（信号与信息处理专业论文）基于虚拟仪器技术的电能质量参数监测系统的设计与研究.pdf

硕士论文基于虚拟仪器技术的电能质量参数监测系统的设计与研究 ab s t r a c t w i t hth ei m p r o v i n go f o ur n at i o n ale c o n o m y，k i n d s o f i n d u s t ry p r o d u c t i o n d e m and h i gh p o wer q u al i t y . g e tt i n g th e p o wcr q ual i t y p a ram e te r o f p o w e r s y s t e m int 恤e i s v e ry i mp o rt a nit oi n d ustry p rod u cti o n i nt b ethe s i s ，fi r s t l y， th en at i o n al s t a n d ar d so fp o w er q u a 1 i ty andth e c o rr e l at i v e a l g o r i t 肠 m s are i n t ro d u c e d b ri e fi y，t h e nth c s h o rt c o m i n g o f t r a d i t i o nai p o wer p ar ame te r s m o n i t o ri n gs y s te m an dt be n e c e s s i t yo f m o n i t o r i n gto p o wer p ar ame te r s ar e o ut l i n e d i n t h i s th e s i s ， b e s i des th e p ape r anal y z e th e fe a s i b i l i t y fo r u s i n gt h ev i rt u ali n s t rume n t t o d e v e l o pt b e p o we r q u a l i t y mo nitori n g s y s t e m. s u b s e q u e n t l y，th e d e s i gn a n d i m p l e m e nto f h a r d w ar e and s o ft war e are m ai n l y ana l y z e di nth i s th e s i s . with r e g ar dto t h eb a r d w ar ed e s i g n ， th esen s or， s i g n a l m o d u i at i n gc i rcu i t andt b es am p l i n gc i r c u i tare i ntr o d u c e d . d e s i g nt h e加n c t i o n m o d u l e s o f t h es y s t e mb ase do n t b e g r a p h i c s l ang u a g e l abv i e w i s d i s c u s s e di n t h e s o ft w are d e s i g n .th e fun c t i o n m o d ule s o f t h e s y s t e mi n c 1 u d e t h e d at a 一 ac q u i ri n g ，fr e q u e n c y e ffec t i v e v a l u e ，t hr e c 一 p h a s e u n b a l anc e ，p o w e r， h a n n o n i canaly z i n g ， 山ev o l tag efl u c t u a t i o nandfl i c k e r me asu ri n g ， d a t as t o r age th e s 羚t e mc an m o n i tor e l e ctri c p o we r p ara me t e r i nr e alt i me . f i n a l 1 y，t h i s th e s i s p re s e nt s t h e re s u l t s o f p r i m a ryt e s t ， t h e r e s u l t p r o v e s t b a t th es y s t e m c an m e att h e m o s t r e q u i r e m e n t o f d e s i g n at i o nfo r t h epow e r q uali t y p a r a 刃 口 e ter s m o n i t o r i n g s y s t e m . k e y w o r d s :virt u a l i n s t ru m e nt ，p o w e r q u a l i ty，f f t， l a b v i e w， h a n n o n i c i i 声明 本学位论文是我在导师的指导下取得的研究成果， 尽我所知， 在 本学位论文中， 除了 加以 标注和致谢的部分外， 不包含其他人已 经发 表 或公布过的研究成果， 也不包含我为获得任何教育机构的学位或学 历而使用过的材料。 