畢業設計-基于Labview的電能質量監測系統軟件設計石家莊鐵道大學畢業設計基于LabVIEW的電能質量監測系統軟件設計SoftwareDesignofPowerQualityMonitoringSystemBasedonLabVIEW 2021屆電氣與電子工程 學院專業電氣工程及其自動化 學號 學生姓名指導教師完成日期2021年6月10日摘要隨著新型電力負荷迅速開展對電能質量提出了更高的要求,以及電力網逐步實行商業化運營,電力用戶的需求成為供電企業優先考慮的問題,電網電能質量問題引起了供電企業和用戶的高度重視。研究電能質量的監測方法,找出引起電能質量降低的原因具有重要的理論和工程價值。近年來,計算機技術、通信技術以及測試測量技術的不斷開展推動了虛擬儀器技術的不斷開展。NI公司的LabVIEW軟件具有豐富的軟件功能、簡單的硬件結構、高度的智能化等特點,是當今最完善、影響力最大的一種圖形化編程語言,在測量領域中處于領先地位。本設計說明書給出并設計了基于LabVIEW平臺的電能質量監測系統。本設計說明書首先闡述了電力系統中常用的電能質量監測技術的現狀,以及本設計研究的主要內容及意義。然后,對國家電能質量的標準進行了介紹,總結各項電能指標的計算方法,作為系統設計的依據。并針對LabVIEW軟件中的一些概念和使用到的VI進行了介紹。隨之,根據國家電能質量標準,設計電能質量的監測系統,使用LabVIEW2021實現電壓諧波分析、電壓偏差、頻率的偏差的分析計算和顯示,并把監測結果上傳至數據庫。最后,就該系統在實際運行中存在的缺乏做出總結,對系統的改良提出建議,指出論文的進一步研究工作展望與設想。關鍵詞:LabVIEW電能質量電能質量監測系統AbstractWithnewpowerloadwhichputsforwardhigherrequirementsrapidlydevelopingandpowernetworkgraduallycarryingoutcommercialoperation,powerconsumers’demandbecomesthepriorconsiderationofthepowersupplyenterprise.Powerqualityisanessentialconcernbyelectricalutilitiesandcustomers.Researchonthepowerqualitymonitoringandanalysismethodisofgreatvalueinboththeoryandpractice.Inrecentyears,thedevelopmentofcomputingtechnology,communicationtechnologyandmeasuringtechniqueleadstovirtualinstrumenttechnicalprogress.TheLabVIEWofNationalInstrumentscompany,whichisanadvancedtechnologyinthemeasurementfield,possessesperfectsoftwarefunction,simplehardwareconfigurationaswellashighintelligenceanditisagraphicalprogramminglanguageofthemostcomplete,thegreatestinfluence.ThisdissertationproposesadesignofthepowerqualitymonitoringsystembasedonLabVIEWtechnique.Tobeginwith,thepaperindicatestheexistentproblemsforthetechnologyofpowerqualitymonitoring,includingitsactualityanddevelopmenttendency,aswellastheresearchcontentandsignificance.Secondly,thepaperdescribesthenationalpowerqualitystandards,andsummingupthecalculationmethodwhichisaboutthepowerquality’sparameter.Andthen,thepaperisfocusontheV1whichwasusedandtheconceptsoftheLabVIEWsoftware.Accordingtothenationalpowerqualitystandards,thepowerqualitymonitoringsystemhasbeendesignedbytheLabVIEW2021software.Thesystemcouldanalyzeanddisplaytheparameteroftheharmonicanalysis,thedeviationofsupplyvoltageandthedeviationoffrequency,andpassthedatatotheaccess.Intheend,theconcludingpartdiscussestheprospectsofthesystemandsummarizesthedeficienciesintheactuallyoperating.Thepossibleimprovementofthesystemisalsodiscussed.Keywords:LabVIEWpowerqualitypowerparametersmonitoringsystem目錄第1章緒論 11.1引言 11.2課題研究背景及意義 11.3國內外研究現狀 21.4本設計主要工作 2第2章電能質量指標及測量方法 42.1概述 42.2供電電壓允許偏差 42.2.1電壓偏差的產生原因及危害 42.2.2國標中的規定及計算方法 52.3電力系統頻率偏差 62.3.1頻率偏差的危害 62.3.2國標中的規定及計算方法 62.4公用電網諧波 72.4.1電網諧波的危害 72.4.2國標中的規定及計算方法 82.5電壓波動和閃變 92.5.1電壓波動和閃變的產生及危害 92.5.2國標中的規定及計算方法 92.6三相電壓允許不平衡度 112.6.1三相不平衡產生的原因及危害 112.6.2國標中的規定及計算方法 122.7本章小結 12第3章軟件開發環境介紹 133.1虛擬儀器的介紹 133.2LabVIEW軟件介紹 143.3電能質量檢測VI 153.4數據通信VI 173.5本章小結 18第4章系統軟件設計 194.1電能質量監測系統總體結構 194.2數據傳輸模塊的設計 204.3數據分析模塊的設計 224.3.1電壓偏差測量模塊 224.3.2頻率偏差模塊 244.3.3電壓諧波分析模塊 254.3.4三相不平衡度分析模塊 284.3.5電壓波動和閃變的測量模塊的設計 294.3.6功率測量模塊 334.3.7測量模塊整體VI 354.4主控模塊設計 354.5本章小結 37第5章結論與展望 385.1結論 385.2展望 38參考文獻 40致謝 41附錄A外文資料翻譯 42附錄A.1英文原文 42附錄A.2中文翻譯 50附錄B數據分析模塊總框圖 56緒論引言現代社會中,電能是一種最為廣泛使用的能源,其應用程度成為一個國家開展水平的主要標志之一[1]。隨著科學技術和國民經濟的開展,對電能的需求量日益增加,同時對電能質量的要求也越來越高。使得電能質量問題日益緊迫的擺在了我們的面前。有關電能質量問題的研究已經引起了各國電力工作者的高度重視,得到了普遍的關注和深入的討論,無論在理論上還是在實踐中,都有許多值得深入研究的問題[2]。課題研究背景及意義電能質量問題關系到國民經濟的方方面面,涉及到電力、鐵道、冶金、化工、IT等諸多行業的開展,從20世紀80年代以來,伴隨著高技術的新型電力負荷迅速開展以及它們對電能質量不斷提出的更高要求,電能質量問題得到了普遍的關注和深入的討論。其原因歸納起來有以下二個方面[3]:現代電力系統中用電負荷結構發生了重大變化,具有非線性、沖擊性以及不平衡用電特性的負荷如電弧爐、電氣化鐵路、整流裝置等迅速開展,很大程度上削弱和干擾了電網的經濟運行;為了提高勞動生產率和自動化水平,大量基于計算機系統的控制設備和電子裝置投入使用,這些裝置對電能質量問題非常敏感。隨著經濟的開展和工業管理體制的轉變,電力網逐步實行商業化運營,電力用戶的需求己成為優先考慮的問題。