【正文】 、無功功率、視在功率、功率因數(shù)。下面就詳細(xì)的闡述系統(tǒng)軟件各個功能模塊的設(shè)計(jì)和實(shí)施。在程序框圖的字符串常量中，設(shè)定了密碼。用 LabVIEW 虛擬儀器軟件開發(fā)實(shí)際的測控系統(tǒng)時，經(jīng)常會遇到這樣的情況:測試量龐大，另外還要進(jìn)行數(shù)據(jù)分析處理、報(bào)表的生成打印等任務(wù)。 時間信號的有些特征在時域中分析比較復(fù)雜，通過傅立葉變換（FFT）得到信號的頻譜再進(jìn)行分析，就簡單多了。 登錄界面下圖是本系統(tǒng)登錄界面。系統(tǒng)硬件主要完成數(shù)據(jù)的采集工作。這些量主要包括:三相電壓有效值、三相電流的有效值、電網(wǎng)頻率、三相有功功率、三相無功功率、三相視在功率、功率因數(shù)、電壓與電流的各次諧波含有率及諧波總畸變率、電壓波動值等。 信號采集卡是外部硬件設(shè)備通向 PC 系統(tǒng)的橋梁。對信號進(jìn)行放大可以提高分辨率和降低噪聲。數(shù)據(jù)采集模塊還是由傳統(tǒng)的采集硬件來完成，不同的是數(shù)據(jù)分析處理模塊和結(jié)果顯示模塊完全由計(jì)算機(jī)軟件實(shí)現(xiàn)，這部分功能不受硬件限制，可以根據(jù)用戶的需求可以隨時增加修改模塊，這一優(yōu)勢是傳統(tǒng)儀器所無法比擬的。同時，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。 中國礦業(yè)大學(xué) 2022 屆本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 第 15 頁 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。按此原理和框圖制作的閃變儀，已在英、法、德、意和比等五國進(jìn)行聯(lián)合測試，并證明完全符合要求。 電壓波動和閃變的定義(1)電壓波動首先必須區(qū)分快速電壓變動和電壓波動概念。特別是快速傅里葉變換(FFT)的應(yīng)用，有效地提高了信號處理的實(shí)時性。 [12]在國際電工標(biāo)準(zhǔn)中(IEC 5552, 1982)、國際大電網(wǎng)會議(CIGRE)的文獻(xiàn)中對諧波也有了明確的定義:諧波分量為周期量的傅里葉級數(shù)中大于 1 的 n 次分量。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。 測試電壓的允許偏差比較簡單。此外，國內(nèi)外對于電能質(zhì)量問題也越來越多地采用了模糊數(shù)學(xué)、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、人工智能等方法以及各種方法的結(jié)合，極大地豐富了處理電能質(zhì)量問題的算法 [8]。由于電力系統(tǒng)主要由 R, L, C 等元件組成，這些程序在求解用微分方程描述的電力元件方程時，通常采用簡單易行的變階、變步長、隱式梯形積分法。 因此，利用先進(jìn)的技術(shù)手段，采用精確合理的計(jì)算算法，研制功能齊全、性能優(yōu)良、安裝簡單、使用方便的電能質(zhì)量監(jiān)測系統(tǒng)是很有必要的。隨著科學(xué)技術(shù)和國民經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，對電能質(zhì)量的要求越來越高，電能質(zhì)量的好壞直接關(guān)系到國民經(jīng)濟(jì)的總體效益。； LabVIEW，掌握其中各函數(shù)的功能和用法，練習(xí)基本操作；，研究系統(tǒng)應(yīng)實(shí)現(xiàn)的功能，分析各電能質(zhì)量參數(shù)的數(shù)字化實(shí)現(xiàn)方法；，規(guī)劃系統(tǒng)軟件的前面板和程序框架，詳細(xì)設(shè)計(jì)各功能模塊；。 Power parameters monitoring and analyze system。通常通過以下兩條措施對電能質(zhì)量的問題進(jìn)行治理 [5]:一方面利用現(xiàn)有的技 中國礦業(yè)大學(xué) 2022 屆本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 第 2 頁術(shù)條件，采用各種可行的技術(shù)措施抑制電能質(zhì)量的惡化或進(jìn)行負(fù)荷調(diào)整、電網(wǎng)改造來保證電能質(zhì)量的正常。