（电力系统及其自动化专业论文）虚拟仪器技术在电能质量测试系统中的应用研究.pdf

a b s t r a c t t h et r a d i t i o n a lp o w e rp a r a m e t e r sm e a s u r i n gs y s t e m m a i n l yb a s e do nh a r d w a r ei s s i n g l e - - f u n c t i o n a n d h i g h b u d g e t , s o i ti su n s u i t a b l e g r a d u a l l y f o r c o m p l i c a t e da n d m u l t i p a r a m e t e rt e s t r e c e n ty e a r s ，w i t hr a p i dp r o g r e s so fe l e c t r o n i ct e c h n o l o g ya n dc o m p u t e r t e c h n o l o g y , n e wt e s t i n gt h e o r ya n dm e t h o d ，n e wi n s t r u m e n ts t r u c t u r ei sa p p e a r i n g f u n c t i o n a n da p p l i c a t i o no fm e a s u r i n gi n s t r u m e n t sh a sc h a n g e dal o t o n em a r k e dc h a r a c t e r i s t i ci s a p p e a r a n c ea n dd e v e l o p m e n to fv i r t u a li n s t r u m e n tw i t ht h ea d v a n t a g eo fs i m p l eh a r d w a r e s t r u c t u r e ，u s e r - d e f i n e d ，p o w e r f u ld a t ap r o c e s s i n ga n da n a l y s i sf u n c t i o n b e s i d e s ，v i r t u a l i n s t r u m e n tc a na c h i e v et h ef u n c t i o no f h i s t o r yd a t am a n a g e m e n ta n dg r a p h i c a lr e p r e s e n t a t i o n t h e r e f o r e ，b ya n a l y z i n gt h es t a t u so fp o w eq u a l i t yt e s t i n gs e th o m ea n da b r o a d ，i n c o n n e c t i o nw i t ht h ep r o b l e m sb e i n gf a i l e da c r o s sd u r i n gt e s t i n go fp o w e rq u a l i t y , ap o w e r q u a l i t yt e s t i n gs y s t e mb a s e do nv i r t u a li n s t r u m e n ti ss t u d y e da n de x p l o i t e di nt h i st h e s i s t h e t e s t i n gs y s t e mc a nm e a s u r ep o w e rp a r a m e t e r , s u c ha sv o l t a g e ，c u r r e n t , f r e q u e n c y , t h r e e - p h a s e d e g r e eo fu n b a l a n c e d n e s s ，v o l t a g eh u n t i n ga n dh a r m o n i c t h e s ep a r a m e t e r ss l a o c a nb e a n a l y z e dr e a l - t i m ea n ds a v e di nl a b v i e ws q lc o r r e s p o n d i n gd a t a b a s e s ，a g a i n s ti n q u a i r a t i o n a n dr e a n a l y z a t i o n i nt e r mo fi n s t r u m e n t a t i o nd e v e l o p m e n t ，l a b v i e wa n d16 b i th i g hd e g r e e o fa c