【正文】 石家莊鐵道大學(xué)畢業(yè)設(shè)計 25 圖 413 頻率偏差測量模塊前面板 頻率偏差以數(shù)據(jù)方式顯示了模擬電壓的瞬時頻率偏差，通過波形圖可以查看歷史數(shù)據(jù)．根據(jù)程序設(shè)定，每 秒計算一次頻率偏差。 接收數(shù)據(jù)獲得電壓的頻率超限報警燈亮并文本顯示超限時間是計算頻率合格率報警燈滅并文本顯示超限時間否計算頻率偏離度開始 圖 411 頻率偏差測量模塊流程圖 其中獲得系統(tǒng)電壓頻率通過使用提取單頻信息 VI，輸出交流電壓頻率，通過與工頻的計算比較，如果分析的頻率偏差大于 或小于 ，偏離度超限，報警指示燈都會亮起，再通過條件結(jié)構(gòu)在超限后將超限時間 +1，程序思路同電壓幅值測量偏差，具體 程序如 圖 412 所示。這里使用了波形圖和數(shù)據(jù)兩種形式顯示檢測到的電壓偏差，如 圖 410 所示。 圖 49 電壓偏差測量模塊程序框圖 程序中的系統(tǒng)電壓幅值是由一個局部變量輸入，它與系統(tǒng)電壓幅值相關(guān)聯(lián)，同步變化。電壓合格率的計算利用 while 循環(huán)中的循環(huán)次數(shù)與總時間成正比，可用作總時間，超限次數(shù)則作為超限時間，再用條件結(jié)構(gòu)實現(xiàn)超限時間的累加，其中累加數(shù)據(jù)時用到了屬性節(jié)點。 圖 46 寫入 TCP子 vi 石家莊鐵道大學(xué)畢業(yè)設(shè)計 22 圖 47 讀取 TCP子 vi 數(shù)據(jù)分析模塊的設(shè)計 電壓偏差測量模塊 電壓偏差是指系統(tǒng)各處的電壓偏離其額定值的百分比，根據(jù) 節(jié)中介紹的 國家標(biāo)準(zhǔn)中的計算方法，本設(shè)計的電壓偏差測量模塊流程圖如 圖 48 所示。 石家莊鐵道大學(xué)畢業(yè)設(shè)計 21 圖 44 發(fā)送 TCP數(shù)據(jù) 讀取 TCP 數(shù)據(jù)的程序框圖如 圖 45 所示。 石家莊鐵道大學(xué)畢業(yè)設(shè)計 20 系統(tǒng)主程序模塊電壓波動和閃變模塊三相不平衡度測量模塊數(shù)據(jù)傳輸模塊電壓偏差測量模塊頻率測量模塊諧波測量模塊功率測量模塊數(shù)據(jù)分析模塊 圖 42 系統(tǒng)軟件框圖 數(shù)據(jù)傳輸模塊的設(shè)計 數(shù)據(jù)傳輸模塊使 用 TCP 系列 VI 和函數(shù)實現(xiàn)，這些 VI 和函數(shù)的功能及其用法在 節(jié)中已經(jīng)進行了詳細(xì)的說明，具體實現(xiàn) 和流程圖如 圖 43 所示。其中數(shù)據(jù)分析模塊包括電壓偏差測量、頻率偏差測量、供電電壓波動和閃變測量、諧波測量、三相電壓不平衡度測量和功率測量六部分。總體來說，基于虛擬儀器思想所建 立的電能質(zhì)量監(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，系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)如 圖 41 所示。數(shù)據(jù)采集模塊還是由傳統(tǒng)的采集硬件來完成，不同的是數(shù)據(jù)分析處理模塊完全由計算機軟件實現(xiàn)，這部分功能不受硬件限制，可以根據(jù)用戶的需求可以隨時增加修改模塊，這一優(yōu)勢是傳統(tǒng)儀器所無法比擬的。 石家莊鐵道大學(xué)畢業(yè)設(shè)計 19 第 4 章 系統(tǒng)軟件設(shè)計 經(jīng)過對國家電能質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)的學(xué)習(xí)和虛擬儀器技術(shù)的了解，本人以國家標(biāo)準(zhǔn)為依據(jù)，利用 NI 公司的 LabVIEW2020 軟件，設(shè)計并實現(xiàn)了完整的電能質(zhì)量監(jiān)測系統(tǒng)軟件設(shè)計。 (4)讀取 TCP 數(shù)據(jù) (函數(shù) ) 讀取 TCP 數(shù)據(jù) (函數(shù) )如 圖 37 所示。該錯誤在默認(rèn)的 60000 毫秒超時前發(fā)生。 石家莊鐵道大學(xué)畢業(yè)設(shè)計 18 圖 35 寫入 TCP數(shù)據(jù) (函數(shù) ) (3)打開 TCP 連接 (函數(shù) ) 打開 TCP 連接 (函數(shù) )如 圖 36 所 示?；蛘哌B接偵聽器 ID 接線端至 TCP 等待偵聽器函數(shù)，在一個端口上偵聽連接。這會消耗大量的套接字資源。如在端口接線端 連入值 0，在服務(wù)名稱接線端連入空字符串，每次調(diào)用 VI 都將在開放的端口上創(chuàng)建一個 新的偵聽器。 該 VI 將保留有效的偵聽方及其偵聽端口的列表，按偵聽方 ID 排序，直到包含該 VI 的頂層 VI 空閑。 圖 34 TCP偵聽 VI 開始偵聽某個指定端口時，不能再使用該 VI 偵聽該端口。其中主要包括 TCP 偵聽 VI、寫入 TCP 數(shù)據(jù) (函 數(shù) )、 打開 TCP 連接 (函數(shù) )等。