引言

   隨著現(xiàn)代電力電子裝置的發(fā)展，其應(yīng)用范圍越來越廣，所應(yīng)用的場合也越來越復(fù)雜。由于電力電子裝置所控制的對象越來越復(fù)雜，各種不確定因素和種種難以描述的非線性特性存在，使得基于傳統(tǒng)控制的對象模型越來越難得建立；再者人們對電力電子裝置輸出控制要求的日益提高，越來越要求控制的智能化和寬適應(yīng)能力。虛擬儀器源于對人腦信息處理機(jī)制的模擬，具有很強(qiáng)的適應(yīng)復(fù)雜環(huán)境的能力和多目標(biāo)控制的自學(xué)習(xí)能力，并具有良好的非線性函數(shù)逼近能力。因此虛擬儀器控制策略能解決逆變系統(tǒng)中的常規(guī)控制策略無法解決的許多問題，理論上來說可以設(shè)計出一個與系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型無關(guān)的，自學(xué)習(xí)、自適應(yīng)的魯棒性好動態(tài)響應(yīng)快的智能控制系統(tǒng)。虛擬儀器的這些特性為我們解決現(xiàn)代電力電子裝置控制上的種種難題提供了一條很好的途徑。

   近十幾年來，人工虛擬儀器在控制領(lǐng)域中的研究也取得了很大的進(jìn)展。人工虛擬儀器能夠通過自身的學(xué)習(xí)過程了解系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)、參數(shù)、不確定性和非線性，并給出系統(tǒng)所需的控制規(guī)律，由它構(gòu)成的控制器具有很強(qiáng)的魯棒性。

   虛擬儀器(VirtualInstrument簡稱VI)，是在以計算機(jī)為核心的硬件平臺上，其功能由用戶設(shè)計和定義，具有虛擬面板，其測試功能主要由測試軟件來實現(xiàn)的一種計算機(jī)儀器系統(tǒng)。其實質(zhì)是利用計算機(jī)顯示器模擬傳統(tǒng)儀器的控制面板，與傳統(tǒng)儀器相比，它具有開放速度快、成本低、用戶可以自定義等突出優(yōu)點，使用者可以通過修改軟件來改變、增減儀器系統(tǒng)的功能與規(guī)模以滿

   目前我國使用的電能質(zhì)量檢測方法存在許多問題:實時性差、監(jiān)測指標(biāo)少、工作量大、效率低等。本文以虛擬儀器技術(shù)和網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)為基礎(chǔ)，以虛擬儀器（VI）技術(shù)為平臺的電能質(zhì)量監(jiān)測和分析系統(tǒng)克服了常規(guī)測試系統(tǒng)功能單一、升級復(fù)雜等缺點，豐富了系統(tǒng)功能，提高了系統(tǒng)測量精度，加快了數(shù)據(jù)采集的速度，其自動化程度也隨之更高更強(qiáng)，使電力系統(tǒng)相關(guān)部門能夠?qū)崟r掌握電能質(zhì)量情況,及時提出電網(wǎng)管理的最佳方案。

1、LabVIEW介紹

   虛擬儀器技術(shù)起源于美國20世紀(jì)80年代是有美國Nl公司開發(fā)的一套虛擬儀器開發(fā)平臺軟件，其特點是主要通過軟件來實現(xiàn)傳統(tǒng)儀器中硬件所實現(xiàn)的各項功能。它是基于圖形化編程的思想，與傳統(tǒng)的儀器不同，Vl極易改變儀器的功能而且一般不會出現(xiàn)元器件損壞或老化的問題。本系統(tǒng)中虛擬儀器的軟件開發(fā)平臺采用基于圖形化編程語言的實驗室虛擬儀器開發(fā)平臺LabVIEW主要由前面板、框圖程序和大量的節(jié)點組成，能很容易地設(shè)計出友好的人機(jī)交互式界面，當(dāng)Vl與專用的DAQ卡結(jié)合后，使得數(shù)據(jù)的采集、分析、存儲和顯示變得易于實現(xiàn)。由于該軟件中提供了大量的數(shù)據(jù)分析、處理節(jié)點以及常用的算法節(jié)點，而且可以和MATLAB、C語言接口，大大縮短了儀器的開發(fā)時間，同時，隨著現(xiàn)代工業(yè)對網(wǎng)絡(luò)的依賴性加強(qiáng)，在LabVIEW的Communication子模板中還有大量的實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)功能節(jié)點，可以很方便地組建局域網(wǎng)，在測量和控制領(lǐng)域占有重要的地位。

