基于LabVIEW的电能质量分析系统设计毕业设计

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1、本科生毕业设计题目： 基于 LabVIEW 的电能质量分析系统设计中国矿业大学毕业设计任务书学院学院 应用技术学院应用技术学院 专业年级专业年级 电气工程及其自动化电气工程及其自动化 学生姓名学生姓名 任任务务下下达达日日期期：2008 年年 3 月月 20 日日毕业设计日期：毕业设计日期： 2008 年年 3 月月 20 日日 至至 2008 年年 6 月月 10 日日毕业设计题目：毕业设计题目：基于基于 LabVIEWLabVIEW 的电能质量分析系统设计的电能质量分析系统设计毕业设计专题题目：毕业设计专题题目：毕业设计主要内容和要求：毕业设计主要内容和要求：现今社会对电能质量要求日益提高

2、，而电网电能污染却日趋严重，考虑到传统电能质量分析系统存在很多缺陷，本设计研究了采用虚拟仪器思想的电能质量分析系统，具体内容和要求如下：1.了解国内外电能质量分析的现状及研究本课题的意义，确立研究思路。2.熟悉各电能质量指标的概念和计算方法；3.充分认识 LabVIEW，掌握其中各函数的功能和用法，练习基本操作；4.设计系统主题结构，研究系统应实现的功能，分析各电能质量参数的数字化实现方法；5.构思系统软件部分的整体结构，规划系统软件的前面板和程序框架，详细设计各功能模块；6.调试系统软件。院长签字： 指导教师签字：中国矿业大学毕业设计指导教师评阅书指导教师评语（基础理论及基本技能的掌握；独立

3、解决实际问题的能力；研究内容的理论依据和技术方法；取得的主要成果及创新点；工作态度及工作量；总体评价及建议成绩；存在问题；是否同意答辩等）：成 绩： 指导教师签字： 年 月 日中国矿业大学毕业设计评阅教师评阅书评阅教师评语（选题的意义；基础理论及基本技能的掌握；综合运用所学知识解决实际问题的能力；工作量的大小；取得的主要成果及创新点；写作的规范程度；总体评价及建议成绩；存在问题；是否同意答辩等）：成 绩： 评阅教师签字： 年 月 日中国矿业大学毕业设计评阅教师评阅书评阅教师评语（选题的意义；基础理论及基本技能的掌握；综合运用所学知识解决实际问题的能力；工作量的大小；取得的主要成果及创新点；写作

4、的规范程度；总体评价及建议成绩；存在问题；是否同意答辩等）：成 绩： 评阅教师签字： 年 月 日中国矿业大学毕业设计答辩及综合成绩答 辩 情 况回 答 问 题提 出 问 题正 确基本正确有一般性错误有原则性错误没有回答答辩委员会评语及建议成绩：答辩委员会主任签字： 年 月 日学院领导小组综合评定成绩：学院领导小组负责人： 年 月 日摘要摘要近年来，计算机技术、通信技术以及测试测量技术的不断发展推动了虚拟仪器(Virtual Instrument，简称 VI)技术的不断发展。虚拟仪器具有丰富的软件功能、简单的硬件结构、高度的智能化等特点。以虚拟仪器技术为平台建立的电能参数监测分析系统能够克服传统

5、的监测系统功能单一、升级复杂、成本高等缺点。 因此，本论文提出并设计了基于当今测控领域的最新技术虚拟仪器技术的电能质量参数分析系统，系统能够对电压、电流、功率、相位、频率、三相电压不平衡度、电网谐波等电力参数进行监测，并且具有一定的分析功能。本论文首先阐述了对电能质量参数监测与分析的必要性以及传统电能质量监测装置的缺陷，分析了利用虚拟仪器技术开发电能质量分析系统的可行性。然后将电压偏差、频率偏差、电网谐波及三相不平衡作为主要的研究对象，对电能质量指标的数学模型进行了研究和离散化处理。接着确定了系统总体设计方案，重点论述了利用 LabVIEW 开发本系统的各个功能模块。 最后，就本系统在研究中存

6、在的不足和需要加强的地方在文中做出了总结，并指出本课题的进一步研究工作展望与设想。关键词关键词:电能质量;电能质量分析系统;虚拟仪器;LabVIEWABSTRACT In recent years, the development of communication technology, Computer technology and measuring technique impulse virtual instrument technical progressive development. Virtual instrument possess perfect software funct

7、ion, simple hardware configuration as well as high intelligent etc. The power quality parameters monitoring system mainly based on virtual instrument is better traditional monitoring and analyses system, which function is crude and update is complicate. So this paper put forward and design the power

8、 quality parameters monitoring and analyze system based the newest technology of the field of measurement and control now-the virtual instrument technical，it can monitor electric power parameter including voltage, electrical current, phase, frequency, three-phase voltage unbalance and harmonic, and

