基于LabVIEW電能質(zhì)量監(jiān)測(cè)儀設(shè)計(jì)

精選優(yōu)質(zhì)文檔-----傾情為你奉上精選優(yōu)質(zhì)文檔-----傾情為你奉上專心---專注---專業(yè)專心---專注---專業(yè)精選優(yōu)質(zhì)文檔-----傾情為你奉上專心---專注---專業(yè)畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）題目基于LABVIEW的電能質(zhì)量監(jiān)測(cè)儀設(shè)計(jì)摘要目前，供電企業(yè)和用戶開始高度重視對(duì)電網(wǎng)電能質(zhì)量監(jiān)測(cè)的問題。一方面是因?yàn)橛绊戨娔苜|(zhì)量的因素日益增多，如今廣泛使用非線性設(shè)備和電力電子裝置，使電網(wǎng)中的電流和電壓波形發(fā)生畸變，導(dǎo)致電能質(zhì)量的惡化。另一方面，各種精密、復(fù)雜的，對(duì)電能質(zhì)量敏感的電氣設(shè)備的普及，使人們對(duì)電能的可靠性及其質(zhì)量的要求與日俱增。因此，研究供電質(zhì)量監(jiān)測(cè)的方法，找出導(dǎo)致電能質(zhì)量下降的原因具有重要的工程和理論價(jià)值。本論文設(shè)計(jì)并給出了以測(cè)控領(lǐng)域的最新技術(shù)——虛擬儀器平臺(tái)為基礎(chǔ)的電能質(zhì)量監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。該系統(tǒng)能夠?qū)﹄娏?、電壓、頻率、相位、電網(wǎng)諧波、三相電壓不平衡度、電壓波動(dòng)和閃變等電能質(zhì)量參數(shù)進(jìn)行實(shí)時(shí)地監(jiān)測(cè)，并且具有在線分析功能。本文是使用美國(guó)NI公司開發(fā)的圖形化開發(fā)軟件LABVIEW進(jìn)行系統(tǒng)程序構(gòu)建，結(jié)合使用NI公司的配套設(shè)備PCI-6024E（數(shù)據(jù)采集卡）以及傳感器、變送器等硬件設(shè)備，組建了一套電能質(zhì)量監(jiān)測(cè)儀系統(tǒng)。關(guān)鍵詞：電能質(zhì)量，在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，LABVIEW，虛擬儀器AbstractPowerqualityisanessentialconcernofelectricalutilitiesandcustomers.Ononehand,thefactorswhichaffectthepowerqualityareincreasing,forexample,thedistortedwaveofvoltagesandcurrentscausedbytheextensiveapplicationofpowerelectronicapparatusandnonlinearequipmenthasworsenedthepowerquality.Ontheotherhand,thepopularityofthecomplicated,exactitudeandpowerquality-sensitiveelectricityapplianceshasmadepowerqualitymoreimportant.Researchonthepowerqualitymonitoringandanalysismethodisofgreatvalueinboththeoryandpractice.Thispaperwasdesignedbasedonthelatesttechnologyincontrolfield-powerqualityparametersmonitorsystemonthevirtualinstrumenttechnologyplatform.Itcanmonitorelectricpowerparametersincludingvoltage,electricalcurrent,phase,frequency,three-phasevoltageunbalance,harmonicandthevoltagefluctuationandflicker,andcanalsoprovidedetailedpowerqualityanalysisinrealtime.ThispaperistouseAmericanNIcompany'sgraphicalLABVIEWsoftwaretobuiltthesystem,byusingacombinationofconstructionprogramNIcompanyauxiliaryequipmentPCI-6024E(dataacquisitioncard),sensorandtransmittershardwareequipment,establishedasetofpowerqualitymonitoringwithprecismeasurementability.Keywords:powerquality,on-linemonitoringsystem,LABVIEW,virtualinstrument目錄TOC\o"1-3"\h\u1.緒論1.1課題研究背景與意義目前，電能已經(jīng)成為人類社會(huì)不可或缺的一種資源，人們利用它完成各種所需要的工作，它已經(jīng)成為人類賴以生存和發(fā)展的重要部分。它承載了太多太多，如今開始不堪重負(fù)，但是現(xiàn)代社會(huì)恰恰相反，對(duì)電能的質(zhì)量的要求卻反而越來(lái)越高，這樣的矛盾必然會(huì)引來(lái)社會(huì)性的問題，因此不少的專家和學(xué)者們都對(duì)這個(gè)問題陷入了沉思。最近幾十年來(lái)，一方面，工業(yè)科技的迅速發(fā)展給人類帶來(lái)了進(jìn)步，但是與此同時(shí)也給電能質(zhì)量帶來(lái)了大量的沉重負(fù)荷，給電網(wǎng)造成了不可磨滅的破壞；另一方面，隨著科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步，無(wú)數(shù)的精密儀器被引入到電網(wǎng)中來(lái)，這些精密儀器對(duì)電能質(zhì)量的要求越來(lái)越高，而電能質(zhì)量不斷惡化已經(jīng)帶給用戶不少損失。當(dāng)今社會(huì)電力部門追求電能經(jīng)濟(jì)效益最大化的過(guò)程中，電力部門必然會(huì)要求電能質(zhì)量的不斷提高，并且使電能質(zhì)量的標(biāo)準(zhǔn)不斷完善。在今年來(lái)大規(guī)模的國(guó)際國(guó)內(nèi)供電會(huì)議上，有關(guān)電能質(zhì)量的標(biāo)準(zhǔn)制定比比皆是，大多都是圍繞電能質(zhì)量的概念、標(biāo)準(zhǔn)、測(cè)量和改善的相關(guān)研究。從某種程度上講，電能質(zhì)量已經(jīng)成為當(dāng)今社會(huì)即將面臨的一個(gè)嚴(yán)峻的挑戰(zhàn)之一。IEEE（美國(guó)電氣電子工程師協(xié)會(huì)）和IEC（國(guó)際電工委員會(huì)）都對(duì)電能質(zhì)量進(jìn)行了相關(guān)的界定和分類。并且將電能質(zhì)量問題分類成：瞬時(shí)現(xiàn)象、短時(shí)變動(dòng)、長(zhǎng)時(shí)變動(dòng)、波形畸變、電壓不平衡、電壓波動(dòng)和工頻現(xiàn)象等七種。聯(lián)系我國(guó)實(shí)際情況和IEEE與IEC的標(biāo)準(zhǔn)，我國(guó)也相繼頒布了關(guān)于電能質(zhì)量問題的五項(xiàng)指標(biāo)分別是：電網(wǎng)頻率允許偏差、供電電壓允許偏差、公用電網(wǎng)諧波、三相不平衡度、電壓波動(dòng)與閃變。根據(jù)調(diào)查知道，我國(guó)目前使用的電能質(zhì)量監(jiān)測(cè)的儀器相對(duì)國(guó)外的產(chǎn)品還比較落后，主要是基于單片機(jī)的檢測(cè)設(shè)備，抗干擾能力很差，也不能穩(wěn)定準(zhǔn)確的檢測(cè)分析電能質(zhì)量的本質(zhì)問題。然而使用國(guó)外的產(chǎn)品成本相對(duì)來(lái)說(shuō)偏高，并且維護(hù)和升級(jí)很麻煩，不能滿足要求。