這大大促進了電能質量標準化的進程和對電能質量的監督和管理。為了標準電能質量的檢測管理,建立標準的電力市場。1988年,我國電力工業部為了加強電網電能質量管理工作,曾公布執行了?電網電能質量技術監督管理規定?,提出了“誰干擾,誰污染,誰治理〞的原那么,并指出保證電網平安、穩定、經濟、優質運行,全面保障電能質量是電力企業和用戶共同的責任和義務。因此電能質量監測對于電力企業、電力用戶以及改善電能質量都有重要意義。參照IEC標準和IEEE標準,聯系我國電力系統實際情況,我國相繼公布了有關電能質量的五項標準即供電電壓偏差、電壓波動和閃變、公用電網諧波、三相不平衡度以及頻率偏差等,要求各級供電部門和用戶按照該標準供電。利用測控領域中最先進的虛擬儀器技術研制一種電能質量監測系統,實時監測電能質量對于保證電力系統運行的經濟性、平安性和可靠性都起著重要的作用。國內外研究現狀電能質量問題的凸顯,使電能質量監測產品日益豐富起來,如何監測復雜多變的電能質量現象,分析各種電能質量問題的成因,成為這些產品共同的目標。目前,國內外使用的各種電能質量監測裝置從結構上可以分為兩類,一種是離線式的電能質量監測裝置,另一種是在線式的電能質量監測分析裝置,即連續監測設備。在線式電能質量監測實時性強,能夠及時對電能質量各種指標作出全面數據采集和分析[4]。隨著電子裝置和通訊技術的開展,離線式的電能質量分析儀在經濟性和有效性方面不再優越,具有聯網、圖形用戶界面GUI、數據存儲管理、統計分析和Web瀏覽功能的在線電能質量監測系統成為主流[5]。在國內外,對電能質量進行監測與分析時,絕大局部采用智能儀器,主要利用數字技術和硬件來實現。這種測試儀器體積比較龐大,很容易受到外界的影響,而且測量精度不是很高,特別是在檢測不同指標時,需要更換相對應的硬件,這給監測和分析帶來極大的不便。為了實現更多參數的測試,許多的測量儀器額外配置了輔助的硬件,這不僅加大了體積,而且也增加了本錢,甚至給監測系統裝置的升級帶來不便。傳統的監測裝置實時性較差,不能實時地保存大量數據,觀察歷史數據也不方便,而現代的電能質量監測系統需要處理和保存大量的數據信息。我們國內對于電能質量問題的研究起步較晚,然而傳統的電能質量監測系統在以下幾個方面比較欠缺:功能單一型問題;生產調試率低下問題;開發周期和開發費用問題。虛擬儀器的出現改變了這一現狀,憑借其基于網絡性和計算機的特性,符合現代測量工作的需求,在測量技術領域不斷取得突破。近年來,有許多基于虛擬儀器的電能監測系統問世,實現了遠程在線的監測,并能夠及時地把監測結果反響至中央控制室,本系統也是基于這一技術完成的電能質量監測系統。本設計主要工作本設計在研究電力系統電能質量及虛擬儀器測量方法的根底上,利用NI公司的LabVIEW2021軟件開發了一個電能質量監測系統,該系統根據采集到的電壓及電流數據,進行電能質量相關參量的計算,以圖形和數據的方式直觀的顯示出來,并把分析后的數據存入數據庫中,以便日后的進一步查閱參考。本設計說明書的具體工作如下:講述電能質量問題研究的開展情況,說明對電能質量進行監測的必要性,指出電能質量監測方面的研究現狀及其存在的問題,并提出基于LabVIEW的電能質量監測系統的方案;對電能質量的國家標準進行簡要介紹。討論衡量電能質量問題的指標和電能質量監測的方法,并指出各種客觀存在的電能質量問題所帶來的危害;介紹了虛擬儀器技術的概念、特點和開展歷程,介紹了虛擬儀器中的LabVIEW軟件,及其使用過程中常見的一些概念,重點介紹了LabVlEW2021中用于電能質量的各參量分析的VI和數據傳輸的VI等;基于虛擬儀器技術的電能質量監測系統的設計與實現,詳細表達了本系統的軟件程序設計方法。電能質量指標及測量方法概述電能質量的概念電能質量是指通過公用電網供應用戶端的交流電能的品質。理想狀態的公用電網應以恒定的頻率、正弦波形和標準電壓對用戶供電。同時,在三相交流系統中,各相電壓和電流的幅值應大小相等、相位互差120°。但由于系統中的發電機、變壓器和線路等設備非線性或不對稱,負荷性質多變,加之調控手段不完善及運行操作、外來干擾和各種故障等原因,這種理想的狀態并不存在,因此產生了電網運行、電力設備和供用電環節中的各種問題,也就產生了電能質量的概念[1]。