与我一同工作的同事对本学位论文做出的贡献均 己 在论文中作 了明确的说明。 研 究 生 签 名 :柳 伞 ) 铆 年) 月石日 学位论文使用授权声明 南京理工大学有权保存本学位论文的电子和纸质文档， 可以借阅 或上网公布本学位论文的部分或全部内容， 可以向有关部门或机构送 交并授权其保存、 借阅或上网公布本学位论文的部分或全部内容。 对 于保密论文，按保密的有关规定和程序处理。 研究生签名:击凤 个 州7 年7 月石 日 硕士论文基于虚拟仪器技术的电能质量参数监测系统的设计与研究 绪论 l i引言 电能作为现代社会中使用最为广泛的能源 ， 其应用程度是衡量一个国家发 展水平的重要标志之一。近年来 ，随着我国电力事业的迅速发展，电力系统的 规模 日益扩大，与此同时，用户对电能质量的要求也越来越高，使得电能质量 问题川 127 1 日 益紧迫的摆在了我们的面前， 电能质量的好坏直接关系到国民 经济 的总体效益。因此， 建立和实施电能质量的监测与分析是提高电能质量的一个 重要技术手段。研制一种新型的电能质量参数监测系统 ， 有效的进行电能质量 参数的监测， 对于保证电力系统运行的安全性、 经济性和可靠性均具有重要意 义。 传统的电能质量参数监测系统以硬件为核心， 功能单一， 已经逐渐无法满 足日益复杂的、实时性、多参数测试要求。 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(vi rt u all ns tru m en t ， 简称v l ) 技 术 的不断发展。 虚拟仪器具有丰富的软件功能、 简单的硬件结构、智能化程度高 等 特点， 以 虚拟 仪器 技术为平台 建立的 电 能质 量参 数监测系 统能 够克 服传统的 测试测量系统功能单一、升级复杂等缺点6l. 1 . 2研究背景和选题意义 对供电质量及可靠性 的要求 日益提高是和国民经济发展与科学技术进步 相联系的。在电力发展的初期，电力供应比较紧张，人们把关注 的焦点放在电 力供应的量上，对电能质量的关注程度不够。 从20 世纪 80 年代末以 来， 电 力供应的紧张局面得到缓解， 国民经济快速 发展， 各行业、 各部门的数字化、 信息化水平不断提高。 随着这些变革的发生， 对电力系统供电质量的要求也越来越高， 同时， 电力系统的污染现象也日趋严 重 ，特别是干扰性负荷，如各种电力整流设备、电弧炉、大容量调速 电机、电 气化铁道等电力电子装置不断的接入电力系统， 使电力系统 的电能质量受到严 重威胁和影响。 公用电网的供电质量日 益恶化， 甚至发生因谐波干扰而引发的 安全事故， 严重的威胁着电力系统的安全和经济运行。 为保证电力系统安全和 用户的用电安全， 更为了减少损耗， 提高用电效率， 改善电气环境， 迫切需要 对电能质量进行监测和分析，以 提供整改方案， 加强防范措施，限制强干扰源 ( 如谐波源、闪变源等) ，从而保证电力系统的安全、可靠、经济运行，并保 护电力用户的合法权益。 硕士论文基于虚拟仪器技术的电能质量参数监测系统的设计与研究 通常通过以下两条措施对电能质量的问题进行治理: 一方面利用现有的技 术条件， 采用各种可行的技术措施抑制电能质量的恶化或进行负荷调整、 电网 改造来保证电能质量的正常: 另一方面， 我们通常在电力系统的特殊点处装设 电能质量参数监测系统来监测电能质量的各种参数。 只有对电能质量的各种参 数进行实时地监测， 对监测的结果进行统计分析处理， 才能够正确评估电能质 量的好坏， 及时地找出引起电能质量恶化的原因， 从而提出电能质量问题整改 的方案， 为有关部门采取有效措施隔离或降低电能质量恶化的危害提供决策支 持 。 因此，利用先进的技术手段，采用精确合理的计算算法，研制功能齐全、 性能优良、 安装简单、 使用方便的电能质量参数监测系统是很有必要的。目 前 电力运行设备品种繁多， 相应的电能质量参数监测设备种类齐全， 然而传统的 监测 系统 在下列几 个方面比 较 欠 缺17) : ( 1) 功能单一性问题。传统的电能质量参数监测系统由于受到硬件条件的 限制，每一个系统只能实现一个或者少数几个电能质量参数的检测。 (2 ) 生产调试率低下问题.传统的电力质量参数监测设备在生产调试过程 中， 由于不同功能的设备在硬件、 材料等方面差别很大， 因此调试的工作量大， 对调试人员的要求较高，需要掌握不同的硬件原理、不同的器件特性等，因此 调试率低下。 (3 ) 开发周期和开发费用问题。传统的单功能参数监测设备在开发的过程 中，要经过一个硬件设计、调试的过程，不同仪器间的资源不能互相利用 ，造 成研发成本高，开发周期长。 