c u r a c yd a t aa c q u s i t o nn a m e dp c i - 6 2 2 0a r es e l e c t e di nt h i sp a p e r , b o t ho ft h e ma r e m a n u f a c t u r e db yn a t i o n a li n s t r u m e n t i na r i t h m e t i c r e s p e c t ，w a v e l e tt r a n s f o r m w i t h s y n c h r o n o u sd e t e c t i o ni sp r o p o s e da n du s e dt oa n a l y z ev o l t a g eh u n t i n g i th a sb e e np r o v e d t h a tt h i sm e t h o dc a r ld e t e c ta n da n a l y z ev o l t a g eh u n t i n ge x a c t l y f i r s t l y ，b a s i cc o n c e p t i o na n ds t r u c t u r ed e v e l o p m e n to f v i r t u a li n s t r u m e n ta r ei n t r o d u c e d g e n e r a l l y ，a l s od e v e l o p m e n tp l a t f o r ml a b v i e wa n dp r o g r a m m i n gl a n g u a g e a r e i nc o n n e c t i o n w i t hs t u d ys t a t eo fv i r t u a li n s t r u m e n ta n dp o w eq u a l i t yt e s t i n g ，t h en e c e s s i t yt h a tm a k e s v i r t u a li n s t r u m e n tt e c h n o l o g ya p p l yt op o w eq u a l i t yt e s t i n gi se x p o s i t e d t h e n ，m e a s u r e m e n t p r i n c i p l e sa n dg r o s ss t r u c t u r eo f t h et e s t i n gs y s t e ma l s ob ei n t r o d u c e d s e c o n d l y , t h ed e s i g na n dt e s t i n go fs y s t e ma r e 痧p a r t i c u l a r l y t h ec o n t e n tm a i n l y c o n t a i n st h r e ep a r t s ，h a r d w a r ed e s i g n ，s o f t w a r er e l i z e da n dr e s u l tt e s t i np a r to fh a r d w a r e d e s i g n ，p r e s e n t e dt h ep a r a m e t e r s a n dc h a r a c t e r i s t i co ft h ed a t aa c q u s i t o nc a r ds e l e c t e d ， f i n i s h e dt h ed e s i g no fs i g n a lc o n d i c t i o nc i r c u i t i ns o f t w a r ep a r t , d e v e l o p m e n tp l a t f o r m l a b v i e wa n dp r o g r a m m i n gl a n g u a g ea r ei n t r o d u c e d ，d i s c u s s e dt o t a ls o f t w a r es t r u c t u r ea n d f l o wo fw o r k , i n t r o d u c e df o u rf u n c t i o nm o d u a li nd e t a i ls u c ha sd a t ea c q u s i t o n ，p o w e rq u a l i t y b a s i cp a r a m e t e r st e s t i n g ，d a t ea n a l y z a t i o na n dd a t es t o r g e i nt h ep a r to fr e s u l tt e s t i n g ，t e s tt h e s i