電能質量指標的界定從總體上講,使電能指標接近額定值就是電能質量的標準,然而,電能從生產到消費是一個整體,電力系統的發、輸、變、配、用各環節始終處于動態平衡之中,其中任何一個環節的改變都會對電能質量產生影響。電能質量標準的制定,就是制定適當的電能質量指標偏差的允許值。電能質量指標的制定在經濟和技術上應滿足以下三點[4]:①保證電力系統平安,提高供電可靠性和電網運行的經濟性;②保證用戶電氣設備的正常生產;③當超標時,電力部門和干擾用戶在當前經濟和技術水平上,作一定的努力后應能達標。參照IEC標準和IEEE標準,聯系我國電力系統實際情況,我國最新制定的電能質量指標主要包括五項:供電電壓偏差、電力系統頻率允許偏差、公用電網諧波、三相電壓不平衡、電壓波動和閃變。除此之外,還有暫態電能質量問題、短持續時間電能質量問題和長持續時間電能質量問題等。供電電壓允許偏差電壓偏差的產生原因及危害電壓偏差是指系統各處的電壓偏離其額定值的百分比,它是由于電網中用戶負荷的變化或電力系統運行方式的改變,使加到用電設備上的電壓偏離電網的額定電壓。一般來說造成電網電壓偏差的最主要原因是無功功率的傳輸。另外,電力電容器的投切對母線電壓偏差的影響也非常大[3]。對于配電網最廣泛應用的電動機,當電壓低于額定電壓時,轉矩減小、轉速下降,一方面導致工廠生產出次品、廢品;另一方面造成電流變大,電機溫升增加,線圈發熱,加劇絕緣老化,甚至燒壞的后果。當電壓高于額定電壓時,一方面引起轉距變大,使聯結軸和從動設備上的加速力增加,引起設備的振動、損壞;另一方面引起啟動電流增加,在供電線路上產生較大的電壓降,影響其他電氣設備的運行。對于發電機而言,電壓偏差會引起無功電流的增大,對發電機轉子的去磁效應增加,電壓降低,過度增大激磁電流使轉子繞組的溫升超過允許范圍,加速絕緣老化,降低電機壽命,甚至燒壞。對于日常的照明燈具,電壓對燈的光通量輸出和壽命的影響很大,當加于燈泡的電壓低于額定電壓時,發光效率會降低,人的工作環境惡化,視力減弱;當高于額定電壓時,燈泡壽命會減少、燒壞。國標中的規定及計算方法在國家標準?電能質量供電電壓偏差?中規定了供電電壓偏差的相關計算方法及限制[6]。供電電壓偏差的測量供電電壓偏差的測量方法為獲得電壓有效值的根本測量時間窗口為10周波,并且每個測量時間窗口應該與緊鄰的測量時間窗口接近而不重疊,連續測量并計算電壓有效值的平均值,最終計算獲得供電電壓偏差值,計算公式如式21所示。21計算出的供電電壓偏差的限值應滿足如下規定:①35kV及以上供電電壓正、負偏差的絕對值之和不超過額定電壓的10%,如電壓上下偏差同號均為正或負時,按較大的偏差絕對值作為衡量依據;②20kV及以下三相供電電壓允許偏差為標稱電壓的±7%;③220V單相供電電壓偏差為標稱電壓的+7%、-10%;④對供電短路容量較小,供電距離較長以及對供電電壓偏差有特殊要求的用戶,由供、用電雙方協議確定。電壓合格率統計通過供電電壓偏差的統計計算獲得電壓合格率。供電電壓偏差監測統計的時間為min,通常每次以月或周、季、年的時間為電壓監測的總時間,供電電壓偏差超限的時間累計之和為電壓超限時間,監測點電壓合格率計算公式如式22所示。22電力系統頻率偏差頻率偏差的危害從整個電力系統來講,低于系統頻率或高于頻率運行時,對發電廠和用戶都有不利的影響[7],具體表現為:用戶使用的電動機的轉速與系統頻率有關。頻率變化將引起電動機轉速的變化,從而影響產品質量;在頻率降低時,火力發電廠的風機和水泵所提供的風量和水量將迅速減少,影響鍋爐的正常運行;低頻率運行,汽輪機葉片所受的應力增加,引起葉片的共振,縮短葉片的壽命,甚至使葉片斷裂;發電機的通風量將減少,而為了維持正常電壓,又要求增加勵磁電流,使得發電機定子和轉子的溫升增加;低頻率運行時,由于磁通密度的增大,變壓器的鐵心損耗和勵磁電流都將增大;頻率降低時,系統中負荷的無功功率將增大,而負荷的無功功率增大又將促使系統電壓水平的下降?？傊?由于所有設備都是按系統額定頻率設計的,系統頻率質量的下降將影響各行各業。而頻率過低時,甚至會使整個系統瓦解,造成大面積停電。國標中的規定及計算方法在國家標準?電能質量電力系統頻率偏差?中規定了供電電壓偏差的相關計算方法及限制[8]。頻率偏差的計算電力系統頻率偏差定義為系統頻率的實際值和標稱值之差,可用式23計算。