如何利用LabVIEW设计高压无功补偿监控系统

1 引言

近年来，随着大功率非线性负荷的不断增加，电网的无功冲击和谐波污染呈不断上升的趋势，导致电网的线损增加，电压合格率降低，严重影响供电质量和经济性。采用静止型动态无功补偿装置(svc)可以起到稳定系统电压、改善系统不平衡、提高负荷功率因数等作用，现已成功应用于冶金、采矿和电气化铁路等冲击性负荷的补偿上，而且还具有更广泛的应用前景。

大容量、实用化svc装置的设计与运行过程中，监控系统的设计与实现是非常必要的，它起着运行信息管理中心的作用。以往监控系统软件通常针对某个具体应用对象采用文本语言编程开发，用户界面不美观，开发周期长，移植和更改困难，而labview开发软件具有广泛的硬件支持、开放性互连、图形界面优美及开发周期短等优点，特别适合测控自动化应用和监控系统的开发。基于虚拟仪器技术的svc监控系统采集、存储、分析来自各个子系统的实时运行数据，并以此判断整个svc装置是否正常工作，同时将分析结果以直观易懂的方式呈现给现场运行人员，是开发人员和用户了解svc系统状态的主导窗口。本文介绍了如何利用虚拟仪器技术在labview软件开发平台下研制svc监控系统，实现svc系统远程操作控制命令的分散下达和实时运行信息的集中监视。

2 高压无功补偿系统的结构与功能

svc装置通常有以下几种结构：晶闸管控制电抗器(tcr)、晶闸管控制的高阻抗变压器(tct)、晶闸管投切电容器(tsc)、tcr+tsc混合装置、tcr+固定滤波器电容器(fc)的混合装置。这里以tcr+fc型svc系统为例进行监控系统的设计。

svc系统是一个高度综合和复杂的计算机控制系统，它由采集单元、控制单元、触发脉冲产生单元、监控单元、保护单元5个子系统构成。其中，数据采集单元完成三相电压和三相电流的检测；控制调节单元完成静止补偿原理闭环调节器的控制算法；触发脉冲产生单元主要完成同步功能和脉冲产生分配；监控单元完成svc系统结构的重构、控制参数的设定、面板操作命令的下发、系统运行参数的动态收集和显示；保护单元完成过流和过载保护、阀组超温及其bod保护等。

3 高压无功补偿监控系统的实现

3.1 svc监控系统功能及组成

svc监控系统具体可完成以下功能：监视装置的启动过程；实时采集并显示系统的运行状态；在线判断系统故障状态；记录重要系统运行信息；为远程计算机传递数据；系统长期运行状态分析，生成电压质量、谐波含量分析报告；系统调试期间录波回显，协助安装人员快速查看系统状态等。这些功能为svc装置的正常工作提供了有力保障，因此，svc的监控系统采用内置数据采集卡的工控机为基础，虚拟仪器labview为工具进行开发。除了数据采集之外，监控系统还要负责和其他设备的通信以及远程数据传输工作，采用高性能的工控机使得同时完成如此复杂的任务变得更加容易。而采用了图形化的编程语言labview，把底层与硬件交互的部分封装起来，使得应用程序的开发过程十分简单，操作界面友好。

3.2 labview简介

labview是美国国家仪器公司(ni)提供的一款功能强大又灵活的虚拟仪器和测控软件开发工具，是一种图形化编程语言，简称g语言，其编程过程是通过图形符号描述程序的行为，提供了大量的虚拟仪器元件和函数库以方便编程，可直接用于实现数据采集、网络通信、文件输入输出、gplb和串行仪器控制以及数据分析等。

由于labview的编程是完全图形化的，不同于其他文本方式的编程工具，这种“所见即所得”的直观效果给工程技术人员带来了极大的方便，labview提供了工业界最大的仪器驱动程序库，以及不同工业领域的各种控件模型，用户可以根据需要，在基本控件模型的基础上进行继承优化，labview还支持通过internet、activex、dde和sql等交互式通信方式实现数据共享，也支持面向对象的程序设计。同时，labvlew直接支持微机中的rs-232和rs-485接口，不需任何外部板卡，可通过软件编程实现仪器控制和数据传输。在labview开发环境下，用户可以根据需要选择合适的控件模型，设计出既满足用户要求又美观实用的vi。

