【正文】 （ 5）一般測(cè)試步驟 :分調(diào)，即由程序設(shè)計(jì)者對(duì)各個(gè)模塊進(jìn)行測(cè)試 。 上海海事大學(xué)本科生畢業(yè)設(shè)計(jì) (論文 ) 35 圖 63 是頻率偏差測(cè)量模塊 諧波分析測(cè)量模塊 圖 64是諧波分析模塊測(cè)試結(jié)果，數(shù)值顯示控件反映了電流諧波畸變率（ THD）、電流直流分量和基波分量；數(shù)值輸入控件控制的是諧波柱狀圖所需要顯示的 諧波次數(shù)， 數(shù)組顯示控件則顯示的是各次 諧波 的幅值及其諧波含有率。 (2)本論文對(duì)電壓波動(dòng)和閃變研究的較少，僅處于理論分析階段，對(duì)于它的測(cè)量還需進(jìn)一步的研究。本文所研究的基于虛擬儀器技術(shù)的 風(fēng)力發(fā)電并網(wǎng)電能質(zhì)量 監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，也因此具有一定的實(shí)際意義。從圖中可以看出伏安測(cè)量模塊通過(guò)數(shù)值控件顯示 了單相電壓有效值、直流分量值 和電流有效值、直流分量值；圖形控件是對(duì)單相電壓、電流波形的檢測(cè)。 一般的測(cè)試方法有 : （ 1）數(shù)據(jù)測(cè)試 :即用大量的實(shí)際數(shù)據(jù)進(jìn)行測(cè)試，觀測(cè)結(jié)果對(duì)不對(duì)。利用 Index Array 索引的功能將所有的序列依次取出，根據(jù) IEC 規(guī)定視感度 S=1 覺(jué)察單位的電壓波動(dòng)的值，可以查出每個(gè)頻率 對(duì)應(yīng)的 S=1 時(shí)的電壓波動(dòng)。將包含各次諧波含量的數(shù)組與表示它們對(duì)應(yīng)次數(shù)的數(shù)組利用 Bundle函數(shù)組合后輸出到 XY 上海海事大學(xué)本科生畢業(yè)設(shè)計(jì) (論文 ) 29 Graph 控件中即可顯示其諧波含量的柱狀圖，具體的諧波分析 程序 框圖如圖 519 所示 。 圖 511 數(shù)據(jù)存儲(chǔ)程序框圖 有效值測(cè)量模塊 有效值測(cè)量模塊設(shè)計(jì)的關(guān)鍵是電壓、電流有效值的設(shè)計(jì)，最終只要通過(guò)調(diào)用子 vi就能實(shí)現(xiàn)電壓偏差，功率模塊的設(shè)計(jì)。利用“ Read From Spreadsheet ”函數(shù)，如圖 59 所示，通過(guò)設(shè)定讀取路徑可以方便的實(shí)現(xiàn) 存儲(chǔ)數(shù)據(jù)的讀取。 圖 56 波形顯示模塊 用 LabVIEW 虛擬儀器軟件開(kāi)發(fā) 實(shí)際檢測(cè)系統(tǒng)時(shí)，經(jīng)常會(huì)遇到這樣的情況：測(cè)試量龐大，要 將不同類型數(shù)據(jù)顯示在一個(gè)用戶界面時(shí)，就會(huì)顯得十分凌亂，對(duì)于用戶使用是比上海海事大學(xué)本科生畢業(yè)設(shè)計(jì) (論文 ) 23 較困難的。 報(bào)警顯示模塊 該模板實(shí)現(xiàn)了電壓偏差、頻率偏差的報(bào)警顯示。 圖 48 使用 DAQ Assistant 進(jìn)行數(shù)據(jù)采集端口及采樣配置 在本 設(shè)計(jì)中 用的是 NI PXI6143 數(shù)據(jù)采集卡模擬輸入的 AI0 和 AI1 兩個(gè)端口，電流數(shù)據(jù)從 AI0 口輸入，電壓數(shù)據(jù)從 AI1 口輸入進(jìn)行兩通道同步采樣。 圖 45 電壓信號(hào)調(diào)理 電路 如圖 46 所示為電流信號(hào)調(diào)理電路， 本設(shè)計(jì)在電流傳感器的原邊將線繞了 4 圈，在通上電流之后電流傳感器將原邊電流按比例輸出，通過(guò)一個(gè)接地電產(chǎn)生電壓信號(hào)，然后通過(guò)一低通濾波電路和電壓跟隨器將信號(hào)輸出。 根據(jù)各部分的功能特點(diǎn)綜合起來(lái)，系統(tǒng)的硬件即由傳感器、信號(hào)調(diào)理電路、數(shù)據(jù)采集卡、計(jì)算機(jī)系統(tǒng)四大部分構(gòu)成，如圖 42 所示。 （ 5）與其他設(shè)備的互聯(lián)能力強(qiáng)。 