【正文】 件模塊軟件系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)的功能主要有數(shù)據(jù)傳輸、分析處理和人機(jī)交互界面三大部分：①數(shù)據(jù)傳輸模塊保證采集到的電壓和電流數(shù)據(jù)能夠?qū)崟r(shí)傳輸給數(shù)據(jù)處理分析模塊，以方便后續(xù)模塊的分析處理；②數(shù)據(jù)處理分析模塊主要用來(lái)完成對(duì)各項(xiàng)電能質(zhì)量指標(biāo)的分析計(jì)算。五、 預(yù)期效果采用LabVIEW豐富的信號(hào)處理函數(shù)和友好的界面能很好的實(shí)現(xiàn)上述方案的要求，實(shí)現(xiàn)對(duì)電能質(zhì)量相關(guān)參量的在線監(jiān)測(cè)，并界面友好地為用戶顯示分析結(jié)果及超限警告，最后將分析結(jié)果傳輸給數(shù)據(jù)庫(kù)從而達(dá)到數(shù)據(jù)備份的功能。NI公司的LabVIEW軟件具有豐富的軟件功能、簡(jiǎn)單的硬件結(jié)構(gòu)、高度的智能化等特點(diǎn)，是當(dāng)今最完善、影響力最大的一種圖形化編程語(yǔ)言,在測(cè)量領(lǐng)域中處于領(lǐng)先地位。并針對(duì)LabVIEW軟件中的一些概念和使用到的VI進(jìn)行了介紹。隨著科學(xué)技術(shù)和國(guó)民經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，對(duì)電能的需求量日益增加，同時(shí)對(duì)電能質(zhì)量的要求也越來(lái)越高。其原因歸納起來(lái)有以下二個(gè)方面[3]：(1) 現(xiàn)代電力系統(tǒng)中用電負(fù)荷結(jié)構(gòu)發(fā)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(fù)荷(如電弧爐、電氣化鐵路、整流裝置等)迅速發(fā)展，很大程度上削弱和干擾了電網(wǎng)的經(jīng)濟(jì)運(yùn)行；(2) 為了提高勞動(dòng)生產(chǎn)率和自動(dòng)化水平，大量基于計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的控制設(shè)備和電子裝置投入使用，這些裝置對(duì)電能質(zhì)量問(wèn)題非常敏感。1988年，我國(guó)電力工業(yè)部為了加強(qiáng)電網(wǎng)電能質(zhì)量管理工作，曾頒布執(zhí)行了《電網(wǎng)電能質(zhì)量技術(shù)監(jiān)督管理規(guī)定》，提出了“誰(shuí)干擾，誰(shuí)污染，誰(shuí)治理”的原則，并指出保證電網(wǎng)安全、穩(wěn)定、經(jīng)濟(jì)、優(yōu)質(zhì)運(yùn)行，全面保障電能質(zhì)量是電力企業(yè)和用戶共同的責(zé)任和義務(wù)。 國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀電能質(zhì)量問(wèn)題的凸顯，使電能質(zhì)量監(jiān)測(cè)產(chǎn)品日益豐富起來(lái)，如何監(jiān)測(cè)復(fù)雜多變的電能質(zhì)量現(xiàn)象，分析各種電能質(zhì)量問(wèn)題的成因，成為這些產(chǎn)品共同的目標(biāo)。在國(guó)內(nèi)外，對(duì)電能質(zhì)量進(jìn)行監(jiān)測(cè)與分析時(shí)，絕大部分采用智能儀器，主要利用數(shù)字技術(shù)和硬件來(lái)實(shí)現(xiàn)。