電能質(zhì)量監(jiān)測系統(tǒng)的研究與設(shè)計(jì)

第頁第1章緒論1.1引言隨著科學(xué)技術(shù)及工業(yè)的發(fā)展，為電力系統(tǒng)的發(fā)展和進(jìn)步提供了更大的發(fā)展空間和更先進(jìn)的技術(shù)手段，但是也為電網(wǎng)的安全運(yùn)行帶來許多負(fù)面的影響，由此也給電力工作者帶來許多新的研究課題。電能質(zhì)量問題的提出、研究就是一個(gè)顯著的例子。近年來，在我國電力工業(yè)蓬勃發(fā)展、電力負(fù)荷急劇增長的同時(shí)，非線性和沖擊負(fù)荷也在不斷增長，這些負(fù)荷對供電系統(tǒng)電能質(zhì)量造成了嚴(yán)重的污染；另一方面，現(xiàn)代高度自動化和智能化的工業(yè)用電設(shè)備也對供電質(zhì)量提出了更高的要求，現(xiàn)代電力系統(tǒng)的特征賦予了電能質(zhì)量新的內(nèi)涵和意義。在電力系統(tǒng)中，由于大量采用電力電子技術(shù)的工業(yè)設(shè)備和家用電器的應(yīng)用，使各種非線性、沖擊性、波動性負(fù)載大量增加，致使電能質(zhì)量逐漸惡化，帶來嚴(yán)重的后果。由此引起電力部門、工業(yè)生產(chǎn)、人們生活多方面的關(guān)注。由于高壓直流輸電系統(tǒng)的應(yīng)用和大量變頻器、整流器、電弧爐等非線性負(fù)載的接入，使得電網(wǎng)中的諧波污染情況日趨嚴(yán)重，諧波含量不斷增加；由于個(gè)別超高壓輸電線路不循環(huán)換位和電動機(jī)車等大容量非對稱負(fù)載的接入，局部電網(wǎng)的不對稱度比較嚴(yán)重；由于大容量軋鋼機(jī)等沖擊性負(fù)載的接入，部分電網(wǎng)的暫態(tài)干擾較大，電壓閃變現(xiàn)象時(shí)常發(fā)生；此外，還由于目前電力供需矛盾仍比較大，電網(wǎng)中的自動調(diào)壓、無功自動補(bǔ)償裝置正確動作率不高等原因，造成用戶端電壓嚴(yán)重不穩(wěn)定，用電高峰時(shí)電壓過低，而在用電低谷時(shí)又會偏高，電網(wǎng)的頻率有時(shí)也會受到負(fù)荷過重的影響。以上這些現(xiàn)象，都屬于電能質(zhì)量方面的問題，它們不僅對電網(wǎng)的安全、穩(wěn)定運(yùn)行極為不利，而且還會對用戶用電設(shè)備的正常工作以及工農(nóng)業(yè)的持續(xù)高效生產(chǎn)有十分不利的影響。因此，電能質(zhì)量問題越來越受到了人們的廣泛關(guān)注。國際電工委員會（IEC）和美國電氣電子工程師學(xué)會（IEEE）均對電能質(zhì)量問題進(jìn)行了相關(guān)界定和分類。IEC標(biāo)準(zhǔn)（IEC1000-2-2/4）將電能質(zhì)量定義為：供電裝置正常工作環(huán)境下不中斷和干擾用戶使用電力的物理特性。IEEE協(xié)調(diào)委員會對電能質(zhì)量的技術(shù)定義為：合格的電能質(zhì)量是指給敏感設(shè)備提供的電力和設(shè)置的接地系統(tǒng)均是適合該設(shè)備正常工作的。2001年5月，由全國電壓電流等級和頻率標(biāo)準(zhǔn)化技術(shù)委員會最新制定的《電能質(zhì)量國家標(biāo)準(zhǔn)》將電能質(zhì)量定義為：導(dǎo)致用電設(shè)備故障或不能正常工作的電壓、電流或頻率偏差，其內(nèi)容涉及頻率偏差、電壓偏差、電磁暫態(tài)、供電可靠性、波形失真、三相不平衡以及電壓波動和閃變等。在參考IEC標(biāo)準(zhǔn)和IEEE標(biāo)準(zhǔn)的基礎(chǔ)上，結(jié)合我國電力系統(tǒng)實(shí)際情況，我國相繼頒布了有關(guān)電能質(zhì)量的五項(xiàng)標(biāo)準(zhǔn)，即供電電壓偏差、電壓波動和閃變、公用電網(wǎng)諧波、三相不平衡以及電力系統(tǒng)頻率偏差等，要求各級供電部門和用戶按照該標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行供用電。由此可知，只有對反映上述五項(xiàng)標(biāo)準(zhǔn)的電參量進(jìn)行實(shí)時(shí)的準(zhǔn)確的測量，才能為下一步判斷這些測量指標(biāo)是否滿足國家標(biāo)準(zhǔn)以及制定必要地改善措施做好準(zhǔn)備。所以現(xiàn)在迫切需要方便實(shí)用的電能質(zhì)量監(jiān)測分析裝置。目前，國內(nèi)對電能質(zhì)量的監(jiān)測手段比較落后，大部分產(chǎn)品還停留在用單片機(jī)制作進(jìn)行簡單監(jiān)測分析的階段；國外同類產(chǎn)品比國內(nèi)產(chǎn)品要先進(jìn)一些，功能也相對齊全，但這些產(chǎn)品普遍價(jià)格昂貴，功能模塊固定升級維護(hù)復(fù)雜，不能滿足用戶多方面的需要?；谶@種情況，很有必要引入新的技術(shù)開發(fā)出一種全新的電能質(zhì)量監(jiān)測裝置，對電力系統(tǒng)電能質(zhì)量進(jìn)行實(shí)時(shí)準(zhǔn)確的監(jiān)測分析。在這里我們把當(dāng)前測控領(lǐng)域最先進(jìn)的技術(shù)——虛擬儀器技術(shù)引入到電力系統(tǒng)中來，提出一種電能質(zhì)量參數(shù)綜合測試儀的設(shè)計(jì)思路及其實(shí)現(xiàn)方法，該方法應(yīng)用數(shù)字信號處理技術(shù)和虛擬儀器技術(shù)，有機(jī)的整合了多種電能質(zhì)量測試儀的功能，在單一的平臺上可以得到電能質(zhì)量的全面信息。1.2國內(nèi)外對電能質(zhì)量監(jiān)測研究現(xiàn)狀在發(fā)達(dá)國家，電能質(zhì)量問題早已被當(dāng)做電力系統(tǒng)面臨的重要問題看待，各國均在加強(qiáng)有關(guān)電能質(zhì)量問題的研究，已得出不少理論成果并提出了一系列綜合監(jiān)測控制和管理方法。國際上對電能質(zhì)量的研究是從電磁兼容學(xué)科入手的，該學(xué)科對干擾的產(chǎn)生、傳播、接受、抑制機(jī)理及相應(yīng)的測量技術(shù)進(jìn)行了深入系統(tǒng)的研究，根據(jù)經(jīng)濟(jì)、技術(shù)最合理的原則對產(chǎn)生的干擾水平、抗干擾水平以及抑制措施做出規(guī)定，使處于同一電磁環(huán)境中的設(shè)備兼容。電能質(zhì)量問題基本上屬于電磁兼容中的傳導(dǎo)低頻現(xiàn)象。國際上電測量理論和監(jiān)測儀器儀表技術(shù)大致經(jīng)歷了三個(gè)階段：第一階段電測量技術(shù)主要是對模擬量進(jìn)行測量；20世紀(jì)50年代以來，隨著數(shù)字電子技術(shù)和微電子技術(shù)的發(fā)展，電測技術(shù)和儀表技術(shù)逐步向數(shù)字化方向發(fā)展，早期的模擬式電測儀表逐漸被數(shù)字式儀表代替，在這一階段，以微計(jì)算機(jī)、獨(dú)立操作系統(tǒng)、各種標(biāo)準(zhǔn)總線結(jié)構(gòu)為特征，可相互通訊、擴(kuò)展式儀器和自動測試系統(tǒng)及相應(yīng)測量技術(shù)得到快速發(fā)展，并逐步走向成熟；第三階段，即20世紀(jì)80年代以來，大規(guī)模集成電路技術(shù)一方面使得控制芯片運(yùn)算能力大大增強(qiáng)，另一方面使得芯片體積大幅縮小，可以方便地植入儀器內(nèi)部，從而使儀器具有判斷、控制、存儲、運(yùn)算甚至更高的智能化特性。電能質(zhì)量監(jiān)測分析技術(shù)是電測與儀表技術(shù)針對電力系統(tǒng)電能質(zhì)量問題派生出的一個(gè)重要分支。我們知道，只有對反映電能質(zhì)量指標(biāo)的電參量進(jìn)行實(shí)時(shí)準(zhǔn)確的測量，才能為下一步分析判斷這些指標(biāo)是否滿足國家標(biāo)準(zhǔn)做好準(zhǔn)備。因此，隨著電力系統(tǒng)和電力用戶對電能質(zhì)量問題日益重視，關(guān)注的焦點(diǎn)越來越集中于引進(jìn)先進(jìn)科學(xué)的測量技術(shù)和使用準(zhǔn)確可靠的測量儀器。目前，國外公司開發(fā)出了多種電能質(zhì)量監(jiān)測分析的儀器裝置，典型的如日本日置公司（HIOKI）開發(fā)的3193系列電能質(zhì)量分析儀、諧波測試分析儀，美國福祿克公司生產(chǎn)的Fluke43型手持式供電質(zhì)量分析儀，瑞典聯(lián)合電力公司（UNIPOWER）開發(fā)的U900F便攜式電能質(zhì)量分析儀等。這些儀器多是采用硬件DSP技術(shù)對電信號進(jìn)行分析處理。此外，國際測控技術(shù)正向網(wǎng)絡(luò)化發(fā)展，出現(xiàn)了“網(wǎng)絡(luò)就是儀器”的概念，電能質(zhì)量在線監(jiān)測也正在適應(yīng)這個(gè)潮流，利用網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)電能質(zhì)量的遠(yuǎn)程監(jiān)測和網(wǎng)絡(luò)化管理，瑞典聯(lián)合電力公司最新開發(fā)的PQSecure在線式電能質(zhì)量監(jiān)測分析系統(tǒng)和瑞士萊姆（LEM）公司開發(fā)的PQFIX電能質(zhì)量監(jiān)測裝置都可以非常靈活地利用現(xiàn)有通訊接口（RS232、RS485、MODEM、局域網(wǎng)等）實(shí)現(xiàn)電能質(zhì)量網(wǎng)絡(luò)化監(jiān)測。相對于國外而言，國內(nèi)對電能質(zhì)量監(jiān)測裝置的開發(fā)研制比較落后，大多數(shù)廠家采用的是單片機(jī)結(jié)構(gòu)，這些儀器性能單一，通用性和擴(kuò)展性差、開發(fā)和維護(hù)相對復(fù)雜，已不能滿足市場的要求；還有部分高校和科研部門，開發(fā)出基于硬件DSP技術(shù)的電能質(zhì)量監(jiān)測裝置。國內(nèi)外對電能質(zhì)量的監(jiān)測方式大致分為三種：專門測量、定期或不定期檢測以及在線監(jiān)測。國內(nèi)目前對電能質(zhì)量各項(xiàng)指標(biāo)的測量大多數(shù)還處在專門測量和定期或不定期檢測階段，沒有形成對電能質(zhì)量的長期連續(xù)監(jiān)測，在電能質(zhì)量問題日益嚴(yán)重并日益受到重視的今天，前兩種方式顯然已不滿足需要。因此，當(dāng)前電能質(zhì)量測量裝置應(yīng)向在線監(jiān)測方向發(fā)展，并形成網(wǎng)絡(luò)化，對全網(wǎng)多個(gè)監(jiān)測點(diǎn)進(jìn)行全面的監(jiān)測分析，建立起表征電能質(zhì)量的真正有用的數(shù)據(jù)庫。