（电力系统及其自动化专业论文）基于虚拟仪器的电压暂降在线监测系统的研究.pdf

山东大学硕士学位论文 a b s t r a c t w i t ht h er a p i dd e v e l o p m e n to fi n d u s t r i a lt e c h n o l o g ya n dn a t i o n a le c o n o m i c s ，p o w e r q u a l i t yh a sa t t r a c t e dm o r ea n d m o r ea t t e n t i o n si nt h ef i e l do fp o w e ra p a r t m e n t sa n du s e r s v o l t a g es a gh a sb e e nt h em o s ts e r i o u sp r o b l e mi np o w e rq u a l i t ya n d c o s tal o to fm o n e y s o ，t h ev o l t a g es a go n l i n em o n i t o r i n gs y s t e mb a s e do n t h ev i r t u a li n s t r u m e n ti s d e v e l o p e du s i n gl a b v i e wi nt h i st h e s i s ，w h i c hi s o fb e n e f i tt oi m p r o v et h ep o w e r q u a l i t y t h i st h e s i sf i r s ti n t r o d u c e dt h eb a s i cc o n c e p to ft h ev o l t a g es a ga n dt h ev i r t u a l i n s t r u m e n t ，a n da n a l y z e dt h ea c t u a l i t yo ft h er e s e a r c ho nt h ev o l t a g es a gm o n i t o r i n gb o t h d o m e s t i ca n da b r o a d t h e nc o m p a r e da uk i n d so fp r e s e n tm e t h o d st od e t e c tv o l t a g es a g ， d e s i g n e dt h ep r o g r a mo ft h ea r i t h m e t i cw h i c hi sa p p r o p r i a t et ot h em o n i t o r i n gs y s t e mi n t h ep r o j e c tb a c k g r o u n d ，a n ds i m u l a t e dt h i sm e a s u r i n ga r i t h m e t i cu s i n gl a b v i e w t h i s a r i t h m e t i cw a sc h e c k e df o ri t sv e r a c i t ya n dr e a l - t i m en a t u r eb yt h es i m u l a t i o n t h e n ， c o m b i n e dw i t ht h et e c h n o l o g yo fv i r t u a li n s t r u m e n t ，n e t w o r kc o m m u n i c a t i o na n d d a t a b a s em a n a g e m e n t ，c o m b i n e dw i t ht h eh a r d w a r ea n ds o f t w a r e ，w i t ht h eh e l po f d a t a a c q u i r i n gc a r d ，av o l t a g es a go n l i n em o n i t o r i n gs y s t e m b a s e do nt h ev i r t u a l i n s t r u m e n ti sd e v e l o p e d ，t h er e a l t i m ec o l l e c t i o na n dm o n i t o r i n go ft h ev o l t a g ei np o w e r s y s t e mi sc o m p l e t e d i ti s s u i t a b l ef o rt h r e e - p h a s ev o l t a g eo n l i n em o n i t o r i n g t h e f u n c t i o n so ft h ea u t o m a t i cl o n g - t e r mo p e r