本文的主要目的是實(shí)現(xiàn)一個包含一套完整的儀器的電能質(zhì)量分析儀，該儀器能夠執(zhí)行所有必要的電能相關(guān)的測量，并且能夠在一個運(yùn)行實(shí)時操作系統(tǒng)的小型硬件系統(tǒng)上實(shí)現(xiàn)并行處理。另外，系統(tǒng)的可擴(kuò)展性也是必須要考慮進(jìn)來的要點(diǎn)，這主要是為了在進(jìn)行設(shè)計(jì)測量和數(shù)據(jù)處理運(yùn)算時符合最新的IEC和EN標(biāo)準(zhǔn)。

圖1帶有電能質(zhì)量監(jiān)控功能的電能傳輸示意圖

什么是需要測量的量?

電壓質(zhì)量由以下參數(shù)進(jìn)行定義：頻率、電壓電平變化、閃變、三相系統(tǒng)不平衡、諧波光譜、總諧波失真和信號電壓電平等。特殊情況下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(shù)，并能夠計(jì)算一些間接參量。

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(jù)國際標(biāo)準(zhǔn)的規(guī)定計(jì)算電壓質(zhì)量。

電能質(zhì)量測量很重要?

電能的不同尋常之處在于它必須連續(xù)不斷被接收和使用，人們無法方便地大量儲存電能，并且在使用前無法方便地對它進(jìn)行質(zhì)量檢驗(yàn)。此時進(jìn)行預(yù)防工作的成本相對而言是較低的，并且工程師從優(yōu)化系統(tǒng)運(yùn)行流程到監(jiān)測與控制設(shè)備的整體安裝等。

若電能質(zhì)量較差，則有可能對生產(chǎn)線造成重大損傷。因此，通過監(jiān)測電能質(zhì)量，我們就能夠在系統(tǒng)遭到損傷，并導(dǎo)致嚴(yán)重的財務(wù)損失之前找到潛在的問題。

我們的電能質(zhì)量分析軟硬件包被命名為ENA，是用于電能質(zhì)量監(jiān)測的綜合的模塊化系統(tǒng)。

基于CompactRIO的電能質(zhì)量分析儀

本文展示的型號是ENA450電能質(zhì)量分析儀，但是由于NICompactRIO產(chǎn)品系列和系統(tǒng)的可擴(kuò)展性以及LabVIEW代碼的可移植性，滿足各種不同的應(yīng)用以及客戶的特殊需要可以將系統(tǒng)調(diào)節(jié)成不同的尺寸大小。
除基于完全靈活的NICompactRIO系統(tǒng)(ENA450.EC)以外，本文還創(chuàng)造了另外兩種整體解決方案，可以把應(yīng)用程序部署至："集成化的CompactRIO系統(tǒng)(ENA450.EB,ENA450.NB);"或者單板RIO(即Single-BoardRIO)(ENA460)系統(tǒng)。

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(jiān)測系統(tǒng)包含一系列的軟件應(yīng)用程序，這些應(yīng)用程序可以用于分析儀的遠(yuǎn)程控制、已儲存數(shù)據(jù)分析及通過因特網(wǎng)發(fā)布電能質(zhì)量數(shù)據(jù)。

如何選擇開發(fā)平臺

與傳統(tǒng)的基于計(jì)算機(jī)的儀器相比較，C系列模塊實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)更加緊湊、堅(jiān)固，并且尺寸更小。而且，NICompactRIO系列產(chǎn)品還能夠?yàn)槲覀兲峁└鞣N不同的尺寸規(guī)格，能夠快速適應(yīng)不同客戶及不同應(yīng)用的需要。
本文從豐富的C系列I/O模塊中選擇了為電網(wǎng)測量而設(shè)計(jì)的NI9225300V功率測量模塊進(jìn)行高電壓的測量。該模塊能夠測量110V電網(wǎng)的相電壓和線電壓，以及240V電網(wǎng)的相電壓。針對電流測量，我們使用了NI9227。它還具有更好的溫度規(guī)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)。
NI9225電能質(zhì)量分析儀和NI9227電能質(zhì)量分析儀能夠在50k采樣點(diǎn)/秒的采樣率下實(shí)現(xiàn)同步采樣，能夠?qū)崿F(xiàn)精確的三相功率測量以及電能質(zhì)量測量。本文還設(shè)計(jì)了特殊的電壓和電流模塊供選擇：EL9215U-R1和EL9215I-R1，它們都基于NI9215模塊設(shè)計(jì)并內(nèi)嵌了我們的信號調(diào)理電子元件。它們占用三個插槽，可以集成到CompactRIO機(jī)箱中使用。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(xiàn)場可編程門陣列(GateFPGA)的機(jī)箱。

