【正文】 系統(tǒng)軟件設(shè)計 虛擬儀器開發(fā)工具Labview介紹Labview是 NI 公司推出的一種高效的圖形化軟件開發(fā)環(huán)境，是面向測量與自動化領(lǐng)域工程師及技術(shù)人員的一種編程平臺。高精度的 A/D 轉(zhuǎn)換是虛擬儀器的一個重要環(huán)節(jié)，A/D 轉(zhuǎn)換的精度與運行的可靠性直接影響到電能質(zhì)量分析儀的測量結(jié)果。 數(shù)據(jù)采集卡 在虛擬儀器、信號處理以及工業(yè)自動控制等領(lǐng)域，都存在著數(shù)據(jù)的測量與控制問題:如何將外部世界的電量和非電量的信號輸入到計算機處理?；魻杺鞲衅髟谑褂弥械淖⒁馐马棧?，應(yīng)先接通副邊電源，再接通原邊電流或電壓。由于電能質(zhì)量指標包含有大量的穩(wěn)態(tài)指標、暫態(tài)指標以及考慮到電網(wǎng)的實際工況，因此對于變換器的線性度、頻響范圍、絕緣強度等提出了嚴格的要求[17]，據(jù)此，我們選用了現(xiàn)今常用的霍爾傳感器。 電壓電流傳感器 通常，從電網(wǎng)直接獲得的信號一般都為高電壓、大電流信號，要對其進行采樣分析，首先需要將信號通過適當?shù)淖儞Q器轉(zhuǎn)化為數(shù)據(jù)采集卡可以進行采樣的小電流、低電壓信號。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(shè)備主要是由計算機和數(shù)據(jù)采集卡組成，但是多數(shù)被測信號由于能量、噪音等原因不能直接送入數(shù)據(jù)卡進行采集，所以需要在數(shù)據(jù)采集之前設(shè)置一個信號調(diào)理裝置，通過該電路原信號轉(zhuǎn)換為數(shù)據(jù)采集卡可接受的信號，然后再進行數(shù)據(jù)采集。 系統(tǒng)硬件實現(xiàn) 本課題主要研究軟件部分，硬件部分設(shè)計只做簡要介紹。基本硬件電路包括電壓電流傳感器、信號調(diào)理電路、數(shù)據(jù)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。 基于虛擬儀器的電能質(zhì)量參數(shù)檢測系統(tǒng)與傳統(tǒng)的檢測系統(tǒng)相比，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。用戶沖擊負荷引起的系統(tǒng)頻率變動一般不超過177。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。 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(diào)整帶來困難。 ，嚴重時可能引發(fā)系統(tǒng)頻率崩潰或電壓崩潰。 3. 使電子設(shè)備不能正常工作，甚至停止運行。 。 頻率偏差過大的主要危害有： 。變動頻率r() 波動限值d(%) 變動頻率r() 波動限值d(%) LV、MV HV LV、MV HVr1 4 3 10 r≤ 100 2 r10 3 100 r≤ 1000 2 電力系統(tǒng)負荷不斷變動，電源出力及其調(diào)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]。電壓波動值為相鄰電壓均方根的兩個極值、之差 ΔU，常以其標稱電壓的百分數(shù)表示其相對百分值，即： ()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(zhuǎn)速不均勻，影響產(chǎn)品質(zhì)量甚至損壞電動機，還會使電子計算機、監(jiān)測和控制設(shè)備等工作不正常。 電壓波動 電壓波動是一系列電壓變動或工頻電壓包絡(luò)線的周期性變化。由于電氣測量裝置都是按50Hz 的標準的正弦波設(shè)計的，當供電電壓或負荷電流中有諧波成分時，會影響感應(yīng)式電能表的正常工作。諧波對電力系統(tǒng)中以負序量為基礎(chǔ)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。 3. 諧波會引起公用電網(wǎng)中局部的并聯(lián)諧振和串聯(lián)諧振，一般情況下，并聯(lián)諧波諧振所產(chǎn)生的諧波過電壓和過電流對相關(guān)設(shè)備的危害性較大。 2. 諧波影響變壓器的正常工作。(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。 (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。 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(shù)倍”[14]。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%。 ，使感應(yīng)電動機的最大轉(zhuǎn)矩和輸出功率下降，還可能引起電動機振動。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(xiàn)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(wǎng)的安全運行。（）式中，為旋轉(zhuǎn)算子，、分別為正序、負序和零序分量，、分別為 A相、B 相和C 相電壓。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： （） （）式中，、為三相電壓、電流正序分量均方根值；、為三相電壓、電流負序分量均方根值。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(shù)的不對稱所致。 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)。