我們國(guó)內(nèi)對(duì)于電能質(zhì)量問(wèn)題的研究起步較晚，然而傳統(tǒng)的電能質(zhì)量監(jiān)測(cè)系統(tǒng)在下列幾個(gè)方面比較欠缺：(1) 功能單一型問(wèn)題；(2) 生產(chǎn)調(diào)試率低下問(wèn)題；(3) 開(kāi)發(fā)周期和開(kāi)發(fā)費(fèi)用問(wèn)題。本設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū)的具體工作如下：(1) 講述電能質(zhì)量問(wèn)題研究的發(fā)展情況，說(shuō)明對(duì)電能質(zhì)量進(jìn)行監(jiān)測(cè)的必要性，指出電能質(zhì)量監(jiān)測(cè)方面的研究現(xiàn)狀及其存在的問(wèn)題，并提出基于LabVIEW的電能質(zhì)量監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的方案；(2) 對(duì)電能質(zhì)量的國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行簡(jiǎn)要介紹。同時(shí)，在三相交流系統(tǒng)中，各相電壓和電流的幅值應(yīng)大小相等、相位互差120176。電能質(zhì)量指標(biāo)的制定在經(jīng)濟(jì)和技術(shù)上應(yīng)滿足以下三點(diǎn)[4]：①保證電力系統(tǒng)安全，提高供電可靠性和電網(wǎng)運(yùn)行的經(jīng)濟(jì)性；②保證用戶電氣設(shè)備的正常生產(chǎn)；③當(dāng)超標(biāo)時(shí)，電力部門(mén)和干擾用戶在當(dāng)前經(jīng)濟(jì)和技術(shù)水平上，作一定的努力后應(yīng)能達(dá)標(biāo)。一般來(lái)說(shuō)造成電網(wǎng)電壓偏差的最主要原因是無(wú)功功率的傳輸。對(duì)于發(fā)電機(jī)而言，電壓偏差會(huì)引起無(wú)功電流的增大，對(duì)發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子的去磁效應(yīng)增加，電壓降低，過(guò)度增大激磁電流使轉(zhuǎn)子繞組的溫升超過(guò)允許范圍，加速絕緣老化，降低電機(jī)壽命，甚至燒壞。(21)計(jì)算出的供電電壓偏差的限值應(yīng)滿足如下規(guī)定：①35kV及以上供電電壓正、負(fù)偏差的絕對(duì)值之和不超過(guò)額定電壓的10%，如電壓上下偏差同號(hào)(均為正或負(fù))時(shí)，按較大的偏差絕對(duì)值作為衡量依據(jù)；②20kV及以下三相供電電壓允許偏差為標(biāo)稱電壓的177。(22) 電力系統(tǒng)頻率偏差 頻率偏差的危害從整個(gè)電力系統(tǒng)來(lái)講，低于系統(tǒng)頻率或高于頻率運(yùn)行時(shí)，對(duì)發(fā)電廠和用戶都有不利的影響[7]，具體表現(xiàn)為：(1) 用戶使用的電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速與系統(tǒng)頻率有關(guān)。 國(guó)標(biāo)中的規(guī)定及計(jì)算方法在國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)《電能質(zhì)量 電力系統(tǒng)頻率偏差》中規(guī)定了供電電壓偏差的相關(guān)計(jì)算方法及限制[8]。當(dāng)系統(tǒng)容量較小時(shí)，偏差可以放寬到177。統(tǒng)計(jì)時(shí)間以秒為單位，計(jì)算公式如式(24)所示。