這樣，就可以在供配電系統(tǒng)和用電設(shè)備運(yùn)行失效之前，能捕獲到其早期的故障信息，提醒人們對供、用電設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行調(diào)整和預(yù)防檢修。1.3虛擬儀器1.3.1虛擬儀器的概念和特點(diǎn)20世紀(jì)80年代中期，美國國家儀器公司（NationalInstrument簡稱NI）首先提出了軟件就是儀器（TheSoftwareistheInstrument）這一虛擬儀器概念。虛擬儀器是現(xiàn)代儀器技術(shù)與計(jì)算機(jī)技術(shù)相結(jié)合的產(chǎn)物，它的出現(xiàn)時(shí)儀器發(fā)展史上的一場革命，代表著儀器發(fā)展的最新方向和潮流。虛擬儀器是指在以通過計(jì)算機(jī)為核心的硬件平臺上，由用戶自己設(shè)計(jì)定義，具有虛擬的操作面板，測試功能由測試軟件來實(shí)現(xiàn)的一種計(jì)算機(jī)儀器系統(tǒng)。虛擬儀器突破了傳統(tǒng)電子儀器以硬件為主體的模式。測量時(shí)使用者是在操作具有測試軟件的計(jì)算機(jī)，猶如操作一臺虛擬的電子儀器，虛擬儀器因此得名。虛擬儀器的概念是對傳統(tǒng)儀器概念的重大突破，是計(jì)算機(jī)系統(tǒng)與儀器系統(tǒng)相結(jié)合的產(chǎn)物。它利用計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的強(qiáng)大功能，結(jié)合相應(yīng)的硬件，大大突破了傳統(tǒng)儀器在數(shù)據(jù)采集、顯示、傳送、處理等方面的限制，使用戶可以方便地對虛擬儀器進(jìn)行維護(hù)、擴(kuò)展和升級等。目前，國際上大約有60%的儀器儀表生產(chǎn)廠家（如美國惠普公司、FLUKE公司、日本HIOKI公司、瑞士ABB公司和LEM公司等）都已采用虛擬儀器技術(shù)作為產(chǎn)品開發(fā)的重要手段。表1-1傳統(tǒng)儀器與虛擬儀器的比較傳統(tǒng)儀器虛擬儀器關(guān)鍵是硬件關(guān)鍵是軟件開發(fā)與維護(hù)的費(fèi)用高開發(fā)與維護(hù)的費(fèi)用低技術(shù)更新周期長技術(shù)更新周期短價(jià)格高價(jià)格低，并且重復(fù)性與可配置性強(qiáng)廠商定義儀器功能用戶定義儀器功能系統(tǒng)封閉、固定系統(tǒng)開放、靈活、與計(jì)算機(jī)的進(jìn)步同步不易與其他設(shè)備連接易與其他設(shè)備連接無法自己編程硬件，二次開發(fā)差自己編程硬件，二次開發(fā)強(qiáng)從表1-1可以看出，與傳統(tǒng)儀器相比，虛擬儀器在智能化程序、處理能力、性能價(jià)格比、可操作性等方面都具有明顯的技術(shù)優(yōu)勢，具體表現(xiàn)為：（1）智能化程度高，處理能力強(qiáng)。虛擬儀器的處理能力和智能化程度主要取決于儀器軟件水平。用戶完全可以根據(jù)實(shí)際應(yīng)用需求，將先進(jìn)的信號處理算法、人工智能技術(shù)和專家系統(tǒng)應(yīng)用于儀器設(shè)計(jì)與集成，從而將智能儀器水平提高到一個(gè)新的層次。（2）復(fù)用性強(qiáng)，系統(tǒng)費(fèi)用低。應(yīng)用虛擬儀器思想，用相同的基本硬件可構(gòu)造多種不同功能的測試分析儀器，如同一個(gè)高速數(shù)字采樣器，可設(shè)計(jì)出數(shù)字示波器、邏輯分析儀、計(jì)數(shù)器等多種儀器。這樣形成的測試儀器系統(tǒng)功能更靈活、系統(tǒng)費(fèi)用更低。通過與計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)連接，還可實(shí)現(xiàn)虛擬儀器的分布式共享，更好地發(fā)揮儀器的使用價(jià)值。（3）可操作性強(qiáng)。虛擬儀器面板可由用戶定義，針對不同應(yīng)用可以設(shè)計(jì)不同的操作顯示界面。使用計(jì)算機(jī)的多媒體處理能力可以使儀器操作變得更加直觀、簡便、易于理解，測量結(jié)果可以直接進(jìn)入數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)或通過網(wǎng)絡(luò)發(fā)送。測量完后還可打印，顯示所需的報(bào)表或曲線，這些都使得儀器的可操作性大大提高。虛擬儀器因其強(qiáng)大的用戶自定義功能，開發(fā)周期短、成本低廉以及適用范圍廣維護(hù)升級方便等眾多優(yōu)點(diǎn)，因而被迅速推廣應(yīng)用到眾多行業(yè)中，當(dāng)然也包括電力行業(yè)。經(jīng)研究表明，用虛擬儀器技術(shù)，具有開發(fā)迅速、成本低廉、使用簡單、功能強(qiáng)大且隨時(shí)可擴(kuò)展等特點(diǎn)，利用它來開發(fā)電能質(zhì)量在線監(jiān)測裝置，能夠在技術(shù)上和經(jīng)濟(jì)上都能較好地滿足現(xiàn)場實(shí)際需要。1.3.2虛擬儀器的組成虛擬儀器與傳統(tǒng)儀器一樣，同樣劃分為數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)分析處理、顯示結(jié)果三大功能模塊（如圖1-1所示）。結(jié)果表達(dá)數(shù)據(jù)分析采集處理結(jié)果表達(dá)數(shù)據(jù)分析采集處理DAQ卡GPIB儀器VXI儀器RS-232信號處理數(shù)字濾波統(tǒng)計(jì)分析網(wǎng)絡(luò)傳輸硬復(fù)制文件I/O圖形用戶接口虛擬儀器主要包括硬件和軟件兩個(gè)基本要素。虛擬儀器的硬件結(jié)構(gòu)如圖1-2所示。硬件是虛擬儀器工作的基礎(chǔ)，主要完成被測信號的采集、傳輸、存儲處理和輸入/輸出等工作。由計(jì)算機(jī)和I/O接口設(shè)備組成。計(jì)算機(jī)一班為一臺PC或工作站，是硬件平臺的核心。它包括微處理器、存儲器和輸入/輸出設(shè)備等，用來提供實(shí)時(shí)高效的數(shù)據(jù)處理工作。I/O接口設(shè)備即采集調(diào)理部件，包括PC總線的數(shù)據(jù)采集（DataAcquisition，DAQ）卡、GPIB總線儀器、VIX總線儀器模塊、PIX總線儀器模塊、LXI總線儀器模塊、串口總線儀器和現(xiàn)場總線儀器模塊等標(biāo)準(zhǔn)總線儀器，主要完成被測信號的采集、放大和模數(shù)轉(zhuǎn)換。測控對象信號調(diào)理DAQ測控對象信號調(diào)理DAQ卡GPIB總線儀器計(jì)算機(jī)軟件系統(tǒng)VXI/PXI/LXI總線儀器模塊串口總線儀器/PLC現(xiàn)場總線儀器模塊其他計(jì)算機(jī)硬件板卡GPIB接口卡虛擬儀器的軟件一般采用層次結(jié)構(gòu)，包含三部分：輸入/輸出（I/O）接口軟件、儀器驅(qū)動軟件、應(yīng)用軟件。輸入/輸出（I/O）接口軟件存在于儀器與儀器驅(qū)動程序之間，是一個(gè)完成對儀器內(nèi)部寄存單元進(jìn)行直接存取數(shù)據(jù)操作、為儀器驅(qū)動提供信息傳遞的底層軟件。儀器驅(qū)動程序完成特定外部硬件設(shè)備的擴(kuò)展、驅(qū)動和通信，是連接頂層應(yīng)用軟件和底層I/O軟件的橋梁。應(yīng)用程序主要完成儀器面板設(shè)計(jì)和數(shù)據(jù)分析處理等功能。虛擬儀器的軟件應(yīng)滿足以下要求：一是軟件環(huán)境是針對測試工程師而非專業(yè)程序員，因此，編程必須簡單，易于理解和修改;二是具有強(qiáng)大的人機(jī)交互界面設(shè)計(jì)功能，容易實(shí)現(xiàn)模擬儀器面板;三是具有強(qiáng)大的數(shù)據(jù)分析能力和數(shù)據(jù)可視化分析功能，提供豐富的儀器總線接口硬件驅(qū)動程序。為用戶開發(fā)虛擬儀器提供必要的軟件工具和環(huán)境，目前有兩種較流行的虛擬儀器開發(fā)環(huán)境:一是用傳統(tǒng)的編程語言設(shè)計(jì)虛擬儀器，如HPITGII、Labwindows/CVI等，二是用圖形編程語言設(shè)計(jì)虛擬儀器，如HPVEE、LabVIEW等。本文所使用的電能質(zhì)量監(jiān)測系統(tǒng)是第二種，即LbaVIWE圖形化軟件編程平臺，在此平臺下，用戶只要簡單的定義和連接各個(gè)邏輯框即可構(gòu)成程序，大大縮短了虛擬儀器控制軟件的開發(fā)時(shí)間。從下面介紹的電能質(zhì)量在線監(jiān)測分析儀的實(shí)現(xiàn)中，我們可以看到采用LbaVEIw進(jìn)行編程具有邏輯清晰、思路簡潔、功能靈活等優(yōu)點(diǎn)。1.3.3虛擬儀器的發(fā)展趨勢20世紀(jì)90年代以來，NI公司己研制出多種總線系統(tǒng)的虛擬儀器，特別是它推出的LabVIEW圖形編程環(huán)境已享譽(yù)世界。在NI之后，美國惠普（HP）公司推出的HPVEE編程系統(tǒng)可提供數(shù)十至數(shù)百種虛擬儀器的組建單元和整機(jī)。作為儀器領(lǐng)域中最新興的技術(shù)，虛擬儀器的研究、開發(fā)在國內(nèi)已經(jīng)過了起步階段。90年代中期以來，國內(nèi)測控領(lǐng)域已經(jīng)逐漸認(rèn)識到虛擬儀器技術(shù)的重要性，積極將其運(yùn)用到各個(gè)行業(yè)，國內(nèi)已有不少院校和高科技公司（如哈工大哈特公司、清華大學(xué)、西安交大和武漢高壓試驗(yàn)所、中科泛華測控技術(shù)有限公司等）在引進(jìn)虛擬儀器設(shè)計(jì)平臺和消化和推廣NI公司、HP公司的虛擬儀器相關(guān)產(chǎn)品方面做了大量工作，取得了不小的成就。虛擬儀器技術(shù)的不斷發(fā)展取決于3個(gè)重要因素：計(jì)算機(jī)發(fā)展是動力，軟件是主宰，高質(zhì)量的A/D采集卡、調(diào)理放大器及傳感器是關(guān)鍵。隨著微電子技術(shù)、計(jì)算機(jī)軟、硬件技術(shù)，通信技術(shù)和網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的飛速發(fā)展，虛擬儀器技術(shù)日新月異。虛擬儀器的發(fā)展完全跟計(jì)算機(jī)的發(fā)展同步，所以顯示出虛擬儀器的靈話性和強(qiáng)大的生命力。虛擬儀器的興起是測試儀器技術(shù)的一次“革命”，是儀器領(lǐng)域的一個(gè)新的里程碑，它使現(xiàn)代測控系統(tǒng)更靈活、更緊湊、更經(jīng)濟(jì)、功能更強(qiáng)。無論測量、測試、計(jì)量或工業(yè)過程控制和分析處理，還是設(shè)計(jì)其他更為廣泛的測控領(lǐng)域，選用虛擬儀器都是理想的解決方案。