a t i o n ，t h er e a l t i m em e a s u r e m e n ta n da n a l y s i s ， a n dm a n a g e m e n to fh i s t o r i cd a t aa r er e a l i z e d t h eh a r d w a r ec o m p o s i t i o na n ds o f t w a r e p r o g r a m m i n ga t ee x p o u n d e d ，t h ep l a n so ft h ec l i e n tc o m p u t e ra n dt h eh o s tc o m p u t e ra r e p a r t i c u l a r l yi n t r o d u c e d ，a n dt h em a i nf u n c t i o n so ft h es y s t e ma r ed e s c r i b e d t h em a i n m o d u l e sa n dt h ek e yt e c h n i c a lm e a s u r e so ft h es y s t e ma r ee x p l a i n e d a tl a s t ，c o n s i d e r i n gt h ef l e x i b l ee x p a n s i b i l i t yo ft h ev i r t u a li n s t r u m e n t ，t h ef u n c t i o n o ft h es y s t e mi se x p a n d e do nt h ef a u l tr e c o r d i n g c o m b i n e dw i t ht h ev o l t a g es a go n l i n e m o n i t o r i n ga n df a u l tr e c o r d i n g ，t h ep r o b l e mt h a tt h e r ei sn oe x p e r tf a u l tr e c o r d i n gi nt h e m e d i u ma n d l o wp o w e rs y s t e mi ss o l v e d c o m p a r e dw i t ht h et r a d i t i o n a lm o n i t o r i n gi n s t r u m e n t s ，i t n o t o n l yh a st h e i i i 山东大学硕士学位论文 a d v a n t a g e so fs h o r td e v e l o p m e n tc y c l e ，e a s yc o n t r o l ，e n h a n c e dp r o c e s s i n ga b i l i t ya n d f l e x i b l ee x p a n s i b i l i t y , b u ta l s oc a nm e e tt h en e e d so fm o d e mp o w e rs y s t e mf a u l ts t u d yi n s a m p l i n gr a t ea n dp r e c i s i o na n dr e c o r d i n gc a p a c i t y f a u l tr e c o r d i n g l v v o l t a g es a g ；v i r t u a li n s t r u m e n t ；o n l i n em o n i t o r i n g ；d a t aa c q u i s i t i o n ； 原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下，独 立进行研究所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文不 包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的科研成果。对本文的研 究作出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本声明 的法律责任由本人承担。 论文作者签名：焦塑丝 e l 期：趁丝：主：笸 关于学位论文使用授权的声明 本人完全了解山东大学有关保留、使用学位论文的规定，同意学 校保留或向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论 文被查阅和借阅；本人授权山东大学可以将本学位论文的全部或部分 内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或其他复制手段 保存论文和汇编本学位论文。 ( 保密论文在解密后应遵守此规定) 论文作者签名：耋堡导师签名：论文作者签名：望! 