【文章內(nèi)容簡介】 ............................... 40 致謝 ..................................................................................................................................... 41 附錄 A 外文資料翻譯 ...................................................................................................... 42 附錄 英 文 原文 ................................................................................................... 42 附錄 中文 翻譯 ................................................................................................... 50 附錄 B 數(shù)據(jù)分析模塊總框圖 .......................................................................................... 56 石家莊鐵道大學(xué)畢業(yè)設(shè)計 1 第 1 章 緒論 引言 現(xiàn)代社會中，電能是一種最為廣泛使用的能源，其應(yīng)用程度成為一個國家發(fā)展水平的主要標(biāo)志之一 [1]。隨著科學(xué)技術(shù)和國民經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，對電能的需求量日益增加，同時對電能質(zhì)量的要求也越來越高。使得電能質(zhì)量問題日益緊迫的擺在了我們的面前。有關(guān)電能質(zhì)量問題的研究已經(jīng)引起了各國電力工作者的高度重視，得到了普遍的關(guān)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(zhì)量問題關(guān)系到國民經(jīng)濟(jì)的方方面面，涉及到電力、鐵道、冶金、化工、 IT等諸多行業(yè)的發(fā)展， 從 20世紀(jì) 80年代 以來，伴隨著高技術(shù)的新型電力負(fù)荷迅速發(fā)展以及它們對電能質(zhì)量不斷提出的更高要求，電能質(zhì)量問題得到了普遍 的關(guān)注和深入的討論。其原因歸納起來有以下二個方面 [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)運行； (2)為了提高勞動生產(chǎn)率和自動化水平，大量基于計算機(jī)系統(tǒng)的控制設(shè)備和電子裝置投入使用，這些裝置對電能質(zhì)量問題非常敏感。 隨著經(jīng)濟(jì)的發(fā)展和工業(yè)管理體制的轉(zhuǎn)變，電力網(wǎng)逐步實行商業(yè)化運營，電力用戶的需求己成為優(yōu)先考慮的問題。這大大促進(jìn)了電能質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)化的進(jìn)程和對電能質(zhì)量的監(jiān)督和管理。為了規(guī)范電能質(zhì)量的檢測管理，建立規(guī)范的電力市場。 1988年，我國電力工業(yè)部為了加強電網(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“誰干擾，誰污染，誰治理”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)。因此電能質(zhì)量監(jiān)測對于電力企業(yè)、電力用戶以及改善電能質(zhì)量都有重要意義。參 照 IEC 標(biāo)準(zhǔn)和 IEEE 標(biāo)準(zhǔn)，聯(lián)系我國電力系統(tǒng)實際情況，我國相繼頒布了有關(guān)電能質(zhì)量的五項標(biāo)準(zhǔn) 即供電電壓偏差、電壓波動和閃變、公用電網(wǎng)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(biāo)準(zhǔn)供電。利用測控領(lǐng)域中最先進(jìn)的虛擬儀器技術(shù)研制一種電能質(zhì)量監(jiān)測系統(tǒng)，實時監(jiān)測電能質(zhì)量對于保證電力系統(tǒng)運行的經(jīng)濟(jì)性、安全石家莊鐵道大學(xué)畢業(yè)設(shè)計 2 性和可靠性都起著重要的作用。 