根據(jù)輸入的波形數(shù)據(jù)類型的不同，會返回不同數(shù)據(jù)類型的數(shù)據(jù)。 (3)諧波失真分析 VI 為了測量電壓諧波，使用了 LabVIEW 中用于測量諧波的諧波失真分析 VI，如 圖33所示。 可通過式 (31)表示實數(shù)單頻信號： (31) 、 和 分別是單頻信號的是幅值、頻率和相位， 是輸入波形信號的采樣率。 圖 32 提取單頻信息 VI 在 time signals in 輸入一個時域波形信號，可以檢測出該信號的頻率、幅值等信息。第一個或最后一個數(shù)據(jù)塊傳遞至該 VI 時，必須通知該 VI，使 VI 初始化并傳遞內(nèi)部數(shù)據(jù)至波峰檢測算法。只有在 VI 處理波峰或波谷之外大約寬度 /2 個數(shù)據(jù)點后，才可能檢測到波峰或波谷。對于每個波峰或波谷，二次擬合可與閾值進行比較。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)。 (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 。本節(jié)介紹 電能質(zhì)量監(jiān)測系統(tǒng) 涉及到的關(guān)于參量分析相關(guān)控件的使用功能，使我們對設(shè)計中使用的控件有了進一步的了解。使用程序框圖中的結(jié)構(gòu)可對代碼塊進行重復(fù)操作 ，有條件執(zhí)行或按特定順序執(zhí)行代碼。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。不同數(shù)據(jù)類型的連線有不同的顏色、粗細(xì)和樣式。 程序框圖中對象的數(shù)據(jù)傳輸通過連線實現(xiàn)。 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。默認(rèn)狀態(tài)下，前面板對象顯示為圖標(biāo)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。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。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)。前面板由輸入控件和顯示控件組成，這些控件是石家莊鐵道大學(xué)畢業(yè)設(shè)計 15 VI 的輸入輸出端口。 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。 LabVIEW(Laboratory Virtual Instrument Engineering Workbench)是一種用圖標(biāo)代替文本行創(chuàng)建應(yīng)用程序的圖形化編程語言。 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(luò)外設(shè)及多種儀器連接 與其它儀器設(shè)備的連接十分有限 關(guān)鍵是軟件，系統(tǒng)升級方便，可通過網(wǎng)絡(luò)下載升級程序 關(guān)鍵是硬件，升級成本高，而且要上門進行升級服務(wù) 價格低廉，儀器間資源可重復(fù)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(shù)更新周期短 (1～ 2 年 ) 技術(shù)更新周期長 (5～ 10 年 ) LabVIEW 軟件介紹 虛擬儀器的核心技術(shù)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。 (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(zhǔn)確的處理數(shù)據(jù)。 (4)測量更方便 石家莊鐵道大學(xué)畢業(yè)設(shè)計 14 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。應(yīng)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(shè)備的使用壽命。虛擬儀器的好壞，很大程 度上取決于軟件水平的高低。虛擬儀器正好可以滿足這些要求 [16]。虛擬儀器廣泛的應(yīng)用于電子測量、電力工程、礦物勘探、醫(yī)療、振動分析、聲學(xué)分析、故障診斷及教學(xué)科研等諸多領(lǐng)域。使 用者用鼠標(biāo)或鍵盤操作虛擬面板，就如同使用一臺專用測量儀器 [15]。石家莊鐵道大學(xué)畢業(yè)設(shè)計 13 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(jì) 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。 (212) 式中， L—— 。本 設(shè)計說明書 軟件設(shè)計分析過程既是采用這種方法。對日波動不平衡負(fù)荷，取 1min 方均根值。 同時，該標(biāo)準(zhǔn)還規(guī)定了不平衡度的計算方法 [14]。 