基于虚拟仪器的用户侧谐波检测系统的应用研究

摘 要：本文首先对已有的用户侧谐波检测技术进行了介绍，在此基础上，提出了一种基于虚拟仪器的用户侧谐波检测系统。借助虚拟仪器的灵活性和可扩展性构建谐波检测平台；利用LabVIEW图形化的编程语言构建软件分析平台，进行数据处理、分析；通过用户与变电站的光纤直连通道进行信息，实现数据的实时在线传输。

关键词：谐波检测；用户侧；虚拟仪器；LabVIEW

中图分类号：A715文献标识码： A

1引言

电力系统中谐波主要由冶金、化工、电气化铁路及其他用户的设备产生。这些谐波污染源向公用电网注入谐波电流，在公用电网中产生谐波分量，不仅增加了电网的供电损耗，而且干扰电网的保护装置与自动化装置的正常运行，威胁电网的安全运行[1]。

电网谐波按照“谁污染，谁负责”的原则进行治理。因此，对用户进行谐波检测以明确用户谐波治理的责任变得非常重要。目前，用户侧谐波检测普遍采用便携式电能质量检测设备，如FLUKE电能质量检测仪。这类装置操作简单，携带方便，具有一定的数据处理、存储能力。但是其功能比较单一、数据处理能力有限，检测周期一般为一年一次，且每次需要不间断检测48小时以上，无法满足实时性要求，不能真正反映用户谐波污染程度。

虚拟仪器具有结构简单、一机多用、高度智能化及精度高等特点。结合现代通信技术，可以实现用户侧谐波的实时监测；利用强大的软件技术，使用户可以方便地对检测系统进行维护、扩展和升级 [2] 。

本文将结合虚拟仪器和光纤通信技术，选取LabVIEW作为软件开发平台，研发一种新型的检测系统，把用户侧谐波作为研究对象，通过数据采集、分析、存储、信息等环节，实现对用户侧谐波的实时在线检测。

2系统总体结构

如图1所示，本检测系统主要由检测终端和远程监控中心组成。其中检测终端包括信号调理电路、数据采集电路、工控机，在用户侧配置；远程监控中心设在供电公司主站。

图1系统总体结构示意图

信号调理电路对传感信号进行放大、滤波和线性化补偿，将三相电压、三相电流信号转换为适于模数转换电路的信号范围。转换后的模拟信号进入NI的高速数据采集卡被转化成数字信号，工控机再对数字信号进行计算分析并存储，并与监控中心进行远程交互，完成相应的数据采集、分析、存储和通信功能。

3数据采集

检测终端主要由SCXI(Signal Conditioning Extensions for Instrumentation，面向仪器设备的信号调理扩展)信号调理器、PCI数据采集卡、工控机构成。检测终端的硬件结构示意图如图2所示。

图2检测终端硬件结构示意图

本系统选取NI公司的SCXI-1000信号调理箱对信号进行调理，对通过互感器的信号进行放大、隔离、滤波以及多路转换等操作。另外，SCXI-1000信号调理箱可以直接同NI公司的数据采集设备进行对话，无需再额外开发电路。

数据采集卡的功能是将电压、电流信号进行采样后输入到工控机中。由于采集的电压、电流信号为模拟量，因此为完成电压、电流信号的输入，需要将采集到的信号进行A/D转换，并将转换结果读入工控机CPU，由CPU对其进行分析处理。

4数据分析

本文所有程序开发都是在LabVIEW平台上完成的，设计的检测终端具备强大的数据处理能力，可以对用户侧谐波指标进行详细计算分析，并将分析结果进行存储。

本系统采用离散傅里叶变换(DFT)和快速傅里叶变换(FFT)进行电压、电流谐波检测。

首先对电压、电流信号进行同步采样，在一个工频周期内分别采样N点，得到离散数字序列和。显然两序列均为实序列，将它们按下式构成复序列

(1)

频谱为：

(2)

对按FFT算法求得后，容易推导出和的频谱分别为：

(3)

(4)

上式即为第次谐波电压和谐波电流相量表达式。由此可求得第次谐波电压和谐波电流有效值，及相位，。

于是电压、电流有效值为

,(5)

某次谐波分量的大小，以该次谐波的有效值与基波有效值的百分比表示，称为该次谐波的含有率或畸变率，如第次谐波含有率为：

(6)

在电力系统中，畸变波形因谐波引起的偏离正弦波形的程度，以谐波失真度表示：

(7)

谐波检测子程序界面如图3所示。

图3谐波检测程序界面图

5通信及信息

目前电力系统通信以光纤通信为主要通信方式，已形成覆盖各级调度、变电站、直调发电厂、大型用户的电力调度数据网。

图4检测系统组网方案

本文设计的电能质量监测系统借助电力系统调度数据网实现可靠的通信功能，其组网方式如图4所示。

通过上述组网方式，各用户检测工控机都会分配到网内唯一的IP地址，借助LabVIEW自带的网页功能，可以十分方便得实现谐波指标的信息。首先在用户侧工控机上运行Labview，并配置Web Server，然后通过Web工具将VI到Web，工作人员只需在监控中心使用网页浏览器即可访问Server端的虚拟仪器。为实现Web Server配置，需完成以下步骤：

1）打开需要的虚拟仪器子程序。

2）选择ToolsOptionsWeb Server：Conf-iguration，选中启用“Enbale Web Server”复选框，开启Web服务功能，同时设置Web Server所对应的根目录以及对应的HTTP访问端口和超时设定。

3）在LabVIEW开发环境中，选择ToolsWeb Publishing Tool，弹出Web Publishing Tool对话框。选择要的VI。在Viewing Options菜单中选中Embedded，并选中“Border”和“Request Control”复选框。

4）最后单击“Save to Disk”，选择保存位置及网页名称(如WS.htm)。

完成Web Server配置后，监控中心通过浏览器即可访问虚拟仪器VI。以下是通过浏览器访问Server端虚拟仪器的步骤：

1）打开IE浏览器，输入所要访问用户侧工控机的IP地址或域名/WS.htm。

2）由于在之前的Web Server配置中选中了“Request Control”复选框，因此监控中心将拥有VI的控制权，可以实现对虚拟仪器的远程控制。

6 结语

1）基于虚拟仪器技术建立一种用户侧谐波检测系统，多模块化、易于扩展。

2）以LabVIEW图形化语言为基础构建软件分析平台，具有强大的数据分析、处理能力。

3）利用电力系统光纤通信实现了信息，保证了数据传输的实时性。

4）本系统尚不具备其他电能质量指标的检测功能，有待在今后的研究工作中加以完善。

参考文献

[1]肖湘宁，韩敏晓，徐永海，等．电能质量分析与控制[M]．北京：中国电力出版社，2004．

[2]NI公司．虚拟仪器技术已成为测试测量行业的主流技术[J]．中国电子商报，2005，(9)：26-28．

[3]高云鹏，滕召胜．电能质量监测技术现状与发展方向[J]．仪器仪表用户，2006，ll(4)：1-3．

[4]贺天柱，孙喻．虚拟仪器技术及其编程语言LabVIEW[J]．现代电子技术，2008，28(15)：6l-63．

作者简介：

刘辉(1985)，男，工学硕士，工程师，主要从事电能质量分许与控制、输变电工程电气监理方面的研究工作，

李贞(1984)，女，工学硕士，工程师，主要从事电力系统分析与控制、高电压技术应用及研究方面的工作。