23式中是頻率偏差,為實際頻率,那么為標稱頻率,本標準規定為50Hz。計算出的頻率偏差應滿足如下規定:①電力系統正常運行條件下頻率偏差限值為±0.2Hz。當系統容量較小時,偏差可以放寬到±0.5Hz;②沖擊負荷引起的頻率偏差限值一般不得超過±0.2Hz,根據沖擊負荷性質和大小以及系統的條件也可適當變動限值,但應保證近區電力網、發電機組和用戶的平安、穩定運行以及正常供電。頻率合格率統計通過檢測及直接或間接地統計頻率超限時間以活動表征電網頻率在限值內的一種方法。統計時間以秒為單位,計算公式如式24所示。24公用電網諧波電網諧波的危害國際上公認的諧波含義為:“諧波是一個周期電氣量的正弦波分量,其頻率為基波頻率的整數倍〞。由于諧波的頻率是基波頻率的整數倍數,我們也常稱它為高次諧波[9]。諧波對電力設備的影響和危害[10],就其后果來說,可分為兩類:第一類是對電力設備的影響,它可以造成設備損壞、減少設備壽命、降低出力等;第二類是對計算機、繼電保護、控制器或系統、儀表以及視聽設備的影響,它可以造成設備的工作失誤或性能惡化。具體表現為:對旋轉電機發電機和電動機產生附加功率損耗和發熱、產生脈動轉矩和噪聲;對無功補償電容器組引起諧振或諧波電流的放大,從而導致電容器因過負荷或過電壓而損壞;對電力電纜也會造成電纜的過負荷或過電壓擊穿;對供電網和導線,增加供電網的損耗。當發生諧振或放大時,損耗更加嚴重;對斷路器和熔斷器,電流波形的畸變明顯的影響斷路器斷路容量,當存在負荷電流畸變時,在過零點時可能造成高的比,電流為下弦波時開斷將更為困難,而且由于開斷時間延長而延長了故障電流切除時間,因而造成快速重合閘后的再燃;對變壓器,負荷電流中的諧波在變壓器中造成的損耗產生附加發熱,降低了其負荷能力;對調速驅動器的影響。諧波可能導致晶閘管誤動作以及觸發回路誤觸發等故障;對照明的影響,如運行電壓的均方根值由于諧波畸變而高于額定值時,燈絲溫度升高而降低了燈泡的壽命;對繼電保護和自動控制裝置產生干擾和造成誤動或拒動。尤其是一些衰減時間較長的暫態過程,如變壓器合閘涌流中的諧波分量,由于其幅值強、諧波含量也很大,更容易引起繼電保護的誤動作,造成供電中斷;對儀表和電能計量的影響?，F代指示均方根值的電壓表和電流表相對地不受波形畸變的影響,受諧波影響較大的是計量電能的感應型電能表,其誤差與頻率特性和非線性度造成的誤差有關。除電表本身誤差外,諧波負荷從系統中吸收基波功率而向系統送出諧波功率,這樣受諧波影響的用戶既從系統吸收基波功率又從諧波源吸收無用的諧波功率,其后果是諧波源負荷用戶少付電費而受害的用戶反而多付電費?？傊?諧波對各種電力設備、通信設備以及線路都會產生有害的影響,嚴重時會造成設備損壞和電力系統事故。國標中的規定及計算方法根據國家標準?電能質量公用電網諧波?,對公用電網諧波電壓限值如表21所示[10]。表21公用電網諧波的限值電網標稱電壓kV 電壓總諧波畸變率% 各次諧波電壓含有率% 奇次 偶次10 66 諧波術語的數學表達式第h次諧波電壓含有率,如公式25所示:25式中,??第h次諧波電壓方均根值;??基波電壓方均根值。諧波電壓含量,如公式26所示:26電壓總諧波畸變率,如公式27所示:27諧波的測量在對電壓進行測量時,為了區別暫態現象和諧波,對負荷變化快的諧波,每次測量結果可為3s內所測值的平均值,推薦采用式28計算。28電壓波動和閃變電壓波動和閃變的產生及危害電壓波動和閃變的產生電壓波動是由于局部負荷在正常運行時出現沖擊性功率變化,造成實際電壓在短時間里較大幅度波動,并且連續偏離額定電壓,所以也稱為快速電壓變動[11]。單位時間內電壓變動的次數稱為電壓變動的頻度,一般以分或秒為頻度的單位。電壓變動頻度為調幅波頻率的2倍,或表示為。在電能質量標準中,閃變以燈光閃爍對人眼視感的影響來反映供電電壓的波動程度。閃變是指由于燈光照度不穩定造成的視感。閃變不僅與電壓波動的幅值有關,而且與電壓波動的頻率和波形、照明燈具的性能及人的視感因素有關。出現供電電壓波動,使實際運行電壓偏離理想正弦波形和恒定電壓幅值的主要原因是由于各種類型的大功率波動性負荷投運引起的。波動性負荷的用電特征分為周期性和非周期性的,而周期性和近似周期性的功率波動負荷對閃變影響更為嚴重。目前供電系統中功率波動造成干擾的負荷主要有:電弧爐、軋鋼機、電氣化機車等。