基于LabVIEW电能质量监测仪设计
毕业设计（论文）题目基于LABVIEW的电能质量监测仪设计
摘要
目前，供电企业和用户开始高度重视对电网电能质量监测的问题。一方面是因为影响电能质量的因素日益增多，如今广泛使用非线性设备和电力电子装置，使电网中的电流和电压波形发生畸变，导致电能质量的恶化。另一方面，各种精密、复杂的，对电能质量敏感的电气设备的普及，使人们对电能的可靠性及其质量的要求与日俱增。因此，研究供电质量监测的方法，找出导致电能质量下降的原因具有重要的工程和理论价值。本论文设计并给出了以测控领域的最新技术——虚拟仪器平台为基础的电能质量监测系统。该系统能够对电流、电压、频率、相位、电网谐波、三相电压不平衡度、电压波动和闪变等电能质量参数进行实时地监测，并且具有在线分析功能。本文是使用美国NI公司开发的图形化开发软件LABVIEW进行系统程序构建，结合使用NI公司的配套设备PCI-6024E（数据采集卡）以及传感器、变送器等硬件设备，组建了一套电能质量监测仪系统。
关键词：电能质量，在线监测系统，LABVIEW，虚拟仪器
Abstract
Power quality is an essential concern of electrical utilities and customers. On one hand, the factors which affect the power quality are increasing, for example, the distorted wave of voltages and currents caused by the extensive application of power electronic apparatus and nonlinear equipment has worsened the power quality. On the other hand, the popularity of the complicated, exactitude and power quality-sensitive electricity appliances has made power quality more important. Research on the power quality monitoring and analysis method is of great value in both theory and practice.This paper was designed based on the latest technology in control field - power quality parameters monitor system on the virtual instrument technology platform. It can monitor electric power parameters including voltage, electrical current, phase, frequency, three-phase voltage unbalance, harmonic and the voltage fluctuation and flicker, and can also provide detailed power quality analysis in realtime. This paper is to use American NI company's graphical LABVIEW software to built the system,by using a combination of construction program NI company auxiliary equipment PCI - 6024E (data acquisition card) ,sensor and transmitters hardware equipment, established a set of power quality monitoring with precis measurement ability .
Keywords: power quality, on-line monitoring system,LABVIEW,virtual instrument
目录
摘要............................................................... I Abstract .............................................................. I I 目录.............................................................. I I 1. 绪论 (1)
1.1 课题研究背景与意义 (1)
1.2 国内外对电能质量的监测研究现状 (2)
1.3 本论文主要工作 (2)
2. 电能质量指标及测量方法 (4)
2.1 电能质量指标简介 (4)
2.2 电网电压允许偏差 (4)
2.3 电网频率允许偏差 (5)
2.4 电网三相电压允许不平衡度 (6)
2.5 公用电网谐波 (8)
2.6 电压波动和闪变 (11)
3. 电能质量测量过程中的相关问题 (13)
3.1 采样定理 (13)
3.2 混叠现象与FFT分析 (13)
3.3 闪变测量的数字化实现方法 (14)
4. 基于虚拟仪器技术的电能质量监测系统设计 (17)
4.1 硬件部分设计 (17)
4.1.1 传感器 (17)
4.1.2 信号调理器 (18)
4.1.3 数据采集卡 (19)
4.2 LABVIEW虚拟仪器简介 (20)
4.3 虚拟仪器技术的电能质量监测系统软件设计 (21)
4.3.1 供电电压和频率允许偏差测试的程序设计 (21)
4.3.2 谐波测量主程序的设计 (23)
4.3.3 三相电压不平衡度测量模块 (25)
4.3.4 电压波动和闪变的测量程序的设计 (27)
5. 结论与展望 (32)
5.1 结论 (32)
5.2 存在问题与展望 (32)
致谢 (33)
参考文献 (34)
附录部分仿真结果 (36)
1. 绪论
1.1 课题研究背景与意义
目前，电能已经成为人类社会不可或缺的一种资源，人们利用它完成各种所需要的工作，它已经成为人类赖以生存和发展的重要部分。它承载了太多太多，如今开始不堪重负，但是现代社会恰恰相反，对电能的质量的要求却反而越来越高，这样的矛盾必然会引来社会性的问题，因此不少的专家和学者们都对这个问题陷入了沉思。
最近几十年来，一方面，工业科技的迅速发展给人类带来了进步，但是与此同时也给电能质量带来了大量的沉重负荷，给电网造成了不可磨灭的破坏；另一方面，随着科学技术的进步，无数的精密仪器被引入到电网中来，这些精密仪器对电能质量的要求越来越高，而电能质量不断恶化已经带给用户不少损失。当今社会电力部门追求电能经济效益最大化的过程中，电力部门必然会要求电能质量的不断提高，并且使电能质量的标准不断完善。在今年来大规模的国际国内供电会议上，有关电能质量的标准制定比比皆是，大多都是围绕电能质量的概念、标准、测量和改善的相关研究。从某种程度上讲，电能质量已经成为当今社会即将面临的一个严峻的挑战之一。
