【文章內容簡介】 是很有必要的。目前電力運行設備品種繁多，相應的電能參數(shù)監(jiān)測設備種類齊全，然而常規(guī)的監(jiān)測系統(tǒng)在下列幾個方面比較欠缺 [6,7] : 1)功能單一性問題。常規(guī)的電能參數(shù)監(jiān)測系統(tǒng)由于受到硬件條件的限制，每一個系統(tǒng)只能實現(xiàn)一個或者少數(shù)幾個電能質量參數(shù)的檢測。 2)生產調試率低下問題。常規(guī)的電力參數(shù)監(jiān)測設備在生產調試過程中，由于不同功能的設備在硬件、材料等方面差別很大，因此調試的工作量大，對調試人員的要求較高，需要掌握不同的硬件原理、不同的器 件特性等，因此調試率低下。 3)開發(fā)周期和開發(fā)費用問題。常規(guī)的單功能參數(shù)監(jiān)測設備在開發(fā)的過程中，要經過一個硬件設計、調試的過程，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。 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的虛擬儀器技術思想，通過軟件將計算機硬件資源和儀器硬件有機地結合起來，從而把計算機強大的計算處理能力和儀器硬件的測量、控制能力結合在一起，使得開發(fā)的基于虛擬儀器技術的電能參數(shù)監(jiān)測系統(tǒng)具有功能靈活、操作方便等優(yōu)點，這對于克服目前電能質量參數(shù)監(jiān)測系統(tǒng)的局限性、 采取措施提高供電質量都具有重要的意義。 電能質量參數(shù)分析方法 國內外衡量電能質量的指標 國際上， IEEE 第 22 屆標準協(xié)調委員會和其它國際委員會最新采用 11 種指標來衡量電能質量，大致可以分為兩大類 :電壓幅值 (斷電、電壓下跌、電壓上沖、瞬時脈沖、電壓波動與閃變、電壓切痕、過電壓、欠電壓 )和電壓波形 (諧波、間諧波、頻率偏差 )[8]。 在我國，結合本國的實際情況，自 1990 年以來，我國相繼發(fā)布了五項電能質量國家標準，分別為 :GB 123251990《電能質量供電電壓允許偏差》、 GB/T 145491993《電能質量公用電網(wǎng)諧波》 、 GB/T 155431995《電能質量三相電壓允許不平衡度》 、 GB/T 159451995《電能質量電力系統(tǒng)頻率允許偏差》、 GB 123262020《電能質量電壓波動和閃變 ))[14, 16]。 中國礦業(yè)大學 2020 屆本科生畢業(yè)設計（論文） 第 3 頁 電能質量參數(shù)的分析方法 對電能質量問題的分析是關系到電能質量問題解決的一個重要環(huán)節(jié) 。 近年來，基于數(shù)字技術的的各種分析方法己經在以下的電能質量領域中得到廣泛地應用 ： 分析諧波在網(wǎng)絡中的傳播 、 分析各種擾動源引起的波形畸變 、 開發(fā)各種電能質量控制裝置 等。 按照所采用的 不同分析方法， 電能質量參數(shù)分析 有 時域、頻域、變換域三種 〔 1,15〕 。 (1)時域仿真方法 對于電能質量中的暫態(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。在三種分析方法中，時域仿真分析方法在電能質量分析中的應用最為廣泛。目前較通用的時域仿真程序主要有 EMTP, EMTDC, NETOMAC 等系統(tǒng)暫態(tài)仿真程序和 SPICE, PSPICE, SABER 等電力電子仿真程序兩大類。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。利用隱式可保證求解過程中的數(shù)值穩(wěn)定，采用變階、變步長技術可縮短迭代計算的時間。采用時域仿真計算的缺點是仿真步長的選取決定了可模仿的最大頻率范圍，因此必須事先知道暫態(tài)過程的頻率覆蓋范圍。此外，在模仿開關的開合過程時，還會引起數(shù)值振蕩。因此，要采用相應技術抑制發(fā)生數(shù)值振蕩。 (2)頻域仿真分析 頻域分析方法主要用于電能質量中諧波問題的分析，包括頻率掃描、諧波潮流計算等。 (3)基于變換的方法 基于變換的方法常用在實時、在線的電能質 量分析方法中。由于分析數(shù)據(jù)必須以足夠高的采用速率進行采樣并存儲，而且長期在線進行，所以存儲的數(shù)據(jù)非常的大。為了合理的利用好這些數(shù)據(jù)，可采用基于變換的方法進行擾動信號的分析。 基于變換的方法主要指 Fourier 變換方法、短時 Fourier 變換方法以及近年來出現(xiàn)的小波變換方法 Fourier 變換方法是經典的頻譜分析和信號處理方法。