（检测技术与自动化装置专业论文）基于虚拟仪器的电能质量检测系统的设计.pdf

一 _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ 。1 。1 1 1 1 。 广西大学学位论文原创性声明和学位论文使用授权说明 学位论文原创性声明 本人声明：所呈交的学位论文是在导师指导下完成的，研究工作所取得的成果和相 关知识产权属广西大学所有。除已注明部分外，论文中不包含其他人已经发表过的研究 成果，也不包含本人为获得其它学位而使用过的内容。对本文的研究工作提供过重要帮 助的个人和集体，均已在论文中明确说明并致谢。 论文作者签名： 同各松必。年, e l 砰日 学位论文使用授权说明 本人完全了解广西大学关于收集、保存、使用学位论文的规定，即： 本人保证不以其它单位为第一署名单位发表或使用本论文的研究内容； 按照学校要求提交学位论文的印刷本和电子版本； 学校有权保存学位论文的印刷本和电子版，并提供目录检索与阅览服务； 学校可以采用影印、缩印、数字化或其它复制手段保存论文； 在不以赢利为目的的前提下，学校可以公布论文的部分或全部内容。 请选择发布时间： 团即时发布口解密后发布 ( 保密论文需注明，并在解密后遵守此规定) 论文作者签名：同稀松 导师签名 游么, e j ) 4 5 , e i l 。1 基于虚拟仪器的电能质量检测系统的设计 摘要 随着社会的进步、经济的发展，人类对电能的安全性，稳定性，经济 性要求越来越高，及时准确地检测电网参数对提高人们生活水平和指导工 业生产具有重要意义。 传统电参数检测系统以硬件为核心，功能单一。本文提出了基于虚拟 仪器的电能质量检测系统的设计方案，利用l a b v i e w 软件搭建了虚拟实验 平台。本文详细的描述了系统软硬件的实现方案。 系统硬件电路设计包括传感器选型、采集电路、调理电路、数据采集 卡选型以及各个电路参数的整定；在软件设计方面，详细介绍了基于 l a b v i e w 图形化编程语言下的功能模块设计，其中包括：数据读取模块、 零相移数字滤波器模块、频率测量模块、谐波分析模块、有效值测量模块、 功率计算模块、三相不平衡度测量模块、闪变值测量模块、数据保存模块， 实现了对电压偏差、频率偏差、谐波、闪变、三相不平衡度的检测。全文 侧重于在改进算法，改善测量精度，提高系统的抗干扰能力的描述上。 最后，利用l a b v i e w 模拟信号对系统进行测试，结果表明，本设计能 满足国家电能质量检测设备通用要求的精度。 关键词：电力参数检测电能质量谐波分析f f t 虚拟仪器 d e s i g no fd e t e c t i o ns y s t e mo f p o w e rq u a l i t yb a s e do n v i r t u a li n s t r u m e n t s a bs t r a c t w i t ht h ed e v e l o p m e n to fs o c i e t ya n dn a t i o n a le c o n o m y , t h es e c u r i t y , t h e s t a b i l i t ya n dt h ee c o n o m yo fp o w e rs y s t e ma r ed e m a n d e de a g e r l y i ti sv e r y i m p o r t a n tt o o b t a i nt h ep a r a m e t e r sc h a r a c t e r i z i n gt h eq u a l i t yo ft h ee l e c t r i c p o w e rt i m e l ya n da c c u r a t e l y t r a d i t i o n a l p o w e rp a r a m e t e r d e t e c t i o n s y s t e m s a r e m a i n l y b a s e do n h a r d w a r e ，a n dt h e ya r eo fv e r yf e wf u n c t i o n s i nt h et h e s i s ，as c h e m eo ft h e d e t e c t i o ns 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 s p r o p o s e d a n dt h ev i r t u a l e x p e r i m e n tp l a t f o r mb a s e do nl a b v i