达州电力设计院电力参数测试系统的设计与实现

要 电能质量的评定，比较重要的依据是根据电力参数的 检测，这也是我们国家各种类型电力系统经济高效、安全稳定运 行的前提与根本。传统的电力参数检测系统，主要具有硬件为基础，系统体积较 大、功能较为单一、成本较高，在调试时十分复杂，使用时熟悉的时间也较长等 不足。同时，传统的电力参数检测系统在更改、升级时都涉及系统结构和硬件电 路的改动，无法及时匹配升级，这些都与现代仪器技术的发展方向不相吻合。电力参数检测技术和软件技术的不断发展，要求我们能够开发出与电力系统改造升级相匹配的检测系统。 本文在参照电力参数检测技术不断发展的基础上，针 对传统电力参数测试系统存在的诸多问题，开发了一种能够准确 测量功率、功率因数、频率、相位、电压、电流、电压偏差、频率偏差等电力参 数的新型电力参数测试系统。该系统具有电能质量及时分析、记录计算测量结果 、显示电力参数的功能，同时系统功能可以由用户自己定义，具有十分现实的意 义。因为该系统主要硬件采用了美国国家仪器公司的数据采集卡，主要程序运用了 件开发平台，在这些的基础上，该系统能够非常准确无误、在线方 便、迅速快捷地测试各项电力参数，同时在远程监测功能方面也有实现，非常适 用于个人运用、企业用来对电力参数的有效检测。 本文详细阐述了电力参数测试系统的工作原理及基础 构成，对系统功能与主要技术指标作了一一介绍，对总体设计的方案 进行了确定，对系统的开发平台件进行了介绍，对系统的理论分析、可行性分析、程序的设计和测试结果的显示进行了论述和完成，同时着重 论述了系统的虚拟仪器软件设计方法。未来仪器系统的发展方向是通过软件实现 并优化硬件功能，所以这也是本文研究的另一个侧重点。文中对系统的需求分析 进行了阐述，完整设计和实现了整个系统，并对其进行了测试，现已良好运行。 最后对在实际运行中系统存在的一些问题和不足进行了归纳总结，对系统的改进 加以分析并提出思考，同时指出系统的下一步研究工作设想，对未来的系统发展进行了展望。 关键词： 据采集，电力参数，虚拟仪器 of is is of on a to be to do of of of us to a to In on a to of of to of be by a is of of so is in of of by to of on of on is so of is of in of in 录 第一章 绪 论 . 1 统开发背景 . 1 内外研究现状 . 1 决的主要问题 . 3 力主要参数 . 3 力参数监测的意义 . 6 见电力参数检测 . 6 目研究目的及本文主要工作 . 9 第二章 系统的技术支持 .拟仪器的基本介绍 .功能特点 . 17 介 . 17 功能特点 . 17 、 B、 C 三相电压及电压偏差 . 42 据同步与存储结构 . 46 据存储 . 47 据打印 . 47 第五章 电力参数测试系统的实现 . 50 统的模块功能 . 50 位与功率因数测量 . 50 A、 B、 C、 N 四线电流显示 . 52 相功率测量 . 53 率测量与谱分析 . 55 波失真测量 . 57 统运行效果 . 59 第六章 电力参数测试系统的测试 . 62 统测试作用 . 62 统测试方法 . 63 能模块测试 . 64 统压力测试 . 66 统测试结果 . 66 第七章 总结与展望 . 67 致 谢 . 70 参考文献 . 71 1第一章 绪 论 统开发背景 中国经济发展的迅速是世界都叹为观止的，在如此巨 大的发展潜力下，国家的各种需求也在不断地提升，电力就是发 展的重要基本元素之一。但是在基础的电力建设中，产生的一系列的问题，也是 国家面临的问题之一。在电力的扩大和电力负荷的不断攀升中，我国的电力建设 就成为了党务之急，解决在电力产生、传输、设备中的种种问题。在电力的产生 中，如何才能让高质量的电力产生？如何才能让电力高质量？