2、電力電子整流電路故障診斷原理

2.1故障分類

   故障診斷定位實質(zhì)上是一個模式分類的問題，即把運行狀態(tài)分為正常和故障兩類。診斷時選擇有效的故障測試點至關(guān)重要。以三相橋式可控整流電感性負(fù)載電路為例,研究分析表明，整流輸出電壓包含了電路的故障信息，是一個關(guān)鍵的測試點。以晶閘管橋臂開路故障為例進(jìn)行分析，并且最多同時有兩路橋臂開路的故障。可將故障分為五大類，為便于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)訓(xùn)練，對故障的大類、小類進(jìn)行編碼，用位編碼Y6Y5Y4Y3Y2Y1，第4～6位用于大類編碼，第1～3位用于小類編碼，則可將三相可控整流電路的故障類型定義為如表1所示的22種故障類型。表1故障分類編碼表

2.2故障特征信號

   整流電路輸出電壓ud具有周期性，包含了晶閘管是否有故障的信息，可將波形形狀相同或類似，而僅在時間軸上相互平移的波形所對應(yīng)的故障狀態(tài)劃為同一類。分析時可用傅立葉變換將時域中的故障波形變換到頻域，以突出故障特征，在不同故障類型時，ud的波形不同，并且其五個頻譜分量：直流分量、基波幅值、2次諧波幅值、基波相位、2次諧波相位，可以對應(yīng)唯一的一個故障類型。因此，本文以Ud的五個頻譜分量作為故障特征信號。

1.3故障診斷原理

   神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)作為一類性能良好的非線性分類器，廣泛應(yīng)用于模式識別領(lǐng)域，而故障診斷實質(zhì)上就是模式的分類。BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)是一種誤差反向傳遞的多層前饋式網(wǎng)絡(luò)，其模型如圖1所示。它由輸入層、隱含層和輸出層組成。理論上，第一層采用sigmoid型傳遞函數(shù)，第二層采用線性傳遞函數(shù)，經(jīng)過訓(xùn)練可以用來逼近非線性函數(shù)。BP網(wǎng)絡(luò)的算法是一種有監(jiān)督學(xué)習(xí)算法，已知網(wǎng)絡(luò)的輸入、輸出樣本，其中網(wǎng)絡(luò)輸入節(jié)點對應(yīng)故障特征參數(shù)，輸出節(jié)點對應(yīng)故障類型，進(jìn)行故障模式識別時，先用一批故障樣本對模型進(jìn)行訓(xùn)練以確定網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)（隱層及其節(jié)點數(shù)）和節(jié)點間的聯(lián)接權(quán)，網(wǎng)絡(luò)訓(xùn)練好后故障的模式分類就是根據(jù)給定的一組征兆集，實現(xiàn)征兆集到故障集之間非線性映射的過程，只要將得到的故障征兆加到神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的輸入端，就可以得到適當(dāng)?shù)脑\斷結(jié)果。

3、電能質(zhì)量指標(biāo)的主要算法

   由于電力系統(tǒng)中由于存在大量類型各異的負(fù)荷，特別是感性和容性等非線性負(fù)載，會使本來質(zhì)量合格的電能被“污染”，造成電網(wǎng)質(zhì)量下降。為此我國技術(shù)監(jiān)督局頒布了評價電能質(zhì)量合格與否的五個國家標(biāo)準(zhǔn)，分別是::電壓偏移、系統(tǒng)頻率、三相不平衡度、諧波總畸變率THD和電壓波動與閃變等。

（1）電壓電流有效值

   根據(jù)周期連續(xù)函數(shù)的有效值及平均功率的定義計算，在連續(xù)的時間域中：

4、故障診斷系統(tǒng)構(gòu)建與實現(xiàn)

   虛擬儀器是基于計算機(jī)的軟硬件測試平臺，是由計算機(jī)、應(yīng)用軟件和儀器硬件組成。儀器硬件是由數(shù)據(jù)采集卡、接口、傳感器等組成；軟件是由信號處理算法分析程序、計算機(jī)語言、各種控件和軟件開發(fā)工具等組成。軟件的開發(fā)和設(shè)計是虛擬儀器的核心。

   本系統(tǒng)采用的是分散取樣、集中處理的方式，即在監(jiān)測點安裝相應(yīng)的電壓傳感器和電流傳感器，電壓、電流信號取樣經(jīng)調(diào)理后由數(shù)據(jù)采集卡送入PC中進(jìn)行處理、分析、存儲。系統(tǒng)的總體方案框圖如圖1所示，該系統(tǒng)以個人計算機(jī)為基礎(chǔ)，用軟件實現(xiàn)系統(tǒng)的功能，充分體現(xiàn)了“軟件即儀器”的虛擬儀器的概念。

