（高电压与绝缘技术专业论文）基于虚拟仪器的电能质量监测装置设计.pdf

独创性声明 剐 y 18 9 岑岑：i i 。苔。 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 工作所取得的成果。除文中已注明引用的内容以外，本论文不包含任何其他个人 或集体已经发表或撰写过的作品成果，也不包含为获得江苏大学或其他教育机构 的学位或证书而使用过的材料。对本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已 在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。 一蔷 掰 学位论文版权使用授权书 江苏大学、中国科学技术信息研究所、国家图书馆、中国学术期刊( 光盘版) 电子杂志社有权保留本人所送交学位论文的复印件和电子文档，可以采用影印、 缩印或其他复制手段保存论文。本人电子文档的内容和纸质论文的内容相一致， 允许论文被查阅和借阅，同时授权中国科学技术信息研究所将本论文编入中国 学位论文全文数据库并向社会提供查询，授权中国学术期刊( 光盘版) 电子杂 志社将本论文编入中国优秀博硕士学位论文全文数据库并向社会提供查询。 论文的公布( 包括刊登) 授权江苏大学研究生处办理。 本学位论文属于不保密口。 学僦文作者躲榔 坩i 日 指导教师签名： 及州年臼龉 江苏大学硕士学位论文 摘要 现代电器和电子设备对电能质量的要求越来越高，保证电能质量符合国家标 准，对电网电能质量进行实时监测，找出电能质量故障原因，改善电网电能质量， 提供决策支持是电网研究的重要课题。本设计将虚拟仪器技术应用到电能质量监 测中，旨在开发一种便携式的、功能齐全的低压配电网电能质量监测通用装置， 装置能够做到使用灵活、通用性好、处理能力强、测量参数全面、系统升级简单、 人机交互性好、能够保存大量历史数据。 论文重点研究了电压波动和闪变、电网谐波的数学模型建立及测量方法实 现。针对f f t 谐波分析频谱泄露和栅栏效应现象，在比较几种常用窗函数特性 后，采用f f t 加布莱克曼窗双谱线插值的算法，以减少频谱泄露。分析闪变仪 所使用的从频率进行滤波的平方检波法，存在检测不到问谐波引起的电压闪变问 题的缺陷，实际采用可以分离闪变信号的移相解调检波法。 硬件设计上，选择霍尔传感器和美国t o t e c h 公司便携式数据采集卡 w a v e b o o k 5 1 2 ，在传感器和数据采集卡中间设计了隔离电路、信号调理电路和抗 混叠滤波电路，实现数据采集任务。软件设计给出软件总体结构及工作流程，在 n il a b v i e w 8 6 环境平台中，设计并集成了电能质量监测分析算法，完成电压偏 差、频率偏差、三相不平衡度、谐波及电压波动与c j j 变检测等模块，以及数据采 集、数据分析、数据存储等模块，构成了电能质量监测的基本系统。监测装置在 相关指标测量准确性方面进行了仿真测试，结果表明能够满足电能质量参数监测 的基本要求。 关键字：电能质量，三相不平衡度、谐波检测，移相解调检波法，虚拟仪器， l a b v i e w 环境，仿真 江苏大学硕士学位论文 a bs t r a c t t h er e q u i r e m e n t so fm o d e me l e c t r i c a la n de l e c t r o n i ce q u i p m e n t f o rp o w e r q u a l i t ya r ei n c r e a s i n g l yh i g h ，t h u sg u a r a n t e et h ep o w e rq u a l i t yt om e e tn a t i o n a l s t a n d a r d s ，r e a l - t i m em o n i t o r i n go fp o w e rq u a l i t y ，t r a c i n go fc a u s e so fp o w e rq u a l i t y f a i l u r e ，i m p r o v i n gt h eg r i dq u a l i t y ，p r o v i d i n gd e c i s i o ns u p p o r ta l ei m p o r t a n tt o p i c sf o r 鲥dr e s e a r c h v i r t u a li n s t r u m e n tt e c h n o l o g yi sa p p l i e dt op o w e rq u a l i t ym o n i t o