毕业设计-基于Labview的电能质量监测系统软件设计.docx

石家庄铁道大学毕业设计基于labview的电能质量监测系统软件设计software design of power quality monitoring system based on labview2013 届 电气与电子工程学院专 业 电气工程及其自动化学 号 学生姓名 指导教师 完成日期 2013年6月10日摘 要随着新型电力负荷迅速发展对电能质量提出了更高的要求，以及电力网逐步实行商业化运营，电力用户的需求成为供电企业优先考虑的问题，电网电能质量问题引起了供电企业和用户的高度重视。研究电能质量的监测方法，找出引起电能质量降低的原因具有重要的理论和工程价值。近年来，计算机技术、通信技术以及测试测量技术的不断发展推动了虚拟仪器技术的不断发展。ni公司的labview软件具有丰富的软件功能、简单的硬件结构、高度的智能化等特点，是当今最完善、影响力最大的一种图形化编程语言,在测量领域中处于领先地位。本设计说明书给出并设计了基于labview平台的电能质量监测系统。本设计说明书首先阐述了电力系统中常用的电能质量监测技术的现状，以及本设计研究的主要内容及意义。然后，对国家电能质量的标准进行了介绍，总结各项电能指标的计算方法，作为系统设计的依据。并针对labview软件中的一些概念和使用到的vi进行了介绍。随之，根据国家电能质量标准，设计电能质量的监测系统，使用labview2012实现电压谐波分析、电压偏差、频率的偏差的分析计算和显示，并把监测结果上传至数据库。最后，就该系统在实际运行中存在的不足做出总结，对系统的改进提出建议，指出论文的进一步研究工作展望与设想。关键词：labview 电能质量 电能质量监测系统 abstractwith new power load which puts forward higher requirements rapidly developing and power network gradually carrying out commercial operation, power consumers demand becomes the prior consideration of the power supply enterprise. power quality is an essential concern by electrical utilities and customers. research on the power quality monitoring and analysis method is of great value in both theory and practice.in recent years, the development of computing technology, communication technology and measuring technique leads to virtual instrument technical progress. the labview of national instruments company, which is an advanced technology in the measurement field, possesses perfect software function, simple hardware configuration as well as high intelligence and it is a graphical programming language of the most complete, the greatest influence.this dissertation proposes a design of the power quality monitoring system based on labview technique. to begin with, the paper indicates the existent problems for the technology of power quality monitoring, including its actuality and development tendency, as well as the research content and significance. secondly, the paper describes the national power quality standards, and summing up the calculation method which is about the power qualitys parameter. and