利用NI CompactRIO開(kāi)發(fā)完整并現(xiàn)成可用的電能質(zhì)量分析平臺(tái)

北極星智能電網(wǎng)在線(xiàn)訊:作者: Daniel Kaminský - ELCOM, a.s.Petr Bilik - ELCOM, a.s.Jiri Hula - ELCOM, a.s.行業(yè):能源/電力產(chǎn)品:CompactRIO, LabVIEW挑戰(zhàn):實(shí)現(xiàn)一個(gè)電能質(zhì)量分析儀，它包含一套完整的儀器，能夠執(zhí)行所有必要的電能相關(guān)的測(cè)量，并且能夠在一個(gè)運(yùn)行實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)的小型硬件系統(tǒng)上實(shí)現(xiàn)并行處理。我們還必須考慮系統(tǒng)的可擴(kuò)展性，以便在進(jìn)行設(shè)計(jì)測(cè)量和數(shù)據(jù)處理運(yùn)算時(shí)符合最新的IEC和 EN標(biāo)準(zhǔn)。解決方案:利用COTS(商業(yè)現(xiàn)成可用)的工具，如NI CompactRIO，一款堅(jiān)固而可擴(kuò)展的硬件平臺(tái)，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(guó)際電能質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)"ENA電能質(zhì)量分析儀系列可以根據(jù)最新的國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)和/或客戶(hù)需要的任何額外功能，在短時(shí)間內(nèi)很方便地進(jìn)行修改或者擴(kuò)展。 -丹尼爾•卡明斯基博士(Dr. Daniel Kaminsky)，Elcom公司主管 "電能質(zhì)量測(cè)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(xù)不斷被接收和使用，人們無(wú)法方便地大量?jī)?chǔ)存電能，并且在使用前無(wú)法方便地對(duì)它進(jìn)行質(zhì)量檢驗(yàn)。若電能質(zhì)量較差，則有可能對(duì)生產(chǎn)線(xiàn)造成重大損傷。因此，通過(guò)監(jiān)測(cè)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(cái)務(wù)損失之前找到潛在的問(wèn)題。此時(shí)進(jìn)行預(yù)防工作的成本相對(duì)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(tǒng)運(yùn)行流程到監(jiān)測(cè)與控制設(shè)備的整體安裝等。什么是需要測(cè)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(jù)國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)的規(guī)定計(jì)算電壓質(zhì)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(hào)電壓電平等。在某些情況下，也需要將電流信號(hào)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，例如有功功率、無(wú)功功率、電能等。圖1 帶有電能質(zhì)量監(jiān)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(jiān)測(cè)的綜合的模塊化系統(tǒng)，它符合現(xiàn)行國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)和其他國(guó)際規(guī)定文件的規(guī)定。選擇開(kāi)發(fā)平臺(tái)的注意事項(xiàng)我們選擇在NI CompactRIO平臺(tái)上利用C系列模塊實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)。與傳統(tǒng)的基于計(jì)算機(jī)的儀器相比較，它更加緊湊、堅(jiān)固，并且尺寸更小(高X寬X深：88X180X90mm或3.4X7X3.5英寸)。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)。而且，NI CompactRIO系列產(chǎn)品還能夠?yàn)槲覀兲峁└鞣N不同的尺寸規(guī)格，這對(duì)我們來(lái)說(shuō)很重要，幫助我們快速適應(yīng)不同客戶(hù)及不同應(yīng)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(cè)量模塊進(jìn)行高電壓的測(cè)量。該模塊是為電網(wǎng)測(cè)量而設(shè)計(jì)的，能夠測(cè)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(duì)電流測(cè)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(xiàn)同步采樣，能夠?qū)崿F(xiàn)精確的三相功率測(cè)量以及電能質(zhì)量測(cè)量，如：閃變、諧波和功率因數(shù)等。此外，我們還設(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NI 9215模塊設(shè)計(jì)并內(nèi)嵌了我們的信號(hào)調(diào)理電子元件。它們占用三個(gè)插槽，可以集成到CompactRIO機(jī)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(kuò)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(jù)所選擇的CompactRIO型號(hào)不同以及所選擇的輸入模塊的不同，有幾種不同型號(hào)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(xiàn)場(chǎng)可編程門(mén)陣列(Gate FPGA)的機(jī)箱。基于CompactRIO的電能質(zhì)量分析儀我們?cè)谶@里展示的型號(hào)是ENA450，但是由于NI CompactRIO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，我們能夠?qū)⑾到y(tǒng)調(diào)節(jié)成不同的尺寸大小，以滿(mǎn)足各種不同的應(yīng)用以及客戶(hù)的特殊需要。除基于完全靈活的NI CompactRIO 系統(tǒng)(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(yīng)用程序部署至：· 集成化的CompactRIO系統(tǒng)(ENA450.EB, ENA450.NB)，其在同一個(gè)機(jī)箱內(nèi)同時(shí)安裝了實(shí)時(shí)處理器和可重新配置現(xiàn)場(chǎng)可編程門(mén)陣列(FPGA)�！� 或者單板RIO(即Single-Board RIO)(ENA460)系統(tǒng)，其在單個(gè)印刷電路板上包含NI CompactRIO系統(tǒng)的三個(gè)核心部件-實(shí)時(shí)處理器、現(xiàn)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(jiān)測(cè)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(chǔ)存數(shù)據(jù)分析及通過(guò)因特網(wǎng)發(fā)布電能質(zhì)量數(shù)據(jù)。這種�；�的理念可以實(shí)現(xiàn)所有客戶(hù)需求，并且使成本最小化。測(cè)量能力固件ENA-Node(參見(jiàn)圖庫(kù))在基于CompactRIO的ENA450分析儀上直接運(yùn)行并且提供各種測(cè)量服務(wù)，包括處理所有數(shù)據(jù)采集、計(jì)算和儲(chǔ)存。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(cè)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(bào)和報(bào)警· 數(shù)字輸入所有上述固件模塊都適合于50Hz 和60Hz 電力系統(tǒng)。用戶(hù)可以通過(guò)儀器顯示器觀(guān)察數(shù)據(jù)并且把數(shù)據(jù)儲(chǔ)存在數(shù)據(jù)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(cè)量信號(hào)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。軟件將會(huì)分析電網(wǎng)的三個(gè)電壓信號(hào)(最高可達(dá)300Vrms)和三路電流瞬時(shí)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(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(cè)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(cè)量的變量列表用于儀器控制、數(shù)據(jù)管理和報(bào)表的用戶(hù)界面