如何利用LabVIEW設(shè)計(jì)高壓無(wú)功補(bǔ)償監(jiān)控系統(tǒng)

1 引言

近年來(lái)，隨著大功率非線性負(fù)荷的不斷增加，電網(wǎng)的無(wú)功沖擊和諧波污染呈不斷上升的趨勢(shì)，導(dǎo)致電網(wǎng)的線損增加，電壓合格率降低，嚴(yán)重影響供電質(zhì)量和經(jīng)濟(jì)性。采用靜止型動(dòng)態(tài)無(wú)功補(bǔ)償裝置(svc)可以起到穩(wěn)定系統(tǒng)電壓、改善系統(tǒng)不平衡、提高負(fù)荷功率因數(shù)等作用，現(xiàn)已成功應(yīng)用于冶金、采礦和電氣化鐵路等沖擊性負(fù)荷的補(bǔ)償上，而且還具有更廣泛的應(yīng)用前景。

大容量、實(shí)用化svc裝置的設(shè)計(jì)與運(yùn)行過(guò)程中，監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)是非常必要的，它起著運(yùn)行信息管理中心的作用。以往監(jiān)控系統(tǒng)軟件通常針對(duì)某個(gè)具體應(yīng)用對(duì)象采用文本語(yǔ)言編程開(kāi)發(fā)，用戶界面不美觀，開(kāi)發(fā)周期長(zhǎng)，移植和更改困難，而labview開(kāi)發(fā)軟件具有廣泛的硬件支持、開(kāi)放性互連、圖形界面優(yōu)美及開(kāi)發(fā)周期短等優(yōu)點(diǎn)，特別適合測(cè)控自動(dòng)化應(yīng)用和監(jiān)控系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)?；谔摂M儀器技術(shù)的svc監(jiān)控系統(tǒng)采集、存儲(chǔ)、分析來(lái)自各個(gè)子系統(tǒng)的實(shí)時(shí)運(yùn)行數(shù)據(jù)，并以此判斷整個(gè)svc裝置是否正常工作，同時(shí)將分析結(jié)果以直觀易懂的方式呈現(xiàn)給現(xiàn)場(chǎng)運(yùn)行人員，是開(kāi)發(fā)人員和用戶了解svc系統(tǒng)狀態(tài)的主導(dǎo)窗口。本文介紹了如何利用虛擬儀器技術(shù)在labview軟件開(kāi)發(fā)平臺(tái)下研制svc監(jiān)控系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)svc系統(tǒng)遠(yuǎn)程操作控制命令的分散下達(dá)和實(shí)時(shí)運(yùn)行信息的集中監(jiān)視。

2 高壓無(wú)功補(bǔ)償系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)與功能

svc裝置通常有以下幾種結(jié)構(gòu)：晶閘管控制電抗器(tcr)、晶閘管控制的高阻抗變壓器(tct)、晶閘管投切電容器(tsc)、tcr+tsc混合裝置、tcr+固定濾波器電容器(fc)的混合裝置。這里以tcr+fc型svc系統(tǒng)為例進(jìn)行監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。

svc系統(tǒng)是一個(gè)高度綜合和復(fù)雜的計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)，它由采集單元、控制單元、觸發(fā)脈沖產(chǎn)生單元、監(jiān)控單元、保護(hù)單元5個(gè)子系統(tǒng)構(gòu)成。其中，數(shù)據(jù)采集單元完成三相電壓和三相電流的檢測(cè)；控制調(diào)節(jié)單元完成靜止補(bǔ)償原理閉環(huán)調(diào)節(jié)器的控制算法；觸發(fā)脈沖產(chǎn)生單元主要完成同步功能和脈沖產(chǎn)生分配；監(jiān)控單元完成svc系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的重構(gòu)、控制參數(shù)的設(shè)定、面板操作命令的下發(fā)、系統(tǒng)運(yùn)行參數(shù)的動(dòng)態(tài)收集和顯示；保護(hù)單元完成過(guò)流和過(guò)載保護(hù)、閥組超溫及其bod保護(hù)等。

3 高壓無(wú)功補(bǔ)償監(jiān)控系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)

3.1 svc監(jiān)控系統(tǒng)功能及組成

svc監(jiān)控系統(tǒng)具體可完成以下功能：監(jiān)視裝置的啟動(dòng)過(guò)程；實(shí)時(shí)采集并顯示系統(tǒng)的運(yùn)行狀態(tài)；在線判斷系統(tǒng)故障狀態(tài)；記錄重要系統(tǒng)運(yùn)行信息；為遠(yuǎn)程計(jì)算機(jī)傳遞數(shù)據(jù)；系統(tǒng)長(zhǎng)期運(yùn)行狀態(tài)分析，生成電壓質(zhì)量、諧波含量分析報(bào)告；系統(tǒng)調(diào)試期間錄波回顯，協(xié)助安裝人員快速查看系統(tǒng)狀態(tài)等。這些功能為svc裝置的正常工作提供了有力保障，因此，svc的監(jiān)控系統(tǒng)采用內(nèi)置數(shù)據(jù)采集卡的工控機(jī)為基礎(chǔ)，虛擬儀器labview為工具進(jìn)行開(kāi)發(fā)。除了數(shù)據(jù)采集之外，監(jiān)控系統(tǒng)還要負(fù)責(zé)和其他設(shè)備的通信以及遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)傳輸工作，采用高性能的工控機(jī)使得同時(shí)完成如此復(fù)雜的任務(wù)變得更加容易。而采用了圖形化的編程語(yǔ)言labview，把底層與硬件交互的部分封裝起來(lái)，使得應(yīng)用程序的開(kāi)發(fā)過(guò)程十分簡(jiǎn)單，操作界面友好。

