基于LabVIEW的電能質量分析系統(tǒng)設計畢業(yè)設計

1、本科生畢業(yè)設計 題目： 基于 labview 的電能質量分析系統(tǒng)設計 中國礦業(yè)大學畢業(yè)設計任務書 學院學院 應用技術學院應用技術學院 專業(yè)年級專業(yè)年級 電氣工程及其自動化電氣工程及其自動化 學生姓名學生姓名 任任務務下下達達日日期期：2008 年年 3 月月 20 日日 畢業(yè)設計日期：畢業(yè)設計日期： 2008 年年 3 月月 20 日日 至至 2008 年年 6 月月 10 日日 畢業(yè)設計題目：畢業(yè)設計題目：基于基于 labviewlabview 的電能質量分析系統(tǒng)設計的電能質量分析系統(tǒng)設計 畢業(yè)設計專題題目：畢業(yè)設計專題題目： 畢業(yè)設計主要內容和要求：畢業(yè)設計主要內容和要求： 現今社會對電能

2、質量要求日益提高，而電網電能污染卻日趨嚴重， 考慮到傳統(tǒng)電能質量分析系統(tǒng)存在很多缺陷，本設計研究了采用虛擬 儀器思想的電能質量分析系統(tǒng)，具體內容和要求如下： 1.了解國內外電能質量分析的現狀及研究本課題的意義，確立研究 思路。 2.熟悉各電能質量指標的概念和計算方法； 3.充分認識 labview，掌握其中各函數的功能和用法，練習基本 操作； 4.設計系統(tǒng)主題結構，研究系統(tǒng)應實現的功能，分析各電能質量參 數的數字化實現方法； 5.構思系統(tǒng)軟件部分的整體結構，規(guī)劃系統(tǒng)軟件的前面板和程序框 架，詳細設計各功能模塊； 6.調試系統(tǒng)軟件。 院長簽字： 指導教師簽字： 中國礦業(yè)大學畢業(yè)設計指導教師評閱書

3、 指導教師評語（基礎理論及基本技能的掌握；獨立解決實際問題的能力； 研究內容的理論依據和技術方法；取得的主要成果及創(chuàng)新點；工作態(tài)度及 工作量；總體評價及建議成績；存在問題；是否同意答辯等）： 成 績： 指導教師簽字： 年 月 日 中國礦業(yè)大學畢業(yè)設計評閱教師評閱書 評閱教師評語（選題的意義；基礎理論及基本技能的掌握；綜合運用所 學知識解決實際問題的能力；工作量的大小；取得的主要成果及創(chuàng)新點； 寫作的規(guī)范程度；總體評價及建議成績；存在問題；是否同意答辯等）： 成 績： 評閱教師簽字： 年 月 日 中國礦業(yè)大學畢業(yè)設計評閱教師評閱書 評閱教師評語（選題的意義；基礎理論及基本技能的掌握；綜合運用所

4、學知識解決實際問題的能力；工作量的大小；取得的主要成果及創(chuàng)新點； 寫作的規(guī)范程度；總體評價及建議成績；存在問題；是否同意答辯等）： 成 績： 評閱教師簽字： 年 月 日 中國礦業(yè)大學畢業(yè)設計答辯及綜合成績 答 辯 情 況 回 答 問 題 提 出 問 題 正 確 基本 正確 有一 般性 錯誤 有原 則性 錯誤 沒有 回答 答辯委員會評語及建議成績： 答辯委員會主任簽字： 年 月 日 學院領導小組綜合評定成績： 學院領導小組負責人： 年 月 日 摘要摘要 近年來，計算機技術、通信技術以及測試測量技術的不斷發(fā)展推動了虛擬儀器 (virtual instrument，簡稱 vi)技術的不斷發(fā)展。虛擬儀

5、器具有豐富的軟件功能、 簡單的硬件結構、高度的智能化等特點。以虛擬儀器技術為平臺建立的電能參數監(jiān) 測分析系統(tǒng)能夠克服傳統(tǒng)的監(jiān)測系統(tǒng)功能單一、升級復雜、成本高等缺點。 因此，本論文提出并設計了基于當今測控領域的最新技術虛擬儀器技術 的電能質量參數分析系統(tǒng)，系統(tǒng)能夠對電壓、電流、功率、相位、頻率、三相電 壓不平衡度、電網諧波等電力參數進行監(jiān)測，并且具有一定的分析功能。 本論文首先闡述了對電能質量參數監(jiān)測與分析的必要性以及傳統(tǒng)電能質量監(jiān) 測裝置的缺陷，分析了利用虛擬儀器技術開發(fā)電能質量分析系統(tǒng)的可行性。然后 將電壓偏差、頻率偏差、電網諧波及三相不平衡作為主要的研究對象，對電能質 量指標的數學模型進行

6、了研究和離散化處理。接著確定了系統(tǒng)總體設計方案，重 點論述了利用 labview 開發(fā)本系統(tǒng)的各個功能模塊。 最后，就本系統(tǒng)在研究中存在的不足和需要加強的地方在文中做出了總結， 并指出本課題的進一步研究工作展望與設想。 關鍵詞關鍵詞:電能質量;電能質量分析系統(tǒng);虛擬儀器;labview abstract in recent years, the development of communication technology, computer technology and measuring technique impulse virtual instrument technical prog

7、ressive development. virtual instrument possess perfect software function, simple hardware configuration as well as high intelligent etc. the power quality parameters monitoring system mainly based on virtual instrument is better traditional monitoring and analyses system, which function is crude an

8、d update is complicate. so this paper put forward and design the power quality parameters monitoring and analyze system based the newest technology of the field of measurement and control now-the virtual instrument technical，it can monitor electric power parameter including voltage, electrical curre

9、nt, phase, frequency, three-phase voltage unbalance and harmonic, and can also provide the detailed power quality monitoring analysis and results . firstly, the shortcoming of traditional power parameters monitoring analyses system and the necessity of monitoring to power parameters are outlined in

