【文章內(nèi)容簡介】 變動，電源出力及其調(diào)節(jié)系統(tǒng)追隨負(fù)上海海事大學(xué)本科生畢業(yè)設(shè)計(jì) (論文 ) 8 荷 變化 又有一定的慣性，只是系統(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(biāo)稱值，即產(chǎn)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(yùn)行的可靠性和經(jīng)濟(jì)性。 電力系統(tǒng)頻率是指單位時間內(nèi)電信號周期性運(yùn)動的次數(shù)，所謂頻率偏差是 指電力系統(tǒng)頻率的實(shí)際值和標(biāo)稱值（工頻）之差，其表達(dá)式為： △ f=f (211) 式中 f—— 實(shí)際 供電頻率， Hz —— 供電網(wǎng)額定頻率， Hz 《電能質(zhì)量 電力系統(tǒng)頻率允許偏差》（ GB/T 159451995）規(guī)定： (1)電力系統(tǒng)正常頻率偏差允許值為 ，當(dāng)系統(tǒng)容量較小是偏差值可以放寬到； (2)用戶沖擊負(fù)荷引起的系統(tǒng)頻率變動一般不得超過 ，根據(jù)負(fù)荷的性質(zhì)和大小以及系統(tǒng)的條件也可適當(dāng)變動限制，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(yùn)行以及正常供電； (3)用于頻率偏差指標(biāo)評定的測量須用具有統(tǒng)計(jì)功能的數(shù)字是自動記錄儀表其絕對誤差不大于 ； 三相電壓允許不平衡度 在理想的三相交流電力系統(tǒng)中，三相 相量大小相等、頻率相同且按互差 2 /3 時，稱三相平衡系統(tǒng)，否則稱三相 不平衡系統(tǒng)。實(shí)際上電力系統(tǒng)并不是完全平衡的，引起這種不平衡的因素有 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(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)行的，正常性的不平衡則是由于系統(tǒng)三相元件或負(fù)荷不對稱所致。作為電能質(zhì)量指標(biāo)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。 在研究不對稱的三相電力系統(tǒng)時廣泛使用對稱分量法，通常以電壓或電流負(fù)序分量上海海事大學(xué)本科生畢業(yè)設(shè)計(jì) (論文 ) 9 與正序分量均方根值的百分比來表示三相不平衡度。 以三相電壓為例 ，當(dāng)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(fù)序、零序分量。對于三相三線之電路，只含有正、負(fù)序分 量。三相電壓的不平衡度通常以負(fù)序分量的均方根值與正序分量 均方根值的比值來表示： = 100% （ 212） 式中 —— 為三相電壓正序分量的 均方根值，將不平衡的三相 系統(tǒng)的電量按對稱分量法分解后其正序?qū)ΨQ系統(tǒng)中的分量。 —— 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)的電量按對稱分量法分解后其負(fù)序?qū)ΨQ系統(tǒng)中的分量。 如果將式中的電壓符號換成電流符號，就可以求出電流的三相不平衡度。 《電能質(zhì)量 三相電壓允許不平衡度》（ GB/T 155431995）標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定： (1)電力系統(tǒng)公共連接點(diǎn)正常電壓不平衡度允許 值一般為 2%，短時不得超過 4%； (2)接于公共借點(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 %，根據(jù)連接點(diǎn)的負(fù)荷狀況臨近發(fā)電機(jī)繼電保護(hù)和自動裝置安全運(yùn)行要求可作適當(dāng)變動但必須滿足第 1 條的規(guī)定。 電網(wǎng)諧波分析 近年來，隨著電力電子技術(shù)的廣泛應(yīng)用，半導(dǎo)體器件等其他非線性負(fù)荷在電力電子系統(tǒng)中的使用越來越多，這就不可避免地使相關(guān)的電流和電壓波形產(chǎn)生較大程度的畸變，通常稱為諧波污染。諧波污染將影響電能的質(zhì)量，對電力系統(tǒng)的安全、經(jīng)濟(jì)運(yùn)行造成極大的影響。電力系統(tǒng)的諧波對各種電器設(shè)備 ，如繼電保護(hù)、自動裝 置、計(jì)算機(jī)、測量和計(jì)量儀器以及通信系統(tǒng)均有不利的影響。所以對電網(wǎng)中諧波含量進(jìn)行準(zhǔn)確的測量，確切掌握電網(wǎng)中諧波的實(shí)際狀況，對于防止諧波危害、維護(hù)電網(wǎng)的安全運(yùn)行時十分必要的。 