Daniel Kaminský，ELCOM, a.s.
开发一款电能质量分析仪，它包含一组仪器，这些仪器能够执行所有必要的电能相关测量，并且能够在具有实时操作系统的小型硬件系统上并行运行。同时，在设计测量和数据处理算法时，还必须考虑系统的可扩展性，以满足最新的IEC和EN标准。
基于COTS（商用现成）工具，如坚固耐用且可扩展的硬件平台NI CompactRIO以及NI LabVIEW图形开发环境，开发符合国际电能质量标准的分析仪。
Daniel Kaminský - ELCOM, a.s.
Petr Bilik - ELCOM, a.s.
Jiri Hula - ELCOM, a.s.
电能是一种与其他产品不同的商品，并且也是当今商业和工业中最为重要的原材料之一。它的特殊之处在于被连续不断地接收和使用，人们无法方便地大量储存，并且在使用前无法进行质量检验。若电能质量较差，可能会对生产线造成严重破坏。因此，通过监测电能质量，我们就能够提前发现潜在的问题，避免问题逐渐严重而使生产线受损，同时避免由此带来的严重经济损失。而提前采取预防措施，不仅成本相对较低，而且涵盖范围广泛，从简单的最佳实践设计注意事项到监控和控制设备的全球部署均包括在内。
典型的电能质量分析仪会采集并分析电网的三个电压，并根据国际标准的规定评估电压质量。电压质量的衡量指标包括频率、电压电平变化、闪变、三相系统不平衡、谐波谱、总谐波失真和信号电压电平等。在某些情况下，还需要将电流信号和电压一起分析。这样就可以分析电流相关参数，并能够计算一些间接参量，例如有功功率、无功功率、电能等。
我们将开发的电能质量分析仪软硬件套件命名为ENA（全称为ELCOM网络分析仪），这是一种复杂的模块化系统，用于根据现行现行国际标准和其他国家特定文件的规定对电能质量进行监测。
我们选择在NI CompactRIO平台上利用C系列模块开发系统。与基于计算机的仪器相比，它更加紧凑、更加坚固耐用，并且尺寸更小，为3.4 × 7 × 3.5”（高度×宽度×深度：88mm × 180mm × 90mm）。并且，它还具有更出色的温度性能（工作温度范围为-40°C至+70°C）以及非常低的功耗（约为8瓦）。此外，NI CompactRIO系列产品还能够为我们提供各种不同的尺寸规格，这对我们来说很重要，能够帮助我们满足不同客户及不同应用的需求。
对于I/O模块，我们从种类丰富的产品中选择了NI 9225 300V功率测量模块对高电压进行测量。该模块专为测量电网电压而设计，能够测量110V电网的相电压和线电压，以及240V电网的相电压。在电流测量方面，我们选用了NI 9227。NI 9225和NI 9227能够以50k采样点/秒的采样率实现同步采样，从而精确测量三相功率以及电能质量，如：闪变、谐波和功率因数等。此外，我们还设计了电压和电流模块：EL9215U-R1和EL9215I-R1，它们都基于NI 9215模块设计并内嵌信号调理电子元件。这些模块可以集成到CompactRIO机箱中，在其中占用三个插槽。
由于需要开发易于使用并且具有可移植性和可扩展性的解决方案，我们选用了NI LabVIEW作为软件开发环境，用于开发ENA的各部分软件。根据所选择的CompactRIO型号以及输入模块的不同，可以开发出多种不同型号的CompactRIO电能质量分析仪。ENA电能质量分析仪固件最低要求是，带400MHz处理器控制器和带有2M现场可编程门阵列(FPGA)机箱。
本文以ENA-450分析仪为例进行介绍，但得益于NI CompactRIO系列产品的可扩展性以及LabVIEW代码的可移植性，我们还能开发出各种外形尺寸的系统，以满足不同应用和客户的特殊需求。除基于高度灵活的NI CompactRIO系统开发的分析仪(ENA450.EC)外，我们还开发出另外两种一站式解决方案，其中已经部署了我们所开发的应用程序：
电能质量分析仪的性能由仪器硬件和软件确定。ENA电能质量监测系统包含一系列软件应用程序，这些应用程序可以用于对分析仪进行远程控制、对已储存数据进行分析及通过Internet发布电能质量数据等。这种模块化的理念可以实现各种各样的客户需求，并且使成本最小化。
固件ENA-Node（参见图库）直接在基于CompactRIO的ENA450分析仪上运行，并且提供各种测量服务，包括处理所有数据采集、计算和储存任务等。