國內(nèi)外研究現(xiàn)狀 電能質(zhì)量問題的凸顯，使電能質(zhì)量監(jiān)測產(chǎn)品日益豐富起來，如何監(jiān)測復(fù)雜多變的電能質(zhì)量現(xiàn)象，分析各種電能質(zhì)量問題的成因，成為這些產(chǎn)品共同的目標(biāo)。目前，國內(nèi)外使用的各 種電能質(zhì)量監(jiān)測裝置從結(jié)構(gòu)上可以分為兩類，一種是離線式的電能質(zhì)量監(jiān)測裝置，另一種是在線式的電能質(zhì)量監(jiān)測分析裝置，即連續(xù)監(jiān)測設(shè)備。在線式電能質(zhì)量監(jiān)測實時性強，能夠及時對電能質(zhì)量各種指標(biāo)作出全面數(shù)據(jù)采集和分析 [4]。隨著電子裝置和通訊技術(shù)的發(fā)展，離線式的電能質(zhì)量分析儀在經(jīng)濟(jì)性和有效性方面不再優(yōu)越，具有聯(lián)網(wǎng)、圖形用戶界面 (GUI)、數(shù)據(jù)存儲管理、統(tǒng)計分析和 Web 瀏覽功能的在線電能質(zhì)量監(jiān)測系統(tǒng)成為主流 [5]。 在國內(nèi)外，對電能質(zhì)量進(jìn)行監(jiān)測與分析時，絕大部分采用智能儀器，主要利用數(shù)字技術(shù)和硬件來實現(xiàn)。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(biāo)時，需要更換相對應(yīng)的硬件，這給監(jiān)測和分析帶來極大的不便。為了實現(xiàn)更多參數(shù)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，而且也增加了成本，甚至給監(jiān)測系統(tǒng)裝置的升級帶來不便。傳統(tǒng)的監(jiān)測裝置實時性較差，不能實時地保存大量數(shù)據(jù)，觀察歷史數(shù)據(jù)也不方便，而現(xiàn)代的電能質(zhì)量監(jiān)測系統(tǒng)需要處理和保存大量的數(shù)據(jù)信息。我們國內(nèi)對于電能質(zhì)量 問題的研究起步較晚，然而傳統(tǒng)的電能質(zhì)量監(jiān)測系統(tǒng)在下列幾個方面比較欠缺： (1)功能單一型問題； (2)生產(chǎn)調(diào)試率低下問題； (3)開發(fā)周期和開發(fā)費用問題。 虛擬儀器的出現(xiàn)改變了這一現(xiàn)狀，憑借其基于網(wǎng)絡(luò)性和計算機(jī)的特性，符合現(xiàn)代測量工作的需求，在測量技術(shù)領(lǐng)域不斷取得突破。近年來，有許多基于虛擬儀器的電能監(jiān)測系統(tǒng)問世，實現(xiàn)了遠(yuǎn)程在線的監(jiān)測，并能夠及時地把監(jiān)測結(jié)果反饋至中央控制室，本系統(tǒng)也是基于這一技術(shù)完成的電能質(zhì)量監(jiān)測系統(tǒng)。 本 設(shè)計 主要工作 本 設(shè)計 在研究電力系統(tǒng)電能質(zhì)量及虛擬儀器測量方法的基礎(chǔ)上，利用 NI 公司的LabVIEW2020軟件開發(fā)了一個電能質(zhì)量監(jiān)測系統(tǒng)，該系統(tǒng)根據(jù)采集到的電壓及電流數(shù)據(jù)，進(jìn)行電能質(zhì)量相關(guān)參量的計算，以圖形和數(shù)據(jù)的方式直觀的顯示出來，并把分析后的數(shù)據(jù)存入數(shù)據(jù)庫中，以便日后的進(jìn)一步查閱參考。 石家莊鐵道大學(xué)畢業(yè)設(shè)計 3 本設(shè)計說明書 的具體工作如下： (1)講述電能質(zhì)量問題研究的發(fā)展情況，說明對電能質(zhì)量進(jìn)行監(jiān)測的必要性，指出電能質(zhì)量監(jiān)測方面的研究現(xiàn)狀及其存在的問題，并提出基于 LabVIEW 的 電能質(zhì)量監(jiān)測系統(tǒng)的方案； (2)對電能質(zhì)量的國家標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行簡要介紹。討論衡量電能質(zhì)量問題的指標(biāo)和電 能質(zhì)量監(jiān)測的方法，并指出各種客觀存在的電能質(zhì)量問 題所帶來的危害； (3)介紹了虛擬儀器技術(shù)的概念、特點和發(fā)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 LabVlEW2020中用于電能質(zhì)量的各參量分析的 VI 和數(shù)據(jù)傳輸?shù)?VI 等； (4)基于虛擬儀器技術(shù)的電能質(zhì)量監(jiān)測系統(tǒng)的設(shè)計與實現(xiàn)，詳細(xì)敘述了本系統(tǒng)的軟件程序設(shè)計方法。 