10、this paper, besides the paper analyze the feasibility for using the virtual instrument to develop the power quality monitoring system. subsequently my paper mainly study the algorithm of monitoring voltage deviation, frequency deviation, harmonics and three-phase voltage unbalance, and dispose dispe

11、rsedly the algorithm of them at the time. then, integrated design is ascertained, besides this paper put emphases on the development of the functional module of power parameters monitoring analyze system using labview. finally, the concluding remarks summaries the deficiencies and the improvement of

12、 the system, and outlook the further research too. key words: power quality; power parameters monitoring and analyze system; virtual instrument; labview 目目 錄錄 摘要 第一章 緒論 -1 1.1 引言-1 1.2 本課題提出的背景和研究意義-1 1.3 電能質量參數分析方法-2 1.3.1 國內外衡量電能質量的指標 -2 1.3.2 電能質量參數的分析方法 -3 1.4 論文的研究思路和主要內容-4 第二章 電能質量指標綜述-5 2.1 供

13、電電壓允許偏差-5 2.1.1 概念 -5 2.1.2 電壓偏差產生的原因和對電力系統(tǒng)的危害 -5 2.1.3 電壓偏差標準 -6 2.2 電力系統(tǒng)的頻率偏差-6 2.3 三相電壓不平衡度-6 2.3.1 含有零序分量的的三相系統(tǒng)-7 2.3.2 沒有零序分量的三相系統(tǒng) -7 2.3.3 三相電壓不平衡度的限值 -8 2.4 電網諧波分析-8 2.4.1 諧波的含義和性質 -8 2.4.2 諧波產生的原因和影響 -8 2.4.3 諧波限值標準 -9 2.4.4 諧波畸變的指標 -9 2.4.5 諧波測量中的采樣問題-10 2.5 電壓波動和閃變-10 2.5.1 電壓波動和閃變的定義-10 2

14、.5.2 電壓波動與閃變的限值標準-11 2.5.3 電壓波動和閃變的 iec 測量-11 2.6 本章小結-13 第三章 虛擬儀器設計平臺 labview -14 3.1 labview 簡介-14 3.2 labview 的特點-14 3.3 labview 中的常用數據類型-15 3.3 采用 labview 編制虛擬儀器程序的步驟-16 3.4 采用 labview 實現數據分析處理-17 3.5 labview 的儀器驅動-17 第四章 基于虛擬儀器的電能質量分析系統(tǒng)的工作原理-18 4.1 系統(tǒng)的總體結構-18 4.1.1 系統(tǒng)的硬件部分-18 4.1.2 系統(tǒng)的軟件部分-21 4

15、.2 系統(tǒng)的功能模塊-21 4.3 各電能質量參數的數字化實現-22 4.3.1 基本參數的數字化測量-23 4.3.2 頻率追蹤測量-24 4.3.3 三相不平衡度的測量-24 4.3.4 相位測量-24 4.3.5 諧波分析-25 4.4 本章小結-25 第五章 電能質量分析系統(tǒng)各功能模塊的軟件實現-26 5.1 系統(tǒng)的總體設計思路-26 5.2 電能質量參數分析系統(tǒng)的軟件實現-27 5.2.1 登錄界面-27 5.2.2 主界面-28 5.2.3 伏安測量-31 5.2.4 功率測量模塊-32 5.2.5 不平衡度及相角模塊-34 5.2.6 諧波分析模塊-35 5.3 本章小結-39

16、第六章 系統(tǒng)軟件測試-40 6.1 軟件測試方法的介紹-40 6.2 系統(tǒng)軟件的測試過程-40 結論和展望-4141 參考文獻-4242 英文原文-4343 中文譯文-5454 致謝-6161 中國礦業(yè)大學 2008 屆本科生畢業(yè)設計（論文） 第 1 頁 第一章第一章 緒論緒論 1.1 引言 現代社會中，電能是一種最為廣泛使用的能源，其應用程度通常作為一個國 家發(fā)展水平的主要標志之一。隨著科學技術和國民經濟的發(fā)展，對電能質量的要 求越來越高，電能質量的好壞直接關系到國民經濟的總體效益。因此，建立和實 施電能質量的監(jiān)測與分析是提高電能質量的一個重要技術手段。 傳統(tǒng)的電能參數監(jiān)測系統(tǒng)以硬件為核心，

17、功能單一，已經逐漸無法滿足日益 復雜的、實時性、多參數測試要求。近年來，計算機技術、通信技術以及測試測 量技術的不斷發(fā)展推動了虛擬儀器(virtual instrument，簡稱 vi )技術的不斷發(fā) 展。虛擬儀器具有豐富的軟件功能、簡單的硬件結構、智能化程度高等特點，以 虛擬儀器技術為平臺建立的電能參數監(jiān)測系統(tǒng)能夠克服傳統(tǒng)的測試測量系統(tǒng)功能 單一、升級復雜等缺點，并且可以使功能更強、精度更高、速度更快、自動化程 度更高、靈活性更強。目前在開發(fā)虛擬儀器的應用程序中，美國 ni 公司的 labview 是應用最為廣泛的。 1.2 本課題提出的背景和研究意義 對供電質量及可靠性的要求日益提高是和國

18、民經濟發(fā)展與科學技術進步相聯 系的。在電力發(fā)展的初期，電力供應比較緊張，人們把關注的焦點放在電力供應 的量上，對電能質量的關注程度不多。從 20 世紀 80 年代末以來，隨著電力供應 的緊張局面逐步緩解以及電力電子技術的蓬勃發(fā)展給電力系統(tǒng)自動化帶來了很大 的變革。但是，電力電子技術的發(fā)展同時也給電力系統(tǒng)帶來許多不穩(wěn)定因素，致 使電能質量(power quality)日益惡化，電力系統(tǒng)的污染日趨嚴重，由此引起了電 力部門、工業(yè)生產、人們生活多方面的關注。由于在供電系統(tǒng)中應用了大量的變 頻器、整流設備、電弧爐等非線性負載，使得電網中的諧波污染情況日趨嚴重， 諧波含量不斷增加；由于個別超高壓輸電線路