then, the paper is focus on the v1 which was used and the concepts of the labview software. according to the national power quality standards, the power quality monitoring system has been designed by the labview2012 software. the system could analyze and display the parameter of the harmonic analysis, the deviation of supply voltage and the deviation of frequency, and pass the data to the access. in the end, the concluding part discusses the prospects of the system and summarizes the deficiencies in the actually operating. the possible improvement of the system is also discussed.key words: labview power quality power parameters monitoring system目 录第 1 章 绪论11.1 引言11.2 课题研究背景及意义11.3 国内外研究现状21.4 本设计主要工作2第 2 章 电能质量指标及测量方法42.1 概述42.2 供电电压允许偏差42.2.1 电压偏差的产生原因及危害42.2.2 国标中的规定及计算方法52.3 电力系统频率偏差62.3.1 频率偏差的危害62.3.2 国标中的规定及计算方法62.4 公用电网谐波72.4.1 电网谐波的危害72.4.2 国标中的规定及计算方法82.5 电压波动和闪变92.5.1 电压波动和闪变的产生及危害92.5.2 国标中的规定及计算方法92.6 三相电压允许不平衡度112.6.1 三相不平衡产生的原因及危害112.6.2 国标中的规定及计算方法122.7 本章小结12第 3 章 软件开发环境介绍133.1 虚拟仪器的介绍133.2 labview软件介绍143.3 电能质量检测vi153.4 数据通信vi173.5 本章小结18第 4 章 系统软件设计194.1 电能质量监测系统总体结构194.2 数据传输模块的设计204.3 数据分析模块的设计224.3.1 电压偏差测量模块224.3.2 频率偏差模块244.3.3 电压谐波分析模块254.3.4 三相不平衡度分析模块284.3.5 电压波动和闪变的测量模块的设计294.3.6 功率测量模块334.3.7 测量模块整体vi354.4 主控模块设计354.5 本章小结37第 5 章 结论与展望385.1 结论385.2 展望38参考文献40致谢41附录a 外文资料翻译42附录a.1 英文原文42附录a.2 中文翻译50附录b 数据分析模块总框图56石家庄铁道大学毕业设计第 1 章 绪论1.1 引言现代社会中，电能是一种最为广泛使用的能源，其应用程度成为一个国家发展水平的主要标志之一1。随着科学技术和国民经济的发展，对电能的需求量日益增加，同时对电能质量的要求也越来越高。使得电能质量问题日益紧迫的摆在了我们的面前。有关电能质量问题的研究已经引起了各国电力工作者的高度重视，得到了普遍的关注和深入的讨论，无论在理论上还是在实践中，都有许多值得深入研究的问题2。1.2 课题研究背景及意义电能质量问题关系到国民经济的方方面面，涉及到电力、铁道、冶金、化工、it等诸多行业的发展，从20世纪80年代以来，伴随着高技术的新型电力负荷迅速发展以及它们对电能质量不断提出的更高要求，电能质量问题得到了普遍的关注和深入的讨论。其原因归纳起来有以下二个方面3：(1) 现代电力系统中用电负荷结构发生了重大变化，具有非线性、冲击性以及不平衡用电特性的负荷(如电弧炉、电气化铁路、整流装置等)迅速发展，很大程度上削弱和干扰了电网的经济运行；(2) 为了提高劳动生产率和自动化水平，大量基于计算机系统的控制设备和电子装置投入使用，这些装置对电能质量问题非常敏感。随着经济的发展和工业管理体制的转变，电力网逐步实行商业化运营，电力用户的需求己成为优先考虑的问题。这大大促进了电能质量标准化的进程和对电能质量的监督和管理。为了规范电能质量的检测管理，建立规范的电力市场。1988年，我国电力工业部为了加强电网电能质量管理工作，曾颁布执行了电网电能质量技术监督管理规定，提出了“谁干扰，谁污染，谁治理”的原则，并指出保证电网安全、稳定、经济、优质运行，全面保障电能质量是电力企业和用户共同的责任和义务。