IEEE（美国电气电子工程师协会）和IEC（国际电工委员会）都对电能质量进行了相关的界定和分类。并且将电能质量问题分类成：瞬时现象、短时变动、长时变动、波形畸变、电压不平衡、电压波动和工频现象等七种。联系我国实际情况和IEEE与IEC的标准，我国也相继颁布了关于电能质量问题的五项指标分别是：电网频率允许偏差、供电电压允许偏差、公用电网谐波、三相不平衡度、电压波动与闪变。根据调查知道，我国目前使用的电能质量监测的仪器相对国外的产品还比较落后，主要是基于单片机的检测设备，抗干扰能力很差，也不能稳定准确的检测分析电能质量的本质问题。然而使用国外的产品成本相对来说偏高，并且维护和升级很麻烦，不能满足要求。正因为如此引入新技术是十分有必要的，在控制领域中虚拟仪器可以算最先进的仪器技术，可以使用这种技术来研制电能质量的监测设备，来对电能质量进行实时的在线监测，以保证电网的安全、稳定的运行。电能质量关系到国家的命脉，特别是涉及到电力、铁道、化工、冶金、IT 等诸多行业的发展。因此国内国外的专家学者们都引起了高度的重视，并且随着经济发展和工业管理体制的转变，电网逐渐实现了商业化的管理体制，使得用户不断地追求高质量的电能供应，这
给电能供应商除了个难题，也促使电能质量的向前发展不断提高。
1.2 国内外对电能质量的监测研究现状
随着对电能质量问题的逐步重视，针对这一问题的研究也如雨后春笋一样蓬勃发展起来，特别是在工业发达国家，已经得出了不少的研究成果。在国内外，目前主要使用的监测方式是使用智能仪器，由数字技术和相关的硬件组成。这种仪器的体积庞大，测量精度不高，容易受到外界环境的影响，而且在测量不同的电能指标时还要更换相应的硬件设备，这些弊病给监测带来了诸多不便。为了增加同时测量的指标，不得不加入各自的硬件电路，这样以来设备的体积更加庞大，不能实时的保存测量数据，观测历史数据极为不方便。国内的电能质量设备研究起步较晚，传统的电能质量检测仪有以下几点缺陷：
①生产调试率低下问题。
②功能单一型问题。
③开发周期和开发费用问题。
虚拟仪器的出现为上述问题带来了解决办法，彻底的改变了这一现状，它将信息通讯、仪器仪表、信息通讯、计算机技术相结合，使用强大的计算机来实现庞大的硬件电路的测试功能。本论文设计了基于虚拟仪器的电能质量监测系统，通过计算机的高速计算能力对电能质量进行在线监测，使电力部门能实时的掌握电能质量情况，便于对突发状况作出有效的补救措施，避免不必要的损失。
1.3 本论文主要工作
本文在对电力系统的电能质量指标及测量方法进行研究的同时，设计了基于LABVIEW 的电能质量监测仪，通过在线监测电压波动和闪变、电压和频率偏差、电网谐波、三相不平衡度进行在线监测、并且对结果进行计算和分析。主要工作如下：（1）、对目前国内外电能质量的现状进行了解，知道目前电能质量已经成为了社会的热点话题，针对改善电能质量的方案层出不穷。
（2）、对我国电能质量监测现状做了了解和学习，发现我国的监测技术尚未成熟还需要进一步的研究和开发。
（3）、讨论衡量电能质量监测和电能质量问题的指标的方法，并对电网谐波和闪变的测量方法进行研究，寻找提高测量精度的措施和方法。
（4）、学习使用虚拟仪器软件LABVIEW，在此平台上开发了电能质量监测系统的软
件系统设计，此系统在功能上可以代替电能质量监测仪的部分硬件，主要功能是检测电网电压、频率、三相不平衡度、谐波含量及电压波动与闪变，并判断到得的数据是否符合国家标准。设计了相应的硬件部分，此部分在整个检测过程中主要起到获取电压电流的物理量，进行数模转换、数据采样并传输到PC的功能。
（5）、对本次设计项目的总结，对前景的展望以及对不足之处的认识。
2. 电能质量指标及测量方法
2.1 电能质量指标简介
为了找出引起电能质量下降的原因，并且系统的研究电能质量问题，在线分析其测量结果，以便采取相应的措施来解决，我们一定要先对电能质量的各项指标有所了解。电能质量指标是对指一些能够对电能质量各方面的进行具体描述的数字量，不同电能指标的意义都是不同的。目前我国制定的电能质量指标主要包括以下几项：电网电压和频率允许偏差、三相不平衡度、公用电网谐波、电压波动与闪变。还有暂态电能质量问题、长持续时间电能质量问题和短持续时间电能质量问题等，不难看出，我国的电能质量监测还处在起步阶段。目前工业生产中有些指标已经是急需提出的，但仍没有作出相关的规定。因此，如果要建立电能质量完整标准体系，需要开展的工作依然很多。
2.2 电网电压允许偏差
电网供电电压允许偏差是指电力系统电压缓慢的变化时额定电压与测量电压之差。通常指电压小于1% /秒的速度测量电压和额定电压的差异，表示为：
%100%?-=额定电压
额定电压实测电压）电压偏差（ (2-1) 偏差过大造成的危害有如下几点：
⑴对电气设备的危害，电气设备的设计在额定电压的工作情况下，具有最高的效率和性能。电压偏差使其工作时的的性能和效率减少，有的还会减少使用寿命，电压超过一定值的电压偏差会造成设备的损坏。
⑵影响电网的安全、稳定、经济运行，当系统的电压降低时，发电机会受到影响，主要表现在定子电流增大，当电流此时已经是额定值时，如果电压突然降低，电流则会超过额定值，影响电机的运行，甚至带来故障。类似的变压器也要减少负荷，有时甚至会导致电压崩溃的严重后果，因为系统中无功功率短缺时，母线电压可能因为微小扰动而大幅度下降，导致电网崩溃这样的灾难性事故。
在国家标准《电能质量——供电电压允许偏差》（GB-12325-1990）[1]中规定：
⑴35kV 及以上供电电压偏差的绝对值之不能超过额定电压的10%。若供电电压上下偏差同号（均为正或负）时，按偏差绝对值较大的那一个作为衡量依据。
⑵10kV 及以下三相供电电压允许偏差为额定电压的±7%。
⑶220V 单相供电电压允许偏差为额定电压的+7%，-10%。
供电电压为供电部门与用户的产权分界处的电压或由供用电协议所规定的电能计量点的电压。
2.3 电网频率允许偏差
2.3.1 频率偏差的测量方法
电力系统的频率是指单位时间内电信号周期性运动次数，用f 表示，单位为Hz 。当电力系统运行在正常条件下，系统频率的实际值与标称值(工频)之差称为系统的频率偏差，用公式表示为式)：
N re f f f -=? (2-2)
式中：re f 为实际频率，f ?为偏差频率，N f 为系统标称频率。目前，测量频率的主要方法有：
(1)周期法，通过测量输入波形相邻过零点之间的时间宽度的倒数来计算频率。这种方法的概念清晰，容易实现，但精度低，容易受噪声、谐波和非周期分量的影响。对这种算法的改进主要是提高实时性和测量精度，改进算法主要有：高次修正函数法、水平交算法（level crossing ）、最小二乘多项式曲线的拟合法，这些算法的计算量和复杂度都很大。
(2)误差最小化原理类算法，包括最小绝对值近似法、最小二乘算法、离散卡尔曼滤波算法、牛顿类算法，这些算法运算比较复杂，但实时性不佳。
(3)DFT(离散傅里叶变换)类算法及其改进算法（FFT ）。在理想的模型下DFT(FFT)类似算法，只要参数选择合适就能准确的地计算出模型的参数，在考虑噪声和谐波的情况下，各类改进算法虽然能在一定程度上减小测量误差，但存在时滞和增大计算量等缺点。但是实际运用中通常依然采用这种方法。
2.3.2 频率偏差的危害