9、can also provide the detailed power quality monitoring analysis and results . Firstly, the shortcoming of traditional power parameters monitoring analyses system and the necessity of monitoring to power parameters are outlined in this paper, besides the paper analyze the feasibility for using the vi

10、rtual instrument to develop the power quality monitoring system. Subsequently my paper mainly study the algorithm of monitoring voltage deviation, frequency deviation, harmonics and three-phase voltage unbalance, and dispose dispersedly the algorithm of them at the time. Then, integrated design is a

11、scertained, besides this paper put emphases on the development of the functional module of power parameters monitoring analyze system using LabVIEW.Finally, the concluding remarks summaries the deficiencies and the improvement of the system, and outlook the further research too.Key words: Power qual

12、ity; Power parameters monitoring and analyze system; Virtual Instrument; LabVIEW目目 录录摘要第一章 绪论 -11.1 引言-11.2 本课题提出的背景和研究意义-11.3 电能质量参数分析方法-21.3.1 国内外衡量电能质量的指标 -21.3.2 电能质量参数的分析方法 -31.4 论文的研究思路和主要内容-4第二章 电能质量指标综述-52.1 供电电压允许偏差-52.1.1 概念 -52.1.2 电压偏差产生的原因和对电力系统的危害 -52.1.3 电压偏差标准 -62.2 电力系统的频率偏差-62.3 三相

13、电压不平衡度-62.3.1 含有零序分量的的三相系统-72.3.2 没有零序分量的三相系统 -72.3.3 三相电压不平衡度的限值 -82.4 电网谐波分析-82.4.1 谐波的含义和性质 -82.4.2 谐波产生的原因和影响 -82.4.3 谐波限值标准 -92.4.4 谐波畸变的指标 -92.4.5 谐波测量中的采样问题-102.5 电压波动和闪变-102.5.1 电压波动和闪变的定义-102.5.2 电压波动与闪变的限值标准-112.5.3 电压波动和闪变的 IEC 测量-112.6 本章小结-13第三章 虚拟仪器设计平台 LABVIEW -143.1 LABVIEW 简介-143.2

14、LABVIEW 的特点-143.3 LABVIEW 中的常用数据类型-153.3 采用 LABVIEW 编制虚拟仪器程序的步骤-163.4 采用 LABVIEW 实现数据分析处理-173.5 LABVIEW 的仪器驱动-17第四章 基于虚拟仪器的电能质量分析系统的工作原理-184.1 系统的总体结构-184.1.1 系统的硬件部分-184.1.2 系统的软件部分-214.2 系统的功能模块-214.3 各电能质量参数的数字化实现-224.3.1 基本参数的数字化测量-234.3.2 频率追踪测量-244.3.3 三相不平衡度的测量-244.3.4 相位测量-244.3.5 谐波分析-254.4

15、 本章小结-25第五章 电能质量分析系统各功能模块的软件实现-265.1 系统的总体设计思路-265.2 电能质量参数分析系统的软件实现-275.2.1 登录界面-275.2.2 主界面-285.2.3 伏安测量-315.2.4 功率测量模块-325.2.5 不平衡度及相角模块-345.2.6 谐波分析模块-355.3 本章小结-39第六章 系统软件测试-406.1 软件测试方法的介绍-406.2 系统软件的测试过程-40结论和展望-4141参考文献-4242英文原文-4343中文译文-5454致谢-6161 中国矿业大学 2008 届本科生毕业设计（论文） 第 1 页第一章第一章 绪论绪论1

16、.1 引言现代社会中，电能是一种最为广泛使用的能源，其应用程度通常作为一个国家发展水平的主要标志之一。随着科学技术和国民经济的发展，对电能质量的要求越来越高，电能质量的好坏直接关系到国民经济的总体效益。因此，建立和实施电能质量的监测与分析是提高电能质量的一个重要技术手段。传统的电能参数监测系统以硬件为核心，功能单一，已经逐渐无法满足日益复杂的、实时性、多参数测试要求。近年来，计算机技术、通信技术以及测试测量技术的不断发展推动了虚拟仪器(Virtual Instrument，简称 VI )技术的不断发展。虚拟仪器具有丰富的软件功能、简单的硬件结构、智能化程度高等特点，以虚拟仪器技术为平台建立的电

17、能参数监测系统能够克服传统的测试测量系统功能单一、升级复杂等缺点，并且可以使功能更强、精度更高、速度更快、自动化程度更高、灵活性更强。目前在开发虚拟仪器的应用程序中，美国 NI 公司的LabVIEW 是应用最为广泛的。1.2 本课题提出的背景和研究意义 对供电质量及可靠性的要求日益提高是和国民经济发展与科学技术进步相联系的。在电力发展的初期，电力供应比较紧张，人们把关注的焦点放在电力供应的量上，对电能质量的关注程度不多。从 20 世纪 80 年代末以来，随着电力供应的紧张局面逐步缓解以及电力电子技术的蓬勃发展给电力系统自动化带来了很大的变革。但是，电力电子技术的发展同时也给电力系统带来许多不稳

