【文章內容簡介】 為電 壓或電流的幅值、頻率、相位等在時間軸上的任一時刻總是在發(fā)生著 變化。 測量原理及系統(tǒng)總體設計 9 這類現象包括電壓幅值變化、頻率變化、電壓與電流相位變化、信號干擾等。這一類型往往對應著穩(wěn)態(tài)電能質量問題，其主要特征是變化 的連續(xù)性。 事件型是指突然發(fā)生的電能質量擾動現象，其重要的特征表現為電壓或電流短時嚴重偏離其額定值或理想波形。這一類現象包括電壓暫降和電壓短時間中斷、暫態(tài)電能質量檢測與分析的研究 、欠電壓、瞬態(tài)過電壓 等。該類型 往往對應著 暫態(tài)電能質量問題，其主要特征是變化的不連續(xù)性或短時性。 電能質量參數測量原理 電壓偏差 電壓偏差是指電力系統(tǒng)在正常運行的條件下，供電電壓對額定電壓的偏差。當出現電壓偏差時，用電設備的運行參數和壽命都會直接或間接地受到一定的影響。通常，電壓偏差是指電壓變化率小于每秒 1%時，實際電壓值與系統(tǒng)標稱電壓值之差 [12]。 %100(%) ????NNr V VVV () 式中， V? 、 rV 、 NV 分別表示電壓偏差、實測電壓、額定電壓，其中，實測電壓和額定電壓都為有效值 , 電壓偏差對電力系統(tǒng)的危害主要表現在以下兩個方面： 1. 對用電設備的危害。所有用戶的用電設備都是按照設備的 額定電壓進行設計和制造的。當電壓偏離額定電壓較大時，用電 設備的運行性能惡化，不僅運行效率降低，很可能會由于過電壓 而損壞。 2. 對電網的危害。輸電線路的輸送功率受功率穩(wěn)定極限的限制，而線路的靜態(tài)穩(wěn)定功率極限近似與線路的電壓平方成正比。系統(tǒng)運行電壓偏低，輸電線路的功率極限大幅度降低，可能產生系統(tǒng)頻率不穩(wěn)定現象 。系統(tǒng)運行電壓過高又可能使系統(tǒng)中的各種電氣設備的絕緣受損，使帶鐵心的Opinos adugethry39。mlcAv,fPb20*jZTxMI:EYB()設備飽和，產生諧波，并可能引發(fā)鐵磁諧振，同樣威脅電力系統(tǒng)的安全和穩(wěn)定運行。 國家標準 GB123252020《供電電壓允許偏差》中規(guī)定： 電壓允許偏差是在正常運行條件下應保持電網各點電壓在額定的水平上。 及以上供電和對電壓質量有特殊要求的用戶為額定電壓的正負偏差絕對值之和不超過 10％； 2. 10kV 及以下高壓供電和低壓三相用戶為額定電壓的 +7％～ 7％； 低壓單相用戶為額定電壓的 +5％～ 10％。 國標中的規(guī)定是在交流 50 Hz 的情況下適用，不適用于瞬態(tài)和非正常運行情況。 三相不平衡度 在理想的三相交流電力系統(tǒng)中， A、 B、 C 三相電壓幅值相同，并且按順序互成 2π /3 角度，這樣的系統(tǒng)叫做三相平 衡系統(tǒng)。然而由于種種原因，實際中的電力系統(tǒng)并不是完全平衡的。電力系統(tǒng)的三相不平衡是由于三相負載不平衡以及系統(tǒng)元件參數的不對稱所致。三相電源電壓畸變不對稱時，對于三相四線制電路，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。電力系統(tǒng)正常運行方式下，電量的負序分量均方根值與正序分量均方根值之比定義為該電量的三相不平衡度，用符號ε 表示，即： %10012 ?? UUu? （ ） %10012 ?? III? （ ） 式中， 1U 、 1I 為三相電壓、電流正序分量均方根值； 2U 、 2I 為三相電壓、電流負序分量均方根值。 測量原理及系統(tǒng)總體設計 11 三相四線制系統(tǒng) [13] 對于含有零序分量的三相四線制系統(tǒng)，應用對稱分量法，由式 (24)求出正序分量和負序分量，然后利用 (22)式求出系統(tǒng)不平衡 度。 （ ） 式中， ? 為旋轉算子， 23211 20 je j ???? 。? ， 23212402 je j ???? 。? ， 1U 、2U 、 0U 分別為正序、負序和零序分量， aU 、 bU 、 cU 分別為 A 相、 B 相和 C 相 電壓 。 