基于LabVIEW的有源电力滤波装置数据采集系统

辛皓天, 何朴芳, 史贵风

[上海电器科学研究所(集团)有限公司, 上海 200063]

0 引 言

伴随着有源电力滤波技术的发展,研发了各种用于满足有源滤波装置研发及试验需求的智能监测系统。现有的有源电力滤波装置的智能监测系统主要能实现两大类功能:用于显示有源电力滤波装置的滤波效果和用于显示有源滤波系统的实时数据。现有的这些应用于有源电力滤波装置的数据采集系统功能单一、个性化较强,仅是针对产品的某些参数进行分析或监测,并没有包含有源电力滤波装置研发过程的设计参数的验证[2],更少有将委托试验中需要计算的特征参数和需要认证的功能进行在线监测和智能计算。

本文充分考虑有源电力滤波装置整个研发流程的试验需求:验证回路主器件选型是否正确;验证电流电压及温度等保护阈值是否合理;验证风机变速频率是否科学;验证保护功能是否能实现[3];进行阶段性委托试验以完成功能测试。

为了满足以上试验需求,本文利用LabVIEW软件平台,设计一种具备在线监测和自动计算功能的有源电力滤波装置数据采集系统。相比于现有的仅对产品某些参数进行分析和监测的数据采集系统,该系统通过对有源电力滤波装置运行参数的采集,实现运行状况的实时监控;通过对有源电力滤波装置设计参数的采集与对比分析,实现参数设计和选型的最优化;通过对有源电力滤波装置测试系统电压、电流数据的采集,实现试验项目参数的自动计算,提高试验效率。

1 系统设计

有源电力滤波装置通过实时检测负载的谐波和无功分量,采用PWM变流技术,从变流器中产生一个与当前谐波分量和无功分量对应的反向变量并实时注入电力系统,从而实现谐波治理和无功补偿。

本文的有源电力滤波装置数据采集系统从3个方面进行数据的采集,实现整个研发过程的全程监控、智能分析、快速计算。

1.1 有源电力滤波装置运行参数采集

通过有源电力滤波装置的串口接口,将有源电力滤波装置的运行数据传输至LabVIEW数据采集系统中。LabVIEW开启端口监听[4],接收到的数据通过协议匹配,实现有源电力滤波装置显示屏上信息数据的复制显示。有源电力滤波装置显示屏上的信息数据一般包含当前装置的工作状态、额定工作电流值、实际工作电流值、系统电压值、负载电流值、负载谐波电流值、温度值(IGBT、控制板)、代码信息和直流侧电压值。通过在LabVIEW数据采集系统的程序框图中加入参数限值、逻辑判断,实现数据异常报警。

在对有源电力滤波装置进行谐波滤除功能或者无功补偿功能的试验中,试验人员在对装置点击运行后,不可能每时每刻盯着操作屏幕实时跟踪运行数据的变化。实验室也很少实现对试验样机的实时变化进行数据采集和监测。有源电力滤波装置运行过程中有很多不稳定现象发生,比如装置降容输出、装置突发停止输出、装置报错等。本文设计通过实时采集有源电力滤波装置的运行数据,并在LabVIEW数据采集系统中加入相应的阈值判断和报警功能[5-6],可以及时提醒试验人员有源电力滤波装置运行出现的突发异常情况。通过前面板数据显示界面的报警灯,测试人员可以及时判断异常原因。通过调取实时存储的采集数据,可进行异常分析。

1.2 有源电力滤波装置设计参数采集

有源电力滤波装置参数采集系统对直流侧电压信号进行监测和稳定性评估,而对交流侧参数和其他的重要设计点没有进行重点关注。

电力营销图像识别系统需要有一个固定的操作平台，在平台中把撤回电能表置于拍照区，计算机就会自主控制数码相机进行图像的采集，在采集完图像后就可以通过图像识别技术来识别电能表的型号、表示数以及条码等。操作台主要由工控主机、数码相机、控制开关以及显示器等设备构成，它是整个系统的核心。在采集完撤回表相关信息后还可以通过信息管理功能对于相关的信息进行管理，完成整理、分析、统计等相关工作。

开关频率是有源电力滤波装置的关键参数,增大开关频率可以减小高频纹波的输出,但可能会导致门极电阻发热严重。通过对高频滤波回路电流信号的监测,可以观察高频滤波回路滤波效果,优化谐振点频率。

IGBT的温度控制也是有源电力滤波装置的关键技术。IGBT的温度超过保护值,需要降容输出。

实现有源电力滤波装置运行风机的转速可控是智能化发展的结果,要求将风机转速频率与有源电力滤波装置输出电流大小进行阶梯式对应。输出电流越小,风机转速越低,输出电流越大,风机转速越高。