因此电能质量监测对于电力企业、电力用户以及改善电能质量都有重要意义。参照iec标准和ieee标准，联系我国电力系统实际情况，我国相继颁布了有关电能质量的五项标准即供电电压偏差、电压波动和闪变、公用电网谐波、三相不平衡度以及频率偏差等，要求各级供电部门和用户按照该标准供电。利用测控领域中最先进的虚拟仪器技术研制一种电能质量监测系统，实时监测电能质量对于保证电力系统运行的经济性、安全性和可靠性都起着重要的作用。1.3 国内外研究现状电能质量问题的凸显，使电能质量监测产品日益丰富起来，如何监测复杂多变的电能质量现象，分析各种电能质量问题的成因，成为这些产品共同的目标。目前，国内外使用的各种电能质量监测装置从结构上可以分为两类，一种是离线式的电能质量监测装置，另一种是在线式的电能质量监测分析装置，即连续监测设备。在线式电能质量监测实时性强，能够及时对电能质量各种指标作出全面数据采集和分析4。随着电子装置和通讯技术的发展，离线式的电能质量分析仪在经济性和有效性方面不再优越，具有联网、图形用户界面(gui)、数据存储管理、统计分析和web浏览功能的在线电能质量监测系统成为主流5。在国内外，对电能质量进行监测与分析时，绝大部分采用智能仪器，主要利用数字技术和硬件来实现。这种测试仪器体积比较庞大，很容易受到外界的影响，而且测量精度不是很高，特别是在检测不同指标时，需要更换相对应的硬件，这给监测和分析带来极大的不便。为了实现更多参数的测试，许多的测量仪器额外配置了辅助的硬件，这不仅加大了体积，而且也增加了成本，甚至给监测系统装置的升级带来不便。传统的监测装置实时性较差，不能实时地保存大量数据，观察历史数据也不方便，而现代的电能质量监测系统需要处理和保存大量的数据信息。我们国内对于电能质量问题的研究起步较晚，然而传统的电能质量监测系统在下列几个方面比较欠缺：(1) 功能单一型问题；(2) 生产调试率低下问题；(3) 开发周期和开发费用问题。虚拟仪器的出现改变了这一现状，凭借其基于网络性和计算机的特性，符合现代测量工作的需求，在测量技术领域不断取得突破。近年来，有许多基于虚拟仪器的电能监测系统问世，实现了远程在线的监测，并能够及时地把监测结果反馈至中央控制室，本系统也是基于这一技术完成的电能质量监测系统。1.4 本设计主要工作本设计在研究电力系统电能质量及虚拟仪器测量方法的基础上，利用ni公司的labview2012软件开发了一个电能质量监测系统，该系统根据采集到的电压及电流数据，进行电能质量相关参量的计算，以图形和数据的方式直观的显示出来，并把分析后的数据存入数据库中，以便日后的进一步查阅参考。本设计说明书的具体工作如下：(1) 讲述电能质量问题研究的发展情况，说明对电能质量进行监测的必要性，指出电能质量监测方面的研究现状及其存在的问题，并提出基于labview的电能质量监测系统的方案；(2) 对电能质量的国家标准进行简要介绍。讨论衡量电能质量问题的指标和电能质量监测的方法，并指出各种客观存在的电能质量问题所带来的危害；(3) 介绍了虚拟仪器技术的概念、特点和发展历程，介绍了虚拟仪器中的labview软件，及其使用过程中常见的一些概念，重点介绍了labvlew2012中用于电能质量的各参量分析的vi和数据传输的vi等；(4) 基于虚拟仪器技术的电能质量监测系统的设计与实现，详细叙述了本系统的软件程序设计方法。42第 2 章 电能质量指标及测量方法2.1 概述(1) 电能质量的概念电能质量是指通过公用电网供给用户端的交流电能的品质。理想状态的公用电网应以恒定的频率、正弦波形和标准电压对用户供电。同时，在三相交流系统中，各相电压和电流的幅值应大小相等、相位互差120。但由于系统中的发电机、变压器和线路等设备非线性或不对称，负荷性质多变，加之调控手段不完善及运行操作、外来干扰和各种故障等原因，这种理想的状态并不存在，因此产生了电网运行、电力设备和供用电环节中的各种问题，也就产生了电能质量的概念1。(2) 电能质量指标的界定从总体上讲，使电能指标接近额定值就是电能质量的标准，然而，电能从生产到消费是一个整体，电力系统的发、输、变、配、用各环节始终处于动态平衡之中，其中任何一个环节的改变都会对电能质量产生影响。电能质量标准的制定，就是制定适当的电能质量指标偏差的允许值。电能质量指标的制定在经济和技术上应满足以下三点4：保证电力系统安全，提高供电可靠性和电网运行的经济性；保证用户电气设备的正常生产；当超标时，电力部门和干扰用户在当前经济和技术水平上，作一定的努力后应能达标。参照iec标准和ieee标准，联系我国电力系统实际情况，我国最新制定的电能质量指标主要包括五项：供电电压偏差、电力系统频率允许偏差、公用电网谐波、三相电压不平衡、电压波动和闪变。除此之外，还有暂态电能质量问题、短持续时间电能质量问题和长持续时间电能质量问题等。