)評(píng)定。利用LabVIEW豐富的函數(shù)與結(jié)構(gòu)可實(shí)現(xiàn)電壓波動(dòng)與閃變的測(cè)量。電壓波動(dòng)與閃變測(cè)量程序流程如圖10所示。圖10中,S(n)為瞬時(shí)閃變視感度。

3.7數(shù)據(jù)存儲(chǔ)

數(shù)據(jù)存儲(chǔ)是每一個(gè)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的重要組成部分，數(shù)據(jù)存儲(chǔ)可為分析系統(tǒng)故障、制作報(bào)表、統(tǒng)計(jì)系統(tǒng)運(yùn)行狀況等提供數(shù)據(jù)資料。利用LabVIEW軟件非常豐富的文件存儲(chǔ)函數(shù)與數(shù)據(jù)庫工具包可方便地建立數(shù)據(jù)存儲(chǔ)通道，實(shí)現(xiàn)測(cè)量數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)[10]。數(shù)據(jù)存儲(chǔ)程序流程如圖11所示。

圖10　電壓波動(dòng)與閃變測(cè)量程序流程

圖11　數(shù)據(jù)存儲(chǔ)程序流程

4　系統(tǒng)測(cè)試與分析

為了驗(yàn)證系統(tǒng)功能與運(yùn)行情況，在實(shí)驗(yàn)室中對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行了仿真和實(shí)際測(cè)試。將系統(tǒng)的測(cè)量數(shù)據(jù)與理論分析數(shù)據(jù)、電能質(zhì)量分析儀的數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比分析，驗(yàn)證系統(tǒng)測(cè)量的準(zhǔn)確性及有效性。

4.1仿真實(shí)驗(yàn)

仿真實(shí)驗(yàn)測(cè)量的是三相仿真信號(hào)源的電壓、頻率、諧波、三相電壓不平衡度等相關(guān)參數(shù)，驗(yàn)證數(shù)據(jù)記錄程序的功能。實(shí)驗(yàn)前首先對(duì)仿真信號(hào)源、系統(tǒng)額定參數(shù)等進(jìn)行設(shè)定。仿真信號(hào)源可以設(shè)定三相電源的相位、頻率、各次諧波的電壓值等參數(shù)，見表1。為了模擬電源的真實(shí)性，在參數(shù)設(shè)置中添加了奇數(shù)次的諧波參數(shù)設(shè)定，為后續(xù)驗(yàn)證諧波測(cè)量提供了參考。三相仿真信號(hào)源的諧波參數(shù)對(duì)比見表2，包括諧波總畸變率(THD)、各次諧波的幅值、含有量等參數(shù)的對(duì)比分析。表1、表2中，系統(tǒng)采樣率均為2 000 Hz，采樣數(shù)均為1 000。

從表1、表2可以看出，所設(shè)計(jì)的系統(tǒng)測(cè)量數(shù)據(jù)與理論分析的結(jié)果基本一致，在驗(yàn)證本系統(tǒng)測(cè)量精確性的同時(shí)，也驗(yàn)證了本系統(tǒng)的可靠性與穩(wěn)定性。

表1　三相仿真信號(hào)源的基本參數(shù)對(duì)比

表2　三相仿真信號(hào)源的諧波參數(shù)對(duì)比

4.2實(shí)際測(cè)試

實(shí)際測(cè)試以煤礦供電三相電源中的一相為例，將額定電壓為220 V的單相電源經(jīng)調(diào)壓器轉(zhuǎn)換為100 V電壓作為待測(cè)對(duì)象，經(jīng)系統(tǒng)硬件將信號(hào)輸入到計(jì)算機(jī)中供監(jiān)測(cè)軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)處理分析，同時(shí)利用HIOKI 3196電能質(zhì)量分析儀對(duì)被測(cè)電源進(jìn)行數(shù)據(jù)分析。測(cè)試電路如圖12所示。

圖12　測(cè)試電路

被測(cè)電源的電壓和頻率參數(shù)對(duì)比結(jié)果見表3。以電能質(zhì)量分析儀的測(cè)量數(shù)據(jù)為參考標(biāo)準(zhǔn)，將設(shè)計(jì)的煤礦電壓質(zhì)量在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的數(shù)據(jù)與其進(jìn)行對(duì)比，量化了本系統(tǒng)的測(cè)量誤差。

從表3可知，系統(tǒng)測(cè)量的數(shù)據(jù)基本上與電能質(zhì)量分析儀的結(jié)果一致，測(cè)量數(shù)據(jù)基本正確，充分驗(yàn)證了系統(tǒng)所采用測(cè)量算法的準(zhǔn)確性及系統(tǒng)的穩(wěn)定性、可靠性、實(shí)用性。

表3　被測(cè)電源的電壓和頻率參數(shù)對(duì)比

注：被測(cè)系統(tǒng)(單相)電壓等級(jí)：100 V；系統(tǒng)頻率：50 Hz；電壓上下限為±10%；頻率上下限為±0.2 Hz。

5　結(jié)語

設(shè)計(jì)了一套基于LabVIEW的煤礦電壓質(zhì)量在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，詳細(xì)介紹了系統(tǒng)的硬件與軟件設(shè)計(jì)，并對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行了仿真與實(shí)際測(cè)試，將本系統(tǒng)的測(cè)量數(shù)據(jù)分別與理論分析數(shù)據(jù)和電能質(zhì)量分析儀的數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比分析，驗(yàn)證了系統(tǒng)的準(zhǔn)確性、可靠性、穩(wěn)定性與實(shí)用性。

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文章編號(hào)：1671-251X(2016)08-0080-05

DOI:10.13272/j.issn.1671-251x.2016.08.020

收稿日期：2016-04-12；修回日期：2016-05-26；責(zé)任編輯：徐瑛。

基金項(xiàng)目：南通市科技計(jì)劃項(xiàng)目(CP22014001)。

作者簡(jiǎn)介：李金喜(1981-)，男，江蘇銅山人，講師，碩士，主要研究方向?yàn)闇y(cè)控技術(shù)，E-mail:80727107@qq.com。

中圖分類號(hào)：TD608

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A網(wǎng)絡(luò)出版時(shí)間：2016-08-03 10:09

Design of online monitoring system of coal mine voltage quality based on LabVIEW

LI Jinxi1,CHEN Jiyong2

(1.School of Aviation Engineering, Jiangsu College of Engineering and Technology,Nantong 221006, China; 2.School of Mechatronic Engineering, Jiangsu College of Engineering and Technology, Nantong 221006, China)

Abstract：In view of increasingly serious problem of power supply quality of coal mine power grid, an online monitoring system of coal mine voltage quality was designed by use of signal processing circuit, data acquisition unit and technology of virtual instrument of LabVIEW. Simulation and test results show that the system realizes online monitoring of power supply voltage quality of underground power grid, has functions of wave display in real time, measurement of parameters of voltage, frequency, harmonics, three-phase voltage unbalance factor, voltage fluctuation and flicker, data storage and data analysis, and is good in measurement accuracy and high in reliability with practice.

Key words:coal mine power grid; voltage quality; online monitoring; three-phase voltage unbalance factory; voltage fluctuation and flicker; signal processing; LabVIEW

李金喜, 陳繼永.基于LabVIEW的煤礦電壓質(zhì)量在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].工礦自動(dòng)化，2016,42(8)：80-84.