利用NI CompactRIO開發完整并現成可用的電能質量分析平臺

　　帶有電能質量監控功能的電能傳輸示意圖

　　作者:

　　Daniel Kaminský - ELCOM, a.s.

　　Petr Bilik - ELCOM, a.s.

　　Jiri Hula - ELCOM, a.s.

　　行業:

　　能源/電力

　　產品:

　　CompactRIO, LabVIEW

　　挑戰:

　　實現一個電能質量分析儀，它包含一套完整的儀器，能夠執行所有必要的電能相關的測量，并且能夠在一個運行實時操作系統的小型硬件系統上實現并行處理。我們還必須考慮系統的可擴展性，以便在進行設計測量和數據處理運算時符合最新的IEC和 EN標準。

　　解決方案:

　　利用COTS(商業現成可用)的工具，如NI CompactRIO，一款堅固而可擴展的硬件平臺，以及NI LabVIEW圖形開發環境來開發電能質量分析儀，并使其遵守國際電能質量標準

　　"ENA電能質量分析儀系列可以根據最新的國際標準和/或客戶需要的任何額外功能，在短時間內很方便地進行修改或者擴展。 -丹尼爾•卡明斯基博士(Dr. Daniel Kaminsky)，Elcom公司主管 "

　　電能質量測量很重要?

　　電能是一種產品，和任何其他產品一樣，并且它或許是目前工商業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不斷被接收和使用，人們無法方便地大量儲存電能，并且在使用前無法方便地對它進行質量檢驗。若電能質量較差，則有可能對生產線造成重大損傷。因此，通過監測電能質量，我們就能夠在系統遭到損傷，并導致嚴重的財務損失之前找到潛在的問題。此時進行預防工作的成本相對而言是較低的，并且工程師可以進行一系列的改善工作，從優化系統運行流程到監測與控制設備的整體安裝等。

　　什么是需要測量的量?

　　典型的電能質量分析儀采集并分析電網中的三路電壓，并根據國際標準的規定計算電壓質量。電壓質量由以下參數進行定義：頻率、電壓電平變化、閃變、三相系統不平衡、諧波光譜、總諧波失真和信號電壓電平等。在某些情況下，也需要將電流信號和電壓一起分析。這樣就可以分析電流相關的參數，并能夠計算一些間接參量，例如有功功率、無功功率、電能等。

　　圖1 帶有電能質量監控功能的電能傳輸示意圖

　　我們的電能質量分析軟硬件包被命名為ENA(全稱：ELCOM網絡分析儀)，是用于電能質量監測的綜合的模塊化系統，它符合現行國際標準和其他國際規定文件的規定。

　　選擇開發平臺的注意事項

　　我們選擇在NI CompactRIO平臺上利用C系列模塊實現系統。與傳統的基于計算機的儀器相比較，它更加緊湊、堅固，并且尺寸更小(高X寬X深：88X180X90mm或3.4X7X3.5英寸)。它還具有更好的溫度規格(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系列產品還能夠為我們提供各種不同的尺寸規格，這對我們來說很重要，幫助我們快速適應不同客戶及不同應用的需要。

　　從豐富的C系列I/O模塊中，我們選擇了NI 9225 300V功率測量模塊進行高電壓的測量。該模塊是為電網測量而設計的，能夠測量110V電網的相電壓和線電壓，以及240V電網的相電壓。針對電流測量，我們使用了NI 9227。NI 9225和NI 9227能夠在50k采樣點/秒的采樣率下實現同步采樣，能夠實現精確的三相功率測量以及電能質量測量，如：閃變、諧波和功率因數等。此外，我們還設計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模塊設計并內嵌了我們的信號調理電子元件。它們占用三個插槽，可以集成到CompactRIO機箱中使用。

　　由于需要開發易于使用并且具有可移植性和可擴展性的解決方案，所以我們選用了NI LabVIEW作為軟件開發環境，用于開發ENA的各部分軟件。根據所選擇的CompactRIO型號不同以及所選擇的輸入模塊的不同，有幾種不同型號的CompactRIO 電能質量分析儀。ENA 電能質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現場可編程門陣列(Gate FPGA)的機箱。