具體表現(xiàn)為：(1) 對(duì)旋轉(zhuǎn)電機(jī)(發(fā)電機(jī)和電動(dòng)機(jī))產(chǎn)生附加功率損耗和發(fā)熱、產(chǎn)生脈動(dòng)轉(zhuǎn)矩和噪聲；(2) 對(duì)無(wú)功補(bǔ)償電容器組引起諧振或諧波電流的放大，從而導(dǎo)致電容器因過(guò)負(fù)荷或過(guò)電壓而損壞；對(duì)電力電纜也會(huì)造成電纜的過(guò)負(fù)荷或過(guò)電壓擊穿；(3) 對(duì)供電網(wǎng)和導(dǎo)線，增加供電網(wǎng)的損耗?，F(xiàn)代指示均方根值的電壓表和電流表相對(duì)地不受波形畸變的影響，受諧波影響較大的是計(jì)量電能的感應(yīng)型電能表，其誤差與頻率特性和非線性度造成的誤差有關(guān)。表 21 公用電網(wǎng)諧波的限值電網(wǎng)標(biāo)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6103566110(1) 諧波術(shù)語(yǔ)的數(shù)學(xué)表達(dá)式第h次諧波電壓含有率HRUh，如公式(25)所示：(25)式中，Uh——第h次諧波電壓(方均根值)；Ul——基波電壓(方均根值)。電壓變動(dòng)頻度為調(diào)幅波頻率的2倍，或表示為f(Hz)=r(s1)/2。出現(xiàn)供電電壓波動(dòng)，使實(shí)際運(yùn)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(dòng)性負(fù)荷投運(yùn)引起的。閃變是電壓波動(dòng)的直接反映，當(dāng)電壓波動(dòng)嚴(yán)重到引起照明燈具閃爍時(shí)，會(huì)使人眼感到疲勞甚至難以忍受而降低工作效率。表22 電壓波動(dòng)限值r/(次/h)d/%LV、MVHVr ≤ 1431 r ≤ 103**10 r ≤ 1002100 r ≤ 10001注1：很少的變動(dòng)頻度(每日少于1次)，電壓變動(dòng)限值d還可以放寬。電壓變動(dòng)d的定義表達(dá)式如式所示(29)式中，?U——電壓方均根值曲線上相鄰兩個(gè)極值電壓之差； UN——系統(tǒng)標(biāo)稱電壓。三相電源電壓畸變不對(duì)稱時(shí)，對(duì)于三相四線制電路，可以分解為正序、負(fù)序和零序分量；對(duì)于三相三線制電路，可分解為正序和負(fù)序分量，而沒(méi)有零序分量。三相電壓或電流不平衡會(huì)對(duì)電力系統(tǒng)和用戶造成一系列的危害，其中主要有：(1) 引起旋轉(zhuǎn)電機(jī)的附加發(fā)熱和振動(dòng)，危及其安全運(yùn)行和正常工作；(2) 引起以負(fù)序分量為起動(dòng)元件的多種保護(hù)發(fā)生誤動(dòng)作(特別是當(dāng)電網(wǎng)中同時(shí)存在諧波時(shí))，這對(duì)電網(wǎng)安全運(yùn)行是有嚴(yán)重威脅的；(3) 導(dǎo)致半導(dǎo)體變流設(shè)備產(chǎn)生附加的諧波電流(非特征諧波)，而這種設(shè)備一般設(shè)計(jì)上只允許2%的電壓不平衡度；(4) 導(dǎo)致發(fā)電機(jī)容量利用率下降。同時(shí)，該標(biāo)準(zhǔn)還規(guī)定了不平衡度的計(jì)算方法[14]。本設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū)軟件設(shè)計(jì)分析過(guò)程既是采用這種方法。第 3 章 軟件開(kāi)發(fā)環(huán)境介紹 虛擬儀器的介紹虛擬儀器(Virtual Instruments)的起源可以追溯到20世紀(jì)70年代，PC機(jī)出現(xiàn)以后，儀器的計(jì)算機(jī)化成為可能，于是誕生基于計(jì)算機(jī)的儀器，即虛擬儀器。