測量能力

固件ENA-Node包括一些并行運(yùn)行的軟件模塊：
"FFT分析儀
"矢量分析儀
"電流監(jiān)測器
"閃變計(jì)
"EN50160電壓監(jiān)視器
"半周期RMS監(jiān)視器
"電壓發(fā)報和報警
"數(shù)字輸入

圖2ENA450接線圖–如何連接到輸電線

軟件將會分析電網(wǎng)的三個電壓信號(最高可達(dá)300Vrms)和三路電流瞬時值，以便計(jì)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(tǒng)不平衡、有功功率、無功功率、電能和許多其他變量。所有上述固件模塊都適合于50Hz和60Hz電力系統(tǒng)。所有儀器都在9.6kS/秒/通道的采樣率下工作。
通過使用NI9227電流模塊或者通過電流鉗連接到ELCOMEL9215I-R1電流模塊，可以直接測量電流變送器(1A/5A)輸出的電流。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(biāo)準(zhǔn)的規(guī)定。

可測量的變量列表

用于儀器控制、數(shù)據(jù)管理和報表的用戶界面

所有儀器控制、數(shù)據(jù)顯示和測量配置都通過ENA-Touch用戶界面進(jìn)行。為了顯示測量的數(shù)值，它可以容易、妥當(dāng)?shù)貙?shí)現(xiàn)配置并顯示測量的數(shù)據(jù)。同時由于顯示了所有的聯(lián)機(jī)數(shù)據(jù)，系統(tǒng)也允許儲存數(shù)據(jù)以進(jìn)行離線分析。計(jì)算后的變量可及時地進(jìn)行累計(jì)并且一些數(shù)據(jù)在儲存之前就經(jīng)過了統(tǒng)計(jì)評估。數(shù)據(jù)根據(jù)一個規(guī)定的時間間隔定期儲存，另有一些基于事件的數(shù)據(jù)僅在事件發(fā)生時進(jìn)行儲存。

ENA-Touch用戶界面對于控制進(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PC上使用。ENA-Touch可以通過因特網(wǎng)TCP/IP協(xié)議遠(yuǎn)程控制ENA-Node。有兩種類型的可視化面板：一些面板在表格中顯示固定數(shù)值，一些面板能夠支持多種顯示數(shù)據(jù)的方法(如表格、頻域圖表、圖表、矢量圖表及電能質(zhì)量的統(tǒng)計(jì)結(jié)果)以便顯示用戶自定義的數(shù)值。利用ENA-Report可以很方便地地對儲存的數(shù)據(jù)進(jìn)行離線分析，并生成報告。

結(jié)論

由于該解決方案具有開放性，所以現(xiàn)有系統(tǒng)能夠很容易與其他系統(tǒng)結(jié)合，通信協(xié)議可以根據(jù)客戶需求進(jìn)行調(diào)整或者集成到用戶現(xiàn)有的SCADA系統(tǒng)中。通過使用具有內(nèi)置信號調(diào)理功能的C系列模塊，可以實(shí)現(xiàn)強(qiáng)大的、用戶容易掌握的解決方案，可以在很大程度上簡化軟件維護(hù)和進(jìn)一步開發(fā)。
開放式硬件架構(gòu)允許用戶添加新的DIO用于監(jiān)測和控制，或者添加通信模塊實(shí)現(xiàn)GPS或者GSM無線通信。這一電能質(zhì)量監(jiān)測系統(tǒng)的主要優(yōu)勢在于性能高，靈活性好并且尺寸小。