堡导师签名： 山东大学硕士学位论文 1 1 电能质量概述 第一章绪论 电能既是一种经济实用、清洁方便且易于传输、控制和转换的能源形式，又是 一种由电力部门向电力用户提供，并由供、用双方共同保证质量的特殊产品乜1 。 无论在工业生产还是日常生活中，电力已经成为现代人类社会中不可缺少的重 要能源之一，电力用户对电力的可靠性及电能质量的要求都在不断提高口1 。随着科 技的进步和工业的不断发展，在电力负荷急剧增长的同时，非线性和冲击性负荷也 在不断地增长，这些负荷对供电系统电能质量造成了严重的污染；另一方面，现代 高度自动化和智能化的工业用电设备也对电能质量提出了更高的要求“1 ，现代电力 系统的特征赋予了电能质量新的内涵和意义。另外，随着经济社会发展，电力行业 也在不断深化改革，发电与输配电体制分离、电能按质按量论价、电力网逐步实行 商业化运营与市场交易已经是大势所趋。由此可见，当代电力系统除了保证电网安 全稳定运行的基本要求外，还应把质量控制、经济运行和高效能量管理作为评估电 力系统运行水平的重要内容。 什么是电能质量呢? 从普遍意义上讲，电能质量描述的是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。但由于系统中的发电机、变压器、输电线路和各种设备的非线性或 不对称性，以及运行操作、外来干扰和各种故障等原因，这种理想状态并不存在， 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。 国内外对电能质量确切的定义至今尚没有形成统一的共识。但大多数专家认 为，电能质量的定义应理解为：导致用户电力设备不能正常工作的电压、电流或频 率偏差，造成用电设备故障或误动作的任何电力问题都是电能质量问题。 国际电工委员会( i e c ) 的6 1 0 0 0 - 2 - 2 标准将电能质量定义为：供电装置正常 工作情况下不中断和干扰用户使用电力的物理特性嘲。 国际电气电子工程师协会( i e e e ) 标准化协调委员会对电能质量( p o w e r q u a l i t y ) 的技术定义为：合格的电能质量是指给敏感设备提供的电力和设置的接 山东大学硕士学位论文 地系统均是适合该设备正常工作的】。 参考文献 1 对电能质量的定义是：导致用电设备故障或不能正常工作的电压、 电流或频率的偏差，其内容包括频率偏差、电压偏差、电压波动与闪变、三相不平 衡、暂时或瞬态过电压、波形畸变、电压暂降与短时间中断以及供电连续性等。 1 2 电压暂降的定义、起因和危害 电压暂降( v o l t a g es a g ) 并不是一个新问题，但是由于以往的绝大多数用电 设备对电压的短时突然变化不敏感，因此该问题并未引起人们的关注。但是随着各 种自动化程度较高的用电设备的使用，特别是2 0 世纪8 0 年代以来数字式自动控制 技术在工业生产中得到大规模应用，对供电系统的电能质量提出了更高的要求口1 ， 该问题才引起有关部门与研究人员的广泛关注。在许多发达国家，电压暂降已经上 升为最重要的电能质量问题之一。欧洲某电力部门的调查结果表明：在由电能质量 引起的用户投诉中，由电压暂降引起的投诉占8 0 以上，而由谐波、开关操作过电 压等引起的投诉不到2 0 呻1 ，因此欧美发达国家在2 0 世纪9 0 年代初将电压暂降列 为电能质量指标之一，并加以定义。 1 2 1 电压暂降的定义 电压暂降( 又称电压跌落、电压凹陷或电压骤降) 是指供电电压均方根值在短 时间突然下降至额定电压幅值的9 0 - - 1 0 ，其典型持续时间为0 5 - 3 0 周波的一种 现象。 i e e e 标准中电压暂降的定义为：供电系统中某点的工频电压有效值突然下降到 额定值的1 0 - - 9 0 ，并在随后l o m s - 一l m i n 的短暂持续期后恢复正常。i e c 标准中 电压跌落( v o l t a g ed i p ) 的定义与i e e e 标准的不同之处仅在于：电压下降到其额 定值的1 9 0 。另外，文献 9 定义为：有效值电压突然降到额定电压的9 0 1 ， 然后又恢复至正常电压，这一过程的持续时间为l o m s - 6 0 s 。文献 1 0 定义为：“电 压幅值标么值在0 1 - - - 0 9 之间，持续时间为1 0m s 1m i n 的低电压 ，但幅值大 小及持续时间在某些文献中仍有不同的界定儿m 引。 在电压暂降的分析中，最受关注的是它的三个主要特征参数：电压暂降幅值、 持续时间和相位跳变。另外有的文献将相移也作为描述电压暂降的特征量之一n 羽。 2 山东大学硕士学位论文 1 2 2 电压暂降的起因 输配电系统中发生短路故障、感应电动机启动、雷击、开关操作、变压器以及 电容器组的投切等均可引起电压暂降n 1 。其中，雷击、短路故障和感应电动机的启 动是引起电压暂降的最主要的原因。 恶劣天气是引起电压暂降的主要原因。统计表明，在某些地区，高达6 0 以上 的电压暂降都和恶劣的天气( 如雷击、暴风雨) 有关n 钉。雷击所引起的绝缘子闪络 和线路对地放电是造成电压暂降的主要原因。由于电力系统中的大多数设备是露天 放置的，在雨季或多雷击地区，运行设备很容易受雷击干扰。因雷击引发的电压暂 降影响范围大，持续时间一般超过l o o m s 。 