g n a lw h i c hn e e dt om e a s u r e ，a n dp e r f o r m sa n a l y s i so fr e s u l t s t h i st e s t i n g s y s t e mh a sm a n yc h a r a c t e r i s t i c s ，s u c ha sg o o de x p a n s i b i l i t y ，s t r o n g r e u s a b i l i t y , a n di tc a nd r a m a t i c a l l yi m p r o v et h ea u t o m a t i o no fp o w e rq u a l i t u yt e s t i n g f o rt h i s r e a s o n ，i tw i l lb eat r e n dt h a tu s i n gv i r t u a li n s t r u m e n tt os t u d y i n g ，d e s i g n i n ga n dt e s t i n gi n t e s ta r e ao fp o w e r s y s t e m a tl a s t , t h es h o r t a g ea n ds o m ea s p e c t sn e e d e di m p r o v i n go ft h es y s t e ma r eg i v e n t h e o u t l o o ko ff u r o r er e s e a r c hi sp u tf o r w a r d ，t o o k e y w o r d s ：v i r t u a li n s t r u m e n t ，l a b o r a t o r yv i r t u a li n s t r u m e n te n g i n e e r i n gw o r k b e n c h ，d a t a a c q u s i t o n ，s i g n a lc o n d i t i o n i n g ，w a v e l e tt r a n s f o r m a t i o n ，d a t a b a s e ，p o w e rq u a l i t y 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作和取 得的研究成果，除了文中特别加以标注和致谢之处外，论文中不包含其他 人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得天津理工大学或 其他教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研 究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 、 1 ， 一 学位论文作者签名：阜复舟8签字e l 期：加孑年 月沙日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解 墨盗垄墨盘堂有关保留、使用学位论文 的规定。特授权墨盗墨墨盘堂 可以将学位论文的全部或部分内容编入 有关数据库进行检索，并采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编， 以供查阅和借阅。同意学校向国家有关部门或机构送交论文的复本和电子 文件。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权说明) 学位论文作者签名：丰关翔 导师签名：闺移杉 签字日期：矽矿年j 月够日 签字日期：加砚降1 2 - 1 q 二，日 第一章绪论 1 1 课题研究的背景和意义 第一章绪论 近年来，电能作为一种最为广泛的能源，其应用程度已经成为一个国家发展水平的 重要标志之一，为了预防因供电质量引起的用电设备故障和生产事故，有必要对电网供 电的各参数进行检测，分析电网的电能质量【l 】【2 】。目前电力运行设备品种繁多，相应的 电能参数测试设备种类齐全，然而以硬件为核心的传统测量系统，已经无法满足日益复 杂的、多参数的测试要求，其缺陷主要表现在以下几个方面【3 】【4 】： l 、功能单一。传统的电能质量测试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。传统测试系统在生产调试过程中，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 、开发周期长、开发费用高。传统的单功能测试系统的开发，要经过一个硬件设 计以及调试的过程，不同仪器间的资源不能相互利用，从而导致研发成本高。 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 ( v i r t u a li n s t r u m e n t ，简称v i ) 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参数检测系统能够 克服传统的测试测量系统功能单一、升级复杂等缺剧孓1 0 】。