正因?yàn)槿绱艘胄录夹g(shù)是十分有必要的，在控制領(lǐng)域中虛擬儀器可以算最先進(jìn)的儀器技術(shù)，可以使用這種技術(shù)來(lái)研制電能質(zhì)量的監(jiān)測(cè)設(shè)備，來(lái)對(duì)電能質(zhì)量進(jìn)行實(shí)時(shí)的在線監(jiān)測(cè)，以保證電網(wǎng)的安全、穩(wěn)定的運(yùn)行。電能質(zhì)量關(guān)系到國(guó)家的命脈，特別是涉及到電力、鐵道、化工、冶金、IT等諸多行業(yè)的發(fā)展。因此國(guó)內(nèi)國(guó)外的專家學(xué)者們都引起了高度的重視，并且隨著經(jīng)濟(jì)發(fā)展和工業(yè)管理體制的轉(zhuǎn)變，電網(wǎng)逐漸實(shí)現(xiàn)了商業(yè)化的管理體制，使得用戶不斷地追求高質(zhì)量的電能供應(yīng)，這給電能供應(yīng)商除了個(gè)難題，也促使電能質(zhì)量的向前發(fā)展不斷提高。1.2國(guó)內(nèi)外對(duì)電能質(zhì)量的監(jiān)測(cè)研究現(xiàn)狀隨著對(duì)電能質(zhì)量問題的逐步重視，針對(duì)這一問題的研究也如雨后春筍一樣蓬勃發(fā)展起來(lái)，特別是在工業(yè)發(fā)達(dá)國(guó)家，已經(jīng)得出了不少的研究成果。在國(guó)內(nèi)外，目前主要使用的監(jiān)測(cè)方式是使用智能儀器，由數(shù)字技術(shù)和相關(guān)的硬件組成。這種儀器的體積龐大，測(cè)量精度不高，容易受到外界環(huán)境的影響，而且在測(cè)量不同的電能指標(biāo)時(shí)還要更換相應(yīng)的硬件設(shè)備，這些弊病給監(jiān)測(cè)帶來(lái)了諸多不便。為了增加同時(shí)測(cè)量的指標(biāo)，不得不加入各自的硬件電路，這樣以來(lái)設(shè)備的體積更加龐大，不能實(shí)時(shí)的保存測(cè)量數(shù)據(jù)，觀測(cè)歷史數(shù)據(jù)極為不方便。國(guó)內(nèi)的電能質(zhì)量設(shè)備研究起步較晚，傳統(tǒng)的電能質(zhì)量檢測(cè)儀有以下幾點(diǎn)缺陷：①生產(chǎn)調(diào)試率低下問題。②功能單一型問題。③開發(fā)周期和開發(fā)費(fèi)用問題。虛擬儀器的出現(xiàn)為上述問題帶來(lái)了解決辦法，徹底的改變了這一現(xiàn)狀，它將信息通訊、儀器儀表、信息通訊、計(jì)算機(jī)技術(shù)相結(jié)合，使用強(qiáng)大的計(jì)算機(jī)來(lái)實(shí)現(xiàn)龐大的硬件電路的測(cè)試功能。本論文設(shè)計(jì)了基于虛擬儀器的電能質(zhì)量監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，通過(guò)計(jì)算機(jī)的高速計(jì)算能力對(duì)電能質(zhì)量進(jìn)行在線監(jiān)測(cè)，使電力部門能實(shí)時(shí)的掌握電能質(zhì)量情況，便于對(duì)突發(fā)狀況作出有效的補(bǔ)救措施，避免不必要的損失。1.3本論文主要工作本文在對(duì)電力系統(tǒng)的電能質(zhì)量指標(biāo)及測(cè)量方法進(jìn)行研究的同時(shí)，設(shè)計(jì)了基于LABVIEW的電能質(zhì)量監(jiān)測(cè)儀，通過(guò)在線監(jiān)測(cè)電壓波動(dòng)和閃變、電壓和頻率偏差、電網(wǎng)諧波、三相不平衡度進(jìn)行在線監(jiān)測(cè)、并且對(duì)結(jié)果進(jìn)行計(jì)算和分析。主要工作如下：（1）、對(duì)目前國(guó)內(nèi)外電能質(zhì)量的現(xiàn)狀進(jìn)行了解，知道目前電能質(zhì)量已經(jīng)成為了社會(huì)的熱點(diǎn)話題，針對(duì)改善電能質(zhì)量的方案層出不窮。（2）、對(duì)我國(guó)電能質(zhì)量監(jiān)測(cè)現(xiàn)狀做了了解和學(xué)習(xí)，發(fā)現(xiàn)我國(guó)的監(jiān)測(cè)技術(shù)尚未成熟還需要進(jìn)一步的研究和開發(fā)。（3）、討論衡量電能質(zhì)量監(jiān)測(cè)和電能質(zhì)量問題的指標(biāo)的方法，并對(duì)電網(wǎng)諧波和閃變的測(cè)量方法進(jìn)行研究，尋找提高測(cè)量精度的措施和方法。（4）、學(xué)習(xí)使用虛擬儀器軟件LABVIEW，在此平臺(tái)上開發(fā)了電能質(zhì)量監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的軟件系統(tǒng)設(shè)計(jì)，此系統(tǒng)在功能上可以代替電能質(zhì)量監(jiān)測(cè)儀的部分硬件，主要功能是檢測(cè)電網(wǎng)電壓、頻率、三相不平衡度、諧波含量及電壓波動(dòng)與閃變，并判斷到得的數(shù)據(jù)是否符合國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)。設(shè)計(jì)了相應(yīng)的硬件部分，此部分在整個(gè)檢測(cè)過(guò)程中主要起到獲取電壓電流的物理量，進(jìn)行數(shù)模轉(zhuǎn)換、數(shù)據(jù)采樣并傳輸?shù)絇C的功能。（5）、對(duì)本次設(shè)計(jì)項(xiàng)目的總結(jié)，對(duì)前景的展望以及對(duì)不足之處的認(rèn)識(shí)。

2.電能質(zhì)量指標(biāo)及測(cè)量方法2.1電能質(zhì)量指標(biāo)簡(jiǎn)介為了找出引起電能質(zhì)量下降的原因，并且系統(tǒng)的研究電能質(zhì)量問題，在線分析其測(cè)量結(jié)果，以便采取相應(yīng)的措施來(lái)解決，我們一定要先對(duì)電能質(zhì)量的各項(xiàng)指標(biāo)有所了解。電能質(zhì)量指標(biāo)是對(duì)指一些能夠?qū)﹄娔苜|(zhì)量各方面的進(jìn)行具體描述的數(shù)字量，不同電能指標(biāo)的意義都是不同的。目前我國(guó)制定的電能質(zhì)量指標(biāo)主要包括以下幾項(xiàng)：電網(wǎng)電壓和頻率允許偏差、三相不平衡度、公用電網(wǎng)諧波、電壓波動(dòng)與閃變。還有暫態(tài)電能質(zhì)量問題、長(zhǎng)持續(xù)時(shí)間電能質(zhì)量問題和短持續(xù)時(shí)間電能質(zhì)量問題等，不難看出，我國(guó)的電能質(zhì)量監(jiān)測(cè)還處在起步階段。目前工業(yè)生產(chǎn)中有些指標(biāo)已經(jīng)是急需提出的，但仍沒有作出相關(guān)的規(guī)定。因此，如果要建立電能質(zhì)量完整標(biāo)準(zhǔn)體系，需要開展的工作依然很多。2.2電網(wǎng)電壓允許偏差電網(wǎng)供電電壓允許偏差是指電力系統(tǒng)電壓緩慢的變化時(shí)額定電壓與測(cè)量電壓之差。通常指電壓小于1%/秒的速度測(cè)量電壓和額定電壓的差異，表示為：(2-1)偏差過(guò)大造成的危害有如下幾點(diǎn)：⑴對(duì)電氣設(shè)備的危害，電氣設(shè)備的設(shè)計(jì)在額定電壓的工作情況下，具有最高的效率和性能。電壓偏差使其工作時(shí)的的性能和效率減少，有的還會(huì)減少使用壽命，電壓超過(guò)一定值的電壓偏差會(huì)造成設(shè)備的損壞。⑵影響電網(wǎng)的安全、穩(wěn)定、經(jīng)濟(jì)運(yùn)行，當(dāng)系統(tǒng)的電壓降低時(shí)，發(fā)電機(jī)會(huì)受到影響，主要表現(xiàn)在定子電流增大，當(dāng)電流此時(shí)已經(jīng)是額定值時(shí)，如果電壓突然降低，電流則會(huì)超過(guò)額定值，影響電機(jī)的運(yùn)行，甚至帶來(lái)故障。類似的變壓器也要減少負(fù)荷，有時(shí)甚至?xí)?dǎo)致電壓崩潰的嚴(yán)重后果，因?yàn)橄到y(tǒng)中無(wú)功功率短缺時(shí)，母線電壓可能因?yàn)槲⑿_動(dòng)而大幅度下降，導(dǎo)致電網(wǎng)崩潰這樣的災(zāi)難性事故。