(1)時域仿真方法對于電能質(zhì)量中的暫態(tài)事件由于其持續(xù)的時間短、發(fā)生的時間不確定，對頻譜分析提出了較高的要求，通常采用時域仿真方法。由于具有時——頻局部化的特點(diǎn)，克服了以上 FFT 和 STET 的缺點(diǎn)，特別適合于突變信號和不平穩(wěn)信號的分析。 〔8,14〕在本章中，簡述了電能質(zhì)量指標(biāo)的定義，對電能質(zhì)量五項(xiàng)指標(biāo)的數(shù)學(xué)模型進(jìn)行了一定的研究，為后續(xù)章節(jié)的數(shù)學(xué)模型的離散化設(shè)計(jì)奠定了基礎(chǔ)。3）220V 單相供電為+7%，10%。 三相電壓不平衡度的限值我國國家標(biāo)準(zhǔn) GB/T 15543—1995《電能質(zhì)量 三相電壓允許不平衡度》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%，短時不得超過 4%；接于公共連接點(diǎn)的每個用戶，引起該點(diǎn)正常電壓不平衡度允許值一般為 %。電網(wǎng)中諧波含量的增加，將導(dǎo)致電氣設(shè)備的壽命縮短，網(wǎng)損加大，系統(tǒng)發(fā)生諧波諧振的可能性增加，嚴(yán)重時會造成危險(xiǎn)的過電壓、過電流，同時還可能引起繼電保護(hù)和自動裝置誤動作、儀表指示和電度計(jì)量不準(zhǔn)，使通信系統(tǒng)受干擾等一系列問題。 〔11〕 中國礦業(yè)大學(xué) 2022 屆本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 第 11 頁 電壓波動和閃變電力系統(tǒng)的電壓波動和閃變主要是由具有沖擊性(快速變動)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)過程中有功和無功功率隨機(jī)地或周期性地大幅度變動?？紤]電壓波動分量，就是在基波電壓上疊加一系列的調(diào)幅波，為使分析簡化又不失一般性，將工頻電壓 u (t)的瞬時值解析式寫成: (212)???ttmAtu?coss1???式中：A—工頻載波電壓的幅值 —工頻載波的角頻率?m—調(diào)幅波電壓的幅值 —調(diào)幅波電壓的角頻率 為求解出電壓波動只需解調(diào)出調(diào)幅波 ，將上面(212)式進(jìn)行平方:tv?cos 中國礦業(yè)大學(xué) 2022 屆本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 第 13 頁 （213）經(jīng)過 ～35Hz 的帶通濾波器濾去直流分量和工頻及以上的分量，便可檢測出調(diào)幅波即電壓波動分量，其輸出為: （214）由于 m 遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于 1，那么(214)式中的第二項(xiàng)就非常的小，可以忽略不計(jì)，這樣就可以獲得電壓波動的分量。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)。圖 31 LabVIEW 中的主要結(jié)構(gòu)函數(shù)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。 中國礦業(yè)大學(xué) 2022 屆本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 第 19 頁第四章 基于虛擬儀器的電能質(zhì)量分析系統(tǒng)的工作原理虛擬儀器技術(shù)是一種基于計(jì)算機(jī)的實(shí)時測控技術(shù)，它使現(xiàn)代測試儀器不但具有傳統(tǒng)儀器、儀表的全部功能，同時還可以充分地利用計(jì)算機(jī)強(qiáng)大的信息處理能力、存儲容量和網(wǎng)絡(luò)功能，解決電能質(zhì)量參數(shù)監(jiān)測中的數(shù)據(jù)讀取、存儲、分析以及遠(yuǎn)程傳輸?shù)龋送馓摂M儀器具有功能豐富的面板，使得測量結(jié)果更加直觀清晰。