作者:
Mark Kubis - Ngee Ann Polytechnic
Chin Siet Choo - Ngee Ann Polytechnic

"結合LabVIEW中功能強大的分析工具及高性能的基于Pentium 處理器的PXI 嵌入式控制器，能夠實現對頻率偏移的實時控制，檢測變形與尖峰。"

- Chin Siet Choo, Ngee Ann Polytechnic

挑戰:
對商業及工業設備電能質量的監控、分析及仿真

解決方案:
采用LabVIEW及 PXI 設計移動式功率品質測量分析系統

介紹

近年來，電能質量已經成為重要焦點而越來越受到公用工程、設備、咨詢工程師們的關注。現有的商業、工業設備和儀器，如數字計算機、電力電子設備及自動化設備，都對電源干擾很敏感。電源干擾發生頻繁是由于不斷增加的節能設備，如開關電源、變速裝置轉換器等。對電源干擾進行監控及數據采集實現對電能質量的研究勢在必行。

為了更好地了解電能質量問題，必須有一套全面的監控及數據采集系統，籍此來描述干擾及電能質量變化。我們需要一套可配置、可編程的PXI/CompactPCI 高性能PC 系統，配合高速數據采集單元及軟件支持來實現性能要求。

在這個項目中，我們采用美國國家儀器PXI 硬件及LabVIEW圖形化編程軟件來設計系統。LabVIEW中的分析及顯示工具是最理想的選擇。結合LabVIEW中功能強大的分析工具及高性能基于Pentium 的PXI 嵌入式控制器，能夠實現對頻率偏移的實時監控，檢測變形與波峰。高速數據采集能夠為詳細的諧波、相位偏移分析及電力分析提供有效的時間分辨率。

硬件

系統由美國國家儀器PXI Pentium 233 MHz 嵌入式計算機及PXI-6070E 多功能數據采集板卡構成。我們采用SCXI-1120 及SCXI-1327 接線端子來將電網電壓與計算機隔離開，將其衰減至能夠適用于數據采集卡的電壓范圍，并采用電流探針來監控電流。

系統描述

我們將系統進行配置以實現以下任務：

連續事件及頻率監控模式

在這一模式下，系統對電壓及電流的輸入采樣，實現對波形失效和脈沖干擾的連續搜索，記錄指定時間內的所有事件及波形的振幅偏移， 并用時間戳標記。

在監控過程中，被記錄的事件的狀態將顯示在前面板上。頻率的監控由PXI-6007E 上的計數器完成，通過測量10 個輸入信號的周期換算得到。我們還搭建了一個簡單的TTL 電路，包含施密特門、十進制計數器、觸發器，它將電壓信號轉換成TTL 電平，為計數器產生一個選通信號。門信號將在10 個輸入波形的周期的時間內保持開狀態。之后通過PXI-6070E 發出的數字信號使電路復位，循環進行后續的頻率測量。頻率的當前值會在前面板上顯示。監控完成后，將顯示所有被記錄事件的波形，并標記時間信息。

高速電壓電流采集模式

該模式下將對電壓和電流的波形進行采樣和保存，以供事后分析。可供用戶選擇的采樣率決定分析結果的分辨率。在采集過程中，我們將部分采樣數據顯示在前面板上。采集過程采用硬件或軟件觸發，在電壓過零點開始采樣。用戶提供的注釋、數據、時間及采樣設置將作為文件頭寫入每個采樣數據文件。該模式下可在指定時間片內實現連續采樣，也可由用戶控制采樣起始中止。

分析面板上具有以下功能：

·         從硬盤種選擇數據文件

·         采用圖表方式顯示所選文件的波形

諧波分析 -  軟件可以打開測量文件中指定周期數的數據，從而對于所有波形或者波形中的某一部分進行諧波分析，最后將結果以柱狀圖或文本形式顯示

通常，我們采用25 個測量周期的數據進行分析，最后能顯示每個被分析周期內的總諧波失真。此外，還能在所有測量周期中選擇五個諧波來觀察其趨勢。

相位偏移分析 - 可選擇性地掃描測量數據文件，讀取指定數量的周期，對其電壓電流波形進行相位偏移計算，結果以相位-時間為坐標軸顯示。

功率分析 - 計算并顯示真實的功率因數、實際功率（W）、表現功率（VA）及無功功率（VAR）

仿真模式

軟件還能夠通過仿真產生電壓電流輸入波形。我們可以人為設置噪聲、諧波、相偏參數，以及隨機尖峰脈沖和失真，以此模擬隨機產生的波形。在仿真模式下，將發生波形作為輸入源，并可以對其進行高速數據流盤。此外還能將發生波形送入數據采集卡上的數模轉換器，并對結果進行測量和分析。

結論

電力線監控系統的原型基于高性能PXI 硬件來實現電壓和電流波形的采集及顯示，系統能夠對波形的失真、脈沖干擾、頻率偏移進行監控。高速數據采集卡以足夠的時間分辨率采集并保存數據，并實現對于波形的后分析。LabVIEW的分析工具能夠方便的實現諧波、相位偏移及功率分析的算法。通過對仿真器編程產生不同負載下的典型波形來達到演示和教學目的。由于編程界面的靈活性和可擴展性，在目前的系統建模基礎上還能進一步提高分析能力及功能性。