虛擬儀器的軟件系統(tǒng)從底層到頂層共包括三部分，即 VISA(I/O)庫(kù)、儀器驅(qū)動(dòng)程序與應(yīng)用軟件。 虛擬儀器通過(guò) I/O 接口設(shè)備完成信號(hào)的調(diào)理、采集與測(cè)量，利用 個(gè)人計(jì)算機(jī)強(qiáng)大的軟件功能實(shí)現(xiàn)信號(hào)數(shù)據(jù)的運(yùn)算、分析、處理，由個(gè)人計(jì)算機(jī)顯示 器模擬傳統(tǒng)儀器的控制面板，以多種形式輸出檢測(cè)結(jié)果，從而完成各種測(cè)量任務(wù)。 本論文中對(duì)閃變主要是進(jìn)行短時(shí)閃變值 的測(cè)量， 本設(shè)計(jì)中采用了中國(guó)電力科學(xué)研究院的林海雪老師所提出的全新的閃變測(cè)量方法，瞬時(shí)閃變值 S(t)的計(jì)算過(guò)程如下 : (l)對(duì)頻率追蹤的電壓信號(hào)采樣值 u(n)計(jì)算其半個(gè)周期或一個(gè)周期的均方根值，得到一段時(shí)間 均方根值數(shù)列 U(N)。 上海海事大學(xué)本科生畢業(yè)設(shè)計(jì) (論文 ) 11 電壓波動(dòng)和閃變 電力系統(tǒng)的電壓波動(dòng)和閃變主要是 由沖擊性 (快速變動(dòng) )功率的負(fù)荷引起的 ,例如煉鋼電弧爐、軋鋼機(jī)、電弧焊機(jī)等，這類負(fù)荷的特點(diǎn)是在生產(chǎn)過(guò)程中有功功率和無(wú)功功率隨機(jī)地或周期性大幅變動(dòng)。由于諧波的頻率是基波頻率的整數(shù)倍數(shù)，常常稱為高次諧波。 —— 為三相電壓負(fù)序分量的均方根值，將不平衡的三相系統(tǒng)的電量按對(duì)稱分量法分解后其負(fù)序?qū)ΨQ系統(tǒng)中的分量。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。 （ 2） 對(duì)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(wèn)題，輸電線的輸送功率受穩(wěn)定極限的限制，特別是小擾動(dòng)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。 在本章中，簡(jiǎn)述了電能質(zhì)量指標(biāo)的定義，對(duì)電能質(zhì)量五項(xiàng)指標(biāo)的數(shù)學(xué)模型進(jìn)行一定的研究，為后續(xù)章節(jié)的數(shù)學(xué)模型離散化設(shè)計(jì)奠定基礎(chǔ)。上海海事大學(xué)本科生畢業(yè)設(shè)計(jì) (論文 ) 5 第二章 電能質(zhì)量指標(biāo) 的 國(guó)家標(biāo)準(zhǔn) 及相關(guān)算法 近年來(lái)，隨著電力工業(yè)的飛速發(fā)展和管理體制的轉(zhuǎn)變，特別是電力市場(chǎng)體制的實(shí)行 ，電能作為一種特殊商品正逐漸走向市場(chǎng)，既然是商品 ， 當(dāng)然就要考慮商品的質(zhì)量，即要滿足一定的質(zhì)量指標(biāo)。其影響程度與風(fēng)電機(jī)組的類型、控制方式、風(fēng)電場(chǎng)的布置等諸多因素有關(guān)。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、相位對(duì)稱且互差 120176。 近幾年，我國(guó)風(fēng)電裝機(jī)容量增長(zhǎng)較快，“十五”期間我國(guó)并網(wǎng)風(fēng)力發(fā)電得到了迅速的發(fā)展，截至 2020 年 底中國(guó)各地已在 15 個(gè)省、市、自治區(qū)建成了 62 個(gè)風(fēng)電場(chǎng)，總裝機(jī)容量達(dá)到 1266MW，國(guó)產(chǎn)風(fēng)力發(fā)電機(jī)組占 %，在這期間我國(guó)的風(fēng)力發(fā)電裝機(jī)容量位居全球 第十成為繼歐洲、美國(guó)和印度之后發(fā)展風(fēng)力發(fā)電的主要市場(chǎng)之一。 2020 年風(fēng)力發(fā)電的年增長(zhǎng)率高達(dá) 40%， 2020 年也高達(dá) 32%， 在 2020 年的一項(xiàng)世界各國(guó)新裝機(jī)容量的統(tǒng)計(jì)中，中國(guó)緊隨美國(guó)和西班牙排在第三，但是總裝機(jī)容量排在第五。