e w i sc o n s t r u c t e d t h ed e t a i ld e s c r i p t i o n o ft h ei m p l e m e n t a t i o ns c h e m eo ft h eh a r d w a r ea n ds o f t w a r eo ft h es y s t e mi s m a d e t h ed e s i g no ft h es y s t e mh a r d w a r ei n c l u d e st h ec h o i c eo ft h et y p eo ft h e s e n s o r s ，a n dt h ed e s i g no ft h es a m p l i n gc i r c u i t ，t h es i g n a lt r e a t m e n tc i r c u i t ，t h e s e l e c t i o no fd a qc a r da n dt h ep a r a m e t e r sc o n f i g u r a t i o no fc i r c u i t i nt h ed e s i g n o ft h es o f t w a r e ，t h ed e t e c t i o nm o d u l e so fs y s t e m ，w h i c ha r et h ed a t a r e a d i n g ， z e r o p h a s e s h i f td i g i t a lf i l t e r , f r e q u e n c yd e v i a t i o n ，h a r m o n i c s ，r m s m e a s u r e m e n t ，p o w e rc a l c u l a t i o n ，t h r e e p h r a s e u n b a l a n c e f a c t o r , f l i c k e r m e a s u r e m e n t ，d a t as t o r a g e ，a r ec o n s t r u c t e db a s e do nt h eg r a p h i c a ll a n g u a g e i l l a b v i e w , a n dt h ei m p l e m e n t a t i o no ft h ed e t e c t i o no ft h ev o l t a g ed e v i a t i o n ， f r e q u e n c yd e v i a t i o n ，h a r m o n i c s ，f l i c k e r ，u n b a l a n c ef a c t o ri sm a d e t h ee m p h a s i s i sp u to nt h ed e s c r i p t i o no ft h ei m p r o v e m e n to ft h ea l g o r i t h m ，t h ei n c r e a s eo ft h e m e a s u r e m e n ta c c u r a c ya n dt h em e t h o d so ft h ee n h a n c e m e n to ft h ea b i l i t yt o a n t i n o i s ei nt h et h e s i s f i n a l l y ，t h es y s t e mi st e s t e dw i t ht h ea n a l o gs i g n a l so nl a b v i e w ，t h e r e s u l t ss h o wt h a tt h es y s t e mc a ns a t i f yt h eg e n e r a lr e q u i r e m e n t sf o rm o n i t o r i n g e q u i p m e n t so fp o w e rq u a l i t y k e yw o r d s ：p o w e rp a r a m e t e r sd e t e c t i n g ；p o w e rq u a l i t y ；h a r m o n i c a n a l y s e ；f f t v i r t u a li n s t r u m e n t i i i 目录 摘要i 6 l 】3 s t r a c t i i 第一章绪论1 1 1 引言1 1 2 研究背景和选题意义。