在國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)《電能質(zhì)量——供電電壓允許偏差》（GB-12325-1990）[1]中規(guī)定：⑴35kV及以上供電電壓偏差的絕對(duì)值之不能超過(guò)額定電壓的10%。若供電電壓上下偏差同號(hào)（均為正或負(fù)）時(shí)，按偏差絕對(duì)值較大的那一個(gè)作為衡量依據(jù)。⑵10kV及以下三相供電電壓允許偏差為額定電壓的±7%。⑶220V單相供電電壓允許偏差為額定電壓的+7%，-10%。供電電壓為供電部門與用戶的產(chǎn)權(quán)分界處的電壓或由供用電協(xié)議所規(guī)定的電能計(jì)量點(diǎn)的電壓。2.3電網(wǎng)頻率允許偏差2.3.1頻率偏差的測(cè)量方法電力系統(tǒng)的頻率是指單位時(shí)間內(nèi)電信號(hào)周期性運(yùn)動(dòng)次數(shù)，用f表示，單位為Hz。當(dāng)電力系統(tǒng)運(yùn)行在正常條件下，系統(tǒng)頻率的實(shí)際值與標(biāo)稱值(工頻)之差稱為系統(tǒng)的頻率偏差，用公式表示為式)：(2-2)式中：為實(shí)際頻率，為偏差頻率，為系統(tǒng)標(biāo)稱頻率。目前，測(cè)量頻率的主要方法有：(1)周期法，通過(guò)測(cè)量輸入波形相鄰過(guò)零點(diǎn)之間的時(shí)間寬度的倒數(shù)來(lái)計(jì)算頻率。這種方法的概念清晰，容易實(shí)現(xiàn)，但精度低，容易受噪聲、諧波和非周期分量的影響。對(duì)這種算法的改進(jìn)主要是提高實(shí)時(shí)性和測(cè)量精度，改進(jìn)算法主要有：高次修正函數(shù)法、水平交算法（levelcrossing）、最小二乘多項(xiàng)式曲線的擬合法，這些算法的計(jì)算量和復(fù)雜度都很大。(2)誤差最小化原理類算法，包括最小絕對(duì)值近似法、最小二乘算法、離散卡爾曼濾波算法、牛頓類算法，這些算法運(yùn)算比較復(fù)雜，但實(shí)時(shí)性不佳。(3)DFT(離散傅里葉變換)類算法及其改進(jìn)算法（FFT）。在理想的模型下DFT(FFT)類似算法，只要參數(shù)選擇合適就能準(zhǔn)確的地計(jì)算出模型的參數(shù)，在考慮噪聲和諧波的情況下，各類改進(jìn)算法雖然能在一定程度上減小測(cè)量誤差，但存在時(shí)滯和增大計(jì)算量等缺點(diǎn)。但是實(shí)際運(yùn)用中通常依然采用這種方法。2.3.2頻率偏差的危害頻率偏差也是電能質(zhì)量的重要指標(biāo)之一。現(xiàn)代用電設(shè)備對(duì)頻率的要求比較高，特別是在發(fā)電廠的用電負(fù)荷上，要求更高。對(duì)頻率的控制是保證發(fā)電廠和用戶正常運(yùn)行的前提條件。電力系統(tǒng)頻率允許偏差，顧名思義就是基波頻率與額定頻率的偏離程度?！峨娏ο到y(tǒng)頻率允許偏差》中有規(guī)定：電力系統(tǒng)在正常情況下允許的頻率偏差為±0.2Hz，如果系統(tǒng)容量較小，偏差值可以適當(dāng)?shù)姆艑挼健?.5Hz。沖擊負(fù)荷用戶引起的頻率變動(dòng)一般情況下不得超過(guò)±0.2Hz，根據(jù)特殊的沖擊負(fù)荷大小和性質(zhì)以及系統(tǒng)的其他條件，限值也可做適當(dāng)?shù)淖儎?dòng)，但前提條件是必須保證近區(qū)電力網(wǎng)發(fā)電機(jī)組以及周邊用戶的安全穩(wěn)定運(yùn)行以及正常供電。系統(tǒng)頻率的過(guò)大變動(dòng)會(huì)對(duì)用戶和發(fā)電廠照成的不良影響主要有如下幾個(gè)方面：(1)異步電機(jī)轉(zhuǎn)速變化率的變化,導(dǎo)致紡織、造紙機(jī)械產(chǎn)品質(zhì)量的影響；(2)某些測(cè)控設(shè)備的運(yùn)行也需要很依賴頻率，一旦頻率偏差過(guò)大將不能正常工作(3)頻率下降會(huì)引起電動(dòng)機(jī)的功率和轉(zhuǎn)速降低，造成傳動(dòng)機(jī)械的效率下降；(4)發(fā)電廠的汽輪機(jī)葉輪振動(dòng)隨著頻率降低而變大，影響其使用壽命；(5)系統(tǒng)的頻率下降，發(fā)電廠效率降低，使系統(tǒng)頻率的質(zhì)量雪上加霜；(6)變壓器和異步電機(jī)電流隨系統(tǒng)頻率降低而增加，消耗的無(wú)功功率增加，電力系統(tǒng)的電壓水平進(jìn)一步惡化；總之，所有用電設(shè)備的設(shè)計(jì)都是遵循系統(tǒng)額定值的，電力系統(tǒng)頻率質(zhì)量下降必然會(huì)影響到各行各業(yè)的發(fā)展。而頻率過(guò)低時(shí)，可能會(huì)使整個(gè)電力系統(tǒng)瓦解，造成大面積停電的嚴(yán)重事故。2.4電網(wǎng)三相電壓允許不平衡度2.4.1對(duì)稱分量法介紹在三相交流系統(tǒng)中，如果三相頻率相同、相量大小相等且互差2π/3時(shí)，為理想狀態(tài)，稱為三相平衡系統(tǒng)，否則稱為三相不平衡系統(tǒng)。實(shí)際中的電力系統(tǒng)不可能是完全平衡的，引起這種不平衡的因素有正常性和事故性兩大類:如果是由于三相系統(tǒng)中某一相或兩相出現(xiàn)故障而導(dǎo)致的三相不平衡，稱之為事故性的不平衡，這種不平衡工況是系統(tǒng)不允許的，一般由自動(dòng)裝置和繼電保護(hù)裝置動(dòng)作切除故障源，在短期內(nèi)就可以使系統(tǒng)恢復(fù)正常運(yùn)行；如果是由于系統(tǒng)負(fù)荷不對(duì)稱或三相元件不對(duì)稱所致，這種不平衡被稱為正常性的不平衡。在這里需要聲明，“三相電壓允許不平衡度”的制定是針對(duì)正常不平衡工況?？偹苤?，在三相電力系統(tǒng)中，電量可被分解為零序分量、正序分量和負(fù)序分量這三個(gè)對(duì)稱分量，因此對(duì)三相不平衡的研究需要使用到一種方法叫做對(duì)稱分量法。由對(duì)稱分量法可知，當(dāng)電力系統(tǒng)工作在正常方式下，某電量的三相不平衡度定義為該電量負(fù)序分量的均方根值與其正序分量的均方根值之比，用符號(hào)表示，即：(2-3)式中：U1是三相電壓正序分量的均方根值；U2是三相電壓負(fù)序分量的均方根值。由式（2-3）可見，在計(jì)算三相系統(tǒng)的不平衡度之前，必須首先知道三相系統(tǒng)的負(fù)序分量和正序分量。并且測(cè)得各相量的相位及大小，再根據(jù)對(duì)稱分量法將三相不對(duì)稱的分量分解為三項(xiàng)對(duì)稱的分量，即正序分量、負(fù)序分量和零序分量：(2-4)式中，；(2-5)如果三相電量中不含零序分量時(shí)(例如無(wú)中線的三相線電流、三相線電壓)，當(dāng)已知三相量Ua、Ub、Uc時(shí)，可以用下式求的不平衡度：(2-6)式中：與此類似，三相電流不平衡度也可以用其相應(yīng)的公式計(jì)算，只需將其中的電壓符號(hào)換為相對(duì)應(yīng)的電流符號(hào)。2.4.2三相不平衡的危害[2]隨著國(guó)民經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，電力系統(tǒng)中出現(xiàn)了大量不平衡負(fù)荷，以及一些單相大容量負(fù)荷(例如交流電弧爐、電氣化鐵路)，使電網(wǎng)三相電壓不平衡日趨嚴(yán)重，危及電力系統(tǒng)的安全和經(jīng)濟(jì)運(yùn)行。三相電壓或電流不平衡會(huì)對(duì)電力系統(tǒng)和用戶造成一系列的危害，其中主要有：(1)引起旋轉(zhuǎn)電機(jī)的附加發(fā)熱和振動(dòng)，危及其安全運(yùn)行和正常出力。(2)引起以負(fù)序分量為起動(dòng)元件的多種保護(hù)發(fā)生誤動(dòng)作(特別是當(dāng)電網(wǎng)中同時(shí)存在諧波時(shí))，這對(duì)電網(wǎng)安全運(yùn)行是有嚴(yán)重威脅的。(3)電壓不平衡使半導(dǎo)體變流設(shè)備產(chǎn)生附加的諧波電流(非特征諧波)，而這種設(shè)備一般設(shè)計(jì)上只允許2％的電壓不平衡度。(4)電壓不平衡使發(fā)電機(jī)容量利用率下降。由于不平衡時(shí)最大相電流不能超過(guò)額定值，在極端情況下，只帶單相負(fù)荷時(shí)則設(shè)備利用率僅為0.577。