如何才能让电力传 输保质？都是电力建设中的种种问题。而电力设备的损耗也是相当巨大的。现代 电力不仅要对中国的各个企业，各个机关，各个工厂进行电力传输，在居民的使用中也存在着巨大的负担。在此过程中，电力的冲击性检验着中国电网的建设质量 ，非线性负荷也对中国电力提出了新的挑战1。在电网的不断使用中，伴随时间的推移必定产生波形的畸变，对其必须进行检测和控制。以便能够在正确的时间内进行更改和调整。其伴随着的电压波动、闪变、以及三相平衡的问题，都是电力检 测所面对的问题。而电力变压器也存在着出现故障的风险。因此，在此种状况下 进行电力检测系统的开发就是十分必要的问题。在电力技术人员的指导下，开发 设计出精确的检测设备软件。在电力检测中成为了保障电力传输、人员安全的必不可少的现代设备。 内外研究现状 在电力参数的发展历程中，电力参数检测也是一步一 步从电力的人工管理逐渐深化到系统管理，最后到计算机管理的 发展历程。在电力参数的模拟检测发展中，以微电流代替高电流，以放大的方式 进行电力的评估和计算，得到的数据也是十分粗超的，产生了许多不必要的误差2。在电力参数的数字化检验过程中，以微观的电流粒子数进行统计计量，但是由 于庞大的粒子流量给检测管理的设备带来了极大地负荷，并且对检测的数据也无 法精确，但比起前一个时期，已经是时 2代化的进步。在电里参数的计算机时代， 其计算方式还是沿用了粒子流量的监控方式，但是在此方式下，计算机的运行效 率略胜一筹，从而得到了精确的数据参数。是电力界十分有力的革新。 在旧式的电力参数测试仪中，电力参数的检测往往是 固定的，不可更改的，在系统安装之前必须对电力的传输有一个 固定的了解，在安装之后就无法对电力的各个参数进行大的改动，其局限性由可 而知。无法根据其发展和技术方式的革新进行系统变更，在系统的限定下，该方 式无非是一种一次性用品，给发展带来了十分强烈的限制，跟不上时代的脚步。伴随电力要求的不断攀升，经济的发展，电力的发展也必须更加完善，所以发展有 效的电力设备，电力参数自动测试系统就是当务之急，是每个国家的根本。 新时代的电力参数自动测试系统不仅要求在功能上有 更加强大，而且在使用范围上也要求更加广泛，风力、水力、火 力、核电都是新发展的时代要求。可靠地数据采集、完善的后备处理模式、人性 化的提醒方式、紧急预案、系统检测周期、对电流检测、电压检测、硬件检测、 相位采集、三相平衡、功率计算、频率偏差计算等等都是电力参数自动化测试系统的要求范围3。 并且对各种电力设备的功能性外接接口，接口模式，接口管理，也必须不断地深化。 在各个国家的基础建设中，电力是放在第一位的。有 了电力才能发展各个行业，才能满足人们生活的需要。在各发达 国家中，电力设施是国家重点管理的对象4。 其自动测试仪器也是放在科技发展的前列。 在瑞士有以生产电力设备的 美国有电力软件的开发公司 能管理设备公司 司，意大利和英国的电力参数自动测试公司也是不胜枚举5。 其在电力检测这个行业给我们做出了引导，我国不会沿用各国的电 力开发设备和软件，在国内，也成立了许多针对电力检测的公司。他们在技术上 采用的是吸取外国先进技术，实施上采取因地制宜的方式进行施工，使我国的电 力检测行业得以蓬勃发展。其带来的巨大经济利益和发展空间，也使得国内的投 资人士热忱不已。在北京航天华辉自动化技术有限公司，就吸取了广大的业界知 名人士进行专业的软件开发。安徽的振兴科技发展有限公司也致力于打造完美的硬件设施，追求功耗少，适用范围广6。在硬件的零件部分，西安测控仪表厂就成 为了我国仪表界的行业先锋，一切的状态看来，我国的电力设备、电力管理设施 、电力软件都是在蓬勃发展之中。在这样的国内行情中，也使得国内技术的竞争越加强烈。 决的主要问题 本系统的主要作用是利用电力参数进行系统监测，以 保障系统和电力设备在日常的使用中，能够正常的工作，解决原 始的系统监测错误、检验疏漏、减少电力工作者的工作任务、对系统进行集成化管理等。 