【文章內(nèi)容簡介】 ，如變壓器合閘涌流中的諧波分量，由于其幅值強、諧波含量也很大，更容易引起繼電保護的誤動作，造成供電中斷；(9) 對儀表和電能計量的影響?，F(xiàn)代指示均方根值的電壓表和電流表相對地不受波形畸變的影響，受諧波影響較大的是計量電能的感應型電能表，其誤差與頻率特性和非線性度造成的誤差有關。除電表本身誤差外，諧波負荷從系統(tǒng)中吸收基波功率而向系統(tǒng)送出諧波功率，這樣受諧波影響的用戶既從系統(tǒng)吸收基波功率又從諧波源吸收無用的諧波功率，其后果是諧波源負荷用戶少付電費而受害的用戶反而多付電費。總之，諧波對各種電力設備、通信設備以及線路都會產(chǎn)生有害的影響，嚴重時會造成設備損壞和電力系統(tǒng)事故。 國標中的規(guī)定及計算方法根據(jù)國家標準《電能質量 公用電網(wǎng)諧波》，對公用電網(wǎng)諧波電壓限值如表 21所示[10]。表 21 公用電網(wǎng)諧波的限值電網(wǎng)標稱電壓kV電壓總諧波畸變率%各次諧波電壓含有率%奇次偶次6103566110(1) 諧波術語的數(shù)學表達式第h次諧波電壓含有率，如公式(25)所示：(25)式中，——第h次諧波電壓(方均根值)；——基波電壓(方均根值)。諧波電壓含量，如公式(26)所示：(26)電壓總諧波畸變率，如公式(27)所示：(27)(2) 諧波的測量在對電壓進行測量時，為了區(qū)別暫態(tài)現(xiàn)象和諧波，對負荷變化快的諧波，每次測量結果可為3s內(nèi)所測值的平均值，推薦采用式(28)計算。(28) 電壓波動和閃變 電壓波動和閃變的產(chǎn)生及危害(1) 電壓波動和閃變的產(chǎn)生電壓波動是由于部分負荷在正常運行時出現(xiàn)沖擊性功率變化，造成實際電壓在短時間里較大幅度波動，并且連續(xù)偏離額定電壓，所以也稱為快速電壓變動[11]。單位時間內(nèi)電壓變動的次數(shù)稱為電壓變動的頻度r(s1)，一般以分或秒為頻度的單位。電壓變動頻度為調(diào)幅波頻率的2倍，或表示為。在電能質量標準中，閃變以燈光閃爍對人眼視感的影響來反映供電電壓的波動程度。閃變是指由于燈光照度不穩(wěn)定造成的視感。閃變不僅與電壓波動的幅值有關，而且與電壓波動的頻率和波形、照明燈具的性能及人的視感因素有關。出現(xiàn)供電電壓波動，使實際運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性負荷投運引起的。波動性負荷的用電特征分為周期性和非周期性的，而周期性和近似周期性的功率波動負荷對閃變影響更為嚴重。目前供電系統(tǒng)中功率波動造成干擾的負荷主要有：電弧爐、軋鋼機、電氣化機車等。(2) 電壓波動和閃變的危害電壓波動會引起多種危害，如電壓快速變動會使電動機轉速不均勻，不僅危及電動機的安全運轉，而且還會直接影響一些產(chǎn)品的質量。閃變是電壓波動的直接反映，當電壓波動嚴重到引起照明燈具閃爍時，會使人眼感到疲勞甚至難以忍受而降低工作效率。但閃變還與人的視感因素有關，所以不能以電壓波動代替閃變。 國標中的規(guī)定及計算方法根據(jù)國家標準《電能質量 電壓波動和閃變》，任何一個波動負荷用戶在電力系統(tǒng)公共連續(xù)點產(chǎn)生的電壓變動，其限值和電壓變動頻度、電壓等級有關。對于電壓變動頻度較低(例如)或規(guī)則的周期性電壓波動，可通過測量電壓方均根值曲線U(t)確定電壓變動頻度和電壓變動值，電壓波動的限值如表22所示[12]。表22 電壓波動限值r/(次/h)d/%LV、MVHV433**21注1：很少的變動頻度(每日少于1次)，電壓變動限值d還可以放寬。注2：對于隨機性不規(guī)則的電壓波動，如電弧爐負荷引起的電壓波動，表中標有“*”的值為其限值。