(5)變壓器的三相負(fù)荷不平衡，不僅使負(fù)荷較大的一相繞組過(guò)熱導(dǎo)致其壽命縮短，而且還會(huì)由于磁路不平衡，大量漏磁通經(jīng)箱壁、夾件等使其嚴(yán)重發(fā)熱，造成附加損耗。(6)在低壓配電線路中，三相不平衡會(huì)影響計(jì)算機(jī)正常工作，還會(huì)引起照明電燈壽命縮短(電壓過(guò)高)或照度不足(電壓過(guò)低)以及電視機(jī)的損壞等。(7)三相不平衡時(shí)，將引起電網(wǎng)損耗的增加。(8)干擾通訊系統(tǒng)，影響正常的通信質(zhì)量。根據(jù)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)《電能質(zhì)量三相電壓允許不平衡度》的規(guī)定，電力系統(tǒng)正常運(yùn)行方式下，公共連接點(diǎn)正常電壓不平衡度允許值為2％，短時(shí)不得超過(guò)4％。2.5公用電網(wǎng)諧波2.5.1諧波源及諧波的定義諧波是一個(gè)頻率為基波頻率整數(shù)倍的正弦周期性分量[3]。這一定義說(shuō)明諧波次數(shù)是正整數(shù)，這一概念需要區(qū)別于電磁兼容中的次諧波、分?jǐn)?shù)諧波和間諧波等概念。另外，還要與暫態(tài)現(xiàn)象區(qū)別開來(lái)，諧波的電壓電流波形基本保持不變，而暫態(tài)現(xiàn)象電壓電流波形是每個(gè)周期都要發(fā)生變化的。諧波的產(chǎn)生，主要是由于在電力系統(tǒng)中引入用電整流設(shè)備和大容量電力設(shè)備以及其它非線性負(fù)荷，這些設(shè)備對(duì)系統(tǒng)危害很大。工業(yè)上一般用總諧波畸變率、諧波含有率這兩個(gè)專業(yè)詞語(yǔ)來(lái)表示諧波的嚴(yán)重程度。第h次諧波電壓含有率：(2-7)式中：：第h次諧波電壓(均方根值)；：基波電壓(均方根值)。諧波電壓：(2-8)電壓總諧波畸變率：(2-9)電流的諧波計(jì)算類似于電壓的計(jì)算公式，這里不一一列出。對(duì)諧波的測(cè)量通常情況下，往往會(huì)選取用戶和電網(wǎng)連接的公共連接點(diǎn)作為諧波檢測(cè)點(diǎn)，但是有時(shí)候?yàn)榱苏莆针娋W(wǎng)諧波水平，還應(yīng)該在電廠內(nèi)部、主變電站內(nèi)部設(shè)置檢測(cè)點(diǎn)，用來(lái)監(jiān)測(cè)有關(guān)線路的諧波電流和電網(wǎng)的諧波電壓水平。系統(tǒng)中的諧波源主要可分為兩大類：(1)含電弧和鐵磁非線性設(shè)備的諧波源，如日光燈和發(fā)電機(jī)、交流電弧爐、變壓器及鐵磁諧振設(shè)備、交流電焊機(jī)等。家用電器設(shè)備雖然其容量小，但是數(shù)量卻很大，因此也不可忽視。電氣鐵道機(jī)車一般采用大容量單相整流設(shè)備，這除了會(huì)給電網(wǎng)帶來(lái)三相不平衡外，還會(huì)產(chǎn)生大量的諧波；類似于電弧爐等含有電弧的設(shè)備，例如電焊設(shè)備和冶煉設(shè)備，會(huì)產(chǎn)生間諧波，還會(huì)產(chǎn)生高次諧波，簡(jiǎn)諧波的引入可能引起電壓波動(dòng)和閃變。這些設(shè)備的大量引入都會(huì)給電力網(wǎng)的電壓電流波形帶來(lái)畸變，同時(shí)對(duì)電力設(shè)備、通信線路、廣大用戶電氣設(shè)備及電子設(shè)備產(chǎn)生危害和干擾。(2)含半導(dǎo)體非線性元件的諧波源，如各種整流設(shè)備、交直流換流設(shè)備、整流器、相控調(diào)制變頻器以及現(xiàn)代工業(yè)設(shè)施、變流器、為節(jié)能和控制用的電力電子設(shè)備、直流拖動(dòng)設(shè)備、PWM變頻器等；2.5.2諧波的危害在電力系統(tǒng)中主要是各種諧波源產(chǎn)生的諧波對(duì)電力系統(tǒng)電能質(zhì)量造成污染，以致整個(gè)電力系統(tǒng)的電力環(huán)境包括廣大用戶和電力系統(tǒng)本身。因?yàn)槠湮廴居绊懙木嚯x遠(yuǎn)、范圍大，甚至比工廠對(duì)大氣環(huán)境的污染更為嚴(yán)重。第一類是對(duì)計(jì)算機(jī)控制器或系統(tǒng)、繼電保護(hù)器的動(dòng)作、儀表測(cè)量以及視聽設(shè)備的影響，它可能造成設(shè)備的性能惡化或工作失誤，甚至毀壞；第二類是對(duì)機(jī)電設(shè)備的影響，它可能造成設(shè)備降低出力、減少設(shè)備壽命、甚至損壞等。具體表現(xiàn)為：(1)引起無(wú)功補(bǔ)償電容器組的諧振或諧波電流放大，直接導(dǎo)致電容器因過(guò)電壓或過(guò)負(fù)荷而損壞。(2)使發(fā)電機(jī)和電動(dòng)機(jī)產(chǎn)生脈動(dòng)轉(zhuǎn)矩和噪聲，增加功率損耗和發(fā)熱。(3)當(dāng)發(fā)生諧振或放大時(shí)，導(dǎo)致供電網(wǎng)和導(dǎo)線的損耗增加。(4)當(dāng)存在負(fù)荷電流畸變時(shí)，電流波形畸變將會(huì)影響斷路器斷路容量，特別是在在過(guò)零點(diǎn)，可能會(huì)造成電流波動(dòng)變化率過(guò)高，斷路器的開斷將更為困難，這時(shí)開斷時(shí)間必然會(huì)延長(zhǎng)，因而延長(zhǎng)了故障電流的切除時(shí)間，直接造成快速重合閘后的再燃。(5)降低了變壓器負(fù)荷能力，負(fù)荷電流中的諧波流過(guò)變壓器時(shí)，必然會(huì)在變壓器中造成的損耗，引起附加發(fā)熱。(6)諧波可能導(dǎo)致觸發(fā)回路誤觸發(fā)以及晶閘管誤動(dòng)作等故障。綜上所述，可知諧波的引入將會(huì)給各種電力設(shè)備通信設(shè)備帶來(lái)有害影響。甚至有可能會(huì)造成電力系統(tǒng)事故和設(shè)備損毀。特別是在近年來(lái)電力電子設(shè)備迅速增長(zhǎng)的同時(shí)，給電網(wǎng)引入了不少的諧波，然而目前對(duì)它們諧波的影響問題還沒有做出充分的研究。所以此次研究的必要性十分明顯。2.5.3國(guó)標(biāo)中關(guān)于諧波的規(guī)定國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)在電能質(zhì)量規(guī)定中對(duì)公用電網(wǎng)諧波有如下限制，對(duì)公用電網(wǎng)諧波電壓的限值如表2-1所示：表2.1公用電網(wǎng)諧波的限值電網(wǎng)標(biāo)稱電壓（kV）電壓總諧波畸變率各次諧波電壓含有率（%）奇次偶次0.385.0%4.02.064.0%3.21.6104.0%3.21.6353.0%2.41.2663.0%2.41.21102.0%1.60.8國(guó)家對(duì)諧波的測(cè)量?jī)x器也有一定的評(píng)定標(biāo)準(zhǔn)：(1)必須滿足本標(biāo)準(zhǔn)測(cè)量的要求。(2)為了將諧波和暫態(tài)現(xiàn)象區(qū)別開，做如下規(guī)定：對(duì)負(fù)荷變化比較快的諧波，測(cè)量結(jié)果為3s內(nèi)所測(cè)值的平均值，推薦采用下式計(jì)算：（2-10）式中：3s內(nèi)第k次測(cè)得的h次諧波的有效值；m：3s內(nèi)取均勻間隔的測(cè)量次數(shù)，m≥6。(3)諧波測(cè)量?jī)x器的允許誤差，應(yīng)該在規(guī)定范圍內(nèi)。(4)由于現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境必然會(huì)有電磁干擾，因此要求儀器有一定的抗電磁干擾能力。并且儀器必須保證頻率在49Hz―51Hz內(nèi)，電源在標(biāo)稱電壓15%范圍內(nèi)，電壓總諧波畸變率低于8%的條件下能正常工作。2.6電壓波動(dòng)和閃變2.6.1電壓波動(dòng)和閃變的定義及簡(jiǎn)介電壓閃變是指人眼對(duì)由電壓波動(dòng)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(jù)，將電壓閃變可分為非周期性和周期性兩種，前者主要是由于隨機(jī)性電壓的波動(dòng)引起的，如電焊機(jī)等；后者主要與周期性的電壓波動(dòng)有關(guān)，如往電弧爐、復(fù)式壓縮機(jī)等。