短路故障，尤其是系统单相接地故障是引起电压暂降的另一重要原因n 引。目前 配电系统中的线路主保护一般是分段式电流保护，该保护最大的缺陷是在线路故障 时不能做到无延时地切除故障。即使对于无延时保护，其固有动作时间也要6 - - 9 个周期，因此在故障期间，线路上的敏感负荷将被迫退出工作。若线路上装有重合 闸系统，则由此引起的电压暂降将成倍增加。故障引发的电压暂降幅值大部分都在 3 0 额定值以下嘲。短路故障很有可能引起系统远端供电电压较为严重的电压暂降， 影响工业生产过程中对电压敏感的电气设备( 例如电子设备等) 的正常工作，甚至 造成巨大的经济损失。 电机全电压启动时，需要从电源汲取的电流值为满负荷时的5 - - - 8 倍，这一大 电流流过系统阻抗时，将会引起电压的突然下降。这种电压暂降的持续时间较长， 但是暂降程度较小，不会对用户造成严重影响。通过采取适当的措施，可有效消除 由于电机启动所引起电压暂降的不利影响。 1 2 3 电压暂降的危害 电压暂降虽然持续时间短，但是严重干扰了许多现代化设备的正常工作，它已 经成为威胁现代社会各用电设备正常、安全工作的主要干扰，并且成为威胁信息化 社会供电质量不可忽视的因素，文献 1 6 提供的详细统计结果表明电压暂降给电力 设备带来了许多不良影响。文献 1 7 和 1 8 中所述的对电压暂降敏感的设备包括可 编程控制器、调速电机、计算机、精密加工机械等电力电子设备。这些敏感设备已 经广泛应用于工业及人们日常工作生活中，因此如果设备故障，将会造成巨大的经 3 山东大学硕士学位论文 济损失。其危害性主要表现在以下几个方面： ( 1 ) 电压暂降轻则造成工作、生活上的不便。例如，电压暂降可能造成个人 计算机程序紊乱、数据丢失等。1 9 9 8 年香港由于电压暂降问题引起5 0 0 套自动扶梯 瞬时停止，造成多名顾客受伤，社会影响很坏。据文献 8 中举例介绍，美国商 业周刊的一名编辑因供电系统突然降压1 s 造成电梯故障而被困在电梯内长达4 0 h ， 以心理和身体受到严重伤害为由向有关部门提出索赔2 5 0 0 万美元的要求。 ( 2 ) 电压暂降给高新科技、大型敏感工业用户造成的损失巨大n 町呦3 。如对半 导体、芯片制造业等影响巨大。电压暂降影响面宽，造成的经济损失大，因而带来 的严重影响与危害表现得尤其突出。几个周期的供电电压暂降都将影响一些设备的 正常运行，造成产品质量下降，甚至使生产线程序紊乱或中断，且暂降后的无序启 动比计划断电后的有序恢复造成的危害及损失大得多。据文献 1 中介绍，由于一 次电压暂降而使某生产线重新启动需花费5 0 0 0 0 美元；据文献 3 中介绍，以生产 硅晶片为主的上海浦东某电子有限公司有部分负荷对电压变动非常敏感，当电压跌 至正常电压的8 0 ，持续时间超过2 0 m s 时，其内部的部分设备就会停机，每发生一 次类似事件，将会造成2 0 0 万人民币以上的直接经济损失。 ( 3 ) 电压暂降对信息业有很大的影响。i b m 公司统计表明，4 8 5 的计算机数 据丢失都是由于电压不合格造成的。另据估计，8 0 服务器出现瘫痪以及用户端4 5 左右的数据丢失和出错，均与电压暂降有关。 ( 4 ) 电压暂降对现代社会广泛应用的电子设备影响很大。文献 1 7 中收集了 国外一些电压暂降对特定设备的影响事例，以及若干次电压暂降对些大型敏感工 业用户的危害和造成的损失。文献 2 1 从法国输配电系统获得的数据，说明由于电 压暂降造成高压和中压系统各种保护动作的统计分布情况。1 9 9 4 年法国电力公司进 行抽样调查显示，有很高比例的工业用户( 占4 4 ) 相信电压暂降对他们的生产活 动产生较大的破坏，每年至少引起5 例生产崩溃及设备损坏和生产损失。 ( 5 ) 电压暂降不仅造成经济损失，而且还可能造成人员伤亡和设备损坏。例 如医院中的一些医疗保健设备，用计算机进行的脑外科、心血管外科、眼科手术等， 当发生电压暂降而造成设备不能正常工作时将带来严重后果。 由此可见，电压暂降的危害不容轻视，电网上任意一点发生故障都可能会引起 大面积电压暂降。因此电压暂降的发生频率相当高，有些用户每年经历的电压暂降 4 山东大学硕士学位论文 次数甚至达到几百次，电压暂降问题越来越受到人们的重视。在新加坡，政府规定 每年每个用户经历的由供电方原因引起的电压暂降不得超过3 次，否则会进行罚款 甚至取消其供电资格；在欧洲，企业认识到电能质量对生产的巨大影响之后，在与 供电部门签订供电协议时，规定由于供电方的原因造成的电压暂降每年不得超过若 干次( 如5 次年) ，否则用户有权向供电商索赔。 1 3 虚拟仪器技术及其在电力系统中的应用 1 3 1 虚拟仪器概述 虚拟技术、计算机技术与网络技术是信息技术最重要的组成部分，它们被称为 2 1 世纪科学技术中的三大核心技术乜引。 迄今为止，测试测量仪器的发展大致经历了四个阶段，分别为：模拟仪器、数 字仪器、智能仪器和虚拟仪器( v i r t u a li n s t r u m e n t ，简称v i ) 。虚拟仪器是基于 计算机的仪器。2 0 世纪8 0 年代中期出现的虚拟仪器是虚拟技术在仪器仪表领域中 的一个重要应用，是现代计算机软件技术、通信技术和测量技术高速发展孕育出的 一项革命性技术。