2.2 供电电压允许偏差2.2.1 电压偏差的产生原因及危害电压偏差是指系统各处的电压偏离其额定值的百分比，它是由于电网中用户负荷的变化或电力系统运行方式的改变，使加到用电设备上的电压偏离电网的额定电压。一般来说造成电网电压偏差的最主要原因是无功功率的传输。另外，电力电容器的投切对母线电压偏差的影响也非常大3。对于配电网最广泛应用的电动机，当电压低于额定电压时,转矩减小、转速下降，一方面导致工厂生产出次品、废品；另一方面造成电流变大，电机温升增加，线圈发热，加剧绝缘老化，甚至烧坏的后果。当电压高于额定电压时，一方面引起转距变大，使联结轴和从动设备上的加速力增加，引起设备的振动、损坏；另一方面引起启动电流增加，在供电线路上产生较大的电压降，影响其他电气设备的运行。对于发电机而言，电压偏差会引起无功电流的增大，对发电机转子的去磁效应增加，电压降低，过度增大激磁电流使转子绕组的温升超过允许范围，加速绝缘老化，降低电机寿命，甚至烧坏。对于日常的照明灯具，电压对灯的光通量输出和寿命的影响很大，当加于灯泡的电压低于额定电压时，发光效率会降低，人的工作环境恶化，视力减弱；当高于额定电压时，灯泡寿命会减少、烧坏。2.2.2 国标中的规定及计算方法在国家标准电能质量 供电电压偏差中规定了供电电压偏差的相关计算方法及限制6。(1) 供电电压偏差的测量供电电压偏差的测量方法为获得电压有效值的基本测量时间窗口为10周波，并且每个测量时间窗口应该与紧邻的测量时间窗口接近而不重叠，连续测量并计算电压有效值的平均值，最终计算获得供电电压偏差值，计算公式如式(21)所示。(21)计算出的供电电压偏差的限值应满足如下规定：35kv及以上供电电压正、负偏差的绝对值之和不超过额定电压的10%，如电压上下偏差同号(均为正或负)时，按较大的偏差绝对值作为衡量依据；20kv及以下三相供电电压允许偏差为标称电压的7%；220v单相供电电压偏差为标称电压的+7%、-10%；对供电短路容量较小，供电距离较长以及对供电电压偏差有特殊要求的用户，由供、用电双方协议确定。(2) 电压合格率统计通过供电电压偏差的统计计算获得电压合格率。供电电压偏差监测统计的时间为min，通常每次以月(或周、季、年)的时间为电压监测的总时间，供电电压偏差超限的时间累计之和为电压超限时间，监测点电压合格率计算公式如式(22)所示。(22)2.3 电力系统频率偏差2.3.1 频率偏差的危害从整个电力系统来讲，低于系统频率或高于频率运行时，对发电厂和用户都有不利的影响7，具体表现为：(1) 用户使用的电动机的转速与系统频率有关。频率变化将引起电动机转速的变化，从而影响产品质量；(2) 在频率降低时，火力发电厂的风机和水泵所提供的风量和水量将迅速减少，影响锅炉的正常运行；(3) 低频率运行，汽轮机叶片所受的应力增加，引起叶片的共振，缩短叶片的寿命，甚至使叶片断裂；发电机的通风量将减少，而为了维持正常电压，又要求增加励磁电流，使得发电机定子和转子的温升增加；(4) 低频率运行时，由于磁通密度的增大，变压器的铁心损耗和励磁电流都将增大；(5) 频率降低时，系统中负荷的无功功率将增大，而负荷的无功功率增大又将促使系统电压水平的下降。总之，由于所有设备都是按系统额定频率设计的，系统频率质量的下降将影响各行各业。而频率过低时，甚至会使整个系统瓦解，造成大面积停电。2.3.2 国标中的规定及计算方法在国家标准电能质量 电力系统频率偏差中规定了供电电压偏差的相关计算方法及限制8。(1) 频率偏差的计算电力系统频率偏差定义为系统频率的实际值和标称值之差，可用式(23)计算。(23)式中f 是频率偏差，f 为实际频率，fn则为标称频率，本标准规定为50hz。计算出的频率偏差应满足如下规定：电力系统正常运行条件下频率偏差限值为0.2hz。当系统容量较小时，偏差可以放宽到0.5hz；冲击负荷引起的频率偏差限值一般不得超过0.2hz，根据冲击负荷性质和大小以及系统的条件也可适当变动限值，但应保证近区电力网、发电机组和用户的安全、稳定运行以及正常供电。(2) 频率合格率统计通过检测及直接或间接地统计频率超限时间以活动表征电网频率在限值内的一种方法。统计时间以秒为单位，计算公式如式(24)所示。(24)2.4 公用电网谐波2.4.1 电网谐波的危害国际上公认的谐波含义为：“谐波是一个周期电气量的正弦波分量，其频率为基波频率的整数倍”。由于谐波的频率是基波频率的整数倍数，我们也常称它为高次谐波9。谐波对电力设备的影响和危害10，就其后果来说，可分为两类：第一类是对电力设备的影响，它可以造成设备损坏、减少设备寿命、降低出力等；第二类是对计算机、继电保护、控制器或系统、仪表以及视听设备的影响，它可以造成设备的工作失误或性能恶化。具体表现为：(1) 对旋转电机(发电机和电动机)产生附加功率损耗和发热、产生脉动转矩和噪声；(2) 对无功补偿电容器组引起谐振或谐波电流的放大，从而导致电容器因过负荷或过电压而损坏；对电力电缆也会造成电缆的过负荷或过电压击穿；(3) 对供电网和导线，增加供电网的损耗。