這些不平衡的非線性沖擊性負(fù)荷會(huì)引起有功和無(wú)功功率周期性大幅變化，當(dāng)這些波動(dòng)電流流過(guò)阻抗時(shí)必然會(huì)引起電壓降落，導(dǎo)致與之連接在一起的電網(wǎng)其他線路電壓發(fā)生波動(dòng)，這種波動(dòng)就是電壓波動(dòng)，其頻率與波動(dòng)電流的頻率相同。電壓波動(dòng)通常是指電壓幅值在一定范圍內(nèi)隨機(jī)的或有規(guī)律的變動(dòng)，這個(gè)范圍通常定位額定值的90%到110%。電壓波動(dòng)值的計(jì)算方法為：通常用額定電壓的百分?jǐn)?shù)表示其相對(duì)百分值d，即：(2-11)式中：Umax與Umin為電壓均方根值的兩個(gè)極值電壓波動(dòng)通常會(huì)引起電視畫面質(zhì)量變化、使電子儀器測(cè)量失常、使電動(dòng)機(jī)產(chǎn)生轉(zhuǎn)速脈動(dòng)、使白熾燈閃爍等等，以致許多用電設(shè)備不能正常工作。在眾多用電設(shè)備中，白熾燈對(duì)電壓波動(dòng)的敏感度相對(duì)較高，而且很常見。因此，選擇人眼對(duì)白熾燈亮度閃爍的主觀視感，即“閃變”，作為衡量電壓波動(dòng)嚴(yán)重程度的評(píng)價(jià)指標(biāo)。2.6.2電壓波動(dòng)和閃變的測(cè)量方法閃變是對(duì)燈光閃爍觀測(cè)的統(tǒng)計(jì)量，因此閃變不僅與波動(dòng)電壓的幅值、波動(dòng)電壓的頻率有關(guān)，而且與照明工具的性能、人的視覺有關(guān)。閃變能覺察到的最大頻率范圍為0．05-35Hz，其中敏感度最大頻率為8．8Hz。閃變嚴(yán)重程度的判斷一般用長(zhǎng)時(shí)和短時(shí)閃變值和兩個(gè)指標(biāo)來(lái)判別[4]。實(shí)際應(yīng)用時(shí)通常用以下5個(gè)時(shí)段的測(cè)定值來(lái)計(jì)算短時(shí)閃變(在10min內(nèi))的平滑估計(jì)值。表示短時(shí)閃變嚴(yán)重度，計(jì)算公式為：(2-12)式中：分別為CPF曲線上以下五個(gè)時(shí)間點(diǎn)0.001、0.01、0.03、0.10和0.5的S(t)值。N個(gè)波動(dòng)電壓引起的閃變?cè)谕还?jié)點(diǎn)上相互疊加，短時(shí)間閃變值可按式（2-13）計(jì)算：(2-13)式中：m值取決于主要閃變?cè)吹墓r的重疊可能性以及性質(zhì)短時(shí)閃變值只適用于對(duì)單一閃變?cè)丛斐傻母蓴_進(jìn)行評(píng)價(jià)，對(duì)于系統(tǒng)長(zhǎng)時(shí)間運(yùn)行并且工作占空比不確定的多閃變?cè)催\(yùn)行的隨機(jī)情況，則必須計(jì)算長(zhǎng)時(shí)間閃變值，可由下式計(jì)算獲得：(2-14)式中n為測(cè)量長(zhǎng)時(shí)間閃變值的時(shí)間內(nèi)，短時(shí)間閃變值出現(xiàn)的個(gè)數(shù)。2.6.3國(guó)標(biāo)中電壓波動(dòng)與閃變的規(guī)定在《電壓波動(dòng)和閃變》一文中，對(duì)電壓波動(dòng)和閃變有以下限值，見表2.2,表2.3所示。在一定時(shí)間范圍內(nèi)，對(duì)于很少的變動(dòng)頻度，其電壓變動(dòng)的限值還可以放寬。然而對(duì)于隨機(jī)性不規(guī)則電壓波動(dòng)，依據(jù)95％概率大值進(jìn)行衡量，表中標(biāo)有“*”的值為其限值。本標(biāo)準(zhǔn)的系統(tǒng)標(biāo)稱電壓等級(jí)按以下劃分，高壓(35kV<≤220kV)，中壓(1kV<≤35kV)，低壓(≤lkV)。標(biāo)準(zhǔn)中和每次測(cè)量周期分別取為2h和10min。表2.2電壓變動(dòng)限值變動(dòng)頻度r（每小時(shí)）電壓波動(dòng)d（%）低壓、中壓高壓r≤1431<r≤1032.510<r≤1002*1.5*100<r≤10001.251表2.3各級(jí)電壓的閃變限值系統(tǒng)電壓等級(jí)低壓中壓高壓1.00.9（1.0）0.80.80.7（0.8）0.6

3.電能質(zhì)量測(cè)量過(guò)程中的相關(guān)問題該部分主要對(duì)采樣定理、FFT分析諧波和閃變的測(cè)量方法進(jìn)行了簡(jiǎn)要研究。找到了提高諧波分析精度的方法和措施，減小諧波分析過(guò)程中不利因素。針對(duì)閃變測(cè)量存在的問題，本文提使用IEC提供的數(shù)值化算法，提高了閃變的測(cè)量精度。3.1采樣定理在實(shí)際工作中，信號(hào)的采樣是通過(guò)A/D芯片來(lái)實(shí)現(xiàn)的。信號(hào)的采樣定理將連續(xù)信號(hào)和離散信號(hào)巧妙的鏈接起來(lái)，是進(jìn)行離散系統(tǒng)設(shè)計(jì)和離散信號(hào)處理的基礎(chǔ)。采樣定理(samplingtheory)規(guī)定：若連續(xù)信號(hào)x(t)是有限帶寬的，其頻譜的最高頻率為，對(duì)x(t)采樣時(shí)，若保證采樣頻率≥2，那么，可由x(n)恢復(fù)出x(t)，即x(n)保留了x(t)的全部信息。3.2混疊現(xiàn)象與FFT分析在計(jì)算機(jī)中處理數(shù)字信號(hào)，通常是是通過(guò)先對(duì)原有電氣信號(hào)進(jìn)行采樣，然后再送到計(jì)算機(jī)。在實(shí)際應(yīng)用中，如果將采樣頻率過(guò)低，就達(dá)不到采樣定理對(duì)頻率的要求，會(huì)造成FFT分析時(shí)頻譜的混疊；如果將采樣信號(hào)的頻率選得過(guò)高，單位時(shí)間內(nèi)采的樣點(diǎn)數(shù)就會(huì)過(guò)多，直接造成存儲(chǔ)量增多而導(dǎo)致計(jì)算時(shí)間過(guò)長(zhǎng)。例如，假設(shè)一個(gè)信號(hào)由兩個(gè)頻率為、的正弦波疊加而成，其幅值分別為、，采樣頻率如果選為，并且有<<,=+n，（n為正整數(shù)），這時(shí)，每個(gè)采樣點(diǎn)k處都有(3-1)在這種情況下在進(jìn)行FFT變換，頻率為的正弦波德幅值就會(huì)疊加于頻率為的正弦波幅值上，因而采樣頻率不能正確分辨兩個(gè)正弦波的幅值，這就是混疊現(xiàn)象。通常情況下的作傅立葉變換可以求出模擬信號(hào)的連續(xù)頻譜，其數(shù)學(xué)方法為DFT(離散傅立葉變換)。但是使用DFT來(lái)計(jì)算時(shí)計(jì)算過(guò)程復(fù)雜、計(jì)算時(shí)間比較長(zhǎng)，其改進(jìn)算法FFT（快速傅里葉變換）節(jié)省了計(jì)算時(shí)間和計(jì)算量，提高了頻譜分析的時(shí)間。減少了計(jì)算機(jī)內(nèi)存的占用。但是使用常規(guī)的腳本編程來(lái)實(shí)現(xiàn)FFT，仍然需要較大的編程工作量和較高的編程技巧。美國(guó)NI公司開發(fā)的變成軟件LabVIEW，解決了這一難題，它提供了基于FFT算法的多種計(jì)算子VI，我們?cè)诰幊痰臅r(shí)候只需要從函數(shù)庫(kù)中調(diào)用這些VI就可以實(shí)現(xiàn)復(fù)雜的FFT分析，例如：波形VI、ExpressVI,基本函數(shù)VI三個(gè)層次的豐富的頻域分析處理函數(shù)。使用這些函數(shù)，可以快捷地進(jìn)行時(shí)域到頻域的轉(zhuǎn)換，也可以用來(lái)進(jìn)行頻譜,功率譜,相位譜的分析，這些功能的實(shí)現(xiàn)為諧波測(cè)量系統(tǒng)的構(gòu)建帶來(lái)了極大的便利。3.3閃變測(cè)量的數(shù)字化實(shí)現(xiàn)方法3.3.1閃變的具體測(cè)量方法閃變得測(cè)量之所以復(fù)雜是因?yàn)椋W變不能類似于其他指標(biāo)由定性的公式推導(dǎo)出來(lái)，它是人眼對(duì)白熾燈照度變化的一種直觀感受，它的測(cè)量需要對(duì)大量的被測(cè)人群感覺的數(shù)字統(tǒng)計(jì)和分析來(lái)的到一定的經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)。