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

北極星智能電網(wǎng)在線訊: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):實現(xiàn)一個電能質(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)的測量，并且能夠在一個運行實時操作系統(tǒng)的小型硬件系統(tǒng)上實現(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)計測量和數(shù)據(jù)處理運算時符合最新的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，一款堅固而可擴(kuò)展的硬件平臺，以及NI LabVIEW圖形開發(fā)環(huán)境來開發(fā)電能質(zhì)量分析儀，并使其遵守國際電能質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)"ENA電能質(zhì)量分析儀系列可以根據(jù)最新的國際標(biāo)準(zhǔn)和/或客戶需要的任何額外功能，在短時間內(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。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。此時進(jìn)行預(yù)防工作的成本相對而言是較低的，并且工程師可以進(jìn)行一系列的改善工作，從優(yōu)化系統(tǒng)運行流程到監(jiān)測與控制設(shè)備的整體安裝等。什么是需要測量的量?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)國際標(biāo)準(zhǔn)的規(guī)定計算電壓質(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、總諧波失真和信號電壓電平等。在某些情況下，也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)，并能夠計算一些間接參量，例如有功功率、無功功率、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：ELCOM網(wǎng)絡(luò)分析儀)，是用于電能質(zhì)量監(jiān)測的綜合的模塊化系統(tǒng)，它符合現(xiàn)行國際標(biāo)準(zhǔn)和其他國際規(guī)定文件的規(guī)定。選擇開發(fā)平臺的注意事項我們選擇在NI CompactRIO平臺上利用C系列模塊實現(xiàn)系統(tǒng)。與傳統(tǒng)的基于計算機(jī)的儀器相比較，它更加緊湊、堅固，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)品還能夠為我們提供各種不同的尺寸規(guī)格，這對我們來說很重要，幫助我們快速適應(yīng)不同客戶及不同應(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功率測量模塊進(jìn)行高電壓的測量。該模塊是為電網(wǎng)測量而設(shè)計的，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NI 9227。NI 9225和NI 9227能夠在50k采樣點/秒的采樣率下實現(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，如：閃變、諧波和功率因數(shù)等。此外，我們還設(shè)計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。由于需要開發(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作為軟件開發(fā)環(huán)境，用于開發(fā)ENA的各部分軟件。根據(jù)所選擇的CompactRIO型號不同以及所選擇的輸入模塊的不同，有幾種不同型號的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)場可編程門陣列(Gate FPGA)的機(jī)箱。基于CompactRIO的電能質(zhì)量分析儀我們在這里展示的型號是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，以滿足各種不同的應(yīng)用以及客戶的特殊需要。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)，其在同一個機(jī)箱內(nèi)同時安裝了實時處理器和可重新配置現(xiàn)場可編程門陣列(FPGA)�！� 或者單板RIO(即Single-Board RIO)(ENA460)系統(tǒng)，其在單個印刷電路板上包含NI CompactRIO系統(tǒng)的三個核心部件-實時處理器、現(xiàn)場可編程門陣列(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)。這種模化的理念可以實現(xiàn)所有客戶需求，并且使成本最小化。測量能力固件ENA-Node(參見圖庫)在基于CompactRIO的ENA450分析儀上直接運行并且提供各種測量服務(wù)，包括處理所有數(shù)據(jù)采集、計算和儲存。固件ENA-Node包括一些并行運行的軟件模塊：· FFT分析儀· 矢量分析儀· 電流監(jiān)測器· 閃變計· 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)字輸入所有上述固件模塊都適合于50Hz 和60Hz 電力系統(tǒng)。用戶可以通過儀器顯示器觀察數(shù)據(jù)并且把數(shù)據(jù)儲存在數(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。采樣率與被測量信號的頻率同步。實施的算法符合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。通過使用NI 9227電流模塊或者通過電流鉗連接到ELCOM EL9215I-R1電流模塊，可以直接測量電流變送器(1A/5A)輸出的電流。圖2 ENA450接線圖–如何連接到輸電線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