石家莊鐵道大學(xué)畢業(yè)設(shè)計 4 第 2 章 電能質(zhì)量指標(biāo)及測量方法 概述 (1)電能質(zhì)量的概念 電能質(zhì)量是指通過公用電網(wǎng)供給用戶端的交流電能的品質(zhì)。理想狀態(tài)的公用電網(wǎng)應(yīng)以恒定的頻率、正弦波形和標(biāo)準(zhǔn)電壓對用戶供電。同時，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。 。但由于系統(tǒng)中的發(fā)電機(jī)、變壓器和線路等設(shè)備非線性或不對稱，負(fù)荷性質(zhì)多變，加之調(diào)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(tài)并不存在，因此產(chǎn)生了電網(wǎng)運行、電力設(shè)備和供用電環(huán)節(jié)中的各種問題，也就產(chǎn)生了電能質(zhì)量的概念 [1]。 (2)電能質(zhì)量指標(biāo)的界定 從總體上講，使電能指標(biāo)接近額定值就是電能質(zhì)量的標(biāo)準(zhǔn)，然而，電能從生產(chǎn)到消費是一個整體，電力系統(tǒng)的發(fā)、輸、變、配、用各環(huán)節(jié)始終處于動態(tài)平衡之中，其中任何一個環(huán)節(jié)的改變都會對電能質(zhì)量產(chǎn)生影響。電能質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)的制定，就是制定適當(dāng)?shù)碾娔苜|(zhì)量指標(biāo)偏差的允許值。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 [4]： ① 保證電力系統(tǒng)安全，提高供電可靠性和電網(wǎng)運行的經(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，電力部門和干擾用戶在當(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)。 參照 IEC 標(biāo)準(zhǔn)和 IEEE 標(biāo)準(zhǔn)，聯(lián)系我國電力系統(tǒng)實際情況，我國 最新制定的電能質(zhì)量指標(biāo)主要包括五項：供電電壓偏差、電力系統(tǒng)頻率允許偏差、公用電網(wǎng)諧波、三相電壓不平衡、電壓波動和 閃變。除此之外，還有暫態(tài)電能質(zhì)量問題、短持續(xù)時間電能質(zhì)量問題和長持續(xù)時間電能質(zhì)量問題等。 供電電壓允許偏差 電壓偏差的產(chǎn)生原因及危害 電壓偏差是指系統(tǒng)各處的電壓偏離其額定值的百分比，它是由于電網(wǎng)中用戶負(fù)荷的變化或電力系統(tǒng)運行方式的改變，使加到用電設(shè)備上的電壓偏離電網(wǎng)的額定電壓。石家莊鐵道大學(xué)畢業(yè)設(shè)計 5 一般來說造成電網(wǎng)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(wǎng)最廣泛應(yīng)用的電動機(jī)，當(dāng)電壓低于額定電壓時 ,轉(zhuǎn)矩減小、轉(zhuǎn)速下降，一方面導(dǎo)致工廠生產(chǎn)出次品、廢品；另一方面造成電流變大，電機(jī)溫升增加，線圈發(fā)熱，加劇絕緣老化，甚至燒壞的后果。當(dāng)電壓高于額定電壓時，一方面引起轉(zhuǎn)距變大，使聯(lián)結(jié)軸和從動設(shè)備上的加速力增加 ，引起設(shè)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(chǎn)生較大的電壓降，影響其他電氣設(shè)備的運行。 對于發(fā)電機(jī)而言，電壓偏差會引起無功電流的增大，對發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子的去磁效應(yīng)增加，電壓降低，過度增大激磁電流使轉(zhuǎn)子繞組的溫升超過允許范圍，加速絕緣老化，降低電機(jī)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(dāng)加于燈泡的電壓低于額定電壓時，發(fā)光效率會降低，人的工作環(huán)境惡化，視力減弱；當(dāng)高于額定電壓時，燈泡壽命會減少、燒壞。 