三相三線制系統(tǒng) 當三相電量中不含零序分量時，國標給出了三相不平衡度的準確算式： %100631 631 ??? ??? LL? () 式中，2222444)( cba cbaL ?? ???， a、 b、 c 分別為三相幅值。 系統(tǒng)處于三相不平衡運行時，對電力系統(tǒng)和用戶會造成一系列的危害，主要表現有： ，可能導致一些作用于負序電流的保護和自動裝置誤動作，威脅電網的安全運行。 2. 三相電壓不平衡會使換流器的觸發(fā)角不對稱，換流器將產生較大的非特 征諧波。 Opinos adugethry39。mlcAv,fPb20*jZTxMI:EYB() ，使感應電動機的最大轉矩和輸出功率下降，還可能引起電動機振動。 4. 變壓器的三相負荷不平衡，會使負荷較大的一相繞組過熱而縮短其壽命并且會由于磁路的不平衡造成附加損耗。 國家標準 GB/T155431995 《三相電壓允許不平衡度》規(guī)定了電力系統(tǒng)公共連接點正常電壓不平衡度允許值為 2%，同時規(guī)定了短時的不平衡度不得超過 4%。 對接入公共連接點的每個用戶引起該點正常電壓不平衡度允許值一般為 %。 諧波 國際上公認的諧波定義為：“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倍” [14]。檢測電網諧波主要是通過檢測電網中各次諧波的含有率和總諧波畸變率。 (1) 諧波含有率 (HR)：第 h 次諧波分量的有效值 (或幅值 )與基波分量的有效值 (或幅值 )之比。 第 h 次諧波電壓含有率： ??1UUHRU KK 100% () 第 h 次諧波電流含有率： ??1IIHRI KK 100% （ ） 式中 KU 、 KI 分別為第 K次諧波電壓、電流的有效值； 1U 、 1I 分別為 基波電壓、電流的有效值 。 (2) 總諧波畸變率 (THD)：諧波總量有效值與基波分量的有效值之比。 諧波電壓總量為 ? ???? 2 2i iUU （ ） 測量原理及系統(tǒng)總體設計 13 諧 波電流總量為 ： ? ???? 22i iII () 電壓總諧波畸變率為 ： %1001 ???UUTH D U () 電流總諧波畸變率為 ： %1001 ???I ITHD I () 諧波對電力系統(tǒng)和其他系統(tǒng)的危害 [15]主要有： 1. 諧波使公用電網中元件產生附加的諧波損耗，降低發(fā)電、輸電及用電設備的效率，大量的三次諧波流過中性線時將使線路過熱甚至發(fā)生火災。 2. 諧波影響變壓器的正常工作 。 諧波電壓的存在增加了變壓器的磁滯損耗、渦流損耗及絕緣的電場強度，諧波電流的存在增加了銅損 ,縮短變壓器的使用壽命。 3. 諧波會引起公用電網中局部的并聯諧振和串聯諧振，一般情況下，并聯諧波諧振所產生的諧波過電壓和過電流對相關設備的危害性較大。 4. 諧波會導致繼電保護和自動裝置的誤動作。諧波對電力系 統(tǒng)中以負序量為基礎的繼電保護和自動裝置的影響十分嚴重，這是由于這些按負序量整定的保護裝置，整定值小、靈敏度高。 。由于電氣測量裝置都是按 50Hz 的標準的正弦波設計的，當供電電壓或負荷電流中有諧波成分時，會影響感應式電能表的正常工作。 國家標準（ GB/T 145431993）《公用電網諧波》規(guī)定電壓 以下的，電壓總諧波畸率 (THD)不高于 5%；電壓在 之間的，電壓總諧波畸率 (THD)不高于 4%；電壓在 之間的，電壓Opinos adugethry39。mlcAv,fPb20*jZTxMI:EYB()總諧波畸率 (THD)不高于 3%；電壓在 之間的，電壓總諧波畸率 (THD)不高于 2%。 電壓波動 電壓波動是 一系列電壓變動或工頻電壓包絡線的周期性變化。它主要是由一些非線性負荷的接入引起的。電壓波動值為相鄰電壓均方根的兩個極值 maxU 、 minU 之差 Δ U，常以其標稱電壓 NU 的百分數表示其相對百分值，即： %100m inm a x ???NUUUd () 電壓波動除了會造成照明燈光的閃爍之外，還會造成電動機轉速不均勻，影響產品質量甚至損壞電動機，還會使電子計算機、監(jiān)測和控制設備等工作不正常。 