r i n gi n t h i st h e s i s s oa st od e v e l o pap o r t a b l e ，m u l t i f u n c t i o n a la n du n i v e r s a lp o w e rq u a l i t y m o n i t o r i n gd e v i c ef o rl o wv o l t a g ed i s t r i b u t i o nn e t w o r k t h i sp o r t a b l ea n du n i v e r s a l d e v i c e p r o v i d i n gp o w e r f u lc o m p u t a t i n g o f d a t a ，c o m p r e h e n s i v e l yp a r a m e t e r s m e a s u r i n g ，s i m p l eu p g r a d i n g ，e x c e l l e n ti n t e r a c t i v i t ya n ds a v i n go fl o t so fh i s t o r i c a l d a t a t h i sp a p e rf o c u s e so nt h er e s e a r c ho fv o l t a g ef l u c t u a t i o n sa n df l i c k e r ，t h e e s t a b l i s h i n go fm a t h e m a t i c a lm o d e lf o rh a r m o n i cw a v ei nt h ep o w e rg r i da n dt h e r e a l i z a t i o no fm e a s u r e m e n t s c o n s i d e r i n gt h ea n a l y s i si ns p e c t r u ml e a ka n df e n c e s e f f e c tp h e n o m e n o ni nf f t a n a l y s i so fh a r m o n i c ，a f t e rc o m p a r i s o no fs e v e r a lc o m m o n w i n d o wf u n c t i o nc h a r a c t e r i s t i c s ，f f tw i t hb l a c k m a nw i n d o wd u a ls p e c t r u ml i n e i n t e r p o l a t i o na l g o r i t h mi sa p p l i e dt or e d u c es p e c t r u ml e a k a g ei n t h i st h e s i s a n a l y s i s o ft h ef r e q u e n c yf i l t e r i n gf r o mf l i c k e r m e t e r s q u a r ed e t e c t i o nm e t h o du s e d ，c a n a d e t e c te x i s t i n gi n t e r - h a r m o n i cv o l t a g ef l i c k e rp r o b l e mc a u s e db yd e f e c t s i nt h i st h e s i s ， p h a s es h i f t i n gd e m o d u l a t i n gd e t e c t i o nw i t hs e p a r a t i n gf l i c k e rs i g n a li sa p p l i e d i nt e r m so fh a r d w a r ed e s i g n ，c h o o s eh a l ls e n s o r sa n dt h ep o r t a b l ed a t ac o l l e c t i o n a n da n a l y s i sc a r dw a v e b o o k 512p r o d u t e db yu st o t e c h b e t w e e nt h es e n s o ra n dd a t a a c q u i s i t i o nc a r d ，i s o l a t i n gc i r