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作者：
Daniel Kaminský - ELCOM, a.s.
Petr Bilik - ELCOM, a.s.
Jiri Hula - ELCOM, a.s.
帶有電能質量監控功能的電能傳輸示意圖
"ENA電能質量分析儀係列可以根據最新的國際標準和/或客戶需要的任何額外功能，在短時間內很方便地進行修改或者擴展。 -丹尼爾•卡明斯基博士(Dr. Daniel Kaminsky)，Elcom公司主管 "
- Daniel Kaminský, ELCOM, a.s.
挑戰：
實shi現xian一yi個ge電dian能neng質zhi量liang分fen析xi儀yi，它ta包bao含han一yi套tao完wan整zheng的de儀yi器qi，能neng夠gou執zhi行xing所suo有you必bi要yao的de電dian能neng相xiang關guan的de測ce量liang，並bing且qie能neng夠gou在zai一yi個ge運yun行xing實shi時shi操cao作zuo係xi統tong的de小xiao型xing硬ying件jian係xi統tong上shang實shi現xian並bing行xing處chu理li。我wo們men還hai必bi須xu考kao慮lv係xi統tong的de可ke擴kuo展zhan性xing，以yi便bian在zai進jin行xing設she計ji測ce量liang和he數shu據ju處chu理li運yun算suan時shi符fu合he最zui新xin的deIEC和 EN標準。
解決方案：
利用COTS（商業現成可用）的工具，如NI CompactRIO，一款堅固而可擴展的硬件平台，以及NI LabVIEW圖形開發環境來開發電能質量分析儀，並使其遵守國際電能質量標準
電能質量測量很重要？
電dian能neng是shi一yi種zhong產chan品pin，和he任ren何he其qi他ta產chan品pin一yi樣yang，並bing且qie它ta或huo許xu是shi目mu前qian工gong商shang業ye所suo需xu要yao的de最zui必bi不bu可ke少shao的de原yuan材cai料liao。它ta的de不bu同tong尋xun常chang之zhi處chu在zai於yu它ta必bi須xu連lian續xu不bu斷duan被bei接jie收shou和he使shi用yong，人ren們men無wu法fa方fang便bian地di大da量liang儲chu存cun電dian能neng，並bing且qie在zai使shi用yong前qian無wu法fa方fang便bian地di對dui它ta進jin行xing質zhi量liang檢jian驗yan。若ruo電dian能neng質zhi量liang較jiao差cha，則ze有you可ke能neng對dui生sheng產chan線xian造zao成cheng重zhong大da損sun傷shang。因yin此ci，通tong過guo監jian測ce電dian能neng質zhi量liang，我wo們men就jiu能neng夠gou在zai係xi統tong遭zao到dao損sun傷shang，並bing導dao致zhi嚴yan重zhong的de財cai務wu損sun失shi之zhi前qian找zhao到dao潛qian在zai的de問wen題ti。此ci時shi進jin行xing預yu防fang工gong作zuo的de成cheng本ben相xiang對dui而er言yan是shi較jiao低di的de，並bing且qie工gong程cheng師shi可ke以yi進jin行xing一yi係xi列lie的de改gai善shan工gong作zuo，從cong優you化hua係xi統tong運yun行xing流liu程cheng到dao監jian測ce與yu控kong製zhi設she備bei的de整zheng體ti安an裝zhuang等deng。
什麼是需要測量的量？
典型的電能質量分析儀采集並分析電網中的三路電壓，並根據國際標準的規定計算電壓質量。電壓質量由以下參數進行定義：頻率、電壓電平變化、閃變、三相係統不平衡、諧波光譜、總(zong)諧(xie)波(bo)失(shi)真(zhen)和(he)信(xin)號(hao)電(dian)壓(ya)電(dian)平(ping)等(deng)。在(zai)某(mou)些(xie)情(qing)況(kuang)下(xia)，也(ye)需(xu)要(yao)將(jiang)電(dian)流(liu)信(xin)號(hao)和(he)電(dian)壓(ya)一(yi)起(qi)分(fen)析(xi)。這(zhe)樣(yang)就(jiu)可(ke)以(yi)分(fen)析(xi)電(dian)流(liu)相(xiang)關(guan)的(de)參(can)數(shu)，並(bing)能(neng)夠(gou)計(ji)算(suan)一(yi)些(xie)間(jian)接(jie)參(can)量(liang)，例(li)如(ru)有(you)功(gong)功(gong)率(lv)、無功功率、電能等。
我們的電能質量分析軟硬件包被命名為ENA（全稱：ELCOM網絡分析儀），是用於電能質量監測的綜合的模塊化係統，它符合現行國際標準和其他國際規定文件的規定。
選擇開發平台的注意事項