1 1 3 国内外研究现状2 1 4 虚拟仪器概述。3 1 5 本文主要研究工作6 第二章电能质量参数的检测和方法8 2 1 有效值8 2 1 1 电压有效值的定义一8 2 1 2 电压有效值测量方法8 2 1 3 电压误差分析8 2 1 4 电压偏差限值与准确度要求9 2 2 系统频率9 2 2 1 频率测量方法9 2 2 2 频率测量误差分析1 0 2 2 3 频率修正算法1 0 2 2 4 频率偏差限值与准确度要求1 2 2 3 谐波分析1 2 2 3 1 谐波的定义。1 2 2 3 2 谐波研究的内容1 3 2 3 3 谐波误差分析1 4 2 3 4 谐波修正算法1 5 2 - 3 5 谐波含有率的限值1 7 2 3 6 谐波检测准确度要求1 7 2 4 三相不平衡度1 8 2 4 1 三相不平衡度的定义1 8 2 4 2 三相不平衡度的限值1 9 2 4 - 3 三相不平衡度准确度要求1 9 2 5 电压波动与电压闪变2 0 2 5 1 电压波动和闪变的定义2 0 2 5 2 电压波动和闪变测量方法2 0 2 5 3 电压波动和闪变的限值2 4 2 5 4 电压波动和闪变准确度要求2 5 2 6 其他参数的计算2 5 第三章系统总体设计结构2 7 3 1 系统构成2 7 3 2 传感器选型及电路2 7 3 3 信号调理电路2 9 3 4 数据采集卡选型3 0 第四章l a b v i e w 中程序设计3 2 4 1 数据读取模块3 2 4 2 零相移数字滤波器模块3 3 4 3 系统频率测量模块3 3 4 4 谐波测量模块3 5 4 5 有效值测量模块3 8 4 6 功率计算模块3 8 4 7 三相不平衡度测量模块3 9 4 8 闪变测量模块3 9 4 9 数据存储模块4 2 第五章系统综合测试4 5 5 1 频率偏差、电压偏差仿真4 5 5 2 三相不平衡度偏差仿真4 9 5 3 闪变模块偏差仿真5 0 5 4 系统抗干扰仿真5 2 第六章总结展望5 8 参考文献5 9 至迂谢6 2 攻读学位期间发表论文情况6 3 v 广西大学硕士掌位论文 基于虚拟仪器的电能质h 蚤测碧；统的设计 第一章绪论 1 1 引言 电能作为人类社会使用最为广泛的能源之一，对电能的开发水平和应用程度，体现 一个国家的经济实力和发展水平i l 】。改革开发以来，随着我国的经济迅猛发展，电力事 业进入了高速发展的阶段，电力系统规模日益庞大，电网承受的负载越来越大，负载的 类型也丰富多样，同时，终端用户对电能质量的要求也越来越高，使得电能质量问题逐 步成为电力系统中无法回避的关键问题，电能质量的好坏直接关系到国民经济的总体效 益，也直接影响到国民使用电力的安全性、经济性【l ，3 】。因此，建立基于电能质量检测的 系统，对电参数进行有效地检测，掌握电力系统的运行状态，对于保护电力电子设备， 保证电网使用安全性、经济性和可靠性，具有重要的意义。传统的电参数检测系统，大 部分是通过硬件电路搭建一个检测平台，再附加一定的软件模块，实现电参数的初步检 测和系统运行的判断。基于硬件平台的电参数检测系统，功能单一，可操作性不强，部 分仪器实时性不高，尤其是系统升级成本较高，无法满足日益复杂的电参数检测系统的 要求。科技的发展，尤其是通信、计算机技术以及测试测量技术的不断进步，推动了虚 拟仪器的技术创新，拓展了虚拟仪器的应用领域。虚拟仪器具有良好的可操作性，系统 开发成本低，硬件结构简单，智能化程度大幅度提升，系统集成和升级成本较传统仪器 有很大的优势。随着，虚拟仪器的不段开发、升级和完善，基于虚拟仪器的电能质量检 测系统克服了传统仪器开发周期长，功能简单，升级复杂等缺陷1 ，3 ，7 ，引。 1 2 研究背景和选题意义 随着社会的发展和人类的进步，人们对电能质量的要求越来越高。在电力系统发展 的初期，电量的供应有限，所以，社会更加关注于电力供应量；而在后期，电力电子设 备被广泛地应用于各大领域，尤其是高端的精密仪器设备和高精度要求的行业和单位， 对电能的质量要求越来越高。此外，随着电网规模日趋庞大，所加载的负荷日益繁杂， 尤其是重大的非线性负荷和各种冲击性负载，使得电网中出现，诸如电压波动、频率偏 差、波形畸变、电压闪变、三相不平衡等问题，对电能的质量产生了重大影响。电能质 量问题对电力系统、供电部门和电力用户都带来多方面影响，主要表现如下几个方面 【2 ，4 ，5 】 ( 1 ) 谐波。谐波普遍存在于电网中，其使得电力系统中的元件和线路产生附加损耗， 降低了从发电端，经输电线路到用电设备端的效率。 ( 2 ) 电气设备。影响电力设备的安全、稳定、有效率的工作，如：电动机产生机械 振动和噪声、电力变压器局部发热量过大、电容器及电缆等设备过热等等，使得电力设 备出现绝缘老化、使用寿命缩短。 ( 3 ) 电网谐振。电网谐振可能会造成谐波电流放大，低则几倍高则几十倍，对于电 广西大掌硕士学位论文基于棚钛仪器的电能质量检测系统的设计 路中电容器、电抗器形成巨大的威胁，过高的电流使得电容器和电抗器损坏程度加快。 ( 4 ) 导致继电器保护电路以及其他自动化保护装置发出错误动作，造成供电系统中 断，给生产带来损失。 ( 5 ) 使电气测量仪器运行不稳定，出现计量误差，测量结果不准确，给终端用户带 来不便和损失。 ( 6 ) 干扰电力线路附近通讯系统，产生扰动噪声，降低通信质量；严重的情况则可以 导致通讯信息丢失，影响通信系统的正常运行。 ( 7 ) 短时停电、电压骤升或者突降会影响到许多行业的生产作业，降低生产效率和 产品质量，直接造成企业的经济损失。 ( 8 ) 波动和闪变使得照明电路不稳定，出现灯光闪烁，使人体疲劳，影响工作效率， 过于严重的电压波动与闪变将直接损坏照明电路和设备。 此外，随着电子精密仪表和复杂的电子设备，如精密的医疗设备、通信设备、以及 各种精密的控制系统，逐步地引入电网系统，人们对电能的质量要求也越来越高，因此， 了解电能质量，改善和保证良好的电能质量供应就显得尤为重要，而要完成这一系列的 工作，首先要对电能质量的日常检测做到更加精确，采集日常的电参数信息，保存历史 数据，在丰富电参数数据库的基础上，对电力系统的运行状态进行分析和评估，及时排 除安全隐患，预防电力系统存在的安全隐患，及时排除有可能影响到电能质量的问题， 保证电力系统的正常运行。 1 3 国内外研究现状 在2 0 世纪9 0 年代，我国开展了大规模的电网系统改造，在供电效率和电能质量方 面有所提高，可见，我国对于电能质量检测的研究，相对落后，而且，大部分滞留在便 携式仪表的阶段，其功能单一，实时性较差，测量误差较大；部分仪表没设置有通讯和 控制模块，电参数检测网络化、自动化的程度低。纵观电能质量检测系统的发展史，其 发展历程大致划分为四个阶段：第一是模拟化检测阶段，第二是数字化检测阶段，第三 是智能化检测，最后是以软件为核心的虚拟化检测阶段 9 , 1 6 1 。 ( 1 ) 模拟化检测阶段 该阶段以模拟技术为基础，主要是结合硬件电路，通过硬件实现信号的检测、处理 和显示，典型代表就是指针式仪表，如电压表、电流表、功率表等。根据基本结构可分 为电磁式、电动式、感应式、静电式、电热式等，依靠指针机械结构，显示测量结果。 模拟化检测阶段的仪器仪表主要缺陷是功能单一、结构复杂、自动化程度及精度低，但 由于其原理简单、坚固耐用、容易生产、成本低，仍具有一定的应用价值。 ( 2 ) 数字化检测阶段 数字化检测阶段的典型代表是以单片机为核心的小型检测系统，该阶段通行的做法 是先把被检测信号经模数转换转化为数字化信号，经过系统的计数器和十进制转换器， 最后达到测量结果的数字化显示。数字化检测满足了快速响应和高精度的测试要求。由 2 基于虚拟戗器的电能质量检测习统的设计 于具有数字显示，其测量结果读数清晰、直观，而且数字化的测量结果也易于与计算机 互相通信。单片机处理速度较低，网络通信能力差，制约了电参数检测系统的发展。 ( 3 ) 智能化检测阶段 随着，大规模集成电路和检测技术的发展，单片机的处理速度和存储能力、拓展能 力，越来越不能满足设计人员的要求。伴随d s p 技术的日趋成熟，基于d s p 的电能质 量检测系统逐步取代单片机系统，成为主流。高性能的数字信号处理器采用改进的哈佛 结构，指令运行则采用了流水线结构，指令运行周期可达到1 2 3 0 n s ，对于检测技术， 可以保证足够高的采样频率( 最高可达每周波采样1 0 2 4 点) ，从而实现电参数的高精度测 量。硬件电路的实现方式主要有c p l d + d s p 、双d s p 、a r m + d s p 等【4 ，5 ，1 6 1 。目前，主 流的便携式电能质量检测设备，大多数是以d s p 为核心，精度高，实现方便。 ( 4 ) 以软件为核心的检测阶段 尽管d s p 具有速度快，延展性能强，但其是以硬件为核心，系统升级不方便，维 护成本高。随着以虚拟仪器为检测手段、以软件为核心的检测技术的发展，通过软件来 实现仪器仪表的部分或全部功能，而且，以软件为核心，使得整个系统开发周期缩短， 维护成本降低，系统升级容易，虚拟仪器检测技术被认为是传统测量方式的一次重大变 革。 电能质量检测设备研究较早的有h p 、f l u k e ( 美国) 、t e k t r o n i x ( 美国) 、a d v a n t e s t ( 日 本) 、h i o k i ( 日本) 、u n i p o w e r ( 瑞典) 、l e m ( 瑞士) u 3 ，4 ，5 l 。