c u i t ，s i g n a lr e g u l a t i n gc i r c u i ta n dr e s i s t i n gf i l t e r i n g sc i r c u i t a r ed e s i g n e dt of i n i s hd a t aa c q u i s i t i o n t h es o f t w a r ed e s i g np r o v i d i n gt h eg e n e r a l s t r u c t u r ea n dp r o c e d u r e ，d e s i g n i n ga n di n t e g r a t i n gp o w e rq u a l i t ym o n i t o r i n ga n a l y s i s a l g o r i t h ma r ef i n i s hi nn il a b v i e we n v i r o n m e n t s o f t w a r ed e s i g ni n c l u d i n gv o l t a g e b i a s ，f r e q u e n c yd e v i a t i o na n du n b a l a n c e dt h r e e p h a s ed e g r e e s ，h a r m o n i ca n dv o l t a g e f l u c t u a t i o na n df l i c k e rd e t e c t i o nm o d u l e ，a d d i n gd a t aa c q u i s i t i o n ，a n a l y s i sa n ds t o r a g e m o d u l e ，w h i c hc o n s t i t u t e t h eb a s i cs y s t e mo fp o w e rq u a l i t ym o n i t o r i n g r e l a t e d 江苏大学硕士学位论文 m e a s u r e m e n t a c c u r a c ya s p e c t s o ft h ed e v i c ea l e a c c o m p l i s h e d t e s t e d b y s i m u l a t i o n ，a n dt h er e s u l t ss h o wt h a td e v i c ec a ns a t i s f yt h eb a s i cr e q u i r e m e n t so f p o w e rq u a l i t yb a s i cp a r a m e t e r sm o n i t o r i n g k e yw o r d ：p o w e rq u a l i t y ，t h r e e - p h a s eu n b a l a n c e dd e g r e e s ，h a r m o n i cd e t e c t i o n ，p h a s e s h i f t i n gd e m o d u l a t i o nd e t e c t i o nm e t h o d ，v i r t u a li n s t r u m e n t ，l a b v i e w e n v i r o n m e n t ， s i m u l a t i o n i i i 江苏大学硕士学位论文 【一 江苏大学硕士学位论文 目录 摘j 1 2 l ：i a b s t r a c t l i 第一章绪论1 1 1 研究的目的和意义l 1 2 国内外研究现状及发展趋势2 1 2 1 电能质量标准2 1 2 2电能质量监测方式的研究现状2 1 2 3 电能质量监测装置的发展现状和趋势3 1 3 本文所做工作和论文结构安排5 第二章硬件模块设计一7 2 1总体结构7 2 2 传感器的选择一8 2 2 信号调理电路1o 2 2 1 信号校正电路1 0 2 2 2 采样频率确定和抗混叠滤波器设计1 1 2 3 数据采集卡选择13 2 3 1 数据采集卡参数1 3 2 3 2 数据采集卡选型1 4 2 4 本章小结l6 第三章数据检测处理方法研究j 1 7 3 1 电网频率跟踪数字化实现方法1 7 3 2 电压波动与闪变1 8 3 2 1i e c 闪变仪1 8 3 2 2 间谐波引起的电压闪变问题2 0 3 2 3 移相解调的电压闪变检测原理2 2 3 2 4 闪变统计评价方法2 4 3 3 谐波检测2 5 3 3 1d f