基于LabVIEW的动车组电能质量监控分析系统

张贵鹏，王庆峰，徐利华，李相强，张健穹，车永旺

(西南交通大学物理科学与技术学院，四川成都 610031)

0 引言

随着动车组数量和速度的不断提升，以及动车智能化需求越来越高，相应的大功率设备、不对称负荷及其他非线性负荷容量也越来越多，使得配电网系统中的电压发生波形畸变、谐波及电压闪变等一系列问题，严重影响了供电系统的电能质量[1-3]。因此有必要对动车组配电网电能质量情况进行监测记录，掌控其电能质量运行情况，以电能质量数据为依据，为配电网产生的问题和解决通过数据支撑，从而保证动车组电能质量的合理、有效配置，进一步保证动车组的稳定、安全运行[4-5]。

虽然目前应用于电力系统及电力机车的电能质量监测技术已经很成熟[6-8]，但由于高速动车组与牵引网电气耦合过程的机理比较复杂，无法直接照搬其技术及标准。据了解，动车组领域的电能质量监测技术还不成熟，没有统一规范化的体系和标准，动车组现有的检测装置功能单一，价格贵且开发周期长[4-6]，同时，监测对象均是牵引供电系统自身而非动车组(动车组是引起电能质量恶化的激励源)[2,5]。

综合考虑以上研究现状，文中采用易开发、低成本的LabVIEW图形化编程语言设计一种动车组电能质量监测与分析系统，对动车组进行监测，该系统具有低成本、开发速度快、性能稳定，功能较全、操作方便、易于拓展与升级等优势[9-11]。文中详细分析了电能质量检测的各个指标理论和方法，并对系统进行了精度验证与现车测试，最后对实验结果进行了分析。

1 系统总体设计方案

文中设计的电能质量监控分析系统分为硬件部分与软件部分，实现对电能质量数据的实时采集监测、存储及分析等功能。其中系统的硬件部分包括电压探头、电流探头、数据采集卡、工控机及DTU通信模块，软件部分包括电能质量数据实时显示、实时监测分析、数据存储、离线分析及远程通信。系统总体设计方案如图1所示。

图1 系统总体设计方案

1.1 硬件设计

文中设计的硬件设备主要包括电压探头、电流探头、分压器、数据采集卡、工控机及DTU模块，实现对电压电流信号的调理、隔离、采集及存储。动车组接触网一侧的电压经过电压互感器，采用电压探头连接电压互感器二次侧与100∶1分压器，最后将信号输入至数据采集卡。电流则经过电流互感器，采用电流探头连接电流互感器副边及采集系统。以上即得到适合数据采集卡的电压电流信号。同时为了精确、有效、合理地测量动车组电压电流信号，文中采用多功能型的PCIe数据采集卡，对信号进行信号放大、滤波、独立ADC转换及电气隔离等信号调理，具备2个模拟输入通道、-5～5 V的采集量程、14 bit分辨率、最大采样1 MS/s、高速传输的PCIe总线及DMA控制器，其中数据采集卡通过PCIe总线连接到工控机。采集卡硬件原理框图如图2所示。

图2 采集卡硬件原理图

1.2 软件设计

软件部分主要包括实时监测系统与线下分析系统，基于LabVIEW语言的易开发、操作及显示便捷等特点完成对系统软件部分的设计[8-11]，利用模块化及多线程编程思路实现数据的传输、显示、存储及分析等功能，其中通过采集卡厂商提供的接口函数(API函数)便可实现对采集卡的通道、采样频率、设备号等参数进行设置，数据分析处理主要包括波形显示、基本指标参量计算、谐波分析、频谱分析、数据库查询等部分，同时利用DTU模块实现远程控制及数据下载传输等功能，便于数据处理分析。其中数据存储包括电压电流数据原始数据存入主机硬盘，电能参数计算结果写入数据库，系统故障信息写入数据库。系统软件设计流程框图如图3所示。

图3 系统软件设计流程图

2 电能质量测试原理与软件设计

2.1 电压、电流有效值

电能质量参数中的基础评估指标之一是有效值。动车组供电电压有效值为27.5 kV，由于采集系统采集得到的电压电流信号均是离散信号，因此根据有效值的定义可得：

(1)

(2)

式中：URMS、IRMS为电压有效值、电流有效值；N为一个周期内的采样点数；Uk、Ik分别为电压、电流在第k个采样点处的采样值。

2.2 频率偏差和电压偏差

频率偏差是指动车组供电系统在正常运行情况下的实际频率测量值与标准频率值之差。文中采用的是过零点检测法，首先使用低通滤波器滤除产生多余零点的谐波、干扰、噪音等高频分量，结合系统的采样频率与相邻2个零点之间的采样点数便可计算出1/2周期内的频率，以此类推计算多个频率值的平均值即是信号频率，最后根据频率偏差的定义(式(3))即可计算出频率偏差。其中动车组是单相供电方式，其电压电流工作频率均是50 Hz。

f=f1-f2

(3)