電壓波動和閃變的危害電壓波動會引起多種危害,如電壓快速變動會使電動機轉速不均勻,不僅危及電動機的平安運轉,而且還會直接影響一些產品的質量。閃變是電壓波動的直接反映,當電壓波動嚴重到引起照明燈具閃爍時,會使人眼感到疲勞甚至難以忍受而降低工作效率。但閃變還與人的視感因素有關,所以不能以電壓波動代替閃變。國標中的規定及計算方法根據國家標準?電能質量電壓波動和閃變?,任何一個波動負荷用戶在電力系統公共連續點產生的電壓變動,其限值和電壓變動頻度、電壓等級有關。對于電壓變動頻度較低例如或規那么的周期性電壓波動,可通過測量電壓方均根值曲線Ut確定電壓變動頻度和電壓變動值,電壓波動的限值如表22所示[12]。表22電壓波動限值 r/次/h d/% LV、MV HV 4 3 3* 2.5* 1.25 1注1:很少的變動頻度每日少于1次,電壓變動限值d還可以放寬。注2:對于隨機性不規那么的電壓波動,如電弧爐負荷引起的電壓波動,表中標有“*〞的值為其限值。注3:參照GB/T156-2007,本標準中系統標稱電壓等級按以下劃分:低壓LV中壓MV高壓HV對于220kV以上超高壓EHV系統的電壓波動限值可參照高壓HV系統執行。電力系統公共連接點,在系統正常運行的最小方式下,以一周168h為測量周期,所有長時間閃變值都應滿足一定的條件,如表23所示:電壓波動的測量和估算電壓波動可通過電壓方均根值曲線Ut來描述,電壓變動d和電壓變動頻度r那么是衡量電壓波動大小和快慢的指標。電壓變動d的定義表達式如式所示29式中,??電壓方均根值曲線上相鄰兩個極值電壓之差;??系統標稱電壓。閃變的測量和計算閃變是電壓波動在一段時期內的積累效果,它通過燈光照度不穩定造成的視感來反響,主要由短時閃變和長時間閃變來衡量。短時閃變值的計算方法是通過模擬人眼的感覺通過分析計算得出結果,具體過程將在后續章節詳細介紹。長時間閃變值由測量時間段內包含的短時間閃變值計算獲得,如式210所示:210三相電壓允許不平衡度三相不平衡產生的原因及危害電力系統的三相不平衡是由于三相符合不平衡以及系統元件參數的不對稱所致。三相電源電壓畸變不對稱時,對于三相四線制電路,可以分解為正序、負序和零序分量;對于三相三線制電路,可分解為正序和負序分量,而沒有零序分量。三相電壓的不平衡度通常以負序分量與正序分量的均方根的百分比來表示[13],如式211所示。211式中,??三相電壓正序分量的均方根值;??三相電壓負序分量的均方根值。隨著國民經濟的開展,電力系統中出現了大量不平衡負荷,以及一些單相大容量負荷例如交流電弧爐、電氣化鐵路,使電網三相電壓不平衡日趨嚴重,危及電力系統的平安和經濟運行。三相電壓或電流不平衡會對電力系統和用戶造成一系列的危害,其中主要有:引起旋轉電機的附加發熱和振動,危及其平安運行和正常工作;引起以負序分量為起動元件的多種保護發生誤動作特別是當電網中同時存在諧波時,這對電網平安運行是有嚴重威脅的;導致半導體變流設備產生附加的諧波電流非特征諧波,而這種設備一般設計上只允許2%的電壓不平衡度;導致發電機容量利用率下降。由于不平衡時最大相電流不能超過額定值,在極端情況下,只帶單相負荷時那么設備利用率僅為0.577;變壓器的三相負荷不平衡,不僅使負荷較大的一相繞組過熱導致其壽命縮短,而且還會由于磁路不平衡,大量漏磁通經箱壁、夾件等使其嚴重發熱,造成附加損耗;在低壓配電線路中,三相不平衡會影響計算機正常工作,還會引起照明電燈壽命縮短電壓過高或照度缺乏電壓過低以及電視機的損壞等;三相不平衡時,將引起電網損耗的增加;干擾通訊系統,影響正常的通信質量。國標中的規定及計算方法根據國家標準?電能質量三相電壓不平衡?的規定,電力系統公共連接點電壓不平衡度限值為,電網正常運行時,負序電壓不平衡度不超過2%,短時不得超過4%。接于公共連接點的每個用戶引起該點負序電壓不平衡度允許值一般為1.3%,短時不超過2.6%。同時,該標準還規定了不平衡度的計算方法[14]。測量取值對于電力系統的公共連接點,供電電壓負序不平衡度測量值的10min方均根值的95%概率大值應不大于2%,所有測量值中的最大值不大于4%。對日波動不平衡負荷,取1min方均根值。為了實用方便,實測值的95%概率值可將實測值按由大到小次序排列,舍棄前面5%的大值取剩余實測值中的最大值。本設計說明書軟件設計分析過程既是采用這種方法。