在本文中，其运行主要取决于形成软件，有着 成本低，灵活性高，功能齐全等特点。这种集诸多优点于一身的运行特 点，克服了传统仪器的缺陷。本文的系统方案可以测量多项电力参数以及支持远 程通信能力，它是一个新型的智能测试系统测试系统，通过了良好的准确性和实 时仿真和设计的实践。该系统的主要研究成果已成功通过佛罗里达州的电力科学 研究院的科技成果测定，具有重大的经济价值。 少量的硬件，完成了远程信息处理技术的检测和虚拟功耗多参数分析，反映出智能仪器的现代化，便捷化等开发趋势。 且结构简单，在后期的操作中有着很大的便利性。 力主要参数 在电力参数的重要指标中，频率和电压是重中之重。 频率是对波形的检测，达到可以对电压产生是否正常，传输是否损耗严重的检测指标7。而电压则是保证电压的供应状况是否合理的问题。其他的 重要参数包括：波形畸变、电压峰值、电压高低峰、三相对称性等参数等多项指标。 1. 频率 频率是指产生的交流电在一秒钟内产生的正弦参数变化的次数8。 在交流电的产生后，会对频率进行一次捕捉。在捕捉 后进行相关的计算，从而得出该交流电的频率。在此过程中，对电力的捕捉是一 个时间段之内，所以要求该电力的频率是一个相对稳定的阶段，才能达到一个准确，稳定的频率值。 （ 1） 标称频率 交流电力系统的标称频率 ( 50 60种， 我国交流电网采用的是 50 。 （ 2） 频率偏差 4产生频率偏差是不可避免的事件，在此过程中，计算 出频率偏差的有效值就是该系统的重要过程，其系统计算的计算公式如下：频率偏差定义为 频率偏差（ %） = %100标称频率标称频率实际频率(1在产生的频率偏差中，如果偏差范围过大，则进行系 统提示，如果未超过系统设定范围，则跳过操作。 2. 电压偏差 电压偏差是指输入电压在与系统设定产生差异时，系 统进行真值与差值的计算公式，其分差值为： %100% 额定电压额定电压实测电压）电压偏差（(1电压偏差是对电压进行检测判定的重要数据，在检测 时根据数值的大小进行相对的设定和更正。 3. 波形畸变率 在电力设备工作和运转时，根据实际电压的输送大小 ，会对电力设备产生大小不一的功能性缝合和非线性负担10。使电网的波形图产生畸形和变化，产生不必要的高次谐波。其调整高次谐波的范围 也是有一定限度的，根据高次的波形进行相应的更正，这就是波形畸变率最重要的作用。 （ 1） 谐波含有率 (其谐波含有率（ 计算公式如下，其中 %100100%(1（ 2） 总谐波畸变率 (是对总波的检测计算，在谐波的有关设置中，对其数 值的监控，从而了解整个运输传送的畸变，其计算公式如下式 (1电压与电流的谐波 总量的百分比，式 (1谐波总量与基波分量的有效值只比： 5%100%10022 (1%100%10022 (14. 电压波动与闪变 电压波动是记录电压变迁频率快慢的重要工具11，是在检测一系列由于电压变迁而造成的电压改变。其变迁率计算公式如下： %(1在此公式中， 示的电压均方根值的最大值， （由电脑检测测出） 电脑检测测出） 。 根据人的生物特性，在闪变的变化范围中，规定其闪变得范围和额定的功率不能变化过大12。避免人的主观感受有所不适，生物时钟变得紊乱。表 1出了国家电压波动的允许值的范围。 表 1电压波动最大值 额定电压（ 电压波动最大值V10 及以下（ 5 20 及以上（ 此范围内，能正常的帮助人们生产、生活的需要。 5. 三相对称性 三相对称是在产生交流电压时，针对三相系统的固定 模式产生出来的相对稳定的电流13。而三相电流在在某些条件下，可能出现的发生碰撞、或是在电流限额超出的情况下发生的事故下，系统能自 动对三相电压进行调整，达到三相对称的目的，进而保护整个系统的硬件设施。 而三相对称性的不平衡性将会引起硬件的损毁和电压的错误输出14。 力参数监测的意义 伴随各行各业技术革新的发展，测试行业在此潮流中 开始蓬勃发展。