注3：參照GB/T 1562007，本標準中系統(tǒng)標稱電壓UN等級按以下劃分：低壓(LV) 中壓(MV) 高壓(HV) 對于220kV以上超高壓(EHV)系統(tǒng)的電壓波動限值可參照高壓(HV)系統(tǒng)執(zhí)行。電力系統(tǒng)公共連接點，在系統(tǒng)正常運行的最小方式下，以一周(168h)為測量周期，所有長時間閃變值Plt都應滿足一定的條件，如表23所示：表23 閃變限值Plt110kV 1 (1) 電壓波動的測量和估算電壓波動可通過電壓方均根值曲線U(t)來描述，電壓變動d和電壓變動頻度r則是衡量電壓波動大小和快慢的指標。電壓變動d的定義表達式如式所示(29)式中，——電壓方均根值曲線上相鄰兩個極值電壓之差； UN——系統(tǒng)標稱電壓。(2) 閃變的測量和計算閃變是電壓波動在一段時期內(nèi)的積累效果，它通過燈光照度不穩(wěn)定造成的視感來反應，主要由短時閃變Pst和長時間閃變Plt來衡量。短時閃變值Pst的計算方法是通過模擬人眼的感覺通過分析計算得出結果，具體過程將在后續(xù)章節(jié)詳細介紹。長時間閃變值Plt由測量時間段內(nèi)包含的短時間閃變值Pst計算獲得，如式(210)所示：(210) 三相電壓允許不平衡度 三相不平衡產(chǎn)生的原因及危害電力系統(tǒng)的三相不平衡是由于三相符合不平衡以及系統(tǒng)元件參數(shù)的不對稱所致。三相電源電壓畸變不對稱時，對于三相四線制電路，可以分解為正序、負序和零序分量；對于三相三線制電路，可分解為正序和負序分量，而沒有零序分量。三相電壓的不平衡度通常以負序分量與正序分量的均方根的百分比來表示[13]，如式(211)所示。(211)式中，——三相電壓正序分量的均方根值；——三相電壓負序分量的均方根值。 隨著國民經(jīng)濟的發(fā)展，電力系統(tǒng)中出現(xiàn)了大量不平衡負荷，以及一些單相大容量負荷(例如交流電弧爐、電氣化鐵路)，使電網(wǎng)三相電壓不平衡日趨嚴重，危及電力系統(tǒng)的安全和經(jīng)濟運行。三相電壓或電流不平衡會對電力系統(tǒng)和用戶造成一系列的危害，其中主要有：(1) 引起旋轉電機的附加發(fā)熱和振動，危及其安全運行和正常工作；(2) 引起以負序分量為起動元件的多種保護發(fā)生誤動作(特別是當電網(wǎng)中同時存在諧波時)，這對電網(wǎng)安全運行是有嚴重威脅的；(3) 導致半導體變流設備產(chǎn)生附加的諧波電流(非特征諧波)，而這種設備一般設計上只允許2%的電壓不平衡度；(4) 導致發(fā)電機容量利用率下降。由于不平衡時最大相電流不能超過額定值，在極端情況下，；(5) 變壓器的三相負荷不平衡，不僅使負荷較大的一相繞組過熱導致其壽命縮短，而且還會由于磁路不平衡，大量漏磁通經(jīng)箱壁、夾件等使其嚴重發(fā)熱，造成附加損耗；(6) 在低壓配電線路中，三相不平衡會影響計算機正常工作，還會引起照明電燈壽命縮短(電壓過高)或照度不足(電壓過低)以及電視機的損壞等；(7) 三相不平衡時，將引起電網(wǎng)損耗的增加；(8) 干擾通訊系統(tǒng)，影響正常的通信質量。 國標中的規(guī)定及計算方法根據(jù)國家標準《電能質量 三相電壓不平衡》的規(guī)定，電力系統(tǒng)公共連接點電壓不平衡度限值為，電網(wǎng)正常運行時，負序電壓不平衡度不超過2%，短時不得超過4%。%，%。同時，該標準還規(guī)定了不平衡度的計算方法[14]。(1) 測量取值對于電力系統(tǒng)的公共連接點，供電電壓負序不平衡度測量值的10min方均根值的95%概率大值應不大于2%，所有測量值中的最大值不大于4%。對日波動不平衡負荷，取1min方均根值。為了實用方便，實測值的95%概率值可將實測值按由大到小次序排列，舍棄前面5%的大值取剩余實測值中的最大值。本設計說明書軟件設計分析過程既是采用這種方法。