它的出现导致传统仪器的结构、概念和设计观点都发生了巨大变 革，使得人类的测试技术进入了一个新的发展纪元。美国国家仪器公司( n a t i o n a l i n s t r u m e n t sc o r p o r a t i o n ，简称n i ) 首先提出了虚拟仪器的概念，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，是一种由计算机作为统一硬件平台，并由计算机操纵的模 块化、软件化的仪器眩朝。 虚拟仪器的主要特点有乜小2 胡： ( 1 ) 尽可能采用通用的硬件，各种仪器的差异主要是软件。 ( 2 ) 可充分发挥计算机的能力，有强大的数据处理功能，可以创造出功能更 强的仪器。 ( 3 ) 用户可以根据自己的需要定义和制造各种仪器，研制周期大大缩短。 ( 4 ) 比传统仪器更加开放、灵活，可与网络及周边其他设备互联。 ( 5 ) 具有良好的性价比，虚拟仪器的价格相对于同类功能的传统仪器的价格 要便宜得多，并且技术更新快。用户有时甚至不用更改任何硬件，只需改动或应用 5 山东大学硕士学位论文 相应的软件模块即可构成新的虚拟仪器系统。 ( 6 ) 虚拟仪器区别于传统仪器最大的特点在于：虚拟仪器的关键是软件。 1 3 2l a b v i 酬概述 n i 公司的虚拟仪器平台一一l a b v i e w ( l a b o r a t o r yv i r t u a l i n s t r u m e n t e n g i n e e r i n gw o r k b e n c h ) 是一种图形化的编程语言“g 语言，是目前应用 最广、发展最快、功能最强的图形化软件集成开发环境乜6 2 7 1 。 l a b v i e w 作为一种强大的虚拟仪器开发平台，广泛的被工业界、学术界和研究 实验室所接受，被视为一个标准的数据采集和仪器控制软件。l a b v i e w 集成了g p i b 、 v x i 、r s - 2 3 2 和r s 一4 8 5 协议的硬件及数据采集卡通讯的全部功能，并内置了便于应 用t c p i p 、a c t i v e x 等软件标准的库函数。使用l a b v i e w 编制的程序由前面板( f r o n t p a n e l ) 、程序框图( b l o c kd i a g r a m ) 和图标连接器( i c o n c o n n e c t o r ) 三部分组 成。因此，l a b v i e w 是一个功能强大且灵活的软件，利用它可以方便地组建自己的 虚拟仪器，从而大大提高工作效率。 l a b v i e w 的主要特点有： ( 1 ) 具有图形化的编程方式，是真正面向科学家和工程师的语言。 ( 2 ) 提供了大量的虚拟仪器和函数库来帮助编程。 ( 3 ) 采用传统的调试手段和新颖的高亮显示，更有利于编程人员的调试。 ( 4 ) 囊括了各种仪器通信总线标准的所有功能函数，方便了那些不懂总线标 准的用户也能够驱动不同的总线标准接口设备与仪器。 ( 5 ) 强大的网络功能，支持常用的网络协议，可以进行网上发布以及远程监 控仪器。 1 3 3 虚拟仪器在电力系统中的应用 虚拟仪器在电力系统中的应用越来越广泛，对提高电力系统的自动化水平起到 了重要作用。 虚拟仪器在电力系统中应用最多的是测量领域拉8 1 啪1 ，它不仅可以完全代替传统 仪器，而且具有许多传统仪器所不具备的功能。特别对于一些非标准的或超常规的 测量、测试要求，应用虚拟仪器技术可以起到非常显著的效果。文献 3 0 和 3 1 介 绍了l a b v i e w 在相角测量中的应用，它与系统通信采用动态链接库方式接口，可以 6 山东大学硕士学位论文 保证数据交换准确、不丢失。文献 3 2 介绍了虚拟仪器在设备校验与测试中的应用， 文献 3 3 和 3 4 介绍了虚拟仪器在电力系统对电压、电流、功率、频率等参数测量 和分析中的应用。 虚拟仪器在电力系统状态监控中也被越来越广泛的应用，文献 3 5 和 3 6 对虚 拟仪器技术在变电站在线监测系统中的应用进行了详细介绍。另外，虚拟仪器软件 在电力系统仿真和电力系统专业教学中也被越来越广泛的采用，许多高校和科研院 所都专门成立了虚拟仪器实验室。 1 4 国内外研究现状 电压暂降问题随着电力系统的出现就存在，但是直到2 0 世纪7 0 年代，由于电 压暂降问题对各个行业造成的损失越来越大，相关研究工作才逐步展开。8 0 年代， 欧美等一些国家对电压暂降的研究主要集中在检测、机理分析及其对电机运行性能 的影响。其后，电压暂降被更广泛和深入的研究。目前主要包括理论研究和实际应 用两个方面。理论研究主要有以下几个方面t 电压暂降指标体系的建立；电压暂降 标准的确定；电压暂降产生的机理、对用户设备的影响以及减小电压暂降的技术措 施；电压暂降的检测技术和统计分析；电压暂降对配电系统可靠性的影响；新型补 偿装置对电压暂降的影响；电压暂降域的研究以及电压暂降过程的仿真计算等。 i e e e 、i e c 等组织一直致力于包括电压暂降在内的电能质量相关标准的制定。实际 应用方面包括产品研制和软件开发。