18、定因素，致使电能质量(Power Quality)日益恶化，电力系统的污染日趋严重，由此引起了电力部门、工业生产、人们生活多方面的关注。由于在供电系统中应用了大量的变频器、整流设备、电弧炉等非线性负载，使得电网中的谐波污染情况日趋严重，谐波含量不断增加；由于个别超高压输电线路不循环换位和电力机车等大容量非对称负载的接入，局部电网的不对称度非常严重；由于大容量轧钢机等冲击性负载的接入，部分电网的暂态干扰较大，电压闪变的现象时常发生；此外，由于电网中的自动调压、无功自动补偿装置正确动作率不高等原因，造成用户端电压严重的不稳定，用电高峰时电压过低，而在用电低谷时电压偏高，电网的频率有时也会受到电网负

19、载过重的影响。以上这些现象都属于电能质量方面的问题，它们对电网的安全、稳定运行极为不利，严重地威胁电力系统的正常运行，甚至还会对电能质量要求较高的电力用户造成严重的经济损失。为保护电力系统安全和用户的用电安全，更为了减少损耗，提高用电效率，改善电气环境，就必须解决电能质量的问题。通常通过以下两条措施对电能质量的问题进行治理5:一方面利用现有的技 中国矿业大学 2008 届本科生毕业设计（论文） 第 2 页术条件，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

20、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6,7 : 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

21、。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

22、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。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、频率偏差)8。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 145

23、49-1993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- 中国矿业大学 2008 届本科生毕业设计（论文） 第 3 页2000电能质量电压波动和闪变)14, 16。1.3.2 电能质量参数的分析方法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。按照所采用的不同分析方法，电能质量参

24、数分析有时域、频域、变换域三种1,15。(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

25、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 F

26、ourier 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。 中国矿业大学 2008 届本科生毕业设计（论文） 第 4 页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

27、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。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

28、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

29、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。 中国矿业大学 2008 届本科生毕业设计（论文） 第 5 页第二章第二章 电能质量指标综述电能质量指标综述 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

30、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 概念概念 用电设备的运行指标和

31、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： （2-1）100%额定电压额定电压实际电压）电压偏差（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

32、而改变，系统故障等因素都将引起电力系统功率的不平衡。系统无功功率不平衡是引起系统电压偏差的根本原因。9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 中国矿业大学 2008 届本科生毕业设计（论文） 第 6 页备的损坏。(2)对电网稳定运行的危害 交流输电有个同步运行稳定问题，输电线的输送功率受稳定极限的限制，特别是小扰动下的静态稳定功率极限与电网运行电压有很大的关系，电压越低，功率极限越低，越容易发生不稳定现象。 (3)对电网经济运

33、行的影响输电线路和变压器在输送相同功率的条件下，其电流的大小和运行的电压成反比。电网在低电压状况下运行，会使线路和变压器的电流增大，线路和变压器绕组的有功功率与电流平方成正比。低电压运行会使电网有功功率损耗和无功功率损耗大大增加，增大了供电成本。2.1.3 电压偏差标准电压偏差标准（GB 12325-1990） 允许限制: 1）35kV 及以上为正负偏差绝对值之和不超过 10%；2）10kV 及以下三相供电为7%。3）220V 单相供电为+7%，-10%。2.2 电力系统的频率偏差 电力系统在正常工况下应在标称频率下运行，系统中的用电设备在设计时都是优先按照标称频率设计。但是，由于电力系统负荷

34、不断变动，电源出力及其调节系统追随负荷变化又有一定的惯性，致使系统频率总是一直处于变动的动态之中，不可避免地偏离标称值，即产生频率偏差。因此，必须划出频率允许的偏差范围确保系统运行的可靠性和经济性。13 电力系统频率是指单位时间内电信号周期性运动的次数，所谓频率偏差是指系统频率的实际值和标称值(工频)之差，16其表达式为： (2-2)Nfff式中 指实际供电频率，Hzf 供电网额定频率，HzNf 国标中对系统频率的规定如下: 1)电力系统正常频率偏差范围为-0.2Hz+0. 2HZ。当系统容量较小时，偏差值可以放宽到-0.5Hz+0.5Hz。2)用户冲击负荷引起的系统频率变动一般不得超过 0.

