刘建华，刘鹏飞，姜颖先，李天玉，周明平，唐全
(1，中国矿业大学信息与电气工程学院，江苏徐州221008;
2，河北承德供电公司，河北承德067000)
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摘要：目前适用于IEC 61850标准的电能质量监测装置多为在线式，不具备便携式监测功能，无法实现对电能质量的第三方监测，且成本高、功能拓展性差。针对这种情况，设计了一种基于虚拟仪器-LabVIEW的智能变电站便携式电能质量监测装置。该装置通过LabVIEW进行设计，接入过程层交换机获取sv报文，利用PC机的高性能硬件平台进行数据处理。sv报文采集和解析模块对SV报文进行捕获和解析；数据计算和显示模块对电能质量指标进行计算和显示：数据分析模块对各稳态指标进行波形、趋势分析，对暂态问题进行小波分析，并能够将历史数据以PQDIF文件进行存储和共享。通过与现场应用的电能质量监测系统的测量数据进行对比，证明本装置具有较高的监测精度，可有效应用于智能变电站的电能质量监测。
关键词：电能质量监测：IEC 61850; LabVIEW; Winpcap;小波变换
O引言
目前智能变电站所用的电能质量在线监测装置能够实现对电能质量的长期监测，但是满足IEC 61850标准的便携式电能质量监测装置产品还并不成熟。目前符合IEC 61850标准的电能质量监测装置主要配置DSP+ARM+CPLD的高性能内核和不断改进的、满足较高标准的监测算法，直接导致开发成本较高和开发时间较长，且由于硬件配置的限制往往难以进行功能的拓展，工业应用过程中存在一定的局限性。
基于上述原因，本文设计了基于虚拟仪器一一LabVIEW的智能变电站便携式电能质量监测装置，在便携程度、开发成本、开发时间和功能拓展上具有明显优势。
1 系统的整体结构
本便携式电能质量监测装置基于IEC 61850进行设计，通过光电收发器接入过程层交换机（若为光电交换机则不需要光电收发器），可直接从交换机中获得全站采样值SV报文（IEC 61850-9-2格式），基于LabVIEW的电能质量监测装置能够对SV报文进行读取、解码，并进行数据显示、存储、分析，达到对电能质量指标进行监测的目的。装置可从过程总线中获取多个间隔合并单元MU输出的SV报文，达到对多个间隔同时进行监测的目的，如图1中的虚线框所示。
监测装置软件部分采用了功能模块化的设计思想，具有良好的通用性和扩展性。软件部分主要分成三大功能模块，如图2所示。(1)报文采集和解析模块：SV报文捕获和解析；(2)参数设置和数据显示模块：报文采集、解析和数据计算的参数设置：电能质量参量计算；电能质量各指标实时显示；(3)数据分析和处理模块：事件列表、各电能质量指标变化趋势分析、小波分析；生成符合IEEE标准的数据交换格式-PQDIF文件。
这些功能以通用的计算机硬件及操作系统为依托、通过LabVIEW可视化程序的编写实现，因此装置功能开发周期短、扩展性强，可根据需求设计和增添更多功能模块。
2数据采集与解析模块
2.1 采集数据流量分析
SV报文流量关系到装置可接入的合并单元数和装置的硬件配置。IEC 60044-8规定的典型方案是一个MU输出12通道的采样数据。按照IEC61850 -9 -2，标准sv有2种采样频率：4 kHz和12.8 kHz。采用常见的12通道、4 kHz采样频率的配置策略，计算出单个合并单元的数据流量约为6.5 Mb/s，即0.82 MB/s。实际应用中带宽使用率建议控制在40%以下，对于1 000 Mb/s以太网，装置可采集数十个合并单元输出的数据。
目前PC机硬件配置较高，例如配置Intel高性能多核CPU、缓存容量较大的DDRⅢ内存卡，大容量SSD硬盘，长期监测可进行外部存储器扩展。经计算，CPU处理单个数据包用时小于1us，而单个报文的采样间隔为250us（在4 kHz的采样频率下），因此可至少预留50%的时间进行其他业务和事件的处理。经计算和验证，此监测装置完全可以实现对多个甚至数十个MU输出的数据进行实时的采集和分析。
2.2数据同步和采样算法选择
