基于NICompactRIO的電能質量分析平臺

本文的主要目的是實現一個包含一套完整的儀器的電能質量分析儀，該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。另外，系統的可擴展性也是必須要考慮進來的要點，這主要是為了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。

圖1帶有電能質量監控功能的電能傳輸示意圖

什么是需要測量的量?

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。特殊情況下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。

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。

電能質量測量很重要?

電能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。此時進行預防工作的成本相對而言是較低的，并且工程師從優化系統運行流程到監測與控制設備的整體安裝等。

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。

我們的電能質量分析軟硬件包被命名為ENA，是用于電能質量監測的綜合的模塊化系統。

基于CompactRIO的電能質量分析儀

本文展示的型號是ENA450電能質量分析儀，但是由于NICompactRIO產品系列和系統的可擴展性以及LabVIEW代碼的可移植性，滿足各種不同的應用以及客戶的特殊需要可以將系統調節成不同的尺寸大小。

除基于完全靈活的NICompactRIO系統(ENA450.EC)以外，本文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);或者單板RIO(即Single-BoardRIO)(ENA460)系統。

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。

如何選擇開發平臺

與傳統的基于計算機的儀器相比較，C系列模塊實現系統更加緊湊、堅固，并且尺寸更小。而且，NICompactRIO系列產品還能夠為我們提供各種不同的尺寸規格，能夠快速適應不同客戶及不同應用的需要。

本文從豐富的C系列I/O模塊中選擇了為電網測量而設計的NI9225300V功率測量模塊進行高電壓的測量。該模塊能夠測量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NI9227。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)。

NI9225電能質量分析儀和NI9227電能質量分析儀能夠在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。本文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NI9215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。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(GateFPGA)的機箱。

測量能力

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

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圖2ENA450接線圖–如何連接到輸電線

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。所有上述固件模塊都適合于50Hz和60Hz電力系統。所有儀器都在9.6kS/秒/通道的采樣率下工作。

通過使用NI9227電流模塊或者通過電流鉗連接到ELCOMEL9215I-R1電流模塊，可以直接測量電流變送器(1A/5A)輸出的電流。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。

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

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。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。

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。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。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。

結論

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。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。

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。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。