35、2 Hz，根据冲击负荷的性质和大小以及系统的条件也可以适当变动限值，但应保证近区电力网、发电机组和用户的安全、稳定运行以及正常供电。 中国矿业大学 2008 届本科生毕业设计（论文） 第 7 页2.3 三相电压不平衡度在理想的三相交流电力系统中，三相电压应有同样的数值，且按 A,B,C 顺序互成 2/3 角，这样的系统叫做三相平衡系统。然而由于存在各种不平衡因素，实际上电力系统并不是完全平衡的。不平衡的因素可以归结为事故性和正常性两大类。事故性的不平衡是由于三相系统中某一相或两相出现故障所致，这种不平衡工况是系统运行不允许的，一般由继电保护、自动装置动作切除故障元件后在短期内使系统恢复正常运行

36、。正常性的不平衡则是由于系统三相元件或负荷不对称所致，作为电能质量指标之一的“三相电压允许不平衡度”是针对正常不平衡工况制定的. 当三相电源电压畸变不对称时，对于三相四线制电路，电压中除含有谐波分量外，还含有正序、负序、零序分量。对于三相三线制电路，只含有正、负序分量。三相电压的不平衡度通常以负序分量的均方根值与正序分量的均方根值的比值来表示: 10 (2-3)100%UU12 式中 为三相电压正序分量的均方根值1U 为三相电压负序分量的均方根值2U如果将式中的电压符号换为电流符号，就可以求出电流的三相不平衡度。2.3.1 含有零序分量的的三相系统含有零序分量的的三相系统对于含有零序分量的三相

37、系统中，应用对称分量法，分别先利用(2-4)式求出正序分量和负序分量，然后利用(2-3)式求出不平衡度。 (2-4)cbaaaaaUUU1111131UUU22021式中 是正序分量 是负序分量 是零序分量1U2U0U为 a 相基波电压 Ub 为 b 相基波电压 Uc 为 c 相基波电压aU是旋转因子a 2321120jeaj23212402jeaj2.3.2 没有零序分量的三相系统没有零序分量的三相系统当三相电量中不含零序分量时(例如三相线电压、无中线的三相线电流)，当 中国矿业大学 2008 届本科生毕业设计（论文） 第 8 页已知三相电压时，可以用下式求三相电压不平衡度: （2-5）10

38、0%6316-3-1其中 2222444cbacbaUUUUUU与此类似，三相电流不平衡度也可以用其相应的公式计算，只需将其中的电压符号换为相对应的电流符号。2.3.32.3.3 三相电压不平衡度的限值三相电压不平衡度的限值我国国家标准 GB/T 155431995电能质量 三相电压允许不平衡度规定：电力系统公共连接点正常电压不平衡度允许值为 2%，短时不得超过 4%；接于公共连接点的每个用户，引起该点正常电压不平衡度允许值一般为 1.3%。2.4 电网谐波分析2.4.12.4.1 谐波的含义和性质谐波的含义和性质国际上公认的谐波含义为:谐波是一个周期性电量的正弦波分量，其频率为基波频率的整数

39、倍。由于谐波的频率是基波频率的整数倍数，常常也称之为高次谐波。12在国际电工标准中(IEC 555-2, 1982)、国际大电网会议(CIGRE)的文献中对谐波也有了明确的定义:谐波分量为周期量的傅里叶级数中大于 1 的 n 次分量;IEEE 标准中的定义为:谐波为一周期波或量的正弦波分量，其频率为基波频率的整数倍。以上定义明确了有关谐波性质的下列几个问题:(1)谐波次数 n 必须是一个正整数。例如，我国的电力系统额定频率为 50Hz，则其基波为 50Hz，二次谐波为 100Hz，三次谐波为 150Hz。 n 不能为非整数，因此也不能有非整数谐波。(2)必须严格区别谐波现象和暂态现象。为了区分

40、谐波和暂态现象，根据傅立叶级数的基本理论，被变换的波形必须是周期性的。虽然实际上很难完全做到，因为电力系统负荷是变动的，而负荷的变动会影响系统中谐波含量，但在实际分析中只要被分析的现象或情况持续一段适当的时间，就可以应用傅里叶变换。因此，需要区分清楚什么是谐波现象(波形保持不变)和什么是暂态现象(每周的波形都发生变化)。 中国矿业大学 2008 届本科生毕业设计（论文） 第 9 页2.4.2 谐波产生的原因和影响谐波产生的原因和影响谐波产生的根本原因是系统中非线性负载的应用，如高压直流输电系统、变频器、可控整流器、电弧炉、电动机车等的应用，造成电网中的谐波污染、三相电压的不对称性以及电压波动和

41、闪变日趋严重。同时，由于上述负荷的存在，使得电力系统中的供电电压即便是正弦波形，其电流波形也将偏离正弦波形而发生畸变。非正弦波形的电流在供电系统中传输时将迫使沿途电压下降，其电压波形也将受其影响而产生不同程度的畸变。这种电能质量的下降会给电力系统和用电设备带来严重的危害。电网中谐波含量的增加，将导致电气设备的寿命缩短，网损加大，系统发生谐波谐振的可能性增加，严重时会造成危险的过电压、过电流，同时还可能引起继电保护和自动装置误动作、仪表指示和电度计量不准，使通信系统受干扰等一系列问题。52.4.32.4.3 谐波限值标准谐波限值标准（GB/T 145491993）表 2-1 各级电网电压谐波限制