国内专门从事电能质量检测 设备产品的研究开发的厂家不是很多，大部分是以代理销售为主，自主研发能力不强。 业务量比较大的公司主要有上海思源、苏州和顺电气、西安赛博电气、北京时代集团等 等，由于许多企业跟高校都有技术合作，自主开发能力不断增强。例如：西安赛博电气 与西安交通大学在电能质量监控的技术开发上已经合作有1 0 余年- f t l 0 1 。目前，在高校 方面，上海交通大学1 4 , 5 】、浙江大学2 1 、重庆大学1 1 8 】、西安交通大学6 ，8 1 、西南交通大学【9 1 、 四川大学1 7 j 等等，都在电能质量检测方面做了多年的研究，推动了电参数检测系统的学 科建设。 1 4 虚拟仪器概述 虚拟仪器定义为计算机硬件、软件和总线技术，以及仪器仪表技术相结合的产物。 2 0 世纪中期，美国国家仪器公司，即n m i o n a li n s t r u m e n t s ( 简称n i ) 第一次提出虚拟仪器 的技术概念：虚拟仪器是一种运行在个人计算机上，具备有单独仪表功能的硬件和软件 的组合i i j ，l 引。l a b v i e w 是美国n i 公司推出的一种软件开发平台，采用的是图形化编程 语言。二十多年前，n i 公司利用计算机作为工作平台，搭建了拥有自主知识产权的产 品架构，通过l a b v i e w 将工业测量、工业控制以及计算机相结合为一体，形成了v i r t u a l i n s t r u m e n t 的技术概念【j ，ij ，j 。2 0 世纪9 0 年代后期才引入国内，业内统称为虚拟仪器。 虚拟仪器作为一种特别的仪器仪表，其最大的优势在于程序的开发，低成本和高效 率的特点是其赢得开发人员青睐的最大原因；另外，在开发平台内，包含了近乎所有经 广西大掌硕士掌位论文基于虚拟仪器的电冀毛质量检测系统的设计 典数学函数和更高等级的高等数学分析函数，对于信号的分析、处理提供了最有力的工 具。另外，开发平台也提供了更高级的开发工具包，满足不同设计人员的要求。l a b v i e w 平台易于实现与各种数据采集模块相联合，与多种工业现场总线实现通信，使得设计人 员高效地完成工业系统的设计任务。与传统仪器相比较，虚拟仪器有突出的优势【9 】，详 见表1 1 。 表1 1 传统仪器和虚拟仪器比较 t a b l e1 - 1t h ec o m p a r i s i o no ft r a d i t i o n a li n s t r u m e n t sa n dv i r t u a li n s t r u m e n t s ( 1 ) 虚拟仪器的硬件结构 虚拟仪器是一种以计算机为后台的自动化测量和控制系统，与外界设备有着丰富的 接1 3 ，满足不同类别仪器的需求，其硬件结构图1 1 所剥柏1 。 i 0 接口设备 厂一p c d a q - q g p i b 接口仪器l - - t 串口仪器i 计 被 算 测- - t u s b 接口仪器l 机 对 i _ | 软 象- - v x i 接口仪器 件 系 - d p x i 接口仪器l 统 一甘柚诵住垃r l i 丹。l 巴旭l 。放i - i 图l - l 虚拟仪器的硬件结构图 f i g 1 - 1t h eh a r d w a r ea r c h i t e c t u r eo fv i r t u a li n s t r u m e n t s p c d a q 系统：是以数据采集卡、信号调理电路和计算机为硬件，虚拟仪器为平 台的插卡式结构的系统。普遍采用p c i 、i s a 总线技术，将带p c d a q 接口的数据采集 卡插入p c 机插槽中，在虚拟仪器平台下装上数据采集卡的硬件驱动程序，就可以实现 数据的采集和传输。p c d a q 测量模式是虚拟仪器中最基础的工作方式，也是最低廉、 4 广西大掌硕士学位论文基于虚拟仪器的电能质量检测身0 跪的设计 运用最广泛的方式。 ( g ) g p i b 系统：g p i b ( h p i b 或i e e e 4 8 8 ) 是搭建计算机与传统仪器通信的接口， 计算机通过内部的g p i b 通信卡或外部的g p i b u s b a 控制器，再经g p i b 电缆，实现 计算机与传统仪器的通讯，可以实现软件控制仪器的功能。 串口系统：串口系统是以s e r i a l 为标准总线的接口技术，搭建与传统仪器的通信 桥梁。实现数据的传送和下达控制命令。 u s b 系统：该系统结构，主要是把数据采集部分放在在计算机外面，通过仪器仪 表的u s b 接口与计算机通信，比较适合以笔记本电脑为平台的便携测试系统。 