虛擬儀器廣泛的應(yīng)用于電子測(cè)量、電力工程、礦物勘探、醫(yī)療、振動(dòng)分析、聲學(xué)分析、故障診斷及教學(xué)科研等諸多領(lǐng)域。虛擬儀器的好壞，很大程度上取決于軟件水平的高低。(4) 測(cè)量更方便因?yàn)閭鹘y(tǒng)儀器功能單一，所以對(duì)一個(gè)信號(hào)完成多個(gè)參數(shù)的測(cè)量需要多臺(tái)儀器，使測(cè)量受到連接方式、電纜長(zhǎng)度等因素的影響。表31 傳統(tǒng)儀器和虛擬儀器的對(duì)比虛擬儀器傳統(tǒng)儀器界面圖形化，計(jì)算機(jī)直接讀取數(shù)據(jù)并分析處理圖形界面小，人工讀取數(shù)據(jù)，信息量小可方便的與網(wǎng)絡(luò)外設(shè)及多種儀器連接與其它儀器設(shè)備的連接十分有限關(guān)鍵是軟件，系統(tǒng)升級(jí)方便，可通過(guò)網(wǎng)絡(luò)下載升級(jí)程序關(guān)鍵是硬件，升級(jí)成本高，而且要上門(mén)進(jìn)行升級(jí)服務(wù)價(jià)格低廉，儀器間資源可重復(fù)利用率高價(jià)格昂貴，儀器間一般無(wú)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(yùn)輸開(kāi)發(fā)與維護(hù)費(fèi)用較低開(kāi)發(fā)與維護(hù)開(kāi)銷高技術(shù)更新周期短(1～2年)技術(shù)更新周期長(zhǎng)(5～10年) LabVIEW軟件介紹虛擬儀器的核心技術(shù)思想就是“軟件即是儀器”，由此突出了軟件在虛擬儀器系統(tǒng)中的重要性。LabVIEW程序又稱虛擬儀器，即VI，其外觀和操作均模仿現(xiàn)實(shí)儀器。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(shù)據(jù)。接線端用以表示輸入控件或顯示控件的數(shù)據(jù)類型。節(jié)點(diǎn)是程序框圖上的對(duì)象，具有輸入輸出端，在VI運(yùn)行時(shí)進(jìn)行運(yùn)算。不同數(shù)據(jù)類型的連線有不同的顏色、粗細(xì)和樣式。使用程序框圖中的結(jié)構(gòu)可對(duì)代碼塊進(jìn)行重復(fù)操作，有條件執(zhí)行或按特定順序執(zhí)行代碼。(1) 波峰檢測(cè)VI在測(cè)量電壓值的過(guò)程中使用到了波峰檢測(cè)VI，如圖31所示。對(duì)于每個(gè)波峰或波谷，二次擬合可與閾值進(jìn)行比較。第一個(gè)或最后一個(gè)數(shù)據(jù)塊傳遞至該VI時(shí)，必須通知該VI，使VI初始化并傳遞內(nèi)部數(shù)據(jù)至波峰檢測(cè)算法。可通過(guò)式(31)表示實(shí)數(shù)單頻信號(hào)：(31)A、f 和? 分別是單頻信號(hào)的是幅值、頻率和相位，F(xiàn)S是輸入波形信號(hào)的采樣率。根據(jù)輸入的波形數(shù)據(jù)類型的不同，會(huì)返回不同數(shù)據(jù)類型的數(shù)據(jù)。圖34 TCP偵聽(tīng)VI開(kāi)始偵聽(tīng)某個(gè)指定端口時(shí)，不能再使用該VI偵聽(tīng)該端口。如在端口接線端連入值0，在服務(wù)名稱接線端連入空字符串，每次調(diào)用VI都將在開(kāi)放的端口上創(chuàng)建一個(gè)新的偵聽(tīng)器?；蛘哌B接偵聽(tīng)器ID接線端至TCP等待偵聽(tīng)器函數(shù)，在一個(gè)端口上偵聽(tīng)連接。該錯(cuò)誤在默認(rèn)的60000毫秒超時(shí)前發(fā)生。