我們選擇在 NI CompactRIO平台上利用C係列模塊實現係統。與傳統的基於計算機的儀器相比較，它更加緊湊、堅固，並且尺寸更小（高 寬 深：88 180 90mm或3.4 7 3.5英寸）。它還具有更好的溫度規格（工作溫度範圍在-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係列產品還能夠為我們提供各種不同的尺寸規格，這對我們來說很重要，幫助我們快速適應不同客戶及不同應用的需要。 從豐富的C係列I/O模塊中，我們選擇了 NI 9225 300V功率測量模塊進行高電壓的測量。該模塊是為電網測量而設計的，能夠測量110V電網的相電壓和線電壓，以及240V電網的相電壓。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/秒的采樣率下實現同步采樣，能夠實現精確的三相功率測量以及電能質量測量，如：閃變、諧波和功率因數等。此外，我們還設計了特殊的電壓和電流模塊供選擇：EL9215U-R1和EL9215I-R1，它們都基於NI 9215模塊設計並內嵌了我們的信號調理電子元件。它們占用三個插槽，可以集成到CompactRIO機箱中使用。 由於需要開發易於使用並且具有可移植性和可擴展性的解決方案，所以我們選用了 NI LabVIEW作為軟件開發環境，用於開發ENA的各部分軟件。根據所選擇的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 電能質量分析儀。ENA 電能質量分析儀固件的最低要求是帶400MHz處理器的控製器和帶有2M現場可編程門陣列（Gate FPGA）的機箱。
基於CompactRIO的電能質量分析儀
我們在這裏展示的型號是ENA450，但是由於NI CompactRIO產品係列和係統的可擴展性以及LabVIEW代碼的可移植性，我們能夠將係統調節成不同的尺寸大小，以滿足各種不同的應用以及客戶的特殊需要。除基於完全靈活的NI CompactRIO 係統（ENA450.EC）以外，我們還創造了另外兩種整體解決方案，可以把應用程序部署至：
· 集成化的CompactRIO係統（ENA450.EB, ENA450.NB），其在同一個機箱內同時安裝了實時處理器和可重新配置現場可編程門陣列（FPGA）。
· 或者單板RIO（即Single-Board RIO）（ENA460）係統，其在單個印刷電路板上包含NI CompactRIO係統的三個核心部件-實時處理器、現場可編程門陣列（FPGA）和I/O 。
電能質量分析儀的性能由儀器硬件和軟件確定。ENA電能質量監測係統包含一係列的軟件應用程序，這些應用程序可以用於分析儀的遠程控製、已儲存數據分析及通過因特網發布電能質量數據。這種模化的理念可以實現所有客戶需求，並且使成本最小化。
測量能力
固件ENA-Node（參見圖庫）在基於CompactRIO的ENA450分析儀上直接運行並且提供各種測量服務，包括處理所有數據采集、計算和儲存。
固件ENA-Node包括一些並行運行的軟件模塊：
· FFT分析儀
· 矢量分析儀
· 電流監測器
· 閃變計
· EN50160電壓監視器
· 半周期RMS監視器
· 電壓發報和報警
· 數字輸入
所有上述固件模塊都適合於50Hz 和60Hz 電力係統。用戶可以通過儀器顯示器觀察數據並且把數據儲存在數據文件中。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等電能質量標準的規定。
軟件將會分析電網的三個電壓信號(最高可達300Vrms)和三路電流瞬時值，以便計算電網的各種變量：RMS值、頻率、諧波光譜、總諧波失真、閃變、三相係統不平衡、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。
可測量的變量列表
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電壓 |
電流 |
功率 |
電能 |
根據EN50160評估的電壓 |
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RMS （200毫秒和半周期） |
RMS （200毫秒和半周期） |
功率因數 |
有功電能合計 |
RMS |
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THD |
THD |
餘弦 |
基本有功電能(諧波1) |
THD |
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諧波(1-50) |
諧波 (1-50) |
有功功率合計 |
無功電能合計 |
諧波(1-25) |
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間諧波(0.5 – 49.5) |
間諧波(0.5 – 49.5) |
諧波有功功率(1-50) |
基本無功電能(諧波1) |
不平衡 |
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直流部分 |
直流部分 |
無功功率合計 |
視在能量合計 |
頻率 |
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不平衡 |
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諧波無功功率(1-50) |