虚拟仪器技术是诞生于上世纪九十年代的新一代测控技术， 该技术具有强 大的用户自 定义功能、开发周期短、 成本低廉以及实用范围广、 维护升级方便 等众多优点， 被迅速推广应用到众多行业中， 电力行业当然也不例外。经过研 究表明，采用虚拟仪器技术， 具有开发迅速、 成本低廉、 使用简单、功能强大 且随时可扩展等特点， 利用它来开发电能质量参数监测系统， 能够在技术上和 经济上都能较好地满足现场实际需要。 鉴于以上原因， 本论文研究设计了基于虚拟仪器技术的电能质量参数监测 系统， 通过软件将计算机硬件资源和仪器硬件有机地结合起来， 从而把计算机 强大的计算处理能力和仪器硬件的测量、 控制能力结合在一起， 使得开发的基 于虚拟仪器技术的电能质量参数监测系统具有功能灵活、 操作方便等优点， 这 对于克服目前电能质量参数监测系统的局限性、 采取措施提高供电质量都具有 重要的意义。 硕士论文基于虚拟仪器技术的电能质量参数监测系统的设计与研究 1 . 3国内外研究现状 在工业发达国家，电能质量问题早已被当作电力系统面临的重要问题看 待， 各国均在加强有关电能质量问题的研究，己得出不少理论成果并提出一系 列综合监测控制和管理方法。目前在国内外，对电能质量进行监测与分析时， 绝大部分采用第三代测试仪器一智能仪器，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， 很容易受到外界环境的影响， 且测量精度不是很 高，特别是在检测不同指标时，需要更换相应硬件， 这给监测和分析带来诸多 不便。为实现更多参数的测试，很多测量仪器额外配有辅助硬件，这就大大增 加了体积和成本， 而且给监测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，不便于观察历史数据，而现代的电能质量监测 系统需要处理和保存大量数据。 国内对电能质量问题的研究起步较晚，目前广 泛采用统计型电压表监测电压合格率、采用便携式谐波分析仪测量谐波水平。 这种电能质量监测手段和管理模式存在实时性差、监测指标少、测量误差大、 工作量大及效率低等局限性。 虚拟仪器的出现， 改变了这一现状. 虚拟仪器代表着仪器仪表的发展方向， 因为它将仪器仪表同信息通讯相结合， 同计算机技术相结合， 基于普通计算机 的硬件，利用强大的计算机软件来实现原来需要大量硬件才能实现的测试功 能。 本设计中研究设计了基于当今测控领域的最新技术一虚拟仪器技术为平台 的电能质量参数监测系统， 利用计算机的高速处理能力对电能质量进行实时监 测，以计算机技术、 虚拟仪器技术和数据库技术为依托， 实现电能质量监测系 统 。 l 4本文主要研究工作 本文在研究电力系统电能质量指标及测量方法的基础上， 研究设计了基于 l a b v i e w 的电能质量参数监测系统，将电压偏差、频率偏差、电压波动和闪 变、电网谐波、 三相不平衡度作为主要的研究对象， 同时对电能质量参数的测 试算法进行了研究， 通过对电网信号的采集、 计算和分析，实现对上述五种稳 态电能质量参数的监测。论文的主要研究工作有: (l ) 深入理解电能质量国家标准对各项指标的监测要求，明确其算法; (2 ) 了 解电能质量问题产生的原因、 带来的危害以 及实现电能质量监测的 方法有哪些: (3 ) 了解电能质量参数监测系统的发展过程，深入理解虚拟仪器技术及其 软硬件构成: 硕士论文 基于虚拟仪器技术的电能质量参数监测系统的设计与研究 (4 ) 监测系统的硬件设计; (5 ) 监测系统的软件设计; (6 ) 监测系统的调试及分析。 硕士论文 基于虚拟仪器技术的电 能质量参数监测系 统的 设计与 研究 2电能质量参数监测系统设计概述 2.1电能质量参数监测系统发展过程 在面对一个测试任务时， 首先应该考虑的是监测系统的总体规划， 选择什 么样的测试系统来完成系统 的设计 ， 对于电能质量参数监测系统的设计这也是 需要首先考虑的问题 。 电能质量参数监测系统的发展过程1，1 151可分为四个阶段:模拟化检测、数 字化检测、以计算机为核心的智能化检测、以软件为核心的虚拟化检测。 ( 1) 模拟化检测阶段 模拟化检测以模拟技术处理检测信号， 如指针式的电压表、 电流表、 功率 表等. 它们的基本结构是电磁机械式的， 借助指针显示测量结果。 模拟化检测 系统功能单一 ，结构复杂，精度低，自动化程度低。 (2 ) 数字化检测阶段 数字化检测利用 a 瓜( 模数转换器) 将检测信号转换为数字信号，利用数字 信号处理技术处理经过模数转换后的数字信号， 然后利用数字计数器计数， 并 通过十进制数字显示处理后的测量结果。 数字化检测能够适应快速响应和高精 度的要求， 读数清晰、 直观， 也容易与计算机技术的结合。 但它和模拟化检测 一样，检测系统都只能独立工作，功能单一。 (3 ) 以计算机为核心的智能化检测阶段 微型计算机的问世与普及， 给电子测量提供了强有力的支持。 利用微型计 算机的记忆、 存储、数学运算、逻辑判断和命令识别等能力， 发展了智能化检 测系统。 这类电能质量参数检测系统内置微处理器， 功能模块全部都以硬件或 固化的软件形式存在， 能够进行自 动测试又具有一定的数据处理能力， 可以取 代部分的脑力劳动，习 惯上称之为智能仪器. 