％；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％。系統(tǒng)運行電壓過高又可能使系統(tǒng)中的各種電氣設(shè)備的絕緣受損，使帶鐵心的設(shè)備飽和，產(chǎn)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。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。當電壓偏離額定電壓較大時，用電設(shè)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。 ()式中，、 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(xiàn)在以下兩個方面： 1. 對用電設(shè)備的危害。當出現(xiàn)電壓偏差時，用電設(shè)備的運行參數(shù)和壽命都會直接或間接地受到一定的影響。該類型往往對應(yīng)著暫態(tài)電能質(zhì)量問題，其主要特征是變化的不連續(xù)性或短時性。事件型是指突然發(fā)生的電能質(zhì)量擾動現(xiàn)象，其重要的特征表現(xiàn)為電壓或電流短時嚴重偏離其額定值或理想波形。這類現(xiàn)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。其中比較實用的一種分類即按照電能擾動現(xiàn)象的兩個重要表現(xiàn)特征:變化的連續(xù)性和事件的突發(fā)性為基礎(chǔ)分成兩類。如今電能質(zhì)量問題正日益引起電力工程師們的廣泛光注，已經(jīng)成為電力公司、電力設(shè)備制造商和電力工程師急需解決的問題之一。 考慮到電能質(zhì)量問題終究是由電力用戶的生產(chǎn)需求驅(qū)動的，所以用戶的衡量標準應(yīng)當占有優(yōu)先的位置。同時，在三相交流系統(tǒng)中，各相電壓和電流的幅值應(yīng)大小相等、相位對稱且互差120176。37 測量原理及系統(tǒng)總體設(shè)計2 測量原理及系統(tǒng)的總體設(shè)計 電能質(zhì)量基本概念 電能質(zhì)量是指通過公用電網(wǎng)供給用戶端的交流電能的品質(zhì)。 3. 設(shè)計了電能質(zhì)量監(jiān)測系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)，利用 LABVIEW 以及參數(shù)指標的測量原理，對系統(tǒng)的軟件部分進行了設(shè)計，詳細給出了各模塊的軟件設(shè)計方案。 本文將虛擬儀器技術(shù)與檢測技術(shù)相結(jié)合，利用 LABVIEW 軟件平臺開發(fā)了一種基于虛擬儀器技術(shù)的新型電能質(zhì)量測試系統(tǒng)，將電壓偏差、頻率偏差、三相不平衡度、電壓波動、電網(wǎng)諧波等電能質(zhì)量參數(shù)作為主要研究對象，同時對其測試算法進行了研究，最后通過對被測信號的采集、計算和分析，實現(xiàn)對上述穩(wěn)態(tài)電能質(zhì)量參數(shù)的檢測，論文的主要工作有： 1. 分析了對電能質(zhì)量進行監(jiān)測的必要性，研究了電能質(zhì)量監(jiān)測裝置的發(fā)展現(xiàn)狀以及發(fā)展趨勢，指出了采用虛擬儀器進行電能質(zhì)量監(jiān)測裝置開發(fā)的優(yōu)勢所在。 虛擬儀器技術(shù)用于電能質(zhì)量測試的必要性對一般供電部門來說，現(xiàn)有的電能測量儀器大多為傳統(tǒng)的數(shù)字儀表或者智能儀表，隨著工業(yè)技術(shù)的發(fā)展，各種用電設(shè)備對電能質(zhì)量的要求不斷提高，對電能質(zhì)量的測量要求也相應(yīng)提高，這些傳統(tǒng)的測量儀器顯示出了越來越多的弊端，如測量不同的參數(shù)需要用不同的測試儀，而且無法對歷史數(shù)據(jù)進行實時的存儲，而對于一些故障狀況下的數(shù)據(jù)，更是有必要進行記錄，因為這些數(shù)據(jù)將是分析故障原因和后果的重要依據(jù)。在一定的通用硬件模塊和軟件環(huán)境的支持下，用戶可以根據(jù)實際情況構(gòu)建自己的測試系統(tǒng)，以完成不同的測試任務(wù)。基于計算機網(wǎng)絡(luò)技術(shù)和接口技術(shù)，廣泛支持各種工業(yè)總線標準，可方便地構(gòu)建自動測試系統(tǒng)，實現(xiàn)測量、控制過程的網(wǎng)絡(luò)化和基于計算機的開放式標準體系結(jié)構(gòu)。儀器由用戶自己定義。它是一種功能意義上而非物理意義上的儀器。與傳統(tǒng)儀器相比，其特點在于：突破了傳統(tǒng)儀器的概念，將信號的分析、顯示、存儲和其它管理功能集中起來交由計算機來處理。虛擬儀器作為 21 世紀的儀器，具有編程靈活、數(shù)據(jù)處理和分析功能強大、開發(fā)周期短等優(yōu)點，推動著測控技術(shù)的革命，在電力系統(tǒng)測量、控制方面有廣闊的應(yīng)用前景。計算機和儀器的密切結(jié)合是目前儀器發(fā)展的一個重要方向。目前，國外電能質(zhì)量的研究主要集中以下幾點：暫態(tài)電能質(zhì)量問題短持續(xù)時間電能質(zhì)量問題長持續(xù)時間電能質(zhì)量問題三相電壓不平衡波形畸變電壓波動與閃變頻率變化國外高檔電能質(zhì)量監(jiān)測裝置的特點突出表現(xiàn)在功能豐富和精度高兩個方面，如美國福祿克公司、日本共立公司、日本橫河公司、意大利 HT4公司、加拿大電力測量公司、美國 EIG 公司等生產(chǎn)的電能質(zhì)量監(jiān)測裝置具有監(jiān)測精度高、檢測指標多、功能豐富等特點。國際上對電能質(zhì)量的研究，可以追溯到上世紀80年代電磁兼容學科EMC的興起。國外的發(fā)展