【正文】 附錄 中文 翻譯 ................................................................................................... 50 附錄 B 數(shù)據(jù)分析模塊總框圖 .......................................................................................... 56 石家莊鐵道大學(xué)畢業(yè)設(shè)計 1 第 1 章 緒論 引言 現(xiàn)代社會中，電能是一種最為廣泛使用的能源，其應(yīng)用程度成為一個國家發(fā)展水平的主要標志之一 [1]。隨之，根據(jù)國家電能質(zhì)量標準，設(shè)計電能質(zhì)量的監(jiān)測系統(tǒng)，使用 LabVIEW2021實現(xiàn)電壓諧波分析、電壓偏差、頻率的偏差的分析計算和顯示，并把監(jiān)測結(jié)果上傳至數(shù)據(jù)庫。然后，對國家電能質(zhì)量的標準進行了介紹，總結(jié)各項電能指標的計算方法，作為系統(tǒng)設(shè)計的依據(jù)。 本 設(shè)計說明書 給出并設(shè)計了基于 LabVIEW 平臺的電能質(zhì)量監(jiān)測系統(tǒng)。 近年來，計算機技術(shù)、通信技術(shù)以及測試測量技術(shù)的不斷發(fā)展推動了虛擬儀器技術(shù)的不斷發(fā)展。 石家莊鐵道大學(xué)畢業(yè)設(shè)計 基于 LabVIEW 的電能質(zhì)量監(jiān)測系統(tǒng)軟件設(shè)計 Software Design of Power Quality Monitoring System Based on LabVIEW 2021 屆 電氣與電子工程 學(xué)院 專 業(yè) 電氣 工程及其自動化 學(xué) 號 學(xué)生姓名 指導(dǎo)教師 完成日期 2021 年 6 月 10 日 摘 要 隨著新型電力負荷迅速發(fā)展 對電能質(zhì)量提出了更高的要求，以及電力網(wǎng)逐步實行商業(yè)化運營，電力用戶的需求 成為 供電 企業(yè) 優(yōu)先考慮的問題 ， 電網(wǎng)電能質(zhì)量問題引起了 供電企業(yè)和用戶的高度重視 。 研究電能質(zhì)量的監(jiān)測方法，找出引起電能質(zhì)量降低的原因具有重要的理論和工程價值。 NI 公司的 LabVIEW 軟件具有豐富的軟件功能、簡單的硬件結(jié)構(gòu)、高度的智能化等特點，是當(dāng)今最完善、影響力最大的一種圖形化編程語言 ,在測量領(lǐng)域中處于領(lǐng)先地位。本 設(shè)計說明書 首先闡述了電力系統(tǒng)中常用的電能質(zhì)量監(jiān)測技術(shù)的現(xiàn)狀，以及本 設(shè)計 研究的主要內(nèi)容及意義。并針對 LabVIEW 軟件中的一些概念和使用到的 VI 進行了介紹。最后，就該系統(tǒng)在實際運行中存在的不足做出總結(jié)，對系統(tǒng)的改進提出建議，指出論文的進一步研究工作展望與設(shè)想。隨著科學(xué)技術(shù)和國民經(jīng)濟的發(fā)展，對電能的需求量日益增加，同時對電能質(zhì)量的要求也越來越高。有關(guān)電能質(zhì)量問題的研究已經(jīng)引起了各國電力工作者的高度重視， 得到了普遍的關(guān)注和深入的討論，無論在理論上還是在實踐中，都有許多值得深入研究的問題 [2]。其原因歸納起來有以下二個方面 [3]： (1)現(xiàn)代電力系統(tǒng)中用電負荷結(jié)構(gòu)發(fā)生了重大變化，具有非線性、沖擊性以及不平衡用電特性的負荷 (如電弧爐、電氣化鐵路、整流裝置等 )迅速發(fā)展，很大程度上削弱和干擾了電網(wǎng)的經(jīng)濟運行； (2)為了提高勞動生產(chǎn)率和自動化水平，大量基于計算機系 統(tǒng)的控制設(shè)備和電子裝置投入使用，這些裝置對電能質(zhì)量問題非常敏感。這大大促進了電能質(zhì)量標準化的進程和對電能質(zhì)量的監(jiān)督和管理。 1988年，我國電力工業(yè)部為了加強電網(wǎng)電能質(zhì)量管理工作，曾頒布執(zhí)行了《電網(wǎng)電能質(zhì)量技術(shù)監(jiān)督管理規(guī)定》，提出了“誰干擾，誰污染，誰治理”的原則，并指出保證電網(wǎng)安全、穩(wěn)定、經(jīng)濟、優(yōu)質(zhì)運行，全面保障電能質(zhì)量是電力企業(yè)和用戶共同的責(zé)任和義務(wù)。 參 照 IEC 標準和 IEEE 標準，聯(lián)系我國電力系統(tǒng)實際情況，我國相繼頒布了有關(guān)電能質(zhì)量的五項標準 即供電電壓偏差、電壓波動和閃變、公用電網(wǎng)諧波、三相不平衡度以及頻率偏差等，要求各級供電部門和用戶按照該標準供電。 