上海海事大學(xué)本科生畢業(yè)設(shè)計(jì) (論文 ) 10 諧波的含義 國際上公認(rèn)的諧波含義為：諧波是一個周期性電器量的正弦波分量，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)，常常稱為高次諧波。 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； IEEE 標(biāo)準(zhǔn)中的定 義為：諧波為一周期波或量的正弦波分量，其頻率為基波頻率的整數(shù)倍。 諧波產(chǎn)生的原因和影響 諧波產(chǎn)生的根本原因是非線性負(fù)載如高壓輸電系統(tǒng)、變頻器、可控整流器、電弧爐、電動機(jī)車等的應(yīng)用，造成電網(wǎng)中的諧波污染、三相電壓的不對稱以及電壓波動和閃變?nèi)遮厙?yán)重。同時，由于上述負(fù)荷的存在 ，使得電力系統(tǒng)中的供電電壓即便是正弦波形，其電流波形也將偏離正弦波形而發(fā)生畸變。 諧波對電網(wǎng)的危害，當(dāng)系統(tǒng)含有高次諧波時，用于無 功補(bǔ)償?shù)牟⒙?lián)電容器組投入運(yùn)行時，會產(chǎn)生放大原有諧波的現(xiàn)象，當(dāng)系統(tǒng)的諧波感抗與電容器的諧波容抗相等時，就會 發(fā)生諧振；此時，系統(tǒng)的線損與高次諧波的含有率的平方成正比，諧波對網(wǎng)絡(luò)線損有很大的危害。 諧波對用戶低壓電器的損害：諧波電流的流入導(dǎo)致整個設(shè)備過熱，升高了設(shè)備的溫度 ，將提了絕緣壽命。如對電動機(jī)會引起附加損耗，其次還會產(chǎn)生機(jī)械振動、噪聲和諧波過電壓。 《電能質(zhì)量 公用電網(wǎng)諧波》（ GB/T 145491993）規(guī)定： （ 1） 諧波測量點(diǎn)為公共接入點(diǎn)，即用戶接入公共電網(wǎng)的連接處； （ 2） 電網(wǎng)諧波的相關(guān)指標(biāo)，諧波含有量、總諧波畸變率等的計(jì)算方法和測量方法； （ 3） 不同等級的電網(wǎng)電壓水平下所允許的各次諧波 含有率、總諧波畸變率等相關(guān)指標(biāo)。 上海海事大學(xué)本科生畢業(yè)設(shè)計(jì) (論文 ) 11 電壓波動和閃變 電力系統(tǒng)的電壓波動和閃變主要是 由沖擊性 (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)過程中有功功率和無功功率隨機(jī)地或周期性大幅變動。隨著工業(yè)的發(fā)展，這類負(fù)荷的功率越來越大，是電網(wǎng)電壓很容易產(chǎn)生波動和閃變，嚴(yán)重影響了電網(wǎng)的電能質(zhì)量。因此，對電壓波動和閃變的研究就顯得越來越重要。 電壓波動是指 一系列 電壓 波動或工頻電壓 包絡(luò)線的 周期 變化。 電壓波動值為電壓均方根值 兩個極值 與 的差值，通常用額定 電壓 的百分?jǐn)?shù)表示其相對百分值 d，即 d= 100%= 100% (213) 電壓波動通常會引起許多電工設(shè)備不能正常工作，如 電視畫面質(zhì)量、電子儀器工作失常、 白熾燈閃爍等等。因?yàn)橐话愕挠秒娫O(shè)備對電壓的敏感程度遠(yuǎn)低于白熾燈，所以，選擇人們對白熾燈照度的主觀觀感，即“閃變”，最為電壓波動危害程度的評價(jià)指標(biāo)。 閃變通常是指光的忽明忽暗的閃爍 。 而電力系統(tǒng)中的電壓閃變則是指由 于電網(wǎng)電壓波動引起人對所用照明設(shè)備忽明忽暗的一種感覺 ， 通常是以白熾燈的工況作為判斷依據(jù)，將電壓閃變可 以分為周期性和非周期性兩種，前者主要是由于周期電壓波動引起的，后者會與隨機(jī)性電壓波動有關(guān)。 本論文中對閃變主要是進(jìn)行短時閃變值 的測量， 本設(shè)計(jì)中采用了中國電力科學(xué)研究院的林海雪老師所提出的全新的閃變測量方法，瞬時閃變值 S(t)的計(jì)算過程如下 : (l)對頻率追蹤的電壓信號采樣值 u(n)計(jì)算其半個周期或一個周期的均方根值，得到一段時間 均方根值數(shù)列 U(N)。 (2)對數(shù)列 U(N)進(jìn)行傅里葉分 解，求出其離散的頻譜數(shù)列 (k)，各頻率幅值的 2 倍對應(yīng)著該頻率正弦電壓均方根值曲線波動的峰峰值，即電壓波動 值，該值除以在該頻率上產(chǎn)生 一個單位瞬時閃變值所需的電壓波動值后平方，獲得該頻率下的瞬時閃變值。 =FFT(U(N)) (214) 上海海事大學(xué)本科生畢業(yè)設(shè)計(jì) (論文 ) 12 S(t)= (215) 式中 頻譜上個頻率對應(yīng)的單位瞬時閃變值的電壓波動值。 在獲得瞬時閃變值 S(t)的基礎(chǔ)山上計(jì)算短時閃變值 。 對瞬時閃變值 S(t)進(jìn)行十分鐘的統(tǒng)計(jì)，生成累計(jì)概率函數(shù)（ CPF） ,然后利用 5個固定值計(jì)算短時時間閃變值 ： = (216) 式中 5個固定值 、 、 、 、 分別代表 CPF 曲線上縱坐標(biāo)為 %、 1%、 3%、10%、 50%所對應(yīng)的橫坐標(biāo)值。 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)。