频率偏差也是电能质量的重要指标之一。现代用电设备对频率的要求比较高，特别是在发电厂的用电负荷上，要求更高。对频率的控制是保证发电厂和用户正常运行的前提条件。电力系统频率允许偏差，顾名思义就是基波频率与额定频率的偏离程度。《电力系统频率允许偏差》中有规定：电力系统在正常情况下允许的频率偏差为±0.2Hz ，如果系统容量较小，偏差值可以适当的放宽到±0.5Hz 。冲击负荷用户引起的频率变动一般情况下不得
超过±0.2Hz ，根据特殊的冲击负荷大小和性质以及系统的其他条件，限值也可做适当的变动，但前提条件是必须保证近区电力网发电机组以及周边用户的安全稳定运行以及正常供电。系统频率的过大变动会对用户和发电厂照成的不良影响主要有如下几个方面：
(1)异步电机转速变化率的变化,导致纺织、造纸机械产品质量的影响；
(2)某些测控设备的运行也需要很依赖频率，一旦频率偏差过大将不能正常工作
(3)频率下降会引起电动机的功率和转速降低，造成传动机械的效率下降；
(4)发电厂的汽轮机叶轮振动随着频率降低而变大，影响其使用寿命；
(5)系统的频率下降，发电厂效率降低，使系统频率的质量雪上加霜；
(6)变压器和异步电机电流随系统频率降低而增加，消耗的无功功率增加，电力系统的电压水平进一步恶化；
总之，所有用电设备的设计都是遵循系统额定值的，电力系统频率质量下降必然会影响到各行各业的发展。而频率过低时，可能会使整个电力系统瓦解，造成大面积停电的严重事故。
2.4 电网三相电压允许不平衡度
2.4.1 对称分量法介绍
在三相交流系统中，如果三相频率相同、相量大小相等且互差2π/3时，为理想状态，称为三相平衡系统，否则称为三相不平衡系统。实际中的电力系统不可能是完全平衡的，引起这种不平衡的因素有正常性和事故性两大类:如果是由于三相系统中某一相或两相出现故障而导致的三相不平衡，称之为事故性的不平衡，这种不平衡工况是系统不允许的，一般由自动装置和继电保护装置动作切除故障源，在短期内就可以使系统恢复正常运行；如果是由于系统负荷不对称或三相元件不对称所致，这种不平衡被称为正常性的不平衡。
在这里需要声明，“三相电压允许不平衡度”的制定是针对正常不平衡工况。总所周知，在三相电力系统中，电量可被分解为零序分量、正序分量和负序分量这三个对称分量，因此对三相不平衡的研究需要使用到一种方法叫做对称分量法。由对称分量法可知，当电力系统工作在正常方式下，某电量的三相不平衡度定义为该电量负序分量的均方根值与其正序分量的均方根值之比，用符号ε表示，即：
%1001
2?=U U ε (2-3) 式中：U1是三相电压正序分量的均方根值；
U2是三相电压负序分量的均方根值。
由式（2-3）可见，在计算三相系统的不平衡度之前，必须首先知道三相系统的负序分量和正序分量。并且测得各相量的相位及大小，再根据对称分量法将三相不对称的分量分解为三项对称的分量，即正序分量、负序分量和零序分量：
????????????????????=????
??????C b a a a a F F F a a a a F F F 111113122)0()2()1( (2-4) 式中，2321a 120j e j +-==。 ；2
3212402j e a j --==。 (2-5) 如果三相电量中不含零序分量时(例如无中线的三相线电流、三相线电压)，当已知三相量Ua 、Ub 、Uc 时，可以用下式求的不平衡度：
ββε631631++--=
(2-6) 式中：2)(2224
44c b a c b a U U U U U U ++++=β 与此类似，三相电流不平衡度也可以用其相应的公式计算，只需将其中的电压符号换为相对应的电流符号。
2.4.2 三相不平衡的危害[2]
随着国民经济的发展，电力系统中出现了大量不平衡负荷，以及一些单相大容量负荷(例如交流电弧炉、电气化铁路)，使电网三相电压不平衡日趋严重，危及电力系统的安全和经济运行。三相电压或电流不平衡会对电力系统和用户造成一系列的危害，其中主要有：
(1)引起旋转电机的附加发热和振动，危及其安全运行和正常出力。
(2)引起以负序分量为起动元件的多种保护发生误动作(特别是当电网中同时存在谐波时)，这对电网安全运行是有严重威胁的。
(3)电压不平衡使半导体变流设备产生附加的谐波电流(非特征谐波)，而这种设备一般设计上只允许2％的电压不平衡度。
(4)电压不平衡使发电机容量利用率下降。由于不平衡时最大相电流不能超过额定值，在极端情况下，只带单相负荷时则设备利用率仅为0.577。
(5)变压器的三相负荷不平衡，不仅使负荷较大的一相绕组过热导致其寿命缩短，而且
还会由于磁路不平衡，大量漏磁通经箱壁、夹件等使其严重发热，造成附加损耗。
(6)在低压配电线路中，三相不平衡会影响计算机正常工作，还会引起照明电灯寿命缩短(电压过高)或照度不足(电压过低)以及电视机的损坏等。
(7)三相不平衡时，将引起电网损耗的增加。
(8)干扰通讯系统，影响正常的通信质量。
根据国家标准《电能质量三相电压允许不平衡度》的规定，电力系统正常运行方式下，公共连接点正常电压不平衡度允许值为2％，短时不得超过4％。
2.5 公用电网谐波
2.5.1 谐波源及谐波的定义
谐波是一个频率为基波频率整数倍的正弦周期性分量[3]。这一定义说明谐波次数是正整数，这一概念需要区别于电磁兼容中的次谐波、分数谐波和间谐波等概念。另外，还要与暂态现象区别开来，谐波的电压电流波形基本保持不变，而暂态现象电压电流波形是每个周期都要发生变化的。谐波的产生，主要是由于在电力系统中引入用电整流设备和大容量电力设备以及其它非线性负荷，这些设备对系统危害很大。工业上一般用总谐波畸变率、谐波含有率这两个专业词语来表示谐波的严重程度。
第h 次谐波电压含有率：
%100?=i
h h U U H R U (2-7) 式中：h U ：第h 次谐波电压(均方根值)；
i U ：基波电压(均方根值)。
谐波电压：
∑=∞
=22)(h h H U U (2-8)
电压总谐波畸变率：
%100?=i
H u U U THD (2-9) 电流的谐波计算类似于电压的计算公式，这里不一一列出。对谐波的测量通常情况下，往往会选取用户和电网连接的公共连接点作为谐波检测点，但是有时候为了掌握电网谐波水平，还应该在电厂内部、主变电站内部设置检测点，用来监测有关线路的谐波电流和电网的谐波电压水平。系统中的谐波源主要可分为两大类：
(1)含电弧和铁磁非线性设备的谐波源，如日光灯和发电机、交流电弧炉、变压器及铁磁谐振设备、交流电焊机等。家用电器设备虽然其容量小，但是数量却很大，因此也不可忽视。电气铁道机车一般采用大容量单相整流设备，这除了会给电网带来三相不平衡外，还会产生大量的谐波；类似于电弧炉等含有电弧的设备，例如电焊设备和冶炼设备，会产生间谐波，还会产生高次谐波，简谐波的引入可能引起电压波动和闪变。这些设备的大量引入都会给电力网的电压电流波形带来畸变，同时对电力设备、通信线路、广大用户电气设备及电子设备产生危害和干扰。
(2)含半导体非线性元件的谐波源，如各种整流设备、交直流换流设备、整流器、相控调制变频器以及现代工业设施、变流器、为节能和控制用的电力电子设备、直流拖动设备、PWM变频器等；
2.5.2 谐波的危害
在电力系统中主要是各种谐波源产生的谐波对电力系统电能质量造成污染，以致整个电力系统的电力环境包括广大用户和电力系统本身。因为其污染影响的距离远、范围大，甚至比工厂对大气环境的污染更为严重。第一类是对计算机控制器或系统、继电保护器的动作、仪表测量以及视听设备的影响，它可能造成设备的性能恶化或工作失误，甚至毁坏；第二类是对机电设备的影响，它可能造成设备降低出力、减少设备寿命、甚至损坏等。具体表现为：