不平衡度的準確計算式在沒有零序分量的三相系統中,當三相量a、b、c時,可按式212求負序不平衡度。212式中,L??。本章小結本章介紹了電能質量的概念,最后給出了IEEE對電能質量的定義;根據國家五項電能質量標準,分別介紹了各種電能質量指標的產生原因、帶來的主要危害以及國標中的規定和計算方法。軟件開發環境介紹虛擬儀器的介紹虛擬儀器VirtualInstruments的起源可以追溯到20世紀70年代,PC機出現以后,儀器的計算機化成為可能,于是誕生基于計算機的儀器,即虛擬儀器。儀器硬件以模塊化為特點,能夠全方位的系統集成,應用軟件那么以圖形化的編程為長處,能夠方便高效的創立自定義的用戶界面,二者相結合實現傳統儀器的測量功能。使用者用鼠標或鍵盤操作虛擬面板,就如同使用一臺專用測量儀器[15]。虛擬儀器利用PC機強大的圖形環境和在線幫助功能,建立虛擬儀器面板,完成對儀器的控制、數據分析和顯示,代替了傳統儀器,改變了傳統儀器的使用方式,極大的提高了儀器的功能和使用效率,大幅度的降低了儀器的價格,使用戶可以根據自己的需要自定義儀器的功能;可以說,虛擬儀器的出現將“儀器〞的概念推向了一個新的紀元。虛擬儀器廣泛的應用于電子測量、電力工程、礦物勘探、醫療、振動分析、聲學分析、故障診斷及教學科研等諸多領域。隨著社會生產力的極大開展,現代化的生產要求電子儀器品種多、功能強、精度高、自動化程度高,而且要求測試速度快、實時性好、具有良好的人機界面。虛擬儀器正好可以滿足這些要求[16]。與傳統的儀器相比較見表31,虛擬儀器具有如下幾個優點:虛擬儀器的關鍵環節是軟件虛擬儀器系統中除PC機外的硬件主要用于數據的采集、輸入,至于系統怎樣處理數據,具有怎樣的面板和數據輸出的形式等都是由軟件決定的。虛擬儀器的好壞,很大程度上取決于軟件水平的上下。開發與維護的費用低,系統組建時間短當需要增加新的測量功能,只需要增加軟件模塊或通用的硬件模塊,縮短了系統的更新時間,而且有利于系統的擴展。應用軟件不像傳統儀器的硬件那樣存在元器件老化的問題,大大節省了維護的費用,延長設備的使用壽命。測量更準確傳統儀器測量個體之間差異大,而虛擬儀器的應用軟件在不同的PC機上具有相同的運行效果,在軟件運行這方面不存在個體的差異。測量更方便因為傳統儀器功能單一,所以對一個信號完成多個參數的測量需要多臺儀器,使測量受到連接方式、電纜長度等因素的影響。虛擬儀器只需對信號進行一次采樣,多個軟件模塊對同一組數據進行不同的處理就能實現多個參數的同時測量。具有強大的數據處理功能計算機運算速度的大大提高和數字信號處理理論的豐富和完善,使虛擬儀器能夠快速準確的處理數據。為了清楚的說明傳統儀器與虛擬儀器的區別,我們利用表31來更好地說明。表31傳統儀器和虛擬儀器的比照虛擬儀器 傳統儀器界面圖形化,計算機直接讀取數據并分析處理 圖形界面小,人工讀取數據,信息量小可方便的與網絡外設及多種儀器連接 與其它儀器設備的連接十分有限關鍵是軟件,系統升級方便,可通過網絡下載升級程序 關鍵是硬件,升級本錢高,而且要上門進行升級效勞價格低廉,儀器間資源可重復利用率高 價格昂貴,儀器間一般無法共享資源體積較小,便于攜帶和野外工作 體積較大,不便于運輸開發與維護費用較低 開發與維護開銷高技術更新周期短1~2年 技術更新周期長5~10年LabVIEW軟件介紹虛擬儀器的核心技術思想就是“軟件即是儀器〞,由此突出了軟件在虛擬儀器系統中的重要性。美國NI公司通過長期、系統、有效的研究和開展,逐步確立了LabVIEW在虛擬儀器編程軟件中的主力地位[17]。LabVIEWLaboratoryVirtualInstrumentEngineeringWorkbench是一種用圖標代替文本行創立應用程序的圖形化編程語言。它的出現終于把人們??尤其是傳統儀器工程師和科學家們從繁雜的編程工作中解放出來,使他們能夠真正專心于自己所關注的事情。LabVIEW程序又稱虛擬儀器,即VI,其外觀和操作均模仿現實儀器。每個VI都使用函數從用戶界面或其他渠道獲取信息輸入,然后將信息顯示或傳輸至其它文件或計算機前面板是VI的用戶界面。前面板由輸入控件和顯示控件組成,這些控件是VI的輸入輸出端口。輸入控件是指旋鈕、按鈕、轉盤等輸入裝置,顯示控件是指圖表、指示燈等顯示裝置,模擬儀器的輸入裝置,為VI的程序框圖提供數據。