1.4本文的主要任務(wù)本論文的研究對象為虛擬儀器技術(shù)在電能質(zhì)量監(jiān)測系統(tǒng)中的應(yīng)用，目的是提出一種基于虛擬儀器的電能質(zhì)量參數(shù)綜合測試儀的設(shè)計(jì)思路及其實(shí)現(xiàn)方法。因此，研究的工作包括電能質(zhì)量測量方法的理論分析、系統(tǒng)硬件模塊的設(shè)計(jì)和軟件開發(fā)工具的實(shí)現(xiàn)、系統(tǒng)誤差分析及其原因分析等。詳細(xì)內(nèi)容如下：（1）電能質(zhì)量監(jiān)測系統(tǒng)總體方案設(shè)計(jì)。主要研究電能質(zhì)量五項(xiàng)指標(biāo)以及測量原理、數(shù)據(jù)采集和信號處理的基本理論，這部分對諧波測量進(jìn)行了重點(diǎn)分析。（2）監(jiān)測系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)和分析。主要介紹了本系統(tǒng)中微型計(jì)算機(jī)、傳感裝置、信號調(diào)理裝置、數(shù)據(jù)采集設(shè)備的配置。（3）監(jiān)測系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)和分析。要介紹了面向儀器和測控過程的圖形化開發(fā)平——LabVIEW及本監(jiān)測系統(tǒng)的軟件結(jié)構(gòu)和實(shí)現(xiàn)方法。通過硬件與軟件的配合，設(shè)計(jì)出基于虛擬儀器的電能質(zhì)量監(jiān)測裝置。（4）系統(tǒng)誤差分析及其原因分析。使用本裝置對仿真信號和實(shí)際信號進(jìn)行試驗(yàn)，對所測結(jié)果進(jìn)行分析，分析誤差產(chǎn)生的原因。本論文研究的關(guān)鍵技術(shù)是數(shù)字信號處理技術(shù)和虛擬儀器技術(shù)，研究的難點(diǎn)也是核心是利用數(shù)字信號處理知識對電能質(zhì)量監(jiān)測所需的監(jiān)測方法進(jìn)行軟件建模并編制出相應(yīng)的虛擬儀器程序。

第2章電能質(zhì)量的各項(xiàng)指標(biāo)及其測量方法2.1概述電能既是一種經(jīng)濟(jì)實(shí)用、清潔方便且容易傳輸、控制和轉(zhuǎn)換的能源形勢，又是一種由電力部門向電力用戶提供，并由供、用雙方共同保證質(zhì)量的特殊產(chǎn)品。如今，電能作為走進(jìn)市場的商品，與其他商品一樣，無疑也要講求質(zhì)量。與一般產(chǎn)品質(zhì)量不同，電能質(zhì)量有以下顯著特點(diǎn)：第一、電力系統(tǒng)的電能質(zhì)量在時(shí)間和空間上始終處于動態(tài)變化中。第二、電力系統(tǒng)是一個(gè)整體，其電能質(zhì)量狀況相互影響。第三、電能質(zhì)量擾動具有潛在危害與廣泛傳播。第四、在某些情況下，用戶是保證電能質(zhì)量的主體部分。第五、對電力系統(tǒng)的電能質(zhì)量指標(biāo)進(jìn)行綜合評估非常困難。第六、控制和管理電力系統(tǒng)電能質(zhì)量是一項(xiàng)系統(tǒng)工程。為保證電網(wǎng)安全、經(jīng)濟(jì)運(yùn)行，保證對用戶連續(xù)、可靠地供應(yīng)電能，保障輸配電設(shè)備、用電設(shè)備與裝置正常使用，必須以科學(xué)技術(shù)和運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)的綜合成果為基礎(chǔ)，按照標(biāo)準(zhǔn)化的原則對電氣產(chǎn)品制定并發(fā)布統(tǒng)一的、適度的基本指標(biāo)規(guī)定，并以統(tǒng)一的質(zhì)量檢驗(yàn)方法指導(dǎo)實(shí)施，這一工作被稱為電能質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)化。從1990年至2001年，11年間我國陸續(xù)制定和頒布了6項(xiàng)電能質(zhì)量國家標(biāo)準(zhǔn)，對供電電壓允許偏差、公用電網(wǎng)諧波、電力系統(tǒng)頻率允許偏差、三相電壓允許不平衡度、電壓波動與閃變、暫時(shí)過電壓和瞬態(tài)過電壓的標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行了規(guī)定。下面先就前面五項(xiàng)指標(biāo)的概念和測量分析方法進(jìn)行簡要闡述，然后介紹一下近年來有關(guān)電能質(zhì)量問題新的提法。2.2供電電壓允許偏差電壓是電能質(zhì)量的重要指標(biāo)之一，其中電壓偏差是衡量供電系統(tǒng)正常運(yùn)行與否的一項(xiàng)主要指標(biāo)。供電系統(tǒng)在正常運(yùn)行方式下，某一節(jié)點(diǎn)的實(shí)際電壓與系統(tǒng)標(biāo)稱電壓（通常，電力系統(tǒng)的額定電壓采用標(biāo)稱電壓去描述，對電氣設(shè)備則采用額定電壓的術(shù)語）之差對系統(tǒng)標(biāo)稱電壓的百分?jǐn)?shù)稱為該節(jié)點(diǎn)的電壓偏差。其定義式為：（2-1）電壓偏差一般是由線路的電壓損耗造成。電壓偏差超標(biāo)對用電設(shè)備和電網(wǎng)穩(wěn)定以及經(jīng)濟(jì)運(yùn)行都有十分嚴(yán)重的影響。由于電網(wǎng)中各點(diǎn)的電壓值不同，故整個(gè)電力系統(tǒng)必須設(shè)置足夠數(shù)量并具有代表性的發(fā)電廠、變電所、配電網(wǎng)以及各電壓等級用戶的電壓監(jiān)測點(diǎn)。國家標(biāo)準(zhǔn)GB-12325-1990《電能質(zhì)量供電電壓允許偏差》中規(guī)定電壓偏差的允許限值為：（1）35kV及以上供電電壓正、負(fù)偏差的絕對值之和不超過額定電壓的10％。（2）10kV及以下三相供電電壓允許偏差為額定電壓的±7％。（3）220V單相供電電壓允許偏差為額定電壓的+7％、-10％。電壓偏差過大對電力系統(tǒng)的影響如下：（1）對用電設(shè)備的危害用電設(shè)備設(shè)計(jì)在額定電壓時(shí)性能最好、效率最高，電壓偏離額定值時(shí)，其性能和效率都會降低，有的還會減少使用壽命，電壓偏差超過一定值時(shí)，會引起設(shè)備的損壞。（2）對電網(wǎng)穩(wěn)定運(yùn)行的危害交流輸電有個(gè)同步運(yùn)行穩(wěn)定問題，輸電線的輸送功率受穩(wěn)定極限的限制，特別是小擾動下的靜態(tài)穩(wěn)定功率極限與電網(wǎng)運(yùn)行電壓有很大的關(guān)系，電壓越低，功率極限越低，越容易發(fā)生不穩(wěn)定現(xiàn)象。（3）對電網(wǎng)經(jīng)濟(jì)運(yùn)行的影響輸電線路和變壓器在輸送相同功率的條件下，其電流的大小與運(yùn)行的電壓成反比。電網(wǎng)在低電壓狀況下運(yùn)行，會使線路和變壓器的電流增大，線路和變壓器繞組的有功功率與電流平方成正比。低電壓運(yùn)行會使電網(wǎng)有功功率損耗和無功功率損耗大大增加，增大了供電成本。2.3電力系統(tǒng)頻率允許偏差頻率是電能質(zhì)量最重要的指標(biāo)之一。根據(jù)電工學(xué)理論，正弦量在單位時(shí)間內(nèi)交變的次數(shù)稱為頻率用f表示，單位為Hz。交流電力系統(tǒng)是以單一恒定的標(biāo)稱頻率、規(guī)定的幾種電壓等級和以正弦函數(shù)波形變化的交流電向用戶供電。我國采用50Hz的標(biāo)稱頻率。電力系統(tǒng)正常工況是在標(biāo)稱頻率下運(yùn)行，系統(tǒng)中的用電設(shè)備在設(shè)計(jì)時(shí)都是優(yōu)先按照標(biāo)稱頻率設(shè)計(jì)。但是，由于電力系統(tǒng)負(fù)荷不斷變動，電源出力及其調(diào)節(jié)系統(tǒng)追隨負(fù)荷變化又有一定的慣性，致使系統(tǒng)頻率總是一直處于變動的動態(tài)之中，不可避免地偏離標(biāo)稱值，即產(chǎn)生頻率偏差。因此，必須劃出頻率允許的偏差范圍確保系統(tǒng)運(yùn)行的可靠性和經(jīng)濟(jì)性。電力系統(tǒng)頻率是指單位時(shí)間內(nèi)電信號周期性運(yùn)動的次數(shù)。電力系統(tǒng)在正常情況下，系統(tǒng)頻率的實(shí)際值與標(biāo)稱值之差稱為系統(tǒng)的頻率偏差，用公式表示為：（2-2）式中—實(shí)際供電頻率，Hz；—供電網(wǎng)額定頻率，Hz。國家標(biāo)準(zhǔn)GB/T15945—1995《電能質(zhì)量電力系統(tǒng)頻率允許偏差》規(guī)定：（l）電力系統(tǒng)正常頻率偏差允許值為，當(dāng)系統(tǒng)容量較小（界限為3000MW）時(shí)，偏差值可以放寬到；（2）用戶沖擊負(fù)荷引起的系統(tǒng)頻率變動一般不得超過。運(yùn)行頻率偏差對電力系統(tǒng)及其設(shè)備的危害程度取決于偏差的大小和持續(xù)時(shí)間。概括地說士0.2Hz之內(nèi)主要是經(jīng)濟(jì)問題，即造成設(shè)備的效率降低(損耗增加)；偏差超出士0.2Hz，不僅僅使設(shè)備效率降低，而更主要的是危及設(shè)備的安全，輕則引起不可逆轉(zhuǎn)的累積性損傷，重則立即損壞設(shè)備，導(dǎo)致系統(tǒng)瓦解甚至崩潰。測量系統(tǒng)頻率最一般的方法是測量正弦穩(wěn)態(tài)交流的單相電壓信號在預(yù)定的時(shí)間間隔(通常為15)內(nèi)的周期數(shù)，也可用高速秒表或記數(shù)器實(shí)現(xiàn)。這兩種方法的精確程度受被監(jiān)測電壓過零時(shí)引起的誤差和參考時(shí)鐘的速率及精度影響。由于系統(tǒng)電壓波形中可能含有諧波、噪聲以及系統(tǒng)大擾動時(shí)所含暫態(tài)高頻噪聲污染，所以電力系統(tǒng)頻率的測量必須排除諧波和噪聲污染以及暫態(tài)高頻噪聲污染，這也是頻率測量的難點(diǎn)。2.4電力系統(tǒng)諧波2.4.1諧波的概念近年來，由于電氣化鐵道的發(fā)展，以及化工、冶金、鋼鐵、有色金屬、煤炭和交通等工業(yè)部門大量使用電力電子設(shè)備，應(yīng)用電力整流、換流技術(shù)，產(chǎn)生了大量諧波注入電網(wǎng)。諧波問題已經(jīng)對有些電力系統(tǒng)和用電設(shè)備產(chǎn)生了嚴(yán)重危害和影響，必須認(rèn)真研究并采取相應(yīng)的限制及管理措施。國際上公認(rèn)的諧波定義為：諧波是一個(gè)周期電氣量的正弦波分量，其頻率為基波頻率的整倍數(shù)。