(2) 不平衡度的準確計算式在沒有零序分量的三相系統(tǒng)中，當已知三相量a、b、c時，可按式(212)求負序不平衡度。(212)式中，L——a4+b4+c4a2+b2+c22。 本章小結(1) 本章介紹了電能質量的概念，最后給出了IEEE對電能質量的定義；(2) 根據(jù)國家五項電能質量標準，分別介紹了各種電能質量指標的產(chǎn)生原因、帶來的主要危害以及國標中的規(guī)定和計算方法。第 3 章 軟件開發(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70年代，PC機出現(xiàn)以后，儀器的計算機化成為可能，于是誕生基于計算機的儀器，即虛擬儀器。儀器硬件以模塊化為特點，能夠全方位的系統(tǒng)集成，應用軟件則以圖形化的編程為長處，能夠方便高效的創(chuàng)建自定義的用戶界面，二者相結合實現(xiàn)傳統(tǒng)儀器的測量功能。使用者用鼠標或鍵盤操作虛擬面板，就如同使用一臺專用測量儀器[15]。虛擬儀器利用PC機強大的圖形環(huán)境和在線幫助功能，建立虛擬儀器面板，完成對儀器的控制、數(shù)據(jù)分析和顯示，代替了傳統(tǒng)儀器，改變了傳統(tǒng)儀器的使用方式，極大的提高了儀器的功能和使用效率，大幅度的降低了儀器的價格，使用戶可以根據(jù)自己的需要自定義儀器的功能；可以說，虛擬儀器的出現(xiàn)將“儀器”的概念推向了一個新的紀元。虛擬儀器廣泛的應用于電子測量、電力工程、礦物勘探、醫(yī)療、振動分析、聲學分析、故障診斷及教學科研等諸多領域。隨著社會生產(chǎn)力的極大發(fā)展，現(xiàn)代化的生產(chǎn)要求電子儀器品種多、功能強、精度高、自動化程度高，而且要求測試速度快、實時性好、具有良好的人機界面。虛擬儀器正好可以滿足這些要求[16]。與傳統(tǒng)的儀器相比較(見表31)，虛擬儀器具有如下幾個優(yōu)點：(1) 虛擬儀器的關鍵環(huán)節(jié)是軟件虛擬儀器系統(tǒng)中除PC機外的硬件主要用于數(shù)據(jù)的采集、輸入，至于系統(tǒng)怎樣處理數(shù)據(jù)，具有怎樣的面板和數(shù)據(jù)輸出的形式等都是由軟件決定的。虛擬儀器的好壞，很大程度上取決于軟件水平的高低。(2) 開發(fā)與維護的費用低，系統(tǒng)組建時間短當需要增加新的測量功能，只需要增加軟件模塊或通用的硬件模塊，縮短了系統(tǒng)的更新時間，而且有利于系統(tǒng)的擴展。應用軟件不像傳統(tǒng)儀器的硬件那樣存在元器件老化的問題，大大節(jié)省了維護的費用，延長設備的使用壽命。(3) 測量更準確傳統(tǒng)儀器測量個體之間差異大，而虛擬儀器的應用軟件在不同的PC機上具有相同的運行效果，在軟件運行這方面不存在個體的差異。(4) 測量更方便因為傳統(tǒng)儀器功能單一，所以對一個信號完成多個參數(shù)的測量需要多臺儀器，使測量受到連接方式、電纜長度等因素的影響。虛擬儀器只需對信號進行一次采樣，多個軟件模塊對同一組數(shù)據(jù)進行不同的處理就能實現(xiàn)多個參數(shù)的同時測量。(5) 具有強大的數(shù)據(jù)處理功能計算機運算速度的大大提高和數(shù)字信號處理理論的豐富和完善，使虛擬儀器能夠快速準確的處理數(shù)據(jù)。為了清楚的表明傳統(tǒng)儀器與虛擬儀器的區(qū)別，我們利用表31來更好地說明。