用戶操作這臺通用計(jì)算機(jī)就像操作一臺為自己專門設(shè)計(jì)的傳統(tǒng)電子儀器一樣。虛擬儀器的出現(xiàn)，使得測量儀器與計(jì)算機(jī)之間的界限逐漸模糊。 虛擬儀器通過 I/O 接口設(shè)備完成信號的調(diào)理、采集與測量，利用 個人計(jì)算機(jī)強(qiáng)大的軟件功能實(shí)現(xiàn)信號數(shù)據(jù)的運(yùn)算、分析、處理，由個人計(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結(jié)果，從而完成各種測量任務(wù)。“虛擬”二字主要包含一下兩個方面的含義： （ 1） 虛擬儀器的面板是虛擬的。虛擬儀器面板上的各種“控件”與傳統(tǒng)儀器面板上的“器件”所完成的功能是相同的。 （ 2） 虛擬儀器的測量功能是由軟件編寫來實(shí)現(xiàn)的。 虛擬儀器的構(gòu)成 從構(gòu)成要素上講，虛擬儀器由硬件系統(tǒng)和軟件系統(tǒng)兩大部分組成，如圖 31 所示。 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。其中，通用計(jì)算機(jī)可以是 筆記本電腦，臺式機(jī)或工作站等。外圍硬件設(shè)備可以分為 GPIB、 VXI、 PXI、 DAQ 四種標(biāo)準(zhǔn)體系結(jié)構(gòu)。 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、儀器驅(qū)動程序與應(yīng)用軟件。 上海海事大學(xué)本科生畢業(yè)設(shè)計(jì) (論文 ) 14 圖 31 虛擬儀器的系統(tǒng)構(gòu)成 虛擬儀器與傳統(tǒng)儀器比較 虛擬儀器與傳統(tǒng)儀器相比有如下特點(diǎn)： （ 1）“軟件就是儀器”，用戶可以自定義測量功能。 （ 2）強(qiáng)大的數(shù)據(jù)處理功能。虛擬儀器將信號分析、顯示、存儲和其它 管理交由計(jì)算機(jī)來集中處理，充分利用了計(jì)算機(jī)強(qiáng)大的數(shù)據(jù)處理、傳輸和發(fā) 布功能。 （ 3）靈活性和擴(kuò)展性強(qiáng)，性價(jià)比高，便于組成復(fù)雜的測試系統(tǒng)。 （ 4）良好的人機(jī)界面 。虛擬儀器的操控界面是一種虛擬面板，它可以模擬傳統(tǒng)儀器面板的風(fēng)格設(shè)計(jì)，也可也根據(jù)用戶的實(shí)際需求自行設(shè)計(jì)。測量結(jié)果也可以通過計(jì)算機(jī)顯示器以曲線、圖形數(shù)據(jù)或表格等形式方便靈活地顯示出來。 （ 5）與其他設(shè)備的互聯(lián)能力強(qiáng)。虛擬儀器通常具有標(biāo)準(zhǔn)化的總線或通信接口，具有與其他設(shè)備互聯(lián)的能力。隨著網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的發(fā)展，已經(jīng)形成了網(wǎng)絡(luò)虛擬儀器。這是一種新型的基于 Web 技術(shù)的虛擬儀器，它使得虛擬儀器測試系統(tǒng)成為 Inter/Intra 的一部分，可實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程測試、監(jiān)控和故障診斷等功能，以充分利用有效資源，提高測試效率。上海海事大學(xué)本科生畢業(yè)設(shè)計(jì) (論文 ) 15 第四章 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì) 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu) 本論文研究了基于虛擬儀器技術(shù)的 風(fēng)力發(fā)電并網(wǎng) 電能質(zhì)量監(jiān)測系統(tǒng)，所謂的虛擬儀器，就是在以通用計(jì)算機(jī)為核心的硬件平臺上，由用戶設(shè)計(jì)定義，具有虛擬面板，測試功能由測試軟件實(shí)現(xiàn)的一種計(jì)算機(jī)儀器系統(tǒng)，它不但具有傳統(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，實(shí)現(xiàn)電能質(zhì)量參數(shù)監(jiān)測中的數(shù)據(jù)讀取、存儲、分析以及與數(shù) 據(jù)庫連接等，此外虛擬儀器具有功能豐富的面板，使得測量結(jié)果更加直觀清晰。 基于虛擬儀器技術(shù)電能參數(shù)監(jiān)測系統(tǒng)由兩大部分組成 :硬件部分和軟件部分。 將硬件部分和軟件部分綜合起來， 軟件部分是核心，只要硬件部分將監(jiān)測點(diǎn)的電壓和電流信號經(jīng)信號調(diào)理電路和數(shù)據(jù)采集卡以最小失真度轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號，其余的任務(wù)如數(shù)據(jù)處理和統(tǒng)計(jì)分析、數(shù)據(jù)顯示等完