42、电压（kV）THD奇次偶次0.3854.02.06.1043.21.635.6632.41.2110、22021.60.82.4.4 谐波畸变的指标谐波畸变的指标谐波分析的方法有很多种，如傅立叶变换、卡尔曼滤波、小波分析等。傅里叶变换作为经典的信号分析方法己经比较成熟。特别是快速傅里叶变换(FFT)的应用，有效地提高了信号处理的实时性。电流和电压信号通过傅立叶变换来进行谐波分析，根据电压、电流谐波的幅值和相位可以计算出各次谐波的功率因数角，进而计算出有功、无功、视在功率。为了定量表示电力系统正弦波形的畸变程度，采用以各次谐波含量和谐波总量大小来表示下列波形畸变指标。(1)谐波含有率(Harmo

43、nic Ratio HR): k 次谐波分量的有效值(或幅值)与基波分量的有效值(或幅值)的比值。第 k 次谐波电压的含有率: 中国矿业大学 2008 届本科生毕业设计（论文） 第 10 页 （2-6）100%1UUHRUkk第 k 次谐波电流的含有率： （2-7）100%1IIHRIkk(2)总谐波畸变率(Total Harmonic Distortion ;THD):谐波总量的有效值与基波分量的有效值之比。 谐波电压总量: (2-8)2222322kkkHUUUUU 电压总谐波畸变率： （2-9）100%100221kkHuHRUUUTHD同理，用（2-8）式和（2-9）式亦可得出电流总谐

44、波畸变率。提高电能质量，防止谐波的危害，限制电力系统的谐波，就是要把上述指标限制在国标规定的允许范围之内。2.4.5 谐波测量中的采样问题谐波测量中的采样问题对周期为 T 的连续信号做等间隔的 N 点采样时，采样周期为 T/N，对应的采样频率为为周期信号频率的 N 倍，分析其频谱可知，其频谱为以采样NfTNfs/频率为周期的周期性离散谱，所得的最高谐波频率次数为 N/2-1。设原信号的最高谐波频率为 fc，则采样频率必须满足 fs 2fc,才能正确的表示原信号的信息，这就是采样定理。通常将采样频率的一半称为奈奎斯特频率。当采样频率低于 2 倍的奈奎斯特频率()时，原信号中高于的频谱分量将会在低

45、于频谱中再现，csff22/cf2/cf即会出现频谱混叠，会使频谱分析出现误差。为了防止频谱混叠造成的谐波误差，除提高采样频率外，还可使原信号在采样前预先设置低通滤波器，除去高于一半采样频率以上频率的谐波，使被采样信号中仅有 fs / 2 以下谐波分量，对这样的信号采样做离散傅里叶变换，所得到的频谱就不会发生频谱的混叠，这样就能够准确表达原信号的信息。11 中国矿业大学 2008 届本科生毕业设计（论文） 第 11 页2.5 电压波动和闪变电力系统的电压波动和闪变主要是由具有冲击性(快速变动)功率的负荷引起的，例如炼钢电弧炉、轧钢机、电弧焊机等，这类负荷的特点是在生产过程中有功和无功功率随机地

46、或周期性地大幅度变动。随着工业的发展，这类负荷的功率越来越大，使电网电压很容易产生波动和闪变，严重影响了电网的电能质量。因此，对电压波动和闪变的研究显得越来越重要。2.5.1 电压波动和闪变的定义电压波动和闪变的定义(1)电压波动首先必须区分快速电压变动和电压波动概念。供电电压在两个相邻的、持续时间在 1s 以上的电压有效值 U1 和 U2 之间的差值，称为电压变动23。在不超过30ms 的期间内，同方向的二次或二次以上的电压均方值的变动，只算做一次电压变动。通常多以一次电压变动值与标称电压的比值的百分数来表示电压变动的相对百分值 d，即 (2-10)%100100%21NNUUUUUd电压波

47、动是指一系列电压波动或工频电压包络线的周期变化。电压波动值为电压均方根值的两个极值的差值，通常用此差值与额定电压之比的minmaxUU与NU百分数表示其相对百分值16，即 （2-11）%100100%minmaxNNUUUUUd(2)电压闪变17电压闪变是指人眼对由电压波动所引起的照明异常的视觉感受，它通常是以白炽灯的工况作为判断依据。电压闪变可分为周期性和非周期性两种，前者主要是由于周期性的电压波动引起的，如往复式压缩机、电弧炉等;后者往往与随机性电压波动有关，如电焊机等。2.5.2 电压波动与闪变的限值标准电压波动与闪变的限值标准（GB 123262000）电压变动 d 的限值和变动频度