但相对虚拟仪器而言， 无论是开 发还是应用，都缺乏灵活性 。 (4 ) 以软件为核心的虚拟化检测阶段 虚拟化检测是计算机技术、 通信技术、 测试测量技术相结合的产物， 它是 在必要的数据采集硬件和通用计算机支持下， 通过软件来实现仪器的部分或全 部功能. 虚拟仪器是传统测量观念的一次巨 大变革， 也是电能质量参数监测发 展的一个重要方向。 对电能质量参数监测与分析， 目前绝大部分采用的还是智能监测系统. 但 这样的监测系统需要自 选合适的 硬件设备来连接， 工作量大而烦琐， 并且需要 硕士论文基于虚拟仪器技术的电能质量参数监测系统的设计与研究 花大量的时间在程序代码的编写上， 设备的功能、 规模固定， 与其它设备的连 接也受限， 而且价格昂贵， 技术更新慢， 开发和维护费用高。 近年来虚拟仪器 的出现， 改变了这一现状。 虚拟仪器是一种功能意义上的仪器，是以 计算机为 核心， 由强大的测试应用软件支持的、 具有虚拟仪器面板和必要的仪器硬件及 通信功能的测量信息处理系统. 虚拟仪器通过计算机完成对仪器的 控制、 数据 采集、 数据分析及显示等， 它具有结构简单、 一机多用、 高度智能化及精度高 等特点。 它利用计算机系统的强大功能， 结合相应的硬件， 大大突破了传统仪 器在数据处理、显示、传送等方面的限制，使用户可以方便地对其进行维护、 扩展和升级， 利用强大的计算机软件来实现原来需要大量硬件才能实现的测试 功能。 因此， 采用虚拟仪器技术开发研制电能质量参数监测装置， 是今后电能 质量参数监测的发展趋势 。 2.2虚拟仪器技术概述 虚拟仪 器15 ( vi rt ua l lns trum e nt ， 简称vi) 是日 益发展的 计算 机硬、 软件和 总 线技术在向其它相关技术领域密集渗透的过程中，与调试技术、 仪器仪表技术 密切 结合共同孕育出的一项全新的成果 。2 0世纪中期，美国国家仪 器公司 困at i o n a l l n s t rum e n t s c o 印 o r a t i o n 简称n l ) 首先提出t虚拟仪器的概念， 认为虚 拟仪器是由计算机硬件资源 、 模块化仪器硬件和用于数据分析、 过程通讯及图 形用户界面的软件组成的测控系统，是一种由 计算机操纵的模块化仪器系统。 如果再作进一步说明，那么虚拟仪器是一种以 计算机作为仪器统一硬件平台， 充分利用计算机独具 的运算 、存储、回放、调用、显示以及文件管理等基本智 能化功能， 同时把传统仪器的专业化功能和面板控件软件化， 使之与计算机结 合起来融为一体，这样便构成了一台从外观到功能都完全与传统硬件仪器一 致， 同时又充分享用计算机智能资源的全新的仪器系统。 由于仪器的专业化功 能和面板控件都是由软件形成，因此国际上把这类新型的仪器称为 “ 虚拟仪 器” 。有的资料上甚至直接将虚拟仪器这种形式称为 “ 软件即仪器” 。 作为一种新的仪器模式与传统的硬件化仪器比较， 虚拟仪器主要有以下特 点161:功能软件化、功能软件模块化、 模块控件化、仪器控件模块化、硬件接 口 标准化、 系统集成化、程序设计图形化、 计算可视化、 硬件接口软件驱动化 等。在表 2. 2 . 1 中列出了 虚拟仪器与传统仪器的比较: 硕士论文基于虚拟仪器技术的电能质量参数监测系统的设计与研究 表 2.2 . 1虚拟仪器与传统仪器比较 项 目比较传统仪器虚拟仪器 关键部分硬件软件 功能定义者仪器厂商生产厂家、用户 功能增减性固定 功能模块可增减 系统开放性 系统封闭能和多种外设整合 成本比较 成本高，价格贵成本低，价格低廉 数据处理不能编辑数据可以编辑数据 技术更新周期 5 1 0年 1 2年 开发维护费用高 低( 为传统的 1 / 5 一1 / 1 0 ) 用户界面 界面呆板、不友好人机界面好 2. 2. 1虚拟仪器的硬件系统构成 一个虚拟仪器由虚拟仪器硬件系统和软件系统两部分组成 。 虚拟仪器的基 本构成141 191如图2 . 2 . 1 所示，下面对虚拟仪器的硬件系统做简要介绍. 信号调理数据采集卡 计算机软件系统 d ib接口仪器( 护ib接口卡 v x 坪x i 接口 模块 串行口仪器护l c 测控对象 现场总线设备 其他计算机硬件板卡 图 2 :21虚拟仪器的基本构成 虚拟仪器的硬件系统一般分为计算机硬件平台和测控功能硬件。 计算机硬 件平台可以是各种类型的计算机，如 p c机、 便携式计算机、工作站、嵌入式 计算机等。 计算机管理着虚拟仪器的硬软件资源， 是虚拟仪器的硬件支撑。 计 算机技术在显示、存储能力、处理性能、网络、总线标准等方面的发展 ，推动 着虚拟仪器系统的发展。 按照测控功能硬件的不同， 虚拟仪器可分为g pib 、 v x l 、 p x i 和 d a o四 硕士论文基于虚拟仪器技术的电能质量参数监测系统的设计与研究 种标准体系结构。 ( 1 ) o p i b( o e n e r a l p u 印 o s e l 瓜 c r fa c e a u s ) 通用接口 总线:典型的g p l b汉 叮 j试 系统包括一台计算机、一块 g pib接口卡和若干台g pib仪器。 ( 2 ) v x l ( v me b u s e x t e n s i o n fo r i n s t ru m e n t a t i o n ) 总线系统: v x i 总线系统是 v me总线在仪器领域的扩展， v x i 系统可包含256 个装置， 由主机箱、 “ 零槽” 控制器、具有多种功能的模块仪器和驱动软件、系统应用软件等组成。系统的 各功能模块可随意更换， 即插即用组成新系统。 由于其标准开放、 传输速率高、 数据吞吐能力强、定时和同步精确、模块化设计、结构紧凑和使用方便灵活， 已越来越受人们的重视. 它便于组织大规模、 集成化系统， 是仪器发展的一个 方向。 ( 3 ) p x i ( p c l e x t e n s i o n fo r l n s t rum e nt at i o n ) 总线系统:p x l 总线系统是p c i 在仪器领域的扩展，在 p c i 内核技术上增加了成熟的技术规范和要求. ( 4 ) d a q ( d a t a c q u i s i o n ) 数据采集系统:d a q数据采集系统是指基于p c 计算机标准总线( 如 isa 、p c i 、u s b等) 的数据采集功能模块，它充分地利用 了计算机资源，大大增加了测试系统的灵活性和可扩展性。d a q虚拟仪器既 具有高档仪器的测量品质，又能满足测量需求的多样性。对大多数用户来说， 这种方案不但实用， 而且具有很高的性能价格比， 是一种特别适合于我国国情 的虚拟仪器方案。 2. 2. 2虚拟仪器的软件系统构成 虚拟仪器的核心思想是利用计算机的硬件和软件资源， 使本来由 硬件实现 的功能软件化( 虚拟化) ，以便最大限度地降低系统成本， 增强系统的功能与灵 活性。虚拟仪器的软件框架从低层到顶层包括三部分:v lsa库、仪器驱动程 序、仪器开发软件( 应用软件) .图 2 .2.2表示虚拟仪器软件的结构框架。以下 对软件结构的主要组成部分做简要说明。 应 用 软 件 驱 动 程 序 gp i bvxi d a q 等 图2. 2. 2虚拟仪器的软件结构 硕士论文基于虚拟仪器技术的电能质量参数监测系统的设计与研究 ( 1 ) v i s a( virt u a l i n s t rum e n t s o ft w ar e arc h i t e c t u re)虚拟仪器软件体系结 构: v i s a体系结构是标准的1/ 0函数库及其相关规范的总称。 一般称这个 11 0 函数库为v lsa库。它驻留于计算机系统之中，执行仪器总线的特殊功能，是 计算机与仪器之间的软件层连接， 以实现对仪器的程控。 它对于仪器驱动程序 开发者来说是一个个可调用的操作函数集。 (2 ) 驱动程序:每个仪器模块都有自己的仪器驱动程序，供应商以源码的 形式提供给用户。 ( 3)应用软件: 应用软件建立在仪器驱动程序之上，直接面对操作用户， 通过提供直观友好的测控操作界面、 丰富的数据分析与处理功能， 来完成自动 测试任务。 2. 2. 3虚拟仪器的开发软件介绍 应用软件开发系统是设计开发虚拟仪器所必需的软件工具。目前， 较流行 的虚拟仪器软件开发环境117】 有两类:一类是图形化编程语言，具代表性的有 l abv iew， h p v e e系统:另一类是文本式编程语言，如 c语言，vis ualc什， l abwin dow s/ c v i 等。图形化的编程语言具有编程简单、直观、开发效率高的 特点.文本式编程语言具有编程灵活、运行速度快等特点。 虚拟仪器的兴起是测试仪器技术的一次 “ 革命” ，是仪器领域的一个新的 里程碑。 未来的虚拟仪器完全可以覆盖计算机辅助测试的全部领域， 几乎能替 代所有的模拟测试设备， 基于计算机的全数字化测量分析是采集测试分析的未 来. 虚拟仪器必将在电子测量、电气工程、 机电一体化等越来越多的领域中广 泛普及。本设计中以n l 公司推出的 l a b v iew 为软件开发平台实现电能质量 参数监测系统的设计，后面章节将会对l abv iew做详细介绍。 2. 3电能质量指标概述 近年来， 随着电力工业飞速发展和管理体制的转变， 特别是电力市场体制 的实行，电能作为一种特殊商品正逐渐走向市场， 既然是商品，当然也要考虑 商品质量，即要满足一定的质量指标。 2 . 3. 1制定电能质量指标的依据 电能质量指标是电能质量各个方面的具体描述， 不同的指标有不同的定义 和规定。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、 配、 用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。 而提高电能质量需要 硕士论文基于虚拟仪器技术的电能质量参数监测系统的设计与研究 相当的投入 ( 包括电网结构的改进、有功功率和无功功率的平衡，各种调频、 调压 、滤波和无功补偿装置的使用以及调度和运行管理技术等) ，因此，电能 质量指标的偏差时刻存在， 而偏差是否能够满足规定的限值是我们进行电能质 量指标监测分析的依据。 