由于諧波的頻率是基波頻率的整數(shù)倍，我們也常稱它為高次諧波。國際電工標(biāo)準(zhǔn)中（IEC555-2，1982）、國際大電網(wǎng)會議（CIGRE）的文獻(xiàn)中對諧波也有明確的定義：諧波分量為周期量的傅里葉級數(shù)中大于1的n次分量；IEEE標(biāo)準(zhǔn)中的定義為：諧波為一周期波形的正弦波分量，其頻率為基波頻率的整數(shù)倍。電力系統(tǒng)中的諧波源按其非線性特性主要可分為三大類：①鐵磁飽和型，包括各種鐵芯設(shè)備，如變壓器、電抗器等；②電子開關(guān)型，主要為各種交直流換流裝置及電力電子開關(guān)設(shè)備等；③電弧型，包括各種煉鋼電弧爐和交流電弧焊機(jī)。另外，特別提出的是，電氣鐵道除了產(chǎn)生大量的諧波電流外，還對三相交流供電系統(tǒng)產(chǎn)生三相不平衡，是當(dāng)前中壓供電系統(tǒng)中典型的三相不平衡諧波源。2.4.2諧波的危害諧波的污染與危害主要表現(xiàn)在對電力與信號的干擾影響方面，可大致概括為：在電力危害方面：（1）旋轉(zhuǎn)電機(jī)等的（換流變壓器過載）附加諧波損耗與發(fā)熱，縮短使用壽命；（2）諧波諧振過電壓，造成電氣元件及設(shè)備的故障與損壞；（3）電能計(jì)量錯(cuò)誤。在信號干擾方面：（1）對通信系統(tǒng)產(chǎn)生電磁干擾，使電信質(zhì)量下降；（2）重要的和敏感的自動控制、保護(hù)裝置不正確動作；（3）危害到功率處理器自身的正常運(yùn)行。2.4.3諧波分析的指標(biāo)對電力系統(tǒng)諧波分析的主要目的是測量電力系統(tǒng)中高次諧波的含量：包括各次的諧波頻率、幅值和相位，諧波相對基波的幅值比例（常稱為總諧波畸變率THD），基波信號相對噪聲（或諧波信號）的均方值比例（即SINAD）。我們一般用諧波含有率、總諧波畸變率這兩個(gè)術(shù)語來表示諧波的嚴(yán)重程度。其數(shù)學(xué)表達(dá)式如下：第n次諧波電壓含有率為第n次諧波電壓有效值與基波電壓有效值的百分比：（2-3）第n次諧波電流含有率為第n次諧波電流有效值與基波電流有效值的百分比：（2-4）電壓波形總諧波畸變率：（2-5）電流波形諧波總畸變率：（2-6）國家標(biāo)準(zhǔn)GB/T14549—1993《電能質(zhì)量公用電網(wǎng)諧波》，對公用電網(wǎng)諧波電壓的限值規(guī)定如表2-1所示。表2-1各級電網(wǎng)諧波電壓限值電網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)電壓（kV）電壓總諧波畸變率（%）各次諧波電壓含有率（%）奇次偶次0.385.04.02.0104.03.21.6353.02.41.21102.01.60.82.4.4諧波的測量方法由于電力系統(tǒng)諧波具有很強(qiáng)的隨機(jī)性，工程上大多是以實(shí)際測量結(jié)果作為處理問題的依據(jù)。目前，諧波測量按實(shí)現(xiàn)方法區(qū)分為頻域測量法和時(shí)域測量法兩大類。（1）頻域測量法此方法的基本原理是使用模擬濾波器將輸入信號的各次諧波分量分離出來，濾波器的輸出實(shí)際上是輸入信號和濾波器脈沖響應(yīng)的卷積，在頻域中它相當(dāng)于兩個(gè)頻率響應(yīng)的乘積，因此從濾波器得到的信號為頻譜。（2）時(shí)域測量法此方法基本原理是對信號進(jìn)行離散化處理后變成數(shù)量序列，由離散傅立葉變換（DFT）或快速傅立葉（FFT）計(jì)算各次諧波的幅值及相位等參數(shù)。按照信號分析原理劃分，諧波測量又可分為FFT、KalMan濾波以及近些年興起的小波分析法。其中FFT傅立葉變換方法作為經(jīng)典的信號分析方法，已十分成熟，F(xiàn)FT是離散傅立葉變換（DFT）的一種快速算法，在信號處理領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用。近年來國內(nèi)外生產(chǎn)的各種諧波分析裝置大都采用FFT方法進(jìn)行。運(yùn)用FFT方法必須滿足兩個(gè)條件：（1）滿足采樣定理，即采樣頻率必須大于信號最高頻率的兩倍。（2）被分析的波形必須是穩(wěn)態(tài)的、隨時(shí)間周期性變化。小波變換在時(shí)域和頻域同時(shí)具有良好的局部性，特別適合于突變信號和不平穩(wěn)信號的分析。由于電力系統(tǒng)中的負(fù)載大多是動態(tài)的，特別是大型的工業(yè)負(fù)載如軋鋼機(jī)、電弧爐的啟停使得電網(wǎng)電壓和電流的波形是時(shí)變的。前人常用Kalman濾波的方法檢測時(shí)變的諧波，但該方法一般適用于跟蹤變化緩慢的信號。而小波變換諧波檢測方法的突出優(yōu)點(diǎn)是可以實(shí)時(shí)的跟蹤諧波的變化，具有實(shí)時(shí)性。小波變換本身對信號的奇異點(diǎn)非常敏感，這個(gè)特點(diǎn)可以跟蹤那些突變的信號。但小波變換方法在電能質(zhì)量研究領(lǐng)域的應(yīng)用還處于起步階段，現(xiàn)有的小波變換均無法實(shí)現(xiàn)諧波的精確測量，必須構(gòu)造分頻嚴(yán)格、能量集中的小波函數(shù)來改善檢測的精度。2.5電力系統(tǒng)三相不平衡2.5.1電力系統(tǒng)三相不平衡度的概念及計(jì)算方法理想的三相交流電力系統(tǒng)中，三相電壓應(yīng)有同樣的幅值，且相位角互差2π/3。這樣的系統(tǒng)也叫做三相平衡（或?qū)ΨQ）系統(tǒng)。但是在實(shí)際中，由于種種因素，電力系統(tǒng)并不是完全平衡的。引起不平衡的因素主要有事故性的和正常性兩大類。事故性不平衡時(shí)由于三相系統(tǒng)中某一相（或兩相）出現(xiàn)故障所致，例如一相或兩相斷線、單相接地故障等。這種不平衡工況是系統(tǒng)運(yùn)行不允許的，一定要在短期內(nèi)切除故障使系統(tǒng)恢復(fù)正常。正常性的不平衡則是由于系統(tǒng)三相元件或負(fù)荷不對稱所致。作為電能質(zhì)量指標(biāo)之一的“三相電壓允許不平衡度”是針對正常不平衡運(yùn)行工況而定的。設(shè)三相系統(tǒng)的電流和電壓為別為：式子中，、、和、、分別為A、B、C三相的瞬時(shí)電流和電壓；、、和、、分別為三相電流均方根和電壓均方根，也即各相電流電壓有效值；、、和、、分別為三相電流電壓的初相位；為系統(tǒng)角頻率。三相系統(tǒng)可分為對稱三相系統(tǒng)和不對稱三相系統(tǒng)。對稱三相系統(tǒng)是指三相電量（電動勢、電壓和電流）數(shù)值相等、頻率相同、相位互差120°的系統(tǒng)。不同時(shí)滿足這三個(gè)條件的三相系統(tǒng)稱為不對稱三相系統(tǒng)。即三相對稱系統(tǒng)又可以表示如下：且滿足：或者三相系統(tǒng)又可以分為平衡三相系統(tǒng)和不平衡三相系統(tǒng)。在任意時(shí)刻，三相瞬時(shí)總功率與時(shí)間無關(guān)，這樣的系統(tǒng)稱為平衡三相系統(tǒng)；在任意時(shí)刻，三相瞬時(shí)總功率是時(shí)間的函數(shù)，這樣的系統(tǒng)稱為不平衡三相系統(tǒng)。根據(jù)對稱分量法，三相系統(tǒng)中的電量可分解為正序分量、負(fù)序分量和零序分量三個(gè)對稱分量。電力系統(tǒng)在正常運(yùn)行方式下，電量的負(fù)序分量均方根值與正序分量均方根值之比定義為電量的三相不平衡度，用符號表示，即：式中、—三相電壓、電流不平衡度；、—電壓正序、負(fù)序分量的有效值，kV；、—電流正序、負(fù)序分量有效值，kA。由此可知，要計(jì)算三相系統(tǒng)的不平衡度，必須首先計(jì)算三相系統(tǒng)的正序和負(fù)序分量。只有測出各相電量的大小及相位，按照對稱分量法即可算出三個(gè)序分量，這樣的運(yùn)算比較繁瑣。在實(shí)際工作中，往往只知道三相電量的數(shù)值。在不含零序分量的三相系統(tǒng)中，只要知道三相電量a、b、c，即可由下式求出三相不平衡度：（2-14）式中。工程為了估算某個(gè)不對稱負(fù)荷在公共連接點(diǎn)上造成的三相電壓不平衡度，可用以下公式進(jìn)行近似計(jì)算，即：（2-15）式中—負(fù)荷電流的負(fù)序分量，A；—公共連接點(diǎn)的線電壓均方根，kV；—公共連接點(diǎn)的三相短路容量，MV·A。上式只能用于距離發(fā)電廠以及大型電機(jī)電氣距離較遠(yuǎn)的公共連接點(diǎn)處三相電壓不平衡度的近似計(jì)算，因?yàn)樗腔诠策B接點(diǎn)與電源間正序阻抗與負(fù)序阻抗相等的假設(shè)推導(dǎo)出來的。在三相對稱系統(tǒng)中，由于在某一相上增設(shè)了單相負(fù)荷而引起的三相電壓不平衡度也可按照下式估算：（2-16）式中—單相負(fù)荷容量，MV·A；—計(jì)算點(diǎn)的三相短路容量，MV·A。2.5.2三相電壓不平衡度的國家標(biāo)準(zhǔn)國家標(biāo)準(zhǔn)GB/T15543-1995《電能質(zhì)量三相電壓不平衡度》規(guī)定：電力系統(tǒng)公共連接點(diǎn)正常電壓不平衡度允許值為2%，短時(shí)不得超過4%；接于公共連接點(diǎn)的每個(gè)用戶，引起該點(diǎn)正常電壓不平衡度允許值一般為1.3%。2.5.3三相不平衡的危害及改進(jìn)措施三相電壓或電流不平衡會對電力系統(tǒng)及用戶造成一系列的危害，主要有以下幾個(gè)方面：（1）引起旋轉(zhuǎn)電機(jī)的附加發(fā)熱和振動，危及其安全運(yùn)行和正常出力。（2）引起以負(fù)序分量為起動元件的多種保護(hù)誤動作（特別是電網(wǎng)中存在諧波時(shí)），會嚴(yán)重威脅著電網(wǎng)安全運(yùn)行。（3）電壓不平衡使發(fā)電機(jī)容量利用率下降。由于不平衡時(shí)最大相電流不能超過額定值，在極端情況下，如設(shè)備只帶單相負(fù)荷時(shí)利用率不能超過額定值。（4）變壓器的三相負(fù)荷不平衡，不僅使負(fù)荷較大的一相繞組過熱導(dǎo)致其壽命縮短，而且還會由于磁路不平衡造成附加損耗。（5）對于通信系統(tǒng)，電力三相不平衡會增大對其干擾，影響正常通信質(zhì)量。改善三相不平衡的措施主要有：（1）將不對稱負(fù)荷合理分布于三相中，使各相負(fù)荷盡可能平衡；（2）將不對稱負(fù)荷分散接于不同的供電點(diǎn)，減少集中連接造成的不平衡度過大；（3）將不對稱負(fù)荷接入高一級電壓供電。電壓等級越高系統(tǒng)短路容量越大，不對性負(fù)荷在系統(tǒng)總負(fù)荷中所占的比例就越小，電壓三相不平衡度也隨之減??；（4）將不對稱負(fù)荷采用單獨(dú)的變壓器供電；（5）采用特殊接線的平衡變壓器供電。平衡變壓器是一種用于三相-兩相并兼有降壓及換相兩種功能的特殊變壓器。