国际上比较知名的几家大公司如a b b 、西门子、 美国超导公司( a m e r i c a ns u p e r c o n d u c t o r ) 等都已经生产出了自己的电压暂降控制 装置如动态电压调节器( d v r ) 等。 文献 2 对电压暂降产生的原因和危害进行了介绍。 文献 3 7 对电动机加速或减速对电压骤降的持续时间和形状的影响进行了研 究。 文献 3 8 4 0 主要研究了电压暂降的评估、检测以及统计分析，研究了电压 暂降事件的各种统计分析方法。 文献 4 1 对i e c 和i e e e 对于电压暂降的评估和检测标准的异同点进行了对比 说明，并指出：由于和电压暂降相关的因素很复杂，需要对有不同原因引起的电压 暂降进行试验。 7 山东大学硕士学位论文 近十几年来，国内也有不少研究机构开始关注电压暂降问题并进行相关研究工 作。国内对于电压暂降的研究包括事件检测、凹陷域分析、暂降干扰源的辨识及其 仿真分析和补偿装置开发等，其中开发补偿装置是目前研究的重点。 文献 4 2 和 4 3 介绍了当前存在的电压暂降的各种检测算法，并且分析了它们 的优缺点，并且在此基础上提出了新的检测方法。 文献 4 4 用e m t p 建立配电网电压暂降仿真系统，对线路故障引起的电压暂降 以及多级电压暂降、变压器投运和感应电机启动引起的电压暂降进行了原理分析并 给出相应的仿真结果，在此基础上提出基于3 次中心b 样条小波变换的电压暂降干 扰源的辨识方法。 目前，国内外专门针对电压暂降设计的监测和分析设备还很少。在实际应用中， 国内各供电部门和用户对现代电压暂降问题也还未引起足够的重视，只在一些非常 重要的部门才对电压暂降进行了相应的监测。且这些设备绝大部分采用第三代测试 仪器智能仪器，主要是利用数字技术和硬件来实现其功能。这种测试仪器体积 比较庞大，很容易受到外界环境的影响，测量精度也不是特别高，尤其是在检测不 同指标时需要更换相应硬件，这给系统的监测和分析带来诸多不便。为实现更多参 数的测试，很多测量仪器额外又配备了很多的辅助硬件，这也在一定程度上增加了 设备的体积和成本，而且给监测装置的升级带来了不便。 虚拟仪器的出现改变了这一现状，它将仪器仪表同信息通讯相结合，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。基于虚拟仪器的电压暂降在线监测系统，就是利用计算机的高速处理能力，以 计算机技术、虚拟仪器技术、网络通信技术和数据库技术为依托，实现电压暂降的 在线监测，这对电能质量的评定和改善具有一定的现实意义。 1 5 本文的主要工作 通过以上对目前电压暂降问题的认识以及对国内外研究现状的了解，本文开发 了基于虚拟仪器的电压暂降在线监测系统，主要从以下几个方面进行分析研究： ( 1 ) 首先针对电压暂降问题进行了较为详细的理论研究，介绍了电压暂降的 定义、起因和危害，分析现有各种电压暂降检测算法的优缺点，在此基础上结合工 程应用设计适合于本文系统的电压暂降检测算法，并且利用l a b v i e w 软件开发平台 8 山东大学硕士学位论文 进行仿真实验，验证该算法的准确性和实时性。 ( 2 ) 结合n i 公司的p c i 数据采集卡进行相关参数采集，以l a b v i e w 为软件开 发平台进行前置机和上位机的软件设计，依靠d a t a s o c k e t 技术和l a b v i e ws q l t o o l k i t 数据库访问工具等来设计系统网络通讯程序和实现数据库访问。另外，利 用w e b 服务器技术，用户通过i n t e r n e t 在任何地点都可实时查看系统电压状况。 ( 3 ) 选用m i c r o s o f ta c c e s s2 0 0 3 开发数据库系统，考虑到前置机和上位机 都需要显示实时数据和存储历史数据，故采用本地数据库和远程数据库相结合的方 式来进行数据存储。 ( 4 ) 对系统电压暂降状况进行统计分析，用按相统计表、按剩余电压和持续 时间统计表和电压暂降明细表等生成电压暂降统计分析报告。 ( 5 ) 利用虚拟仪器扩展灵活的优点，实现系统故障录波功能的扩展，以便解 决中低压电网没有专门的故障录波装置的问题。 9 山东大学硕士学位论文 第二章电压暂降检测算法的研究 2 1 现有检测算法概述 电压暂降具有很大的随机性和复杂性，其影响大小和用电负荷性质有关，目前 人们对其认识的程度还有限。有关电压暂降的随机发生情况等问题的进一步认识， 还有待建立在对大量实际监测数据的统计分析和深入研究基础上。因此，尽快在我 国开展电压暂降的监测和其他工作是非常必要的，而对电压暂降幅值、持续时间和 相位跳变的实时检测则是要研究的首要课题。目前对电压暂降特征量的检测方法主 要有以下几种。 2 1 1 均方根值算法 该方法是i f c 6 1 0 0 0 4 3 0 ( 电能质量检测仪标准) 推荐的测量方法h 5 1 。电压暂 降是指供电电压有效值( 或称均方根值) 在短时间突然下降的变化情况，故可采用 有效值计算来衡量电压暂降程度。连续周期信号u q ) 的均方根值定义为 。胁 ( 2 - 1 ) 式中，t _ 信号的周期，s ；u 胱指电压有效值；r m s 为r o o tm e a ns q u a r e 的缩 写，指均方根值。 