t 计算原理2 6 3 3 2 快速傅里叶变换( f f n 计算原理2 7 3 3 3 频谱泄露和栅栏效应2 8 3 4 本章小结3 0 第四章基于l a b v i e w 软件开发3 2 4 1 虚拟仪器3 2 4 1 1l a b v i e w 概述3 2 4 1 2 虚拟仪器的优点3 3 4 1 3 基于虚拟仪器的电能质量监测装置的优点3 4 4 2 测试仪软件开发平台的选择3 5 v 江苏大学硕士学位论文 4 2 1 图形化编程方式简介3 5 4 2 2l a b v i e w 的特点3 7 4 3 基于l a b v i e w 的软件结构设计3 7 4 4 本章小结3 8 第5 章l a b v i e w 程序和界面设计3 9 5 1 电能质量监测系统主界面设计3 9 5 1 1 登陆界面设计3 9 5 1 2 主界面设计4 0 5 2 数据采集模块4l 5 3 参数测量4 1 5 3 1 频率跟踪4 l 5 3 2 有效值测量4 2 5 3 3 三相不平衡度测量4 3 5 4 功率模块设计4 4 5 5 电压波动与闪变模块4 6 5 5 1 基于移相解调的调幅波检测模块4 6 5 5 2 眼脑环节模块设计4 6 5 5 3 短时闪变统计模块4 7 5 6 谐波分析一4 8 5 7 数据存储设计4 9 5 7 1 数据库的选择4 9 5 7 2l a b v i e w 与数据库的接口方法4 9 5 7 3l a b v i e w 与数据库的连接设置5 0 5 7 4 数据库模块设计5 0 5 8 本章小结5 3 第六章实验测量一j 一5 4 6 1 实验及仿真验证5 4 6 2 参数模块测试结果5 5 6 - 3 功率测量模块测试结果：5 5 6 4 谐波测量模块测试结果5 6 6 5 电压波动与闪变模块测量结果。5 7 6 6 数据存入与读取5 8 第7 章结论与展望6 0 7 1 结论6 0 7 2 展望一6 l 参考文献6 2 致谢。6 5 硕士期间发表的论文6 6 v i 江苏大学硕士学位论文 1 1 研究的目的和意义 第一章绪论 现代用电设备对电能质量的要求较之于传统设备更高，随着非线性、冲击 性以及不平衡负荷的增多，诸如电弧炉、半导体整流器、逆变器和变频器等装 置的广泛使用，使电能质量污染日益严重。当电网中发生负载转换、系统故障、 电动机启动、非线性负载、间断性负载，会造成许多扰动，如冲击、低功率因 数、高谐波分量、电压骤降、谐波畸变、断电、电压波动及闪变等，企业生产 中经常因电能质量引起产品和设备问题，甚至发生事故。据美国官方统计：近 2 0 年在全球范围内因电能质量问题引发的重大电力事故达2 0 余起，每年因电 能质量扰动和电气环境污染引起的经济损失高达3 0 0 亿美元【1 1 。例如2 0 0 6 年， 西欧“1 1 4 ”大停电事故和斯里兰卡“1 1 1 5 ”全国大停电；2 0 1 1 年，巴西东北部“2 4 ” 大面积停电事故、美国东北部2 1 4 ”大面积停电事故、委内瑞拉4 7 ”大停电事 故和澳门“2 2 4 ”大面积停电事故等【2 堋，均造成了巨大的经济损失和严重的社会 影响。 电能作为需要满足一定质量指标的特殊商品，引起了各国电力工作者的高 度关注，成为电力系统研究领域的新研究点【。我国颁布的电能质量主要指标 是电压偏差、频率偏差、三相不平衡度、谐波和电压波动及闪变【8 j 。采用电能 质量监测装置，在配电网特殊点对电能质量的各种参数指标的电参量进行实时 监测，并对监测结果进行分析处理，正确评估电能质量，及时找出引起电能质 量恶化的原因，进而提出电能质量整改方案，为电力部门采取有效措施提高电 能质量提供决策支持是必须手段。 目前我国电能质量监测分析手段比较落后，监测设备功能单一，国外同类 产品价格昂贵，功能模块固定，扩展性差，升级维修复杂，更改时间长，维修 成本高，因此采用先进的技术手段，设计合理精确的算法，研制功能完善、性 能优良、便携式的电能质量监测装置十分必要。 江苏大学硕士学位论文 1 2 国内外研究现状及发展趋势 1 2 1 电能质量标准 目前，关于电能质量相关国际标准主要有国际电工委员会( i e c ) 标准、欧盟 e n5 0 1 6 0 标准，以及美国i e e e 标准，其中i e c 的标准和e n5 0 1 6 0 标准几乎 等同。i e c 是世界上最早的国际性电工标准化机构，负责有关电气工程和电子 工程领域的国际标准工作，于1 9 9 7 年成立了t c 7 7 专委会，专门对连接到电网 的各种半导体设备的电磁兼容问题进行了研究和制定标准，逐渐形成了一套完 成的电磁兼容基础标准i e c6 1 0 0 0 。