使用它供電可以提高電能質(zhì)量，減少電能損耗，當(dāng)前多用于對電氣化鐵路和大型感應(yīng)加熱爐的供電；（6）加裝三相平衡裝置。2.6電壓波動和閃變2.6.1電壓波動和閃變的基本概念電壓波動（voltagefluctuation）一般是由具有沖擊性功率的負(fù)荷（如電弧爐、軋鋼機(jī)、電焊機(jī)等）引起的。電壓波動即為一系列電壓變動或連續(xù)的電壓偏差。電壓波動值為電壓均方根值的兩個(gè)極值與的差值，通常用額定電壓的百分?jǐn)?shù)表示其相對百分值，即：（2-17）若電壓波動變化率低于每秒0.2％時(shí)，應(yīng)視為電壓偏差。電壓波動通常會引起許多電工設(shè)備不能正常工作，通常，白熾燈對電壓波動的敏感程度要遠(yuǎn)大于日光燈、電視機(jī)等電氣設(shè)備，并且所有建筑物的照明都大量使用白熾燈，因此，通常選用白熾燈的工況來判斷電壓波動值是否能夠被接受。閃變一詞是閃爍的廣義描述，可理解為人對白熾燈明暗變化的感覺，包括電壓波動對電工設(shè)備的影響危害。但不能以電壓波動來代替閃變，因?yàn)殚W變是人隊(duì)照度波動的主觀視感。電光源的電壓波動造成燈光照度不穩(wěn)定的人眼視感反應(yīng)稱為閃變。電壓閃變可分為周期性和非周期性兩種，前者主要是由于周期性的電壓波動引起的，如往復(fù)式壓縮機(jī)、電弧爐等；后者往往與隨機(jī)性電壓波動有關(guān)，如電焊機(jī)等。閃變的主要決定因素有：供電電壓波動的幅值、頻度和波形；照明裝置，以對白熾燈的照度波動影響最大，而且與白熾燈的瓦數(shù)和額定電壓等有關(guān)；人對閃變的主觀視感等。下面簡單介紹與閃變有關(guān)的幾個(gè)術(shù)語：（1）閃變覺察率F。為了解閃變對人的視覺反映程度，IEC推薦采用不同波形、頻度、幅值的調(diào)幅波以工頻電壓作為載波向工頻230V，60W白熾燈供電照明，對觀察者采樣（＞500人）的觀察結(jié)果進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，得閃變覺察率F(%)的統(tǒng)計(jì)公式為：（2-18）式中A為沒有覺察的人數(shù)；B為略有覺察的人數(shù)；C為有明顯覺察的人數(shù)；D為不能忍受的人數(shù)。（2）瞬時(shí)閃變視感度S(t)。人對電壓波動引起照度波動的主觀視覺反應(yīng)稱為瞬時(shí)閃變視感度S(t)(instantaneousflickersensationlevel)。通常以閃變覺察率為50%作為瞬時(shí)閃變視感度的衡量單位，即定義為S=1覺察單位(unitofperceptibility)。（3）視感度系數(shù)K(f)。人腦神經(jīng)對于照度的變化需要有最低的記憶時(shí)間，人類覺察不到高于某一頻率的照度波動。閃變是經(jīng)過燈—眼—腦環(huán)節(jié)反映人隊(duì)照度波動的主觀視感。這里引入視感度系數(shù)K(f)，可以更為本質(zhì)地描述燈—眼—腦環(huán)節(jié)的頻率特性。IEC推薦的視感度系數(shù)表達(dá)式為：（2-19）（4）短時(shí)間閃變值。短時(shí)間閃變值是反映規(guī)定時(shí)間段（10min內(nèi)）閃變強(qiáng)度的一個(gè)綜合統(tǒng)計(jì)量。UIE專家組擬定其計(jì)算式形式為：（2-20）式中，5個(gè)規(guī)定值、、、、分別為10min內(nèi)，瞬時(shí)閃變視感度S(t)超過0.1％、1％、3％、10％、50％時(shí)間的覺察單位值。對于采用230V、60W的白熾燈照明，當(dāng)Pst<0.7時(shí)，一般覺察不出閃變;當(dāng)Pst>1.3時(shí)，閃變使人感到不舒服。所以EIC推薦Pst=1作為低壓供電的閃變限值，稱為單位閃變。（5）長時(shí)間閃變值。長時(shí)間閃變值是由測量時(shí)間段（規(guī)定為2h）內(nèi)短時(shí)間閃變值推算出的，表達(dá)式為：（2-21）式中，n為Plt測量時(shí)間段內(nèi)所包含的Pst個(gè)數(shù)（n=12）。Pst和Plt一般均可由閃變儀直接測量輸出。2.6.2電壓波動和閃變的國家標(biāo)準(zhǔn)國家標(biāo)準(zhǔn)GB12326—2000《電能質(zhì)量電壓波動和閃變》規(guī)定了電壓波動和閃變的限值。電壓變動的限值和變動頻率有關(guān)：當(dāng)時(shí)，對于低壓（LV）和中壓（MV），；對于高壓（HV），；當(dāng)隨機(jī)不規(guī)則的變動時(shí)，對于LV和MV，；對于HV，。閃變限值如表2-2所示。表2-2電壓閃變限值系統(tǒng)電壓等級LVMVHVPst1.00.9（1.0）0.8Plt0.80.7（0.8）0.6注：括號中的值僅適用于所有用戶為同等電壓等級場合。2.6.3電壓波動和閃變的測量常見的幾種閃變儀電壓波動檢測方法有整流檢測法、有效值檢測法和同步檢測法。IEC推薦的閃變測量方法是同步檢測法，即平方解調(diào)檢波法。根據(jù)正IEC—61000—4—15制造的EIC閃變儀是目前世界上通用的測量閃變的儀器，有模擬式的也有部分或全部是數(shù)字式兩種結(jié)構(gòu)，其簡化的原理框圖如圖2-1所示。圖2-1IEC推薦的閃變儀原理框圖圖2-1中框1將輸入的被測電壓適配成適合儀器的電壓數(shù)值，并能發(fā)生自檢用的標(biāo)準(zhǔn)調(diào)制波?？?~框4為對燈—眼—腦環(huán)節(jié)的模擬?？?為對閃變的統(tǒng)計(jì)分析。為檢測出電壓波動分量，通常將電壓波動看成是以工頻電壓為載波，其電壓的均方根值或峰值受到以電壓波動分量作為調(diào)幅波的調(diào)制。對任何波形的調(diào)幅波均可看作是有各種頻率分量的合成。為使分析簡化又不失一般性，可只分析單一頻率的調(diào)幅波對工頻載波的調(diào)制，將電壓的瞬時(shí)值解析式寫為：（2-22）式中：—工頻載波電壓的幅值；—調(diào)幅波電壓的幅值；—工頻載波電壓的角頻率；—調(diào)幅波電壓的角頻率。按照同步檢測方法，可將調(diào)制波電壓自乘求平方，得到：（2-23）經(jīng)過0.05Hz～35Hz的帶通濾波器濾去直流分量和工頻及以上的頻率分量，便可檢測出反應(yīng)電壓波動分量的調(diào)幅波，輸出為：，由此可獲得電壓波動的分量。這種方法適合用數(shù)字信號處理的方法來實(shí)現(xiàn)。2.7電能質(zhì)量問題新的提法近年來，由于變頻調(diào)速設(shè)備、可編程邏輯控制器、各種自動化生產(chǎn)線以及計(jì)算機(jī)系統(tǒng)等敏感性用電設(shè)備的大量使用，電壓暫降（凹陷）與短時(shí)斷電（間斷）問題引起了有關(guān)部門和研究人員的重視，國內(nèi)外不少專家學(xué)者認(rèn)為這一問題已上升為當(dāng)前最重要的電能質(zhì)量問題之一，許多國家（如加拿大）已開展了電壓暫降的長期監(jiān)測工作。目前，國內(nèi)外還未對這一問題制定相應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)，但許多研究機(jī)構(gòu)已經(jīng)對這一問題進(jìn)行了深入系統(tǒng)的研究，已有不少理論成果。電壓暫降是指供電電壓有效值在短時(shí)間突然下降，其典型持續(xù)時(shí)間為0.5～30周波，它不同于電壓偏差，而是指電壓有效值的大幅度快速下降，IEC定義為下降到額定值的90%至1%，IEEE定義為下降到額定值的90%至10%。當(dāng)電壓有效值降低到接近于0時(shí)，則稱為間斷。電壓暫降與間斷主要是由于系統(tǒng)短路故障以及配電網(wǎng)感應(yīng)電機(jī)啟動造成。電壓暫降和間斷的危害主要是引起工業(yè)生產(chǎn)設(shè)備非正常工作，從而造成經(jīng)濟(jì)損失。

第3章電能質(zhì)量監(jiān)測系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)3.1硬件的總體結(jié)構(gòu)電能質(zhì)量監(jiān)測所需的原始信號是供電系統(tǒng)二次側(cè)電壓和電流，其中額定電壓輸出一般為100V，電流為5A，這樣的信號并不能直接進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換，而是需要一個(gè)信號調(diào)理電路將其轉(zhuǎn)換到數(shù)據(jù)采集卡合適的范圍之內(nèi)，然后才能送入計(jì)算機(jī)進(jìn)行下一步的分析處理。因此，基于虛擬儀器的電能質(zhì)量監(jiān)測系統(tǒng)硬件部分主要有傳感器、信號調(diào)理電路、數(shù)據(jù)采集卡和計(jì)算機(jī)（PC）系統(tǒng)組成，其硬件結(jié)構(gòu)框圖如圖3-1所示。系統(tǒng)電壓電流系統(tǒng)電壓電流電壓電流傳感器信號調(diào)理電路數(shù)據(jù)采集卡PC系統(tǒng)（LabVIEW）圖3-1電能質(zhì)量監(jiān)測系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)框圖監(jiān)控系統(tǒng)的工作原理為：測試時(shí)，從電壓互感器和電流互感器的次級引入輸入信號。形成適宜于模數(shù)轉(zhuǎn)換處理的電壓信號，經(jīng)過信號調(diào)理電路的抗混疊低通濾波器，濾去高頻的干擾噪聲，再經(jīng)過采樣/保持，A/D轉(zhuǎn)換，將采集數(shù)據(jù)送PC處理，最終由PC的LabVIEW軟件系統(tǒng)完成計(jì)算分析、顯示、存儲及打印等功能。數(shù)據(jù)采集卡一般有ISA總線和PCI總線之分，現(xiàn)在由于PCI總線傳輸速度較快，多采用PCI總線結(jié)構(gòu)。PC系統(tǒng)一般由便攜計(jì)算機(jī)或個(gè)人PC機(jī)組成。如果要在工況惡劣的環(huán)境中使用，最好使用工控機(jī)，其抗干擾能力較強(qiáng)。由于實(shí)驗(yàn)條件有限，我們只采用了NI公司的ELVIS_Ⅱ平臺采集三相電壓數(shù)據(jù)進(jìn)行測量，所以對于傳感器和信號調(diào)理電路，我們只對常用的元件和電路做簡要介紹。3.2傳感器模擬信號在進(jìn)入數(shù)據(jù)采集卡之前應(yīng)先通過傳感器變換成符合采集卡量程要求的電壓、電流信號。這里就要把被測的強(qiáng)電信號轉(zhuǎn)換成弱電信號，出于對系統(tǒng)的可靠性及安全性方面的考慮，儀器與各種強(qiáng)電信號在電氣上必須是隔離的，不能把電壓和電流信號直接送到數(shù)據(jù)采集卡，因此使用了電壓互感器(PT)和電流互感器(CT)。