國標(biāo)中的規(guī)定及計算方法 在國家標(biāo)準(zhǔn)《電能質(zhì)量 供電電壓偏差 》中規(guī)定了供電電壓偏差的相關(guān)計算方法及限制 [6]。 (1)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基本測量時間窗口為 10 周波，并且每個測量時間窗口應(yīng)該與緊鄰的測量時間窗口接近而不重疊，連續(xù)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(yīng)滿足如下規(guī)定： ① 35kV 及以上供電電壓正、負(fù)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(fù) )時， 按較大的偏差絕對值作為衡量依據(jù)； ② 20kV及以下三相供電電壓允許偏差為標(biāo)稱電壓的 177。7%； ③ 220V單相供電電壓偏差為標(biāo)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(xié)議確定。 (2)電壓合格率統(tǒng)計 通過供電電壓偏差的統(tǒng)計計算獲得電壓合格率。供電電壓偏差監(jiān)測統(tǒng)計的時間為min，通常每次以月 (或周、季、年 )的時間為電壓監(jiān)測的總時間，供電電壓偏差超限石家莊鐵道大學(xué)畢業(yè)設(shè)計 6 的時間累計之和為電壓超限時間，監(jiān)測點電壓合格率計算公式如式 (22)所示。 (22) 電力系統(tǒng)頻率偏差 頻率偏差的危害 從整個電力系統(tǒng)來講，低于系統(tǒng)頻率或高于頻率運行時，對發(fā)電廠和用戶都有不利的影響 [7]，具體表現(xiàn)為： (1)用戶使用的電動機(jī)的轉(zhuǎn)速與 系統(tǒng)頻率有關(guān)。頻率變化將引起電動機(jī)轉(zhuǎn)速的變化，從而影響產(chǎn)品質(zhì)量； (2)在頻率降低時，火力發(fā)電 廠的風(fēng)機(jī)和水泵所提供的風(fēng)量和水量將迅速減少，影響鍋爐的正常運行； (3)低頻率運行，汽輪機(jī)葉片所受的應(yīng)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(fā)電機(jī)的通風(fēng)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(fā)電機(jī)定子和轉(zhuǎn)子的溫升增加； (4)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； (5)頻率降低時，系統(tǒng)中負(fù)荷的無功功率將增大，而負(fù)荷的無功功率增大又將促使系統(tǒng)電壓水平的下降。 總之，由于所有設(shè)備都是按系統(tǒng)額定頻率設(shè)計的，系統(tǒng)頻率質(zhì)量的下降將影響各行各業(yè)。而頻率過低時，甚至?xí)拐?個系統(tǒng)瓦解，造成大面積停電。 國標(biāo)中的規(guī)定及計算方法 在國家標(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)計算方法及限制 [8]。 (1)頻率偏差的計算 電力系統(tǒng)頻率偏差定義為系統(tǒng)頻率的實際值和標(biāo)稱值之差，可用式 (23)計算。 (23) 式中 是頻率偏差， 為實際頻率， 則為標(biāo)稱頻率，本標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定 為 50Hz。計算出的頻率偏差應(yīng)滿足如下規(guī)定： ① 電力系統(tǒng)正常運行條件下頻率偏差限值 為 177。當(dāng)系統(tǒng)容量較小時，偏差可石家莊鐵道大學(xué)畢業(yè)設(shè)計 7 以放寬到 177。； ② 沖擊負(fù)荷引起的頻率偏差限值一般不得超過 177。，根據(jù)沖擊負(fù)荷性質(zhì)和大小以及系統(tǒng)的條件也可適當(dāng)變動限值，但應(yīng)保證近區(qū)電力網(wǎng)、發(fā)電機(jī)組和用戶的安全、穩(wěn)定運行以及正常供電。 (2)頻率合格率統(tǒng)計 通過檢測及直接或間接地統(tǒng)計頻率超限時間以活動表征電網(wǎng)頻率在限值內(nèi)的一種方法。統(tǒng)計時間以 秒 為單位，計算公式如式 (24)所示。 (24) 公用電網(wǎng)諧波 電網(wǎng)諧波的危害 國際上公認(rèn)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(shù)倍”。由于諧波的頻率是基波頻率的整數(shù)倍數(shù)，我們