而且影響閃變的因素眾多，無(wú)法一一區(qū)分的研究，智能使用模糊測(cè)量的方法，進(jìn)行分析。目前，國(guó)際上較多采用的是：IEC（國(guó)際電工委員會(huì)）和UIE（國(guó)際電熱協(xié)會(huì)）推薦的統(tǒng)計(jì)方法[4]。這里以IEC推薦的為重點(diǎn)，它采用不同幅值、頻率的調(diào)幅波和工頻電壓為載波疊加后向230V、60W白熾燈供電照明，在對(duì)觀察者的視覺感受調(diào)查后進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，可得到被調(diào)查者中難以忍受者和有明顯覺察者的數(shù)量占被調(diào)查者總數(shù)量的比值，即閃變察覺率F(%)：（3-2）式中，A為沒有察覺的人數(shù)，B為略有察覺的人數(shù)，C為有明顯察覺的人數(shù)，D為難以忍受的人數(shù)如果測(cè)得結(jié)果F(%)超過(guò)50%，說(shuō)明此時(shí)燈光的波動(dòng)對(duì)于大多數(shù)人來(lái)說(shuō)是有明顯影響的，如果把F(%)大于50%設(shè)定為閃變的限值，那么可以相應(yīng)得到電壓波動(dòng)在此種試驗(yàn)條件下的限值。瞬時(shí)閃變通常用瞬時(shí)閃變值來(lái)描述也就是通常所說(shuō)的瞬時(shí)閃變視感度S(t)。S(t)是電壓波動(dòng)的波形、頻度、大小等作用的綜合結(jié)果，評(píng)估衡量閃變時(shí)是以其時(shí)變曲線為依據(jù)的。通常規(guī)定當(dāng)F=50%時(shí)，對(duì)應(yīng)的S=1為察覺單位為，換句話說(shuō)，如果S>1為閃變不允許值。3.3.2電壓波動(dòng)測(cè)量的理論原理電壓波動(dòng)檢測(cè)方法有很多種，例如：有效值檢測(cè)法、平方檢測(cè)法和整流檢測(cè)法等。我們這里選著IEC推薦的平方檢測(cè)法[5]。為檢測(cè)電壓波動(dòng)分量，以工頻電壓為波動(dòng)電壓的載波，并且受到以波動(dòng)量作為調(diào)幅波的調(diào)制。為了不失一般性，這里我們以只含有單一頻率調(diào)幅波的電壓為例，也可以使分析簡(jiǎn)化，因此調(diào)幅波解析式為：（3-3）式中，V－調(diào)幅波電壓的幅值，U－工頻載波電壓的幅值，Ω－調(diào)幅波電壓的角頻率，ω－工頻載波電壓的角頻率調(diào)制波電壓自乘求平方，有(3-4)可以看出，調(diào)幅波電壓平方項(xiàng)中只含有以下頻率分量：ω、2ω、Ω、2Ω、2（ω±Ω）、2ω±Ω。可以使用0.05hz-35hz的帶通濾波器濾除直流分量和高頻分量，又由于調(diào)幅波電壓的倍頻分量的幅值遠(yuǎn)小于調(diào)幅波，因此可忽略不計(jì)，便可以近似獲得調(diào)幅波電壓。（3-5）3.3.3IEC推薦的閃變儀介紹UIE/IEC閃變儀的簡(jiǎn)化原理框圖如圖3.4所示。圖3.4給出了閃變測(cè)量環(huán)節(jié)，可以將其分為三個(gè)部分：第一部分為信號(hào)調(diào)理和自檢部分，由框1組成，；第二部分由圖中框2、框3和框4組成，用來(lái)模擬燈-眼-腦環(huán)節(jié)。第三部分由框5組成，主要功能為將測(cè)量到的瞬時(shí)閃變視感度進(jìn)行分析[6][9]。平方低通濾波器帶通和加權(quán)濾波平方檢測(cè)濾波器平方低通濾波器帶通和加權(quán)濾波平方檢測(cè)濾波器閃變的統(tǒng)計(jì)評(píng)定輸入適配自測(cè)信號(hào)\\框1框2框3框4框5框1框2框3框4框5燈-眼-腦模擬環(huán)節(jié)燈-眼-腦模擬環(huán)節(jié)圖3.4閃變儀的簡(jiǎn)化原理框圖框1為包括兩個(gè)主要部分，即信號(hào)發(fā)生器和電壓適配器。其中信號(hào)發(fā)生器是用來(lái)產(chǎn)生調(diào)制波電壓。電壓適配器則是用于對(duì)被測(cè)電壓信號(hào)進(jìn)行調(diào)整，使之適合儀器要求的輸入電壓數(shù)值?？?使用平方解調(diào)器取出電壓波動(dòng)的量，此波動(dòng)量與調(diào)幅波幅值成線性關(guān)系，用來(lái)來(lái)模擬燈的作用。框3模擬人眼的功能，IEC推薦的傳遞函數(shù)為：（3-6）式中K=1.74802,=2π×4.05981,=2π×9.15494,=2π×2.27979,=2π×1.22535,=2π×21.9框4模擬人腦的功能，通過(guò)積分和平方兩個(gè)濾波環(huán)節(jié)來(lái)實(shí)現(xiàn)。其中的平方器的功能為模擬人、眼、腦的覺察過(guò)程?？?為輸出級(jí)。通過(guò)數(shù)字分析方法進(jìn)行概率統(tǒng)計(jì)處理框4輸出的瞬時(shí)閃變視感度S(t)。此時(shí)采樣頻率必須滿足奈奎斯特定理，最后根據(jù)實(shí)測(cè)計(jì)算得到長(zhǎng)時(shí)間閃變值和短時(shí)間閃變值。

4.基于虛擬儀器技術(shù)的電能質(zhì)量監(jiān)測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)4.1硬件部分設(shè)計(jì)虛擬儀器的核心思想為“軟件就是儀器”，這一思想解決了電能質(zhì)量監(jiān)測(cè)的瓶頸問題。本文就是采取虛擬儀器技術(shù)來(lái)構(gòu)建系統(tǒng)，雖然虛擬儀器是以軟件為主，但是也需要相應(yīng)的硬件來(lái)支持。在本系統(tǒng)中硬件部分主要有：傳感器、信號(hào)調(diào)理器、采集卡、上位機(jī)。其中傳感器主要功能是電量檢測(cè)和隔離的功能；信號(hào)調(diào)理器的功能主要是將傳感器檢測(cè)到的電壓電流轉(zhuǎn)換成適合采集卡輸入范圍的電量；采集卡完成模數(shù)轉(zhuǎn)換和采樣的功能；上位機(jī)主要起到計(jì)算處理數(shù)據(jù)和配置硬件的功能。下面是系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)圖：數(shù)據(jù)處理計(jì)算機(jī)信號(hào)調(diào)理電路電壓電流傳感器數(shù)據(jù)處理計(jì)算機(jī)信號(hào)調(diào)理電路電壓電流傳感器用戶用戶據(jù)采集卡圖4.1系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)圖4.1.1傳感器傳感器有很多種類，這里用到的時(shí)互感器，是對(duì)比較大的電壓電流量進(jìn)行檢測(cè)得到適合數(shù)據(jù)調(diào)理器的電壓電流量，因此互感器起到了隔離的作用，以避免過(guò)大的電網(wǎng)電壓電流損毀測(cè)量設(shè)備?；ジ衅饔袃煞N：電壓互感器（VT）和電流互感器（CT）,此環(huán)節(jié)在測(cè)量過(guò)程中起到至關(guān)重要的作用，一旦這個(gè)環(huán)節(jié)出錯(cuò)，后面的測(cè)量將沒有任何意義，因此傳感器的參數(shù)設(shè)置是十分重要的。本系統(tǒng)采用DVDI-0001臥式電壓電流多用傳感器，既可以用作電壓傳感器，也能用作測(cè)量電流。工作頻率范圍為2HZ-20KHZ，常態(tài)時(shí)絕緣電阻大于1000。做電壓互感器時(shí)直接使用，電路原理圖如圖（4.2）所示；做電流互感器使用時(shí)，需要在互感器中心插入一匝線圈，原理圖如圖（4.3）所示。圖4.2電壓檢測(cè)電路圖4.3電流檢測(cè)電路系統(tǒng)運(yùn)算放大器電源采用穩(wěn)壓管三端穩(wěn)壓，減少電源干擾，運(yùn)算放大器型號(hào)為OP07。圖（4.2）中R1將電壓信號(hào)變成電流信號(hào)，滿足條件即可。的作用是將電流信號(hào)變成電壓信號(hào)，電壓輸出大小為。圖（4.3）中類似的不同的是將電流轉(zhuǎn)換為電壓測(cè)量，關(guān)系式為。4.1.2信號(hào)調(diào)理器信號(hào)調(diào)理器的功能前面已經(jīng)介紹，這里不重復(fù)說(shuō)明。這里信號(hào)調(diào)理器主要有兩部分組成：電壓跟隨器、信號(hào)放大器。第一部分為電壓跟隨器，作用是是輸出緊緊跟隨輸入變化，這樣后面的采樣才能得到電網(wǎng)實(shí)際的波形；第二部分為信號(hào)放大器，主要功能是將電壓信號(hào)的幅值調(diào)節(jié)到適合采樣卡的輸入范圍以內(nèi)。再者，信號(hào)調(diào)理器是一種多通道、高性能的開關(guān)平臺(tái)，可以提哦那個(gè)多路信號(hào)調(diào)理。單通到的原理圖如圖4.4所示。圖4.4信號(hào)調(diào)理電路4.1.3數(shù)據(jù)采集卡本系統(tǒng)采用NI公司推出的數(shù)據(jù)采集卡PCI-6024E,實(shí)物圖如圖4.5所示，此采集卡的主要功能及主要參數(shù)如下所示：16路單端/8路差分模擬輸入12位精度200KS/s采樣率200KS/s磁盤寫入速度±0.05到±10V輸入范圍最多兩路12位模擬輸出最多32條數(shù)字I/O線兩路24位計(jì)數(shù)器/定時(shí)器