正有功電能 |
信號電壓 |
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短時閃變Pst，長時閃變Plt |
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負有功電能 |
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視在功率合計 |
電感無功電能 |
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諧波視在功率（1-50） |
電容無功電能 |
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用於儀器控製、數據管理和報表的用戶界麵
易於使用的ENA-Touch用戶界麵是一個用於ENA測量服務的圖形用戶界麵。所有儀器控製、數據顯示和測量配置都通過ENA-Touch用戶界麵進行。為了顯示測量的數值，它可以容易、妥當地實現配置並顯示測量的數據。有兩種類型的可視化麵板：一些麵板在表格中顯示固定數值，一些麵板能夠支持多種顯示數據的方法（如表格、頻域圖表、圖表、矢量圖表及電能質量的統計結果）以便顯示用戶自定義的數值。ENA-Touch用戶界麵對於控製進行了優化，能夠使用觸摸屏進行顯示，並且也可以在分辨率為800x480的超級移動PC上使用。ENA-Touch可以通過因特網TCP/IP協議遠程控製ENA-Node。同(tong)時(shi)由(you)於(yu)顯(xian)示(shi)了(le)所(suo)有(you)的(de)聯(lian)機(ji)數(shu)據(ju)，係(xi)統(tong)也(ye)允(yun)許(xu)儲(chu)存(cun)數(shu)據(ju)以(yi)進(jin)行(xing)離(li)線(xian)分(fen)析(xi)。計(ji)算(suan)後(hou)的(de)變(bian)量(liang)可(ke)及(ji)時(shi)地(di)進(jin)行(xing)累(lei)計(ji)並(bing)且(qie)一(yi)些(xie)數(shu)據(ju)在(zai)儲(chu)存(cun)之(zhi)前(qian)就(jiu)經(jing)過(guo)了(le)統(tong)計(ji)評(ping)估(gu)。數(shu)據(ju)根(gen)據(ju)一(yi)個(ge)規(gui)定(ding)的(de)時(shi)間(jian)間(jian)隔(ge)定(ding)期(qi)儲(chu)存(cun)，另(ling)有(you)一(yi)些(xie)基(ji)於(yu)事(shi)件(jian)的(de)數(shu)據(ju)僅(jin)在(zai)事(shi)件(jian)發(fa)生(sheng)時(shi)進(jin)行(xing)儲(chu)存(cun)。
利用ENA-Report可以很方便地地對儲存的數據進行離線分析，並生成報告。
利用ENA進行分布式電能質量監測
利用一些ENA450分析儀可以構造分布式監測係統。分布式係統中的數據可以複製到MS-SQL或者ORACLE數據庫，以便進行集中儲存和離線分析。
結論
這一電能質量監測係統的主要優勢在於性能高，靈活性好並且尺寸小。通過使用具有內置信號調理功能的C係列模塊，可以實現強大的、yonghurongyizhangwodejiejuefangan，keyizaihendachengdushangjianhuaruanjianweihuhejinyibukaifa，erbuhuiduidangqiandexitongchanshengyingxiang。ruoxianyoudediannengzhiliangjiancebiaozhunyoulerenhegengxinhuozhexiugai，diannengzhiliangjianceyidetexingkeyikuaisugengxinbingqiejingenzuixinbiaozhun。youyugaijiejuefanganjuyoukaifangxing，suoyixianyouxitongnenggouhenrongyiyuqitaxitongjiehe，tongxinxieyikeyigenjukehuxuqiujinxingtiaozhenghuozhejichengdaoyonghuxianyoudeSCADA係統中。開放式硬件架構允許用戶添加新的DIO用於監測和控製，或者添加通信模塊實現GPS 或者GSM無線通信。
NI CompactRIO and NI LabVIEW的靈活性還使我們得以在數周時間內實現完整的PMU（相位測量單元）分析儀。它允許根據IEEE C37.118-2005標準對同步相量進行精確評估。目前我們正試圖將PMU分析儀功能結合到電能質量分析儀ENA450中，以成為一個單獨的儀器。
Author Information:
Daniel Kaminský
ELCOM, a.s.
Division of Virtual Instrumentation, Technologická 374/6
Ostrava - Pustkovec 708 00
Czech Republic
Tel: +420 558 279 913
Fax: +420 558 279 901
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