РЕАЛИЗАЦИЯ В LABVIEW АЛГОРИТМОВ ГАРМОНИЧЕСКОГО АНАЛИЗА ТОКОВ И НАПРЯЖЕНИЙ

Задача решения реализации в LabVIEW алгоритмов гармонического анализа токов и напряжений относится к области показателей качества электроэнергетики.

В современном мире существует множество электроприёмников, обладающих, как полезными для потребителя и энергосистемы качествами, так и отрицательными.

Положительными моментами создания новых типов потребителей электрической энергии являются малая потребляемая мощность. К таким электроприёмникам можно отнести энергосберегающие лампы (компактные люминесцентные), импульсные источники питания электронной бытовой техники: телефонов, телевизоров, компьютеров и др.

В отрицательных свойствах упомянутых выше электроприёмников необходимо отметить их возможность генерировать в электрическую сеть высокочастотные сигналы тока, тем самым искажая синусоидальную форму кривых тока и напряжения и приводя к негативным процессам в элементах электрической сети.

Высокочастотные составляющие токов, возникающие из-за несинусоидальных нагрузок могут приводить к следующим негативным последствиям в электрических сетях:

·     ухудшение показателей качества электрической энергии у потребителей;

·     увеличение потерь мощности на передачу электроэнергии потребителю;

·     ложное срабатывание систем защиты потребителей и элементов электрической сети;

·     дополнительный нагрев проводников линий электропередачи, трансформаторов и разного рода электрического оборудования электрических сетей;

·     циркуляция токов нулевой последовательности по обмоткам трансформатора, соединённых в звезду;

·     быстрое старение изоляции и как следствие — её пробои.

Выявить электроприёмники, которые вносят упомянутые искажения в электрическую сеть, можно лишь проанализировав формы сигналов тока и напряжения в узле подключения к электрической сети.

В качестве среды программирования использовался язык графического программирования G, реализованный в среде LabVIEW 2013 SP1.

В LabVIEW был реализован математический аппарат для представления произвольной функции (сигнала тока) с периодом 0,02 секунды в виде ряда гармонических составляющих часто от  (сигнал постоянного тока) до  (40-ая гармоника).

В качестве датчиков тока использовался трансформатор тока, нагруженный на сопротивление 3 кОм. Измеренное падение напряжения на этом сопротивлении пропорционально значению тока нагрузки, без учета изменения сопротивления от температуры (введено допущение, что сопротивление не меняется от температуры). В качестве датчика напряжения использовался трансформатор напряжения с номинальными параметрами 220 Вольт первичная обмотка и 3 Вольта вторичная обмотка (коэффициент трансформации ).

Таким образом, информация об аналоговых сигналах тока и напряжения поступала в модуль аналогово-цифровой обработки сигнала NI USB-6008 в виде сигналов напряжения: диапазон канала тока от  до , диапазон канала напряжения от -3 В до +3В. Схема подключения измерительных каналов и датчиков приведена на рисунке 1.

Подробная схема обработки сигналов тока и напряжения, поступающих на плату сбора данных NI USB 6008 приведена на рисунке 2 (блок-диаграмма виртуального прибора). Сигнальные провода были подключены к соответствующим терминалам аналоговых входов (каналы AI 0, AI 1). Аналоговый сигнал, прошедший аналого-цифровой преобразователь (ADC), выполняющий дискретизацию входного сигнала (перевод в цифровой код) поступал на компьютер посредством соединения с платой кабелем USB.

Рисунок 1. Принципиальная схема подключения датчиков тока, напряжения к аналогово-цифровому преобразователю и передачи сигналов в ЭВМ

При подключении данной схемы к сети 220 В было выявлено присутствие высших гармоник в питающей сети. На рисунке 2 представлены результаты аналого-цифрового преобразования сигналов тока и напряжения. Ниже приведены частотные спектры сигналов тока и напряжения питающей сети. Особенно ярко просматривается наличие высших, побочных гармоник в сигнале тока, из-за которой форма синусоиды сигнала теряет свой характерный вид (правая верхняя диаграмма рисунка 3.) Следует отметить, что наличие высших гармоник также отрицательно сказывается на показаниях счётчиков электроэнергии. Так, индукционные счётчики завышают показания; более дорогостоящие электронные счётчики хоть и не испытывают подобного рода проблемы (пренебрежимо малая вносимая относительная погрешность измерений), при учёте реактивной мощности по причине реагирования данного типа счётчиков на явный синусоидальный сигнал просматривается явная погрешность в показаниях.

Рисунок 2. Блок-диаграмма виртуального прибора

Рисунок 3. Фронтальная панель виртуального прибора

Таким образом, данный математический аппарат, реализованный в среде программирования LabVIEW, наглядно показывает картину составляющих питающей сети. Техническое исполнение аппарата позволяет выявлять наличие гармоник до 40-ой включительно () т. к. максимальная частота дискретизации сигнала, поступающего на каждый канал устройства NI USB 6008 по техническим характеристикам достигает 10 кГц, что, в свою очередь, сполна хватает, чтобы охарактеризовать качество электроэнергии и точно счесть её потребление. Также оцифрованные численные данные входного сигнала можно переводить в массивы данных для хранения информации о сигнале и дальнейшего его анализа.

Подводя итоги проделанной исследовательской работы, можно сделать вывод о практическом применении данного математического аппарата для учёта потребляемой электрической энергии. К сожалению, на сегодняшний день дороговизна подобного типа аппаратуры остаётся естественным негативным отличием массового его использования.

Анализируя современные тенденции создания и повсеместного использования потребителями электроэнергии приборов, порождающих высшие гармоники в питающую сеть, необходимо чётко понимать важность качества датчиков используемых в системах измерения энергии и мощности, так как не все трансформаторы тока и напряжения способны передать точную информацию о форме сигналов тока и напряжения. А так же далеко не все АЦП, используемые в системах измерения мощности (счётчики электроэнергии) обладают высокой точностью и скоростью сбора данных о сигнале тока и напряжения.

В будущем возможно применение метода вычисления мощности путём складывания мощностей отдельных гармонических составляющих, что принципиально улучшит программный код будущих счётчиков электроэнергии.

Список литературы:
1.    Д. Тревис «LabVIEW для всех». Перевод Клушина Н.А., под редакцией Шаркова В.В., Гурьева В. А. изд-во «ПриборКомплект» 2005 г.
2.    Руководство пользователя и технические характеристики NI USB 6008, 6009.. National Instruments, Россия, г. Москва.