國家標準中對各級電壓在一定頻度范圍內的電壓波動限值作了規(guī)定 ,如表 所示。 變動頻率 r( 1?h ) 波動限值 d(%) 變動頻率 r( 1?h ) 波動限值 d(%) LV、 MV HV LV、 MV HV r? 1 4 3 10 r≤ 100 2 r? 10 3 100 r≤ 1000 2 表 各級電網電壓波動限值 頻率偏差 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)頻率不可避免地偏離標稱值，電力系統(tǒng)在正常運行條件下，系統(tǒng)頻率的實際值與標稱值之差稱為頻率偏差 [16]。 Nre fff ??? () 式中， f? 、 ref 、 Nf 分別表示頻率偏差、實測頻率、額定頻率。 頻率偏差過大的主要危害有： 測量原理及系統(tǒng)總體設計 15 。工業(yè)企業(yè)所使用的用 電設備大多數是異步電動機，其轉速與系統(tǒng)頻率有關，系統(tǒng)頻率變化將引起電動機轉速改變，從而影響產品質量。 。電動機的輸出功率與系統(tǒng)頻率有關，系統(tǒng)頻率下降使電動機的輸出功率降低，從而影響所傳機械的出力，導致勞動生產率降低。 3. 使電子設備不能正常工作，甚至停止運行?，F代工業(yè)大量采用電子設備，這些設備對系統(tǒng)頻率非常敏感，系統(tǒng)頻率的不穩(wěn)定會影響這些電子設備的工作特性，降低其準確度，造成誤差。 ，嚴重時可能引發(fā)系統(tǒng)頻率崩潰或電壓崩潰。系統(tǒng)頻率降低，電動機輸 出功率將以與頻率成三次方的比例減少，則它們所供應的水量和風量就會迅速減少，從而影響鍋爐和發(fā)電機的正常運行。 5. 處于低頻率電力系統(tǒng)中的異步電動機和變壓器其主磁通會增加，勵磁電流隨之加大，系統(tǒng)所在無功功率大為增加，導致系統(tǒng)電壓水平降低，給系統(tǒng)電壓調整帶來困難。 6. 無功補償電容器的補償容量與頻率成正比，當頻率下降時，電容器的無功處理成比例 降 低，不利于系統(tǒng)電壓的調整。 國家標準 GB/T159451995 《電力系統(tǒng)頻率允許偏差》規(guī)定以 50Hz正弦波作為我國電力系統(tǒng)的標準頻率，并規(guī)定電力系統(tǒng) 正常的頻率偏差允許標準為177。 。當系統(tǒng)容量較小時，可放寬到177。 。用戶沖擊負荷引起的系統(tǒng)頻率變動一般不超過177。 ，根據沖擊負載性質和大小以及系統(tǒng)的條件可適當變動限制。 系統(tǒng)總體結構 基于虛擬儀器的電能質量參數檢測系統(tǒng)與傳統(tǒng)的檢測系統(tǒng)相比，數據采集模塊還是由傳統(tǒng)的采集硬件來完成，不同的是數據分析處理模塊完全Opinos adugethry39。mlcAv,fPb20*jZTxMI:EYB()由計算機軟件實現，這部分功能不受硬件限制，可以根據用戶的需求隨時增減、修改模塊，這一優(yōu)勢是傳統(tǒng)儀器所無法比擬的。 對于本論文所研究基于虛擬儀器的電能質量參數檢測系統(tǒng)由 基本硬件電路和軟件組成?；居布娐钒妷弘娏鱾鞲衅鳌⑿盘栒{理電路、數據采集及計算機；軟件編程以美國國家儀器公司的 Labview 為開發(fā)平臺。其中，軟件部分是核心，只要硬件部分將檢測點的電壓和電流信號以最小失真度轉換成數字信號，數據分析和處理、參數及波形的顯示等完全由軟件來完成，系統(tǒng)總體結構圖如圖 所示。 圖 系統(tǒng)總體結構 系統(tǒng)硬件實現 17 本課題主要研究軟件部分，硬件部分設計只做簡要介紹。 基于虛擬儀器的設計思想，該系統(tǒng)所涉及到的硬件相對較少， 該系統(tǒng)的硬件結構主要包括三部分：信號調理 裝置、數據采集卡和計算機。本課題研究的是基于虛擬儀器的測試系統(tǒng)，因此系統(tǒng)硬件設備主要是由計算機和數據采集卡組成，但是多數被測信號由于能量、噪