对信号进行数字化处理后，积分运算可采用如下等式实现： u 膦一 ( 2 - 2 ) 式中，n 为每个周期总的采样点数：u 为时间域被采样的电压。 均方根值计算中常采用滑动平均值法，即采集到新的样本点时，顺序将最早 采集的样本点去除，然后用一个周期的滑动采样值进行均方根运算，即可求出一个 新的均方根值。这样，在每个采样瞬间都可得到一个新的均方根值。 在电压暂降实时检测中，计算速度的快慢非常重要。为加速测量，可取半个周 期的采样数据进行滑动平均处理，而且只能取半个周期整数倍的采样数据，否则将 受到频移振荡分量影响。但是，半个周期的算法仍然存在整周期算法的不足。这种 山东大学硕士学位论文 算法虽然能有效计算暂降幅值，但是所得电压暂降持续时间与实际持续时间相比约 有1 个周期的误差。同时，均方根值计算结果也不能很明确地给出电压暂降的起止 时刻，更无法给出电压暂降发生时可能出现的相位跳变的大小。 2 1 2 峰值电压法 峰值电压法h 们也是用来计算电压暂降幅值的方法，设峰值电压为时间t 的函数， 则电压暂降幅值为 u p m 。，a 。x r 卜( f r ) l ( 2 3 ) 式中，俐为采样电压；丁为半个周期的整数倍。 2 1 3 基波分量法 这种计算电压暂降幅值的方法口1 是以时间t 为函数的基波电压，根据下面的公 式计算： u f ( f ) = ；，f “卜) p 7 邸d z ( 2 4 ) 式中，鳓为基波角频率，昕2 兀乃t 是基波周期。 电压的基波分量可利用f f t 进行计算，其变化特性与整周期有效值计算结果非 常接近。若要提高计算速度，则可根据对称性利用0 5 个周期的电压采样值拓展成 1 个周期的数据序列进行f f t 变换，得到基波电压。这样做的前提是要求电压对称， 否则将导致计算结果产生误差。 上述三种方法只能够检测电压暂降幅值，却无法检测其持续时间和相位跳变， 属于单一特征值检测法，需与其他方法结合才能实现电压暂降特征量的全面检测。 为此，提出以下能同时检测多个电压暂降特征量的检测算法。 2 1 4 单相电压变换平均值法 假设电压信号为： l o ) = 2 口c o s ( 蚶+ a ) ( 2 5 ) 在式中，为基波角频率。 设x ；, - 2 口c o s 口，y 。乙s i n a ，得至0 ： 1 2 山东大学硕士学位论文 h o ) 一x c o s ( c o o t ) - y s i n ( c o o t ) ( 2 6 ) 设s i n ( t ) 和c o s ( 啡) 是与电压暂降前同相位的正、余弦信号，则可得： o ) ；2 u ( t ) s i n ( c o o t ) 还可以写成： u qo ) = 2 u ( t ) c o s ( c o o t ) ( f ) 一- y + yc o s ( 2 0 j o t ) + x s i n ( 2 c o o t ) u qp ) - - x + xc o s ( 2 r o o t ) 一ys i n ( 2 a j o t ) 对o ) 和比。o ) 两个新信号取基波半个周期( 或其整数倍) “d 。一y ( 2 - 7 ) ( 2 - 8 ) ( 2 - 9 ) ( 2 - 1 0 ) 的平均值可得： ( 2 - 1 1 ) 由此可以得到暂降幅值为0 2 + y 2 ) 2 ，相位跳变为a r c t a n ( y x ) 。此方法具有 瞬时电压d q 分解法n 1 的思想来源于三相电路瞬时无功功率理论，这种基于 卧c 目 c - 。s i n a , t 嘭端焉= 老焉】 山东大学硕士学位论文 对于理想的三相三线制系统，假设三相电压为 则d q 变换的结果为 “。一x - - 2 us i n t o t “6 = t - 2 u s i n ( w t 一2 力3 ) “。一芝厶s i n ( 耐+ 2 万3 ) ；西 ( 2 - 1 4 ) ( 2 - 1 5 ) u 口；0 ( 2 1 6 ) 由式( 2 - 1 5 ) 和式( 2 - 1 6 ) 可知，d q 变换结果中的d 轴分量反映了电压的有效值， 即通过理想三相电压的d q 变换，可瞬时求取电压的有效值。对于平衡的三相电压 暂降，则没有相位跳变问题。若设暂降电压的有效值为，将暂降电压进行上述 变换可得一鲫k ，- 0 。 实际系统发生的电压暂降多为单相事件，而且很多电压暂降不仅引起电压幅值 的降低，还会引起电压的相位跳变。因此，对单相电压进行实时监测，判断是否发 生电压暂降具有非常重要的意义。但前述a b e - d q 坐标变换是针对三相电路而言的， 不适用于单相电路。根据对称三相三线制电路中电压各相具有波形相同、相位各相 差1 2 0 。的特点，以单相电源为参考电压构造一个虚拟的三相系统，从而可利用前 述的坐标变换进行电压暂降特征量的分析。 以a 相为例，设基波相电压有效值为u ，初相位为0 。若将扰动表示成高频振 荡信号的叠加，h 次高频信号的均方根值为“、初相角为o h ，并按指数p 肿衰减， 则a 相电压“。可表示为 - 西s i n c o t + 压巩s i n ( h t o t + o h ) e 印 ( 2 1 7 ) 以a 相电压“。