在這一環(huán)節(jié)中，傳感器的選擇是至關(guān)重要的，如果選取的傳感器精度不夠，線性度不好，無論是信號轉(zhuǎn)換或信息處理，或者最佳數(shù)據(jù)的顯示和控制都無法實(shí)現(xiàn)，相應(yīng)的后續(xù)分析工作也就變得毫無意義。因此我們選用了精度較高的霍爾傳感器來進(jìn)行說明?；魻杺鞲衅髦饕遣捎没魻栐淼拈]環(huán)補(bǔ)償電壓互感器(PT)和電流互感器(CT)，霍爾互感器是目前最理想的互感器，它可以傳送數(shù)百兆赫茲頻率的各種形狀的電流信號，并且精度高、線性度好、響應(yīng)快、頻帶寬及過載能力強(qiáng)，這是一般互感器無法達(dá)到的?；魻栐且环N由半導(dǎo)體材料制成的磁電轉(zhuǎn)換器件，它能把磁場信號轉(zhuǎn)換為電信號。當(dāng)薄片狀霍爾器件H處于磁感應(yīng)強(qiáng)度為B的磁場中時(shí)，在H的縱向通過控制電流k時(shí)，將引起H兩邊載流子數(shù)量的變化，從而產(chǎn)生電勢差，即霍爾電壓：（4-1）式中，k為所用半導(dǎo)體材料的霍爾常數(shù)；d為H薄片的厚度；為控制電流，B為磁感應(yīng)強(qiáng)度。霍爾互感器實(shí)際為一個(gè)有很高線形度的精密變電流裝置，它把原邊的電流成比例的變換為付邊電流，用戶通過電阻Rm即可取得電壓值。就實(shí)現(xiàn)了電壓電流的信號的轉(zhuǎn)換。3.3信號調(diào)理電路根據(jù)應(yīng)用需要的不同，信號調(diào)理電路在數(shù)據(jù)采集分析系統(tǒng)中一般起到隔離、放大、濾波、降噪等作用。隔離功能是為了安全的目的把傳感器的信號和計(jì)算機(jī)相隔離。被監(jiān)測的系統(tǒng)可能產(chǎn)生瞬態(tài)的高壓，如果不使用隔離，這種高壓會對計(jì)算機(jī)造成損害。另外使用隔離可以確保插入式數(shù)據(jù)采集設(shè)備的讀數(shù)不會受到接地電勢差或共模電壓的影響。當(dāng)選用霍爾傳感器時(shí)，原邊和副邊是絕緣的且其絕緣耐壓很高，因此信號調(diào)理電路沒有必要再提供信號隔離功能。放大是最為普遍的信號調(diào)理功能。對信號進(jìn)行放大可以提高分辨率和降低噪聲。為了得到最高的分辨率，要對信號放大以使調(diào)理后信號的最大電壓范圍和模數(shù)轉(zhuǎn)換（A/D）的最大輸入范圍相等。電壓、電流傳感器提供±4V的輸出，根據(jù)數(shù)據(jù)采集卡對輸入信號的不同要求，我們可以選擇對傳感器輸出信號偏置、放大或不改變其大小。對傳感器的輸出信號進(jìn)行濾波常常是為了防止頻譜混疊現(xiàn)象，頻譜混疊使得信號的低頻部分被高頻部分干擾，造成信號的失真，一旦完成信號采樣，有些信號混疊到我們需要用到的頻段，則無法在數(shù)字域中移除這些頻率成分，因此抗混疊濾波必須在模擬域進(jìn)行，以減少由于傳感器內(nèi)阻或傳輸線阻抗等因素帶來的測量誤差，達(dá)到提高測量精度的目的。3.4數(shù)據(jù)采集卡信號采集卡是外部硬件設(shè)備通向PC系統(tǒng)的橋梁。由于條件有限，在實(shí)驗(yàn)時(shí)選用的NI公司的ELVIS_Ⅱ平臺進(jìn)行數(shù)據(jù)采集。ELVIS_Ⅱ平臺是用于測量與儀器、電路、控制、電信以及嵌入式/MCU實(shí)驗(yàn)的實(shí)際與原型開發(fā)平臺。此平臺完全開放，可在LabVIEW中自定義功能，采用的是高速USB即插即用的連接方式。它內(nèi)置了12中用于交互式、低成本、多學(xué)科動手學(xué)習(xí)的集成儀器。我們要用到的是它的模擬輸入模塊，能夠完成信號采集、A/D轉(zhuǎn)換、16通道單端模擬輸入(或8路差分輸入)。測量時(shí)按照差分輸入的方式連接，用三路通道采集三相電壓信號。它最大輸入范圍-10～+10V，最大采樣速率為單通道1.25MS/s，多通道1.00MS/s，ADC分辨率為16位。通過USB接口連接到計(jì)算機(jī)上，完成數(shù)據(jù)得采集、傳輸。具有兩個(gè)輸出通道，輸出范圍-10～+10V，分辨率12bits,單通道最高采樣頻率為200千次/秒，12位精度，三種信號輸入方式，通過卡內(nèi)置的12位精度的逐次逼近型AD轉(zhuǎn)換器，將轉(zhuǎn)換的結(jié)果送往卡上的FIFO存儲器，它可以保存2048次A/D轉(zhuǎn)換的結(jié)果。這種結(jié)構(gòu)可以大大降低計(jì)算機(jī)對硬件的訪問次數(shù)，可以在多次采樣結(jié)束后再將所有轉(zhuǎn)換后的數(shù)據(jù)一次性讀走，提高軟件執(zhí)行的速度，也極大地方便了程序的編寫。3.5計(jì)算機(jī)系統(tǒng)本論文是基于個(gè)人PC機(jī)的基礎(chǔ)上完成的。其配置為：處理器：PentiumT3200-2.0GHz內(nèi)存：DDR22G硬盤：日立160G5400轉(zhuǎn)/分操作系統(tǒng)：windows7開發(fā)環(huán)境：NI公司的LabVIEW2009（9.0）

第4章電能質(zhì)量監(jiān)測系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)4.1LabVIEW軟件開發(fā)平臺簡介“軟件即是儀器”是虛擬儀器的口號，選擇什么樣的軟件開發(fā)平臺對虛擬儀器的開發(fā)是十分重要的，選擇好的軟件平臺可以大大減少開發(fā)的難度，節(jié)約開發(fā)時(shí)間，方便儀器功能的擴(kuò)展與升級等。目前，開發(fā)虛擬儀器軟件一般有兩種方法：一是用通用高級編程語言編寫，主要有Microsoft公司的VisualBasic、VisualC++，Borland公司的Delphi，NI公司的LabWindows／CVI等；二是用專業(yè)圖形化編程平臺開發(fā)。如HP公司的HPVEE、NI公司的LabVIEW等。其中美國NI公司的圖形化編程平臺LabVIEW最為科研學(xué)者和工程師們推崇，其強(qiáng)大的功能使儀器的開發(fā)快捷高效，本電能質(zhì)量在線監(jiān)測系統(tǒng)就是用LabVIEW9.0開發(fā)的。4.1.1LabVIEW簡介LabVIEW（LaboratoryVirtualInstrumentEngineeringWorkbench）是一種圖形化的編程語言，它是世界上第一個(gè)采用圖形化編程技術(shù)的面向儀器的32位編譯型程序開發(fā)系統(tǒng)，由NI公司于20世紀(jì)九十年代推出并不斷更新。LabVIEW是基于圖形化編程語言(G語言)的開發(fā)環(huán)境，它將直觀的前面板與流程圖式的編程方法結(jié)合起來，是開發(fā)虛擬儀器的強(qiáng)大和理想的工具。LabVIEW集成了與滿足GPBI、VXI、RS一232和RS一485協(xié)議的硬件及數(shù)據(jù)采集卡通訊的全部功能。它還內(nèi)置了便于應(yīng)用TCP/lP、ActiveX等軟件標(biāo)準(zhǔn)的庫函數(shù)。這是一個(gè)功能強(qiáng)大且靈活的軟件。利用它可以方便地建立自己的虛擬儀器，其圖形化的界面使得編程及使用過程都生動有趣。圖形化的程序語言，又稱為“G”語言。使用這種語言編程時(shí)，基本上不寫程序代碼，取而代之的是流程圖。在LabVIEW中，一個(gè)虛擬儀器(VI)程序由兩部分組成:前面板(FrontPanel)和流程圖(BlockDiagram)。前面板對應(yīng)于傳統(tǒng)電子儀器的控制面板，是圖形化的用戶界面，用戶可通過前面板對儀器進(jìn)行設(shè)置。在前面板上，用戶的輸入是通過被稱為Control摸板的輸入控件實(shí)現(xiàn)的，程序運(yùn)行的結(jié)果輸出則由Control模板的Indictor控件來實(shí)現(xiàn)。虛擬儀器輸出結(jié)果非常豐富，既可以輸出數(shù)據(jù)，又可以輸出各種圖形，還可以保存為純文本、二進(jìn)制文件等多種文件格式。4.1.2LabVIEW的特點(diǎn)與其它編程語言相比，LabVEIW具有以下特點(diǎn)：（1）LabVIEW采用了可視化編程技術(shù)，在前面板上提供了工業(yè)領(lǐng)域多種顯示和控制對象，如開關(guān)、旋鈕、LED指示燈、儀表、圖形等。同時(shí)，用戶還可以對這些對象進(jìn)行修改以適合不同需要。LabVIEW平臺內(nèi)部集成了大量功能強(qiáng)大的函數(shù)庫供用戶直接調(diào)用，從底層VXI,GPIB、串口及數(shù)據(jù)采集板的控制子程序到大量的儀器驅(qū)動程序，從基本的功能函數(shù)到高級分析庫、涵蓋了儀器設(shè)計(jì)中所需要的幾乎所有函數(shù)。（2）LabVIEW內(nèi)置的程序編譯器采用編譯方式運(yùn)行32位應(yīng)用程序，解決了其它按解釋方式工作的圖形編程平臺速度慢的問題，其速度大體相當(dāng)于編譯C的速度，因此編制出的虛擬儀器程序執(zhí)行效率高。（3）LabVIEW支持的數(shù)據(jù)類型于其他高級語言(如C語言)相同，包括:數(shù)值型，文本型，布爾型，串和簇(相當(dāng)于C語言中的結(jié)構(gòu))，同時(shí)它和C語言一樣支持順序、循環(huán)、選擇等結(jié)構(gòu)，具有自動報(bào)錯(cuò)和處理功能。（4）在LabVIEW環(huán)境下也可以設(shè)定程序斷點(diǎn)，進(jìn)行帶數(shù)據(jù)探針的單步運(yùn)行，加亮執(zhí)行程序進(jìn)行數(shù)據(jù)流追蹤。這些功能使程序的開發(fā)調(diào)試變得更為容易。（5）LabVIEW是開放式的開發(fā)平臺，可以通過DLL(動態(tài)鏈接庫)接口和CIN(代碼接口節(jié)點(diǎn))，調(diào)用其它編程軟件(如VC++,C)平臺編譯的模塊。（6）LabVIEW提供對TCP/IP,UDP等網(wǎng)絡(luò)協(xié)議的支持，可以實(shí)現(xiàn)儀器測量網(wǎng)絡(luò)化。4.1.3采用LabVIEW編制虛擬儀器程序的步驟1、確定程序設(shè)計(jì)總體方案在編制虛擬儀器程序前，必須首先對程序進(jìn)行總體設(shè)計(jì)分析:一是確定程序要實(shí)現(xiàn)的功能、要顯示的圖形圖像、要輸出的報(bào)表;二是確定程序的層次關(guān)系，如主程序和子程序之間的關(guān)系、虛擬儀器程序與硬件的連接關(guān)系等。2、確定虛擬儀器程序前面板在完成虛擬儀器程序總體設(shè)計(jì)后，就可在前面板上布置實(shí)現(xiàn)所需功能的顯示對象，這些對象包括開關(guān)旋鈕控制、數(shù)據(jù)顯示、表頭、波形顯示、相量圖、頻譜圖顯示等，前面板布置好這些對象后，工程技術(shù)人員通過鼠標(biāo)、鍵盤就可像操作傳統(tǒng)儀器一樣地操作虛擬儀器。3、構(gòu)建圖形化流程圖在LabVIEW開發(fā)環(huán)境中，后臺流程圖與前面板控制顯示對象對應(yīng)，開發(fā)人員的任務(wù)是通過連接不同功能的函數(shù)模塊使數(shù)據(jù)流從輸入對象經(jīng)過處理傳送到輸出對象。