由于各地环境因素、外在条件的限制，各地的电 力参数自动检测也是不尽相同。在此情况下，不乏一些劣质的管理系统、管理软 件、管理方式。所以，在设计达州电力参数自动检测系统的开发中，注重实际功 效、软件质量就是首要考虑的因素。本文在建设自动化参数的设施中，归入了电 子技术、信息管理技术、以及智能管理模式，务求高效、功能完善的智能化管理 系统。在达州电力建设的实际意义中，是关系到民生、经济的重要问题，所以在 开发的时间段内必须考虑到各个层面有可能接触到的问题，做好扎实的准备工作 ，分配好各个协作部门的任务，认清开发的重要先进性15。做好各个部门的艰苦奋战的思想工 作，为整个开发直到成型的过程做好铺垫。 在设计层面的意义：本系统开发采用了现在开发设计中比较成熟的开发软件，在软件开发中，如果遇到什么问题，能够 及时的进行修正和完善。在技术上运用了虚拟仪器、图形界面、硬件信号采集、 信号转化、波频转换、混频、等先进的信号采集、信号处理、信息传输、信息回 馈等。是把先进的管理理念设计在实际的电力自动检测系统中，是更加完善的信息自动化管理工作16，为达州的电力建设，提供了有效的帮助，推动了达州现代建设的步伐、促进了经济的发展。 达州电力自动检测系统是十分具有应用价值的管理软 件，能够减少人力管理的繁琐，减少不必要的硬件设施。在系统 的管理中，软件的自动化管理为主要形式，以人为的管理为辅助，进行相应的调 节，不仅减少了电力公司的工作量，而且能够更加完善、全面的对电力设施进行管理。 见电力参数检测 1. 失真度测量仪 在电力自动检测系统中，失真度的检测是十分重要的数据，它用于检验电压或电流波形畸变程度17。在系统的检测过程中，首先从数据采集设备中提取电路 i， 在经过高通和基波的分开检测之后， 到达相应转换器中进行转换，最后到达 备，最后在 命令提示中进行指示操作。在由失真计算公式计算出相应的失真度。原理框图见图 1示18。 7图 1真度失真测量流程图 其失真公式计算如下 : 2/11222)/(系统记录失真度之后，传输进入检测系统，系统针对 其预定值进行相应的计算和分析，如果失真度过高，在管理系统 中也进行了相应的调整。完善出最终数据，达到检测的效果。 2. 频谱分析仪 系统测试的重要部分就是对频谱进行分析，在频谱分 析的过程中，首先经过波形转化器，把对应的电流频率转化成波 形图，在进行了频谱分析，频谱分析的过程是首先进行波形采集，信号转化，在 传输至滤波器放大器进行信号处理，在通过混频器进行频率叠加，叠加的信号进 行中放，得到的信号波传输至检测器，最后由波频显示器显示。在工作原理中， 锯齿波发生器每发生一次频率，就进行了一次波频叠加，其叠加混频的次数控制在一定范围之内19。其工作原理图如图1示。 8图 1谱分析流程图 3. 谐波分析仪 谐波分析是测量波形幅值和相位的重要工具20。在谐波分析的过程中，由 T 进行波形输入，经过放大采样，传输至 A/D 开关，经过光隔和微处理器的处理，进行相关的记录和显示。其工作流程图如图 1示。 图 1波分析仪分析流程图 94. 常见检测系统 （ 1）单片机检测系统： 单片机的系统检测是单机片为主的检测模式，在该模 式下，单片机对电压进行数据读写，完成对应的功能测试21。 （ 2）数字式不平衡度测试仪 经过数据的采集和不完整的数据分析进行单一或是不 完全的功能测试，在系统的外围电路中进行，其同步性和自动选相性 为佳，但是功能仍旧不太完善22，需要在进一步完善。 由此可见，现代电力自动测试仍未形成一个尚且完善 的综合体，本文的研究符合现代仪器的综合检验，拥有广阔的发展前景。 目研究目的及本文主要工作 在达州电力建设的基础工作中，能够为其管理系统提供优良的自动检测系统，是本文的研究目的。本系统采用的是多信 息化采集通道，其自动参数的测试性能是集合的智能管理系统，对数据进行定时 采集和实时监控的管理设备，在数据的采样工作中，能够对电流大小、电压高低 、电功率、电流波形、相位、频率等进行采集，从而达到高质量高水平的智能化管理系统。 