基于ZigBee和LabVIEW的电能质量监测分析系统设计

何建强，滕志军

（1.商洛学院电子信息与电气工程学院，陕西商洛 726000；2.东北电力大学现代电力系统仿真控制与绿色电能新技术教育部重点实验室，吉林吉林 132000）

电能是现代社会最重要的能源。随着科技和社会经济的快速发展，越来越多的大功率电器和电力电子设备进入人们的日常生活，然而大功率电器在接入电网使用时对电网造成的冲击性和非线性负荷容量不断增长，使得电网中发生电压波形畸变、供电频率波动和三相不平衡等电能质量的问题也日益突出[1]。因此，采用科学有效的方式实现电能质量的监测和分析对社会发展和电力系统设备的安全、经济、稳定运行有重要意义。逯玉兰[2]基于LabVIEW建立了对三相仿真电源进行仿真的电能质量监测与分析系统，但该系统存在普遍适用性差的问题。武鹏飞等[3]基于LabVIEW平台对电能质量的4种扰动信号进行了模拟，对电能质量的监测具有实用价值，但只解决了信号分析问题。杨辉等[4]基于LabVIEW和工业以太网实现了电能质量参数的实时监测，但现场布控监测子系统较多，存在布线繁琐的问题。针对目前基于LabVIEW的电能质量数据监测分析系统大多采用有线的方式进行数据通信，造成线路铺设、设备检修和维护等工作繁杂的问题[5]，本文基于ZigBee无线网络和LabVIEW平台设计了电能质量监测分析系统。该系统利用ZigBee无线网络实现电能质量数据的实时采集和传输，通过LabVIEW平台实现电压偏差、频率偏差、谐波等电能质量指标的分析和显示，具有数据传输稳定，可视化程度高，维护更新方便等优点。

1 ZigBee技术

ZigBee是一种基于IEEE802.15.4标准的无线通信网络，具有低功耗、低成本、低复杂度、可拓展性强、体积结构小和稳定高效等特性，能够实现多个传感器之间短距离、低速率的数据传输[6]，在短距离无线通信中被广泛应用。

ZigBee网络的拓扑结构主要有星形网、树状网和网状网三种，如图1中的（a）、（b）、（c）所示。其中，网状拓扑结构的路由机制使得信息通讯变得更有效率，当某个路由路径出现问题时，信息可以自动沿着其他路由路径进行传输，因此在组建网络时，通常采用图1（c）所示的网状网络[7]。

图1 ZigBee网络拓扑结构

2 电能质量测量方法

根据国家电能质量标准中稳态电能质量指标的规定，本系统对电能质量指标中电压偏差、频率偏差和谐波三项重要指标进行测量和分析。

2.1 电压偏差

电压偏差可定义为：

电压偏差的实质为电压均方根值的缓慢变化，范围一般在±10%之内。按照定义计算电压偏差时需要先计算测量电压的有效值。电压有效值的计算公式为：

式中，△Tk代表两次采样的时间间隔，N代表总的采样点数，uk代表第k个时间间隔采样的电压瞬时值。

2.2 频率偏差

由于电网运行中存在有功功率的冲击响应，因而出现了频率偏差，使得电源信号频率不能恒定在50 Hz，影响电力系统的稳定。其定义为：电力系统正常工作时，电网的实际频率值与标称值之差，计算公式为：

2.3 谐波

将一电源信号u(t)傅里叶分解之后，u(t)由若干项组成，其中第一项为基波含量，其余项为谐波含量。谐波电压含量的计算公式为：

谐波电压含量值与基波均方根值的百分比称为谐波电压总畸变率，计算公式为：

第h次谐波电压含有率为：

由于电力系统谐波具有非线性、随机性和复杂性等特点，因此采取有效的谐波测量算法，是精确测量谐波的关键。谐波测量目前的主要方法有模拟带通或带阻滤波器测量、基于瞬时无功功率的测量、小波分析法测量和基于FFT测量法[8]，本文采用LabVIEW中的信号处理函数，利用FFT进行谐波测量。

3 系统整体设计

系统主要由数据采集模块、数据通信模块和数据分析模块构成。数据采集模块由传感器、信号调理电路、A/D转换电路和DSP系统构成，实现电压信号的采集；数据通信模块由ZigBee无线网络构成，实现数据的无线传输；数据分析模块主要基于LabVIEW软件实现电压偏差、频率偏差、谐波等电能质量指标分析，其总体结构框图如图2所示。

图2 系统总体结构图

3.1 系统硬件部分设计

3.1.1 数据采集通道设计

数据采集通道由三相模拟电压通道组成，每个通道具有信号调理、滤波和钳位保护功能。信号采用差分输入方式输入，即输入ADS8364信号的幅值为+IN和-IN输入的差，二极管在电路中起到电压钳位保护作用，用于保护ADS8364，电路如图3所示。

图3 模拟数据采集通道电路

3.1.2 数据通信模块设计

本设计的数据通信模块电路包括CC2430芯片及其相关的外围电路，该芯片只需配合少数的外围元器件即可实现信号的无线收发功能，外围电路主要由晶振电路、射频电路和串口通信电路构成[9]，硬件电路设计如图4所示。