與傳統(tǒng)的文本式程序設(shè)計(jì)一樣，LabVIEW也有結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)流編程部分，包括順序（Sequence）、條件（case）、For循環(huán)、While循環(huán)、事件等結(jié)構(gòu)，如圖4-1所示。這些結(jié)構(gòu)被描述成圖形化的邊界結(jié)構(gòu)，開發(fā)人員不必注意傳統(tǒng)程序設(shè)計(jì)所需的語法細(xì)節(jié)，只需直接將它們連接起來就可完成數(shù)據(jù)傳遞。在編制大型復(fù)雜的虛擬儀器應(yīng)用程序時(shí)，由于所用模塊很多，這時(shí)必須考慮程序的層次結(jié)構(gòu)，這可以通過靈活編制子程序、采用更為簡單高效的計(jì)算原理等方式來實(shí)現(xiàn)。圖4-1LabVIEW中的主要結(jié)構(gòu)函數(shù)4、調(diào)試和優(yōu)化程序和傳統(tǒng)程序一樣，在編制虛擬儀器程序時(shí)，需要不斷對程序進(jìn)行調(diào)試分析，LabVIEW程序調(diào)試功能十分強(qiáng)大易用，可以靈活設(shè)定程序斷點(diǎn)，進(jìn)行帶數(shù)據(jù)探針的單步運(yùn)行，加亮執(zhí)行程序進(jìn)行數(shù)據(jù)流追蹤判斷。同時(shí)，LabVIEW是目前唯一帶有編輯器的圖形化編程環(huán)境，它可根據(jù)用戶編制程序自動產(chǎn)生最優(yōu)化代碼，加快程序運(yùn)行速度。另外，用戶還可以利用內(nèi)置的繪圖器對程序代碼部分進(jìn)行分析和優(yōu)化。4.1.4采用LabVIEW實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)分析處理LabVIEW之所以強(qiáng)大易用，很大程度上是因?yàn)長abVIEW內(nèi)置了極其豐富的數(shù)據(jù)分析處理函數(shù)模塊?？梢哉f，正是因?yàn)椴捎昧诉@些由軟件實(shí)現(xiàn)的功能模塊，替代了原來必須用硬件完成的數(shù)字信號處理分析功能，才出現(xiàn)了“軟件就是儀器”的概念，開發(fā)出的儀器才被稱為虛擬儀器。1、與外界信號接口模塊這部分模塊與DAQ硬件系統(tǒng)結(jié)合，可以將已經(jīng)過信號調(diào)理和A/D轉(zhuǎn)換的外界信號與流程圖進(jìn)行接口，實(shí)現(xiàn)原始數(shù)據(jù)的輸入。2、平滑窗口模塊在頻譜分析中使用平滑窗口能夠減少在離散數(shù)據(jù)塊下使用FFT而產(chǎn)生的頻譜泄漏。傅立葉變換方法的基本假設(shè)會在頻域內(nèi)的數(shù)據(jù)產(chǎn)生意外尖峰和頻譜泄漏，而利用合適的平滑窗口能夠消除頻譜泄漏。圖4-2平滑窗模塊3、數(shù)字濾波器模塊數(shù)字濾波器可以消除由電于元件產(chǎn)生的噪聲信號，或者由環(huán)境影響產(chǎn)生的噪聲。LabVIEW軟件有三種類型的濾波器，IIR濾波器、FIR濾波器以及非線性響應(yīng)濾波器。圖4-3數(shù)字濾波模塊4、時(shí)頻域轉(zhuǎn)換模塊計(jì)算機(jī)進(jìn)行數(shù)字信號處理時(shí)，需要對時(shí)域信號進(jìn)行離散采樣，轉(zhuǎn)換到頻域進(jìn)行頻譜分析，它反映的一些信息是時(shí)域分析中得不到的。LabVIEW內(nèi)置了這些變換必須的函數(shù)模塊，典型的如FFT，在虛擬儀器程序中，用戶直接調(diào)用即可，非常方便。圖4-4時(shí)頻域轉(zhuǎn)換模塊4.2軟件系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)本文研究的電能質(zhì)量監(jiān)測系統(tǒng)是將原始電壓電流信號采集并轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號，然后顯示出波形、每相電壓電流有效值、頻率、功率、電壓偏差、電壓電流三相不平衡度、諧波畸變率、每相電壓各次諧波頻率和幅值等信息，存儲并輸出數(shù)據(jù)文件。其功能模塊有：數(shù)據(jù)采集傳輸模塊、數(shù)據(jù)分析處理模塊、圖形顯示模塊、數(shù)據(jù)文件輸出模塊。軟件結(jié)構(gòu)圖如圖4-5所示。電壓電流信號數(shù)據(jù)采集電壓電流信號數(shù)據(jù)采集主菜單數(shù)據(jù)處理數(shù)據(jù)管理結(jié)果輸出基本電量測量 功率測量三相不平衡度測量諧波分析保存采樣數(shù)據(jù)保存結(jié)果數(shù)據(jù)電能質(zhì)量各項(xiàng)指標(biāo)波形顯示，頻譜分析頻譜分析報(bào)表生成圖4-5系統(tǒng)軟件結(jié)構(gòu)圖4.3基本量和功率測量模塊的設(shè)計(jì)4.3.1各參數(shù)得數(shù)字化測量原理電壓和電流的模擬信號經(jīng)過系統(tǒng)的前置采集部分后，模擬的信號就會轉(zhuǎn)換為離散的數(shù)字信號。因此，各電氣量的都是進(jìn)行數(shù)字化測量。電力系統(tǒng)基本電氣量測量主要包括：電壓電流有效值、頻率、電壓偏差、頻率偏差。功率測量主要包括有功功率、無功功率、視在功率及功率因數(shù)。對于理想的交流電力系統(tǒng)，三相電壓是平衡的，電壓和電流的波形是標(biāo)準(zhǔn)的正弦波。對隨時(shí)間變化的電壓信號u(t)、電流信號i(t)，相電壓和相電流的有效值定義為：（4-1）（4-2）有功功率定義為：（4-3）對信號和進(jìn)行離散化采樣，得到離散化序列、。若為相鄰的兩次采樣時(shí)間間隔，為第k個(gè)時(shí)間間隔電壓采樣的瞬時(shí)值，N為一周期內(nèi)的采樣點(diǎn)數(shù)，則離散情況下的電壓的有效值可以表示為:（4-4）若采樣間隔相同，即，則，電壓電路有效值變?yōu)椋海?-5）單相有功功率為：（4-6）三相總有功功率為：（4-7）三相總的視在功率：（4-8）三相總功率因數(shù)：（4-9）4.3.2基本量測量模塊的軟件設(shè)計(jì)在對電壓電流信號進(jìn)行采樣后，利用前面所述公式對電壓電流進(jìn)行有效值、電壓偏差、頻率、功率等參數(shù)得計(jì)算。1、有效值的測量對信號進(jìn)行等間隔采樣，電壓電流信號有效值計(jì)算公式可由式（4-5）得出。以電壓有效值為例進(jìn)行說明。一個(gè)周期采樣128個(gè)點(diǎn)，形成一個(gè)數(shù)組，用一個(gè)For循環(huán)實(shí)現(xiàn)對數(shù)組內(nèi)元素的相加。For循環(huán)內(nèi)用一個(gè)公式節(jié)點(diǎn)實(shí)現(xiàn)電壓的平方（也可以用函數(shù)里面的平方子Vi實(shí)現(xiàn)此功能）。最后把相加得總數(shù)除以采樣個(gè)數(shù)，再開方，得到電壓有效值。如圖4-6所示。電流有效值的測量與此類似。圖4-6電壓有效值的測量2、電壓偏差的測量根據(jù)式（2-1），可得出電壓偏差的測量原理。把測量的電壓有效值減去系統(tǒng)額定電壓，再除以額定電壓，得到電壓偏差。根據(jù)國標(biāo)中的規(guī)定，對偏差大于7％進(jìn)行報(bào)警。用一個(gè)條件結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)正常與報(bào)警燈的顯示。通過設(shè)置聲音文件，可以讓報(bào)警的時(shí)候發(fā)出聲音，提醒工作人員注意。如圖4-7所示。圖4-7電壓偏差的測量其中是一個(gè)判定數(shù)值范圍的一個(gè)Vi，判定數(shù)值是否在設(shè)定的范圍內(nèi)。3、頻率的測量本文采用傅立葉變換的算法來測量頻率。原始信號通過FFT變換，檢測出幅值最大的信號，此信號對應(yīng)的頻率就是基波頻率。該方法計(jì)算量小，速度快，易于實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)處理，且精度較高。此功能可由單頻測量Vi來實(shí)現(xiàn)。單頻測量可測出基波頻率，此頻率即為信號的頻率。測量頻率與系統(tǒng)頻率（50Hz）相減得頻率偏差，當(dāng)頻率偏差大于±0.2Hz時(shí)發(fā)出警告，如圖4-8所示。圖4-8頻率偏差的測量4、功率的測量功率的測量最基本的是有功功率的測量。根據(jù)有功功率的定義式（4-6），首先對一個(gè)周期內(nèi)同一時(shí)間采集的電壓與電流瞬時(shí)值的乘積進(jìn)行求和，然后除以所采集的數(shù)據(jù)點(diǎn)的個(gè)數(shù)，所得到的就是有功功率。程序框圖如圖4-9所示。視在功率的計(jì)算比較簡單，把計(jì)算出的各相對應(yīng)的電壓電流有效值相乘，就得到了視在功率。用有功功率除以視在功率就可得到功率因數(shù)。無功功率可用下式來計(jì)算：（4-10）把三相的有功、無功、視在功率相加，可得到總的有功、無功、視在功率。功率測量模塊的程序框圖如圖4-10所示。圖4-9有功功率的測量圖4-10功率測量模塊（A相）4.4三相不平衡度測量模塊的軟件設(shè)計(jì)以三相電壓不平衡度的測量為例來說明測量方法，三相電流不平衡度的測量與此類似。三相不平衡度的測量要用到巴特沃斯濾波器，其主要的結(jié)構(gòu)及功能如下：圖4-11ButterworthFilter.vi“濾波器類型”端口用于對四種類型濾波器進(jìn)行選擇，有低通、高通、帶通、帶阻四種，這里用到的是低通濾波?！癤”端口用于輸入一組采樣信號。采樣頻率用于輸入信號采樣頻率。端口“高截止頻率”、“低截止頻率”分別對應(yīng)高通截止頻率和低通截止頻率。使用低通濾波器的時(shí)候，只有高截止頻率有效，這里設(shè)置為65，表示高于65Hz的頻率將被濾除掉。端口“階數(shù)”對應(yīng)濾波器的階數(shù)，這里設(shè)置為5。首先將采集到的三相電壓信號用巴特沃斯濾波器濾去信號中的高頻成分，然后利用“提取單頻信息”函數(shù)（ExtractSingleToneInformation.vi），將三相數(shù)字信號中的基波電壓提取出來，求出它們的幅值和相位。在計(jì)算三相電壓不平衡度是，要用到每相電壓的幅值，而此vi檢測出的幅度和相位是以極坐標(biāo)的形式變現(xiàn)的，這就需要用到“極坐標(biāo)至復(fù)數(shù)轉(zhuǎn)換.vi”，先將極坐標(biāo)轉(zhuǎn)換成復(fù)數(shù)形式，并求其絕對值，然后利用公式節(jié)點(diǎn)，根據(jù)式2-14，可計(jì)算出三相電壓不平衡度。其程序框圖如圖4-12所示。