表31 傳統(tǒng)儀器和虛擬儀器的對比虛擬儀器傳統(tǒng)儀器界面圖形化，計算機直接讀取數(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)絡外設及多種儀器連接與其它儀器設備的連接十分有限關鍵是軟件，系統(tǒng)升級方便，可通過網(wǎng)絡下載升級程序關鍵是硬件，升級成本高，而且要上門進行升級服務價格低廉，儀器間資源可重復利用率高價格昂貴，儀器間一般無法共享資源體積較小，便于攜帶和野外工作體積較大，不便于運輸開發(fā)與維護費用較低開發(fā)與維護開銷高技術更新周期短(1～2年)技術更新周期長(5～10年) LabVIEW軟件介紹虛擬儀器的核心技術思想就是“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。美國NI公司通過長期、系統(tǒng)、有效的研究和發(fā)展，逐步確立了LabVIEW在虛擬儀器編程軟件中的主力地位[17]。LabVIEW(Laboratory Virtual Instrument Engineering Workbench)是一種用圖標代替文本行創(chuàng)建應用程序的圖形化編程語言。它的出現(xiàn)終于把人們——尤其是傳統(tǒng)儀器工程師和科學家們從繁雜的編程工作中解放出來，使他們能夠真正專心于自己所關注的事情。LabVIEW程序又稱虛擬儀器，即VI，其外觀和操作均模仿現(xiàn)實儀器。每個VI都使用函數(shù)從用戶界面或其他渠道獲取信息輸入，然后將信息顯示或傳輸至其它文件或計算機前面板是VI的用戶界面。前面板由輸入控件和顯示控件組成，這些控件是VI的輸入輸出端口。輸入控件是指旋鈕、按鈕、轉盤等輸入裝置，顯示控件是指圖表、指示燈等顯示裝置，模擬儀器的輸入裝置，為VI的程序框圖提供數(shù)據(jù)。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)。程序框圖是圖形化源代碼的集合，圖形化源代碼又稱G代碼或程序框圖代碼。前面板創(chuàng)建完畢后，便可使用圖形化的函數(shù)添加源代碼來控制前面板上的對象。前面板上的對象在程序框圖中顯示為接線端。接線端用以表示輸入控件或顯示控件的數(shù)據(jù)類型。在程序框圖中可將前面板的輸入控件或顯示控件顯示為圖標或數(shù)據(jù)類型接線端。默認狀態(tài)下，前面板對象顯示為圖標接線端。接線端是在前面板和程序框圖之間交換信息的輸入輸出端口。節(jié)點是程序框圖上的對象，具有輸入輸出端，在VI運行時進行運算。節(jié)點相當于文本編程語言中的語句、運算符、函數(shù)和子程序。程序框圖中對象的數(shù)據(jù)傳輸通過連線實現(xiàn)。每根連線都只有一個數(shù)據(jù)源，但可以與多個讀取該數(shù)據(jù)的VI和函數(shù)連接。不同數(shù)據(jù)類型的連線有不同的顏色、粗細和樣式。斷開的連線顯示為黑色的虛線，中間有個紅色的x。出現(xiàn)斷線的原因有很多，如試圖連接數(shù)據(jù)類型不兼容的兩個對象是就會產(chǎn)生斷線。結構是文本編程語言中的循環(huán)和條件語句的圖形化表示。使用程序框圖中的結構可對代碼塊進行重復操作，有條件執(zhí)行或按特定順序執(zhí)行代碼。 電能質量檢測VINI公司在LabVIEW中提供了一些工程測量中常用的VI，就像面向對象語言中的類一樣，我們可以直接使用，簡化我們開發(fā)的過程。本節(jié)介紹電能質量監(jiān)測系統(tǒng)涉及到的關于參量分析相關控件的使用功能，使我們對設計中使用的控件有了進一步的了解。其中，包括一些可用于電能質量測量的VI，如波峰檢測VI(Peak )、提取單頻信號VI(Extract Single Tone )、諧波失真分析VI(Harmonic Distortion )等。(1) 波峰檢測VI在測量電壓值的過程中使用到了波峰檢測VI，如圖31所示。圖31 波峰檢測VI數(shù)據(jù)集可以單個數(shù)組或連續(xù)數(shù)據(jù)塊的形式作為該VI的輸入。該VI的算法是用二次多項式依次擬合數(shù)據(jù)點中的各組數(shù)據(jù)。擬合中