國內(nèi)外研究現(xiàn)狀 電能質(zhì)量問題的凸顯，使電能質(zhì)量監(jiān)測產(chǎn)品日益豐富起來，如何監(jiān)測復(fù)雜多變的電能質(zhì)量現(xiàn)象，分析各種電能質(zhì)量問題的成因，成為這些產(chǎn)品共同的目標。在線式電能質(zhì)量監(jiān)測實時性強，能夠及時對電能質(zhì)量各種指標作出全面數(shù)據(jù)采集和分析 [4]。 在國內(nèi)外，對電能質(zhì)量進行監(jiān)測與分析時，絕大部分采用智能儀器，主要利用數(shù)字技術(shù)和硬件來實現(xiàn)。為了實現(xiàn)更多參數(shù)的測試，許多的測量儀器額外配置了輔助的硬件，這不僅加大了體積，而且也增加了成本，甚至給監(jiān)測系統(tǒng)裝置的升級帶來不便。我們國內(nèi)對于電能質(zhì)量 問題的研究起步較晚，然而傳統(tǒng)的電能質(zhì)量監(jiān)測系統(tǒng)在下列幾個方面比較欠缺： (1)功能單一型問題； (2)生產(chǎn)調(diào)試率低下問題； (3)開發(fā)周期和開發(fā)費用問題。近年來，有許多基于虛擬儀器的電能監(jiān)測系統(tǒng)問世，實現(xiàn)了遠程在線的監(jiān)測，并能夠及時地把監(jiān)測結(jié)果反饋至中央控制室，本系統(tǒng)也是基于這一技術(shù)完成的電能質(zhì)量監(jiān)測系統(tǒng)。 石家莊鐵道大學(xué)畢業(yè)設(shè)計 3 本設(shè)計 說明書 的 具體工作如下： (1)講述電能質(zhì)量問題研究的發(fā)展情況，說明對電能質(zhì)量進行監(jiān)測的必要性，指出電能質(zhì)量監(jiān)測方面的研究現(xiàn)狀及其存在的問題，并提出基于 LabVIEW 的 電能質(zhì)量監(jiān)測系統(tǒng)的方案； (2)對電能質(zhì)量的國家標準進行簡要介紹。 石家莊鐵道大學(xué)畢業(yè)設(shè)計 4 第 2 章 電能 質(zhì)量指標及測量方法 概述 (1)電能質(zhì)量的概念 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)。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、相位互差 120176。 但由于系統(tǒng)中的發(fā)電機、變壓器和線路等設(shè)備非線性或不對稱，負荷性質(zhì)多變，加之調(diào)控手段不完善及運行操作、外來干擾和各種故障等原因，這種理想的狀態(tài)并不存在，因此產(chǎn)生了電網(wǎng)運行、電力設(shè)備和供用電環(huán)節(jié)中的各種問題，也就產(chǎn)生了電能質(zhì)量的概念 [1]。電能質(zhì)量標準的制定，就是制定適當(dāng)?shù)碾娔苜|(zhì)量指標偏差的允許值。 參照 IEC 標準和 IEEE 標準，聯(lián)系我國電力系統(tǒng)實際情況， 我 國 最新制定的電能質(zhì)量指標主要包括五項： 供電電壓偏差、電力系統(tǒng)頻率允許偏差、公用電網(wǎng)諧波、三相電壓不平衡、電壓波動和 閃變。 供電電壓允許偏差 電壓偏差的產(chǎn)生原因及危害 電壓偏差是指系統(tǒng)各處的電壓偏離其額定值的百分比，它是由于電網(wǎng)中用戶負荷的變化或電力系統(tǒng)運行方式的改變，使加到用電設(shè)備 上 的電壓偏離 電網(wǎng) 的額定電壓。另外，電力電容器的投切對母線電壓偏差的影響也 非常大 [3]。當(dāng)電壓高于額定電壓時， 一方面 引起 轉(zhuǎn)距 變大 ，使聯(lián)結(jié)軸和從動設(shè)備上的加速力增加，引起設(shè)備的振動、損壞； 另一 方面引起 啟動電流增加，在供電線路上產(chǎn)生較大的電壓降，影響其他電氣設(shè)備的運行。 對于日常的照明燈具，電壓對燈的光通量輸出和壽命的影響很大，當(dāng)加于燈泡的電壓低于額定電壓時，發(fā)光效率會降低，人的工作環(huán)境惡化，視力減弱；當(dāng)高于額定電壓時，燈泡壽命會減少、燒壞。 (1)供電 電壓偏差的測量 供電 電壓偏差的測量方法 為 獲得電壓有效值的基本測量時間窗口為 10 周波 ，并且每個測量時間窗口應(yīng)該與緊鄰的測量時間窗口 接近 而不重疊，連續(xù)測量并計算電壓有效值的平均值，最終計算獲得供電電壓偏差值，計算公式 如式 (21)所示 。7%； ③ 220V單相供電電壓偏差為標稱電壓的 +7%、 10%； ④ 對供電 短路 容量較小，供電距離較長以及對供電 電壓偏差有特殊要求的用戶，由供 、 用電雙方協(xié)議確定。 供電 電壓 偏差監(jiān)測統(tǒng)計的時間為min， 通常每次以月 (或 周、季、年 )的 時間為電壓監(jiān)測的總時間，供電電壓偏差超限石家莊鐵道大學(xué)畢業(yè)設(shè)計 6 的時間 累計 之和為電壓超限時間，監(jiān)測點電壓合格率計算公式如式 (22)所示 。