为参考，将其延时6 0 。可得一u 。，然后由一一“。一h 。可算出u 。， 将u 。、u b 和m 。分解成基波分量和高频分量，代入式( 2 1 3 ) 进行d q 变换，并将变换 后的d 、q 电压分量中的直流成分虬和虬提取出来，则可得 一鲫螂c o s a ( 2 1 8 ) 山东大学硕士学位论文 - 一鲫螂s i n a ( 2 1 9 ) 式中，为电压暂降幅值；a 为相位跳变角度。 因 u q 经实测计算获得，则由式( 2 1 8 ) 和式( 2 1 9 ) 可求出电压暂降幅 【，。g 一，u d 24 u q 2 。 ( 2 2 0 ) n 悔卜( _ 南) 2 ， 据直流分量和虬提取方法的不同，可将瞬时电压d q 分解法分为低通滤波法和平 拂叫焉c o s a g “c o s n ( 譬at-2石脚3)“cosn(警wt+2石埘3) 山东大学硕士学位论文 流分量后，亦可将待检测电压的畸变分量给分离出去之后，再经过p a r k 反变换： c k ；p 。1 o ( 2 2 3 ) 热一一层 c o s 耐一s i n 耐1 芝 c o s ( o f 2 z 3 ) s i n ( o f 2 , r 3 ) 1 x 2 c o s ( o f + 幼3 ) 一s i n ( c o t + 2 z 3 ) 1 压 即可得到电压暂降特征量。但是该方法只适用于三相对称扰动，而且没有考虑 电压暂降时可能随之出现的相位跳变问题。 2 1 7qb 坐标变换检测法 如图2 1 所示，电压向量u 在c l1 3 静止坐标系的两个坐标轴上的投影分别是 u 。一u c o s ( o f f + 0 ) 和“口一u s i n ( m t + 秒) ，即为电压的瞬时值。d q 旋转坐标系相对于a b 静止坐标系以角速度( 1 ) 旋转，则电压向量u 与d q 旋转坐标系同步旋转，其在d q 旋转坐标系的投影分别为= u c o s o ，h 吁= u s i n 0 。将m 。和“卢变换到d q 坐标系的 算法4 7 1 如下： u , = c o s o f ，一s i n o f u a 】( 2 - 2 4 ) 由此可得d q 旋转坐标系上的两个分量和“。 图2 - 1ab 坐标系和d q 坐标系间的变换 u a 和“声可以根据实测的单相电压构造，t l p + u 卢- us i n ( o f + p ) ，将超前“卢9 0 。 的向量作为当前分量“。，然后按式( 2 2 4 ) 变换到d q 坐标轴上，再通过低通滤波 1 6 山东大学硕士学位论文 器得到d q 电压中的直流分量“。o 和“。o ，则可得到基波电压的幅值和相位跳变为： u 一昕o + u 二 ( 2 2 5 ) 口。a r c t 趾坠( 2 2 6 ) 玑。 这样便可得到电压暂降的幅值变化和相位跳变的特征量。 虽然该算法计算量大为减少，但是由于此算法中h 。是通过将h 矗分量超前9 0 。 获得的，即是由u 口分量在相位上延迟9 0 。后的数据构成的，所以该方法所用的数 据不具有同时性，从而导致此法检测时间比较长，实时性不够好，而且数据的不同 时性常常造成检测波形出现短时扰动，影响检测精度。 2 1 8 改进的d q 算法 这是一种基于p a r k 变换的改进方法，是d q 分解法基础上的一种改进n 引。由p a r k 变换可知，将a b c 坐标系下的系统三相电压变换到d q 坐标系下：基波正序分量变 为直流分量，负序分量变为二次谐波分量，零序分量仍为零。 设系统三相电压为： 。- f - 2 u 1s i n ( w t + 唬) + 互d 2s i n ( o j t + 庐2 ) + r - 2 - os i i l ( 耐+ 九) 一面1s i n ( o , t + 一2 石3 ) + 4 - 2 z , 2s i n ( r o t + 驴2 + 幼3 ) ；旭s i n 似+ 妒。) ( 2 2 7 ) “。一f - 2 u 1s i n ( w t + + 2 z 3 ) + f - 2 u 2 s i n ( w t + 识一2 玎3 ) + 云【，。s i n ( w t + 硇o ) 式中，为工频角频率，一幼，；l o o z ，t 为时间，唬，晚，九分别为基波正序 分量、负序分量和零序分量的初始相位角。 变换矩阵为： c 一封= 端“c o s n ( 。c o 耐t + 圳2 石3 3 ) 爿 协2 8 ， i l i c 卧瞄s i n 口t i + 。, f - 3 u 2 s i n ( 。2 2 w t + b 2 ) 浯2 要想分离出基波正序分量，首先需分离出d q 坐标系下的直流分量 1 7 山东大学硕士学位论文 u d 一西，s i n 织和i ；x - 3 u , c o s 。再求这两个直流分量的均方根( 实际上为基波正 序分量的线电压峰值风) ，与标准线电压峰值d 。，进行比较，从而判断电压幅 值是否下降，而幅值下降正是发生电压暂降的判据。 用常规的低通滤波器或在一个滑动时间窗内求平均值的方法分离出d q 坐标系 下的直流分量难以保证其实时性。因为滤波器的响应延时是不可避免的，求平均值 的方法至少也需要半个周波的历史数据，因此也会引起一定的时延。对