因此，本文将虚拟仪器技术 思想运用于电能质量测试系统的研究中，通过软件将计算机硬件资源和仪器硬件有机地 结合起来，使得所开发的电能质量测试系统具有功能灵活、操作方便等优点。 1 2 虚拟仪器概述 1 2 1 虚拟仪器的概念 到目前为止，虚拟仪器还没有一个明确的国际标准和定义。一般认为，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，具有虚拟前面板，数据处理、 显示和存储由软件实现的一种计算机仪器系统。其基本思想就是在测试系统或仪器设计 中尽可能地用软件代替硬件，即“软件就是仪器”i l l - 1 2 】。测试仪器都有数据采集、数据 分析和处理、结果输出显示三大功能。虚拟仪器的数据分析和结果输出完全可由基于计 算机的软件系统来完成，因此只要提供一定的数据采集硬件，结合计算机，就可以构成 一套电子测量测试仪器，即虚拟仪器。 需要注意的是，这里所指的虚拟仪器和e d a 仿真软件中的虚拟仪器概念完全不同， 第一章绪论 它可以完全替代传统的台式测量测试仪器，而e d a 仿真软件中的虚拟仪器是纯软件的 仿真的。 虚拟仪器的出现，彻底打破了传统仪器仅由生产厂家自己定义、用户无法改变的模 式，而给了用户一个充分发挥自己能力和想象力的空剐b 5 1 。 虚拟仪器在发展的过程中，不断吸收了最新的p c 技术、测试技术、网络技术、软 件技术和传统仪器的优点，因此，虚拟仪器与传统仪器的应用领域既有交叉又有补充。 虽然在对速度和带宽要求较高的专业测试领域，传统仪器具有较大的优势，但虚拟仪器 具有强大的运算和数据处理能力，既能适应复杂环境下的测试，也能完成对复杂过程的 测试。与传统仪器相比，其特点在于【蛤1 9 】： l 、突破了传统仪器的概念，将信号的分析、显示、存储和其它管理功能集中起来 交由计算机来处理。虚拟仪器具有图形化用户界面，体现“所见即所得”的思想，传统 仪器的控制面板在各种虚拟仪器中都可被相应设置选项和结果输出控制的软面板所取 代，由于充分地利用了计算机技术，完善了数据的存储、交换等性能，使得组建的系统 变的更加灵活、简单。 2 、它是一种功能意义上而非物理意义上的仪器。通过硬件接口和仪器驱动实现 了与测控设备的硬件通信，将信号采集、分析与处理结合成一体：虚拟仪器体现了“软 件就是仪器”的现代仪表发展观念，软件在仪器中充当了以往硬件现的角色。 3 、仪器由用户自己定义。用户可通过软件模块的增减，自行定义仪器的功能，并 可以方便地同外设、网络及其它应用进行连接，而不像传统仪器那样受到仪器厂商的限 制，出现厂商提供的仪器功能与用户要求不符的情况。 4 、基于计算机网络技术和接口技术，广泛支持各种工业总线标准，可方便地构建 自动测试系统，实现测量、控制过程的网络化和基于计算机的开放式标准体系结构。 5 、仪器的软硬件都具有开放性、模块化、可重复使用及互换性等特点。在一定的 通用硬件模块和软件环境的支持下，用户可以根据实际情况构建自己的测试系统，以完 成不同的测试任务。 6 、由于虚拟仪器技术是建立在当今最新的计算机技术和测试技术基础之上，因此 仪器的升级和更新快，成本低。 综上所述，虚拟仪器在智能化程度、处理能力、性价比、可操作性等方面均具有明 显的技术优势，表1 1 详细列出了虚拟仪器与传统仪器的对比情况。 表1 1 传统仪器与虚拟仪器的比较 比较项目传统仪器虚拟仪器 核心部分硬件软件 功能定义者仪器厂商用户 功能扩展性固定 根据需要自由扩展 系统开放性 封闭 能和多种外设结合 成本比较成本高，价格贵成本低，价格低廉 第一章绪论 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 用户界面 界面死板人机界面良好 远程测量实现十分困难容易 1 2 2 虚拟仪器的构成 虚拟仪器由通用仪器硬件平台和应用软件两部分组成，其中通用仪器硬件平台又包 括计算机和i o 接口设备。其基本构成如图l l 所示。 i ，o 接口设备 1 信号调理卜叫p c d a q 卜 p c 机 被 叫g p i b 滞hg p i b 接口卡l 设 备 虚拟面板 测 串口仪器p l c 驱 信动 号 程 应用程序 v x i 仪器 序 p x i 模块 图1 - 1 虚拟仪器结构图 1 、虚拟仪器的硬件结构 前面已经提到虚拟仪器硬件平台包括计算机和i o 接口设备两部分，其中，计算机 一般为一台p c 机或者工控机，它管理着虚拟仪器的软、硬件资源，是虚拟仪器的硬件 基础：i o 接口设备则主要完成被测信号的采集、放大和模数转换。 根据采用的i o 接口设备的不同，可以将虚拟仪器分为以下五种类型【2 3 】： ( 1 ) p c - d a q ( d a t aa c q u i s i t i o n ) 插卡式 这种方式是由数据采集卡配以一定的信号调理电路、计算机平台和虚拟仪器应用软 件构成的虚拟仪器系统。