第 4 章 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)經(jīng)過(guò)對(duì)國(guó)家電能質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)的學(xué)習(xí)和虛擬儀器技術(shù)的了解，本人以國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)為依據(jù)，利用NI公司的LabVIEW2012軟件，設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)了完整的電能質(zhì)量監(jiān)測(cè)系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)?？傮w來(lái)說(shuō)，基于虛擬儀器思想所建立的電能質(zhì)量監(jiān)測(cè)系統(tǒng)由兩大部分組成：硬件部分和軟件部分，將硬件部分和軟件部分綜合起來(lái)，系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)如圖41所示。圖42 系統(tǒng)軟件框圖 數(shù)據(jù)傳輸模塊的設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)傳輸模塊使用TCP系列VI和函數(shù)實(shí)現(xiàn)，具體實(shí)現(xiàn)和流程圖如圖43所示。圖46 寫(xiě)入TCP子vi圖47 讀取TCP子vi 數(shù)據(jù)分析模塊的設(shè)計(jì) 電壓偏差測(cè)量模塊電壓偏差是指系統(tǒng)各處的電壓偏離其額定值的百分比，本設(shè)計(jì)的電壓偏差測(cè)量模塊流程圖如圖48所示。圖49 電壓偏差測(cè)量模塊程序框圖程序中的系統(tǒng)電壓幅值是由一個(gè)局部變量輸入，它與系統(tǒng)電壓幅值相關(guān)聯(lián)，同步變化。圖411 頻率偏差測(cè)量模塊流程圖其中獲得系統(tǒng)電壓頻率通過(guò)使用提取單頻信息VI，輸出交流電壓頻率，通過(guò)與工頻的計(jì)算比較，偏離度超限，報(bào)警指示燈都會(huì)亮起，再通過(guò)條件結(jié)構(gòu)在超限后將超限時(shí)間+1，程序思路同電壓幅值測(cè)量偏差，具體程序如圖412所示。將信號(hào)的時(shí)域顯示(采樣點(diǎn)的幅值)通過(guò)離散傅里葉變換(DFT)的方法轉(zhuǎn)換為頻域顯示。(41)其中，ut是交流電壓的瞬時(shí)值，經(jīng)過(guò)變換后，可以把時(shí)域信號(hào)變?yōu)轭l域信號(hào)，An是n次諧波的幅值，諧波頻率與基波頻率的比值(n=fn/f1)成為諧波次數(shù)。根據(jù)國(guó)標(biāo)規(guī)定，測(cè)量諧波次數(shù)一般為2～19次，本設(shè)計(jì)將諧波次數(shù)設(shè)為20次，最高諧波頻率為1000Hz。而為了減小柵欄效應(yīng)引起的誤差最好辦法是將所有需要測(cè)量的頻率點(diǎn)幅值落在信號(hào)的譜線上，而在諧波分析中，我們關(guān)心的是所有基波的整數(shù)次諧波幅值，那么，只要對(duì)所有各次諧波進(jìn)行整周期采樣就可以達(dá)到目的，取Nyquist率即可滿足要求。包括總畸變率以及各次諧波畸變率，通過(guò)式(25)、式(26)、及式(27)計(jì)算得出，諧波分析程序如圖415所示。三相電壓不平衡度的測(cè)量程序流程圖如圖417。圖419 三相不平衡度分析前面板，滿足國(guó)標(biāo)規(guī)定，因此警告燈沒(méi)有亮。閃變值的具體計(jì)算用補(bǔ)償?shù)ǎ鶕?jù)圖420所示流程，具體操作如下：(1) 采集數(shù)據(jù)的前期處理為精確得到調(diào)幅波信號(hào)，必須消除直流分量、基波分量和諧波分量對(duì)采樣數(shù)據(jù)的影響。