基于網絡的遠程電能質量監測系統設計

0 引 言

??? 隨著電力系統運行管理的系統化、智能化、自動化和網絡化，對電網的遠程實時監控和自動化調試是電力系統發展的必然趨勢。近年來，隨著人們對電力能源需求的不斷增長，電力電子設備應用越來越廣泛，大量的非線性負荷、沖擊性負荷的投運，使公用電網中產生了大量的諧波干擾以及電壓波形畸變、電壓波動和三相不平衡等問題，電能質量不斷惡化。為實現對電力系統實時的監控和準確的調度，全面掌握電網中電能質量狀況并對電力參數進行快速準確的測試就變得十分重要。本文提出了一種基于網絡的電能質量監測系統(以下簡稱“監測系統”)，不但能夠實現對現場數據的實時采集與分析處理，而且還能夠通過網絡進行遠程監測與控制，有助于解決現場環境惡劣而難以在現場進行精確測試的問題。

1 監測系統總體設計

??? 系統用于供電系統線路中各項電力參數的監測。根據被測參數的特性，利用相應的傳感器通過數據采集電路采集被測點的電壓和電流信號，然后根據采集的被測點數據計算交流供電系統的電壓、電流、頻率、諧波含量、畸變系數、波峰系數等電力參數。監測系統主要包括管理計算機、監測計算機、PXI數據采集系統、信號調理和工業以太網交換機及打印機等。系統的總體結構圖如圖1所示。

2 系統硬件設計

??? 管理計算機主要用于系統的運行狀態及數據的管理，協調系統的運行，為用戶提供現場實時監測情況，實現統一的監控和數據管理。現場監測計算機主要完成對供電系統被測點的信號進行監測，進行數據采集和數據分析；PXI數據采集系統主要實現從被測線路獲取電壓電流的實時數據。根據被測現場的監控需求，選用2塊NI公司的PXI數據采集卡PXI-6254，每塊板卡有32路模擬量輸入通道，共有64路模擬量輸入通道。供電現場監控計算機可以將PXI數據采集系統采集到的數據進行分析，并生成報表通過以太網交換機根據用戶的需求上傳給配電系統管理計算機；配電系統管理計算機具有故障告警功能，也可以通過以太網接受現場計算機的數據進行數據分析，將監控故障信號進行回放，利用查找原因，解決問題。

??? 數據采集模塊主要由信號調理電路、硬件同步電路、A／D轉換電路等幾部分組成。信號調理電路主要完成將被測點的電壓、電流信號進行調理到采集卡所能承受的范圍內的功能。調理電路主要由電壓互感器、電流互感器、運放電路、跟隨電路等組成，實現了外部電力高壓、大電流信號與本系統的電氣隔離，減小了外部電磁干擾，提高了電氣安全性能和可靠性，并對輸入信號進行線性變換，信號調理電路如圖2所示。電流的調理采用利用精密電阻將電流信號轉變為電壓信號，然后將其送人調理電路的輸入端，最后利用系統中的軟件模塊對調理后的信號進行數據采集。

3 系統軟件設計

3．1 LabVIEW軟件介紹

??? 在本測試系統中，采用NI公司的LabVIEW7．1開發系統監測應用軟件。LabVIEW是高效圖形化應用開發環境，它結合了簡單易用的圖形化開發方式和靈活強大的編程語言優勢，易于實現軟件和硬件的無縫連接，在完成數據采集后，可以利用LabVIEW提供的強大的數據分析模塊，完成數據處理和顯示，可以高效率的創建穩定運行的軟件代碼。在以往的單機測試基礎上進行了二次開發，開發了一些專門的處理模塊，并成功利用了LabVIEW的網絡通信技術，使管理計算機和測試計算機能夠進行網絡數據交換。

3．2 監測系統軟件設計

??? 為節省內存資源，系統狀態監測軟件除了利用DataSocket技術共享和發布實時數據外，還利用了Lab-VIEW獨有的VI Server技術，用其提供的庫函數編程實現程序的動態控制，保證了VI在需要時才被裝入內存，減少了系統內存占用，提高了運行效率。

??? 監測系統應用軟件分為管理計算機應用軟件和現場監測計算機應用軟件兩部分。管理計算機應用軟件，運行在管理計算機上，主要完成對供電系統的協調管理功能，并能實現故障告警等功能；現場監測計算機應用軟件，運行在現場監測計算機上，能夠完成實時監測、數據保存、歷史回放、生成報表和數據信息的上傳等功能。

??? 管理計算機應用軟件主要由四個模塊組成，程序結構圖如圖3所示。系統配置模塊的功能是實現對RS485總線通信參數和以太網參數進行設定等；電力參數分析模塊主要用于當現場監測計算機出現故障報警時，通過以太網調取現場監控計算機采集到的相關數據進行分析，然后根據分析結果進行故障診斷，從而排除系統故障，保證電力供應；系統狀態監控模塊主要用來顯示監測系統的運行狀態。

??? 現場監測計算機應用軟件由數據采集模塊、數據分析模塊、故障告警模塊和本地波形監控模塊四個主模塊組成。為了實現對供電系統中監測線路的監控，現場監測計算機首先要通過數據采集模塊對所監測線路的信號進行采集，并能夠利用數據分析模塊進行分析，如對電壓電流穩態／瞬態參數進行分析，并能夠實現對電網進行諧波分析、畸變分析和功率因數分析等，然后將根據分析結果自動判斷是否存在故障，若有故障，通過故障告警模塊將故障信息上傳給管理計算機，同時保存相關數據；若沒有故障，則放棄保存該部分數據。為了監測方便，該軟件也可以先記錄數據，然后進行特性參數分析，或直接進人單個模塊直接分析參數。本地波形監控模塊同步實時采集多個通道的波形，并能通過網絡把現場監測結果發送給管理計算機，以供用戶在遠程終端監測。數據采集模塊、數據分析模塊和本地波形監控模塊都包含數據存儲、回放和生成報表及打印等功能。現場監測計算機程序流程如圖4所示。

4 遠程通信技術在監測系統中的應用

??? 對供電系統的遠程監控，主要是利用網絡通信技術來實現的。遠程面板和DataSocket通信是LabVIEW為適應工業以太網發展而開發的數據通信方式，遠程面板支持直接操作位于遠程計算機上的VI前面板，而DataSocket可用于高速實時地發布測試數據。

??? 1)遠程面板技術

??? 為實現對遠程現場中的狀態進行實時監測，系統采用了遠程面板技術。進行遠程監測時，LabVIEW的遠程面板技術可以實現用戶在辦公室的計算機中通過網絡監測現場的情況。遠程面板技術，通過設置LabVIEW中相關參數來實現供電系統的遠程監測。該技術允許用戶直接在客戶端打開并操作位于遠程計算機上的VI前面板。

??? 2)DataSocket技術

??? 隨著現代科學技術的不斷發展，用Web Server在網絡上傳播VI的動態圖像可以達到滿意的效果。Lab-VIEW提供的一種在網上進行實時高速數據交換的方法--DataSocker，它主要面向測量和網上實時高速數據交換，可用于一個計算機內或者網絡中多個應用程序之間的數據交換，從而滿足了遠程現場監測的需要。

5 結束語

??? 本文提出的基于網絡的電能質量監測系統不但能夠完成供電系統電氣參數的測試，而且能夠實現用戶在遠程終端對現場進行監測和控制。通過實驗發現，該監測系統具有運行穩定、測量精度高、實時性好、操作簡單、便于維護等特點，系統能夠滿足對供電系統遠程監測和控制的要求。