i e e e 也制定了一系列标准，较为详细的规 定了电力系统谐波( h a r m o n i c s ) 、电压缺口( n o t c h e s ) 、闪变( f l i c k s ) 等现象的定义、 测量以及抑制措施【引。 我国采用5 0 h z 供电，供电情况和欧盟类似，因此我国主要是参照i e c 标 准。随着电力市场的推行，电力部门面临如何为用户提供优质、安全的电力的 难题，引起了各级电力部门的高度重视，并根据我国电力系统的特点，颁布了 相应的电能质量标准。迄今为止，我国已相继颁布了6 项电能质量标准，分别 是：供电电压允许偏差【1 0 ( g b t1 2 3 5 2 1 9 9 0 ) 、电力系统频率允许偏差【1 1 i ( g b t 1 2 3 2 6 1 9 9 3 ) 、公用电网谐波0 2 ( g b t1 4 5 4 3 1 9 9 3 ) 、三相电压允许不平衡度 0 3 1 ( g b t1 5 5 4 3 1 9 9 5 ) 、电压允许波动和闪变1 4 ( g b t1 2 3 2 6 2 0 0 0 ) 、暂时过电压 和瞬态过电压f 1 5 i ( g b t 1 8 4 8 1 2 0 0 1 ) ，标准中详细规定了交流电力系统作用于电 气设备的稳态电压、频率、波形畸变、三相不平衡度、波动与闪变以及暂时过 电压和瞬态过电压的要求、电气设备的绝缘水平以及过电压的保护方法，并于 2 0 0 5 年发布了电能质量监测设备通用要求1 1 6 ( g b t1 9 8 6 2 2 0 0 5 ) 。电能质量 国家标准的颁布，使得电能质量的监测管理工作纳入了法制化轨道，并且带动 了电能质量检测技术的发展。 1 2 2电能质量监测方式的研究现状 电能质量包含的内容非常广泛，针对电能质量问题的不同，监测方式和要 求也不相同。目前，国内外电能质量监测方式主要有三种【1 7 】： 1 专项监测：适用于易受干扰或负荷变动大的设备，如：电弧炉、电容器 2 江苏大学硕士学位论文 组、滤波器、环流设备等接入电网时，或针对电网突变状况进行前后对比的场 合，任务完成后即可撤销专项监测。 2 定期或不定期监测：适用于易受干扰的普通电力用户，并根据实际情况 如：干扰的产生的危害、对设备的影响程度等确定监测方式的种类。定期监测 主要适用于不需要或不具备连续在线监测的场合。不定期监测主要适用于有特 殊电能质量问题的电力用户，监测仪器有专用万用表、便携式谐波测试仪及具 有一定综合功能的电能质量分析仪等。这些装置在一定程度上为电力系统维修、 供电故障排除及设备故障诊断提供所需的测量值，但是，它们采用的监测方法 和手段无法满足供用电双方对电能质量更高的要求。 3 在线监测：适用于供电网络和大型用电客户等需要对电能质量进行全面 了解和跟踪的场合。例如：重要变电站或实施无人值班变电站的公共配电或重 要电力用户( 如：炼钢厂、电气化铁路等) 的配电点。在线监测的功能主要有： 数据显示、数据存储、数据远传、越限报警或发控制指令，并通过计算机网络 将监测的实时数据、历史变化曲线、越限报警信号等进行就地显示，从而实现 远程监控。在线监测需要进行连续监测的内容有电压偏差、频率偏差、谐波三 相不平衡度和电压波动与闪变，大型干扰源或危害较大且易引起事故的相关电 能质量指标【l 引。 目前，国内还没有形成对电能质量的长期在线监测，普遍应用的是专项检 测和定期或非定期监测，显然已不能满足当今社会对电能质量的监测要求。本 文旨在设计一种长期在线监测装置，对电网实施全面监测，并建立真正有用的 数据库，为供用电设备的检修和状态调整提供有价值的参考信息。 1 2 3 电能质量监测装置的发展现状和趋势 根据监测方式不同，电能质量监测装置可分为便携式、手持式、集中式等 几种形式【1 9 1 ： 1 便携式电能质量监测装置 瑞士l e m 公司( 代表性装置p q p t l 0 0 0 1 0 0 1 ) t 2 0 1 ，瑞士联合电力u n i p o w e r 公司( 代表性装置u 9 0 0 f ) t 2 ，澳大利r e dp h a s e 公司( 代表性装置p m 3 0 ) 2 2 1 ， 上海宝钢安大电能质量有限公司( 代表性装置p q l l 6 ) t 2 3 1 等国内外著名厂家主要 生产携式电能质量监测装置。这类监测装置主要用于电网被干扰源设备介入前 江苏大学硕士学位论文 后的专项监测、滤波装置调试及功能评估测试、现场定时测试和科学研究测试。 优点是：测试通道多，动态范围大，触发方式种类多，信息处理功能强，可以 记录分析全部电能质量指标，有良好的软件平台；缺点是：不能完成连续远程 监测和多点监测，价格比较高。 