基于网络的电能质量监测系统设计

0 引 言
    随着电力系统运行管理的系统化、智能化、自动化和网络化，对电网的远程实时监控和自动化调试是电力系统发展的必然趋势。近年来，随着人们对电力能源需求的不断增长，电力电子设备应用越来越广泛，大量的非线性负荷、冲击性负荷的投运，使公用电网中产生了大量的谐波干扰以及电压波形畸变、电压波动和三相不平衡等问题，电能质量不断恶化。为实现对电力系统实时的监控和准确的调度，全面掌握电网中电能质量状况并对电力参数进行快速准确的测试就变得十分重要。本文提出了一种基于网络的电能质量监测系统(以下简称“监测系统”)，不但能够实现对现场数据的实时采集与分析处理，而且还能够通过网络进行远程监测与控制，有助于解决现场环境恶劣而难以在现场进行精确测试的问题。

1 监测系统总体设计
    系统用于供电系统线路中各项电力参数的监测。根据被测参数的特性，利用相应的传感器通过数据采集电路采集被测点的电压和电流信号，然后根据采集的被测点数据计算交流供电系统的电压、电流、频率、谐波含量、畸变系数、波峰系数等电力参数。监测系统主要包括管理计算机、监测计算机、PXI数据采集系统、信号调理和工业以太网交换机及打印机等。系统的总体结构图如图1所示。

2 系统硬件设计
    管理计算机主要用于系统的运行状态及数据的管理，协调系统的运行，为用户提供现场实时监测情况，实现统一的监控和数据管理。现场监测计算机主要完成对供电系统被测点的信号进行监测，进行数据采集和数据分析；PXI数据采集系统主要实现从被测线路获取电压电流的实时数据。根据被测现场的监控需求，选用2块NI公司的PXI数据采集卡PXI-6254，每块板卡有32路模拟量输入通道，共有64路模拟量输入通道。供电现场监控计算机可以将PXI数据采集系统采集到的数据进行分析，并生成报表通过以太网交换机根据用户的需求上传给配电系统管理计算机；配电系统管理计算机具有故障告警功能，也可以通过以太网接受现场计算机的数据进行数据分析，将监控故障信号进行回放，利用查找原因，解决问题。

    数据采集模块主要由信号调理电路、硬件同步电路、A／D转换电路等几部分组成。信号调理电路主要完成将被测点的电压、电流信号进行调理到采集卡所能承受的范围内的功能。调理电路主要由电压互感器、电流互感器、运放电路、跟随电路等组成，实现了外部电力高压、大电流信号与本系统的电气隔离，减小了外部电磁干扰，提高了电气安全性能和可靠性，并对输入信号进行线性变换，信号调理电路如图2所示。电流的调理采用利用精密电阻将电流信号转变为电压信号，然后将其送人调理电路的输入端，最后利用系统中的软件模块对调理后的信号进行数据采集。

3 系统软件设计
3．1 LabVIEW软件介绍
    在本测试系统中，采用NI公司的LabVIEW7．1开发系统监测应用软件。LabVIEW是高效图形化应用开发环境，它结合了简单易用的图形化开发方式和灵活强大的编程语言优势，易于实现软件和硬件的无缝连接，在完成数据采集后，可以利用LabVIEW提供的强大的数据分析模块，完成数据处理和显示，可以高效率的创建稳定运行的软件代码。在以往的单机测试基础上进行了二次开发，开发了一些专门的处理模块，并成功利用了LabVIEW的网络通信技术，使管理计算机和测试计算机能够进行网络数据交换。
3．2 监测系统软件设计
    为节省内存资源，系统状态监测软件除了利用DataSocket技术共享和发布实时数据外，还利用了Lab-VIEW独有的VI Server技术，用其提供的库函数编程实现程序的动态控制，保证了VI在需要时才被装入内存，减少了系统内存占用，提高了运行效率。
    监测系统应用软件分为管理计算机应用软件和现场监测计算机应用软件两部分。管理计算机应用软件，运行在管理计算机上，主要完成对供电系统的协调管理功能，并能实现故障告警等功能；现场监测计算机应用软件，运行在现场监测计算机上，能够完成实时监测、数据保存、历史回放、生成报表和数据信息的上传等功能。
    管理计算机应用软件主要由四个模块组成，程序结构图如图3所示。系统配置模块的功能是实现对RS485总线通信参数和以太网参数进行设定等；电力参数分析模块主要用于当现场监测计算机出现故障报警时，通过以太网调取现场监控计算机采集到的相关数据进行分析，然后根据分析结果进行故障诊断，从而排除系统故障，保证电力供应；系统状态监控模块主要用来显示监测系统的运行状态。

    现场监测计算机应用软件由数据采集模块、数据分析模块、故障告警模块和本地波形监控模块四个主模块组成。为了实现对供电系统中监测线路的监控，现场监测计算机首先要通过数据采集模块对所监测线路的信号进行采集，并能够利用数据分析模块进行分析，如对电压电流稳态／瞬态参数进行分析，并能够实现对电网进行谐波分析、畸变分析和功率因数分析等，然后将根据分析结果自动判断是否存在故障，若有故障，通过故障告警模块将故障信息上传给管理计算机，同时保存相关数据；若没有故障，则放弃保存该部分数据。为了监测方便，该软件也可以先记录数据，然后进行特性参数分析，或直接进人单个模块直接分析参数。本地波形监控模块同步实时采集多个通道的波形，并能通过网络把现场监测结果发送给管理计算机，以供用户在远程终端监测。数据采集模块、数据分析模块和本地波形监控模块都包含数据存储、回放和生成报表及打印等功能。现场监测计算机程序流程如图4所示。

4 远程通信技术在监测系统中的应用
    对供电系统的远程监控，主要是利用网络通信技术来实现的。远程面板和DataSocket通信是LabVIEW为适应工业以太网发展而开发的数据通信方式，远程面板支持直接操作位于远程计算机上的VI前面板，而DataSocket可用于高速实时地发布测试数据。
    1)远程面板技术
    为实现对远程现场中的状态进行实时监测，系统采用了远程面板技术。进行远程监测时，LabVIEW的远程面板技术可以实现用户在办公室的计算机中通过网络监测现场的情况。远程面板技术，通过设置LabVIEW中相关参数来实现供电系统的远程监测。该技术允许用户直接在客户端打开并操作位于远程计算机上的VI前面板。
    2)DataSocket技术
    随着现代科学技术的不断发展，用Web Server在网络上传播VI的动态图像可以达到满意的效果。Lab-VIEW提供的一种在网上进行实时高速数据交换的方法--DataSocker，它主要面向测量和网上实时高速数据交换，可用于一个计算机内或者网络中多个应用程序之间的数据交换，从而满足了远程现场监测的需要。

5 结束语
    本文提出的基于网络的电能质量监测系统不但能够完成供电系统电气参数的测试，而且能够实现用户在远程终端对现场进行监测和控制。通过实验发现，该监测系统具有运行稳定、测量精度高、实时性好、操作简单、便于维护等特点，系统能够满足对供电系统远程监测和控制的要求。