固件ENA-Node包括多种并行运行的软件模块：
所有上述固件模块都适用于50Hz和60Hz电力系统。用户可在仪器显示屏上查看数据并将其存储到数据文件中。所有仪器均以每通道9.6kS/s的采样率工作。采样率与被测信号的频率同步。实现的算法符合IEC61000-4-30、IEC61000-4-15和IEC61000-4-7等现行电能质量标准的要求。
软件会分析电网的三个电压信号（最高可达300Vrms）和三个电流的瞬时值，以计算以下量的值：RMS值、频率、谐波谱、总谐波失真、闪变、三相系统不平衡、有功功率、无功功率、电量以及许多其他物理量。利用NI 9227电流模块或通过电流钳连接的ELCOM EL9215I-R1电流模块，可以直接测量电流互感器(1A/5A)的输出电流。
被测量列表：
| 电压 | 电流 | 功率 | 电能 | 根据EN50160标准评估的电压 |
| RMS（200ms和半周期） | RMS（200ms和半周期） | 功率因数 | 总有功电能 | RMS |
| THD | THD | 余弦值 | 有功电能基波（第1谐波） | THD |
谐波（第1-50谐波）
| 谐波（第1-50谐波） | 总有功功率 | 总无功电能 | 谐波（第1-25谐波） |
间谐波（第0.5–49.5谐波）
| 间谐波（第0.5–49.5谐波） | 有功功率谐波（第1-50谐波） | 无功电能基波（第1谐波） | 不平衡 |
直流部分
| 直流部分
| 总无功功率 | 总视在电能 | 频率 |
不平衡
| 无功功率谐波（第1-50谐波） | 正有功功率 | 信号电压 | |
| 短时闪变Pst，长时闪变Plt | 负有功功率 | |||
| 总视在功率 | 感性无功电能 | |||
| 视在功率谐波（第1-50谐波） | 容性无功电能 |
ENA测量服务的图形用户界面选择了易于使用的ENA-Touch用户界面。所有仪器控制、数据显示和测量配置都通过ENA-Touch用户界面进行。为了显示被测量，该界面可帮助用户轻松且有序地配置和显示测得的数据。该用户界面提供两种类型的可视化面板：一些面板以表格形式显示一组固定的量，另一些面板显示一组用户自定义的量，同时支持多种数据显示方法：表格、频域图表、示波器测量图、矢量图表以及电能质量统计结果等。ENA-Touch用户界面已进行优化，支持使用触摸屏进行显示和控制，并且还适用于分辨率为800x480的Ultra Mobile计算机。ENA-Touch可通过以太网使用TCP/IP协议远程控制ENA-Node。由于可同时显示所有的联机数据，该系统还支持用户存储数据以进行离线分析。计算所得的数据可及时汇总，并且部分数据会在存储前进行统计评估。数据按规定的时间间隔定期存储，而事件触发的数据则仅在事件发生时存储。
利用ENA-Report可以很方便地地对存储的数据进行离线分析，并生成报告。
利用多个ENA450分析仪可以构建分布式监测系统。分布式系统中的数据可以复制到MS-SQL或者ORACLE数据库，以便进行集中存储和离线分析。
本文所述电能质量监测系统的主要优势在于性能高、灵活性好且尺寸小巧。该系统使用具有内置信号调理功能的C系列模块，提供了一种功能强大且用户友好的解决方案，可以大大简化软件维护和后续开发工作，同时不会影响当前的解决方案。如现行电能质量监测标准进行更新或者更改，该系统的特性可以快速更新并且紧跟最新标准。由于该解决方案具有开放性，现有系统可轻松与其他系统集成，因为通信协议可根据客户需求进行调整或者集成到用户现有的SCADA系统中。开放式硬件架构支持用户添加新的DIO模块进行监测和控制，同时也支持用户添加通信模块来实现GPS或GSM无线通信。
借助NI CompactRIO和NI LabVIEW的灵活性，我们得以在数周内开发出整套PMU（相量测量单元）分析仪。该分析仪可依据IEEE C37.118-2005标准对同步相量进行精确评估。目前，我们正在尝试将PMU分析仪的功能整合到电能质量分析仪ENA450中，以成为一个单独的仪器。
Daniel Kaminský
ELCOM, a.s.
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