顯示控件模擬儀器的輸出裝置,用以顯示程序框圖獲取或生成的數據。程序框圖是圖形化源代碼的集合,圖形化源代碼又稱G代碼或程序框圖代碼。前面板創立完畢后,便可使用圖形化的函數添加源代碼來控制前面板上的對象。前面板上的對象在程序框圖中顯示為接線端。接線端用以表示輸入控件或顯示控件的數據類型。在程序框圖中可將前面板的輸入控件或顯示控件顯示為圖標或數據類型接線端。默認狀態下,前面板對象顯示為圖標接線端。接線端是在前面板和程序框圖之間交換信息的輸入輸出端口。節點是程序框圖上的對象,具有輸入輸出端,在VI運行時進行運算。節點相當于文本編程語言中的語句、運算符、函數和子程序。程序框圖中對象的數據傳輸通過連線實現。每根連線都只有一個數據源,但可以與多個讀取該數據的VI和函數連接。不同數據類型的連線有不同的顏色、粗細和樣式。斷開的連線顯示為黑色的虛線,中間有個紅色的x。出現斷線的原因有很多,如試圖連接數據類型不兼容的兩個對象是就會產生斷線。結構是文本編程語言中的循環和條件語句的圖形化表示。使用程序框圖中的結構可對代碼塊進行重復操作,有條件執行或按特定順序執行代碼。電能質量檢測VINI公司在LabVIEW中提供了一些工程測量中常用的VI,就像面向對象語言中的類一樣,我們可以直接使用,簡化我們開發的過程。本節介紹電能質量監測系統涉及到的關于參量分析相關控件的使用功能,使我們對設計中使用的控件有了進一步的了解。其中,包括一些可用于電能質量測量的VI,如波峰檢測VIPeakdetector.vi、提取單頻信號VIExtractSingleToneInformation.vi、諧波失真分析VIHarmonicDistortionAnalyzer.vi等。波峰檢測VI在測量電壓值的過程中使用到了波峰檢測VI,如圖31所示。圖31波峰檢測VI數據集可以單個數組或連續數據塊的形式作為該VI的輸入。該VI的算法是用二次多項式依次擬合數據點中的各組數據。擬合中使用的數據點的數量由寬度指定。對于每個波峰或波谷,二次擬合可與閾值進行比較。忽略低于閾值的波峰和高于閾值的波谷。只有在VI處理波峰或波谷之外大約寬度/2個數據點后,才可能檢測到波峰或波谷。延時僅對實時處理有影響。第一個或最后一個數據塊傳遞至該VI時,必須通知該VI,使VI初始化并傳遞內部數據至波峰檢測算法。提取單頻信息VI測量單相電壓值的頻率時,使用到了提取單頻信號VIExtractSingleToneInformation.vi,如圖32所示。圖32提取單頻信息VI在timesignalsin輸入一個時域波形信號,可以檢測出該信號的頻率、幅值等信息。根據輸入的時域波形數據類型的不同,返回值的數據類形也不同?？赏ㄟ^式31表示實數單頻信號:31、和分別是單頻信號的是幅值、頻率和相位,是輸入波形信號的采樣率。可通過式32表示復數單頻信號:32、和分別是單頻信號的是幅值、頻率和相位,是輸入波形信號的采樣率。諧波失真分析VI為了測量電壓諧波,使用了LabVIEW中用于測量諧波的諧波失真分析VI,如圖33所示。圖33諧波失真分析VI諧波失真分析VI從signalin得到待測的波形,然后對該波形進行全面的諧波分析,返回基波的頻率、諧波電平和總諧波畸變率。根據輸入的波形數據類型的不同,會返回不同數據類型的數據。數據通信VI本節介紹電能質量監測系統涉及到的關于數據傳輸相關控件的使用功能。其中主要包括TCP偵聽VI、寫入TCP數據函數、翻開TCP連接函數等。TCP偵聽VI調用節點如圖34所示。圖34TCP偵聽VI開始偵聽某個指定端口時,不能再使用該VI偵聽該端口。例如,如在程序框圖上有兩個該VI的實例,并且第一個實例偵聽端口2222,那么不能再用第二個實例偵聽同一端口。該VI將保存有效的偵聽方及其偵聽端口的列表,按偵聽方ID排序,直到包含該VI的頂層VI空閑。其后對VI的調用將重用這些偵聽方,根據指定的效勞名稱、端口和網絡地址而定。如在端口接線端連入值0,在效勞名稱接線端連入空字符串,每次調用VI都將在開放的端口上創立一個新的偵聽器。如果按上述方式連線VI,指定一個非默認的超時值,VI將在每次超時發生時創立一個新的偵聽器。這會消耗大量的套接字資源。在該情況下,連接偵聽器ID接線端至TCP關閉連接函數,可釋放偵聽器占用的端口?；蛘哌B接偵聽器ID接線端至TCP等待偵聽