本文通过对现有的电力检测系统进行功能分析后，结 合达州电力建设的实际需要，构建了一种以新型的电力参数自动 测试系统，该系统将克服传统系统中的单一问题，并且加入智能管理模式。在人 力资源最小化的模式下进行管理，追求最大化的功能。在先进的技术手段下，对 电力设施的监控和远程管理，达到节约成本的功效。 本文共分 7 部分： 第一章为绪论，介绍了系统开发的开发背景和市场前 景，发展趋势。指出国内外自动测试的现状，并介绍了开发的意义和研究目的。 第二章为电力参数自动测试系统的技术支持，介绍了 系统开发运用的开发平台、开发工具和数据库。 第三章为系统需求分析，主要分析系统的需求问题和可行性。 第四章为系统虚拟化方法与软件设计，详细介绍了系 统的虚拟办法和详细设计方案，并介绍了各个模块的功能原理和代码，给出程序流程。 10第五章为系统的实现，对系统的各个功能模块作了详 细的实现，同时展示了系统的运行效果。 第六章为系统的测试，对系统进行简单测试，介绍了 系统运行的状况和测试结果。 第七章为总结与展望，指出本文的主要内容与创新点，阐述系统的开发成效、探讨虚拟仪器的发展方向，对在实际运行 中本系统的不足之处进行总结，以及下一步需要改进和创新的地方。 11第二章 系统的技术支持 在高新科技不断发展的时代，网络技术与计算机的不 断升级，使得电子行业也蓬勃发展，在这些发展之中，虚拟仪器 的发展尤为突出，在测量中取得了十分重要的地位23。其取代了传统的繁杂的硬件设备，使得 在各行各业中的到了广泛的认可。大大减少了电力构建的成本，成 为新时代构建信息采集，智能管理系统的新支柱。 拟仪器的基本介绍 所谓虚拟仪器，就是在一种具有针对性的软件的管理 下，集成各个有不同功能的硬件设备而形成的统一体。在此技术 中，软件是具有高质量、高灵活度的特点，硬件则要求是在某一条件下必要的硬 件被测设施，能够对系统进行信息采集和信息传递的直接设备24。在计算机的管理中，灵活的运用管理软件，进而达到控制整个硬件设备的效果。在开发系统的 开发时，开发者可自定义开发需要的功能，开发模式、开发技术、开发效果、信息采集模式、输入模式、信息处理模式、输出模式等。充分的运用了开发技巧的灵 活性，把对应的操作由电脑进行分配，在图形界面模式中进行显示，从而能够更 好的进行各种电力设备的管理和运转。其主要的优点有以下三点： 1. 高灵活性的软件 在虚拟仪器中，软件作为综合各个硬件的管理者，必 须拥有高度的灵活性。其能够控制各个硬件设备的正常工作。因 此，软件就成为了开发的重点，各个算法设计、各个信息的处理，限定范围等都 需要系统的了解，最后才能了解到整个系统的功能需要。在充分了解了系统的功 能后进行系统功能分析，分析出各个模块和功能需要。在设计阶段，根据各个硬 件设施的特性，进行相应的代码开发，实现对应的功能。在软件开发的过程中， 要优化各个部分的算法，能够有效的进行计算和最简化。另外，在开发时注重人 机交互的信息管理、设计交互办法、输入输出方式、其开发设计的原理，都是以 实际的工作界面为目的，达到最后的傻瓜式操作。在系统软件开发完成之后必须 对系统的功能进行相关的测试，达到需 12求才能使用。并且在后期的软件维护中， 还应该考虑到系统的功能增加、硬件增加等。这些看是复杂的开发过程就成为了 软件灵活性的最基本的需要。为软件的多功能、多样化、易于管理提供了有效的帮助25。并且，现代开发中实现的智能化管理能够控制各个相关模块，达到统一智能化的管理。 2. I/O 硬件日益完善 在 司的全球化发展中，测量技术及 I/O 设备一直是其开发的重点。在过去的几年中，输入输出设备已经发展的十分完善，在 394 总线或 得了十分重要的地位26。在其提供的硬件中，能够使用三种以上输入设备的成熟市场产品就上万种 。