圖1系統(tǒng)的總體方案框圖

   系統(tǒng)的硬件部分完成的基本任務(wù)就是數(shù)據(jù)采集、隔離和變換，再由DAQ板卡把變換后的模擬信號轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號，形成計算機(jī)能夠處理的數(shù)據(jù)。圖1中信號調(diào)理電路的功能主要是：將被測裝置中的電壓信號經(jīng)隔離轉(zhuǎn)化為DAQ板卡允許輸入的電壓信號（V10±范圍內(nèi)）、波形轉(zhuǎn)換、濾波等，以便于DAQ進(jìn)行數(shù)據(jù)采集。數(shù)據(jù)采集卡采用美國NI公司的M系列的PCI-6251采集卡，它是一款高速多功能DAQ板卡，在高采樣率下也能保持高精度。系統(tǒng)機(jī)構(gòu)如圖2所示。

圖2電能質(zhì)量的在線監(jiān)測和分析系統(tǒng)

5、軟件開發(fā)

   LABVIEW環(huán)境中可交互地設(shè)計這些對象的外觀和屬性。LABVIEW提供非常豐富的界面控件對象，可方便地設(shè)計出生動、直觀、操作方便的用戶界面。基于LABVIEW的電能質(zhì)量在線監(jiān)測和分析系統(tǒng)軟件開發(fā)主要包括7個模塊的設(shè)計監(jiān)測方式設(shè)置模塊、波形及數(shù)據(jù)存儲模塊、實時波形顯示模塊、電能質(zhì)量指標(biāo)顯示模塊、電網(wǎng)額定參數(shù)設(shè)置模塊、報警模塊、用戶登錄界面模塊。前面板設(shè)計見圖3所示。

圖3系統(tǒng)界面

   （1）監(jiān)測方式設(shè)置模塊：包括監(jiān)測電壓的有效值、電壓的波動，THD值、采樣頻率設(shè)置和電壓的偏差等；

   （2）波形及數(shù)據(jù)存儲模塊：包括監(jiān)測波形和電能質(zhì)量指標(biāo)計算存儲，數(shù)據(jù)存放位置選為默認(rèn)位置，采用時間作為存儲文件的文件名；

   （3）實時波形顯示模塊：實時顯示三相電壓波形，諧波分析圖；

   （4）電能質(zhì)量指標(biāo)顯示模塊：實時顯示電能質(zhì)量指標(biāo)數(shù)據(jù)；

   （5）電網(wǎng)額定參數(shù)設(shè)置模塊：配置被測電網(wǎng)的額定參數(shù)；

   （6）報警模塊：電能質(zhì)量指標(biāo)測試超標(biāo)報警；

   （7）用戶登錄界面模塊：在監(jiān)控系統(tǒng)運行后，有權(quán)限操.

   系統(tǒng)軟件主要有信號采集、數(shù)據(jù)處理、數(shù)據(jù)存儲、數(shù)據(jù)分析及故障診斷等模塊。本系統(tǒng)的軟件組成結(jié)構(gòu)如圖4所示。

圖4系統(tǒng)的軟件組成結(jié)構(gòu)圖

6、結(jié)論

    虛擬儀器技術(shù)在電力電子裝置故障診斷領(lǐng)域的應(yīng)用，使得檢測設(shè)備具有投資少、開發(fā)周期短及通用性強(qiáng)特點。對于不同的電力電子裝置，只要添加相應(yīng)的傳感器組成新的硬件系統(tǒng)，軟件增加相應(yīng)的模塊，就易于實現(xiàn)裝置的故障診斷，顯著地提高了故障分析診斷的靈活性，具有一定工程實用價值。本文設(shè)計的檢測和分析系統(tǒng)，充分的利用了虛擬儀器技術(shù)在測控領(lǐng)域的特點和良好的人機(jī)交互界面。硬件上采電壓傳感器、DAQ數(shù)據(jù)采集板和PC機(jī)實現(xiàn)數(shù)據(jù)的采集，軟件上利用虛擬儀器軟件LabVIEW編制的界面以及數(shù)據(jù)的采集、計算、報表和報警等功能模塊，實現(xiàn)了電力故障的監(jiān)測與分析功能。采用虛擬儀器開發(fā)的系統(tǒng)可以縮短監(jiān)測系統(tǒng)的開發(fā)周期，降低系統(tǒng)的成本，提高系統(tǒng)的性能。經(jīng)檢驗系統(tǒng)運行穩(wěn)定性高，具有很好的實用價值。