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上和技术上应满足以下三点: ( 1 ) 保证电力系统安全，提高供电 可靠性和电网运行的经济性: (2 ) 保证用户电气设备的正常生产; (3 ) 当超标时，电力部门和干扰性用户在当前经济和技术水平上，做一定 的努力后应能达标. 对于理想的三相交流电力系统来说，可以用式( 2. 3 . 1 、 表示。 les，wel吸 树树 十十 u 刁 = 拒口 co 成 哪十 叻 ua= 沂 勿 。 5 ( 创一 1 20 岭= 拒口 。 0 城 创+ 1 2 0 ( 2 . 31 ) 从对理想的三相交流系统的分析不难看出， 对电能质量标准的制定可以从 以下几方面来考虑: ( 1) 对于三相制，三相之间是否平衡; ( 2)对于电压幅值，是否发生波动和闪变以及是否偏离额定电压; ( 3)对于频率 ，是否偏离额定频率; ( 4)对于波形，是否因为有干扰存在而发生波形畸变。 综上所述，稳态电能质量主要包括五项指标:电压偏差、 频率偏差、三相 不平衡、谐波、电压波动和闪变。 2. 3 .2 供电电压允许偏差 供电电 压允 许偏差 2s 是指电 力系统的 电 压缓慢 变化时，实际电 压与系 统 标称 电压之差 。通常指电压变化率小于 1 %秒时实测 电压与额定电压之差，使 用符合标准的电压表测出系统的实际电压， 然后用下式求出电压偏差122。 电压偏差 ( %)= 实际电压一 额定电压 额定电压 xl 00 % ( 2 . 3 . 2 ) 式中实际电压为买际侧量电压，教定电压为系统标称 电压 2 2 o v 或 38o v 等。 电压偏差一般是由线路的电压损耗造成， 电压偏差超标对用电设备和电网 稳定以 及电网的经济运行都有十分严重的影响: (l) 对用电设备的危害 用电设备设计在额定电 压时性能最好、 效率最高， 电压偏离额定值时， 其 l 0 硕士论文基于虚拟仪器技术的电能质量参数监测系统的设计与研究 性能和效率都会降低，有的还会减少使用寿命， 电压偏差超过一定值时，会引 起设备的损坏. (2) 对电网稳定运行的危害 交流输电有个同步运行稳定问题，输电线的输送功率受稳定极限的限制， 特别是小扰动下的静态稳定功率极限与电网运行电压有很大的关系，电压越 低，功率极限越低，越容易发生不稳定现象。 ( 3) 对电网经济运行的影响 输电线路和变压器在输送相同功率的条件下， 其电流的大小和运行的电压 成反比。电网在低电压状况下运行， 会使线路和变压器的电流增大， 线路和变 压器绕组的有功功率与电流平方成正比。 低电压运行会使电网有功功率损耗和 无功功率损耗大大增加，增大了供电成本。 在国家标准 电能 质量供电电 压允许偏差 ( c g b 一 1 232 5-1 9 9 0)中规定: 供 电电压允许偏差 ( 1 )3skv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%: (2 ) 1 0kv及以下三相供电电压允许偏差为额定电 压的士 7 %; ( 3 )2 20v单相供电电压允许偏差为额定电压的+7 % 、一1 0 %。 要完成电压偏差的测量需要计算的参数有:电压有效值、电流有效值、 有 功功率、无功功率、视在功率和功率因数。 2. 3. 3电力系统的频率偏差 电力系统在正常工况下应在标称频率下运行， 系统中的用电设备在设计时 都是优先按照标称频率设计。 但是，由于电力系统负荷不断变动，电源出力及 其调节系统追随负荷变化又有一定的惯性， 致使系统频率总是一直处于变动的 动态之中， 不可避免地偏离标称值，即产生频率偏差。因此，必须划出频率允 许的偏差范围确保系统运行的可靠性和经济性. 电力系统频率是指单位时间内电信号周期性运动的次数， 所谓频率偏差是 指电 力系统频率的实际 值 和标 称值 ( 工频) 之 差 123 】 ， 其表 达式为: 鱿= f 一 几(2.3 为 式中f一 实际供电频率，h z 场一 供电网额定频率，h z 由于系统电压波形中可能含有谐波、 噪声以及系统大扰动时所含暂态高频 噪声污染， 所以电力系统频率的测量必须排除谐波和噪声污染以及暂态高频噪 声污染，这是频率测量的难点. 国标中对电力系统频率偏差允许值的规定如下: 硕士论文基于虚拟仪器技术的电能质量参数监测系统的设计与研究 (l ) 电力系统正常频率偏差允许值为士 0. 2 h z ，当系统容量较小时， 偏差值 可以放宽到土 0. s h z ; (2 ) 用户冲击负荷引起的系统频率变动一般不得超过上 0. 2h z ，根据冲击 负荷的性质和大小以及系统的条件也可以适当变动限值，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。 频率偏差的测量需要计算的参数是电力系统的实际频率， 本设计中采用过 零检测法和频率跟踪技术实现频率计算。 2. 3. 4三相不平衡度 在理想的三相交流电力系统中，三相相量大小相等、频率相同且按互差 2 习 3 时， 称三相平衡系统， 否则称三相不平衡系统。 实际上电力系统并不 是完 全平衡的， 引起这种不平衡的因素有事故性和正常性两大类: 事故性的不平衡 是由于三相系统中某一相或两相出现故障所致， 这种不平衡工况是系统运行不 允许的， 一般由继电保护、自动装置动作切除故障元件后在短期内使系统恢复 正常运行; 正常性的不平衡则是由于系统三相元件或负荷不对称所致。 