【正文】 視聽設(shè)備的影響，它可以造成設(shè)備的工作失誤或性能惡化。 當發(fā)生諧振或放大時，損耗更加嚴重； (4)對斷路器和熔斷器，電流波形的畸變明顯的影響斷路器斷路容量，當存在負荷電流畸變時，在過零點時可能造成高的 比，電流為下弦波時開斷將更為困難，而且由于開 斷時間延長而延長了故障電流切除時間，因而造成快速重合閘后的再燃； (5)對變壓器，負荷 電流中的諧波在變壓器中造成的損耗產(chǎn)生附加發(fā)熱，降低了其負荷能力； (6)對調(diào)速 驅(qū)動器的影響。尤其是一些衰減時間較長的暫態(tài)過程，如變壓器合閘涌流中的諧波分量，由于其幅 值強、諧波含量也很大，更容易引起繼電保護的誤動作，造成供電中斷； (9)對儀表和電能計量的影響。除電表本身誤差外，諧波負荷從系統(tǒng)中吸收基波功率而向系統(tǒng)送出諧波功率，這樣受諧波影響的用戶既從系統(tǒng)吸收基波功率又從諧波源吸收無用的諧波功率，其后果是諧波源負荷用戶少付電費而受害的用戶反而多付電費。 國標中的規(guī)定及計算方法 根據(jù)國家標準《電能質(zhì)量 公用電網(wǎng)諧波》，對公用電網(wǎng)諧波電壓限值如 表 21 所示 [10]。 諧波電壓含量 ，如公式 (26)所示： (26) 石家莊鐵道大學(xué)畢業(yè)設(shè)計 9 電壓總諧波畸變率 ，如公式 (27)所示： (27) (2) 諧波的測量 在對電壓進行測量時，為了區(qū)別暫態(tài)現(xiàn)象和諧波，對負荷變化快的諧波，每次測量結(jié)果可為 3s 內(nèi)所測值的平均值，推薦采用式 (28)計算。 單位時間內(nèi)電壓變動的次數(shù)稱為電壓變動的頻度 ，一般以分或秒為頻度的單位。在電能質(zhì)量標準中，閃變以燈光閃爍對人眼視感的影響來反映供電電壓的波動程度。閃變不僅與電壓波動的幅值有關(guān)，而且與電壓波動的頻率和波形、照明燈具的性能及人的視感因素有關(guān)。波動性負荷的用電特征分為周期性和非周期性的，而周期性和近似周期性的功率波動負荷對閃變影響更為嚴重。 (2)電壓波動和閃變的危害 電壓波動會引起多種危害，如電壓快速變動會使電動機轉(zhuǎn)速不均勻，不僅危及電動機的安全運轉(zhuǎn)，而且還會直接影響一些產(chǎn)品的質(zhì)量。但閃變還與人的視感因素有關(guān)，所以不能以電壓波動代替閃變。對于電壓變動頻度較低 (例如 )或規(guī)則的周期性電壓波動，可通過測量電壓方均根值曲線 U(t)確定電壓變動頻度和電壓變動值， 電壓波動的限值如 表 22所示 [12]。 注 2：對于隨機性不規(guī)則的電壓波動，如電弧爐負荷引起的電壓波動，表中標有 “ *” 的值為其限值。 電力系統(tǒng)公共連接點，在系統(tǒng)正常運行的最小方式下，以一周 (168h)為測量周期，所有長時間閃變值 都應(yīng)滿足一定的條件，如 表 23 所示： 表 23 閃變限值 1 (1) 電壓波動的測量和估算 電壓波動可通過電壓方均根值曲線 U(t)來描述，電壓變動 d 和電壓變動頻度 r 則是衡量電壓波動大小和快慢的指標。 (2) 閃變的測量和計算 石家莊鐵道大學(xué)畢業(yè)設(shè)計 11 閃變是電壓波動在一段時期內(nèi)的積累效果，它通過燈光照度不穩(wěn)定造成的視感來反應(yīng)，主要由短時閃變 和長時間閃變 來衡量。長時間閃變值 由測量時間段內(nèi)包含的短時間閃變值 計算獲得，如式(210)所示： (210) 三相電壓允許不平衡度 三相不平衡產(chǎn)生的原因及危害 電力系統(tǒng)的三相不平衡是由于三相符合不平衡以及系統(tǒng)元件參數(shù)的不對稱所致。三相電壓的不平衡度通常以負序分量與正序分量的均方根的百分比來表示 [13]，如式 (211)所示。 隨著國民經(jīng)濟的發(fā)展，電力系統(tǒng)中出現(xiàn)了大量不平衡負荷，以及一些單相大容量負荷 (例如交流電弧爐、電氣化鐵路 )，使電網(wǎng)三相電壓不平衡日趨嚴重，危及電力系統(tǒng)的安全和經(jīng)濟運行。