本文将有源电力滤波装置运行时的开关频率、IGBT温度、风机转速频率传输至LabVIEW采集系统,并监测高频滤波回路电流的变化,方便设计者对器件的不同选型做效果对比分析,还可以进行多台样机的在线性能对比。

1.3 有源电力滤波装置测试系统数据采集

根据JB/T 11067—2011《低压有源电力滤波装置》、JG/T 417—2013《建筑电气用并联有源电力滤波装置》、YD/T 2323—2016《通信配电系统电能质量补偿设备》中的规定,有源电力滤波装置的委托试验至少包含谐波滤除率、总谐波滤除率、响应时间、有功功率损耗、轻载试验测试、自动限流输出试验等。

有源电力滤波装置测试系统图如图1所示。电流监测点为网侧(TA1,TA2,TA3)、负载侧(TA4,TA5,TA6)和有源电力滤波装置输出侧(TA7,TA8,TA9),电压监测点为网侧(TV1,TV2,TV3)。

有源电力滤波装置的研发必须通过委托试验来进行功能认证。委托试验中的一些数据需要通过福禄克测试仪器测试、示波器采集波形并人工计算得出。改变有源电力滤波装置的参数或设置,又需要重新采集和计算。整个试验过程操作繁杂,容易出现数据抓存不当造成的数据不准确,从而需要反复试验。本文通过实时采集有源电力滤波装置测试系统的电流、电压数据并自动计算,实现委托试验特征值的监测和智能获取,并实现对一些保护功能的验证。

实现方式:通过霍尔线圈采集电流信号,接入积分器电路,再进入数据采集板卡。通过LabVIEW软件平台编程接收数据采集板卡信号,并通过程序面板嵌入算法实现数据的自动计算。

谐波滤除率和总谐波滤除率的监测及计算:采集的电流信号通过FFT计算[7],可获取n次谐波电流方均根值。计算有源电力滤波装置接入后已被滤除的第h次谐波电流的方均根值与装置接入前的第h次谐波电流的方均根值之比,即为谐波滤除率。计算有源电力滤波装置接入后已被滤除的各次谐波电流的方均根值与装置接入前各次谐波电流的方均根值之比,即为总谐波滤除率。

响应时间的监测及计算:通过LabVIEW采集系统前面板实时监测网侧电流、负载电流、装置输出侧电流三处电流信号波形,测量并记录负载电流变化前后三处电流的变化[8]。根据响应时间试验相关要求,将负载低档位运行时有源电力滤波装置的稳态电流记作I1,负载高档位运行时有源电力滤波装置的稳态电流记作I2,负载高低两档位运行时有源电力滤波装置的稳态电流差值为ΔI=I2-I1。首先记录负载低档位运行时的电流曲线,系统稳定运行后切换负载到高档位,从负载电流突增时刻起有源电力滤波装置电流上升到I1+0.9ΔI的最长时间,即为负载突增时有源电力滤波装置的响应时间;系统稳定后,将非线性负载由高档位切换到低档位,用同样的方法测量有源电力滤波装置从负载电流突减时刻起至有源电力滤波装置下降至I1+0.1ΔI的最长时间,即为负载突减时有源电力滤波装置的响应时间。

有功功率损耗值的监测及计算:通过在程序面板嵌入公式计算有功功率与视在功率之比,即可获得有功功率损耗值[9]。

保护功能的监测及计算:通过同时监测网侧、负载侧、有源电力滤波装置输出侧的电流,可实现轻载试验、负载试验、自动限流输出试验、不平衡适应性试验的结果判定。监测电压值可实现输入电压范围试验、输入电压不平衡试验的结果判定。

2 系统界面

通过LabVIEW前面板设计实现采集系统采集界面的显示[9]。有源电力滤波装置运行参数采集界面如图2所示,有源电力滤波装置设计参数采集界面如图3所示,有源电力滤波装置产品测试系统特征值监测界面如图4所示。通过3个界面所采集的数据[10],可以实时监测有源电力滤波装置的运行状况、治理效果,实时观察相关委托试验要求是否满足,对多台装置进行对比试验,优化选型,优化参数设定值[11]。

考虑异常情况需要进行异常分析,设计将采集的数据存储在Excel中,方便及时调用[12]。

3 结 语

从有源电力滤波装置的使用工况越来越复杂,使用环境越来越严酷,对产品的性能测试需求越来越多[13-16],从现有测试平台综合能力不足的角度出发,设计了一种用于有源电力滤波装置研发和委托测试过程中的有源电力滤波装置数据采集系统。通过该系统可以实现对有源电力滤波装置运行情况的监控和在线报警、设计参数的采集与试验对比、测试系统的数据采集并自动计算。相比于现有的功能单一的各种电能质量监测系统,本文设计的基于LabVIEW实现的有源电力滤波装置数据采集系统除了可以应用于有源电力滤波装置研发的全过程,还可以应用于多种电能质量治理装置的试验数据采集及智能分析,具有广泛的适用性。