v x i 系统：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 ) 总线规范是一个更开放的 体系结构标准，其主要是应用在v x i b u s 器件之间、v x i b u s 器件和其它器件( 如计算机) 之间，能够进行更开放地通信。 ( d p x i 系统：p x i ( p c ie x t e n s i o nf o ri n t r t u n e n t a t i o n ) 是p c i 总线系统的扩展，该仪 器总线结构中，设置了一个多槽机箱，计算机可以选择性的连接在其中的某个槽，剩下 的其他槽可以插入其他的多种数据采集卡，满足不同场合、不同设计的需求。 随着科学的进步，仪器仪表出现更多、新型的i o 接口，如n i 公司的c r i o ( c o m p a c t r e c o n f i g u r a b l ei n p u t o u t p u t ) ，就其中之一，其正广泛地用于工业采集，因涉及到嵌入式 模块，所以可以脱离p c 机，独立工作。虚拟仪器结构的发展，更加推动了虚拟仪器的 进步，丰富了虚拟仪器应用领域。 ( 2 ) 虚拟仪器的软件结构 虚拟仪器开发系统软件主要分成两种类型，一种是基于文本化编程语言，如c 语言， v c + + 等，另一种是基于图形化编程语言，如l a b v i e w ，h p v e e 等，图形化编程语言 具有开发容易，效率高，系统延展性强，开发成本低、维护容易等特点，下面以l a b v i e w 为例，阐述虚拟仪器的软件结构【4 0 1 ，如图1 2 。 幽刨l 旦塑4 些丝i 图1 - 2 虚拟仪器的软件结构图 f i g 1 - 2t h es o f t w a r ea r c h i t e c t u r eo fv i r t u a li n s t r u m e n t s ( d v i s a ( v i r t u a li n s t r u m e n ts o f t w a r ea r c h i t e c t u r e ) 是由v x ip l u g & p l a y 联盟制定的 仪器i o 程序标准。全球的所有v x i 模块生产商，以此作为i o 控制的低层函数集，来 开发设备的驱动程序，并且形成了行业标准。对于v i s a 库，一般称为i o 函数库，是 计算机与仪器仪表的桥梁，实现计算机与仪器仪表通讯的软件接口。 驱动程序。每个仪器都会配备有属于自身型号的驱动程序，正规的仪器仪表生产 5 件一 一 软一序一 发一程一荤|；l塑脾 器一驱一瞻仪一件一v 拟一硬一 些兰 广西大学硕士掌位论文基于窟渤仪器的电能质量检溯q 系统的设计 商都配备有设备驱动源代码，直接供用户安装、调用。而对于没有底层驱动程序的情况， 用户也可以根据底层函数集，编写设备的驱动程序，同样也可以实现与仪器的通讯。 开发工具。在仪器仪表驱动和v i s a 库的基础上，开发设计工程师通过调用设备 驱动程序和i o 函数库，可以实现数据的采集、数据分析和处理、发送仪器仪表的控制 命令，完成系统的通信和监控任务。 1 5 本文主要研究工作 在电能质量检测设备通用要求的规定中，对电能质量检测设备的要求都有明细，主 要的内容包括设备的功能、检测参数的计算方法、检测设备的精度。电能质量检测设备 功能一览表【27 1 ，见表1 2 。 表1 - 2 检测功能表 t a b l e1 - 2t h ef u n c t i o nt a b l eo fm o n i t o r i n ge q u i p m e n t 本文根据表1 2 ，在设计系统时，电参数检测的项目有：电压偏差、频率偏差、三 相不平衡度、谐波、闪变，满足电能质量检测设备的基本功能要求。对于以上各个参数， 其测量准确度要求鲫，见表1 3 。 表1 - 3 检测准确度表 t a b l e1 - 3t h ea c c u r a c yo fm o n i t o r i n ge q u i p m e n t 6 - - 西大掌硕士掌位论文 基于虚拟仪- b 的电能质t 检测碧0 跷的设计 a 电压 1 1 b 电流 厶3 凡 厶 3 u n 乩 3 u s , 电流 厶- - - 1 0 i n 5 0 0 5 u n 5 厶 0 1 5 i s , 5 0 1 5 u j v 5 厶 i h l o i no 5 i n g o , ) - j u 和，表示标称电压、电流值，玩和厶表示第h 次谐波的电压、电流 值 本文在设计中，除了满足表1 3 所示的功能配置，达到表1 4 的精度要求之外，还 在此基础上完成了有功、无功、功率因素的测量，以及短时闪变和长时闪变统计，最后 是对测试数据保存，便于以后数据查询。