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挑戰：實(shí)現一個(gè)電能質(zhì)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(guān)的測量，并且能夠在一個(gè)運行實(shí)時(shí)操作系統的小型硬件系統上實(shí)現并行處理。我們還必須考慮系統的可擴展性，以便在進(jìn)行設計測量和數據處理運算時(shí)符合最新的IEC和 EN標準。 解決方案：利用COTS（商業(yè)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(kāi)發(fā)環(huán)境來(lái)開(kāi)發(fā)電能質(zhì)量分析儀，并使其遵守國際電能質(zhì)量標準 電能質(zhì)量測量很重要？ 電能是一種產(chǎn)品，和任何其他產(chǎn)品一樣，并且它或許是目前工商業(yè)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(wú)法方便地大量?jì)Υ骐娔�，并且在使用前無(wú)法方便地對它進(jìn)行質(zhì)量檢驗。若電能質(zhì)量較差，則有可能對生產(chǎn)線(xiàn)造成重大損傷。因此，通過(guò)監測電能質(zhì)量，我們就能夠在系統遭到損傷，并導致嚴重的財務(wù)損失之前找到潛在的問(wèn)題。此時(shí)進(jìn)行預防工作的成本相對而言是較低的，并且工程師可以進(jìn)行一系列的改善工作，從優(yōu)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(zhì)量分析儀采集并分析電網(wǎng)中的三路電壓，并根據國際標準的規定計算電壓質(zhì)量。電壓質(zhì)量由以下參數進(jìn)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(guān)的參數，并能夠計算一些間接參量，例如有功功率、無(wú)功功率、電能等。 
圖1 帶有電能質(zhì)量監控功能的電能傳輸示意圖 我們的電能質(zhì)量分析軟硬件包被命名為ENA（全稱(chēng)：ELCOM網(wǎng)絡(luò )分析儀），是用于電能質(zhì)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(kāi)發(fā)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(shí)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。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(chǎn)品還能夠為我們提供各種不同的尺寸規格，這對我們來(lái)說(shuō)很重要，幫助我們快速適應不同客戶(hù)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(jìn)行高電壓的測量。該模塊是為電網(wǎng)測量而設計的，能夠測量110V電網(wǎng)的相電壓和線(xiàn)電壓，以及240V電網(wǎng)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(diǎn)/秒的采樣率下實(shí)現同步采樣，能夠實(shí)現精確的三相功率測量以及電能質(zhì)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(gè)插槽，可以集成到CompactRIO機箱中使用。 由于需要開(kāi)發(fā)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(kāi)發(fā)環(huán)境，用于開(kāi)發(fā)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(zhì)量分析儀。ENA 電能質(zhì)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(chǎng)可編程門(mén)陣列（Gate FPGA）的機箱。 基于CompactRIO的電能質(zhì)量分析儀 我們在這里展示的型號是ENA450，但是由于NI CompactRIO產(chǎn)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(mǎn)足各種不同的應用以及客戶(hù)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(chuàng )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(gè)機箱內同時(shí)安裝了實(shí)時(shí)處理器和可重新配置現場(chǎng)可編程門(mén)陣列（FPGA）。 · 或者單板RIO（即Single-Board RIO）（ENA460）系統，其在單個(gè)印刷電路板上包含NI CompactRIO系統的三個(gè)核心部件-實(shí)時(shí)處理器、現場(chǎng)可編程門(mén)陣列（FPGA）和I/O 。 電能質(zhì)量分析儀的性能由儀器硬件和軟件確定。ENA電能質(zhì)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(guò)因特網(wǎng)發(fā)布電能質(zhì)量數據。這種�；睦砟羁梢詫�(shí)現所有客戶(hù)需求，并且使成本最小化。 測量能力 固件ENA-Node（參見(jiàn)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(wù)，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(fā)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(hù)可以通過(guò)儀器顯示器觀(guān)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(shí)施的算法符合IEC61000-4-30、IEC61000-4-15和IEC61000-4-7等電能質(zhì)量標準的規定。 軟件將會(huì )分析電網(wǎng)的三個(gè)電壓信號(最高可達300Vrms)和三路電流瞬時(shí)值，以便計算電網(wǎng)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(wú)功功率、電能和許多其他變量。通過(guò)使用NI 9227電流模塊或者通過(guò)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(xiàn)圖–如何連接到輸電線(xiàn) 可測量的變量列表
用于儀器控制、數據管理和報表的用戶(hù)界面 易于使用的ENA-Touch用戶(hù)界面是一個(gè)用于ENA測量服務(wù)的圖形用戶(hù)界面。所有儀器控制、數據顯示和測量配置都通過(guò)ENA-Touch用戶(hù)界面進(jìn)行。為了顯示測量的數值，它可以容易、妥當地實(shí)現配置并顯示測量的數據。有兩種類(lèi)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(zhì)量的統計結果）以便顯示用戶(hù)自定義的數值。ENA-Touch用戶(hù)界面對于控制進(jìn)行了優(yōu)化，能夠使用觸摸屏進(jìn)行顯示，并且也可以在分辨率為800x480的超級移動(dòng)PC上使用。ENA-Touch可以通過(guò)因特網(wǎng)TCP/IP協(xié)議遠程控制ENA-Node。同時(shí)由于顯示了所有的聯(lián)機數據，系統也允許儲存數據以進(jìn)行離線(xiàn)分析。計算后的變量可及時(shí)地進(jìn)行累計并且一些數據在儲存之前就經(jīng)過(guò)了統計評估。數據根據一個(gè)規定的時(shí)間間隔定期儲存，另有一些基于事件的數據僅在事件發(fā)生時(shí)進(jìn)行儲存。 利用ENA-Report可以很方便地地對儲存的數據進(jìn)行離線(xiàn)分析，并生成報告。 利用ENA進(jìn)行分布式電能質(zhì)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(jìn)行集中儲存和離線(xiàn)分析。 結論 這一電能質(zhì)量監測系統的主要優(yōu)勢在于性能高，靈活性好并且尺寸小。通過(guò)使用具有內置信號調理功能的C系列模塊，可以實(shí)現強大的、用戶(hù)容易掌握的解決方案，可以在很大程度上簡(jiǎn)化軟件維護和進(jìn)一步開(kāi)發(fā)，而不會(huì )對當前的系統產(chǎn)生影響。若現有的電能質(zhì)量監測標準有了任何更新或者修改，電能質(zhì)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(kāi)放性，所以現有系統能夠很容易與其他系統結合，通信協(xié)議可以根據客戶(hù)需求進(jìn)行調整或者集成到用戶(hù)現有的SCADA系統中。開(kāi)放式硬件架構允許用戶(hù)添加新的DIO用于監測和控制，或者添加通信模塊實(shí)現GPS 或者GSM無(wú)線(xiàn)通信。 NI CompactRIO and NI LabVIEW的靈活性還使我們得以在數周時(shí)間內實(shí)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(jìn)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(zhì)量分析儀ENA450中，以成為一個(gè)單獨的儀器。 作者: Daniel Kaminský - ELCOM, a.s. Petr Bilik - ELCOM, a.s. Jiri Hula - ELCOM, a.s. |