对大多数用户来说，这种方案不但实用，而且具有很高的性价 比，特别适合于工业测控现场、各种实验室和教学部门使用。因此，本课题的研究就是 基于p c d a q 插卡式的数据采集板卡进行的。 ( 2 ) g p i b ( g e n e r a lp u r p o s ei n t e r f a c eb u s ) 总线式 g p i b 技术是i e e e 4 8 8 标准的早期的发展阶段。典型的g p i b 系统由一台p c 机， 一块g p i b 接口卡和若干台g p i b 仪器通过g p i b 电缆连接而成，g p i b 测试系统的结构 和命令简单，造价较低，适用于精确度要求高，但对计算机速率要求和总线控制实时性 要求不高的传输场合。 ( 3 ) 串口式 第一章绪论 串口仪器是以s e r i a l 标准总线仪器与计算机为仪器硬件平台组成的虚拟仪器测试系 统。 ( 4 ) v x i ( v m e b u se x t e n s i o nf o ri n s t r u m e n t a t i o n ) 总线式 基于v x i 总线式的虚拟仪器主要由主机箱、“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。主 要适用于组建大、中规模自动测量系统以及对速度、精度要求高的场合，造价比较高。 ( 5 ) p x i ( p c ie x t e n s i o nf o ri n s t r u m e n t a t i o n ) 总线式 p x i 仪器系统是在p c i 总线内核技术上增加了成熟的技术规范和要求形成的一种仪 器。它主要适用于大型高精度集成系统。 由上可知，无论哪种v i 都是将硬件设备搭载到p c 或工控机等计算机平台上，加 上应用软件而构成的。 2 、虚拟仪器软件结构 软件是虚拟仪器的关键，虚拟仪器的基本硬件确定后，就可通过不同的软件实现不 同功能。虚拟仪器系统的软件构成包含两个部分： ( 1 ) 虚拟仪器驱动程序。 仪器驱动程序是连接上层应用程序与底层i 0 接口软件的纽带，它为用户提供了用 于仪器操作的操作函数集，对于应用程序来说，它对仪器的操作是通过仪器驱动程序来 实现的。 ( 2 ) 仪器应用软件。 应用软件是虚拟仪器的“主心骨”，可以根据不同的测试任务，开发不同的应用软 件，来实现复杂的测量和分析。使用者可以通过操作界面友好的虚拟仪器前面板完成对 仪器的使用。系统测量硬件平台在应用软件的调控下，进行信号的采集、处理，并得到 最终的测量结果，最后以数据、曲线、图形等方式显示在软件图形界面上。 应用软件开发环境的选择，可因开发人员的喜好不同而不同。一般的软件开发工具 都可以用于开发虚拟仪器应用程序，如v i s u a lc + + 、v i s u a lb a s i c 、d e l p h i 等。同时，世 界各国的仪器公司发布了许多虚拟仪器开发平台软件，其中以n i 公司的l a b w i n d o w s c v i 和l a b v i e w 开发软件最具影响力。l a bw i n d o w s c v i 是在w i n d o w s 环境 下的标准a n s i c 开发环境，为熟悉c 语言的开发人员而准备；l a b v i e w 采用图形化编 程方式，目前被认为是世界上最优秀的虚拟仪器软件开发平台。除此之外，国际上公认 的优秀虚拟仪器开发平台软件还有美国h p 公司的h p v e e 和h p i t g 平台软件、美国 t e k t r o n i s 公司的e z t e s t 和t e k - n t s 软件、以及美国h e md a t a 公司的s n a p m a r t e r 平台 软件等等【2 。 1 3 虚拟仪器的研究现状 虚拟仪器技术的出现被誉为是“测控技术的革命”和“2 l 世纪的技术”，如上所述， 虚拟仪器的突出功能是用户自定义功能，即用户可以在基本硬件不变的情况下通过改变 软件就可以更改仪器的功能，换句话说，通过改变软件就可以实现更换不同仪器。n l 第一章绪论 公司首先提出虚拟仪器的概念，并以“软件就是仪器”为口号，彻底打破了传统仪器只 能由生产厂家定义，用户无法改变的局面。而且随着网络时代的到来，又提出“网络就 是仪器”的口号，即可以用该技术通过网络实现远程测量和监控1 3 引。 2 0 世纪9 0 年代以来，n i 公司己经研制出多种总线系统的虚拟仪器，特别是它推出 的l a b v i e w 图形编程环境已享誉世界。在n i 之后，美国惠普( h p ) 公司紧紧跟上。 该公司推出的h p v e e 编程系统可提供数十至数百种虚拟仪器的组建单元和整机。在国 内，虚拟仪器的研究、开发已经过了起步阶段，9 0 年代中期以来，国内测控领域已经逐 渐认识到虚拟仪器技术的重要性，积极将其运用到各个行业，国内已有不少院校和高科 技公司( 如哈工大哈特公司、清华大学、西安交大和武汉高压试验所、中科泛华测控技 术有限公司等) 在引进虚拟仪器设计平台及消化和推广n l 公司、h p 公司的虚拟仪器相 关产品方面做了大量工作，并且取得了不小的成就。 