它具有正交、完備等許多優(yōu)點，但其對含有短時間高頻分量和長時間低頻分量的電能質量信號分析具有一定的局限性。目前經過改進的快速傅里葉變換 ((FFT)和短時傅里葉變換 (STET)己經成為電能 質量分析的基礎。 小波變換的分析方法是近年來興起的一種算法。由于具有時 —— 頻局部化的特點，克服了以上 FFT 和 STET 的缺點，特別適合于突變信號和不平穩(wěn)信號的分析。小波變換作為一種新的數(shù)字技術被引入工程界后，已在圖象處理、數(shù)據(jù)壓縮和信號分析等領域得到廣泛應用。由于小波函數(shù)本身衰減很快，也屬一種暫態(tài)波形，將其用于電能質量分析領域，尤其是暫態(tài)過程分析領域將具有 FFT, STFT 所無法比擬的優(yōu)點。 中國礦業(yè)大學 2020 屆本科生畢業(yè)設計（論文） 第 4 頁 此外，國內外對于電能質量問題也越來越多地采用了模糊數(shù)學、神經網(wǎng)絡、人工智能等方法以及各種方法的結合，極大地豐富 了處理電能質量問題的算法 [8]。 論文的研究思路和主要內容 本 論 文研究的重點在于利用 LabVIEW平臺開發(fā)基于虛擬儀器的電能質量參數(shù) 分析 系統(tǒng)，將電壓偏差、頻率偏差、電壓波動和閃變、電網(wǎng)諧波、三相電壓不平衡度作為主要的研究對象，同時對電能質量參數(shù)的測試算法進行了研究，通過對電網(wǎng)信號的采集、計算和分析，實現(xiàn)對上述五種穩(wěn)態(tài)電能質量參數(shù)的監(jiān)測 和分析 。 論文的主要內容有 : (1)簡要介紹課題研究的背景和研究意義，詳細論述了電能質量 分析 系統(tǒng)存在的實際問題以及對虛擬儀器技術優(yōu)勢的分析，提出了研究基于虛擬儀器的電能 質量參數(shù)監(jiān)測系統(tǒng)的必要性和可行性。 (2)詳細闡述了電能質量指標的定義并對電能質量參數(shù)的數(shù)學模型進行了深入的研究。 (3)通過對基于虛擬儀器監(jiān)測系統(tǒng)的簡要分析，提出了本課題所要研究的系統(tǒng)的總體結構，并簡要的介紹了課題研究的系統(tǒng)硬件的構成方案。由于本課題所研究重點是基于虛擬儀器的電能質量參數(shù) 分析 系統(tǒng)軟件功能部分，因此本 論文 的重點主要是對系統(tǒng)所要實現(xiàn)的各個功能模塊的數(shù)學模型離散化設計進行了研究。 (4)簡要的介紹了虛擬儀器技術的概念及軟件開發(fā)平臺 LabVIEW，利用 LabVIEW以及前面所研究的各個功能模塊的數(shù) 學模型的離散化設計，對系統(tǒng)的軟件部分進行了設計，將系統(tǒng)按所要實現(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，并且詳細的給出了功能模塊的軟件設計。 (5)利用仿真的方法對系統(tǒng)的各個功能模塊進行了試驗，并給出了試驗結果。 中國礦業(yè)大學 2020 屆本科生畢業(yè)設計（論文） 第 5 頁 第二章 電能質量指標綜述 電能質量指標是電能質量各個方面的具體描述，不同的指標有不同的定義和規(guī)定。從總體上講，電能質量指標越接近標稱值表明電能質量越好。然而，電能從生產到消耗 是一個整體，電力系統(tǒng)的發(fā)、輸、配、變、用始終處于動態(tài)平衡之中，其中任何一環(huán)節(jié)都會對電能質量產生影響。而電能質量指標的控制又需要相當?shù)耐度?電網(wǎng)結構的改進、有功功率和無功功率的平衡、各種調頻、調壓、濾波和無功補償裝置的使用以及調度和運行技術的管理等 )。因此，電能質量指標的偏差時刻存在，而偏差是否能夠滿足規(guī)定的限值是我們進行電能質量指標監(jiān)測分析的依據(jù)?！?8,14〕 在本章中，簡述了電能質量指標的定義，對電能質量五項指標的數(shù)學模型進行了一定的研究，為后續(xù)章節(jié)的數(shù)學模型的離散化設計奠定了基礎。 供電電壓允許 偏差 概念 用電設備的運行指標和額定壽命是對其額定電壓而言的。當其電壓輸入端子出現(xiàn)電壓偏差時，其運行參數(shù)和壽命將會受到影響，影響程度視偏差的大小、持續(xù)的時間和設備狀況而異 。 測試電壓的允許偏差比較簡單。電壓允許偏差是指電力系統(tǒng)的電壓緩慢變化時，實際電壓與系統(tǒng)標稱電壓之差。使用符合標準的電壓表測出系統(tǒng)的實際電壓，然后用下式求出電壓偏差 ： 1 0 0 %% ??? 額定電壓 額定電壓實際電壓）電壓偏差（ （ 21） 式中實際電壓為實際測量電壓，額定電壓為系統(tǒng)標稱電壓 220V、 380V、 6kV 等。 