19、不循環(huán)換位和電力機車等大容量非 對稱負載的接入，局部電網的不對稱度非常嚴重；由于大容量軋鋼機等沖擊性負 載的接入，部分電網的暫態(tài)干擾較大，電壓閃變的現象時常發(fā)生；此外，由于電 網中的自動調壓、無功自動補償裝置正確動作率不高等原因，造成用戶端電壓嚴 重的不穩(wěn)定，用電高峰時電壓過低，而在用電低谷時電壓偏高，電網的頻率有時 也會受到電網負載過重的影響。以上這些現象都屬于電能質量方面的問題，它們 對電網的安全、穩(wěn)定運行極為不利，嚴重地威脅電力系統(tǒng)的正常運行，甚至還會 對電能質量要求較高的電力用戶造成嚴重的經濟損失。 為保護電力系統(tǒng)安全和用戶的用電安全，更為了減少損耗，提高用電效率， 改善電氣環(huán)境，就必

20、須解決電能質量的問題。 通常通過以下兩條措施對電能質量的問題進行治理5:一方面利用現有的技 中國礦業(yè)大學 2008 屆本科生畢業(yè)設計（論文） 第 2 頁 術條件，采用各種可行的技術措施抑制電能質量的惡化或進行負荷調整、電網改 造來保證電能質量的正常;另一方面，我們通常在電力系統(tǒng)的特殊點處裝設電能質 量參數監(jiān)測系統(tǒng)來監(jiān)測電能質量的各種參數。只有對電能質量的各種參數進行實 時地監(jiān)測，對監(jiān)測的結果進行統(tǒng)計分析處理，才能夠正確評估電能質量的好壞， 及時地找出引起電能質量惡化的原因，從而提出電能質量問題整改的方案，為有 關部門采取有效措施隔離或降低電能質量惡化的危害提供決策支持。 因此，利用先進的技術手

21、段，采用精確合理的計算算法，研制功能齊全、性 能優(yōu)良、安裝簡單、使用方便的電能質量監(jiān)測系統(tǒng)是很有必要的。目前電力運行 設備品種繁多，相應的電能參數監(jiān)測設備種類齊全，然而常規(guī)的監(jiān)測系統(tǒng)在下列 幾個方面比較欠缺6,7 : 1)功能單一性問題。常規(guī)的電能參數監(jiān)測系統(tǒng)由于受到硬件條件的限制，每 一個系統(tǒng)只能實現一個或者少數幾個電能質量參數的檢測。 2)生產調試率低下問題。常規(guī)的電力參數監(jiān)測設備在生產調試過程中，由于 不同功能的設備在硬件、材料等方面差別很大，因此調試的工作量大，對調試人 員的要求較高，需要掌握不同的硬件原理、不同的器件特性等，因此調試率低下。 3)開發(fā)周期和開發(fā)費用問題。常規(guī)的單功能參

22、數監(jiān)測設備在開發(fā)的過程中， 要經過一個硬件設計、調試的過程，不同儀器間的資源不能互相利用，造成研發(fā) 成本高，開發(fā)周期長。 鑒于以上原因，本課題在研究新型的電能參數監(jiān)測裝置時采用了先進的虛擬 儀器技術思想，通過軟件將計算機硬件資源和儀器硬件有機地結合起來，從而把 計算機強大的計算處理能力和儀器硬件的測量、控制能力結合在一起，使得開發(fā) 的基于虛擬儀器技術的電能參數監(jiān)測系統(tǒng)具有功能靈活、操作方便等優(yōu)點，這對 于克服目前電能質量參數監(jiān)測系統(tǒng)的局限性、采取措施提高供電質量都具有重要 的意義。 1.3 電能質量參數分析方法 1.3.1 國內外衡量電能質量的指標國內外衡量電能質量的指標 國際上，ieee 第

23、 22 屆標準協調委員會和其它國際委員會最新采用 11 種指標 來衡量電能質量，大致可以分為兩大類:電壓幅值(斷電、電壓下跌、電壓上沖、 瞬時脈沖、電壓波動與閃變、電壓切痕、過電壓、欠電壓)和電壓波形(諧波、間 諧波、頻率偏差)8。 在我國，結合本國的實際情況，自 1990 年以來，我國相繼發(fā)布了五項電能質 量國家標準，分別為:gb 12325-1990電能質量供電電壓允許偏差 、gb/t 14549-1993電能質量公用電網諧波 、gb/t 15543-1995電能質量三相電壓允 許不平衡度 、gb/t 15945-1995電能質量電力系統(tǒng)頻率允許偏差 、gb 12326- 中國礦業(yè)大學 2

24、008 屆本科生畢業(yè)設計（論文） 第 3 頁 2000電能質量電壓波動和閃變)14, 16。 1.3.2 電能質量參數的分析方法電能質量參數的分析方法 對電能質量問題的分析是關系到電能質量問題解決的一個重要環(huán)節(jié)。近年來， 基于數字技術的的各種分析方法己經在以下的電能質量領域中得到廣泛地應用： 分析諧波在網絡中的傳播、分析各種擾動源引起的波形畸變、開發(fā)各種電能質量 控制裝置等。 按照所采用的不同分析方法，電能質量參數分析有時域、頻域、變換域三種 1,15 。 (1)時域仿真方法 對于電能質量中的暫態(tài)事件由于其持續(xù)的時間短、發(fā)生的時間不確定，對頻 譜分析提出了較高的要求，通常采用時域仿真方法。在三

25、種分析方法中，時域仿 真分析方法在電能質量分析中的應用最為廣泛。目前較通用的時域仿真程序主要 有 emtp, emtdc, netomac 等系統(tǒng)暫態(tài)仿真程序和 spice, pspice, saber 等電力 電子仿真程序兩大類。由于電力系統(tǒng)主要由 r, l, c 等元件組成，這些程序在求 解用微分方程描述的電力元件方程時，通常采用簡單易行的變階、變步長、隱式 梯形積分法。利用隱式可保證求解過程中的數值穩(wěn)定，采用變階、變步長技術可 縮短迭代計算的時間。采用時域仿真計算的缺點是仿真步長的選取決定了可模仿 的最大頻率范圍，因此必須事先知道暫態(tài)過程的頻率覆蓋范圍。此外，在模仿開 關的開合過程時，還