装置接入过程层交换机，可以同时对多间隔合并单元输出的同步采样数据进行监测和分析。目前智能变电站过程层和间隔层成熟的对时方式为IRIG-B码对时（IEEE 1588还不够成熟），因此装置接人RS-485 B码／光纤B码对时总线，通过装置内的B码解析模块对B码进行解析，实现对时：装置采样频率为4 kHz，与合并单元输出的采样频率相同，可实现对SV报文的准确采样。
合并单元输出的采样率为4 kHz，此时存在几个问题：(1)采样频率非2的Ⅳ次方，无法利用FFT算法计算谐波；(2)采样过程采用无频率跟踪模式，存在短范围内的频谱泄露以及长范围内的频谱旁瓣干扰问题，导致谐波测量不准确；(3)根据采样定理，所能计算出的谐波次数不能满足实际需要和未来发展。因此借鉴和采用特定数学算法来修正上述问题。通过加窗插值等软件算法修正采样过程无频率跟踪问题，通过素因子和WFTA相结合算法修正采样率非2的Ⅳ次方的问题，通过二次采样算法来提高采样率。
2.3 数据采集和解析
LabVIEW是一个工业标准的图形化开发环境，为数据采集、仪器控制、测量分析与数据显示等各种应用提供了必要的开发工具，其网络通信功能强大，但无法对底层网络中的SV报文(IEC 61850-9-2/FT3)进行解析。因此，本装置将LabVIEW与Winpcap (Windows Packet Capture)混合编程，使得LabVIEW能够访问底层网络。
Winpcap是基于Win32平台的数据包捕获和网络分析的基础构架，可以从网卡捕获底层原始数据，同时能够过滤并存储数据包，并且其由一系列开源的网络数据包捕获函数构成，包括内核级的数据包监听设备驱动程序、低级动态链接库( Packet.dll)和高级系统无关库(Wpcap.dll)。LabVIEW中缺少内存指针数据类型，无法完成对Wpcap，dll巾函数的直接调用，因此LabVIEW需要用CLF节点调用Wpcap.dll中的函数重写dll文件，在编写时将对数据包的解析程序一并写入。
数据采集和解析过程如图3所示。此模块在对数据包进行抓包和解析同时还可以做到检查数据包如丢帧、错序、失步、超时、流量突变等各类异常状态，并给出异常告警。
3参数设置和数据显示模块
3.1 参数设置
进行数据的计算和显示之前，必须进行相关的参数设置。电压等级和EVT/ECT变比根据监测点实际情况设置，sv报文采样率按照4 kHz设置，对时方式为IRIG-B码对时方式，根据接入合并单元的互感器数和次序进行通道设置，选择本地网卡接口、设置抓包过滤地址、设置SV报文保存地址等。
3.2数据计算和显示
数据计算和显示模块对数据进行计算后可以显示以下信息：列表显示捕获的SV数据包及其详细信息：对SV报文根据ASN.1/BER规则进行解包、数据计算后实时显示三相电压、电流波形，向量图(见图4)：电能质量基本参量和各项指标的显示，并将解析、最示的数据进行实时的储存供数据分析模块分析。电压谐波分析部分可显示2~50次谐波柱状图，并可列表显示每一次谐波的幅值和含量，如图5所示。
4数据分析和处理模块
数据分析和处理模块主要完成对存储的数据文件的读取和分析，能够以趋势图的形式观察数据，判断监测点电能质量的优劣，或者以各种形式的统计摘要进行显示。例如对事件列表进行查询，可以对某个时间段内的各相电压、电流、有功、无功、总谐波畸变率、频率、闪变等指标的变化趋势进行分析，如图6和图7所示。
通过小波分析模块对暂态问题进行准确的时间定位和故障录波，并可对分析后的数据生成符合IEEE标准的PQDIF文件。
4.1 小波分析
电能质量指标的暂态参量主要包括电压暂升、暂降、中断、脉冲暂态等。本装置采用曰前应用普遍的小波变换对暂态问题进行分析，包括确定暂态性质、暂态时间定位、暂态录波等，时间定位精确。
此模块通过LabVIEW的“Matlab节点”调用Matlab中的小波工具箱，对电压数据进行小波分析。在前面板中可以手动选择多种小波函数，以及小波阶数和小波分解层数等。
正常情况下电能质量暂态问题出现较少，因此使用继电保护测试仪对合并单元某一时刻注入暂态信号，来模拟暂态问题发生时的情况。此监测装置对信号叠加后出现的电压暂升、短时中断、脉冲暂态3个典型的暂态问题进行分析。
4.1.1 电压暂升
在200.00 ms（第800采样点）至225.00 ms（第900采样点，采样频率为4 kHz），叠加一同相位的工频信号，发生了电压暂升。