(1)引起无功补偿电容器组的谐振或谐波电流放大，直接导致电容器因过电压或过负荷而损坏。
(2)使发电机和电动机产生脉动转矩和噪声，增加功率损耗和发热。
(3)当发生谐振或放大时，导致供电网和导线的损耗增加。
(4)当存在负荷电流畸变时，电流波形畸变将会影响断路器断路容量，特别是在在过零点，可能会造成电流波动变化率过高，断路器的开断将更为困难，这时开断时间必然会延长，因而延长了故障电流的切除时间，直接造成快速重合闸后的再燃。
(5)降低了变压器负荷能力，负荷电流中的谐波流过变压器时，必然会在变压器中造成的损耗，引起附加发热。
(6)谐波可能导致触发回路误触发以及晶闸管误动作等故障。
综上所述，可知谐波的引入将会给各种电力设备通信设备带来有害影响。甚至有可能
会造成电力系统事故和设备损毁。特别是在近年来电力电子设备迅速增长的同时，给电网引入了不少的谐波，然而目前对它们谐波的影响问题还没有做出充分的研究。所以此次研究的必要性十分明显。
2.5.3 国标中关于谐波的规定
国家标准在电能质量规定中对公用电网谐波有如下限制，对公用电网谐波电压的限值如表2-1 所示： 表2.1公用电网谐波的限值
电网标称
电压（kV ）
电压总谐 波畸变率 各次谐波电压含有率（%） 奇次 偶次 0.38
5.0% 4.0 2.0 6
4.0% 3.2 1.6 10
4.0% 3.2 1.6 35
3.0% 2.4 1.2 66
3.0% 2.4 1.2 110 2.0% 1.6 0.8
国家对谐波的测量仪器也有一定的评定标准：
(1)必须满足本标准测量的要求。
(2)为了将谐波和暂态现象区别开，做如下规定：对负荷变化比较快的谐波，测量结果为3s 内所测值的平均值，推荐采用下式计算：
∑==m
k h h k U m U 1
2)(1 （2-10） 式中k h U ：3s 内第k 次测得的h 次谐波的有效值；
m ：3s 内取均匀间隔的测量次数，m ≥6。
(3)谐波测量仪器的允许误差，应该在规定范围内。
(4)由于现场环境必然会有电磁干扰，因此要求仪器有一定的抗电磁干扰能力。并且仪器必须保证频率在49Hz ―51Hz 内，电源在标称电压15%范围内，电压总谐波畸变率低于8%的条件下能正常工作。
2.6 电压波动和闪变
2.6.1 电压波动和闪变的定义及简介
电压闪变是指人眼对由电压波动所引起的照明异常的视觉感受，它通常是以白炽灯的工况作为判断依据，将电压闪变可分为非周期性和周期性两种，前者主要是由于随机性电压的波动引起的，如电焊机等；后者主要与周期性的电压波动有关，如往电弧炉、复式压缩机等。
这些不平衡的非线性冲击性负荷会引起有功和无功功率周期性大幅变化，当这些波动电流流过阻抗时必然会引起电压降落，导致与之连接在一起的电网其他线路电压发生波动，这种波动就是电压波动，其频率与波动电流的频率相同。电压波动通常是指电压幅值在一定范围内随机的或有规律的变动，这个范围通常定位额定值的90%到110%。电压波动值的计算方法为：通常用额定电压N U 的百分数表示其相对百分值d ，即：
%100%100m in m ax ??=?-=N
N U U U U U d (2-11) 式中：Umax 与Umin 为电压均方根值的两个极值
电压波动通常会引起电视画面质量变化、使电子仪器测量失常、使电动机产生转速脉动、使白炽灯闪烁等等，以致许多用电设备不能正常工作。在众多用电设备中，白炽灯对电压波动的敏感度相对较高，而且很常见。因此，选择人眼对白炽灯亮度闪烁的主观视感，即“闪变”，作为衡量电压波动严重程度的评价指标。
2.6.2 电压波动和闪变的测量方法
闪变是对灯光闪烁观测的统计量，因此闪变不仅与波动电压的幅值、波动电压的频率有关，而且与照明工具的性能、人的视觉有关。闪变能觉察到的最大频率范围为0．05-35Hz ，其中敏感度最大频率为8．8Hz 。闪变严重程度的判断一般用长时和短时闪变值t P 1和st P 两个指标来判别[4]。
实际应用时通常用以下5个时段的测定值k P 来计算短时闪变(在10min 内)的平滑估计值st P 。st P 表示短时闪变严重度，计算公式为：
505010103322111.01.0P K P K P K P K P K P K P st +++++= (2-12)
式中：、、、、、，，，，5010311.010311.028.00657.00525.00314.0P P P P P K K K K ====分别为CPF 曲线上以下五个时间点0.001、0.01、0.03、0.10和0.5的S(t)值。
N 个波动电压引起的闪变在同一节点上相互叠加，短时间闪变值可按式（2-13）计算：
m m stn m st m st st P P P P )()()(21+++= (2-13)
式中：m 值取决于主要闪变源的工况的重叠可能性以及性质
短时闪变值只适用于对单一闪变源造成的干扰进行评价，对于系统长时间运行并且工作占空比不确定的多闪变源运行的随机情况，则必须计算长时间闪变值t P 1，可由下式计算获得：
31
21)(1∑==n
j s t j t P n P (2-14) 式中n 为测量长时间闪变值的时间内，短时间闪变值出现的个数。
2.6.3 国标中电压波动与闪变的规定
在《电压波动和闪变》一文中，对电压波动和闪变有以下限值，见表2.2,表2.3所示。在一定时间范围内，对于很少的变动频度，其电压变动的限值还可以放宽。然而对于随机性不规则电压波动，依据95％概率大值进行衡量，表中标有“*”的值为其限值。本标准的系统标称电压N U 等级按以下划分，高压(35kV 变动频度r （每小时） 电压波动d （%） 低压、中压 高压 r ≤1 4 3 1 3 2.5 10 2* 1.5* 100 表2.3各级电压的闪变限值 系统电压等级 低压 中压 高压 st P 1.0 0.9（1.0） 0.8 t P 1 0.8 0.7（0.8） 0.6 3. 电能质量测量过程中的相关问题 该部分主要对采样定理、FFT 分析谐波和闪变的测量方法进行了简要研究。找到了提高谐波分析精度的方法和措施，减小谐波分析过程中不利因素。针对闪变测量存在的问题，本文提使用IEC 提供的数值化算法，提高了闪变的测量精度。 3.1 采样定理 在实际工作中，信号的采样是通过 A/D 芯片来实现的。信号的采样定理将连续信号和离散信号巧妙的链接起来，是进行离散系统设计和离散信号处理的基础。采样定理(sampling theory)规定：若连续信号 x(t)是有限带宽的，其频谱的最高频率为 c f ，对 x(t)采样时，若保证采样频率 s f ≥2c f ，那么，可由 x(n s T )恢复出 x(t)，即 x(n s T )保留了x(t)的全部信息。 3.2 混叠现象与FFT 分析 在计算机中处理数字信号，通常是是通过先对原有电气信号进行采样，然后再送到计算机。在实际应用中，如果将采样频率过低，就达不到采样定理对频率的要求，会造成FFT 分析时频谱的混叠；如果将采样信号的频率选得过高，单位时间内采的样点数就会过多，直接造成存储量增多而导致计算时间过长。