48、r 有关：当时，对于低压（LV）和11000hr中压（MV） ，d=1.25%4%；对于高压（HV） ，d=1%3%；对于随机不规则的变动，d=2%（LV，MV）和 d=1.5%（HV） 。闪变限值：表-2-2 各级电网电压闪变限值 中国矿业大学 2008 届本科生毕业设计（论文） 第 12 页系统电压等级LVMVHVPst1.00.9（1.0）0.8Plt0.80.7（0.8）0.6注：1.括号中的值仅适用于所有用户为同电压等级场合； 2.Pst 是短时间闪变值，Plt 是长时间闪变值。2.5.3 电压波动和闪变的电压波动和闪变的 IEC 测量测量(1)电压波动的测量要对电压波动与闪变进行有

49、效的抑制，首要的任务就是要准确地提取出波动信号，通常将电压波动看成以工频额定电压为载波，其电压的幅值受频率范围0.0535Hz 的电压波动分量的调制。因此，电压波动分量的检出方法可采用通信理论中大功率载波调制信号解调方法，用与载波信号同频同相的周期信号乘以被调信号，将电压波动量与工频载波电压分离，通过带通滤波器得到波动电压分量。目前常用的电压波动检测方法主要有三种:平方解调检波法、整流检波法、有效值检波法。18下面简单介绍平方检波法的原理。考虑电压波动分量，就是在基波电压上叠加一系列的调幅波，为使分析简化又不失一般性，将工频电压 u (t)的瞬时值解析式写成: (2-12)ttmAtucosc

50、os1式中：A工频载波电压的幅值 工频载波的角频率m调幅波电压的幅值 调幅波电压的角频率 为求解出电压波动只需解调出调幅波，将上面(2-12)式进行平方:tmvcos 中国矿业大学 2008 届本科生毕业设计（论文） 第 13 页 （2-13）经过 0.0535Hz 的带通滤波器滤去直流分量和工频及以上的分量，便可检测出调幅波即电压波动分量，其输出为: （2-14）由于 m 远远小于 1，那么(2-14)式中的第二项就非常的小，可以忽略不计，这样就可以获得电压波动的分量。(2) IEC 的闪变测量14国际电工委员会(工 EC)依据 1982 年国际电热协会(UIE)的推荐，于 1986 年给出

51、了闪变仪的功能和实际规范。1992 年 UIE 又作出详细的论述，其框图如图 2-1所示。按此原理和框图制作的闪变仪，已在英、法、德、意和比等五国进行联合测试，并证明完全符合要求。输入适配和自检信号平方检波滤波器0.050.35Hz 带通滤波器、加权滤波器平方一阶低通滤波器闪变统计评定U（t）PstPlt图 2-1 IEC 推荐的闪变仪原理框图2.6 本章小结本章对电能质量五项国家标准一一做了介绍，重点介绍了电网谐波、电压波动和闪变指标，同时深入的分析了电能质量五项指标的测量方法。 中国矿业大学 2008 届本科生毕业设计（论文） 第 14 页第三章 虚拟仪器设计平台 LabVIEW目前，开发

52、虚拟仪器软件一般有两种方法:一是用通用高级编程语言编写，主要有 Microsoft 公司的 Visual Basic、 Visual C+, Borland 公司的 Delphi, NI公司的 LabWindows/CVI 等；二是用专业图形化编程平台开发。如 NI 公司的LabVIEW，HP 公司的 HPVEE 等。其中美国 NI 公司的图形化编程平台 LabVIEW 最为科研学者和工程师们推崇，本电能质量分析系统就是用 LabVIEW 开发的。3.1 LabVIEW 简介 LabVIEW 是英文 Laboratory Virtual Instrument Engineering Workb

53、ench 的简写，即实验室虚拟仪器工程平台，它是世界上第一个采用图形化编程技术的面向仪器的 32 位编译型程序开发系统，由 NI 公司于 20 世纪九十年代推出并不断更新。LabVIEW 是基于图形化编程语言(G 语言)的开发环境，它将直观的前面板与流程图式的编程方法结合起来，是开发虚拟仪器的强大和理想的工具。 1 在 LabVIEW 中，一个虚拟仪器(VI)程序由两部分组成:前面板(Front Panel)和流程图(Block Diagram)。前面板对应于传统电子仪器的控制面板，是图形化的用户界面，用户可通过前面板对仪器进行设置。在前面板上，用户的输入是通过被称为 Control 摸板的输

54、入控件实现的，程序运行的结果输出则由 Control 模板的 Indictor 控件来实现。虚拟仪器输出结果非常丰富，既可以输出数据，又可以输出各种图形，还可以保存为纯文本、二进制文件等多种文件格式。3.2 LabVIEW 的特点 与其它编程语言相比，LabVIEW 具有以下特点: 1） LabVIEW 采用了可视化编程技术，在前面板上提供了工业领域多种显示和控制对象，如开关、旋钮、LED 指示灯、仪表、图形等。同时，用户还可以对这些对象进行修改以适合不同需要。LabVIEW 平台内部集成了大量功能强大的函数库供用户直接调用，从底层 VXI, GPIB、串口及数据采集板的控制子程序到大量的仪器