在设计和研究的过程中，严格按照国家电能质 量监测设备通用要求来进行设计，包括计算方法，精度要求。最后，使用实验室模拟信 号，实现了系统的调试、观察系统的精确度以及系统抗干扰能力。 本论文内容分为六大部分： 第一章主要是介绍电能质量设备的国内外发展现状和阐述本课题研究的内容；第二 章，对电能质量涉及到的参数定义进行解析，重点分析了电能质量指标及其相关改进算 法，提高结果的测量精度；第三章，是系统的硬件部分，介绍系统的采样电路、传感器 的选型、调理电路、采集卡的选型以及各个参数的整定；第四章是程序模块，对系统涉 及到的所有模块进行逐一分析和诠释，重点突出程序设计中注意的细节问题、分析影响 测量结果的因素以及提高测量精度所采取的措施；第五章，对程序的正确性和精度进行 验证，把通过l a b v i e w 的信号发生模块，模拟仿真各种信号并严格按照电能质量检测 设备的要求，对系统的设计进行评估和说明；第六章，是本文的总结，提出完善本系统 设计的几个方面，并对未来工作做出展望。 7 广西大学硕士学位论文基于虚拟仪器的电能质量检测系统的设计 2 1 有效值 第二章电能质量参数的检测和方法 2 1 1 电压有效值的定义 在时域的情况下，一个周期为t 、连续的正弦信号，其有效值表达式为： u = 厢丽 ( 2 1 ) u ( t ) 是电压在时域周期内的瞬时值，通过瞬时值在一个周期的积分求和来计算真有 效值。若对一个周期内的信号进行均匀采样，采样频率为f s ，单周期采样的点数为n ， 得到离散化后的电压为u ( n ) 。当采样的频率符合采样定理的要求，即采样频率至少是信 号最高频率的两倍，单周期采样点数n 足够大，就可以用离散化后的电压有效值代替时 域的电压有效值。n 越大，离散化后计算出来的有效值就越接近时域下的有效值。计算 式如下： u = ( 2 - 2 ) 对于电流的有效值计算，与电压有效值计算是一样的，这罩不再赘述。 2 1 2 电压有效值测量方法 电压有效值的计算方法主要有【2 2 j ： ( 1 ) 通过有效值数学表达式，基于采样计算的方法，利于软件编程的方式来实现。 该方法思路清晰简单，技术成熟，在硬件电路方面实现较为复杂，但是用软件来实现， 则较为容易。本文采用该方法。 ( 2 ) 脉宽检测法。主要是通过对交流电压信号进行整流，转换成直流信号，再与一 基准电压比较，得到一系列脉冲，计算出脉冲的宽度，根据一系列的算法，求出电压有 效值。该方法测量复杂，而且精度较低，尤其对于精度要求较高的场合不适用。 2 1 3 电压误差分析 在对电压和电流有效值测量的过程中，误差原因主要体现在如下几个方面i i 川： ( 1 ) 周期误差。理想情况下，被测信号是经均匀采样而形成的序列，假设一个周期 的采样点数是n ，采样间隔为f ，周期为t ，那么，一般情况下，t = n a t ，但由于系 统不稳定因素的存在，实际情况下，很难保证a = t n a t 总是为零，就是周期误差。 ( 2 ) a d 转换的量化误差。a d 转换器位数有限，通常都是8 位和1 6 位，转换精度 有限，a d 转换器位数越大，其误差也就越小，同样，也增加了硬件成本。 ( 3 ) 其他干扰因素。主要包括噪声、谐波、环境等带来的影响；温漂以及器件的精 8 广西大掌硕士学q 立截汶基于虚拟仪器的电能质量检测勇流的设雪t - 度和器件的损耗对有效值的测量影响也是比较大。 总之，提高有效值测量的精度，可以通过增加采样点数，提高采样频率，选择良好 的滤波电路和精密器件等方法，提高对电压和电流采样数值的真实性和有效性。 2 1 4 电压偏差限值与准确度要求 误差是指测量结果偏离真实值的程度，而供电电压偏差是指实际检测电压值与系统 标称电压值的差值。电压偏差多以百分数表示： 电压偏差( ) = 茎堕 募茅1 0 0 ( 2 3 ) 在电能质量供电电压允许偏差( c g b 一1 2 3 2 5 1 9 9 0 ) 中规定，对不同等级电压，其 允许的电压偏差值是不同的【2 2 1 ，详见表2 1 。 表2 - 1 电压偏差允许值表 t a b l e2 - 1t h ep e r m i s s i o nv a l u eo f v o l t a g ed e v i a t i o n 电压等级允许偏差量 3 5 k v 及以上 1 0 k v 及以下三相供电 2 2 0 v 单相供电 正负偏差的绝对值之和低于额定电压的1 0 允许值为额定电压的士7 允许偏差值为额定电压的+ 7 、一10 对电压测量准确度的表达式如下【2 7 】： 电压偏差( ) = i 塞堕掣鞘1 0 0 ( 2 - 4 ) 式( 2 3 ) 有区别于式( 2 4 ) ，前者标称值即为额定值；而后者给定值，是指在调试系统 时候，测试人员根据实际测试需求，来假定的一个电压值。