电气化铁路电能质量参数监测系统的设计

0 引言

    电能作为现代社会中使用最为广泛的能源，其应用程度是衡量一个国家发展水平的重要标志之一。近年来，随着我国电力事业的迅速发展，电力系统的规模日益扩大。与此同时，用户对电能质量的要求也越来越高，使得电能质量问题日益紧迫地摆在了人们的面前，电能质量的好坏直接关系到国民经济的总体效益。铁路作为国民经济的重要基础设施，在我国综合交通运输体系中扮演着重要角色。在加快节约型社会的建设中，铁路肩负着重要责任。一方面，作为消耗能源的重点行业，在节能降耗，提高能源综合应用效率方面大有潜力可挖；另一方面，电气化铁路长期存在功率因数低、谐波含量高和负序等问题，严重影响公用电网的电能质量。从我国铁路发展的历程和趋势来看，电气化铁路在路网中所占的比例将越来越大，对公用电网的影响也将越来越严重。因此，建立和实施电能质量的监测与分析，是提高电能质量的一个重要技术手段。研制一种新型的电能质量参数监测系统，有效地进行电能质量参数的监测，对于保证电力系统运行的安全性、经济性和可靠性，都具有重要意义。

    目前。国内大部分地区仍采用便携式电能质量监测仪进行电能质量测量，由于该仪器的测量指标单一，不能连续监测，测量劳动强度大，因而不能很好地适应电能质量管理的需要。随着数字化测量技术、计算机技术和网络通信技术的飞速发展，国内一些科研院所已开展了电能质量远程监测系统的研究。采用计算机远程在线监测，可连续多点监测，并可辅助管理，故能克服传统手工监测手段的缺陷。而本文把虚拟仪器技术应用到电能质量监测系统中，同样具有上述优点，而且实现起来较为方便。

1 系统总体结构

    基于虚拟仪器的电气化铁路电能质量参数监测系统同样必须具备传统监测系统的三大功能模块，即数据采集模块、数据分析处理模块和结果显示模块。数据采集模块还是由传统的采集硬件来完成，不同的是数据分析处理模块完全由计算机软件来实现，这部分功能不受硬件的限制，可以根据用户的需求随时增加和修改模块，这一优势是传统仪器所无法比拟的。本文所研究的电能质量参数监测系统，其软件部分是核心，只要硬件部分将监测点的电压和电流信号经过信号调理器和数据采集卡以最小失真度转换为数字信号，其余的任务(如加窗、滤波、数据处理和统计分析、数据远传以及显示打印等)就完全交给软件来处理。

    本系统的硬件由传感器、信号调理模块、数据采集卡和计算机组成，其硬件结构如图1所示。

    本系统的软件开发环境为LabVIEW，它是美国NI公司推出的一种基于G语言的虚拟仪器软件开发工具。对于一个虚拟仪器系统而言，软件是关键，是灵魂，硬件仅用于解决信号的输入和输出。

2 系统总体设计思路

    基于虚拟仪器技术的电气化铁路电能质量参数监测系统要实现的功能包括实现对电压电流的有效值、电压偏差、电网频率、频率偏差、三相不平衡度、谐波含有率和闪变等不同参数的同时测量。因此，本设计采用模块化方法，每一个功能模块完成相应的功能，最后通过整合来完成系统的设计。采用模块结构的最大的优点是效率高。由于模块可以共享数据，并可相互调用，因此，可以通过灵活组织各个模块来达到非常高的整体效率。如果需要对模块某一功能进行升级，只需要改写相应的模块，而不需要改动整个软件结构。而当需要增加系统功能时，也只需要增加相应的软件功能模块即可。

    电能质量测量的模块主要包括数据采集模块、有效值测量模块、电压偏差测量模块、频率测量模块、频率偏差测量模块、三相不平衡度测量模块、功率测量模块、谐波测量模块和闪变测量模块等。其中有效值测量模块、电压偏差测量模块、频率测量及频率偏差测量和三相不平衡测量模块可以整合在一个模块里，即伏安测量模块，其系统功能如图2所示。

    电能质量监测的整个系统可分成采集与实时显示、伏安测量、功率测量、闪变测量及谐波测量等五个大的模块，可在主程序界面的前面板中以五页显示，同时也可以通过调用不同的小功能模块来构成。

   在主程序的前面板中，可以利用LabVIEW提供的选项卡控件“Tab Control．vi”功能函数来实现分页，其电能质量监测主程序前面板如图3所示。图中程序页面显示的是伏安测量页面，每个页面可以实现不同的测试任务。

3 电力参数测量程序与测试结果

    对于电气化铁路，供电部门的电能质量评价指标主要有功率因数、三相电压不平衡度、各次谐波电压及谐波电流、电压总谐波畸变率和电压波动及闪变等。本系统监测的电力参数有电流、电压、频率、谐波、功率因数、功率(右功、无功、视在功率和总功率)、三相电压不平衡度、三相电流不平衡度和闪变等。

    由于谱泄漏的原因，为了减少泄漏误差，避免信号在做谐波分析时发生混叠，首先要对信号进行加窗处理，再通过FFT变换完成谐波分析。这里以A相电压的谐波测量为例，给出了如图4所示的基于LabVIEW的谐波计算流程图。

    谐波测量模块一般要实现各次谐波频率、幅值和THD这三个参数的测量。谐波分析的方法很多，理论和实现上都比较成熟的是快速傅立叶变换(FFT)分析法，LabVIEW提供有谐波分析软件包，可供直接进行快速频谱分析。

   根据GB／T14549-93中的附录D补充件第三条：对于负荷变化快的谐波源(如炼钢电弧炉、电力机车等)，测量的时间间隔不大于2 min，谐波测量次数一般不小于30次。根据IEC 1000-4-7：1991，电磁兼容(EMC)第四部分第七节中，谐波测量范围取基波和2~40次谐波。本系统中，总谐波次数取40次。

    需要对采集到的数据进行谐波分析时，可利用索引数组Index Array从数据文件“采集数据库，dat”中分别取出每一行的数据，并依次加载在功能函数“Hamming Window．vi”的input signal引脚上，再通过#harmonics设置谐波次数(谐波次数可设置为40次1，这样，各次谐波的幅值和频率将以数组形式表示出来。由于谐波的幅值和频率包含基频成分，故可通过“Delete From Array．vi”除去其中的基波信号，然后再通过谐波幅值图形象显示除基波外各次谐波的幅值。图5为A相电压谐波测量的流程框图。

    图6所示是A相电压谐波测量的显示面板图。图6中显示了谐波频率、谐波幅值和THD％，它们可以分别通过数组控件及数值控件加以显示，同时以图形控件显示除基波之外的各次谐波的幅值。

4 结束语

    将虚拟仪器技术用于电能质量的监测中，具有硬件结构简单，软件开发周期短，功能扩展灵活等优点。从仿真结果来看，该系统运行良好，性能稳定，计算结果、设计思想和实际相符合，能够满足对电能质量参数监测的要求。