3.2 labview簡(jiǎn)介

labview是美國(guó)國(guó)家儀器公司(ni)提供的一款功能強(qiáng)大又靈活的虛擬儀器和測(cè)控軟件開(kāi)發(fā)工具，是一種圖形化編程語(yǔ)言，簡(jiǎn)稱g語(yǔ)言，其編程過(guò)程是通過(guò)圖形符號(hào)描述程序的行為，提供了大量的虛擬儀器元件和函數(shù)庫(kù)以方便編程，可直接用于實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)采集、網(wǎng)絡(luò)通信、文件輸入輸出、gplb和串行儀器控制以及數(shù)據(jù)分析等。

由于labview的編程是完全圖形化的，不同于其他文本方式的編程工具，這種“所見(jiàn)即所得”的直觀效果給工程技術(shù)人員帶來(lái)了極大的方便，labview提供了工業(yè)界最大的儀器驅(qū)動(dòng)程序庫(kù)，以及不同工業(yè)領(lǐng)域的各種控件模型，用戶可以根據(jù)需要，在基本控件模型的基礎(chǔ)上進(jìn)行繼承優(yōu)化，labview還支持通過(guò)internet、activex、dde和sql等交互式通信方式實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)共享，也支持面向?qū)ο蟮某绦蛟O(shè)計(jì)。同時(shí)，labvlew直接支持微機(jī)中的rs-232和rs-485接口，不需任何外部板卡，可通過(guò)軟件編程實(shí)現(xiàn)儀器控制和數(shù)據(jù)傳輸。在labview開(kāi)發(fā)環(huán)境下，用戶可以根據(jù)需要選擇合適的控件模型，設(shè)計(jì)出既滿足用戶要求又美觀實(shí)用的vi。

3.3 svc監(jiān)控軟件設(shè)計(jì)

軟件的設(shè)計(jì)及實(shí)現(xiàn)是開(kāi)發(fā)svc監(jiān)控系統(tǒng)的主要工作,也是開(kāi)發(fā)難點(diǎn)所在。用labview進(jìn)行svc監(jiān)控系統(tǒng)的程序設(shè)計(jì)，有兩個(gè)重要的設(shè)計(jì)概念，即“程序功能決定程序結(jié)構(gòu)”和“數(shù)據(jù)流”。因?yàn)閘abview程序是由多層多個(gè)結(jié)構(gòu)和接口模型一致的子vi相互連接、嵌套構(gòu)成的，每一個(gè)子vi都是一個(gè)封裝好的vi，完成一定的功能，所以程序結(jié)構(gòu)的確定實(shí)際上取決于程序功能的劃分；同時(shí)，不同子vi之間是通過(guò)“數(shù)據(jù)流”進(jìn)行連接的，而且數(shù)據(jù)流是子vi的處理對(duì)象，并決定了程序的流程，因此，確定了數(shù)據(jù)流的內(nèi)容和方向，也就確定了程序的功能和結(jié)構(gòu)?；谝陨细拍詈蚻abview的特點(diǎn)，svc監(jiān)控系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)采用按功能劃分的主從式程序結(jié)構(gòu)，首先確定監(jiān)控系統(tǒng)的各項(xiàng)功能，然后按照功能和待處理數(shù)據(jù)的流向來(lái)確定程序結(jié)構(gòu)。

svc監(jiān)控軟件主界面見(jiàn)圖1，主要包括主界面、實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)、實(shí)時(shí)曲線、諧波監(jiān)測(cè)、歷史曲線、功率因數(shù)統(tǒng)計(jì)、故障記錄、硅狀態(tài)監(jiān)測(cè)、系統(tǒng)參數(shù)畫面。當(dāng)按下相應(yīng)的按鈕后，即進(jìn)入到其對(duì)應(yīng)的畫面中。

圖1 監(jiān)控軟件主界面

運(yùn)行過(guò)程中，監(jiān)控系統(tǒng)周期性地向下位機(jī)發(fā)送運(yùn)行參數(shù)召喚命令，下位機(jī)正確接收到召喚命令后將系統(tǒng)運(yùn)行參數(shù)(系統(tǒng)電壓、電流、有功、無(wú)功、功率因數(shù)等)上傳給上位機(jī)，并顯示在主界面上。