　　基于CompactRIO的電能質量分析儀

　　我們在這里展示的型號是ENA450，但是由于NI CompactRIO產品系列和系統的可擴展性以及LabVIEW代碼的可移植性，我們能夠將系統調節成不同的尺寸大小，以滿足各種不同的應用以及客戶的特殊需要。除基于完全靈活的NI CompactRIO 系統(ENA450.EC)以外，我們還創造了另外兩種整體解決方案，可以把應用程序部署至：

　　· 集成化的CompactRIO系統(ENA450.EB, ENA450.NB)，其在同一個機箱內同時安裝了實時處理器和可重新配置現場可編程門陣列(FPGA)。

　　· 或者單板RIO(即Single-Board RIO)(ENA460)系統，其在單個印刷電路板上包含NI CompactRIO系統的三個核心部件-實時處理器、現場可編程門陣列(FPGA)和I/O 。

　　電能質量分析儀的性能由儀器硬件和軟件確定。ENA電能質量監測系統包含一系列的軟件應用程序，這些應用程序可以用于分析儀的遠程控制、已儲存數據分析及通過因特網發布電能質量數據。這種模化的理念可以實現所有客戶需求，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分析儀上直接運行并且提供各種測量服務，包括處理所有數據采集、計算和儲存。

　　固件ENA-Node包括一些并行運行的軟件模塊：

　　· FFT分析儀

　　· 矢量分析儀

　　· 電流監測器

　　· 閃變計

　　· EN50160電壓監視器

　　· 半周期RMS監視器

　　· 電壓發報和報警

　　· 數字輸入

　　所有上述固件模塊都適合于50Hz 和60Hz 電力系統。用戶可以通過儀器顯示器觀察數據并且把數據儲存在數據文件中。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的頻率同步。實施的算法符合IEC61000-4-30、IEC61000-4-15和IEC61000-4-7等電能質量標準的規定。

　　軟件將會分析電網的三個電壓信號(最高可達300Vrms)和三路電流瞬時值，以便計算電網的各種變量：RMS值、頻率、諧波光譜、總諧波失真、閃變、三相系統不平衡、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、數據管理和報表的用戶界面

　　易于使用的ENA-Touch用戶界面是一個用于ENA測量服務的圖形用戶界面。所有儀器控制、數據顯示和測量配置都通過ENA-Touch用戶界面進行。為了顯示測量的數值，它可以容易、妥當地實現配置并顯示測量的數據。有兩種類型的可視化面板：一些面板在表格中顯示固定數值，一些面板能夠支持多種顯示數據的方法(如表格、頻域圖表、圖表、矢量圖表及電能質量的統計結果)以便顯示用戶自定義的數值。ENA-Touch用戶界面對于控制進行了優化，能夠使用觸摸屏進行顯示，并且也可以在分辨率為800x480的超級移動PC上使用。ENA-Touch可以通過因特網TCP/IP協議遠程控制ENA-Node。同時由于顯示了所有的聯機數據，系統也允許儲存數據以進行離線分析。計算后的變量可及時地進行累計并且一些數據在儲存之前就經過了統計評估。數據根據一個規定的時間間隔定期儲存，另有一些基于事件的數據僅在事件發生時進行儲存。

　　利用ENA-Report可以很方便地地對儲存的數據進行離線分析，并生成報告。

　　利用ENA進行分布式電能質量監測

　　利用一些ENA450分析儀可以構造分布式監測系統。分布式系統中的數據可以復制到MS-SQL或者ORACLE數據庫，以便進行集中儲存和離線分析。

　　結論

　　這一電能質量監測系統的主要優勢在于性能高，靈活性好并且尺寸小。通過使用具有內置信號調理功能的C系列模塊，可以實現強大的、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和進一步開發，而不會對當前的系統產生影響。若現有的電能質量監測標準有了任何更新或者修改，電能質量監測儀的特性可以快速更新并且緊跟最新標準。由于該解決方案具有開放性，所以現有系統能夠很容易與其他系統結合，通信協議可以根據客戶需求進行調整或者集成到用戶現有的SCADA系統中。開放式硬件架構允許用戶添加新的DIO用于監測和控制，或者添加通信模塊實現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周時間內實現完整的PMU(相位測量單元)分析儀。它允許根據IEEE C37.118-2005標準對同步相量進行精確評估。目前我們正試圖將PMU分析儀功能結合到電能質量分析儀ENA450中，以成為一個單獨的儀器。