当发生谐振或放大时，损耗更加严重；(4) 对断路器和熔断器，电流波形的畸变明显的影响断路器断路容量，当存在负荷电流畸变时，在过零点时可能造成高的didt比，电流为下弦波时开断将更为困难，而且由于开断时间延长而延长了故障电流切除时间，因而造成快速重合闸后的再燃；(5) 对变压器，负荷电流中的谐波在变压器中造成的损耗产生附加发热，降低了其负荷能力；(6) 对调速驱动器的影响。谐波可能导致晶闸管误动作以及触发回路误触发等故障；(7) 对照明的影响，如运行电压的均方根值由于谐波畸变而高于额定值时，灯丝温度升高而降低了灯泡的寿命；(8) 对继电保护和自动控制装置产生干扰和造成误动或拒动。尤其是一些衰减时间较长的暂态过程，如变压器合闸涌流中的谐波分量，由于其幅值强、谐波含量也很大，更容易引起继电保护的误动作，造成供电中断；(9) 对仪表和电能计量的影响。现代指示均方根值的电压表和电流表相对地不受波形畸变的影响，受谐波影响较大的是计量电能的感应型电能表，其误差与频率特性和非线性度造成的误差有关。除电表本身误差外，谐波负荷从系统中吸收基波功率而向系统送出谐波功率，这样受谐波影响的用户既从系统吸收基波功率又从谐波源吸收无用的谐波功率，其后果是谐波源负荷用户少付电费而受害的用户反而多付电费。总之，谐波对各种电力设备、通信设备以及线路都会产生有害的影响，严重时会造成设备损坏和电力系统事故。2.4.2 国标中的规定及计算方法根据国家标准电能质量 公用电网谐波，对公用电网谐波电压限值如表 21所示10。表 21 公用电网谐波的限值电网标称电压kv电压总谐波畸变率%各次谐波电压含有率%奇次偶次0.385.04.02.064.03.21.610353.02.41.2661102.01.60.8(1) 谐波术语的数学表达式第h次谐波电压含有率hruh，如公式(25)所示：(25)式中，uh第h次谐波电压(方均根值)；ul基波电压(方均根值)。谐波电压含量uh，如公式(26)所示：(26)电压总谐波畸变率thdu，如公式(27)所示：(27)(2) 谐波的测量在对电压进行测量时，为了区别暂态现象和谐波，对负荷变化快的谐波，每次测量结果可为3s内所测值的平均值，推荐采用式(28)计算。(28)2.5 电压波动和闪变2.5.1 电压波动和闪变的产生及危害(1) 电压波动和闪变的产生电压波动是由于部分负荷在正常运行时出现冲击性功率变化，造成实际电压在短时间里较大幅度波动，并且连续偏离额定电压，所以也称为快速电压变动11。单位时间内电压变动的次数称为电压变动的频度r(s-1)，一般以分或秒为频度的单位。电压变动频度为调幅波频率的2倍，或表示为f(hz)=r(s-1)/2。在电能质量标准中，闪变以灯光闪烁对人眼视感的影响来反映供电电压的波动程度。闪变是指由于灯光照度不稳定造成的视感。闪变不仅与电压波动的幅值有关，而且与电压波动的频率和波形、照明灯具的性能及人的视感因素有关。出现供电电压波动，使实际运行电压偏离理想正弦波形和恒定电压幅值的主要原因是由于各种类型的大功率波动性负荷投运引起的。波动性负荷的用电特征分为周期性和非周期性的，而周期性和近似周期性的功率波动负荷对闪变影响更为严重。目前供电系统中功率波动造成干扰的负荷主要有：电弧炉、轧钢机、电气化机车等。(2) 电压波动和闪变的危害电压波动会引起多种危害，如电压快速变动会使电动机转速不均匀，不仅危及电动机的安全运转，而且还会直接影响一些产品的质量。闪变是电压波动的直接反映，当电压波动严重到引起照明灯具闪烁时，会使人眼感到疲劳甚至难以忍受而降低工作效率。但闪变还与人的视感因素有关，所以不能以电压波动代替闪变。2.5.2 国标中的规定及计算方法根据国家标准电能质量 电压波动和闪变，任何一个波动负荷用户在电力系统公共连续点产生的电压变动，其限值和电压变动频度、电压等级有关。对于电压变动频度较低(例如r 1 000次/h)或规则的周期性电压波动，可通过测量电压方均根值曲线u(t)确定电压变动频度和电压变动值，电压波动的限值如表22所示12。表22 电压波动限值r/(次/h)d/%lv、mvhvr 1431 r 103*2.5*10 r 10021.5100 r 10001.251注1：很少的变动频度(每日少于1次)，电压变动限值d还可以放宽。注2：对于随机性不规则的电压波动，如电弧炉负荷引起的电压波动，表中标有“*”的值为其限值。注3：参照gb/t 156-2007，本标准中系统标称电压un等级按以下划分：低压(lv) un 1kv中压(mv) 1kv un 35kv高压(hv)35kv 110kv 1 0.8(1) 电压波动的测量和估算电压波动可通过电压方均根值曲线u(t)来描述，电压变动d和电压变动频度r则是衡量电压波动大小和快慢的指标。电压变动d的定义表达式如式所示(29)式中，u电压方均根值曲线上相邻两个极值电压之差； un系统标称电压。