由于不平衡時最大相電流不能超過額定值，在極端情況下，只帶單相負荷時則設(shè)備利用率 僅為 ； (5)變壓器的三相負荷不平衡，不僅使負荷較大的一相繞組過熱導(dǎo)致其壽命縮短，而且還會由于 磁路不平衡，大量漏磁通經(jīng)箱壁、夾件等使其嚴重發(fā)熱，造成附加損耗； 石家莊鐵道大學(xué)畢業(yè)設(shè)計 12 (6)在低壓配電線路中，三相不平衡會影響計算機正常工作，還會引起照明電燈壽命縮短 (電壓過高 )或照度不足 (電壓過低 )以及電視機的損壞等； (7)三相不平衡時，將引起電網(wǎng)損耗的增加； (8)干擾通訊系統(tǒng)，影響正常的通信質(zhì)量。接于公共連接點的每個用戶引起該點負序電壓不平衡度允許值一般 為 %，短時不超 過 %。 (1)測量取值 對于電力系統(tǒng)的公共連接點，供電電壓負序不平衡度測量值的 10min 方均根值的95%概率大值應(yīng)不大于 2%，所有測量值中的最大值不大于 4%。 為了實用方便，實測值的 95%概率值可將實測值按由大到小次序排列，舍棄前面5%的大值取剩余實測值中的最大值。 (2)不平衡度的準確計算式 在沒有零序分量的三相系統(tǒng)中，當已知三相量 a、 b、 c 時，可按式 (212)求負序不平衡度。 本章小結(jié) (1)本章介紹了電能質(zhì)量的概念，最后給出了 IEEE 對電能質(zhì)量的定義； (2)根據(jù)國家五項電能質(zhì)量標準，分別介紹了各種電能質(zhì)量指標的產(chǎn)生原因、帶來 的 主 要 危 害 以 及 國 標 中 的 規(guī) 定 和 計 算 方 法 。儀器硬件以模塊化為特點，能夠全方位的系統(tǒng)集成，應(yīng)用軟件則以圖形化的編程為長處，能夠方便高效的創(chuàng)建自定義的用戶界面，二者相結(jié)合實現(xiàn)傳統(tǒng)儀器的測量功能。 虛擬儀器利用 PC 機強大的圖形環(huán)境和在線幫助功能，建立虛擬儀器面板，完成對儀器的控制、數(shù)據(jù)分析和顯示，代替了傳統(tǒng)儀器，改變了傳統(tǒng)儀器的使用方式，極大的提高了儀器的功能和使用效率，大幅度的降低了儀器的價格，使用戶可以根據(jù)自己的需要自定義儀器的功能；可以說，虛擬儀器的出現(xiàn)將“儀器”的概念推向了一個新的紀元。 隨著社會生產(chǎn)力的極大發(fā)展，現(xiàn)代化的生產(chǎn)要求電子儀器品種多、功能強、精度高、自動化程度高，而且要求測試速度快、實時性好、具有良好的人機界面。與傳統(tǒng)的儀器相比較 (見 表 31)，虛擬儀器具有如下幾個優(yōu)點 ： (1)虛擬儀器的關(guān)鍵環(huán)節(jié)是軟件 虛擬儀器系統(tǒng)中除 PC 機外的硬件主要用于數(shù)據(jù)的采集、輸入，至于系統(tǒng)怎樣處理數(shù)據(jù)，具有怎樣的面板和數(shù)據(jù)輸出的形式等都是由軟件決定的。 (2)開發(fā)與維護的費用低，系統(tǒng)組建時間短 當需要增加新的測量功能，只需要增加軟件模塊或通用的硬件模塊，縮短了系統(tǒng)的更新時間，而且有利于系統(tǒng)的擴展。 (3)測量更準確 傳統(tǒng)儀器測量個體之間差異大，而虛擬儀器的應(yīng)用軟件在不同的 PC 機上具有相同的運行效果，在軟件運行這方面不存在 個體的差異。虛擬儀器只需對信號進行一次采樣，多個軟件模塊對同一組數(shù)據(jù)進行不同的處理就能實現(xiàn)多個參數(shù)的同時測量。 為了清楚的表明傳統(tǒng)儀器與虛擬儀器的區(qū)別，我們利用 表 31 來更好地說明。美國 NI公司通過長期、系統(tǒng)、有效的研究和發(fā)展，逐步確立了 LabVIEW在虛擬儀器編程軟件中的主力地位 [17]。它的出現(xiàn)終于把人們 —— 尤其是傳統(tǒng)儀器工程師和科學(xué)家們從繁雜的編程工作中解放出來，使他們能夠真正專心于自己所關(guān)注的事情。