作为电 能质量指标之一的 “ 三相电压允许不平衡度”是针对正常不平衡工况制定的。 在研究不对称的三相电力系统时广泛使用对称分量法， 通常以电压或电流 负序分量与正序分量均方根值的百分比来表示三相不平衡度。 下面以三相电压 为例加以讨论. 当三相电源电压畸变不对称时， 对于三相四线制电路， 电压中除含有谐波 分量外，还含有正序、负序、零序分量。对于三相三线制电路，只含有正、负 序分量。 三相电压的不平衡度通常以负序分量的均方根值与正序分量的均方根 值的比值来表示川】 : 二 = 竺、 1 00ok 认 ( 2 . 3 . 4 ) 式中u 。 一 为三相电 压正序分量的均方根值，将不平衡的三相系统的 电量按对称分量法分解后其正序对称系统中的分量。 u : 一 为三相电 压负序分量的 均方根值， 将不平衡的 三相系统的 电量按对称分量法分解后其负序对称系统中的分量。 如果将式中的电压符号换为电流符号 三相不平衡度测量需要计算的参数有 就可以求出电流的三相不平衡度. 三相电压不平衡度、 三相电流不平 衡度。 2 :3公用电网谐波 近年来， 随着电力电子技术的广泛应用，半导体器件等其他非线性负荷在 l 2 硕士论文 基于虚拟仪器技 术的电 能质量参数监测系统的设计与 研究 电力系统中的使用也越来越多， 这就不可避免地使相关的电流和电压波形产生 较大程度的畸变， 通常称为谐波污染。 谐波污染将影响电能的质量， 对电力系 统的安全、 经济运行造成极大的影响。电力系统的谐波对各种电 气设备， 如继 电保护、自 动装置、 计算机、 测量和计量仪器以及通信系统均有不利影响。 所 以， 对电网中谐波含量进行准确的测量， 确切掌握电网中谐波的实际状况， 对 于防止谐波危害、维护电网的安全运行是十分必要的. 2.3. 5.1谐波的定义 国际上公认的谐波含义为tzi: 谐波是一个周期性电器量的正弦波分量， 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 称之为高次谐波12，1 。 在国际电工标准中(i e c 5 5 5 一 2 ， 1 982)、 国际大电网会议(ci g r e)的文献中对 谐波也有了明确的定义: 谐波分量为周期量的傅里叶级数中大于 1 的n 次分量: i e e e标准中的定义为:谐波为一周期波形量的正弦波分量，其频率为基波频 率的整数倍。 以上定义明确 了有关谐波性质的下列几个问题 : (l ) 谐波次数 n必须是一个正整数。例如，我国的电力系统额定频率为 5 0 h z ，则其基波为 5 0 h z ，二次谐波为 1 0 0 h z ，三次谐波为 1 5 0 h z 。n不能为 非整数，因此也不能有非整数谐波; (2 ) 必须严格区别谐波现象和暂态现象.为了区分谐波和暂态现象，根据 傅立叶级数的基本理论， 被变换的波形必须是周期性的。 虽然实际上很难完全 做到， 因为电力系统负荷是变动的， 而负荷的变动会影响系统中谐波含量， 但 在实际分析中只要被分析的现象或情况持续一段适当的时间， 就可以 应用傅里 叶变换.因此，需要区分清楚什么是谐波现象( 波形保持不变) 和什么是暂态现 象( 每周的波形都发生变化) 。 2. 1 5. 2谐波分析的指标 对电力 系统谐 波分析 129 】 的 主 要目 的是 测量电力系 统中 高次 谐波的含量: 包括各次的谐波频率、幅值和相位，谐波相对基波的幅值比例( 常称为总谐波 畸变率 t h d ) ，基波信号相对噪声( 或谐波信号) 的均方值比例( 即 si n a d ) ，当 然基波的频率和幅值也是谐波分析必然要测量的。 由 于电力系统的谐波分析重 点 在于测量周期信号波形的畸变情况， 所以， 谐波分析还经常被称作波形畸变 分析。 为了定量表示电力系统波形偏离程度， 采用以各次谐波含量和谐波总量大 l 3 硕 士论文基于虚拟仪器技术的电能质量参数监测系统的设计与研究 小来表示下列波形畸变指标 。 ( 1 ) 谐波含有率( h arm o n i c r at i o 波分量的 有效值( 或幅值) 的比值. 第 k次谐波电压的含有率: 月 叹 认 h r ) :k 次谐波分量的有效值( 或幅值) 与基 = 兰、 1 000/. u l ( 2 . 3 . 5 ) 第 k次谐波电流的含有率: _ _1 。 _ _ _ _ 月洲 j =一 xl u u ，/o j i ( 2 . 3 . 6 ) ( 2 ) 总谐波畸变率( tot a l h arm o n i c d i s t o rt i o n t h d ) : 谐波总量的有效值与基 波分量的有效值之比。 谐波电压总量: 谐波 电流总量: u ， 刁 石 不 不 不 瓦 可 丁 = 厕 。 习 牙万 驴 二 二下 不二 = 厕 ( 2 . 3 . 7 ) ( 2 . 3 . 8 ) 电压总谐波畸变率: thd.= 生 、 1哪= .石 蔽下 、 、 。 、 u .v 荡 ( 2 . 3 . 9 ) 电流总谐波畸变率: thd.= 互 、 1哪= .孔而丁 、 1 哪 1 .v 漏 - ( 2 . 