(1) 實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)功能

當(dāng)按下實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)按鈕后，進(jìn)入實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)畫面，可以顯示當(dāng)前電網(wǎng)的三相功率、電壓、電流數(shù)據(jù)以及閥組溫度等信息。

(2) 實(shí)時(shí)曲線功能

當(dāng)按下實(shí)時(shí)曲線按鈕后，進(jìn)入曲線畫面，它能對(duì)指定的各監(jiān)控量進(jìn)行自動(dòng)檢測(cè)，包括反映實(shí)時(shí)運(yùn)行狀態(tài)的電流、電壓、頻率、功率因數(shù)等各種數(shù)據(jù)畫面，方便地提供了指定參數(shù)的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)曲線。

(3) 諧波監(jiān)測(cè)功能

當(dāng)按下諧波監(jiān)測(cè)按鈕后將顯示系統(tǒng)的諧波狀況及諧波的頻譜，如圖2所示。點(diǎn)擊選項(xiàng)卡可選擇要查看的諧波所在的相。點(diǎn)擊諧波分量選擇的增、減按鈕(也可在輸入框中直接輸入)可選擇諧波的次數(shù)，如選擇3次、5次、7次諧波等，而在下方的顯示框中將會(huì)顯示所查看的諧波的幅值和thd(諧波失真度)。

圖2 諧波監(jiān)測(cè)子界面

(4) 歷史數(shù)據(jù)列表功能

按下歷曲線按鈕后，進(jìn)入歷史數(shù)據(jù)表格，歷史數(shù)據(jù)列表功能可對(duì)指定的監(jiān)控量進(jìn)行自動(dòng)檢測(cè)、自動(dòng)存儲(chǔ)，并可將各個(gè)不同類型的數(shù)據(jù)分別顯示于多幅不同的表格上，利用選擇鍵方便地選擇所需表格畫面，同時(shí)還可以生成當(dāng)時(shí)的歷史曲線圖，便于生動(dòng)地觀察任意時(shí)刻的系統(tǒng)狀態(tài)，還可通過(guò)輸入具體時(shí)間來(lái)調(diào)出當(dāng)時(shí)的數(shù)據(jù)記錄。

(5) 功率因數(shù)統(tǒng)計(jì)功能

按下功率因數(shù)統(tǒng)計(jì)按鈕后，進(jìn)入功率因數(shù)統(tǒng)計(jì)畫面，在該畫面中可觀察到電網(wǎng)功率因數(shù)在指定時(shí)間內(nèi)的變化趨勢(shì)，并可對(duì)這些數(shù)據(jù)進(jìn)行相應(yīng)處理。

(6) 故障記錄查看功能

按下故障記錄按鈕后，進(jìn)入故障記錄畫面，該界面用于存儲(chǔ)監(jiān)控系統(tǒng)的故障報(bào)警情況，包括閥組、bod、電網(wǎng)電壓及電流的故障報(bào)警情況。操作者還可通過(guò)輸入具體時(shí)間來(lái)調(diào)出當(dāng)時(shí)的系統(tǒng)故障記錄，并可將該記錄進(jìn)行打印。

(7) 硅狀態(tài)監(jiān)視功能

硅狀態(tài)監(jiān)視界面用于監(jiān)測(cè)所有閥組的工作狀態(tài)，當(dāng)出現(xiàn)閥組故障或bod產(chǎn)生動(dòng)作而報(bào)警時(shí)，單擊硅狀態(tài)監(jiān)視按鈕，可直觀地查看具體是哪個(gè)硅或bod產(chǎn)生報(bào)警，方便維護(hù)。同時(shí)該界面還具有閥組超溫報(bào)警指示功能。

(8) 參數(shù)設(shè)置功能

當(dāng)按下參數(shù)設(shè)置按鈕后，會(huì)彈出用戶登錄對(duì)話框，只有輸入正確的密碼才能進(jìn)入該畫面進(jìn)行設(shè)置，這樣可有效防止非專業(yè)人員誤操作。該畫面主要用于設(shè)置svc裝置的所有運(yùn)行參數(shù)和串口配置等，操作人員可以根據(jù)實(shí)際的工況進(jìn)行設(shè)置。

4 結(jié)束語(yǔ)

基于labview軟件開(kāi)發(fā)的svc監(jiān)控系統(tǒng)，與傳統(tǒng)的監(jiān)控系統(tǒng)相比，其操作界面直觀逼真，運(yùn)行方式切換靈活，系統(tǒng)運(yùn)行信息全面清晰，更具有硬件電路簡(jiǎn)單、可靠性高、軟件功能豐富、擴(kuò)展性好等諸多優(yōu)點(diǎn)。目前本系統(tǒng)已經(jīng)投入運(yùn)行，實(shí)現(xiàn)了對(duì)高壓無(wú)功補(bǔ)償裝置各參數(shù)的在線實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)與控制，實(shí)際運(yùn)行結(jié)果也證明了svc控制系統(tǒng)的正確性和基于labview的svc監(jiān)控系統(tǒng)的優(yōu)越性。