圖4-12三相電壓不平衡度測量模塊4.5諧波分析模塊的軟件設(shè)計(jì)4.5.1諧波分析原理目前，對電力系統(tǒng)畸變波形的分析通常采用頻域分析法，即將畸變波形分解成傅立葉級數(shù)，從而在頻域中計(jì)算出包含在畸變波形中的高次諧波分量的幅值和相角。由于快速傅立葉變換（FFT）是離散傅立葉（DFT）的一種快速算法，下面首先介紹DFT，然后研究如何采用FFT實(shí)現(xiàn)諧波分析和計(jì)算。1、離散傅里葉變換（DFT）計(jì)算原理DFT是信號處理中最基本也是最常見的運(yùn)算。對于一個(gè)長度為M的有限長序列，這定義的N點(diǎn)離散傅里葉變換為：（4-11）的離散傅里葉逆變換（IDFT）為：（4-12）式中，，N稱為DFT變換區(qū)間長度，。與時(shí)域中采樣的時(shí)間間隔類似，頻域中相鄰采樣點(diǎn)見也存在頻率間隔：（4-13）其中為采樣頻率。表示頻域顯示的相鄰譜線之間的頻率間隔，也稱為分辨率。根據(jù)香農(nóng)（Shannon）采樣定理，為避免信號在采樣后各次諧波頻譜彼此不重疊，必須使采樣頻率大于等于原模擬信號頻譜中最高頻率的兩倍，也被稱為奈奎斯特頻率。2、快速傅里葉變換（FFT）計(jì)算原理由于直接計(jì)算DFT的計(jì)算量與變換區(qū)間長度N的平方成正比，當(dāng)N較大時(shí)，計(jì)算量較大，需要較長的時(shí)間，所以提出了按時(shí)間抽取的FFT算法，本監(jiān)測系統(tǒng)中也是采用此種算法。FFT算法要求采樣點(diǎn)數(shù)N必須使2的整數(shù)冪，如果不滿足此條件，可認(rèn)為加上若干個(gè)零值點(diǎn)來達(dá)到。這種N為2的整數(shù)冪的FFT也稱為基2FFT。設(shè)序列的長度為N，且滿足，M為自然數(shù)。按n的奇偶性把分解為兩個(gè)N/2點(diǎn)的子序列（4-14）利用W系數(shù)的周期性和對稱性，最終可得到的FFT變換為：（4-15）其中，和分別是和的N/2點(diǎn)DFT。（4-16）由上述分析可見只要求出0到N/2-1區(qū)間內(nèi)各個(gè)整數(shù)k值所對應(yīng)的和值，即可求出0到N-1區(qū)間內(nèi)的全部值，這就是FFT能夠大量節(jié)省計(jì)算的關(guān)鍵所在。經(jīng)驗(yàn)證，F(xiàn)FT算法較直接計(jì)算DFT的計(jì)算量減少一、二個(gè)數(shù)量級，而且隨著N的增大，優(yōu)點(diǎn)更加突出。3、諧波分析原理任何一個(gè)滿足狄里赫利條件的非正弦周期信號函數(shù)均可以分解為傅里葉級數(shù)，即：(4-17)式中，為的周期。（4-18）（4-19）（4-20）第n次諧波的幅值 （4-21）第n次諧波的初相角 （4-22）因此，非正弦波是由直流分量、基波和一系列頻率為基頻整數(shù)倍的正弦波構(gòu)成的。要對非正弦信號進(jìn)行諧波分析，需要對信號采樣并進(jìn)行傅氏變換。對諧波進(jìn)行分析，先采用FFT算法，計(jì)算出基波和各次諧波的實(shí)部和虛部，進(jìn)而求得其幅值和相位，然后根據(jù)幅值就可以求出各次諧波的含油量和諧波總含量。以電壓為例，若用FFT算法求出第k次諧波（k=2,3，…，40）的實(shí)部和虛部分別是，則第k吃諧波電壓幅值為：（4-23）第k次諧波的相角為：（4-24）第k次諧波的含有量為：（4-25）總波形畸變率（THD）為：（4-26）用THD反映電流波形畸變水平時(shí)往往容易引起誤導(dǎo)。例如當(dāng)變速驅(qū)動裝置輕負(fù)荷運(yùn)行時(shí)，其輸入電流的THD很大，但實(shí)際上，諧波電流的幅值很小。為了處理好用同一方式表征諧波電流的問題，IEEE519-1992《電力系統(tǒng)中諧波控制推薦實(shí)施細(xì)則與要求》給出了另一術(shù)語定義，總需量畸變率（TDD），它采用諧波電流與額定電流之比，而不是與基頻電流之比。即：（4-27）4、抗混疊和防泄漏措施根據(jù)香農(nóng)采樣定理，數(shù)字系統(tǒng)所能正確分析的信號的最高頻率成分應(yīng)小于采樣頻率的二分之一，即，這樣才不會產(chǎn)生混疊。對于高于的頻率成分應(yīng)利用虛擬儀器編制的數(shù)字濾波器予以濾除，以免產(chǎn)生混疊誤差。數(shù)字濾波器可以做成具有嚴(yán)格的線形相位，處理精度高，濾波特性好，這在虛擬儀器開發(fā)平臺下很容易實(shí)現(xiàn)。在使用FFT計(jì)算信號的頻率特性時(shí)，默認(rèn)該信號為一周期信號，但在實(shí)際采樣中不可能保證做到完全整數(shù)周期采樣，而是會出現(xiàn)連續(xù)周期之間的中斷，這種人為的中斷在頻譜圖中顯示為高頻，它們可能遠(yuǎn)高于奈奎斯特頻率，且都位于0到之間，因此通過FFT轉(zhuǎn)換得到的頻譜將發(fā)生畸變，而且它們看上去就像是把某個(gè)頻率分量的能量泄漏到其他的頻率分量上，即發(fā)生了頻譜泄漏現(xiàn)象。泄漏現(xiàn)象出現(xiàn)的原因是因?yàn)檩斎胄盘柕牟蓸訒r(shí)間有限，要解決這個(gè)問題，根據(jù)國標(biāo)要求，可以采用加漢寧窗(hanningwindows)技術(shù)，可以有效減少泄漏。其原理是將時(shí)域采樣點(diǎn)和某個(gè)固定長度的窗口相乘，這個(gè)窗口在邊界處平滑衰減到0，則被加窗的信號的時(shí)域顯示在邊界處逐漸衰減到0，因此，在對有限長的信號進(jìn)行FFT，和頻譜分析時(shí)，可以利用加窗技術(shù)將被采波形的過渡段最小化，這樣就可以有效地將頻譜泄漏最小化。4.5.2諧波分析模塊的軟件設(shè)計(jì)在本模塊中，主要監(jiān)測信號的各次諧波含量，諧波總失真度（THD）、基波幅值、直流分量、波形頻譜圖等項(xiàng)目。本模塊的核心函數(shù)是“諧波失真分析.vi”，其結(jié)構(gòu)如圖4-13所示。其主要作用是對輸入信號進(jìn)行諧波分析，測量信號的基頻、各次諧波電平以及總諧波失真（THD）等參數(shù)。最高諧波模塊可對要測量的最高次諧波進(jìn)行設(shè)置。圖4-13諧波失真分析.vi在輸入測量信號后，用一個(gè)條件結(jié)構(gòu)對輸入的各項(xiàng)電壓電流信號進(jìn)行選擇，并且用一個(gè)波形顯示空間對所測量波形進(jìn)行顯示，以分析不同信號的諧波含量。如圖4-14所示。圖4-14信號選擇模塊對輸入波形進(jìn)行采樣重新生成波形后，用諧波分析.vi對信號進(jìn)行諧波分析。對測量到的THD值，乘以100，可得到百分值。根據(jù)國標(biāo)的規(guī)定，超過5%設(shè)置越限警告。以布爾指示燈亮成紅色為警告。諧波電平是一維數(shù)組，顯示各次諧波的幅值。用索引數(shù)組提取其中第一第二個(gè)元素進(jìn)行單獨(dú)顯示，分別為直流分量和基波幅值。用每次諧波電平除以基波幅值可分別得到每次諧波的含有率。將每次諧波含有率和諧波次數(shù)進(jìn)行捆綁送入波形顯示控件進(jìn)行顯示，可得到各次諧波（這里為1~15次）含量柱狀圖。對輸入信號通過FFT.vi進(jìn)行快速傅里葉變換，得到結(jié)果為復(fù)數(shù)形式，轉(zhuǎn)換為極坐標(biāo)形式后，送入波形顯示控件進(jìn)行顯示，得到頻譜圖。為了使波形顯示控件X軸的刻度與實(shí)際測量時(shí)間對應(yīng)，采用數(shù)據(jù)捆綁子vi。第一項(xiàng)為波形起始位置，此處設(shè)置為0，表示從原點(diǎn)開始顯示；第二項(xiàng)是步長，有采樣頻率除以采樣點(diǎn)數(shù)得到；第三項(xiàng)為頻譜分析結(jié)果。將三種數(shù)據(jù)捆綁送入波形顯示控件，可得到輸入信號的頻譜圖。諧波分析程序框圖如圖4-15所示。圖4-15諧波分析程序框圖4.6電能質(zhì)量監(jiān)測系統(tǒng)的前面板設(shè)計(jì)前面板是用戶界面，由輸入、輸出控制和顯示三部分組成，它模擬的是真實(shí)儀器的前面板。前面板的設(shè)計(jì)應(yīng)講求簡單美觀實(shí)用。在本設(shè)計(jì)系統(tǒng)中，由于要測試的參數(shù)較多，還要進(jìn)行數(shù)據(jù)分析處理，報(bào)表生成打印等任務(wù)，很難再一個(gè)用戶界面上來實(shí)現(xiàn)，所以把所要完成的測試任務(wù)分成幾個(gè)模塊，每個(gè)模塊實(shí)現(xiàn)不同的功能。同時(shí)，使用選項(xiàng)卡模塊，把不同的功能模塊放在不同的選項(xiàng)卡中，實(shí)現(xiàn)不同參數(shù)得測量。本測試系統(tǒng)就分了基本電量測量、功率測量、三相不平衡度測量，諧波分析、報(bào)表生成等幾個(gè)模塊。以基本電量測量為例來說明前面板的設(shè)計(jì)。本測試系統(tǒng)可測試仿真信號和實(shí)際信號。可通過設(shè)置布爾按鈕來進(jìn)行信號間的切換。仿真信號通過“仿真信號.vi”產(chǎn)生，當(dāng)選擇仿真信號時(shí)，需要先對仿真信號的各項(xiàng)參數(shù)進(jìn)行設(shè)置。實(shí)際信號通過數(shù)據(jù)采集卡的采集得到。前面板還提供了一個(gè)波形顯示控件，對采集到的三相電壓信號進(jìn)行顯示。還有一些數(shù)據(jù)顯示控件和布爾開關(guān)，用來顯示三相電壓參數(shù)得測試結(jié)果及運(yùn)行狀態(tài)。具體的設(shè)計(jì)如圖4-16所示。圖4-16基本電量測量前面板設(shè)計(jì)

第5章數(shù)據(jù)測試結(jié)果及誤差分析系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)的再好，也不可能保證其程序完全沒有差錯(cuò)。因此，為了驗(yàn)證和提高系統(tǒng)軟件的可靠性，就必要對其進(jìn)行數(shù)據(jù)測試。測試工作主要包括兩個(gè)組成部分，首先是確定錯(cuò)誤的準(zhǔn)確位置，其次是找出錯(cuò)誤發(fā)生的原因，并采取一定的措施來改正錯(cuò)誤。5.1仿真信號的測量結(jié)果本測試系統(tǒng)的仿真信號通過仿真信號產(chǎn)生子vi產(chǎn)生，可產(chǎn)生相位互差120°的三相動態(tài)電壓電流信號。為模擬實(shí)際信號，電流信號初相位比電壓信號滯后30°。測試前需對信號幅值，頻率，初始相位，噪聲強(qiáng)度等參數(shù)進(jìn)行設(shè)置。設(shè)置仿真信號幅值為200V，頻率為50Hz，初始相位為0，電流幅值設(shè)為0.01倍電壓幅值，斷開噪聲信號，測得的電壓電流各項(xiàng)參數(shù)如表5-1所示（以A相為例）：表5-1仿真信號測試結(jié)果電壓有效值電流有效值電壓偏差頻率141.4211.41212.51×10-650有功功率視在功率無功功率視在功率三