電壓偏差產生的原因和對電力系統(tǒng)的危害 電 力系統(tǒng)中的負荷以及發(fā)電機組的出力隨時發(fā)生變化，網(wǎng)絡結構隨著運行方式的改變而改變，系統(tǒng)故障等因素都將引起電力系統(tǒng)功率的不平衡。系統(tǒng)無功功率不平衡是引起系統(tǒng)電壓偏差的根本原因。 [9] 電壓偏差對電力系統(tǒng)的危害主要表現(xiàn)在以下幾個方面 : (1)對用電設備的危害 用電設備設計在額定電壓時性能最好、效率最高，電壓偏離額定值時，其 性能和效率都會降低，有的還會減少使用壽命。電壓偏差超過一定值時， 會引起設備的損壞。 (2)對電網(wǎng)穩(wěn)定運行的危害 中國礦業(yè)大學 2020 屆本科生畢業(yè)設計（論文） 第 6 頁 交流輸電有個同步 運行穩(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)運行電壓有很大的關系，電壓越低，功率極限越低，越容易發(fā)生不穩(wěn)定現(xiàn)象。 (3)對電網(wǎng)經濟運行的影響 輸電線路和變壓器在輸送相同功率的條件下，其電流的大小和運行的電壓成反比。電網(wǎng)在低電壓狀況下運行，會使線路和變壓器的電流增大，線路和變壓器繞組的有功功率與電流平方成正比。低電壓運行會使電網(wǎng)有功功率損耗和無功功率損耗大大增加，增大了供電成本。 電壓偏差標準 （ GB 123251990） 允許限制 : 1） 35kV 及以上為正負偏差絕對值之和不超過 10%； 2） 10kV 及以下三相供電為177。 7%。 3） 220V 單相供電為 +7%， 10%。 電力系統(tǒng)的頻率偏差 電力系統(tǒng)在正常工況下應在標稱頻率下運行，系統(tǒng)中的用電設備在設計時都是優(yōu)先按照標稱頻率設計。但是，由于電力系統(tǒng)負荷不斷變動，電源出力及其調節(jié)系統(tǒng)追隨負荷變化又有一定的慣性，致使系統(tǒng)頻率總是一直處于變動的動態(tài)之中，不可避免地偏 離標 稱值，即產生頻率偏差。因此，必須劃出頻率允許的偏差范圍確保系統(tǒng)運行的可靠性和經濟性 。 〔 13〕 電力系統(tǒng)頻率 是指單位時間內電信號周期性運動的次數(shù)，所謂頻率偏差 是指 系統(tǒng)頻率的實際值和標稱值 (工頻 )之差 ， 〔 16〕 其表達式為 ： Nfff ??? (22) 式中 f 指 實際供電頻率， Hz Nf 供電網(wǎng)額定頻率， Hz 國標中對系統(tǒng)頻率的規(guī)定如下 : 1)電力系統(tǒng)正常頻率偏差 范圍 為 ～ +0. 2HZ。當系統(tǒng)容量較小時，偏差值可以放寬到 ～ +。 2)用戶沖擊負荷引起的系統(tǒng)頻率變動一般不得超過 Hz，根據(jù)沖擊負荷的性質和大小以及系統(tǒng)的條件也可以適當變動限值，但應保證近區(qū)電力網(wǎng)、發(fā)電機組和用戶的安全、穩(wěn)定運行以及正常供電。 三相電壓不平衡度 在理想的三相交流電力系統(tǒng)中，三相電壓應有同樣的數(shù)值，且按 A,B,C 順序互成 2? /3 角，這樣的系統(tǒng)叫做三相平衡系統(tǒng)。然而由于存在各種不平衡因素，實際 中國礦業(yè)大學 2020 屆本科生畢業(yè)設計（論文） 第 7 頁 上電力系統(tǒng)并不是完全平衡的。不平衡的因素可以歸結為事故性和正常性兩大類。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)運行不允許的，一般由繼電保護、自動裝置動作切除故障元件后在短期內使系統(tǒng)恢復正常運行。正常性的不平衡則是由于系統(tǒng)三相元件或負荷不對稱所致，作為電能質量指標之一的“三相電壓允許不平衡度”是針對正常不平衡工況制定的 . 當三相電源電壓畸變不對稱時，對于三相四線制電路，電壓中除含有諧波分量外，還含有正序、負序、零序分量。對于三相三線制電路，只含有正、負序分量。三相電壓的不平衡度通常以負序分量的均方根值與正序分量的均 方根值的比值來表示 : 〔 10〕 100 %UU12 ??? (23) 式中 1U 為三相電壓正序分量的均方根值 2U 為三相電壓負序分量的均方根值 如果將式中的電壓符號換為電流符號，就可以求出電流的三相不平衡度。 含有零序分量的的三相系統(tǒng) 對于含有零序分量的三相系統(tǒng)中，應用對稱分量法，分別先利用 (24)式 求出正序分量和負序分量，然后利用 (23)式求出不平衡度。 ???????????????????????????????cbaaaaaUUU1111131UUU22021 (24) 式中 1U 是 正