从重工业到小型企业，几乎每个大大小小的公司都是其产品的受益者。在各类 的测控仪器、运动设备、监控设备、信号采集等方面，有了突出的贡献。在输出方面，模拟出真实的画面，不管是静态、动态都能够很好的呈现给用户。伴随着 司的发展壮大，中国的市场也越来越巨大，在此契机下，运用好这项技术也是 对我国的现在化建设作出一点力所能及的贡献。 3. 成开发平台 为专业的测试设计平台，在各个市场上已经取得了显著的成效，从美国发展到中国之后，也引起了测试平台中国 市场份额的变动，市场上能够接触到的测试行业龙头就非 属27。它具有测试的开放式构架、灵活的 作、广泛的使用方式、支持各种数字化和接口输入，赢得了中国市场的人心。 台中，采用不了高端的定时装置和数据收集、传输、发放设备。其高效性是市面上的同类产品无法比拟的。在其 模块化构建输入输出设备时，可以按照自己的需要进行筛选和删除，也可按照实 际需要进行自定义，编写代码实现特殊功能。在此平台上能够很好独立的展示出各个开发效果28。 (1) 反应速率快 由于基于 术的应用， 使虚拟仪器自动检测系统能够快速的对磁盘内容进行读写操作，进而对计算的效率有了很大提升。另外， 统对功能和全面性也在虚拟仪器中得到了应用，多程序的共同 操作、同时运算、精确快速使得虚拟仪器的使用范围大大增加29。并且，基于 术的发展仍就是个飞跃期，相信在不久的将来，反应速率用微秒计算的、 128 位的计算机业将逐步普及，最终服务到社会的各个行业30。 (2) 扩展性强 虚拟仪器是由软件和硬件设备组成的。所以虚拟仪器 的扩展性就变得十分突 13出。能够在保持硬件的基础上进行软件开 发，进而升级整个系统，提高系统的反应效率。也能够在保证软件的情况下，添 加硬件设备和接口，达到系统的强化和完善。在这个集成的过程中，能够适应时 代的发展，做到与时俱进的功效，成为现在软件行业发展必备的因素之一31。 (3) 易于开发 由于该平台上提供的虚拟仪器技术开发中，提供了多 个软件包，易于软件的开发和设计。能够快速的定义各个函数， 并提供模块函数，该模块函数能够进行再次编辑，即自定义函数。其能够让开发 工作者方便快捷的使用各种类型的函数调用。为而且其模块化开发在其完成时， 可自定义一个标签，方便日后进行维护和改正32。 (4) 集成的多样方式 在虚拟仪器的技术革新中，集成的方式是多种多样的 。各个接口的融洽，形成了广泛的使用空间。在传统的集成方式 中，一个硬件的接口是很难做成，以及配对的，形成了功能上的大障碍，而且在 此集成中，花费的人力物力是相当巨大的。虚拟仪器的开发设计在此基础上，结合 司的产品进行了整合，使得在接口方面进行了大的改进，能够快速的进行 接口的配对和完善。是时代发展的必然趋势33。 同时，虚拟仪器还有以下特点： (1) 义 在虚拟仪器的操作中，虚拟仪器的功能是将各个系统 的硬件集中到一个固定的平台中，能够有效的对各个系统 的硬件进行集中操作的统一体34。其图形界面的强大是十分明显的，能够虚拟出各式硬 件的工作状态，根据各个硬件设备的变化而进行相应的图形界面改变。在数据采 集方面，数据通过硬件的运转信息，由外部接口进行信号处理，传输至管理系统 ，系统经过一系列的分析和判定认定该数据是否合法，或者超出限定，进而控制 整个系统的正常运行。在此基础上，开发的应用程序能够测量出很多现有硬件的 功能管理，而且对系统的二次开发或者是增加外接设备有良好的保障。在众多的工业和现代化科技建设中， 术的广泛使用，足以证明现代 术已经成为软件行业的中流砥柱，是软硬件沟通的桥梁35。 (2) 成 14虚拟仪器是由计算机管理系统和各类的硬件组成，在功能上，应用各类的开发工具，能够指定各代码具有独特管理的功能，实现系统的虚拟化管理36，进而控制整个硬件的工作步骤。虚拟仪器系统构成如图 2示。 图 2拟仪器体系结构 (3)传统仪器的比较 器由于是由计算机管理系统进行操作，所以在功能