26、會引起數值振蕩。因此，要采用相應技術抑制發(fā)生數值振蕩。 (2)頻域仿真分析 頻域分析方法主要用于電能質量中諧波問題的分析，包括頻率掃描、諧波潮 流計算等。 (3)基于變換的方法 基于變換的方法常用在實時、在線的電能質量分析方法中。由于分析數據必 須以足夠高的采用速率進行采樣并存儲，而且長期在線進行，所以存儲的數據非 常的大。為了合理的利用好這些數據，可采用基于變換的方法進行擾動信號的分 析。 基于變換的方法主要指 fourier 變換方法、短時 fourier 變換方法以及近年 來出現的小波變換方法 fourier 變換方法是經典的頻譜分析和信號處理方法。它具有正交、完備等許 多優(yōu)點，但其對含

27、有短時間高頻分量和長時間低頻分量的電能質量信號分析具有 一定的局限性。目前經過改進的快速傅里葉變換(fft)和短時傅里葉變換(stet) 己經成為電能質量分析的基礎。 小波變換的分析方法是近年來興起的一種算法。由于具有時頻局部化的 特點，克服了以上 fft 和 stet 的缺點，特別適合于突變信號和不平穩(wěn)信號的分析。 中國礦業(yè)大學 2008 屆本科生畢業(yè)設計（論文） 第 4 頁 小波變換作為一種新的數字技術被引入工程界后，已在圖象處理、數據壓縮和信 號分析等領域得到廣泛應用。由于小波函數本身衰減很快，也屬一種暫態(tài)波形， 將其用于電能質量分析領域，尤其是暫態(tài)過程分析領域將具有 fft, stft

28、 所無法 比擬的優(yōu)點。 此外，國內外對于電能質量問題也越來越多地采用了模糊數學、神經網絡、 人工智能等方法以及各種方法的結合，極大地豐富了處理電能質量問題的算法8。 1.4 論文的研究思路和主要內容 本論文研究的重點在于利用 labview 平臺開發(fā)基于虛擬儀器的電能質量參數 分析系統(tǒng)，將電壓偏差、頻率偏差、電壓波動和閃變、電網諧波、三相電壓不平 衡度作為主要的研究對象，同時對電能質量參數的測試算法進行了研究，通過對 電網信號的采集、計算和分析，實現對上述五種穩(wěn)態(tài)電能質量參數的監(jiān)測和分析。 論文的主要內容有: (1)簡要介紹課題研究的背景和研究意義，詳細論述了電能質量分析系統(tǒng)存在 的實際問題以

29、及對虛擬儀器技術優(yōu)勢的分析，提出了研究基于虛擬儀器的電能質 量參數監(jiān)測系統(tǒng)的必要性和可行性。 (2)詳細闡述了電能質量指標的定義并對電能質量參數的數學模型進行了深入 的研究。 (3)通過對基于虛擬儀器監(jiān)測系統(tǒng)的簡要分析，提出了本課題所要研究的系統(tǒng) 的總體結構，并簡要的介紹了課題研究的系統(tǒng)硬件的構成方案。由于本課題所研 究重點是基于虛擬儀器的電能質量參數分析系統(tǒng)軟件功能部分，因此本論文的重 點主要是對系統(tǒng)所要實現的各個功能模塊的數學模型離散化設計進行了研究。 (4)簡要的介紹了虛擬儀器技術的概念及軟件開發(fā)平臺 labview，利用 labview 以及前面所研究的各個功能模塊的數學模型的離散化設

30、計，對系統(tǒng)的軟件 部分進行了設計，將系統(tǒng)按所要實現的監(jiān)測參數主要分為五大功能模塊:伏安測量 模塊(電壓與電流有效值、頻率測量、三相不平衡度)、相位測量、功率測量模塊、 諧波測量模塊、波動和閃變測量模塊，并且詳細的給出了功能模塊的軟件設計。 (5)利用仿真的方法對系統(tǒng)的各個功能模塊進行了試驗，并給出了試驗結果。 中國礦業(yè)大學 2008 屆本科生畢業(yè)設計（論文） 第 5 頁 第二章第二章 電能質量指標綜述電能質量指標綜述 電能質量指標是電能質量各個方面的具體描述，不同的指標有不同的定義和規(guī) 定。從總體上講，電能質量指標越接近標稱值表明電能質量越好。然而，電能從 生產到消耗是一個整體，電力系統(tǒng)的發(fā)、

31、輸、配、變、用始終處于動態(tài)平衡之中， 其中任何一環(huán)節(jié)都會對電能質量產生影響。而電能質量指標的控制又需要相當的 投入(電網結構的改進、有功功率和無功功率的平衡、各種調頻、調壓、濾波和無 功補償裝置的使用以及調度和運行技術的管理等)。因此，電能質量指標的偏差時 刻存在，而偏差是否能夠滿足規(guī)定的限值是我們進行電能質量指標監(jiān)測分析的依 據。 8,14 在本章中，簡述了電能質量指標的定義，對電能質量五項指標的數學模型進 行了一定的研究，為后續(xù)章節(jié)的數學模型的離散化設計奠定了基礎。 2.1 供電電壓允許偏差 2.1.1 概念概念 用電設備的運行指標和額定壽命是對其額定電壓而言的。當其電壓輸入端子 出現電壓