55、驱动程序，从基本的功能函数到高级分析库、涵盖了仪器设计中所需要的几乎所有函数。 2）LabVIEW 内置的程序编译器采用编译方式运行 32 位应用程序，解决了其它按解释方式工作的图形编程平台速度慢的问题，其速度大体相当于编译 C 的速度，因此编制出的虚拟仪器程序执行效率高。 3) LabVIEW 支持的数据类型于其他高级语言(如 C 语言)相同，包括:数值型，文本型，布尔型，串和簇(相当于 C 语言中的结构)，同时它和 C 语言一样支持顺序、循环、选择等结构，具有自动报错和处理功能。 中国矿业大学 2008 届本科生毕业设计（论文） 第 15 页 4)在 LabVIEW 环境下也可以设定程序断

56、点，进行带数据探针的单步运行，加亮执行程序进行数据流追踪。这些功能使程序的开发调试变得更为容易。 5 ) LabVIEW 是开放式的开发平台，可以通过 DLL(动态链接库)接口和 CIN(代码接口节点)，调用其它编程软件(如 VC+, C)平台编译的模块。6)LabVIEW 提供对 TCP/IP, UDP 等网络协议的支持，可以实现仪器测量网络化。3.3 LabVIEW 中的常用数据类型 LabVIEW 的数据类型与传统编程语言中的数据类型基本类似，除了具有一般的数据类型之外，还有一些独特的数据类型。表 3-1 列出了 LabVIEW 中常用的几种数据类型及其相对应的前面板对象的默认值、端口图

57、标和连线形式。每种类型的端口图标都有一种颜色，以示区别。控制端口图标的边框为粗实线，端口右侧有一个享有的箭头，表示输出数据，指示端口的图标的边框为细实线，端口左侧有一个向左的箭头，表示输入数据。表 3-1 LabVIEW 中常用的几种数据类型数据类型数据类型 默认值默认值端端 口口 图图 标标连线形式连线形式双精度浮点0.0 枚举布尔False字符串空字符数组簇路径空路径动态数据 中国矿业大学 2008 届本科生毕业设计（论文） 第 16 页波形数据 3.3 采用 LabVIEW 编制虚拟仪器程序的步骤1.确定程序设计总体方案 在编制虚拟仪器程序前，必须首先对程序进行总体设计分析:一是确定程序

58、要实现的功能、要显示的图形图像、要输出的报表;二是确定程序的层次关系，如主程序和子程序之间的关系、虚拟仪器程序与硬件的连接关系等。2.确定虚拟仪器程序前面板 在完成虚拟仪器程序总体设计后，就可在前面板上布置实现所需功能的显示对象，这些对象包括开关旋钮控制、数据显示、表头、波形显示、相量图、频谱图显示等，前面板布置好这些对象后，工程技术人员通过鼠标、键盘就可像操作传统仪器一样地操作虚拟仪器。3.构建图形化流程图在 LabVIEW 开发环境中，后台流程图与前面板控制显示对象对应，开发人员的任务是通过连接不同功能的函数模块使数据流从输入对象经过处理传送到输出对象。与传统的文本式程序设计一样，LabV

59、IEW 也有结构化数据流编程部分，包括顺序（Sequence） 、条件（case） 、 For 循环、 While 循环、事件等结构，如图3-1 所示。图 3-1 LabVIEW 中的主要结构函数这些结构被描述成图形化的边界结构，开发人员不必注意传统程序设计所需的语法细节，只需直接将它们连接起来就可完成数据传递。在编制大型复杂的虚拟仪器应用程序时，由于所用模块很多，这时必须考虑程序的层次结构，这可以通过灵活编制子程序、采用更为简单高效的计算原理等方式来实现。4.调试和优化程序 和传统程序一样，在编制虚拟仪器程序时，需要不断对程序进行调试分析， 中国矿业大学 2008 届本科生毕业设计（论文）

60、第 17 页LabVIEW 程序调试功能十分强大易用，可以灵活设定程序断点，进行带数据探针的单步运行，加亮执行程序进行数据流追踪判断。同时，LabVIEW 是目前唯一带有编辑器的图形化编程环境，它可根据用户编制程序自动产生最优化代码，加快程序运行速度。另外，用户还可以利用内置的绘图器对程序代码部分进行分析和优化。3.4 采用 LabVIEW 实现数据分析处理LabVIEW 之所以强大易用，很大程度上是因为 LabVIEW 内置了极其丰富的数据分析处理函数模块。可以说，正是因为采用了这些由软件实现的功能模块，替代了原来必须用硬件完成的数字信号处理分析功能，才出现了“软件就是仪器”的概念，开发出的