(2) 闪变的测量和计算闪变是电压波动在一段时期内的积累效果，它通过灯光照度不稳定造成的视感来反应，主要由短时闪变pst和长时间闪变plt来衡量。短时闪变值pst的计算方法是通过模拟人眼的感觉通过分析计算得出结果，具体过程将在后续章节详细介绍。长时间闪变值plt由测量时间段内包含的短时间闪变值pst计算获得，如式(210)所示：(210)2.6 三相电压允许不平衡度2.6.1 三相不平衡产生的原因及危害电力系统的三相不平衡是由于三相符合不平衡以及系统元件参数的不对称所致。三相电源电压畸变不对称时，对于三相四线制电路，可以分解为正序、负序和零序分量；对于三相三线制电路，可分解为正序和负序分量，而没有零序分量。三相电压的不平衡度通常以负序分量与正序分量的均方根的百分比来表示13，如式(211)所示。(211)式中，u1三相电压正序分量的均方根值；u2三相电压负序分量的均方根值。 随着国民经济的发展，电力系统中出现了大量不平衡负荷，以及一些单相大容量负荷(例如交流电弧炉、电气化铁路)，使电网三相电压不平衡日趋严重，危及电力系统的安全和经济运行。三相电压或电流不平衡会对电力系统和用户造成一系列的危害，其中主要有：(1) 引起旋转电机的附加发热和振动，危及其安全运行和正常工作；(2) 引起以负序分量为起动元件的多种保护发生误动作(特别是当电网中同时存在谐波时)，这对电网安全运行是有严重威胁的；(3) 导致半导体变流设备产生附加的谐波电流(非特征谐波)，而这种设备一般设计上只允许2%的电压不平衡度；(4) 导致发电机容量利用率下降。由于不平衡时最大相电流不能超过额定值，在极端情况下，只带单相负荷时则设备利用率仅为0.577；(5) 变压器的三相负荷不平衡，不仅使负荷较大的一相绕组过热导致其寿命缩短，而且还会由于磁路不平衡，大量漏磁通经箱壁、夹件等使其严重发热，造成附加损耗；(6) 在低压配电线路中，三相不平衡会影响计算机正常工作，还会引起照明电灯寿命缩短(电压过高)或照度不足(电压过低)以及电视机的损坏等；(7) 三相不平衡时，将引起电网损耗的增加；(8) 干扰通讯系统，影响正常的通信质量。2.6.2 国标中的规定及计算方法根据国家标准电能质量 三相电压不平衡的规定，电力系统公共连接点电压不平衡度限值为，电网正常运行时，负序电压不平衡度不超过2%，短时不得超过4%。接于公共连接点的每个用户引起该点负序电压不平衡度允许值一般为1.3%，短时不超过2.6%。同时，该标准还规定了不平衡度的计算方法14。(1) 测量取值对于电力系统的公共连接点，供电电压负序不平衡度测量值的10min方均根值的95%概率大值应不大于2%，所有测量值中的最大值不大于4%。对日波动不平衡负荷，取1min方均根值。为了实用方便，实测值的95%概率值可将实测值按由大到小次序排列，舍弃前面5%的大值取剩余实测值中的最大值。本设计说明书软件设计分析过程既是采用这种方法。(2) 不平衡度的准确计算式在没有零序分量的三相系统中，当已知三相量a、b、c时，可按式(212)求负序不平衡度。(212)式中，la4+b4+c4a2+b2+c22。2.7 本章小结(1) 本章介绍了电能质量的概念，最后给出了ieee对电能质量的定义；(2) 根据国家五项电能质量标准，分别介绍了各种电能质量指标的产生原因、带来的主要危害以及国标中的规定和计算方法。第 3 章 软件开发环境介绍3.1 虚拟仪器的介绍虚拟仪器(virtual instruments)的起源可以追溯到20世纪70年代，pc机出现以后，仪器的计算机化成为可能，于是诞生基于计算机的仪器，即虚拟仪器。仪器硬件以模块化为特点，能够全方位的系统集成，应用软件则以图形化的编程为长处，能够方便高效的创建自定义的用户界面，二者相结合实现传统仪器的测量功能。使用者用鼠标或键盘操作虚拟面板，就如同使用一台专用测量仪器15。虚拟仪器利用pc机强大的图形环境和在线帮助功能，建立虚拟仪器面板，完成对仪器的控制、数据分析和显示，代替了传统仪器，改变了传统仪器的使用方式，极大的提高了仪器的功能和使用效率，大幅度的降低了仪器的价格，使用户可以根据自己的需要自定义仪器的功能；可以说，虚拟仪器的出现将“仪器”的概念推向了一个新的纪元。虚拟仪器广泛的应用于电子测量、电力工程、矿物勘探、医疗、振动分析、声学分析、故障诊断及教学科研等诸多领域。随着社会生产力的极大发展，现代化的生产要求电子仪器品种多、功能强、精度高、自动化程度高，而且要求测试速度快、实时性好、具有良好的人机界面。虚拟仪器正好可以满足这些要求16。与传统的仪器相比较(见表31)，虚拟仪器具有如下几个优点：(1) 虚拟仪器的关键环节是软件虚拟仪器系统中除pc机外的硬件主要用于数据的采集、输入，至于系统怎样处理数据，具有怎样的面板和数据输出的形式等都是由软件决定的。虚拟仪器的好坏，很大程度上取决于软件水平的高低。(2) 开发与维护的费用低，系统组建时间短当需要增加新的测量功能，只需要增加软件模块或通用的硬件模块，缩短了系统的更新时间，而且有利于系统的扩展。