例如，假设一个信号u 由两个频率为 l f 、h f 的正弦波叠加而成，其幅值分别为l A 、h A ，采样频率如果选为s f ，并且有l f )2sin(])(2sin[)sin(s l h s s l h s h h f k f A f k nf f A f k f a A πππ==+ (3-1) 在这种情况下在进行 FFT 变换，频率为h f 的正弦波德幅值就会叠加于频率为l f 的正弦波幅值上，因而采样频率s f 不能正确分辨两个正弦波的幅值，这就是混叠现象。通常情况下的作傅立叶变换可以求出模拟信号的连续频谱，其数学方法为DFT(离散傅立叶变换)。但是使用DFT 来计算时计算过程复杂、计算时间比较长，其改进算法FFT （快速傅里叶变换）节省了计算时间和计算量，提高了频谱分析的时间。减少了计算机内存的占用。但是使用常规的脚本编程来实现FFT ，仍然需要较大的编程工作量和较高的编程技巧。 美国NI 公司开发的变成软件LabVIEW ，解决了这一难题，它提供了基于FFT 算法的多 种计算子VI ，我们在编程的时候只需要从函数库中调用这些VI 就可以实现复杂的FFT 分析，例如：波形VI 、ExpressVI,基本函数VI 三个层次的丰富的频域分析处理函数。使用这些函数，可以快捷地进行时域到频域的转换，也可以用来进行频谱,功率谱,相位谱的分析，这些功能的实现为谐波测量系统的构建带来了极大的便利。 3.3 闪变测量的数字化实现方法 3.3.1 闪变的具体测量方法 闪变得测量之所以复杂是因为，闪变不能类似于其他指标由定性的公式推导出来，它是人眼对白炽灯照度变化的一种直观感受，它的测量需要对大量的被测人群感觉的数字统计和分析来的到一定的经验数据。而且影响闪变的因素众多，无法一一区分的研究，智能使用模糊测量的方法，进行分析。目前，国际上较多采用的是：IEC （国际电工委员会）和UIE （国际电热协会）推荐的统计方法[4]。这里以IEC 推荐的为重点，它采用不同幅值、频率的调幅波和工频电压为载波叠加后向230V 、60W 白炽灯供电照明，在对观察者的视觉感受调查后进行统计分析，可得到被调查者中难以忍受者和有明显觉察者的数量占被调查者总数量的比值，即闪变察觉率 F(%)： %100(%)?++++=D C B A D C F （3-2） 式中，A 为没有察觉的人数，B 为略有察觉的人数，C 为有明显察觉的人数，D 为难以忍受的人数 如果测得结果F(%)超过50%，说明此时灯光的波动对于大多数人来说是有明显影响的，如果把 F(%)大于 50%设定为闪变的限值，那么可以相应得到电压波动在此种试验条件下的限值。瞬时闪变通常用瞬时闪变值来描述也就是通常所说的瞬时闪变视感度S(t)。 S(t)是电压波动的波形、频度、大小等作用的综合结果，评估衡量闪变时是以其时变曲线为依据的。通常规定当F=50%时，对应的S=1为察觉单位为，换句话说，如果 S>1 为闪变不允许值。 3.3.2 电压波动测量的理论原理 电压波动检测方法有很多种，例如：有效值检测法、平方检测法和整流检测法等。我们这里选着IEC 推荐的平方检测法[5]。 为检测电压波动分量，以工频电压为波动电压的载波，并且受到以波动量作为调幅波的调制。为了不失一般性，这里我们以只含有单一频率调幅波的电压为例，也可以使分析 简化，因此调幅波解析式为： t t V U t U ωs i n )s i n 1()(Ω+= （3-3） 式中，V －调幅波电压的幅值，U －工频载波电压的幅值，Ω－调幅波电压的角频率 ，ω－工频载波电压的角频率 调制波电压自乘求平方，有 wt t V t V U t U 22222sin )sin sin 21()(Ω+Ω+= (3-4) 可以看出，调幅波电压平方项中只含有以下频率分量：ω、2ω、Ω、2Ω、2（ω±Ω）、2ω±Ω。可以使用0.05hz-35hz 的带通滤波器滤除直流分量和高频分量，又由于调幅波电压的倍频分量的幅值远小于调幅波，因此可忽略不计，便可以近似获得调幅波电压。 t V U t V Ω≈s i n )(2' （3-5） 3.3.3 IEC 推荐的闪变仪介绍 UIE/IEC 闪变仪的简化原理框图如图3.4所示。图3.4 给出了闪变测量环节，可以将其分为三个部分：第一部分为信号调理和自检部分，由框 1 组成，；第二部分由图中框 2、框 3 和框 4 组成，用来模拟灯-眼-脑环节。第三部分由框 5 组成，主要功能为将测量到的瞬时闪变视感度进行分析[6][9]。 \\ 图3.4闪变仪的简化原理框图 框 1 为包括两个主要部分，即信号发生器和电压适配器。其中信号发生器是用来产生调制波电压。电压适配器则是用于对被测电压信号进行调整，使之适合仪器要求的输入电压数值。 t w V U t w V U V U wt V U t V U V U )cos(8)(2cos 82cos 42cos )2 1(2sin )21(22 222222 2222Ω-+Ω++Ω=-+-Ω++=输入适配 自测信号 平方检测滤波器 带通和加 权滤波 平方低通 滤波器 闪变的统 计评定 框1 框2 框3 框4 框5 灯-眼-脑模拟环节 河北工程大学 《虚拟仪器设计》课程设计报告 课题：计算器模拟 姓名：张振兴 学号： 090030301 班级：测控三班 完成日期：2012 年 6月19日 目录 一、设计思路 (2) 二、实现过程 (2) 1、面板键入感应 (2) 2、运算变量的初始化 (2) 3、无操作时的默认输出 (3) 4、数字的键入1-9的输入 (3) 5、数字0的输入 (4) 6、小数点的键入 (5) 7、结果去零操作 (5) 8、“+/-”键的设计 (7) 9、“+、-、*、/”四则运算 (7) 10、等号键 (8) 11、开方运算 (9) 12、取倒数倒数运算 (9) 13、退格键CE的设计 (10) 14、清零键C (11) 15、停止键OFF (12) 三、整体程序 (12) 四、前面板的设计排版 (12) 五、while循环中寄存器能 (13) 六、此计算器可以实现的功能 (13) 一、设计思路 完成标准型计算器的一般功能。 输入第一个数，进行存储并显示输入运算的类型并存储输入第二个数，存储并显示按“=”或则按其它运算符号“+、-、*、/”进行连续的运算，最后显示运算结果。 二、具体的实现过程 1、面板键入感应 首先建立一个簇，然后在簇中建立22个布尔量，其中包括0--9十个数字键，1个小数 点键，4个“+、-、*、/”运算键，1个等号键，1个开方键，1个符号转换键，1个倒数键，1个清零键，1个退格键，1个退出键。如下图所示： 然后通过将簇中元素按产生的顺序组成一个一维数组，这样就实现了每个键与数字(1--22) 之间的对应。每次按下一个键时，通过查找出对应的键并把其后对应的数字连接到一个case 结构，然后执行对应case结构中的程序，至此就完成了对一个键的感应过程。如下图所示： 2、运算变量的初始化 在运行程序之前，首先对需要用到的变量进行初始化，如图所示 电能质量在线监测系统方案设计分析 发表时间：2019-03-13T14:35:13.890Z 来源：《河南电力》2018年18期作者：王旭马柠韩芳冰李源舟赵健男 [导读] 本文主要就电能质量在线监测系统方案设计方面的内展开了论述，以供参阅。 （大连供电公司辽宁省大连市 116001） 摘要：随着社会的发展，电能质量问题越来越受到社会的关注，其取决于发电、输电、供电和用电方，关系到各方的利益，电能质量在线监测的网络化是一种必然趋势。