61、仪器才被称为虚拟仪器。1.与外界信号接口模块这部分模块与 DAQ 硬件系统结合，可以将已经过信号调理和 A/D 转换的外界信号与流程图进行接口，实现原始数据的输入，2.平滑窗口模块在频谱分析中使用平滑窗口能够减少在离散数据块下使用 FFT 而产生的频谱泄漏。傅立叶变换方法的基本假设会在频域内的数据产生意外尖峰和频谱泄漏，而利用合适的平滑窗口能够消除频谱泄漏。3.数字滤波器模块 数字滤波器可以消除由电于元件产生的噪声信号，或者由环境影响产生的噪声。LabVIEW 软件有三种类型的滤波器，IIR 滤波器、FIR 滤波器以及非线性响应滤波器。4.时频域转换模块计算机进行数字信号处理时，需要对时域信号

62、进行离散采样，转换到频域进行频谱分析，它反映的一些信息是时域分析中得不到的。LabVIEW 内置了这些变换必须的函数模块，典型的如 FFT，在虚拟仪器程序中，用户直接调用即可，非常方便，见图（3-2） 。图 3-2 时频域转换函数3.5 LabVIEW 的仪器驱动仪器驱动是一套高级、具有指导性的功能，它将硬件和软件紧密结合起来，用来控制 GPIB, VXI, RS232, RS485，或基于计算机的仪器 I/0 接口程序。仪器驱 中国矿业大学 2008 届本科生毕业设计（论文） 第 18 页动程序是提高虚拟仪器程序运行效率的关键。一个仪器驱动程序功能包括仪器命令的语法、I/0 接口协议、数据语

63、法分析以及扫描等。 中国矿业大学 2008 届本科生毕业设计（论文） 第 19 页第四章 基于虚拟仪器的电能质量分析系统的工作原理虚拟仪器技术是一种基于计算机的实时测控技术，它使现代测试仪器不但具有传统仪器、仪表的全部功能，同时还可以充分地利用计算机强大的信息处理能力、存储容量和网络功能，解决电能质量参数监测中的数据读取、存储、分析以及远程传输等，此外虚拟仪器具有功能丰富的面板，使得测量结果更加直观清晰。本章首先介绍了系统的总体结构方案设计，然后详细地阐述了系统硬件部分的方案设计和软件设计思路，最后介绍该系统中电能质量参数的监测的数字化处理方法。4.1 系统的总体结构 基于虚拟仪器的电能质量参

64、数分析系统同样必须具备传统监测分析系统的三大功能模块：数据采集模块、数据分析处理模块和结果显示模块。数据采集模块还是由传统的采集硬件来完成，不同的是数据分析处理模块和结果显示模块完全由计算机软件实现，这部分功能不受硬件限制，可以根据用户的需求可以随时增加修改模块，这一优势是传统仪器所无法比拟的。对于本论文所研究的电能质量参数监测分析系统，软件部分是核心，只要硬件部分将监测点的电压和电流信号经信号调理器和数据采集卡以最小失真度转换成数字信号，其余的任务如滤波、加窗、数据处理和统计分析、数据远传以及显示打印等完全交给软件来处理。总体来说，基于虚拟仪器思想所建立的电能质量分析系统由两大部分组成：硬件

65、部分和软件部分。系统的总体结构如图 4-1 所示。4.1.1 系统的硬件部分系统的硬件部分本系统采用了虚拟仪器技术，该技术的核心是使用软件代替传统监测分析系统中关于数据分析处理的硬件模块。这并不是说明系统不需硬件支持，软件毕竟要建立在硬件基础之上。在本论文所研究的基于虚拟仪器技术的电能质量参数监测系统中，基本的硬件部分包括：传感器、信号调理器、信号采集卡、计算机系统，硬件结构如图 4-2 所示。19 中国矿业大学 2008 届本科生毕业设计（论文） 第 20 页原始电压信号原始电压信号原始电流信号原始电流信号传感器传感器信号调理（多路电气量隔离、信号调理（多路电气量隔离、放大、滤波、线性化变换

66、）放大、滤波、线性化变换）信号采集卡信号采集卡装有虚拟仪器装有虚拟仪器软件的计算机软件的计算机数据处数据处理分理分 析析数据数据通信通信数据数据存储存储报表报表打印打印结果结果显示显示图 4-1 总体结构图传感器传感器信号调理电路信号调理电路数据采集卡数据采集卡计算机计算机图 4-2 硬件结构图1. 传感器 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采集卡量程要求的电压、电流信号。这里就要把被测的强电信号转换成弱电信号，出于对系统的可靠性及安全性方面的考虑，仪器与各种强电信号在电气上必须是隔离的，不能把电压和电流信号直接送到数据采集卡，因此使用了电压互感器(PT)和电流互感器(CT)。为了方便测量，在这一环节中，传感器的选择是至关重要的，如果选取的传感器精度不够，线性度不好，无论是信号转换或信息处理，或者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变得毫无意义。 在本系统中，传感器采用的是基于霍尔原理的闭环补偿电压互感器和电流互感器。具有精度高、线性好、频带宽、响应快、过载能力强和不损失测量电路能 中国矿业大学 2008 届本科生毕业设计（论文） 第 21 页量等优