每個 VI都使用函數(shù)從用戶界面或其他渠道獲取信息輸入，然后將信息顯示或傳輸至其它文件或計算機前面板是 VI 的用戶界面。輸入控件是指旋鈕、按鈕、轉(zhuǎn)盤等 輸入裝置，顯示控件是指圖表、指示燈等顯示裝置，模擬儀器的輸入裝置，為 VI 的程序框圖提供數(shù)據(jù)。 程序框圖是圖形化源代碼的集合，圖形化源代碼又稱 G 代碼或程序框圖代碼。前面板上的對象在程序框圖中顯示為接線端。在程序框圖中可將前面板的輸入控件或顯示控件顯示為圖標或數(shù)據(jù)類型接線端。接線端是在前面板和程序 框圖之間交換信息的輸入輸出端口。節(jié)點相當于文本編程語言中的語句、運算符、函數(shù)和子程序。每根連線都只有一個數(shù)據(jù)源，但可以與多個讀取該數(shù)據(jù)的 VI 和函數(shù)連接。斷開的連線顯示為黑色的虛線，中間有個紅色的 x。 結(jié)構(gòu)是文本編程語言中的循環(huán)和條件語句的圖形化表示。 電能質(zhì)量檢測 VI NI 公司 在 LabVIEW 中提供了一些工程測量中常用的 VI，就像面向?qū)ο笳Z言中的類一樣，我們可以直接使用，簡化我們開發(fā)的過程。其中，包括一些可用于電能質(zhì)量測量的 VI，如波峰檢測 VI(Peak )、提取單頻信號 VI(Extract Single Tone )、諧波失真分析 VI(Harmonic Distortion )等。 圖 31 波峰檢測 VI 石家莊鐵道大學(xué)畢業(yè)設(shè)計 16 數(shù)據(jù)集可以單個數(shù)組或連續(xù)數(shù)據(jù)塊的形式作為該 VI 的輸入。擬合中使用的數(shù)據(jù)點的數(shù)量由寬度指定。忽略低于閾值的波峰和高于閾值的波谷。延時僅對實時處理有影響。 (2)提取單頻信息 VI 測量單相電壓值的頻率時，使用到了提取單頻信號 VI(Extract Single Tone Information. vi)，如 圖 32 所示。根據(jù)輸入的時域波形數(shù)據(jù)類型的不同，返回值的數(shù)據(jù)類形也不同。可通過式 (32)表示復(fù)數(shù)單頻信號： (32) 、 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。 石家莊鐵道大學(xué)畢業(yè)設(shè)計 17 圖 33 諧波失真分析 VI 諧波失真分析 VI 從 signal in 得到待測的波形，然后對該波形進行全面的諧波分析，返回基波的頻率、諧波電平和總諧波畸變率。 數(shù)據(jù)通信 VI 本節(jié)介紹 電能質(zhì)量監(jiān)測系統(tǒng) 涉及到的關(guān)于數(shù)據(jù)傳輸相關(guān)控件的使用功能。 (1)TCP 偵聽 VI 調(diào)用節(jié)點如 圖 34所示。例如，如在程序框圖上有兩個該 VI 的實例，并且第一個實例偵聽端口 2222，則不能再用第二個實例偵聽同一端口。其后對 VI的調(diào)用將重用這些偵聽方，根據(jù)指定的服務(wù)名稱、端口和網(wǎng)絡(luò)地址而定。如果按上述方式連線 VI，指定一個非默認的超時值， VI 將在每次超時發(fā)生時創(chuàng)建一個新的偵聽器。在該情況下，連接偵聽器 ID 接線端至 TCP 關(guān)閉連接函數(shù)，可釋放偵聽器占用的端口。 (2)寫入 TCP 數(shù)據(jù) (函數(shù) ) 寫入 TCP 數(shù)據(jù) 函數(shù) 如 圖 35 所示。 圖 36 打開 TCP連接 (函數(shù) ) 如連線未經(jīng)使用的 IP 地址，則可能導(dǎo)致錯誤，表明該網(wǎng)絡(luò)操作已超出用戶指定范圍或系統(tǒng)時間限制。連線正在運行并正在偵聽目標端口的 IP 地址可糾正該錯誤。 