基于LabVIEW的电能质量分析系统设计

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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，相应的电能参数监测设备种类齐全，然而常规的监测系统在下列几个方面比较欠缺 :

1)功能单一性问题。常规的电能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。常规的电力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。常规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。

鉴于以上原因，本课题在研究新型的电能参数监测装置时采用了先进的虚拟仪器技术思想，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。

[6,7]

1.3 电能质量参数分析方法

1.3.1 国内外衡量电能质量的指标

国际上，IEEE第22届标准协调委员会和其它国际委员会最新采用11种指标来衡量电能质量，大致可以分为两大类:电压幅值(断电、电压下跌、电压上冲、瞬时脉冲、电压波动与闪变、电压切痕、过电压、欠电压)和电压波形(谐波、间谐波、

[8]

频率偏差)。

在我国，结合本国的实际情况，自1990年以来，我国相继发布了五项电能质量国家标准，分别为:GB 12325-1990《电能质量供电电压允许偏差》、GB/T 14549-1993《电能质量公用电网谐波》、GB/T 15543-1995《电能质量三相电压允许不平衡度》、GB/T 15945-1995《电能质量电力系统频率允许偏差》、GB 12326-2000

[14, 16]

《电能质量电压波动和闪变))。

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1.3.2 电能质量参数的分析方法

对电能质量问题的分析是关系到电能质量问题解决的一个重要环节。近年来，基于数字技术的的各种分析方法己经在以下的电能质量领域中得到广泛地应用：分析谐波在网络中的传播、分析各种扰动源引起的波形畸变、开发各种电能质量控制装置等。

〔1,15〕

按照所采用的不同分析方法，电能质量参数分析有时域、频域、变换域三种。 (1)时域仿真方法

对于电能质量中的暂态事件由于其持续的时间短、发生的时间不确定，对频谱分析提出了较高的要求，通常采用时域仿真方法。在三种分析方法中，时域仿真分析方法在电能质量分析中的应用最为广泛。目前较通用的时域仿真程序主要有EMTP, EMTDC, NETOMAC等系统暂态仿真程序和SPICE, PSPICE, SABER等电力电子仿真程序两大类。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描述的电力元件方程时，通常采用简单易行的变阶、变步长、隐式梯形积分法。利用隐式可保证求解过程中的数值稳定，采用变阶、变步长技术可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，因此必须事先知道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，要采用相应技术抑制发生数值振荡。 (2)频域仿真分析

频域分析方法主要用于电能质量中谐波问题的分析，包括频率扫描、谐波潮流计算等。

(3)基于变换的方法

基于变换的方法常用在实时、在线的电能质量分析方法中。由于分析数据必须以足够高的采用速率进行采样并存储，而且长期在线进行，所以存储的数据非常的大。为了合理的利用好这些数据，可采用基于变换的方法进行扰动信号的分析。

基于变换的方法主要指Fourier变换方法、短时Fourier变换方法以及近年来出现的小波变换方法

Fourier变换方法是经典的频谱分析和信号处理方法。它具有正交、完备等许多优点，但其对含有短时间高频分量和长时间低频分量的电能质量信号分析具有一定的局限性。目前经过改进的快速傅里叶变换((FFT)和短时傅里叶变换(STET)己经成为电能质量分析的基础。

小波变换的分析方法是近年来兴起的一种算法。由于具有时——频局部化的特点，克服了以上FFT和STET的缺点，特别适合于突变信号和不平稳信号的分析。小波变换作为一种新的数字技术被引入工程界后，已在图象处理、数据压缩和信号分析等领域得到广泛应用。由于小波函数本身衰减很快，也属一种暂态波形，将其用于电能质量分析领域，尤其是暂态过程分析领域将具有FFT, STFT所无法比拟的优点。

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此外，国内外对于电能质量问题也越来越多地采用了模糊数学、神经网络、人工智能等方法以及各种方法的结合，极大地丰富了处理电能质量问题的算法

[8]

。

1.4 论文的研究思路和主要内容

本论文研究的重点在于利用LabVIEW平台开发基于虚拟仪器的电能质量参数分析系统，将电压偏差、频率偏差、电压波动和闪变、电网谐波、三相电压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和分析。

论文的主要内容有: (1)简要介绍课题研究的背景和研究意义，详细论述了电能质量分析系统存在的实际问题以及对虚拟仪器技术优势的分析，提出了研究基于虚拟仪器的电能质量参数监测系统的必要性和可行性。

(2)详细阐述了电能质量指标的定义并对电能质量参数的数学模型进行了深入的研究。

(3)通过对基于虚拟仪器监测系统的简要分析，提出了本课题所要研究的系统的总体结构，并简要的介绍了课题研究的系统硬件的构成方案。由于本课题所研究重点是基于虚拟仪器的电能质量参数分析系统软件功能部分，因此本论文的重点主要是对系统所要实现的各个功能模块的数学模型离散化设计进行了研究。

(4)简要的介绍了虚拟仪器技术的概念及软件开发平台LabVIEW，利用LabVIEW以及前面所研究的各个功能模块的数学模型的离散化设计，对系统的软件部分进行了设计，将系统按所要实现的监测参数主要分为五大功能模块:伏安测量模块(电压与电流有效值、频率测量、三相不平衡度)、相位测量、功率测量模块、谐波测量模块、波动和闪变测量模块，并且详细的给出了功能模块的软件设计。

(5)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。

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第二章 电能质量指标综述

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，电能质量指标越接近标称值表明电能质量越好。然而，电能从生产到消耗是一个整体，电力系统的发、输、配、变、用始终处于动态平衡之中，其中任何一环节都会对电能质量产生影响。而电能质量指标的控制又需要相当的投入(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技术的管理等)。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。〔8,14〕

在本章中，简述了电能质量指标的定义，对电能质量五项指标的数学模型进行了一定的研究，为后续章节的数学模型的离散化设计奠定了基础。

2.1 供电电压允许偏差

2.1.1 概念

用电设备的运行指标和额定寿命是对其额定电压而言的。当其电压输入端子出现电压偏差时，其运行参数和寿命将会受到影响，影响程度视偏差的大小、持续的时间和设备状况而异。

测试电压的允许偏差比较简单。电压允许偏差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。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：

电压偏差（%）?实际电压?额定电压?100% （2-1）

额定电压式中实际电压为实际测量电压，额定电压为系统标称电压220V、380V、6kV等。 2.1.2 电压偏差产生的原因和对电力系统的危害

电力系统中的负荷以及发电机组的出力随时发生变化，网络结构随着运行方式的改变而改变，系统故障等因素都将引起电力系统功率的不平衡。系统无功功率不

[9]

平衡是引起系统电压偏差的根本原因。

电压偏差对电力系统的危害主要表现在以下几个方面: (1)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