2 手持式电能质量监测装置 美国f l u k e ( 代表性仪器f 4 3 、f 4 3 b ) t 2 4 1 ，意大利h t 公司( 代表性装置 h t 9 0 3 0 ) t 2 5 1 ，上海宝钢大电能质量有限公司的p q l 0 2 1 2 6 1 等国内外著名厂家主要 生产手持式电能质量监测装置。这类监测装置主要用于非线性电力设备调试和 现场定期监测，测量参数范围较便携式小。手持式电能质量监测装置监测单相 电压、电流输入时，可以测试参数有：电压、电流基波有效值，3 5 1 次谐波， 有功功率、无功功率及功率因数等，具有波形存储、回放、通信接口和通信软 件，但价格昂贵。 3 集中式电能质量监测装置 集中式电能质量监测装置主要对变电站等重要的电力设施进行监测，具有 稳定性高、可对电网进行长时间监测和记录。传统的电能质量监测装置大多采 用工业计算机加数据采集卡来实现电能质量的数据采集和分析，由于处理的信 号都集中在一起，同时进入计算机处理，这种装置被称为集中式电能质量监测 装置。目前国内外大多数厂家生产的都是集中式电能质量监测装置，这种装置 长期运行在恶劣的环境中，对装置的稳定性要求非常高，由于运用计算机对信 号进行处理，实时性也较前两种装置高。装置功能为：连续监测公共点的电能 质量稳态指标，并具有指标超限报警功能、数据存储功能、报表生成功能及互 联网功能等。 影响实际系统构建的关键问题是数据采集卡的数据高速采集和计算机实时 处理的协调问题，难以保证系统的实时性能，而且每个检测点都需要配备计算 机，极大增加了系统成本。 以上三种方式，总结有如下不足： ( 1 ) 采用各种计算机作为现场监测分析工具，设备成本偏高； ( 2 ) 设备配置的灵活性、通用性差，只能用于特定的操作环境； ( 3 ) 实时性差，时频分析手段落后，不具备分析暂态电能质量的功能； 4 江苏大学硕士学位论文 。( 4 ) 远程通信的局限性导致远程监控、数据共享和预测评估难以实现； ( 5 ) 不具有识别干扰类别的能力，不能根据监测数据进行智能化分析，不具有 提供决策信息的能力； ( 6 ) 不具备实时分析能力。 设备本身的不足不仅影响现场监测，也影响整个系统的功能，如现场设备 的分析手段落后，不能识别干扰类别等，将会影响系统分析、判断以及决策能 力。面对这些问题，需要丌创新的思路和方法。 虚拟仪器的出现，软件即仪器的思想为解决上述这些问题开拓了一条新思 路、新方向1 2 7 l 。虚拟仪器代表了仪器仪表的发展方向，它将测试技术与计算机 技术进行完美结合，使得测量仪器和测量技术产生了深刻的变化。虚拟仪器由 软件提供图形化的虚拟仪器面板，在硬件支持下完成信号的采样，由软件进行 处理得到直观可视的测量结果。虚拟仪器通过计算机完成对硬件的控制、数据 采集、分析及显示等功能，其中数据的分析与处理是虚拟仪器功能的核心部分。 虚拟仪器是在通用硬件平台确定以后，由软件取代传统仪器中的硬件来完成仪 器的功能，突破了传统仪器在数据处理、显示、传送等方面的限制，具有用户 自定义功能和开放型等特点。虚拟仪器利用计算机独有的功能把虚拟仪器的专 业化功能软件化，使之与计算机融为一体，构成一台功能上与传统硬件仪器相 同，同时又充分享用了计算机智能资源的全新仪器系统。 1 3 本文所做工作和论文结构安排 本设计将虚拟仪器技术应用到电能质量监测中，旨在开发一种便携式的、 功能齐全的电能质量监测装置。将电压偏差、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主要研究对象，并具有实时数据显示、 长时间数据存储功能，设计中对测量算法进行详细研究，最后通过对电网信号 实时采集、计算和分析，得到上述五种稳态电能质量指标的检测结果。 论文主要研究工作有： 第一章简要介绍课题研究的背景和研究意义，详细介绍了现有电能质量监 测装置的优缺点，并针对其缺点及虚拟仪器技术的优势，论述了基于虚拟仪器 的电能质量监测装置已成为发展趋势。 5 江苏大学硕士学位论文 第二章研究监测装置的硬件实现。重点在于设计w a v e b o o k5 1 2 采集卡的 信号调理电路，保证前端测量精度。 第三章详细介绍了频率跟踪、谐波及电压波动及闪变的数字化实现方法。 第四章介绍虚拟仪器的基本概念、特点及其优势，l a b v i e w 开发平台及 图形化编程方式的优势，确定l a b v i e w 作为该装置的软件开发平台，简要介 绍了利用l a b v i e w 要实现的功能模块。 第五章在l a b v i e w 软件平台上，具体设计了数据采集、伏安模块、功率 模块、谐波检测、电压波动与闪变及数据存储。 第六章利用仿真的方法对系统的各个功能模块进行了试验，并给出了试验 结果。 6 江苏大学硕士学位论文 第二章硬件模块设计 基于虚拟仪器的电能质量监测系统，硬件部分完成对电力系统三相电压、 三相电流进行采集，并对采集到的信号进行一系列处理，使之转换成数据采集 设备能够识别的标准信号，并为数据采集卡采集，成为数据分析的原始数据。 