一個信號調(diào)理系統(tǒng)通常包括一個或者多個堅(jiān)固的機(jī)箱，機(jī)箱中可以安裝各種不同的信號調(diào)理模塊以滿足系統(tǒng)對 I/O 的需求。濾波電路的功能在于濾除信號中的冗余部分，如高頻信號、傳輸線引進(jìn)的干擾等，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。 系統(tǒng)的功能模塊系統(tǒng)首先利用基于霍爾原理的電壓和電流傳感器將原始高電壓、大電流信號變?yōu)榻涣餍⌒盘?，接著利用信號調(diào)理器對小信號進(jìn)行調(diào)理，然后送入計(jì)算機(jī)后臺進(jìn)行處理，顯示電流、電壓、相位、頻率、諧波、功率因數(shù)、功率(有功、無功、視在功率和總功率)、電能、三相電壓不平衡度、三相電流不平衡度、閃變、諧波等電能質(zhì)量參數(shù)的處理結(jié)果，并同時對部分的參數(shù)監(jiān)測結(jié)果進(jìn)行分析。具體的計(jì)算方法如下:首先采用 64 點(diǎn) 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，幅值求出后，就可以求出各次諧波的含有量和諧波總含量。這樣既便于各模塊的單獨(dú)調(diào)試，又便于系統(tǒng)功能的修改，使系統(tǒng)具有更強(qiáng)的移植和升級能力。上述幾項(xiàng)參數(shù)均可由前面板上的“仿真信號配置”框中的控件進(jìn)行調(diào)節(jié)。這種調(diào)用關(guān)系，反映到用戶界面上，表現(xiàn)為菜單的功能。圖 52 主界面前面板 中國礦業(yè)大學(xué) 2022 屆本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 第 31 頁圖 53 讀數(shù)據(jù)和信號仿真轉(zhuǎn)換程序本系統(tǒng)提供了兩個數(shù)據(jù)源，采集數(shù)據(jù)和仿真信號，可通過前面板上“讀數(shù)據(jù)/仿真信號”布爾按鈕進(jìn)行切換。對于本系統(tǒng)，詳細(xì)的設(shè)計(jì)方案如下: (1)列出系統(tǒng)需要實(shí)現(xiàn)的功能。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。 系統(tǒng)的軟件部分 虛擬儀器軟件由接口驅(qū)動程序和應(yīng)用程序兩大部分構(gòu)成。當(dāng)數(shù)據(jù)采集設(shè)備輸入和所采集的信號使用不同的參考地線時，一旦這兩個參考地線有電勢差，就會帶來麻煩，這種電勢差會產(chǎn)生所謂的接地回路，這樣就將使所采集信號的讀數(shù)不準(zhǔn)確；或者如果電勢差太大，它也會對測量系統(tǒng)造成損害。 〔19〕 中國礦業(yè)大學(xué) 2022 屆本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 第 20 頁原始電壓信號原始電流信號傳感器信號調(diào)理（多路電氣量隔離、放大、濾波、線性化變換）信號采集卡裝有虛擬儀器軟件的計(jì)算機(jī)數(shù)據(jù)處理分 析數(shù)據(jù)通信數(shù)據(jù)存儲報(bào)表打印結(jié)果顯示圖 41 總體結(jié)構(gòu)圖傳感器 信號調(diào)理電路 數(shù)據(jù)采集卡 計(jì)算機(jī)圖 42 硬件結(jié)構(gòu)圖1. 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。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。控制端口圖標(biāo)的邊框?yàn)榇謱?shí)線，端口右側(cè)有一個享有的箭頭，表示輸出數(shù)據(jù)，指示端口的圖標(biāo)的邊框?yàn)榧?xì)實(shí)線，端口左側(cè)有一個向左的箭頭，表示輸入數(shù)據(jù)。 [1] 在 LabVIEW 中，一個虛擬儀器(VI)程序由兩部分組成:前面板(Front Panel)和流程圖(Block Diagram)。 電壓波動與閃變的限值標(biāo)準(zhǔn)（GB 12326—2022）電壓變動 d 的限值和變動頻度 r 有關(guān)：當(dāng) 時，對于低壓（LV）和10??hr中壓（MV） ，d=%～4%；對于高壓（HV） ，d=1%～3%；對于隨機(jī)不規(guī)則的變動，d=2%（LV，MV）和 d=%（HV） 。