式中f、f1、f2分别表示频率偏差、实际频率、额定频率。

电压偏差是指电压实际有效值与电压额定值之差，如式(4)所示：

U=U1-U2

(4)

式中U、U1、U2分别为电压偏差、电压实际有效值、电压额定值。

2.3 电压闪变

电压闪变是指电压有效值最大值与最小值之差与额定电压值的比值，如式(5)所示：

(5)

式中d、Umax、Umin、UN分别表示电压闪变、电压有效值中的最大值、最小值、额定电压值。

2.4 谐波分析

为了测量电压电流各次谐波的频率、幅值及总谐波含量THD，文中采用谐波失真模块计算谐波相关参数。其中谐波是指与工频成整数倍关系的频率分量(根据IEC相关标准及国际定义)。其中电压总谐波畸变率THD以及第h次电压谐波含量计算公式如式(6)、式(7)所示。

电压波形畸变总含量THD：

(6)

第h次电压谐波含量：

(7)

式中THD、HRh、U1、Uh分别表示电压波形畸变总含量、第h次谐波含量、基波电压(方均根值)、第h次谐波电压(方均根值)。

其谐波分析模块程序如图4所示。

图4 电压谐波分析程序

2.5 功率

电能质量参数中的评估指标还包括功率参数：有功功率、无功功率、功率因数及视在功率。功率相关计算公式如下：

有功功率为

(8)

式中：P、uk、ik、URMS、IRMS、θ分别表示有功功率、第k个采样点的瞬时电压、瞬时电流、电压有效值、电流有效值、电压与电流的相位差；N为一个周期内的采样点数。

视在功率为

S=URMSIRMS

(9)

式中S、URMS、IRMS分别为视在功率、电压有效值、电流有效值。

无功功率为

(10)

式中Q、S、P分别表示无功功率、视在功率及有功功率。

功率因数为

(11)

式中：cosθ表示功率因数；θ表示电压与电流相位差。

其功率计算模块程序如图5所示。

图5 功率计算模块程序

3 系统精度测试与现车测试

为了验证系统的精度及可靠性，文中对整个系统进行基于信号发生器的系统精度测试以及基于动车组的实际运行测试，电能质量监测分析系统主界面如图6所示。

图6 电能质量监测分析系统主界面

系统主界面主要包括系统参数设置、1 min实时波形显示、电能质量监测、数据库查询、远程通信等部分。其中实时波形界面显示电压电流波形、谐波含量分析、频谱分析。其中电能质量监测界面显示电能质量各个指标的测量值，主要有1 min电压电流有效值显示，计算功率、电压闪变、频率偏差、电压偏差等电能指标。

3.1 系统精度测试

文中采用信号发生器作为采集系统的信号输入源，通道1作为电压信号，参数为基波幅值220 V，3次谐波20 V，5次谐波5 V，相位为0°，通道2作为电流信号，参数为基波幅值220 V，3次谐波20 V，5次谐波5 V，相位为0°，分别接入数据采集卡输入通道，调整频率在50 Hz工频附近波动，观察并记录电能质量各个参数测试结果，最终测试结果如表1所示。

表1 基于信号发生器的基本参数测量结果

实验结果表明：系统测试得到电压或电流的有效值相对误差最大值为0.05 %；电压或电流频率相对误差最大值为0.04 %；电压或电流THD的相对误差最大值为0.09 %，因此可得电能质量参数计算结果误差均很小，可准确的获取谐波信息，系统精度较好，满足系统的指标需求。

3.2 系统现车测试

为了进一步验证系统的可靠性，文中设计的系统在某动车上进行挂车测试。由于动车组供电方式是单相交流供电方式，其标准有效值是27.5 kV，工作频率是50 Hz。动车组接触网一侧的电压经过电压互感器，采用电压探头连接电压互感器二次侧与100∶1分压器，最后将信号输入至数据采集卡。电流则经过电流互感器，采用电流探头连接电流互感器副边及采集系统。以上即得到适合数据采集卡的电压电流信号。现场测试接线如图7所示。

图7 现场测试接线图

根据电能质量分析系统计算电能质量各个指标结果，测试结果如表2所示。本次实验采集了某运行时段内30 min的实验数据，分析了6组数据。

表2 基于现车的基本参数测量结果

实验结果表明：采用文中设计的系统对动车组进行电能质量测量，其中供电电压偏差保持在2%左右，频率偏差保持在0.05%以内，电压THD最大值为0.517%，电流THD最大值为1.264%。而牵引网单相供电电压偏差限值为+7%～10%，电压总畸变率THD限值为5%[4]。因此，通过文中设计的系统所采集的实验数据分析得到，在该实验测试时间段内动车组供电电能质量良好，测量误差及测试范围均满足动车组应用需求及标准。

4 结束语

文中基于LabVIEW平台设计了一种动车组电能质量监测与分析系统，该系统能够测试多指标，计算处理速度较快，软件操作便捷，人机交互界面友好。通过系统精度验证测试与实际挂车测试结果表明，该系统能够满足监测需求、精度要求，具有较高的可靠性和稳定性，较好地满足了动车组电能质量监测分析的需求。