本文主要就电能质量在线监测系统方案设计方面的内展开了论述，以供参阅。 关键词：电能质量；在线监测系统；方案设计 引言 随着社会的快速发展，电能的使用面临着一种新的问题：一方面是电能需求量在不断增加；另一方面是社会对电能质量的要求也越来越高，要求在电能使用中实现质和量的统一。电能质量的问题，取决于发电、输电、供电和用电方，要保证电力系统电网的电能质量，必须由电力部门和接入电网的广大电力用户来共同维护，因此为了切实维护电力部门和用户的合法利益，保证电网的安全运行，净化电气环境，必须加强对电力系统电网电能质量的监测和管理。 1力系统电能质量问题的产生的主要原因 电力系统元件存在的非线性问题包括同步发电机运行中感应电动势不理想；变压器励磁回路非线性特性；直流输电等。还有变电站并联电容器补偿装置等因素对谐波的影响。在工业和生活用电负载中，非线性负载是电力系统谐波问题的主要来源。各种自然灾害、误操作、电网故障时、发电机及励磁系统的工作状态的改变、故障保护装置中的电力电子设备的启动等都将造成各种电能质量问题。 2基于虚拟仪器技术的电能质量在线监测系统 2.1方案目的 由于用电科普知识不能有效普及，新增大量用户并未充分考虑电能质量的相关问题；加之配网中补偿电容器的设计大多未考虑谐波问题，更有许多用户不投或过投补偿装置，使谐波处于难以控制的状态，是造成配网中谐波滋长的主要原因，若不加以控制，这种趋势将处于增无减的状态，最终出现难以预料的实际问题。因此，建立长期有效的电网电能质量在线监测点、并辅以机动灵活的临时监测点相互配合，用于监测、分析某供电公司电能质量问题，并根据分析结果加以治理，意义重大。 2.2某供电公司电能质量在线监测布点选择 某供电公司主干线路为220kV供电，因此布点选择在各个220kV枢纽变电站中，接入所有等级母线电压，主变低压侧开关电流，及110kV重点用户及联络线路电流。以实时监测该变电站的电能质量情况，通过对变电站的电能质量监测，能判断与该站相接的其他110kV、35kV变电站是否可能存在电能质量超标情况。并通过临时时监测点的建立现场测试各重点用户电能质量情况。 2.3某供电公司电能质量在线监测总体设计实施方案 （1）电能质量监测仪工作原理。本项目的设计的电能质量监测仪，电压和电流信号经过传感器、高精度放大电路、抗混叠滤波器、A ／D模数转换电路转换成数字信号，GPS的分脉冲信号和触发录波的开关量经光电隔离后送DSP进行分析及相关数据处理（开关量触发录波和精确对时），然后将测试结果通过PCI总线送工控机。工控机可将这些结果显示、存储、远传。（2）电能质量在线监测系统工作原理。由多台电能质量监测仪（下位机），通讯网络和电能质量分析系统（上位机）构成电能质量动态监测系统，上位机通过通讯网络对下位机进行参数设置、进行远程录波，从下位机获取电能质量测量数据并导入数据库。通过数据库查询，得到所需的测试报表，实时报表，统计报表，趋势图，波形图，频谱图等等，并可显示，打印，保存。上位机还能通过局域网与多用户进行数据共享。（3）某供电公司电能质量在线监测系统实现技术关键点。本项目的测量的间隔时间等于3S，即相邻两次测量之间没有缝隙。其采用的是TI公司的6000系列DSP，主频高，内建八个数据处理单元，可并行数据处理。其硬件结构和软件指令集，适合用来作频谱分析。并有高速PCI接口，方便与工控机进行大量的数据传输，为电能质量谐波无缝监测提供了物质保障。由于采用了高速DSP，因此采用非整数点的频谱分析方法，提高了谐波的分析精度；根据国标，严格采用闪变量值判定的基准方法计算闪变和变动；采用对称分量法计算零序分量、正序分量、负序分量和三相不平衡度，频率的测量精度主要取决于采样频率，与算法的合理性也有直接的关系。本项目A／D采样率为12．8kHz／通道，即：每周波采样256点，加上合理的算法，使得频率误差≤0．002Hz，远优于国标的0．01Hz。 2.4电能质量管理软件 监测中心的电能质量管理软件是在Linux操作系统下，采用面向对象的语言编写，全中文操作，人机界面友好，软件实现了如下功能：（l）可对系统内所有监测终端参数进行远程设定。（2）对监测终端进行网络化管理，管理员可以按照不同用户、不同电压等级、甚至行业等不同分类方式分别管理，这样在同一个界面下就可以设置大量的终端，同时这种管理方式，也方便日后终端的扩展，适应系统配置的变更。（3）可对电能质量的各项指标进行统计、处理、显示和存储，并可对记录的各种事件和波形再现。（4）对监测的数据具有数据库管理功能，从而实现了长期数据的存储与处理、分析大规模数据、对不同类别的数据进行分区管理、快捷的数据查询等。（5）可自动生成所需的图形和报表，其中包括：电能质量总览图、参数记录曲线图、电压谐波频谱图、电流谐波频谱图和电能质量综合统计报表等。 2.5方案评价 对于某供电公司建立电能质量监测网，利用监测数据分析用户对电力系统电能质量产生的污染及危害程度，采取针对性的措施实现电网及用户的电能质量监测和综合治理，改善现有供电系统的供电质量、降低电能损耗、保证电网的安全、可靠、经济运行起到积极作用。通过论述发现，今后研究电能质量问题的首要任务，是建立高效标准的电能质量监测系统，要继续增加监测点，建立网络化、信息化和标准化的电能质量监测系统，保障电网安全运行和为电力用户提供安全可靠和优质服务。 结束语 总而言之，电能质量在线监测技术，是一种可以更科学、更全面监测、分析和研究电能质量的方法。最大的功能特征是就是，电能质量监测装置长时间不间断对监测点进行收集、记录和存储电力系统各种稳态、暂态信息，能实时、精确地测量电能质量，可以为分析电能 供电局电能质量实时监测系统 技术方案 南京华瑞杰科技有限公司 二OO九年四月 目录 第一部分前言 (1) 第二部分主站系统技术规范 (2) 1、系统设计目标 (2) 3、系统平台设计 (4) 3.1、系统总体设计思想 (4) 3.2、系统总体设计原则 (5) 3.3、系统逻辑结构 (6) 3.4、系统硬件拓扑结构 (7) 3.5、系统软件平台 (8) 4、系统功能组成 (8) 4.1、维护工作站子系统 (9) 4.2、前置采集子系统 (9) 4.3、数据处理子系统 (9) 4.4、数据分析应用子系统 (9) 4.5、报表管理功能 (12) 4.6、二次安防子系统 (12) 4.7、W EB浏览 (13) 4.8、PQDIF接口 (13) 第三部分装置技术规范 (14) 3、监测装置的功能 (16) 3.1监测功能 (16) 3.2显示功能 (17) 3.3通讯接口 (17) 3.4设置功能 (18) 3.5统计功能 (18) 3.6记录存储功能 (18) 3.7触发功能 (19) 3.8对时功能 (19) 3.9 报警功能 (19) 4、监测装置性能及技术指标 (19) 4.1电能质量数据处理 (19) 4.1.2分析数据 (19) 4.1.3统计数据 (20) 4.1.4日报数据 (20) 4.1.5事件数据 (20) 4.1.6允许误差限 (20) 4.2电气性能要求 (21) 4.2.1电源电压 (21) 4.2.2电压信号输入回路 (21) 4.2.3电流信号输入回路 (21) 4.2.4功率消耗 (21) 4.2.5停电数据保持 (21) 4.2.6气候环境条件 (21) 4.2.7可靠性 (22) 4.3结构、机械性能 (22) 4.3.1结构 (22) 4.3.2机械性能 (22) 4.4电磁兼容性 (22) 4.5绝缘耐压性能 (23) 5、功能表 (24) 附件：HRJ704终端物理结构及面板定义 (25) HRJ703终端物理结构及面板定义 (30) 目录 一、课程设计目的 (2) 二、课程设计的原始数据和主要任务 (2) 三、课程设计的技术要求 (2) 四、实验原理图 (3) 五、实验步骤： (3) 六、软件流程 (4) 七、 Labview面板图： (5) 八、 Labview流程图： (5) 九、课程设计总结 (6) 十、参考文献 (6) 一、课程设计目的 课程设计是培养学生综合运用所学知识,发现,提出,分析和解决实际问题,锻炼实践能力的重要环节,是对学生实际工作能力的具体训练和考察过程。