自上世紀(jì) 70 年代第一次石油危機(jī)之后，上海海事大學(xué)本科生畢業(yè)設(shè)計(jì) (論文 ) 2 風(fēng)電 得到了大力發(fā)展，在丹麥，電力公司把目標(biāo)放在制造大型風(fēng)力發(fā)電機(jī)上，德國(guó)、瑞典、英國(guó)和美國(guó)也緊隨其后。根據(jù)統(tǒng)計(jì)， 1973年世界一次能源消費(fèi)量?jī)H為 億噸油當(dāng)量，而 2020 年已達(dá)到 億噸油當(dāng)量。風(fēng)力發(fā)電因投資小、清潔無(wú)污染、資源分布廣而受到人們的廣泛關(guān)注。初期主要是以煤炭為主，進(jìn)入 20 世紀(jì)以后，特別是第二次世界大戰(zhàn)以來(lái)，石油和天然氣的生產(chǎn)與消費(fèi)持續(xù)上升，石油 于 20 世紀(jì) 60 年代首次超過(guò)煤炭， 第一次 躍居能源的主導(dǎo)地位。在我國(guó)，也已經(jīng)頒布了于2020 年 11 月起實(shí)施的《中華人民 共和國(guó) 可再生能源法》。 1997 年兆瓦級(jí)機(jī)組占到當(dāng)年世界新增風(fēng)電裝機(jī)容量的比例是 %， 2020 年站到了 %， 2020 年站到了 %。 中國(guó)風(fēng)力發(fā)電的發(fā)展 我國(guó) 幅員遼闊，海岸線長(zhǎng)，擁有豐富的風(fēng)能資源，但地形條件復(fù)雜，因此風(fēng)能資源的分布并不均勻。因而對(duì)風(fēng)力發(fā)電的檢測(cè)研究就顯得更為迫切。 而電能質(zhì)量的好壞是由電能質(zhì)量的一些具體指標(biāo)反映的， 電能質(zhì)量指標(biāo)是電能質(zhì)量各個(gè)方面的具體描述，不同的指標(biāo)有不同的定義和規(guī)定。 本論文的主要工作 根據(jù)我國(guó)風(fēng)力發(fā)電的發(fā)展情況， 以及風(fēng)電場(chǎng)存在的電能質(zhì)量問(wèn)題，本論文主要做以下幾個(gè)方面的工作： （ 1） 介紹風(fēng)電場(chǎng)并網(wǎng)產(chǎn)生電能質(zhì)量問(wèn)題的原因，分析 風(fēng)電 場(chǎng)的特點(diǎn)。另外接入公用電網(wǎng)的半導(dǎo)體換流器和非線性負(fù)荷也會(huì)對(duì)電網(wǎng)產(chǎn)生明顯的干擾，降低了配電網(wǎng)中的電能質(zhì)量。 供電電壓偏差過(guò)大造成的危害主要有： （ 1） 對(duì)用電設(shè)備的危害 。7%； （ 3） 220V 單相供電電壓允許偏差為額定電壓的 +7%、 10%。 以三相電壓為例 ，當(dāng)三相電源電壓畸變不對(duì)稱時(shí)，對(duì)于三相四線制電路，電壓中除含有諧波分量外，還含有正序、負(fù)序、零序分量。電力系統(tǒng)的諧波對(duì)各種電器設(shè)備 ，如繼電保護(hù)、自動(dòng)裝 置、計(jì)算機(jī)、測(cè)量和計(jì)量?jī)x器以及通信系統(tǒng)均有不利的影響。 諧波對(duì)用戶低壓電器的損害：諧波電流的流入導(dǎo)致整個(gè)設(shè)備過(guò)熱，升高了設(shè)備的溫度 ，將提了絕緣壽命。因?yàn)橐话愕挠秒娫O(shè)備對(duì)電壓的敏感程度遠(yuǎn)低于白熾燈，所以，選擇人們對(duì)白熾燈照度的主觀觀感，即“閃變”，最為電壓波動(dòng)危害程度的評(píng)價(jià)指標(biāo)。 上海海事大學(xué)本科生畢業(yè)設(shè)計(jì) (論文 ) 13 第三章 虛擬儀器技術(shù) 概述 虛擬儀器的概念 所謂虛擬儀器（ Virtual Instrument, VI），是指以通用計(jì)算機(jī)為系統(tǒng)控制器，由軟件來(lái)實(shí)現(xiàn)人機(jī)交互和大部分儀器功能的一種計(jì)算機(jī)儀器系統(tǒng)。 虛擬儀器的硬件系統(tǒng)通常包括通用計(jì)算機(jī)和外圍設(shè)備。 （ 4）良好的人機(jī)界面 。 基于虛擬儀器技術(shù)電能參數(shù)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)由兩大部分組成 :硬件部分和軟件部分。 