數(shù)據(jù)采集卡驅(qū)動(dòng)程序是由NI公司開發(fā)的DAQmx，在使用LABVIEW時(shí)，需要?jiǎng)?chuàng)建采集任務(wù)，首先要安裝Mesurement&AutomentionExplorer，安裝成功后在LABVIEW的函數(shù)選板中打開EXPRESS,選擇DAQ助手函數(shù)如圖4.6所示，將該VI放到程序框圖上，對(duì)其進(jìn)行設(shè)置，選擇需要采樣的數(shù)據(jù)類型以及通道數(shù)和信號(hào)輸入范圍。圖4.5采樣卡實(shí)物圖圖4.6DAQ助手4.2LABVIEW虛擬儀器簡(jiǎn)介虛擬儀器（virtualinstrument）是基于計(jì)算機(jī)的儀器。計(jì)算機(jī)和儀器的密切結(jié)合是目前儀器發(fā)展的一個(gè)重要方向。粗略地說(shuō)這種結(jié)合有兩種方式，一種是將計(jì)算機(jī)裝入儀器，其典型的例子就是所謂智能化的儀器。隨著計(jì)算機(jī)功能的日益強(qiáng)大以及其體積的日趨縮小，這類儀器功能也越來(lái)越強(qiáng)大，目前已經(jīng)出現(xiàn)含嵌入式系統(tǒng)的儀器。另一種方式是將儀器裝入計(jì)算機(jī)。以通用的計(jì)算機(jī)硬件及為依托，實(shí)現(xiàn)各種儀器功能。虛擬儀器主要是指這種方式[15]。LabVIEW是一種使用圖形化的方式代替文本語(yǔ)言的編程軟件[16]。LabVIEW編程時(shí)采用數(shù)據(jù)流的方式，與傳統(tǒng)編程使用語(yǔ)句和指令來(lái)編程的方式以示區(qū)別，其程序框圖中連線的方式和節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)流向決定了程序執(zhí)行的先后次序。VI指虛擬儀器，是LabVIEW的程序模塊。LabVIEW前面板提供外觀與傳統(tǒng)儀器相似的控件，可用來(lái)方便地創(chuàng)建用戶界面。與之一一對(duì)應(yīng)的程序框圖中會(huì)有一個(gè)圖標(biāo)，通過(guò)對(duì)這些圖標(biāo)的連線可以完成前面板對(duì)對(duì)象的控制。這就是圖形化源代碼，又稱G代碼。在使用這種語(yǔ)言編程得到的程序運(yùn)行效率會(huì)比C語(yǔ)言編寫的程序低，但是相對(duì)于高速的計(jì)算機(jī)來(lái)說(shuō)，這個(gè)時(shí)間的延遲可以忽略，然而使用圖形化編程軟件得到的好處就是大大減少了程序員編寫程序的時(shí)間，這個(gè)進(jìn)步對(duì)編程的成本節(jié)約上是一個(gè)大的進(jìn)步。4.3虛擬儀器技術(shù)的電能質(zhì)量監(jiān)測(cè)系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)從功能上將本論文所設(shè)計(jì)的程序可以分為五個(gè)部分：電壓偏差測(cè)量頻率偏差測(cè)量供電電壓波動(dòng)和閃變測(cè)量諧波測(cè)量三相電壓不平衡度測(cè)量系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)總體框圖如圖4.1所示：系統(tǒng)程序系統(tǒng)程序三相不平衡度測(cè)量模塊電壓波動(dòng)和閃變測(cè)量模塊電壓和頻率偏差測(cè)量模塊數(shù)據(jù)采集模塊三相不平衡度測(cè)量模塊電壓波動(dòng)和閃變測(cè)量模塊電壓和頻率偏差測(cè)量模塊數(shù)據(jù)采集模塊諧波測(cè)量模塊諧波測(cè)量模塊圖4.1系統(tǒng)軟件總體框圖4.3.1供電電壓和頻率允許偏差測(cè)試的程序設(shè)計(jì)關(guān)于電壓偏差和頻率偏差的原理及測(cè)量方法已經(jīng)在第二章中作出相應(yīng)地說(shuō)明，現(xiàn)給出它們的程序框圖和前面板的設(shè)計(jì)，如圖4.2和圖4.3所示。在此VI中設(shè)定電壓額定值默認(rèn)為220V，,頻率為50HZ。輸入選擇的是“基本函數(shù)發(fā)生器”模塊，此模塊可以按需求生成正弦波、方波、鋸齒波和三角波，這幾種常見波形。以正弦波為例，將其頻率和幅值設(shè)置為輸入控件，就能給出任意想要的正弦波，即可滿足對(duì)電網(wǎng)實(shí)際測(cè)量時(shí)波形隨即變化的問題。使用LABVIEW軟件包中的“周期平均值和均方”模塊可以測(cè)得電壓,測(cè)得的電壓是均方根值，也就是有效值。使用LABVIEW軟件包中的“提取單頻信息”模塊可以測(cè)得頻率，最后根據(jù)這些數(shù)據(jù)可以描繪出各自的偏差百分比圖形。圖4.2電壓與頻率偏差程序框圖圖4.3電壓與頻率偏差前面板算例分析：算例4.1，現(xiàn)有標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)，設(shè)定額定電壓為220V,當(dāng)電壓干擾信號(hào)的引入后電壓會(huì)有所偏差，通過(guò)計(jì)算：將疊加后的信號(hào)輸入到檢測(cè)系統(tǒng)中得到電壓偏差為4.966V，頻率偏差為0，與計(jì)算結(jié)果相符合。4.3.2諧波測(cè)量主程序的設(shè)計(jì)諧波測(cè)量是電能質(zhì)量指標(biāo)的重要組成部分，正對(duì)這一部分的研究很早就有涉足，因此技術(shù)相對(duì)比較成熟，目前主要的方法有DFT和FFT，當(dāng)然后者相對(duì)前者來(lái)說(shuō)當(dāng)然應(yīng)用更廣，計(jì)算能力更強(qiáng)。因此我們選著FFT作為主要的算法，并且LabVIEW中有現(xiàn)成的FFT工具包，使用起來(lái)很方便。由于電網(wǎng)諧波中通常會(huì)含有高次諧波，這些諧波分量的幅值都很小，因此要求我們的測(cè)量設(shè)備的精度很高，有時(shí)可能因?yàn)樾⌒〉恼`差導(dǎo)致最終結(jié)果偏離實(shí)際情況很遠(yuǎn)。為了保證測(cè)量結(jié)果的正確性，本系統(tǒng)有以下要求：(1)、采樣定理和頻譜混疊對(duì)采樣頻率的合理設(shè)置可以防止頻譜的混疊，主要方法是提高采樣頻率，本測(cè)試系統(tǒng)要求最高測(cè)量諧波次數(shù)為50次。(2)、頻譜泄漏及抑制由于FFT分析不可能對(duì)無(wú)限時(shí)間長(zhǎng)度的信號(hào)進(jìn)行分析，那么必須進(jìn)行截?cái)?，然后再?duì)截?cái)嗪蟮男盘?hào)進(jìn)行周期延拓，這樣就可能帶來(lái)頻譜泄露，也就是說(shuō)本來(lái)不是在某個(gè)頻率的頻譜因?yàn)榻財(cái)嗪脱油匦孤兜搅似渌l率上。因此我們需要對(duì)信號(hào)進(jìn)行加窗處理，是頻譜的旁瓣效應(yīng)減弱，減小頻譜泄露的誤差，本系統(tǒng)中選用海寧窗函數(shù)，在LabVIEW中提供了強(qiáng)大的信號(hào)處理工具包。對(duì)于周期為的非正弦電量進(jìn)行傅立葉級(jí)數(shù)分解，除了得到與電網(wǎng)基波頻率相同的分量，還得到一系列大于電網(wǎng)基波頻率的分量。以電壓U(t)為例，在滿足狄單赫利條件下，可分解為如下表達(dá)式:（其中n=1,2,3,…k）(4-1)式中：稱為n次諧波，為N次諧波幅值。如上所述，LabVIEW為FFT計(jì)算和其他頻域分析帶來(lái)了極大的便利。