应用软件不像传统仪器的硬件那样存在元器件老化的问题，大大节省了维护的费用，延长设备的使用寿命。(3) 测量更准确传统仪器测量个体之间差异大，而虚拟仪器的应用软件在不同的pc机上具有相同的运行效果，在软件运行这方面不存在个体的差异。(4) 测量更方便因为传统仪器功能单一，所以对一个信号完成多个参数的测量需要多台仪器，使测量受到连接方式、电缆长度等因素的影响。虚拟仪器只需对信号进行一次采样，多个软件模块对同一组数据进行不同的处理就能实现多个参数的同时测量。(5) 具有强大的数据处理功能计算机运算速度的大大提高和数字信号处理理论的丰富和完善，使虚拟仪器能够快速准确的处理数据。为了清楚的表明传统仪器与虚拟仪器的区别，我们利用表31来更好地说明。表31 传统仪器和虚拟仪器的对比虚拟仪器传统仪器界面图形化，计算机直接读取数据并分析处理图形界面小，人工读取数据，信息量小可方便的与网络外设及多种仪器连接与其它仪器设备的连接十分有限关键是软件，系统升级方便，可通过网络下载升级程序关键是硬件，升级成本高，而且要上门进行升级服务价格低廉，仪器间资源可重复利用率高价格昂贵，仪器间一般无法共享资源体积较小，便于携带和野外工作体积较大，不便于运输开发与维护费用较低开发与维护开销高技术更新周期短(12年)技术更新周期长(510年)3.2 labview软件介绍虚拟仪器的核心技术思想就是“软件即是仪器”，由此突出了软件在虚拟仪器系统中的重要性。美国ni公司通过长期、系统、有效的研究和发展，逐步确立了labview在虚拟仪器编程软件中的主力地位17。labview(laboratory virtual instrument engineering workbench)是一种用图标代替文本行创建应用程序的图形化编程语言。它的出现终于把人们尤其是传统仪器工程师和科学家们从繁杂的编程工作中解放出来，使他们能够真正专心于自己所关注的事情。labview程序又称虚拟仪器，即vi，其外观和操作均模仿现实仪器。每个vi都使用函数从用户界面或其他渠道获取信息输入，然后将信息显示或传输至其它文件或计算机前面板是vi的用户界面。前面板由输入控件和显示控件组成，这些控件是vi的输入输出端口。输入控件是指旋钮、按钮、转盘等输入装置，显示控件是指图表、指示灯等显示装置，模拟仪器的输入装置，为vi的程序框图提供数据。显示控件模拟仪器的输出装置，用以显示程序框图获取或生成的数据。程序框图是图形化源代码的集合，图形化源代码又称g代码或程序框图代码。前面板创建完毕后，便可使用图形化的函数添加源代码来控制前面板上的对象。前面板上的对象在程序框图中显示为接线端。接线端用以表示输入控件或显示控件的数据类型。在程序框图中可将前面板的输入控件或显示控件显示为图标或数据类型接线端。默认状态下，前面板对象显示为图标接线端。接线端是在前面板和程序框图之间交换信息的输入输出端口。节点是程序框图上的对象，具有输入输出端，在vi运行时进行运算。节点相当于文本编程语言中的语句、运算符、函数和子程序。程序框图中对象的数据传输通过连线实现。每根连线都只有一个数据源，但可以与多个读取该数据的vi和函数连接。不同数据类型的连线有不同的颜色、粗细和样式。断开的连线显示为黑色的虚线，中间有个红色的x。出现断线的原因有很多，如试图连接数据类型不兼容的两个对象是就会产生断线。结构是文本编程语言中的循环和条件语句的图形化表示。使用程序框图中的结构可对代码块进行重复操作，有条件执行或按特定顺序执行代码。3.3 电能质量检测vini公司在labview中提供了一些工程测量中常用的vi，就像面向对象语言中的类一样，我们可以直接使用，简化我们开发的过程。本节介绍电能质量监测系统涉及到的关于参量分析相关控件的使用功能，使我们对设计中使用的控件有了进一步的了解。其中，包括一些可用于电能质量测量的vi，如波峰检测vi(peak detector.vi)、提取单频信号vi(extract single tone information.vi)、谐波失真分析vi(harmonic distortion analyzer.vi)等。(1) 波峰检测vi在测量电压值的过程中使用到了波峰检测vi，如图31所示。图31 波峰检测vi数据集可以单个数组或连续数据块的形式作为该vi的输入。该vi的算法是用二次多项式依次拟合数据点中的各组数据。拟合中使用的数据点的数量由宽度指定。对于每个波峰或波谷，二次拟合可与阈值进行比较。忽略低于阈值的波峰和高于阈值的波谷。只有在vi处理波峰或波谷之外大约宽度/2个数据点后，才可能检测到波峰或波谷。延时仅对实时处理有影响。第一个或最后一个数据块传递至该vi时，必须通知该vi，使vi初始化并传递内部数据至波峰检测算法。(2) 提取单频信息vi测量单相电压值的频率时，使用到了提取单频信号vi(extract single tone information. vi)，如图32所示。