国家对电参数中的电压检测 准确度要求是：电压偏差值不超过0 5 。 2 2 系统频率 频率是指单位时间内( 通常是i s ) 信号周期变化的次数。在我国，电力系统频率的 标称值为工频，即5 0 h z 。对于系统频率的测量，采用的步骤通常是分成三步：信号前 期预处理、频率计算、后期修正处理。 2 2 1 频率测量方法 在频率测量的研究中，国内外都提出了不同的算法【2 3 j ： ( 1 ) 周期法。也叫过零检测法，顾名思义就是通过采样一段时间，获得该段时间的 离散序列，通过对该序列连续采样点的比较，找出正负交替点，该点就是过零点，假设 该段时间一共有n 个过零点，则系统频率为f = 熹，其中z 为采样频率，a k 是最 k | n 后一个过零点和第一个过零点所在的序列位置之差。该方法概念清晰，思路简单，容易 9 广西大学硕士掌位论文 基于虚拟仪器的电冀邑质量检测系统的设计 实现，但是精度不高，容易受到扰动的影响，故在使用的时候需后期对测量结果进行修 正。 ( 2 ) 解析法。主要是对采集信号做一定的数学变换，使用样本函数的方法对系统频 率进行估计。由于涉及估计函数，其计算复杂，而且精度也不高，适用于对速度和精度 要求不高的场合。 ( 3 ) 误差最小化类算法。是以误差量为研究对象，以误差作为参数，构造一定的数 学算法，如最小二乘法，牛顿类算法等等，来实现对频率的精确计算。该方法计算复杂， 但是精度较高。 ( 4 ) d f t ( f f t ) 类算法。对采集的信号进行傅立叶变换，计算出其频谱特性，再配 合一定的算法，如最小二乘法、递推f f t 算法等，提高测量精度，但是该方法较为复杂， 不易于硬件电路实现。 2 2 2 频率测量误差分析 随着电力系统的发展，对电力系统频率测量的精确度要求越来越高，目前测量方法 较丰富，但是，无论哪一种方法，都必须面对几个影响频率测量的因素。 ( 1 ) 谐波。谐波的存在是不可避免的，谐波分量具有复杂性和不定性，首先直接影 响到就是电压采集的真实性、有效性。如果在后期的频率计算中，忽略了谐波的因素， 不对计算的结果进行辅助的修正，会使得电力系统频率的测量值与实际值有较大的偏 差。 ( 2 ) 噪声和非周期分量。电力系统中，在对电压信号进行采集时，由于环境的复杂 性，会引入噪声信号和其他非周期的干扰分量。对系统电压信号造成污染。同样，各种 扰动也会造成电压相位的跃变。 ( 3 ) 非同步采样和非整周期截取。在数据采集的过程中，很难保证采样频率与信号 频率严格同步以及对信号做到整数周期截断，对此造成频谱泄漏和产生栅栏效应，也会 在频率测量中引入误差。 2 2 3 频率修正算法 本文采用的是周期测频法。该方法思路清晰，方法简单，在l a b v i e w 平台容易编 程实现，但是其误差较大、精度低，所以后期须对初次测量结果进行修正。本文采用的 是基于汉宁窗的f f t 插值算法，对测量结果进行修正，提高频率测量的精度3 4 1 。假设 某单频信号，幅值为a ，频率为昂，时域表达式如下： x ( f ) = a e j 2 卿( 2 - 5 ) 傅立叶变换频谱为： 一 一j 坚础 x ( k ) = e j c ( 疗弦叫万” ( 2 6 ) 1 0 _ - _ 一 广西大国昀页士掌位论文 基于虚拟仪器的电能质量检测系统的设计 其中，x ( n ) 表示信号的离散表达式，n 表示采样点数。 对比各种窗函数类型的特点，本文选用汉宁窗( h a r m i n g 窗) 。汉宁窗在旁瓣泄漏和阻 带衰减方面优于矩形窗、三角窗和海明窗，其频谱图如2 2 所示。窗函数表达式如下： w = 抖c o s 和 毗2 ，m亿7 ， 式( 2 7 ) 按照欧拉公式进行展开，得： w c 刀，= 圭一丢p 百2 n f 一丢p 等” ( 2 8 ) 所以加窗后的d f t 为： x w ( 七) ：n - 1w ( 力m 门叫和：丢芝x ( 刀弦。争一i 1 乙n - i 石( 门弦。争似1 ) 一三兰石( 刀弘吖争似“ ( 2 - 9 ) n = o二n = o叶n = o叶n = o 由于误差因素的存在，系统频率五很难保证是频率间隔矽的整数倍，即不保证在 频点上。假设五所在的位置为k ，其中0 k n 一1 ，令k = 1 + 6 ，即f o = ( ，+ 万) 矽，式中 0 万1 ，表示距离频点k 最近的、向下取整的整数点，具体关系描述如图2 1 ： 幅 值 l j tt。 长度 图2 1 频点k 与万的关系 f i g 2 一lt h er e l a t i o n s h i po fka n d 万 对于珀勺算法较容易实现，只要根据采样频率z 和采样点数n ，计算出频率间隔， 再用工频5 0 h z 除以频率间隔，就可以知道