苑春刚
摘 要：针对电气化铁路牵引供电系统电能质量监测日益迫切的需求，本文介绍了一种牵引变电所电能质量监测系统的软硬件结构。以LabVIEW为核心平台，采用电压及电流互感器和传感器、数据采集卡及工控机等硬件设备，开发维护费用低，性价比高，扩展性强，能够实现多路同步信号采集。
关键词：牵引变电所 电能质量 LabVIEW 实时监测
中图分类号：TM714 文献标识码：A 文章编号：1674-098X（2017）09（b）-0001-02
随着我国高速铁路客运专线的大力发展，大容量牵引负荷对电力系统产生了很大的负序和谐波，往往造成严重的电能质量问题，不但影响供电系统的安全运行，还对自身用电过程造成直接或间接的危害。当前，实时性、可靠性、连续性已经成为对牵引供电的基本要求，为了实现综合治理电能质量，必须实现对牵变电所电能质量进行在线分析与实时监测，能够在第一时间发现电能质量存在的缺陷，对整体或局部电能质量进行评判，从而采取针对性的治理措施，保障整个供电系统的安全稳定运行。
传统的电能质量测量装置功能以硬件为核心，比较单一，扩展性和灵活性较差，已经逐渐无法满足日益复杂的对牵引供电系统实时性、多参数同步测试的要求。而且其一般由单一功能仪器组成，每套仪器仅仅完成有限的功能，如功率测量仪器，主要用于有功功率、无功功率、功率因数测量和电能计量，要想知道谐波含量，还需要安装谐波测量和分析装置。其实测到的电压电流信号既是计算功率参数的依据，也是计算谐波含量的依据，这就造成测量效率的低下和成本、体积较大，自动化程度低，而数据也难以得到进一步挖掘。
因此，本项目研制了一种新型的电能质量参数在线监测系统，能够有效地对牵引变电所的电能质量参数进行实时不间断监测。项目结合当前计算机、通信以及测试测量等技术领域的最新进展和先进技术，将系统的核心从硬件转向软件，利用计算机虚拟仪器技术，在微机采集系统的基础上建立起电能质量参数测量系统。
1 技术方案及硬件设计
系统的总体设计方案如图1所示，整个测量功能包括以下环节。
1.1 测量信号的获取
基于对牵引供电系统电能质量监测的整体性的要求，需要获取牵引变电所内各关键位置的电压电流信号，总计16路测量信号。包括高压进线三相电压和电流共6路；牵引母线电压2路；以及若干路牵引馈线电流，考虑到复线铁路牵引馈出线一般为4路，如果是AT供电方式，接触线T和正馈线F的电流都需要测量，这就需要8路。
由于所测信号为高电压、大电流，无法直接输入测量系统，因此测量电压、电流取自牽引变电所电压互感器（PT）和电流互感器（CT），分别将高电压和大电流转换成100V电压和5A电流，由测量电路进行调理。由于目前牵引变电所使用的互感器多为电磁式铁心结构，由于磁滞和饱和的影响，对于高精密度的电能质量参数测量计算会带来不利影响，但对大多数参数测量的影响在可接受的范围内，随着互感器更多地更换为电子式，这种影响也会越来越小。
1.2 电压电流变换
互感器输出的电压电流信号对于数据采集卡而言仍然较大，需要变换后才能输入。结合采集卡的量程（0～10V），电压变换将100V的压互电压信号变换成5V电压，电流变换将5A的流互电流信号变换成5V电压，既能充分利用采集卡的量程，又能适应不同运行方式带来的影响。
电压信号经兵字DVDI互感器变换为5V左右的电压；电流信号获取较为困难，因为流互二次侧不得随意断开，设计采用了福禄克i200s交流电流钳，一方面将电流信号转为电压信号以便采集；另一方面其卡钳式探头可以在现场灵活方便拆装。
1.3 数据采集
为了用计算机分析测量数据，需要将其转换成数字信号，也就是进行数据采集，转换的精度与可靠性直接影响到电能质量参数分析计算的结果。这里同步问题尤为关键，因为电能质量分析过程中用到的电压电流信号如果时间不同步，那么相互运算就没有意义。设计采用了阿尔泰PCI2008A型采集卡，可以直接插到工控机PCI总线上运行，12位AD转换精度，16路同步模拟输入信号采样，每通道可达25kS/s同步采样频率，可以满足50次谐波的测量需要。
1.4 LabVIEW虚拟仪器软件系统
工控机系统利用LabVIEW虚拟仪器平台构建电能质量监测的软件系统，通过各种算法对采样数据进行分析计算，能够对频率、谐波、电压波动和闪变、三相不对称度等电能质量参数进行分析计算。
考虑到牵引变电所自用电的质量并不理想，周围存在较强的电磁干扰，设计中采用了工业控制计算机，整个采集系统能够长期可靠工作，抗干扰能力较强。
2 软件系统设计
软件系统功能上分为监测和分析两部分，其软件功能结构如图2所示。
监测部分包括数据采集模块、参数计算模块和数据存储模块，参数计算模块又包括频率分析、负序分析、谐波分析、电压偏差计算、波动与闪变、故障录波等模块。这一部分根据测量到的数据计算出电能质量的各个参数，并通过SQL数据库进行存储。
分析部分对设定时间内存储的参数数据进行统计分析，计算其平均值、标准差、最大（小）值、95%概率值等，得出电能质量各项指标参数的变化趋势，最终形成电能质量参数报表。
3 结语
本文针对铁路牵引变电所工程现场，以LabVIEW虚拟仪器技术为平台建立了电能质量参数监测系统，装置能够长时间在线实时监测电能质量的各项参数，使用方便，扩展灵活，具有良好的推广应用价值，先后应用于多个牵引变电所的电能质量监测，反馈信息显示达到了设计的预期目的和要求。
参考文献
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