3.3 svc监控软件设计

软件的设计及实现是开发svc监控系统的主要工作,也是开发难点所在。用labview进行svc监控系统的程序设计，有两个重要的设计概念，即“程序功能决定程序结构”和“数据流”。因为labview程序是由多层多个结构和接口模型一致的子vi相互连接、嵌套构成的，每一个子vi都是一个封装好的vi，完成一定的功能，所以程序结构的确定实际上取决于程序功能的划分；同时，不同子vi之间是通过“数据流”进行连接的，而且数据流是子vi的处理对象，并决定了程序的流程，因此，确定了数据流的内容和方向，也就确定了程序的功能和结构。基于以上概念和labview的特点，svc监控系统的软件设计采用按功能划分的主从式程序结构，首先确定监控系统的各项功能，然后按照功能和待处理数据的流向来确定程序结构。

svc监控软件主界面见图1，主要包括主界面、实时数据、实时曲线、谐波监测、历史曲线、功率因数统计、故障记录、硅状态监测、系统参数画面。当按下相应的按钮后，即进入到其对应的画面中。

图1 监控软件主界面

运行过程中，监控系统周期性地向下位机发送运行参数召唤命令，下位机正确接收到召唤命令后将系统运行参数(系统电压、电流、有功、无功、功率因数等)上传给上位机，并显示在主界面上。

(1) 实时数据功能

当按下实时数据按钮后，进入实时数据画面，可以显示当前电网的三相功率、电压、电流数据以及阀组温度等信息。

(2) 实时曲线功能

当按下实时曲线按钮后，进入曲线画面，它能对指定的各监控量进行自动检测，包括反映实时运行状态的电流、电压、频率、功率因数等各种数据画面，方便地提供了指定参数的实时监测曲线。

(3) 谐波监测功能

当按下谐波监测按钮后将显示系统的谐波状况及谐波的频谱，如图2所示。点击选项卡可选择要查看的谐波所在的相。点击谐波分量选择的增、减按钮(也可在输入框中直接输入)可选择谐波的次数，如选择3次、5次、7次谐波等，而在下方的显示框中将会显示所查看的谐波的幅值和thd(谐波失真度)。

图2 谐波监测子界面

(4) 历史数据列表功能

按下历曲线按钮后，进入历史数据表格，历史数据列表功能可对指定的监控量进行自动检测、自动存储，并可将各个不同类型的数据分别显示于多幅不同的表格上，利用选择键方便地选择所需表格画面，同时还可以生成当时的历史曲线图，便于生动地观察任意时刻的系统状态，还可通过输入具体时间来调出当时的数据记录。

(5) 功率因数统计功能

按下功率因数统计按钮后，进入功率因数统计画面，在该画面中可观察到电网功率因数在指定时间内的变化趋势，并可对这些数据进行相应处理。

(6) 故障记录查看功能

按下故障记录按钮后，进入故障记录画面，该界面用于存储监控系统的故障报警情况，包括阀组、bod、电网电压及电流的故障报警情况。操作者还可通过输入具体时间来调出当时的系统故障记录，并可将该记录进行打印。

(7) 硅状态监视功能

硅状态监视界面用于监测所有阀组的工作状态，当出现阀组故障或bod产生动作而报警时，单击硅状态监视按钮，可直观地查看具体是哪个硅或bod产生报警，方便维护。同时该界面还具有阀组超温报警指示功能。

(8) 参数设置功能

当按下参数设置按钮后，会弹出用户登录对话框，只有输入正确的密码才能进入该画面进行设置，这样可有效防止非专业人员误操作。该画面主要用于设置svc装置的所有运行参数和串口配置等，操作人员可以根据实际的工况进行设置。

4 结束语

基于labview软件开发的svc监控系统，与传统的监控系统相比，其操作界面直观逼真，运行方式切换灵活，系统运行信息全面清晰，更具有硬件电路简单、可靠性高、软件功能丰富、扩展性好等诸多优点。目前本系统已经投入运行，实现了对高压无功补偿装置各参数的在线实时监测与控制，实际运行结果也证明了svc控制系统的正确性和基于labview的svc监控系统的优越性。