電流傳感器 的原邊測(cè)量范圍是177。每通道專用的模數(shù)轉(zhuǎn)換器 (ADC)，可獲得最強(qiáng)的設(shè)備處理能力和更高的多通道精度。設(shè)計(jì)的原則是友好、簡(jiǎn)單、可靠。 上海海事大學(xué)本科生畢業(yè)設(shè)計(jì) (論文 ) 22 圖 55 數(shù)據(jù)顯示模塊 波形顯示模塊 波形顯示包括了電壓、電流、電壓偏差、頻率偏差與時(shí)間的關(guān)系以及諧波柱狀圖。 為了方便后面各模塊計(jì)算的需要，我們需要先將經(jīng) DAQ 采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行存儲(chǔ)，這里使 用了 LabVIEW 提供的“ Write To Spreadsheet ”函數(shù)，如圖 58 所示，將采集上海海事大學(xué)本科生畢業(yè)設(shè)計(jì) (論文 ) 24 來(lái)的數(shù)組轉(zhuǎn)換為文本字符串形式保存。 平 鋪式順序結(jié)構(gòu)和定時(shí)循環(huán)結(jié)構(gòu) 其后面板框圖如圖 510 所示 圖 510 平鋪式順序結(jié)構(gòu)和定時(shí)循環(huán)結(jié)構(gòu)后面板 上海海事大學(xué)本科生畢業(yè)設(shè)計(jì) (論文 ) 25 圖 511 為創(chuàng)建電壓電流數(shù)據(jù)庫(kù)的程序框圖，信號(hào)由 DAQ Assistant 采集到后，由一個(gè)拆分信號(hào)將采集到的電壓和電流數(shù)據(jù)存入定時(shí)循環(huán)結(jié)構(gòu)的電子表格內(nèi)，在定時(shí)循環(huán)結(jié)構(gòu)輸入節(jié)點(diǎn)設(shè)置周期為 100ms，即每隔 秒 存儲(chǔ)一組數(shù)據(jù)，由于采樣頻率為 1KHz，因此每周期采樣 20 個(gè)點(diǎn)，而 秒采樣了五個(gè)周期，即一組數(shù)據(jù)總共采集了 100 個(gè)點(diǎn)。 圖 516 Extract Single Tone 圖標(biāo)及端口 上海海事大學(xué)本科生畢業(yè)設(shè)計(jì) (論文 ) 28 圖 517 頻率偏差程序框圖 諧波測(cè)量模塊 諧波測(cè)量模塊中，本文主要檢測(cè) 的是電流信號(hào)的 各次諧波的含有量、諧波的失真度（ THD） 、基波電流的頻率、基波電流分量、電流直流分量，檢測(cè)可以使用諧波分析的功能函數(shù) “ Harmonica Distortion ” 來(lái)實(shí)現(xiàn)，功能函數(shù)具體說(shuō)明如圖 518 所示 。功率因數(shù)則直接可以用有功功率除以視在功率就可算出，無(wú)功功率也可以根據(jù)公式（ 29）進(jìn)行計(jì)算，視在功率、無(wú)功功率功率因數(shù)程序設(shè)計(jì)如圖 521 所示。 523 短時(shí)閃變計(jì)算框 圖上海海事大學(xué)本科生畢業(yè)設(shè)計(jì) (論文 ) 33 第六章 系統(tǒng)測(cè)試 一個(gè)軟件 平臺(tái)系統(tǒng)開(kāi)發(fā)過(guò)程的最后一個(gè)重要環(huán)節(jié)就是對(duì)軟件的測(cè)試。聯(lián)調(diào)即對(duì)各個(gè)子系統(tǒng)，各個(gè)模塊聯(lián)合起來(lái)測(cè)試。 圖 64 諧波分析模塊測(cè)試結(jié)果 功率測(cè)量模塊的測(cè)試 圖 65是功率測(cè)量模塊的測(cè)試結(jié)果。 參考文獻(xiàn) [1] 楊俊華，吳 捷。 圖 65 功率測(cè)量模塊的測(cè)試結(jié)果上海海事大學(xué)本科生畢業(yè)設(shè)計(jì) (論文 ) 37 第七 章 結(jié)論與展望 結(jié) 論 虛擬儀器技術(shù)具有圖形化的編程語(yǔ)言、儀器硬件和軟件的標(biāo)準(zhǔn)化、圖形化的用戶界面、接口通用性和開(kāi)放性等特點(diǎn)，使用虛擬儀器技術(shù)設(shè)計(jì)測(cè)控系統(tǒng)，可以縮短儀器開(kāi)發(fā)周期，降低儀器成本，提高儀器性能。 伏安測(cè)量模塊 圖 61 是伏安測(cè)量模塊的測(cè)試結(jié)果。