圖 37 讀取 TCP數(shù)據(jù) 本章小結(jié) (1)介紹了虛擬儀器技術(shù)的概念，及虛擬儀器技術(shù)的特點，講述虛擬儀器的發(fā)展歷程，強調(diào)了美國 NI 公司在虛擬技術(shù)領(lǐng)域中的地位； (2)對虛擬儀器技術(shù)中常用到的一些總線形式和系統(tǒng)進行了整理介紹，著重介紹了本課題中使用到的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng) ； (3)介紹了虛擬儀器中的 LabVIEW 軟件，及其使用過程中常見的一些概念，重點介紹 了 LabVlEW2020 中用于電 能質(zhì)量測量的 VI 和數(shù)據(jù)傳輸?shù)?VI。 電能質(zhì)量監(jiān)測系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu) 基于虛擬儀器的電能質(zhì)量監(jiān)測系統(tǒng)同樣必須具備傳統(tǒng)監(jiān)測系統(tǒng)的三大功能模塊：數(shù)據(jù)采集模塊、數(shù)據(jù)分析處理模塊和結(jié)果顯示模塊。對于本論文所研究的電能質(zhì)量監(jiān)測系統(tǒng)，軟件部分是核心，只要硬件部分將監(jiān)測點的電壓和電流信號經(jīng)信號調(diào)理器和數(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)如濾波、加窗、數(shù)據(jù)處理和統(tǒng)計分析。 前端數(shù)據(jù)采 集處理 數(shù)據(jù)處理計 算機數(shù)據(jù)傳輸 ( T CP )數(shù)據(jù)采集( 硬件實現(xiàn) ) 圖 41 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)圖 本設(shè)計主要設(shè) 計軟件部分的內(nèi)容，所設(shè)計的程序從功能上分為兩大部分：數(shù)據(jù)傳輸模塊和數(shù)據(jù)分析模塊。系統(tǒng)軟件部分框圖如 圖 42 所示。 發(fā)送端偵聽是否連接正確的端口號發(fā)送端將數(shù)據(jù)寫入 T C P否接收端將受到的數(shù)據(jù)寫入 T C P打開 T C P 連接 ， 判斷是否超時 結(jié)束是否是開始 圖 43 數(shù)據(jù)傳輸流程圖 數(shù)據(jù)傳輸?shù)某绦蚩驁D 如 圖 44 所 示。 圖 45 讀取 TCP數(shù)據(jù) 其中用到了兩個子 VI，寫入 TCP 子 VI 和讀取 TCP 子 VI，如 圖 46， 圖 47 所示。 接收數(shù)據(jù)獲得電壓幅值是否超限報警燈亮并文本顯示超限時間是計算電壓合格率報警燈滅并文本顯示超限時間否開始 圖 48 電壓偏差測量模塊流程圖 其中電壓幅值的分析計算通過波峰檢測 VI 獲得波峰和波谷的幅值，將得到的數(shù)據(jù)代入式 (21)，通過和 節(jié)中國標的規(guī)定的電壓偏差限值比較，超過限值的報警燈報警。 石家莊鐵道大學(xué)畢業(yè)設(shè)計 23 程序框圖如 圖 49 所示。通過幅值和電平 VI 測量系統(tǒng)電壓波峰和波谷值，除以 2 后得到交流電壓幅值，即把實測的電壓幅值，與系統(tǒng)電壓共同帶入式 (21)，得到電壓偏差，若電壓偏差超過國家標準中限定值，則超限指示燈會亮起。 圖 410 電壓偏差模塊前面板石家莊鐵道大學(xué)畢業(yè)設(shè)計 24 頻率偏差模塊 實測頻率與系統(tǒng)頻率的偏差即是頻率偏差，根據(jù) 節(jié)中介紹的 國家標準中的計算方法，本設(shè)計的頻率偏差測量模塊流程圖如 圖 411 所示。 圖 412 頻率偏差測量模塊程序框圖 前面板中采用數(shù)據(jù)和曲線圖兩種形式表現(xiàn)了分析計算的結(jié)果，如 圖 413 所示 。 電壓諧波分析模塊 電力諧波分析通常是利用諧波分析的方法，傅立葉變換頻是一種常用到的分析方法，可以將時域