图32 提取单频信息vi在time signals in输入一个时域波形信号，可以检测出该信号的频率、幅值等信息。根据输入的时域波形数据类型的不同，返回值的数据类形也不同。可通过式(31)表示实数单频信号：(31)a、f 和 分别是单频信号的是幅值、频率和相位，fs是输入波形信号的采样率。可通过式(32)表示复数单频信号：(32)a、f和分别是单频信号的是幅值、频率和相位，fs是输入波形信号的采样率。(3) 谐波失真分析vi为了测量电压谐波，使用了labview中用于测量谐波的谐波失真分析vi，如图33所示。图33 谐波失真分析vi 谐波失真分析vi从signal in得到待测的波形，然后对该波形进行全面的谐波分析，返回基波的频率、谐波电平和总谐波畸变率。根据输入的波形数据类型的不同，会返回不同数据类型的数据。3.4 数据通信vi本节介绍电能质量监测系统涉及到的关于数据传输相关控件的使用功能。其中主要包括tcp侦听vi、写入tcp数据(函数)、打开tcp连接(函数)等。(1) tcp侦听vi调用节点如图34所示。图34 tcp侦听vi开始侦听某个指定端口时，不能再使用该vi侦听该端口。例如，如在程序框图上有两个该vi的实例，并且第一个实例侦听端口2222，则不能再用第二个实例侦听同一端口。该vi将保留有效的侦听方及其侦听端口的列表，按侦听方id排序，直到包含该vi的顶层vi空闲。其后对vi的调用将重用这些侦听方，根据指定的服务名称、端口和网络地址而定。如在端口接线端连入值0，在服务名称接线端连入空字符串，每次调用vi都将在开放的端口上创建一个新的侦听器。如果按上述方式连线vi，指定一个非默认的超时值，vi将在每次超时发生时创建一个新的侦听器。这会消耗大量的套接字资源。在该情况下，连接侦听器id接线端至tcp关闭连接函数，可释放侦听器占用的端口。或者连接侦听器id接线端至tcp等待侦听器函数，在一个端口上侦听连接。(2) 写入tcp数据(函数)写入tcp数据函数如图35所示。图35 写入tcp数据(函数)(3) 打开tcp连接(函数)打开tcp连接(函数)如图36所示。图36 打开tcp连接(函数)如连线未经使用的ip地址，则可能导致错误，表明该网络操作已超出用户指定范围或系统时间限制。该错误在默认的60000毫秒超时前发生。连线正在运行并正在侦听目标端口的ip地址可纠正该错误。(4) 读取tcp数据(函数)读取tcp数据(函数)如图37所示。图37 读取tcp数据3.5 本章小结(1) 介绍了虚拟仪器技术的概念，及虚拟仪器技术的特点，讲述虚拟仪器的发展历程，强调了美国ni公司在虚拟技术领域中的地位；(2) 对虚拟仪器技术中常用到的一些总线形式和系统进行了整理介绍，着重介绍了本课题中使用到的数据采集系统；(3) 介绍了虚拟仪器中的labview软件，及其使用过程中常见的一些概念，重点介绍了labvlew2012中用于电能质量测量的vi和数据传输的vi。第 4 章 系统软件设计经过对国家电能质量标准的学习和虚拟仪器技术的了解，本人以国家标准为依据，利用ni公司的labview2012软件，设计并实现了完整的电能质量监测系统软件设计。4.1 电能质量监测系统总体结构基于虚拟仪器的电能质量监测系统同样必须具备传统监测系统的三大功能模块：数据采集模块、数据分析处理模块和结果显示模块。数据采集模块还是由传统的采集硬件来完成，不同的是数据分析处理模块完全由计算机软件实现，这部分功能不受硬件限制，可以根据用户的需求可以随时增加修改模块，这一优势是传统仪器所无法比拟的。对于本论文所研究的电能质量监测系统，软件部分是核心，只要硬件部分将监测点的电压和电流信号经信号调理器和数据采集卡以最小失真度转换成数字信号，其余的任务如滤波、加窗、数据处理和统计分析。总体来说，基于虚拟仪器思想所建立的电能质量监测系统由两大部分组成：硬件部分和软件部分，将硬件部分和软件部分综合起来，系统的总体结构如图41所示。图41 系统总体结构图本设计主要设计软件部分的内容，所设计的程序从功能上分为两大部分：数据传输模块和数据分析模块。其中数据分析模块包括电压偏差测量、频率偏差测量、供电电压波动和闪变测量、谐波测量、三相电压不平衡度测量和功率测量六部分。系统软件部分框图如图42所示。图42 系统软件框图4.2 数据传输模块的设计数据传输模块使用tcp系列vi和函数实现，这些vi和函数的功能及其用法在3.4节中已经进行了详细的说明，具体实现和流程图如图43所示。图43 数据传输流程图数据传输的程序框图如图44所示。图44 发送tcp数据读取tcp数据的程序框图如图45所示。图45 读取tcp数据其中用到了两个子vi，写入tcp子vi和读取tcp子vi，如图46，图47所示。图46 写入tcp子vi图47 读取tcp子vi4.3 数据分析模块的设计4.3.1 电压偏差测量模块电压偏差是指系统各处的电压