虚拟仪器技术就是利用高性能的模块化硬件，结合高效灵活的软件来完成各种测试，测量和自动化应用。灵活高效的软件能帮助您创建完全自己定义的用户界面，模块化的硬件能方便地提供全方位的系统集成，标注的软硬件平台能满足对同步和定时应用的需求。这些正是NI近30年来始终引领测试测量行业发展的原因所在。只有同时拥有高效的软件、模块化I/O硬件和用于集成的软硬件平台这三大组成部分，才能充分发挥虚拟仪器技术性能高、扩展性强、开发时间少，以及出色的集成这四大优势。 二、课程设计的原始数据和主要任务 1、掌握光敏电阻的工作原理； 2、掌握光强的测量和控制电路； 3、确定上位机监控系统的控制方案； 4、利用LabViEW软件编制上位机监控系统界面，实现光强的基本测量功能，实时显示光强的测量值； 5、对本次课程设计进行总结，撰写课程设计报告。 三、课程设计的技术要求 1、实现显示光强的测量值； 2、实现光强的测量值的多种方式显示； 3、要求系统操作简单，显示直观，使用方便，满足用户要求； 4、课程设计报告书写规范、文字通顺、图表清晰、数据完整、结论明确。 电能质量在线监测系统的设计和实现 孙毅,唐良瑞,龚钢军 (华北电力大学信息工程系,北京102206) 摘要:随着社会的发展,电能质量问题越来越受到社会的关注,其取决于发电、输电、供电和用电方,关系到各方的利益,电能质量在线监测的网络化是一种必然趋势。该文给出一种电能质量在线监测系统的设计实现方案,使得电力部门可以及时、详细、精确地掌握电力系统电网的电能质量状况,正确、合理地评估电网的电能质量水平。 关键词:电能质量; 虚拟仪器; 在线监测 中图分类号:T M764 文献标识码:A 文章编号:100324897(2004)1720060204 0 引言 随着社会的快速发展,电能的使用面临着一种新的问题:一方面是电能需求量在不断增加;另一方面是社会对电能质量的要求也越来越高,要求在电能使用中实现质和量的统一。电能质量的问题,取决于发电、输电、供电和用电方,要保证电力系统电网的电能质量,必须由电力部门和接入电网的广大电力用户来共同维护,因此为了切实维护电力部门和用户的合法利益,保证电网的安全运行,净化电气环境,必须加强对电力系统电网电能质量的监测和管理。 目前,电能质量的监测方式主要有三种:设备入网前的专门检测、设备使用中的定期或不定期检测和在线监测。由于电能质量问题的特殊性,前两种监测方式的监测数据不能全面和准确地反映出电力系统电网的电能质量信息,因此电能质量监测应该采用在线监测。电能质量在线监测技术是严格按照《电能质量供电电压允许偏差》、 《电能质量公用电网谐波》、 《电能质量电压波动和闪变》、 《电能质量三相允许不平衡度》、 《电能质量电力系统频率偏差》和《电能质量暂时过电压和瞬时过电压》等六项电能质量国家标准,通过利用电能质量在线监测设备对电力系统电网进行在线监测,从而连续收集、记录和存储电力系统电网的频率偏差、电压偏差、电压波动与闪变、谐波、三相不平衡等稳态信息,以及电压跌落、电压骤升和电压中断等暂态信息。 随着对电能质量问题的日益重视,电力部门希望通过在电力系统电网中的各等级变电站和特殊点安装专门的电能质量在线监测装置,并且组建电能质量在线监测系统,力求实时、精确地测量电力系统电网的电能质量 ,分析电能质量问题产生的原因,及时采取技术措施来改善电力系统电网的电能质量。为了适应电力部门的需求,本文给出一种电能质量在线监测系统的设计和实现方案,以供参考。 1 基于虚拟仪器技术的电能质量在线监测系统 1.1 系统简介 本电能质量在线监测系统为分层分布式系统,以计算机技术、虚拟仪器技术和网络通信技术为依托,通过将电网中的各监测站点连成整体,实现了电能质量在线监测的网络化。电能质量在线监测系统提供给电力部门大量实时、精确的电能质量数据信息,为电力部门的安全生产提供了保证[1]。由于目前大量变电站已经接入本地局域网,而且通过局域网通信可以保证数据传输的实时性、可靠性,本系统利用现有的局域网来组建电能质量在线监测系统,当然,也可选用串口或调制解调器的方式组建监测系统。 电能质量在线监测系统由数据监测子系统、通信子系统、服务器子系统三部分构成。系统结构如图1所示。 图1 电能质量在线监测系统 Fig.1 On2line m onitoring system of power quality 06第32卷 第17期 2004年9月1日 继电器 RE LAY V ol.32N o.17 Sep.1,2004 毕业设计（论文）题目基于LABVIEW的电能质量监测仪设计 摘要 目前，供电企业和用户开始高度重视对电网电能质量监测的问题。一方面是因为影响电能质量的因素日益增多，如今广泛使用非线性设备和电力电子装置，使电网中的电流和电压波形发生畸变，导致电能质量的恶化。另一方面，各种精密、复杂的，对电能质量敏感的电气设备的普及，使人们对电能的可靠性及其质量的要求与日俱增。因此，研究供电质量监测的方法，找出导致电能质量下降的原因具有重要的工程和理论价值。本论文设计并给出了以测控领域的最新技术——虚拟仪器平台为基础的电能质量监测系统。该系统能够对电流、电压、频率、相位、电网谐波、三相电压不平衡度、电压波动和闪变等电能质量参数进行实时地监测，并且具有在线分析功能。本文是使用美国NI公司开发的图形化开发软件LABVIEW进行系统程序构建，结合使用NI公司的配套设备PCI-6024E（数据采集卡）以及传感器、变送器等硬件设备，组建了一套电能质量监测仪系统。 关键词：电能质量，在线监测系统，LABVIEW，虚拟仪器 Abstract Power quality is an essential concern of electrical utilities and customers. On one hand, the factors which affect the power quality are increasing, for example, the distorted wave of voltages and currents caused by the extensive application of power electronic apparatus and nonlinear equipment has worsened the power quality. On the other hand, the popularity of the complicated, exactitude and power quality-sensitive electricity appliances has made power