提高電能質(zhì)量，防止諧波的危害，限制電力系統(tǒng)的諧波，就是要把上述指標(biāo)限制在國標(biāo)規(guī)定的允許范圍之內(nèi)。雖然實(shí)際上很難完全做到，因?yàn)殡娏ο到y(tǒng)負(fù)荷是變動的，而負(fù)荷的變動會影響系統(tǒng)中諧波含量，但在實(shí)際分析中只要被分析的現(xiàn)象或情況持續(xù)一段適當(dāng)?shù)臅r間，就可以應(yīng)用傅里葉變換。事故性的不平衡是由于三相系統(tǒng)中某一相或兩相出現(xiàn)故障所致，這種不平衡工況是系統(tǒng)運(yùn)行不允許的，一般由繼電保護(hù)、自動裝置動作切除故障元件后在短期內(nèi)使系統(tǒng)恢復(fù)正常運(yùn)行。(2)對電網(wǎng)穩(wěn)定運(yùn)行的危害 交流輸電有個同步運(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。(5)利用仿真的方法對系統(tǒng)的各個功能模塊進(jìn)行了試驗(yàn)，并給出了試驗(yàn)結(jié)果。由于分析數(shù)據(jù)必須以足夠高的采用速率進(jìn)行采樣并存儲，而且長期在線進(jìn)行，所以存儲的數(shù)據(jù)非常的大。鑒于以上原因，本課題在研究新型的電能參數(shù)監(jiān)測裝置時采用了先進(jìn)的虛擬儀器技術(shù)思想，通過軟件將計(jì)算機(jī)硬件資源和儀器硬件有機(jī)地結(jié)合起來，從而把計(jì)算機(jī)強(qiáng)大的計(jì)算處理能力和儀器硬件的測量、控制能力結(jié)合在一起，使得開發(fā)的基于虛擬儀器技術(shù)的電能參數(shù)監(jiān)測系統(tǒng)具有功能靈活、操作方便等優(yōu)點(diǎn)，這對于克服目前電能質(zhì)量參數(shù)監(jiān)測系統(tǒng)的局限性、采取措施提高供電質(zhì)量都具有重要的意義。在電力發(fā)展的初期，電力供應(yīng)比較緊張，人們把關(guān)注的焦點(diǎn)放在電力供應(yīng)的量上，對電能質(zhì)量的關(guān)注程度不多。接著確定了系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)方案，重點(diǎn)論述了利用 LabVIEW 開發(fā)本系統(tǒng)的各個功能模塊。然后將電壓偏差、頻率偏差、電網(wǎng)諧波及三相不平衡作為主要的研究對象，對電能質(zhì)量指標(biāo)的數(shù)學(xué)模型進(jìn)行了研究和離散化處理。 本課題提出的背景和研究意義 對供電質(zhì)量及可靠性的要求日益提高是和國民經(jīng)濟(jì)發(fā)展與科學(xué)技術(shù)進(jìn)步相聯(lián)系的。常規(guī)的單功能參數(shù)監(jiān)測設(shè)備在開發(fā)的過程中，要經(jīng)過一個硬件設(shè)計(jì)、調(diào)試的過程，不同儀器間的資源不能互相利用，造成研發(fā)成本高，開發(fā)周期長。 (3)基于變換的方法 基于變換的方法常用在實(shí)時、在線的電能質(zhì)量分析方法中。(4)簡要的介紹了虛擬儀器技術(shù)的概念及軟件開發(fā)平臺 LabVIEW，利用LabVIEW 以及前面所研究的各個功能模塊的數(shù)學(xué)模型的離散化設(shè)計(jì)，對系統(tǒng)的軟件部分進(jìn)行了設(shè)計(jì)，將系統(tǒng)按所要實(shí)現(xiàn)的監(jiān)測參數(shù)主要分為五大功能模塊:伏安測量模塊(電壓與電流有效值、頻率測量、三相不平衡度)、相位測量、功率測量模塊、諧波測量模塊、波動和閃變測量模塊，并且詳細(xì)的給出了功能模塊的軟件設(shè)計(jì)。電壓偏差超過一定值時，會引起設(shè) 中國礦業(yè)大學(xué) 2022 屆本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 第 6 頁備的損壞。不平衡的因素可以歸結(jié)為事故性和正常性兩大類。為了區(qū)分諧波和暫態(tài)現(xiàn)象，根據(jù)傅立葉級數(shù)的基本理論，被變換的波形必須是周期性的。 諧波電壓總量: (28)?