在這里，調(diào)用WaveformMeasurement函數(shù)模塊的若干函數(shù):harmonicDistortionAnalyzer.vi可以計(jì)算出被測(cè)信號(hào)的基頻，各次諧波分量幅值以及總諧波失真率THD(%);SINADAnalyzer.vi以計(jì)算出信號(hào)噪聲電壓比SINAD(db);FFTspectrum(mag-phase).vi顯示被測(cè)信號(hào)的幅頻或相頻曲線。相關(guān)程序框圖如下圖所示。圖4.4諧波測(cè)量程序框圖圖4.5諧波測(cè)量前面板4.3.3三相電壓不平衡度測(cè)量模塊在三相三線制系統(tǒng)中，由公式來(lái)計(jì)算。三相電壓不平衡度測(cè)量模塊的前面板分別如圖4.9所示，在此模塊中先用“提取單頻信息”模塊提取輸入電壓波形的A，B，C三相的電壓幅值然后由公式進(jìn)行計(jì)算得到。在三相四線制系統(tǒng)中采用如下算法實(shí)現(xiàn)：此算法中通過(guò)計(jì)算出電壓的正序和負(fù)序分量，再取其比值來(lái)得到三相不平衡度。其中兩種線路的不同測(cè)量方式的公共部分如圖4.6所示。測(cè)量程序中直接使用相電壓來(lái)計(jì)算時(shí)的計(jì)算部分程序框圖如圖4.7所示，而在三相四線制時(shí)不能由此來(lái)計(jì)算，因?yàn)橛辛阈蚍至康拇嬖冢员仨毾人愠鲭妷焊髯苑至康闹翟僮龀ㄓ?jì)算，求出百分比。具體程序框圖如圖4.8所示。圖4.6三相電壓不平衡度測(cè)量程序公共部分圖4.7三相三線制計(jì)算部分程序框圖圖4.8三相四線制計(jì)算部分程序框圖圖4.9三相不平衡度測(cè)量前面板測(cè)量數(shù)據(jù)檢驗(yàn)，將檢測(cè)到得數(shù)據(jù)結(jié)果和國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行比較可知道設(shè)計(jì)的準(zhǔn)確性測(cè)量數(shù)據(jù)如下表：次數(shù)電壓三相不平衡度A相B相C相1225.235218.674219.5371.46%2223.143221.162220.4370.57%3218.125220.153224.2241.28%4.3.4電壓波動(dòng)和閃變的測(cè)量程序的設(shè)計(jì)在設(shè)計(jì)電壓波動(dòng)和閃變的測(cè)量程序時(shí)，我們對(duì)于輸入信號(hào)的選擇是采用了LabVIEW中提供的模擬的電壓波動(dòng)信號(hào)[23][24]。采樣頻率取400Hz。電壓波動(dòng)的檢測(cè)采用第二章中2.6介紹的平方檢測(cè)法，其測(cè)量程序和前面板見下圖。在此程序中使用正弦波發(fā)生器來(lái)產(chǎn)生輸入波形和產(chǎn)生調(diào)幅波電壓波形。然后通過(guò)數(shù)學(xué)運(yùn)算將兩者結(jié)合,將得到的波形數(shù)據(jù)進(jìn)行平方即可得到一系列混扎的疊加波形，我們要做的工作就是把其中頻率在0.05HZ--35HZ范圍的調(diào)幅波選取出來(lái)進(jìn)行下一步的分析。那么這里我們選用了“Butterworth濾波器”模塊，使用6階的低通和1階的高通濾波構(gòu)成帶通濾波器。這里要注意的是，信號(hào)經(jīng)過(guò)平方之后產(chǎn)生了很大的直流分量，通過(guò)低通濾波之后的直流分量依然很大，如果此時(shí)直接再接高通濾波器的話，計(jì)算時(shí)間將會(huì)很長(zhǎng)，所以我們先進(jìn)行一次平均濾波處理先處理掉大部分的直流分量，具體做法是對(duì)信號(hào)求平均值，然后把這個(gè)平均值減除就得到含有直流分量比較小的波形，最后再接到高通濾波器上。電壓波動(dòng)值的算法依據(jù)公式：，式中m為調(diào)幅波峰值與額定電壓峰值之比。此模塊在波形生成的時(shí)候，設(shè)置的輸入為調(diào)幅波的幅值，而此幅值在第一次計(jì)算中就除以了基波幅值，也就是以相對(duì)幅值在程序中進(jìn)行運(yùn)算，這個(gè)相對(duì)幅值就是我么現(xiàn)在需要的m。電壓波動(dòng)和閃變模塊的程序框圖和前面板設(shè)計(jì)如圖4-9和圖4-10所示。圖4-9電壓波動(dòng)測(cè)量程序框圖圖4-10電壓波動(dòng)測(cè)量前面板閃變部分的測(cè)量程序的設(shè)計(jì)：(1）模擬燈的環(huán)節(jié)經(jīng)過(guò)平方后的電壓波動(dòng)信號(hào)，經(jīng)過(guò)截止頻率為35Hz的6階巴特沃斯低通濾波器。為了濾除直流分量并且減少高通濾波器的計(jì)算時(shí)間，我們?cè)谶@里讓信號(hào)通過(guò)平均濾波法，先濾去大量直流分量，做法是對(duì)整個(gè)信號(hào)取平均值，然后再用信號(hào)減去這個(gè)均值。最后再通過(guò)一個(gè)高通濾波器，這個(gè)濾波器也是采用巴特沃斯濾波器，截止頻率為35HZ。(2）模擬人眼功能環(huán)節(jié)采用雙線性變換將S域的傳遞函數(shù)變換到Z域，那么IEC推薦的公式3-6就可以變化成4-3式（在本文中選擇直接型的IIR濾波器來(lái)實(shí)現(xiàn)），其中雙線性變化的結(jié)果可以使Z域和S域一一對(duì)應(yīng)，操作簡(jiǎn)單不混疊，下面是變換公式：（4-2）式中：T為采樣周期。將變換后有:（4-3）=-3.,=4.,=-2.77601,=0.,=0.,=0.,=-0.,=-0.,=0.。(3）模擬人腦神經(jīng)功能環(huán)節(jié)人腦的記憶效應(yīng)在閃變的判斷中也是重要的因素之一，可以由具有積分功能的一階RC濾波器來(lái)實(shí)現(xiàn)，傳遞函數(shù)為4-4，時(shí)間常數(shù)為300ms（4-4）再利用雙線性變換法有:（4-5）經(jīng)過(guò)上述環(huán)節(jié)輸出的即是S(t)的值。(4）閃變的統(tǒng)計(jì)分析根據(jù)式(2-13)可以求出短時(shí)間閃變值。對(duì)于周期性穩(wěn)定的電壓波動(dòng)，在式(2-13)中P0.1=P1=P3=P10=P50=S(t)所以有:（4-6）式中S(t)取穩(wěn)定平均值。閃變測(cè)量的主程序框圖如圖4.11所示：圖4.11閃變測(cè)量程序框圖算例分析，輸入電壓信號(hào)：(4-7)式中m為調(diào)幅波幅值與額定電壓幅值之比；為基波角頻率；為調(diào)幅波角頻率；r(t)為直流分量和諧波分量。由于電壓波動(dòng)d等于調(diào)幅波的峰值與谷值之差除以載波電壓有效值U，即(4-8)當(dāng)調(diào)幅波由兩個(gè)頻率的正弦波疊加時(shí)，例如頻率為12HZ、電壓波動(dòng)為d=0.312%的信號(hào)與頻率為8Hz、電壓波動(dòng)為d=0.256%的信號(hào)疊加時(shí)，有S(t)=1.00080+1.00000=2.00080，與理論值S(t)=2相差很小，這表明本文方法是可行的。

5.結(jié)論與展望5.1結(jié)論本文設(shè)計(jì)了一套完整的電能質(zhì)量檢測(cè)儀，首先介紹了電能質(zhì)量問題的現(xiàn)狀，以及在此現(xiàn)狀下對(duì)電能質(zhì)量進(jìn)行在線監(jiān)測(cè)的必要性以及目前監(jiān)測(cè)手段的發(fā)展?fàn)顩r和不足，并且提出了使用基于LabVIEW來(lái)構(gòu)建虛擬儀器來(lái)解決當(dāng)前問題的想法；其次，對(duì)電能電能主要指標(biāo)進(jìn)行研究，找出了相應(yīng)的計(jì)算方法和國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)。最后，設(shè)計(jì)了支撐虛擬儀器軟件運(yùn)行的硬件部分，并利用LabVIEW編寫了對(duì)電能五項(xiàng)指標(biāo)進(jìn)行在線測(cè)量的軟件模塊，并且調(diào)試得到了正確的仿真結(jié)果，設(shè)置了在各種狀況下的測(cè)量結(jié)果（見附錄的仿真圖片）。本次設(shè)計(jì)還比較成功，從中也學(xué)到了不少的知識(shí)，對(duì)電能質(zhì)量的認(rèn)識(shí)有了很大提高，對(duì)LabVIEW的編程能力也大有提高。總之，