3 . 1 0 ) 提高电能质量， 防止并减少电网谐波的危害，限制电力系统的谐波， 就是 要把上述指标限制在国标规定的允许范围之内. 要实现电网谐波的测量需要计算的参数有: 各次谐波频率、 各次谐波幅值、 thd% 。 不 3. 电压波动和闪变 2. 3. 6. 1波动和闪变的定义 电力系统的电压波动和闪变主要是由具有冲击性功率的负荷引 起的， 如变 频调速装置、 炼钢电弧炉、电气化铁路和轧钢机等。 这些非线性、 不平衡冲击 i 4 硕士论文基于虚拟仪 器技术的电 能质量参数监测系统的设 计与 研究 性负荷在生产过程中有功和无功功率随机地或周期性地大幅度变动t29 】 ，当其 波动电流流过供电线路阻 抗时产生变动的压降， 导致同一电网上其它用户电压 以相同的频率波动.这种电压幅值在一定范围内( 通常为额定值的 9 。 %1 10 %) 有规律或随机地变化，即称为电压波动. 电压波动126 是指一系列电压波动或工频电 压包络线的周期变化。电压波 动 值为电 压均方 根值的 两个极 值u 与u 政的 差值， 通常用额定电 压叽的百 分数表示其相对百分值d，即 口一 一u “_ _ _ ， u. 。 * . 叮 = - - 理 二 巴 一 种 ， j 竺 二 挑i u 沙为 = x i uu 岁 七 u 月u ， ( 2 . 3 . 1 1 ) 电压波动通常会引起许多电工设备不能正常工作，如影响电视画面质量、 使电动机转速脉动 、使电子仪器工作失常、使 白炽灯光发生闪烁等等。由于一 般用电设备对电压波动的敏感度远低于白炽灯， 为此， 选择人对白 炽灯照度波 动的主观视感，即 “ 闪变” ，作为衡量电压波动危害程度的评价指标。 电压闪变131是指人眼对由电压波动所引起的照明异常的视觉感受， 它通常 是以白炽灯的工况作为判断依据，将 电压闪变可分为周期性和非周期性两种， 前者主要是由于周期性的电压波动引起的，如往复式压缩机、电弧炉等 :后者 往往与随机性电压波动有关 ，如 电焊机等。 随着工业的发展. 具有冲击性功率的负荷的功率越来越大， 使电网电压很 容易产生波动和闪变， 严重影响了电网的电能质量. 因此， 对电压波动和闪变 的研究显得越来越重要. 2. 1 6. 2电压波动的测量 常见的电压波动检测方法有整流检测法、有效值检测法和同步检测法13. iec推荐的闪变测量方法是同步检测法，即平方解调检波法1 33。 为检测出电压波动分量， 通常将电压波动看成以工频电压为载波( 50h z 或 60h z) 、其电压的方均根值或峰值受到以电压波动分量作为调幅波的调制。对 于任何波形的调幅波均可看作是由各种频率分量合成。 为使分析简化又不失一 般性，研究电压波动的检测方法可分析单一频率的调幅波对工频载波的调制， 将电压的瞬时值解析式写成: u (t ) = a ( 1 + m cos q) cos 四( 2 . 3 . 1 2 ) 式中:a 一工频载波电压的幅值口 一工频载波电压的角频率 m 一调幅波电压的幅值q 一调幅波电 压的角频率 按照同步检测方法341 ， 可将调制波电 压自乘求平方，得到 硕士论文 基于虚拟仪器技术的电能 质量 参数监测系统的 设计与研究 一 (t 卜 誓 (1 誓 卜 、 zco s。 半co sz。 誓 (， 誓 )co s z。 罕伪 52* 。 ， 半co 2(。 一 。 )r 等 co 、 2。 + 、 十 譬 co 、 、 一 。 ， 从上式可以看出，调制波电压的平方项除了有直流分量外， 含有以下频率 分量:q ， z q， 口 ， 2 口 ， 2 ( 口士q) ， 2 口士0。 如果利用 0. 0 5 35h z的带通滤波器滤除其中的直流分量和工频及以上频 率的分量， 并且考虑到，由于实际上的调制指数m远小于 1 ， 存在的调幅波电 压的倍频分量幅值远小于调幅波的幅值，可忽略不计.因此 ，滤波后便可实现 解调，获得近似加权的调幅波电压v =， cos q ，获得电压波动的分量。这种方 法较适合用数字信号处理的方法来实现. 2. 3. 6. 3电压闪变值的获得 要获得闪变值1301 ， 就必须在取得电压波动信号v = m cos 。的基础上， 根据 人眼视感度曲 线进行相应的处理. 国际电工委员会(i e c)依据 1 9 82 年国际电热 协会( u i e)的推荐，给出了检测电 压闪变的设计规范， 其框图如图2 :31 所示。 图 2.3 . ii e c推荐的闪变仪原理框图 其中:s(o 一瞬时闪变视感度，即视觉对灯闪的瞬时感觉水平. 凡 一短 时间闪 变 值几 一长时间 闪 变值 因此，电 压波动和闪变测量需要计算的参数有:瞬时闪变值s(t)、短时闪 变 值凡、 长时 闪 变值pa。 硕 士论文 基于虚拟仪器技术的电能质量参数监测系统的设计与研究 3基于虚拟仪器技 术的电能质量 参数监测系统硬件设计 本论文研究了基于虚拟仪器技术的电能质量参数的监测系统 ， 所谓的虚拟 仪器，就是在以通用计算机为核心的硬件平台上，由用户设计定义，具有虚拟 面板， 测试功能由测试软件实现的一种计算机仪器系统， 它不但具有传统仪器、 仪表的全部功能，同时还可 以充分地利用计算机强大的信