32、偏差時，其運行參數和壽命將會受到影響，影響程度視偏差的大小、持 續(xù)的時間和設備狀況而異。 測試電壓的允許偏差比較簡單。電壓允許偏差是指電力系統(tǒng)的電壓緩慢變化 時，實際電壓與系統(tǒng)標稱電壓之差。使用符合標準的電壓表測出系統(tǒng)的實際電壓， 然后用下式求出電壓偏差： （2-1）100% 額定電壓 額定電壓實際電壓 ）電壓偏差（ 式中實際電壓為實際測量電壓，額定電壓為系統(tǒng)標稱電壓 220v、380v、6kv 等。 2.1.2 電壓偏差產生的原因和對電力系統(tǒng)的危害電壓偏差產生的原因和對電力系統(tǒng)的危害 電力系統(tǒng)中的負荷以及發(fā)電機組的出力隨時發(fā)生變化，網絡結構隨著運行方 式的改變而改變，系統(tǒng)故障等因素都將引起電

33、力系統(tǒng)功率的不平衡。系統(tǒng)無功功 率不平衡是引起系統(tǒng)電壓偏差的根本原因。9 電壓偏差對電力系統(tǒng)的危害主要表現在以下幾個方面: (1)對用電設備的危害 用電設備設計在額定電壓時性能最好、效率最高，電壓偏離額定值時，其性 能和效率都會降低，有的還會減少使用壽命。電壓偏差超過一定值時，會引起設 中國礦業(yè)大學 2008 屆本科生畢業(yè)設計（論文） 第 6 頁 備的損壞。 (2)對電網穩(wěn)定運行的危害 交流輸電有個同步運行穩(wěn)定問題，輸電線的輸送功率受穩(wěn)定極限的限制，特 別是小擾動下的靜態(tài)穩(wěn)定功率極限與電網運行電壓有很大的關系，電壓越低，功 率極限越低，越容易發(fā)生不穩(wěn)定現象。 (3)對電網經濟運行的影響 輸電線

34、路和變壓器在輸送相同功率的條件下，其電流的大小和運行的電壓成 反比。電網在低電壓狀況下運行，會使線路和變壓器的電流增大，線路和變壓器 繞組的有功功率與電流平方成正比。低電壓運行會使電網有功功率損耗和無功功 率損耗大大增加，增大了供電成本。 2.1.3 電壓偏差標準電壓偏差標準（gb 12325-1990） 允許限制: 1）35kv 及以上為正負偏差絕對值之和不超過 10%； 2）10kv 及以下三相供電為7%。 3）220v 單相供電為+7%，-10%。 2.2 電力系統(tǒng)的頻率偏差 電力系統(tǒng)在正常工況下應在標稱頻率下運行，系統(tǒng)中的用電設備在設計時都 是優(yōu)先按照標稱頻率設計。但是，由于電力系統(tǒng)負

35、荷不斷變動，電源出力及其調 節(jié)系統(tǒng)追隨負荷變化又有一定的慣性，致使系統(tǒng)頻率總是一直處于變動的動態(tài)之 中，不可避免地偏離標稱值，即產生頻率偏差。因此，必須劃出頻率允許的偏差 范圍確保系統(tǒng)運行的可靠性和經濟性。 13 電力系統(tǒng)頻率是指單位時間內電信號周期性運動的次數，所謂頻率偏差是指 系統(tǒng)頻率的實際值和標稱值(工頻)之差， 16其表達式為： (2-2) n fff 式中 指實際供電頻率，hzf 供電網額定頻率，hz n f 國標中對系統(tǒng)頻率的規(guī)定如下: 1)電力系統(tǒng)正常頻率偏差范圍為-0.2hz+0. 2hz。當系統(tǒng)容量較小時，偏差 值可以放寬到-0.5hz+0.5hz。 2)用戶沖擊負荷引起的系

36、統(tǒng)頻率變動一般不得超過 0.2 hz，根據沖擊負荷的 性質和大小以及系統(tǒng)的條件也可以適當變動限值，但應保證近區(qū)電力網、發(fā)電機 組和用戶的安全、穩(wěn)定運行以及正常供電。 中國礦業(yè)大學 2008 屆本科生畢業(yè)設計（論文） 第 7 頁 2.3 三相電壓不平衡度 在理想的三相交流電力系統(tǒng)中，三相電壓應有同樣的數值，且按 a,b,c 順序 互成 2/3 角，這樣的系統(tǒng)叫做三相平衡系統(tǒng)。然而由于存在各種不平衡因素， 實際上電力系統(tǒng)并不是完全平衡的。不平衡的因素可以歸結為事故性和正常性兩 大類。事故性的不平衡是由于三相系統(tǒng)中某一相或兩相出現故障所致，這種不平 衡工況是系統(tǒng)運行不允許的，一般由繼電保護、自動裝置

37、動作切除故障元件后在 短期內使系統(tǒng)恢復正常運行。正常性的不平衡則是由于系統(tǒng)三相元件或負荷不對 稱所致，作為電能質量指標之一的“三相電壓允許不平衡度”是針對正常不平衡 工況制定的. 當三相電源電壓畸變不對稱時，對于三相四線制電路，電壓中除含有諧波分 量外，還含有正序、負序、零序分量。對于三相三線制電路，只含有正、負序分 量。三相電壓的不平衡度通常以負序分量的均方根值與正序分量的均方根值的比 值來表示: 10 (2-3) 100% u u 1 2 式中 為三相電壓正序分量的均方根值 1 u 為三相電壓負序分量的均方根值 2 u 如果將式中的電壓符號換為電流符號，就可以求出電流的三相不平衡度。 2.