頻率變化將引起電動機轉(zhuǎn)速的變化，從而影響產(chǎn)品質(zhì)量； (2)在頻率降低時，火力發(fā)電 廠的風(fēng)機和水泵所提供的風(fēng)量和水量將迅速減少，影響鍋爐的正常運行； (3)低頻率運行 ， 汽輪機葉片所受的應(yīng)力 增加，引起葉片的共振，縮短葉片的壽命，甚至使葉片斷裂；發(fā)電機的通風(fēng)量將減少，而為了維 持正常電壓，又要求增加勵磁電流，使得發(fā)電機定子和轉(zhuǎn)子的溫升增加； (4)低頻率 運行時，由于磁通密度的增大，變壓器的鐵心損耗和勵磁電流都將增大； (5)頻率降低時，系統(tǒng)中負荷的無功功率將增大，而負荷的無功功率增大又將促使系統(tǒng)電壓水平的下降。而頻率過低時，甚至?xí)拐?個系統(tǒng)瓦解，造成大面積停電。 (1)頻率 偏差 的 計算 電力系統(tǒng)頻率偏差定義為系統(tǒng)頻率的實際值和標稱值之差 ，可用 式 (23)計算。 計算出 的頻率偏差應(yīng)滿足如下規(guī)定 ： ① 電力系統(tǒng)正常 運行 條件下 頻率偏差限 值 為 177。當(dāng)系統(tǒng)容量較小時，偏差可石家莊鐵道大學(xué)畢業(yè)設(shè)計 7 以放寬到 177。根據(jù)沖擊負荷性質(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)定運行以及正常供電。統(tǒng)計 時間 以 秒 為 單位，計算公式如 式 (24)所示 。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]。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 負荷或過電壓而損壞；對電力電纜也會造成電纜的過負荷或過電壓擊穿； (3)對供電網(wǎng)和導(dǎo)線，增加供電網(wǎng)的損耗。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，燈絲溫度升高而降低了燈泡的壽 命； 石家莊鐵道大學(xué)畢業(yè)設(shè)計 8 (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?，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(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)。 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，嚴重時會造成設(shè)備損壞和電力系統(tǒng)事故。 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 6 10 35 66 110 (1) 諧波 術(shù)語的 數(shù)學(xué) 表達式 第 h 次諧波電壓含有率 HRUh，如公式 (25)所示： (25) 式中 ， Uh—— 第 h 次諧波電壓 (方均根值 )； Ul—— 基波電壓 (方均根值 )。 (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]。電壓變動頻度為調(diào)幅波頻率的 2 倍，或表示為 f(Hz)=r(s1)/2。閃變是指由于燈光照度不穩(wěn)定造成的視感。 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。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。閃變是電壓波動的直接反映，當(dāng)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。 國標中的規(guī)定 及 計算方法 根據(jù)國家標準《 電能 質(zhì)量 電壓波動和閃變》 ， 任何 一個波動負荷用戶在電力系統(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)。 表 22 電壓 波動限值 r/(次 /h) d/% LV、 MV HV r ≤ 1 4 3 1 r ≤ 10 3* * 10 r ≤ 100 2 100 r ≤ 1000 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。 注 3： 參 照 GB/T 1562021， 本標準中系統(tǒng)標稱電壓 UN等級 按以下劃分： 低壓 (LV) UN ≤ 1kV 中壓 (MV) 1kV UN ≤ 35kV 高壓 (HV) 35kV UN ≤220kV 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。 電壓 變動 d 的 定義表達式 如 式所示 (29) 式中 ， ?U—— 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。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(jié)果 ， 具體 過程將在 后續(xù) 章節(jié)詳細介紹。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。 (211) 式中， U1—— 三相電壓正序分量的均方根值