硬件主要是由传感器、信号调理电路、数据采集卡及计算机组成。数据采集卡 所采集到的信号是数据分析的原始数据，根据电能质量指标：电压偏差、功率、 频率偏差、三相不平衡度、谐波和电压波动和闪变的数字化实现方法，在软件 平台上进行编程设计，得到实时计算结果并以图形显示。 本章主要介绍电能质量监测系统的硬件设计。系统硬件框图如图2 1 所示。 图2 1 硬件组成框图 2 1总体结构 基于虚拟仪器的电能质量监测装置，数据采集模块由传统的采集硬件来完 成的，数据分析处理模块由计算机软件实现，不受硬件限制。用户可根据需求 修改、增减模块，这是传统仪器所无法比拟的优势。 对于本论文设计的电能质量监测装置，核心部分是软件设计，只要硬件部 分将监测点的三相电压和电流信号经传感器、信号调理电路和数据采集卡以最 小失真转换为数字信号，其余任务如波形显示、加窗、滤波、数据处理及数据 存储等由软件来完成。装置总体结构如图2 2 所示。 专蓬l 一：l | l j 蓁 电压il 传ll 字 ( 电h 感h 采 霍每il 器li 辜信号illi 卡蓁蠢h 篓翼 虚拟li 检测 仪器h 分析 的计il 方法 算机i 图2 2 总体结构 7 孰 模块i 广 数据分析i ：訾 模块l 7 l ： 数据存储 模块 江苏大学硕士学位论文 装置具体功能如下： ( 1 ) 6 通道同时采集a 、b 、c 三相电压、电流，电压测量范围( 0 - 5 0 0 v ) ， 电流测量范围( 0 - - 5 0 a ) 。 ( 2 ) 监测三相电压、电流有效值，实时显示三相电压、电流波形。 ( 3 ) 监测电压偏差和频率偏差。 ( 4 ) 监测电压波动与闪变，显示瞬时闪变度。 ( 5 ) 监测三相电压电流不平衡度、有功、无功、视在功率及功率因数等。 ( 6 ) 监测3 4 9 次谐波频率、有效值、谐波含有率及总谐波畸变率。 2 2 传感器的选择 被测强电模拟信号在进入数据采集卡之前应先通过传感器变换成符合数据 采集卡量程要求的电压、电流信号，正确选择传感器和正确设置被测量信号的 传输系统对保证高精度安全测量十分重要。如果选用传感器的精度、线形度、 灵敏度、分辨率、负载能力、稳定性不高，无论是信号转换、信息处理，还是 最佳数据的显示和控制都无法实现，相应的后续分析工作也就毫无意义。 传感器的性能指标可以概括为基本参数指标、环境参数指标、可靠性指标和 其它指标四大类。传感器作为测量和控制系统的首要环节，在实际选择时的主 要要求是：足够的量程、灵敏度高、精度合适、稳定性高、反应快、性价比高， 要与测试系统相匹配等。 传感器的种类繁多，设计在选用传感器时，充分了解几种常用电压、电流 传感器性能后，选择最合适的传感器。 电磁型传感器存在漏磁和线圈阻抗，动态响应慢，通常要1 0 - - 2 0g s ，精度 3 5 ，传递频带窄，无法满足谐波测量的需要。光纤传感器因其传感材料及 环境的影响，温度稳定性不高，且系统噪声会对测量结果造成误差。霍尔传感 器有快速的动态响应特性，一般小于1 p s ，传递频带宽，可以在o 1 0 0 k h z 内 线性工作，线性度优于0 1 ；精度高，通常都优于o 5 ，原边、副边都是绝 缘的且绝缘耐压很高。 设计中选用南京中旭电子科技有限公司生产的h n v - - 5 0 0 t 霍尔电压传感 器【2 7 1 ，h n c 5 0 l x 霍尔电流传感器【2 8 】，如图2 3 、2 4 所示。 8 ， 江苏大学硕士学位论文 图2 3h n v - 5 0 0 t 霍尔电压传感器图2 4h n c 一5 0 l x 霍尔电流传感器 表2 1h n v - 5 0 0 t 电压传感器 参数额定值 额定输入电压( v ) 测定电压范围( v ) 额定输出电压( v ) 失调电压( m v ) 失调电压漂移( m y ) 线性度( f s ) 响应时间( i t s ) 绝缘电压( v ) 带宽k h z ( - 3 d b ) 工作温度( ) 储存温度( ) 5 0 0 0 7 5 0 士5 1 ：4 0 垒1 垒l 掣0l a s 2 5k v 5 0 h z lm i n d c 2 0 - 1 0 - - - 8 0 2 5 8 5 表2 2h n c 5 0 l x 霍尔电流传感器 参数 额定值 额定测量电流( a ) 测定电流范围( a ) 额定输出电压( v ) 电源电压( v ) 零电流失调( m v ) 线性度( f s ) 响应时间( g s ) 绝缘电压( k v ) 绝缘强度( m r 2 ) 工作温度( ) 储存温度( ) 5 0 o 1 0 0 士5 士1 5 3 0 士o 2 5 1 0 0 0 2 5 k v 5 0h z 1m i n 5 0 0 - 10 - - - 8 0 1 5 8 5 9 江苏大学硕士学位论文 2 2 信号调理电路 信号调理电路是将模拟信号变换为用于数据采集、控制过程、执行计算显 示读出或其他目的的可被识别的标准信号。