38、3.1 含有零序分量的的三相系統(tǒng)含有零序分量的的三相系統(tǒng) 對于含有零序分量的三相系統(tǒng)中，應用對稱分量法，分別先利用(2-4)式求出 正序分量和負序分量，然后利用(2-3)式求出不平衡度。 (2-4) c b a aa aa u u u 111 1 1 3 1 u u u 2 2 0 2 1 式中 是正序分量 是負序分量 是零序分量 1 u 2 u 0 u 為 a 相基波電壓 ub 為 b 相基波電壓 uc 為 c 相基波電壓au 是旋轉因子a 2 3 2 1 120 jea j 2 3 2 1 2402 jea j 2.3.2 沒有零序分量的三相系統(tǒng)沒有零序分量的三相系統(tǒng) 當三相電量中不含零序

39、分量時(例如三相線電壓、無中線的三相線電流)，當 中國礦業(yè)大學 2008 屆本科生畢業(yè)設計（論文） 第 8 頁 已知三相電壓時，可以用下式求三相電壓不平衡度: （2-5） 100% 631 6-3-1 其中 2 222 444 cba cba uuu uuu 與此類似，三相電流不平衡度也可以用其相應的公式計算，只需將其中的電 壓符號換為相對應的電流符號。 2.3.32.3.3 三相電壓不平衡度的限值三相電壓不平衡度的限值 我國國家標準 gb/t 155431995電能質量 三相電壓允許不平衡度規(guī)定： 電力系統(tǒng)公共連接點正常電壓不平衡度允許值為 2%，短時不得超過 4%；接于公共 連接點的每個用

40、戶，引起該點正常電壓不平衡度允許值一般為 1.3%。 2.4 電網諧波分析 2.4.12.4.1 諧波的含義和性質諧波的含義和性質 國際上公認的諧波含義為:諧波是一個周期性電量的正弦波分量，其頻率為基 波頻率的整數倍。由于諧波的頻率是基波頻率的整數倍數，常常也稱之為高次諧 波。12 在國際電工標準中(iec 555-2, 1982)、國際大電網會議(cigre)的文獻中對 諧波也有了明確的定義:諧波分量為周期量的傅里葉級數中大于 1 的 n 次分量; ieee 標準中的定義為:諧波為一周期波或量的正弦波分量，其頻率為基波頻率的整 數倍。 以上定義明確了有關諧波性質的下列幾個問題: (1)諧波次

41、數 n 必須是一個正整數。例如，我國的電力系統(tǒng)額定頻率為 50hz， 則其基波為 50hz，二次諧波為 100hz，三次諧波為 150hz。 n 不能為非整數，因 此也不能有非整數諧波。 (2)必須嚴格區(qū)別諧波現象和暫態(tài)現象。為了區(qū)分諧波和暫態(tài)現象，根據傅立 葉級數的基本理論，被變換的波形必須是周期性的。雖然實際上很難完全做到， 因為電力系統(tǒng)負荷是變動的，而負荷的變動會影響系統(tǒng)中諧波含量，但在實際分 析中只要被分析的現象或情況持續(xù)一段適當的時間，就可以應用傅里葉變換。因 此，需要區(qū)分清楚什么是諧波現象(波形保持不變)和什么是暫態(tài)現象(每周的波形 都發(fā)生變化)。 中國礦業(yè)大學 2008 屆本科生

42、畢業(yè)設計（論文） 第 9 頁 2.4.2 諧波產生的原因和影響諧波產生的原因和影響 諧波產生的根本原因是系統(tǒng)中非線性負載的應用，如高壓直流輸電系統(tǒng)、變 頻器、可控整流器、電弧爐、電動機車等的應用，造成電網中的諧波污染、三相 電壓的不對稱性以及電壓波動和閃變日趨嚴重。同時，由于上述負荷的存在，使 得電力系統(tǒng)中的供電電壓即便是正弦波形，其電流波形也將偏離正弦波形而發(fā)生 畸變。 非正弦波形的電流在供電系統(tǒng)中傳輸時將迫使沿途電壓下降，其電壓波形也 將受其影響而產生不同程度的畸變。這種電能質量的下降會給電力系統(tǒng)和用電設 備帶來嚴重的危害。電網中諧波含量的增加，將導致電氣設備的壽命縮短，網損 加大，系統(tǒng)發(fā)

43、生諧波諧振的可能性增加，嚴重時會造成危險的過電壓、過電流， 同時還可能引起繼電保護和自動裝置誤動作、儀表指示和電度計量不準，使通信 系統(tǒng)受干擾等一系列問題。 5 2.4.32.4.3 諧波限值標準諧波限值標準（gb/t 145491993） 表 2-1 各級電網電壓諧波限制 電壓（kv） thd 奇次偶次 0.3854.02.0 6.1043.21.6 35.6632.41.2 110、220 21.60.8 2.4.4 諧波畸變的指標諧波畸變的指標 諧波分析的方法有很多種，如傅立葉變換、卡爾曼濾波、小波分析等。傅里 葉變換作為經典的信號分析方法己經比較成熟。特別是快速傅里葉變換(fft)的應

44、 用，有效地提高了信號處理的實時性。電流和電壓信號通過傅立葉變換來進行諧 波分析，根據電壓、電流諧波的幅值和相位可以計算出各次諧波的功率因數角， 進而計算出有功、無功、視在功率。 為了定量表示電力系統(tǒng)正弦波形的畸變程度，采用以各次諧波含量和諧波總 量大小來表示下列波形畸變指標。 (1)諧波含有率(harmonic ratio hr): k 次諧波分量的有效值(或幅值)與基波 分量的有效值(或幅值)的比值。 第 k 次諧波電壓的含有率: 中國礦業(yè)大學 2008 屆本科生畢業(yè)設計（論文） 第 10 頁 （2-6） 100% 1 u u hru k k 第 k 次諧波電流的含有率： （2-7） 10

45、0% 1 i i hri k k (2)總諧波畸變率(total harmonic distortion ;thd):諧波總量的有效值與 基波分量的有效值之比。 諧波電壓總量: (2-8) 2 222 3 2 2 k kkh uuuuu 電壓總諧波畸變率： （2-9） 100%100 2 2 1 k k h u hru u u thd 同理，用（2-8）式和（2-9）式亦可得出電流總諧波畸變率。 提高電能質量，防止諧波的危害，限制電力系統(tǒng)的諧波，就是要把上述指標 限制在國標規(guī)定的允許范圍之內。 2.4.5 諧波測量中的采樣問題諧波測量中的采樣問題 對周期為 t 的連續(xù)信號做等間隔的 n 點采樣