图4 无线通信系统硬件电路

1）晶振时钟电路：32 MHz晶振，提供系统正常工作时的时钟频率，它分别与CC2430的引脚19和引脚21相连；32.768 kHz晶振，提供系统休眠模式下的工作频率，它分别与CC2430的引脚43和引脚44相连。R401、R402为偏置电阻，其中R401用于为32 MHz的晶振提供合适的工作电流。

2）射频天线电路：由 L401、L402、L403、C404 及双λ/4传输线构成， 其中L401、L402、L403、C404用于阻抗匹配，λ/4传输线用于差分射频信号相位同步。

3）串口通信电路：系统设置串口P0_2、P0_3、P0_4、P0_5分别用做TXD串行数据发送、RXD串行数据接收、CTS清除发送信号、RTS请求发送信号，P0_2、P0_5 为接收输入端，P0_3、P0_4 为发送输出端。

系统采用MAX687电压转换芯片和FZT749扩流芯片进行输出，为CC2430提供3.3 V工作电压，满足其余节点的供电需求。

3.2 系统软件部分设计

3.2.1 ZigBee无线网络程序设计

电能质量数据的实时采集和传输，是通过ZigBee终端采集节点软件设计来实现的。组建稳定可靠的ZigBee无线网络是监测系统的关键。ZigBee终端节点在接通电源后，对相关设备进行初始化，判断是否成功加入网络。若入网成功则开始采集数据，并进行传输，循环调用sendDATA（）函数发送信息状态。完成一次数据传输后，判断是否继续有采集任务，如果没有将进入睡眠状态，直至下次采集任务到来时进入工作状态[10]。图5为ZigBee数据采集节点程序流程图。

图5 ZigBee数据采集节点程序流程图

3.2.2 数据分析模块程序设计

LabVIEW中提供了丰富的数字信号处理工具，包括各种窗函数和FFT函数，运用这些函数和工具可以方便地进行电压偏差、频率、谐波和三相不平衡度等分析。因此，本系统采用LabVIEW实现电压偏差、频率偏差和谐波分析，数据分析流程如图6所示。

图6 数据分析软件设计流程图

1）电压偏差分析系统：利用Amplitude and Levels.vi测量电压峰-峰值，可得实测电压幅值，根据式(1)，求得电压偏差。

2）频率偏差分析系统：通过Extract Single Tone Information.vi得到实测频率，根据式(3)，把实测频率与系统频率做差，得到频率偏差。

3）谐波分析系统：由Harmonic Distortion Analyzer.vi可得基波电压频率、总谐波畸变率、各次谐波的电压幅值。

3.2.3 电压偏差分析系统程序设计

根据国家标准《电能质量供电电压偏差》（GB/T 12325-2008）的规定，采用LabVIEW中的幅值和电平VI（Amplitude and Levels.vi），得到实测的交流电压幅值[11]。依据式(1)可得电压偏差，实现程序如图7所示。

图7 电压偏差分析系统程序

3.2.4 频率偏差分析系统程序设计

根据国家标准《电能质量电力系统频率偏差》（GB/T 15945-2008）的规定，使用LabVIEW中提取单频信息VI（Extract Single Tone Information.vi），测量交流电压频率，程序如图8所示。对于测量频域信号，提取单频信息VI中同样添加了“Hanning窗”，根据式(3)得到频率偏差[12]。然后通过数值比较，判断频率偏差是否超限。

图8 频率偏差分析系统程序

3.2.5 谐波分析系统程序设计

LabVIEW中的谐波失真分析VI（Harmonic Distortion Analyzer.vi）对谐波分析采用FFT测量方法，并结合“Hanning窗”函数抑制误差。可实现总谐波畸变率、各次谐波电压幅值和谐波含有量等参数测量[13]。谐波分析系统程序如图9所示。

图9 谐波分析系统程序

4 系统测试与结果分析

本设计在系统测试中设置系统电压为220 V，系统频率为50 Hz，采样频率为6 400 S/s-1，显示的采样点数为640。系统开始运行后，测得电压偏差、频率偏差、谐波分析结果如图10所示。

图10 电能质量分析系统前面板

根据程序的设定，每0.2 s计算一次。图10（a）为运行到18.4 s时的界面，瞬时电压偏差为9.853%，超过国家标准中限定的+7%，故系统报警提示。图10（b）可查看频率偏差的历史数据，在系统开始运行后的 1.8，5.2，7.8，8，10.8，15，15.4 s时的频率均出现较大波动，但是频率偏差都没有超出国家标准中限定的±0.2 Hz，所以指示灯没有亮起。从图10（c）中可得，谐波总畸变率为0.027%，基波电压幅值为220.495 V，基波电压频率为49.959 Hz。由左图柱状图，可以看到基波至20次谐波的电压幅值分布，在数值显示的列表中，可以查询各次谐波具体的电压幅值。由右图柱状图可得2～20次谐波含量，其可通过填写谐波次数查询。此时显示查询四次谐波，谐波含量为0.504%。

5 结论

本文设计的电能质量分析系统结合了ZigBee无线通信技术和虚拟仪器技术的优势，提高了系统的实时性、可靠性。利用ZigBee技术低功耗、高可靠性等特点为分析系统提供可靠、稳定的无线通信基础；利用LabVIEW建立的数据分析系统，实现了电压偏差、频率偏差和谐波的分析，提高了数据测量的精度和速度，且系统易于扩充和修改。该系统克服了电能质量数据有线传输方式下布线难、成本高等缺点，实现了电能质量监测系统无线化、智能化，具有一定的工程应用价值。