國標(biāo)中的規(guī)定及計算方法 根據(jù)國家標(biāo)準(zhǔn)《電能質(zhì)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(fù)序電壓不平衡度不超過 2%，短時不得超過 4%。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(zhuǎn)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(fù)序分量為起動元件的多種保護發(fā)生誤動作 (特別是當(dāng)電網(wǎng)中同時存在諧波時 )，這對電網(wǎng)安全運行是有嚴(yán)重威脅的； (3)導(dǎo)致半導(dǎo)體變流設(shè)備產(chǎn)生附加的諧波電流 (非特征諧波 )，而這種設(shè)備一般設(shè)計上只允許 2%的電壓不平衡度； (4)導(dǎo)致發(fā)電機容量利用率下降。 (211) 式中， —— 三相電壓正序分量的均方根值； —— 三相電壓負(fù)序分量的均方根值。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(fù)序和零序分量；對于三相三線制電路，可分解為正序和負(fù)序分量，而沒有零序分量。短時閃變值 的計算方法是通過模擬人眼的感覺通過分析計算得出結(jié)果，具體過程將在后續(xù)章節(jié)詳細(xì)介紹。 電壓變動 d 的定義表達(dá)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； ——系統(tǒng)標(biāo)稱電壓。 注 3：參 照 GB/T 1562020，本標(biāo)準(zhǔn)中系統(tǒng)標(biāo)稱電壓 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。 表 22 電壓波動限值 r/(次 /h) d/% LV、 MV HV 4 3 3* * 2 1 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。 國標(biāo)中的規(guī)定及計算方法 根據(jù)國家標(biāo)準(zhǔn)《電能質(zhì)量 電壓波動和閃變》 ，任何一個波動負(fù)荷用戶在電力系統(tǒng)石家莊鐵道大學(xué)畢業(yè)設(shè)計 10 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(guān)。閃變是電壓波動的直接反映，當(dāng)電壓波動嚴(yán)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。目前供電系統(tǒng)中功 率波動造成干擾的負(fù)荷主要有：電弧爐、軋鋼機、電氣化機車等。 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(fù)荷投運引起的。閃變是指由于燈光照度不穩(wěn)定造成的視感。電壓變動頻度為調(diào)幅波頻率的 2 倍，或表示為。 (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(fù)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]。 表 21 公用電網(wǎng)諧波的限值 電網(wǎng)標(biāo)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 6 10 35 66 110 (1) 諧波術(shù)語的數(shù)學(xué)表達(dá)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 )。 總之，諧波對各種電力設(shè)備、通信設(shè)備以及線路都會產(chǎn)生有害的影響，嚴(yán)重時會造成設(shè)備損壞和電力系統(tǒng)事故。現(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(yīng)型電能表，其誤差與頻率特性和非線性度造成的誤差有 關(guān)。諧波可能導(dǎo)致晶閘管誤動作以及觸發(fā)回路誤觸發(fā)等故障； (7)對照明的影響，如運行電壓的均方根值由于諧波畸變而高于額定值時，燈絲石家莊鐵道大學(xué)畢業(yè)設(shè)計 8 溫度升高而降低了燈泡的壽 命； (8)對繼電保護和自動控制裝置產(chǎn)生干擾和造成誤動或拒動。具體表現(xiàn)為： (1)對旋轉(zhuǎn)電機 (發(fā)電機和電動機 )產(chǎn)生附加功率損耗和發(fā)熱、產(chǎn)生脈動轉(zhuǎn)矩和噪聲； (2)對無功補償電容器組引起諧振或諧波 電流的放大，從而導(dǎo)致電容器因過 負(fù)荷或過電壓而損壞；對電力電纜也會造成電纜的過負(fù)荷或過電壓擊穿； (3)對供電網(wǎng)和導(dǎo)線，增加供電網(wǎng)的損耗。由于諧波的頻率是基波頻率的整數(shù)倍數(shù)，我們也常稱它為高次諧波 [9]。統(tǒng)計時間以 秒 為單位，計算公式如式 (24)所示。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)電機組和用戶的安全、穩(wěn)定運