46、時，采樣周期為 t/n，對應的采樣 頻率為為周期信號頻率的 n 倍，分析其頻譜可知，其頻譜為以采樣 nftnfs/ 頻率為周期的周期性離散譜，所得的最高諧波頻率次數為 n/2-1。設原信號的最高 諧波頻率為 fc，則采樣頻率必須滿足 fs 2fc,才能正確的表示原信號的信息， 這就是采樣定理。 通常將采樣頻率的一半稱為奈奎斯特頻率。當采樣頻率低于 2 倍的奈奎斯特 頻率()時，原信號中高于的頻譜分量將會在低于頻譜中再現， cs ff22/ c f2/ c f 即會出現頻譜混疊，會使頻譜分析出現誤差。 為了防止頻譜混疊造成的諧波誤差，除提高采樣頻率外，還可使原信號在采 樣前預先設置低通濾波器，除

47、去高于一半采樣頻率以上頻率的諧波，使被采樣信 號中僅有 fs / 2 以下諧波分量，對這樣的信號采樣做離散傅里葉變換，所得到的 頻譜就不會發(fā)生頻譜的混疊，這樣就能夠準確表達原信號的信息。 11 中國礦業(yè)大學 2008 屆本科生畢業(yè)設計（論文） 第 11 頁 2.5 電壓波動和閃變 電力系統(tǒng)的電壓波動和閃變主要是由具有沖擊性(快速變動)功率的負荷引起 的，例如煉鋼電弧爐、軋鋼機、電弧焊機等，這類負荷的特點是在生產過程中有 功和無功功率隨機地或周期性地大幅度變動。隨著工業(yè)的發(fā)展，這類負荷的功率 越來越大，使電網電壓很容易產生波動和閃變，嚴重影響了電網的電能質量。因 此，對電壓波動和閃變的研究顯得越

48、來越重要。 2.5.1 電壓波動和閃變的定義電壓波動和閃變的定義 (1)電壓波動 首先必須區(qū)分快速電壓變動和電壓波動概念。供電電壓在兩個相鄰的、持續(xù) 時間在 1s 以上的電壓有效值 u1 和 u2 之間的差值，稱為電壓變動23。在不超過 30ms 的期間內，同方向的二次或二次以上的電壓均方值的變動，只算做一次電壓 變動。通常多以一次電壓變動值與標稱電壓的比值的百分數來表示電壓變動的相 對百分值 d，即 (2-10) %100100% 21 nn u u u uu d 電壓波動是指一系列電壓波動或工頻電壓包絡線的周期變化。電壓波動值為 電壓均方根值的兩個極值的差值，通常用此差值與額定電壓之比的

49、minmax uu與 n u 百分數表示其相對百分值16，即 （2-11） %100100% minmax nn u u u uu d (2)電壓閃變17 電壓閃變是指人眼對由電壓波動所引起的照明異常的視覺感受，它通常是以 白熾燈的工況作為判斷依據。電壓閃變可分為周期性和非周期性兩種，前者主要 是由于周期性的電壓波動引起的，如往復式壓縮機、電弧爐等;后者往往與隨機性 電壓波動有關，如電焊機等。 2.5.2 電壓波動與閃變的限值標準電壓波動與閃變的限值標準（gb 123262000） 電壓變動 d 的限值和變動頻度 r 有關：當時，對于低壓（lv）和 1 1000 hr 中壓（mv） ，d=1.

50、25%4%；對于高壓（hv） ，d=1%3%；對于隨機不規(guī)則的變動， d=2%（lv，mv）和 d=1.5%（hv） 。閃變限值： 表-2-2 各級電網電壓閃變限值 中國礦業(yè)大學 2008 屆本科生畢業(yè)設計（論文） 第 12 頁 系統(tǒng)電壓等級 lvmvhv pst1.0 0.9（1.0 ） 0.8 plt0.8 0.7（0.8 ） 0.6 注：1.括號中的值僅適用于所有用戶為同電壓等級場合； 2.pst 是短時間閃變值，plt 是長時間閃變值。 2.5.3 電壓波動和閃變的電壓波動和閃變的 iec 測量測量 (1)電壓波動的測量 要對電壓波動與閃變進行有效的抑制，首要的任務就是要準確地提取出波

51、動 信號，通常將電壓波動看成以工頻額定電壓為載波，其電壓的幅值受頻率范圍 0.0535hz 的電壓波動分量的調制。因此，電壓波動分量的檢出方法可采用通信 理論中大功率載波調制信號解調方法，用與載波信號同頻同相的周期信號乘以被 調信號，將電壓波動量與工頻載波電壓分離，通過帶通濾波器得到波動電壓分量。 目前常用的電壓波動檢測方法主要有三種:平方解調檢波法、整流檢波法、有 效值檢波法。18 下面簡單介紹平方檢波法的原理?？紤]電壓波動分量，就是在基波電壓上疊 加一系列的調幅波，為使分析簡化又不失一般性，將工頻電壓 u (t)的瞬時值解析 式寫成: (2-12) ttmatucoscos1 式中： a工

52、頻載波電壓的幅值 工頻載波的角頻率 m調幅波電壓的幅值 調幅波電壓的角頻率 為求解出電壓波動只需解調出調幅波，將上面(2-12)式進行平方:tmvcos 中國礦業(yè)大學 2008 屆本科生畢業(yè)設計（論文） 第 13 頁 （2-13） 經過 0.0535hz 的帶通濾波器濾去直流分量和工頻及以上的分量，便可檢測 出調幅波即電壓波動分量，其輸出為: （2-14） 由于 m 遠遠小于 1，那么(2-14)式中的第二項就非常的小，可以忽略不計，這 樣就可以獲得電壓波動的分量。 (2) iec 的閃變測量14 國際電工委員會(工 ec)依據 1982 年國際電熱協會(uie)的推薦，于 1986 年給 出