(42)式中， V(t)——閃變信號(hào)； C0——直流分量； Ci、ωfi、θi——為展開(kāi)后調(diào)幅波信號(hào)的幅值、角頻率和相角。(3) 補(bǔ)償?shù)惴ǖ挠?jì)算步驟補(bǔ)償?shù)惴繖z測(cè)出一次幅值最大的調(diào)幅波，即根據(jù)檢測(cè)出的調(diào)幅波的頻率和幅值利用S(t)=1曲線計(jì)算一次S(t)的值，再將這次調(diào)幅波通過(guò)信號(hào)發(fā)生器完全補(bǔ)償?shù)簦貜?fù)這一過(guò)程直至信號(hào)收斂，輸出累加后的S(t)。由于原始信號(hào)經(jīng)過(guò)平方后產(chǎn)生了較大的直流分量，信號(hào)經(jīng)過(guò)一階高通濾波器收斂時(shí)間會(huì)過(guò)長(zhǎng)，因此必須在高通濾波前先快速的濾除直流分量，這里采用的是平均濾波的方法，即先對(duì)整個(gè)信號(hào)取均值，然后在信號(hào)中減去該均值，這樣便可去除絕大部分的直流分量，大大加快一階高通濾波器的收斂時(shí)間。常用的變換方法有沖擊響應(yīng)不變法、階躍不變法、微分映射法和雙線性變換法。(44)式中,T——采樣周期。(3) 模擬人腦神經(jīng)對(duì)視覺(jué)反映和記憶效應(yīng)環(huán)節(jié)設(shè)計(jì)閃變信號(hào)的平滑平均，模擬人腦的記憶效應(yīng)，其積分功能由一階RC低通濾波器來(lái)實(shí)現(xiàn)，其傳遞函數(shù)的時(shí)間常數(shù)選為300ms，如式(46)所示。其近似計(jì)算公式如式(48)所示。(49)式中S(t)取穩(wěn)定平均值。圖423 功率模塊流程圖其中，視在功率由電壓和電流相乘得到，相位差取電壓和電流的差值，經(jīng)過(guò)計(jì)算可以得到功率因數(shù)。圖425 功率模塊前面板圖425顯示了測(cè)量功率的結(jié)果，其中包括三相電壓和其相應(yīng)電流的功率因數(shù)、相位差、電流有效值、電壓有效值、視在功率、有功功率、無(wú)功功率和當(dāng)時(shí)的電量。 主控模塊設(shè)計(jì)主控模塊的設(shè)計(jì)使用了事件結(jié)構(gòu)控件和高級(jí)文件VI系列的相關(guān)控件，實(shí)現(xiàn)控制整個(gè)程序運(yùn)行的目的。b圖展示了對(duì)“”的控制框圖，將其屬性節(jié)點(diǎn)設(shè)置為“打開(kāi)”，當(dāng)在前面板上點(diǎn)擊接收數(shù)據(jù)按鈕時(shí)，“”開(kāi)始運(yùn)行，并且展示其(數(shù)據(jù)分析模塊)的前面板。(2) 介紹了數(shù)據(jù)傳輸模塊的功能和程序設(shè)計(jì)的方法，通過(guò)流程圖和文字說(shuō)明來(lái)具體介紹程序的設(shè)計(jì)思路。在編程過(guò)程中漸漸領(lǐng)悟到了該軟件在編程上的思路，同時(shí)也深刻地體會(huì)到LabVIEW這一軟件功能非常強(qiáng)大，設(shè)計(jì)特別巧妙，值得深入學(xué)習(xí)和應(yīng)用。虛擬儀器憑借其實(shí)用的界面，高效簡(jiǎn)便的編程方式，受到越來(lái)越多儀器工程師的青睞，在電力系統(tǒng)的應(yīng)用也越來(lái)越廣泛。燕老師高尚的人格，嚴(yán)謹(jǐn)?shù)闹螌W(xué)態(tài)度，淵博的知識(shí)及兢兢業(yè)業(yè)的工作作風(fēng)，都使我終身受益。可以說(shuō)，我們這組每個(gè)人的畢業(yè)設(shè)計(jì)都凝聚著燕老師辛勤的勞動(dòng)。在此我要特別感謝幾個(gè)經(jīng)常幫助我的同學(xué)：楊大偉、喬沙沙、司運(yùn)梅、李耀恒、郭影