虚拟仪器的发展主要取决于三个重要因素。计算机是动力，软件是主宰，高质量的 a d 采集卡及信号调理装置是关键。 ， 虚拟仪器的发展与计算机的发展完全同步，所以显示出虚拟仪器的灵活性和强大的 生命力。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、机电一体比化等越来越多的领域中广泛普及【3 3 - 3 5 】。 1 4 电能质量检测的研究现状 在了解电能质量检测技术的研究现状之前，先来了解一个概念一电能质量。目前， 就电能质量还没有给出一个统一的定义。i e e e 给出的电能质量问题的一般解释为：在 供电过程中导致电器设备出现误动作或故障损坏的任何异常现象，如电压凹陷、过电压、 暂态、谐波和电气噪音等1 36 。电能质量主要包括通过公用电网供给用户的交流电能品质 的一些参数。 随着电力市场的推行，电能质量工作面临着如何为用户提供优质、安全电力的难题， 已引起了各级电力部门的高度重视，国家己颁布了有关的技术标准。电能质量检测作为 该问题解决的依据和前提，引起了越来越多的关注和研究。下面，从电能质量检测算法 和检测装置两方面来介绍电能质量测试技术的研究现状。 1 4 1 检测算法的现状 近年来，基于数字技术的各种分析方法己在下列电能质量领域中得到广泛应用：分 析和检测各种电能质量相关波形扰动；开发各种电能质量控制装置，分析它们在解决电 能质量方面的作用。 电能质量需要检测的参数很多，国内外学术界对电能质量测量分析的方法进行了广 泛的研究，按所采用分析方法的不同，检测算法主要可分为时域、频域和变换域三种。 l 、时域仿真方法 第一章绪论 时域仿真方法在电能质量分析中最主要的用途是利用各种时域仿真程序对电能质 量问题中的各种暂态现象进行研究。目前较通用的时域仿真程序主要有：e m t p ， e m t d c ，n e t o m a c ，m a t l a b 中的电力系统工具箱等系统暂态仿真程序和s p i c e ， p s p i c e ，s a b e r 等电力仿真程序两大类【3 7 1 3 8 1 。由于电力系统主要由r ，l ，c 等元件 组成，这些程序在求解用微分方程表示的电力元件方程时，通常采用简单易行的变阶、 变步长等技术，以缩短迭代计算的时间。采用时域仿真计算的缺点是仿真步长的选取决 定了可模仿的最大频率范围，因此必须事先己知暂态过程的频率覆盖范围。此外，在模 仿开关的开合过程时，还会引起数值振荡。因此，还需要采用相应技术抑制数值振荡的 发生。 2 、频域分析方法 频域分析方法包括频率扫描、谐波潮流计算等等，考虑到一些非线性负载的动态特 性，主要用于电能质量中稳态问题，比如稳态谐波、电压波动和闪变、三相不平衡等。 相对于暂态问题，稳态问题具有变化相对较慢、持续时间较长等特点。对称分量法是频 域分析最常用的方法，它的优点是概念清晰、建模简单、算法成熟，不足之处在于计算 量大，耗时长【3 9 】。 3 、基于变换的方法 基于变换的方法主要指傅里叶变换( f o u r i e rt r a n s f o r m ，f t ) 方法、短时傅里叶变换方 法以及近年来出现的小波变换( w a v e l e tt r a n s f o r m ，w t ) 方法f 删。 傅立叶变换是经典的频谱分析和信号处理方法。但是，当采样信号不能满足下列条 件，即采样频率必须是最高信号频率的两倍以上，被分析的波形必须是稳态的、随时间 周期变化的，则会产生“旁瓣”和“频谱泄漏”现象。此外，由于f f t 变换是对整个时 间段的积分，时间信息得不到充分利用：信号的任何突变，其频谱将散布于整个频带【4 1 1 。 短时傅里叶变换方法，即将不平稳过程看成一系列短时平稳过程的集合，将傅里叶 变换用于非平稳信号的分析。实际多尺度过程的分析要求时频窗口具有自适应性，即 高频时，频窗大、时窗小；低频时，频窗小、时窗大。而s t f t 的时频窗口则固定不变， 因此它只适用于分析特征尺度大致相同的过程，不适合分析多尺度过程和突变暂态过 程。 小波分析是近年来新兴起的一种用于信号、图像、函数分析的算法。它克服了傅立 叶分析在频域完全局部化而在时域完全无局部性的缺点，尤其适合于非平稳信号的分析 与处理。可应用小波多分辨率技术【4 2 】【4 3 】进行电能质量检测，多分辨率分析法能够对电能 质量的暂态扰动波形进行检测分析。通过多尺度分析，可以得到原始信号在不同频段的 投影，并保留全部的时间信息。该方法不仅适应于电压波动和谐波等稳态信号的检测， 而且适用于瞬时信号检测，但是小波变换应用在电力系统电能质量检测方面尚处于初始 阶段。 1 4 2 仪器开发的现状 电能质量检测技术是电测与仪表技术针对电力系统电能质量问题派生出的一个重 要分支。只有对反映电能质量指标的电能质量参数进行实时准确的测量，才能准确地判 第一章绪论 断这些指标是否满足要求，因此，随着电力系统和电力用户对电能质量问题日益重视， 关注的焦点越来越集中于引进先进科学的测量技术和使用准确可靠的测量仪器。 从检测的历史和现状来看，电能质量参数检测大致经历了四个阶段，即模拟化检测、 数字化检测、智能检测和虚拟检测【州。 