调理就是是将待测信号通过隔离、 放大、滤波、量程标定、温度补偿、缓冲或定标，使其转换为适合于模数转换 器( a d c ) 的输入。通过a d c 对模拟信号进行数字化，并把数字信号送到m c u 或其他数字器件，以便用于系统的数据处理。在基于虚拟仪器的电能质量监测 装置设计中，信号调理单路要完成的功能主要是放大和滤波。 2 2 1 信号校正电路 h n v - 5 0 0 t 霍尔电压传感器的输出电压是0 , - 吐5 v ，h n c - 5 0 l x 霍尔电流传 感器输出电压为叫v ，数据采集卡的输入电压是0 5 v ，对传感器的输出信号进 行校正以匹配数据采集卡的输入范围。 常用的信号放大电路有同相放大、反相放大、差分放大电路。同相放大电 路输入电阻高，共模抑制比低，对器件的要求高。反相放大电路输入电阻低， 共模抑制比高，对器件的要求低。差分放大电路输入电阻高，共模抑制比高， 对器件的要求低，器件数量多。本文采用同相放大电路设计电压和电流通道。 电压通道由电压跟随器、放大倍数为1 2 的同相比例放大电路和加法电路 实现。电压跟随器具有输入阻抗高，输出阻抗低的优点，作用是信号隔离，并 解决了电阻匹配问题。电路如图2 5 所示： r f l 0 k 图2 5 电压通道 电压跟随器输出电压1 - - - - u = 一5 v 0 - - , + 5 v ，取电阻r l 嘲2 = 1 0 k 。 比例放大电路输入输出公式为： 1 0 u o 江苏大学硕士学位论文 _ ( 1 + 案) ( 彘 ( 2 1 ) 放大倍数为1 2 ，取月镏f = r 4 = 1 0 k ，则r 3 = 3 0 k ，u 0 2 = ( 1 2 ) u o , ，输出电压 为2 5 v 0 - - - + 2 5 v 。 加法电路输入输出公式为： 却每c 等+ ( 2 2 ) 其中r e = r 5 i i r 6 r 7 ，r n = r f l l g ，取r p = r n ，r f = r s = r 6 = r 7 = 1 0 k ，则r = 5 k ， 输出电压范围为0 v ，计5 v 。图2 5 实现了电压传感器与数据采集的信号范围匹 配。 电流通道由电压跟随器和放大倍数为1 2 5 倍的同相比例放大电路实现，电 路如图2 6 所示。 r f l 0 k 图2 6 电流通道 电压跟随器输出电压u 0 l = i a = 时4 v ，取电阻rn = r 2 = 1 0 k 。 比例放大电路输入输出公式为： u o = ( 1 + - 鲁) u o 。 ( 2 3 ) 放大倍数为1 2 5 倍，取r f = 1 0 k ，则r = 4 0 k ，输出电压范围为o v + 5 v 。图 2 5 实现了电流传感器和数据采集卡的信号匹配问题。 运算放大器使用a n a l o gd e v i c e 公司的a d 5 2 1 器件，是一种带有差动输入 的四运算放大器，可以工作在低到3 0 伏或者高到3 2 伏的电源下，价格便宜， 静态电流小。 2 2 2 采样频率确定和抗混叠滤波器设计 根据奈奎斯特采样定理，为了使离散采样值能够恢复出原始信号，理论上 江苏大学硕士学位论文 必须使采样频率大于信号中所含最高频率的两倍。为了更好的保证电能信号采 集效果质量，采样信号的频率是信号最高频率的钆5 倍。 装置设计监测到信号的最高谐波次数为4 9 次，谐波频率为4 9 5 0 = 2 4 5 0 h z ， 为了使离散采样值能够恢复出原始信号中4 9 次谐波的信息，需要在4 9 次谐波 周期内采样5 个点数，取采样频率为2 4 5 0 * 5 = 1 2 2 5 0 ，采样点数为2 4 5 点。由于 采样点数必须为2 n ，取采样点数为2 5 6 点，修正后采样频率为1 2 8 k h z 。 频谱混叠问题解决，由于外界存在各种干扰信号，假如干扰信号频率大于采 样频率的1 2 倍时，就会产生频谱混叠信号，使得信号的低频部分被高频部分“污 染”，造成信号失真2 8 锄】，该混叠信号不能通过数字滤波的方式滤除，只能采用 硬件滤波。因此在信号采样前，增加了抗混叠滤波器。根据滤波器通带边界频 率p = 2 4 5 0 书2 7 【r a d s ，阻带边界频率2 5 6 幸5 0 ：1 2 8 k h z ，s = 6 4 0 0 * nr a d s 。设计 中采用四阶滤波电路，由两个s a l l e n k e y 二阶滤波电路( 单位增益的巴特沃斯