53、了閃變儀的功能和實際規(guī)范。1992 年 uie 又作出詳細的論述，其框圖如圖 2-1 所示。按此原理和框圖制作的閃變儀，已在英、法、德、意和比等五國進行聯合 測試，并證明完全符合要求。 輸入 適配 和自 檢信 號 平方 檢波 濾波 器 0.05 0.35h z 帶通 濾波 器、 加權 濾波 器 平方 一階 低通 濾波 器 閃變 統(tǒng)計 評定 u（t ） pst plt 圖 2-1 iec 推薦的閃變儀原理框圖 2.6 本章小結 本章對電能質量五項國家標準一一做了介紹，重點介紹了電網諧波、電壓波 動和閃變指標，同時深入的分析了電能質量五項指標的測量方法。 中國礦業(yè)大學 2008 屆本科生畢業(yè)設計（

54、論文） 第 14 頁 第三章 虛擬儀器設計平臺 labview 目前，開發(fā)虛擬儀器軟件一般有兩種方法:一是用通用高級編程語言編寫，主 要有 microsoft 公司的 visual basic、 visual c+, borland 公司的 delphi, ni 公司的 labwindows/cvi 等；二是用專業(yè)圖形化編程平臺開發(fā)。如 ni 公司的 labview，hp 公司的 hpvee 等。其中美國 ni 公司的圖形化編程平臺 labview 最為 科研學者和工程師們推崇，本電能質量分析系統(tǒng)就是用 labview 開發(fā)的。 3.1 labview 簡介 labview 是英文 labor

55、atory virtual instrument engineering workbench 的 簡寫，即實驗室虛擬儀器工程平臺，它是世界上第一個采用圖形化編程技術的面 向儀器的 32 位編譯型程序開發(fā)系統(tǒng)，由 ni 公司于 20 世紀九十年代推出并不斷更 新。labview 是基于圖形化編程語言(g 語言)的開發(fā)環(huán)境，它將直觀的前面板與流 程圖式的編程方法結合起來，是開發(fā)虛擬儀器的強大和理想的工具。 1 在 labview 中，一個虛擬儀器(vi)程序由兩部分組成:前面板(front panel) 和流程圖(block diagram)。前面板對應于傳統(tǒng)電子儀器的控制面板，是圖形化的 用戶界

56、面，用戶可通過前面板對儀器進行設置。在前面板上，用戶的輸入是通過 被稱為 control 摸板的輸入控件實現的，程序運行的結果輸出則由 control 模板 的 indictor 控件來實現。虛擬儀器輸出結果非常豐富，既可以輸出數據，又可以 輸出各種圖形，還可以保存為純文本、二進制文件等多種文件格式。 3.2 labview 的特點 與其它編程語言相比，labview 具有以下特點: 1） labview 采用了可視化編程技術，在前面板上提供了工業(yè)領域多種顯示和 控制對象，如開關、旋鈕、led 指示燈、儀表、圖形等。同時，用戶還可以對這些 對象進行修改以適合不同需要。labview 平臺內部集

57、成了大量功能強大的函數庫供 用戶直接調用，從底層 vxi, gpib、串口及數據采集板的控制子程序到大量的儀器 驅動程序，從基本的功能函數到高級分析庫、涵蓋了儀器設計中所需要的幾乎所 有函數。 2）labview 內置的程序編譯器采用編譯方式運行 32 位應用程序，解決了其它 按解釋方式工作的圖形編程平臺速度慢的問題，其速度大體相當于編譯 c 的速度， 因此編制出的虛擬儀器程序執(zhí)行效率高。 3) labview 支持的數據類型于其他高級語言(如 c 語言)相同，包括:數值型， 文本型，布爾型，串和簇(相當于 c 語言中的結構)，同時它和 c 語言一樣支持順 序、循環(huán)、選擇等結構，具有自動報錯和

58、處理功能。 中國礦業(yè)大學 2008 屆本科生畢業(yè)設計（論文） 第 15 頁 4)在 labview 環(huán)境下也可以設定程序斷點，進行帶數據探針的單步運行，加 亮執(zhí)行程序進行數據流追蹤。這些功能使程序的開發(fā)調試變得更為容易。 5 ) labview 是開放式的開發(fā)平臺，可以通過 dll(動態(tài)鏈接庫)接口和 cin(代 碼接口節(jié)點)，調用其它編程軟件(如 vc+, c)平臺編譯的模塊。 6)labview 提供對 tcp/ip, udp 等網絡協議的支持，可以實現儀器測量網絡化。 3.3 labview 中的常用數據類型 labview 的數據類型與傳統(tǒng)編程語言中的數據類型基本類似，除了具有一般 的

59、數據類型之外，還有一些獨特的數據類型。 表 3-1 列出了 labview 中常用的幾種數據類型及其相對應的前面板對象的默 認值、端口圖標和連線形式。每種類型的端口圖標都有一種顏色，以示區(qū)別?？?制端口圖標的邊框為粗實線，端口右側有一個享有的箭頭，表示輸出數據，指示 端口的圖標的邊框為細實線，端口左側有一個向左的箭頭，表示輸入數據。 表 3-1 labview 中常用的幾種數據類型 數據類型數據類型 默認值默認值端端 口口 圖圖 標標連線形式連線形式 雙精度浮 點 0.0 枚舉 布爾 false 字符串空字 符 數組 簇 路徑空路 徑 動態(tài)數據 中國礦業(yè)大學 2008 屆本科生畢業(yè)設計（論文）

60、 第 16 頁 波形數據 3.3 采用 labview 編制虛擬儀器程序的步驟 1.確定程序設計總體方案 在編制虛擬儀器程序前，必須首先對程序進行總體設計分析:一是確定程序要 實現的功能、要顯示的圖形圖像、要輸出的報表;二是確定程序的層次關系，如主 程序和子程序之間的關系、虛擬儀器程序與硬件的連接關系等。 2.確定虛擬儀器程序前面板 在完成虛擬儀器程序總體設計后，就可在前面板上布置實現所需功能的顯示 對象，這些對象包括開關旋鈕控制、數據顯示、表頭、波形顯示、相量圖、頻譜 圖顯示等，前面板布置好這些對象后，工程技術人員通過鼠標、鍵盤就可像操作 傳統(tǒng)儀器一樣地操作虛擬儀器。 3.構建圖形化流程圖