l 、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d ( 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 、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 、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。 对电能质量进行检测与分析，目前绝大部分采用的还是第三代测试仪器一智能仪 器。在国外，瑞士l e m 集团公司、美国福禄克( f l u k e ) 公司、澳大利亚红相公司、 意大利h t 公司等著名企业在电能质量参数的智能化检测仪器方面进行了大量的研究开 发工作，并且都有相关的产品。在国内，上海宝钢安大电能质量有限公司、西安测控仪 表厂、青岛爱诺电子仪器有限公司等单位也在电能质量参数的智能化检测方面做了大量 的努力。但是，由于这种测试仪器主要是利用数字技术和硬件来实现，因此很容易受到 外界环境的影响，并且测量精度不是很高，在检测不同指标时，需要更换相应硬件，这 给检测和分析带来很多不便，为实现更多参数的检测，就必须额外配备辅助硬件，这样 就大大增加了监测系统的体积和成本，从而给系统的升级和维护带来不便1 4 5 】。 近年来虚拟仪器的出现，改变了这一现状。它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【4 5 4 7 1 。因此，采用虚拟仪器技 第一章绪论 术开发研制电能质量检测装置，是今后电能质量参数检测的发展趋势。 国内外目前都十分重视虚拟仪器的开发与应用。虚拟仪器的发展也为缩短我国仪器 科学技术同国外的差距提供了良好契机。结合电力系统的应用，特别是在高速、高效、 大容量、多功能、智能化、网络化的电力参数的在线、远程检测，以及应用虚拟仪器技 术建立的便携式电力参数动测试、分析的一体化设备研究极有发展潜力。 1 5 虚拟仪器技术用于电能质量测试的必要性 对一般供电部门来说，现有的电能测量仪器大多为传统的数字仪表或者智能仪表， 随着工业技术的发展，各种用电设备对电能质量的要求不断提高，对电能质量的测量要 求也相应提高，这些传统的测量仪器显示出了越来越多的弊端，如测量不同的参数需要 用不同的测试仪，而且无法对历史数据进行实时的存储，而对于一些故障状况下的数据， 更是有必要进行记录，因为这些数据将是分析故障原因和后果的重要依据。 当然一些精度更高的测试仪器也会应运而生，但是其高成本的特点成为人们必须考 虑的问题，如何才能在低成本的前提下实现电能测量的高精度测量已经成为电能质量研 究人员面对的难题，而虚拟仪器技术的及时出现，很好地解决了这个难题，将先进的虚 拟仪器技术思想融入到电能参数检测装置中，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，在硬件平台不变的情况下，通过其软件功能模块的增减 可以实现多个参数的测量，同时，可以利用软件开发平台调用数据库节点的功能，实现 数据的实时存储，从而使得所开发的电能参数检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检测系统的局限性、采取措施提高供电质量都具有重要的 意义。 1 6 本文主要工作 本文将虚拟仪器技术与检测技术相结合，利用l a b v i e w 软件平台开发了一种基于 虚拟仪器技术的新型电能质量测试系统，将电压偏差率、频率偏差、三相不平衡度、电 压波动、电网谐波五大电能质量指标作为研究对象，同时对其测试算法进行了研究，最 后通过对被测信号的采集、计算和分析，实现对上述五种稳态电能质量参数的检测。 论文的主要工作有： 1 、介绍了传统仪器测试系统存在的问题，指出本课题研究目的和意义，分析了虚 拟仪器技术和电能质量检测技术的研究现状，提出了研究基于虚拟仪器的电能质量检测 系统的必要性和可行性，对虚拟仪器技术优势作了具体的分析，并对虚拟仪器的概念及 其构成做了相应的介绍；分析国际上较为先进的虚拟仪器体系结构，然后根据实际需求 选用p c d a q 式虚拟仪器体系结构，并给出系统的初步设计方案以及关键技术解决方 案。 2 、提出了系统的总体结构设计方案以及对各参数进行了设置，给出了所研究测试 系统的硬件结构，其中重点实现了基于p c i 6 2 2 0 采集卡的信号调理电路的设计，主要 第一章绪论 是根据数据采集卡的参数和性能要求设计测试系统的调理电路，既而完成了系统硬件部 分方案的设计，保证了测试系统的前端测量精度。 3 、利用l a b v i e w 以及参数指标的测量原理，对系统的软件部分进行了设计，详细 给出了各模块的软件设计方案。研究开发了基于虚拟仪器的数据库存储系统。 4 、提出了同步检测与小波变换相结合的电压波动测量方法，采用n i 公司的多功能 采集卡、信号调理等硬件设备，结合l a b v i e w 图形化编程实现波动信号幅值和频率的 准确测量。 