在此利用db4小波对该信号进行5层分解。图8的时域波形巾800点至900点明显出现电压幅值升高，判定为电压暂升，触发暂态录波功能；在细节dl和d2巾清晰地显示出小波变换系数幅值存在突变，测得起始时刻是200.00 ms（第800点），结束时刻为225.00 ms（第900点），持续时间为25.00 ms，时间定位准确。
4.1.2短时中断
在200.00 ms—250.00 ms注入幅值大小相等、相位相差180。的工频电压，此时间段的电压幅值突变为0，电压发生短时中断，持续时间为50.00 ms。
图9中电压幅值短时内突降为0，可判定发生2.5周期短时中断，此时将触发故障录波功能：通过对d1和d2细节的分析得到小波系数幅值在200.00 ms（800点）至250.00 ms（1 000点）发生突变，持续时间50.00 ms，时间定位准确。
4.1.3脉冲暂态
在200.00 ms—200.50 ms注入脉冲信号，出现脉冲暂态现象，在此短时间内，时域波形出现了尖峰。
图10的时域波形出现脉冲，判定为脉冲暂态，触发故障录波功能：通过小波分解的dl和d2细节可以清楚得到在200.00 ms（第800点）和200.50 ms（第802点）小波系数幅值发生突变，持续时间0.50 ms，时间定位准确。
4.2 PQDIF文件生成
在电能质量监测过程中需要存储大量的历史数据、事件录波数据。为了实现数据的共享，通过LabVIEW强大的数据处理和编程能力，可以将历史数据存储为符合IEC 61850标准的电能质量数据交换格式-PQDIF进行数据共享。
PQDIF源代码以VC++编程，在Win32环境下采用其他语言利用PQDIF COM组件创建操作对象，再通过函数调用来实现文件生成，非常方便。因此本监测装置在LabVIEW里直接调用PQDCOM4，dll来实现PQDIF的生成和转换工作，流程如图11所示。
5装置精确性验证
为了验证本文设计的电能质量监测装置的性能以及精度，将其在徐州的220 kV七里沟变电站进行多间隔的电能质量数据监测，与站内应用的国电南瑞SCS-2000电能质量监测系统所测电能质量数据进行对比。通过查询SCS-2000电能质量监测系统资料，得其监测指标如下：基波电压、电流误差±0.5%：电压偏差误差±0.5%；频率偏差误差+0.01 Hz：三相电压不平衡度绝对误差0.2%；电压波动测量误差+5%：各次谐波误差+3%，满足电能质量监测设备的国家标准。两者的监测结果对比如表1~3所示（相对误为两装置数据差值与SCS-2000的数据之比，取绝对值）。以220 kV正母线为例，对于表1中各项电能质量基本监测指标，本装置所测的三相电压有效值与SCS-2000所测数据相对误差最大为0.054%;i相电流有效值相对误差最大为0.056%：三相频率的相对误差最大值为0.039%：三相电压偏差相对误差最大值为0.151%：三相电压不平衡度相对误差最大值为0.389%。对于表2中三相基波电压，3次、5次和7次谐波电压，本装置所测数据与SCS-2000所测数据相对误差最大为0.617 %。对于表3中三相基波电流，3次、5次和7次谐波电流，本装置所测数据与SCS -2000所测数据相对误差最大为0.213%。各监测数据的相对误差极小，证明本智能变电站便携式电能质量监测装置具有很高的监测精度，满足电能质量监测设备的国家标准，可以有效应用于智能变电站的第三方电能质量监测。
6结语
本文针对目前智能变电站巾在线式电能质量监测装置无法实现第三方监测功能且设计成本高、功能难以拓展的现状，按照IEC 614000-4-30 A级标准要求设计了基于LabVIEW的智能变电站便携式电能质量监测装置。此监测装置通过装有LabVIEW的PC机，接入过程层交换机获取SV报文，对电能质量各稳态指标和暂态指标进行有效的监测和分析。与围电南瑞SCS-2000电能质量监测系统进行现场测试对比，证明此便携式电能质量监测装置测量准确、精度高。装置功能通过可视化界面的LabVIEW程序实现，成本低、研发周期短，功能扩展和升级便捷，便携程度高。可以更充分的适用于智能变电站的电能质量短期监测和第三方监测，可满足用户的多样化需求，有很好的应用前景。