5 、在测试系统的显示面板上，采用同屏选择显示技术，实现了在有限的显示屏上 显示尽可能多的信息，使其直观易用，测试结果表明系统能够完成对电能质量参数的分 析和处理，且具有较高的精度，完全满足实际的要求。 第二章测量原理及系统总体结构 第二章测量原理及系统总体结构 2 1 电能质量参数测量原理 众所周知，同一个问题，从不同的角度进行分析，就会得出不同的结果。对于电能 质量，由于关注点的不同，人们对其的定义也不尽相同，所以到目前为止，电能质量的 概念还没有得到统一。电力部门把电能质量定义为供电可靠性：电力用户定义其为是否 导致用户设备失效或是误动作；而设备制造商则可能将其定义为电源特性是否满足电气 设备的正常工作需要。国际电气电子工程师协会( i e e e ) 给出电能质量问题的一般解释 为：在供电过程中导致电器设备出现误动作或者故障损坏的任何异常现象1 4 9 。 我国电压电流等级和频率标准化技术委员会在电压电流频率和电能质量国家标准 应用手册一书中对电能质量定义如下：导致用电设备故障或不能正常工作的电压、电 流或频率偏差，其内容涉及频率偏差、电压偏差、三相不平衡、电压波动和闪变以及电 网谐波等【5 0 1 。 根据电能质量的研究内容，对其一般用以下五个指标来进行评价【5 1 】：供电电压偏差， 电力系统频率偏差、电压波动及电压闪变，三相不平衡度和电网谐波。下面就这些指标 的测量方法原理进行详细的说明。 2 1 1 电压偏差( 率) 及频率偏差 供电电压偏差是指电力系统在正常运行的条件下，供电电压对额定电压的偏差。当 出现电压偏差时，用电设备的运行参数和寿命都会直接或间接地受到一定的影响。通常， 电压偏差是指电压变化率小于每秒1 时，实际电压值与系统标称电压值之差【5 2 1 ，用有 效值表示，如式( 2 1 ) 所示。 电压偏差( ) = 茎塑雩蓑警l 。 ( 2 一1 ) 其中，实测电压和额定电压都为有效值。由电路理论，电压有效值的计算公式如式 ( 2 2 ) 斤了一 电压有效值u = 仁1f 甜2 ( f ) d t ( 2 2 ) 1 i f7 j d 式中，丁为被测信号的周期，u ( o 为被测电压的瞬时值。由式( 2 2 ) 引出有效值的 计算方法如下： 在一个周期内，系统对被测信号进行次采样，测得离散的采样值“伽= l 、2 、3 m ， 然后根据式( 2 2 ) ，求得被测电压的有效值如式( 2 3 ) ： 吒= 厢蕊= 辱 ( 2 3 ) 第二章测量原理及系统总体结构 式中，n2 t 出为每个周期的采样点数，a t 为采样时间间隔。求出系统各相电压 有效值后，就可以通过由公式( 2 1 ) 求出各相电压偏差( 率) 。 电力系统正常运行时，其频率应是标称频率，而系统中的用电设备在设计时也都是 按照标称频率设计的。但是，由于电力系统负荷的随机性，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不断变化的动态之中，不可避免 地偏离标称值，这就产生了频率偏差。 供电频率在额定值附近有微小变动，在比较短的时间内是不易察觉的，但如果长时 间继续，则其积累效果就十分明显，不仅影响用电设备的正常运行，还会形成恶性循环， 最终导致系统电压崩溃。电力系统频率是指单位时间内电信号周期性变化的次数，所谓 频率偏差是指电网实际频率对于标称频率的偏离程度【5 3 l ，其表达式为： 。 v = 厂一厶 ( 2 - 4 ) 式中，为频率偏差；厂为实际供电频率；名为额定频率5 0 h z 。 2 1 2 三相不平衡度 r r 占= 兰1 0 0 ( 2 5 ) 差 = 三 荤葶 荔 ， c 2 - 6 ) 口一旋转因子( 口- - _ e i t 2 0 = i l + ，牟，口z ；p j 瑚：一丢一，粤) 第二章测量原理及系统总体结构 2 、三相三线制系统 当三相电量中不含零序分量( 如三相线电压、无中线的三相线电流) 时，国标给出了 三相不平衡度的准确算式： 其中，l = 勺= 彳4 + b 4 + c 4 1 0 0 ( 2 - 7 ) 彳、曰、c 为三相线电压或电流的幅值如u a b 、u b c 、u 。 三相不平衡度主要是针对基波而言的，但是实际测量中一般都带有谐波、噪音等高 频分量，所以在实际检测中要先利用低通滤波器滤除这些成分，从而得到工频基波，然 后再测定三相电压( 电流) 的有效值及相位，分别计算各线电压( 电流) 的有效值，并根据 公式( 2 7 ) 计算出相应的不平衡度。 2 1 3 电压波动及闪变 l 、电压波动 电压波动( v o l t a g ef l u c t u a t i o n ) 为一系列电压变动或工频电压包络线的周期性变化。它 主要是由一些非线性负荷( 如蒸汽泵、焊接设备、电弧炉、电子装置和其它一些电能需 求突变的负荷) 的接入引起的【57 1 。电压波动值u 而。是指相邻两个积分周期内的电压均 方根值的两个极值u m 瓢和u m i n 之差u ，常以u 对于额定电压的百分数表示，即： = 铐枷毗 协8 ， 式中，u = 吒一。 电压波动波形是以电压方均根值( 或峰值) 的包络线作为时间函数的波形。其实质 是以电压波动分量作为调幅波，对电压的方均值( 或峰值) 进行调制。将工频电压“看 作载波，将波动电压“看作调