quality more important. Research on the power quality monitoring and analysis method is of great value in both theory and practice.This paper was designed based on the latest technology in control field - power quality parameters monitor system on the virtual instrument technology platform. It can monitor electric power parameters including voltage, electrical current, phase, frequency, three-phase voltage unbalance, harmonic and the voltage fluctuation and flicker, and can also provide detailed power quality analysis in realtime. This paper is to use American NI company's graphical LABVIEW software to built the system,by using a combination of construction program NI company auxiliary equipment PCI - 6024E (data acquisition card) ,sensor and transmitters hardware equipment, established a set of power quality monitoring with precis measurement ability . Keywords: power quality, on-line monitoring system,LABVIEW,virtual instrument 目录 电能质量分析仪说 明书 1 2020年4月19日 AK-DZF电能质量分析仪使用说明书 保定市奥凯电气设备有限公司 目录 前言 ...................................................................... 错误!未定义书签。 一、功能特点 .......................................................... 错误!未定义书签。 二、技术指标 .......................................................... 错误!未定义书签。 三、结构外观 .......................................................... 错误!未定义书签。 ( 一) 、外型尺寸及端子布置........................... 错误!未定义书签。 ( 二) 、键盘操作 ............................................... 错误!未定义书签。 四、液晶界面 .......................................................... 错误!未定义书签。 五、使用方法 .......................................................... 错误!未定义书签。 ( 一) 、三相四线制接线方式设备电参量的测量错误!未定义书签。 ( 二) 、三相三线制接线方式设备电参量的测量错误!未定义书签。 ( 三) 、波形显示测量部分............................... 错误!未定义书签。 ( 四) 、频谱分析测量部分............................... 错误!未定义书签。 ( 五) 、电压谐波分析部分............................... 错误!未定义书签。 ( 六) 、电流谐波分析部分............................... 错误!未定义书签。 ( 七) 、不平衡度测量部分............................... 错误!未定义书签。 ( 八) 、电压闪变分析部分............................... 错误!未定义书签。 六、电池维护及充电 .............................................. 错误!未定义书签。 七、注意事项 .......................................................... 错误!未定义书签。 1 2020年4月19日 电能质量在线监测仪 K-DNZ91 产品说明 产品概述： 随着我国国民经济的蓬勃发展，电力负荷急剧加大，特别是冲击性和非线性负荷容量的不断增长，使得电网发生波形畸变、电压波动与闪变和三相不平衡等电能质量问题。公司推出的K-DNZ91电能质量在线监测仪，是一台高性能的多功能电能质量测试分析仪器。采DSP+ARM+CPLD 内核，5.7” 大屏幕液晶(320×240点阵)显示屏，使结构更紧凑，功能更强大。 主要用途： 测量分析公用电网供到用户端的交流电能质量，其测量分析： 1. 实时电参量：包括三相电压，三相电流，电网频率，有功功率，无功功率，功率因数等。 2. 三相电压偏差。 3. 频率偏差。 4. 三相电压不平衡度。 5. 电压正序，负序，零序分量，电流正序，负序，零序分量。 6. 三相电压波动和闪变。 7. 三相电压总畸变率，2-50次电压谐波。 8. 三相电流总畸变率，2-50次电流谐波。 主要特点： 1.应用小波变换测量分析非平稳时变信号的谐波。 2.测量分析各种用电设备在不同运行状态下对公用电网电能质量。 3.负荷波动监视：定时记录和存储电压、电流、有功功率、无功功率、视在功率、频率、相位等电力 参数的变化趋势。 4.电力设备调整及运行过程动态监视，帮助用户解决电力设备调整及投运过程中的问题。 5.测试分析电力系统中断路器动作、变压器过热、电机烧毁、自动装置误动作等故障原因。 6.测试分析电力系统中无功补偿及滤波装置动态参数并对其功能和技术指标作出定量评价。 7.便携式、多参数、大容量、高精度及近代信号分析理论的应用等特点，使K-DNZ91可广泛地应用 于输配电、电力电子、电机拖动等领域。 技术参数： 1.频率测量 测量范围：45～55Hz，中心频率50Hz，测量条件：信号基波分量不小于80％F.S. 测量误差：≤0.02Hz 2.输入电压量程：10-120V 3.输入电流量程：5A 4.基波电压和电流幅值：基波电压允许误差≤0.5％F.S.；基波电流允许误差≤1％F.S. 5.基波电压和电流之间相位差的测量误差：≤0.5° 6.谐波电压含有率测量误差：≤0.1％ 7.谐波电流含有率测量误差：≤0.2％ 8.三相电压不平衡度误差：≤0.2％ 9.电压偏差误差：≤0.2％ 技术规范 一、前言 1、本招标文件提供的要求是最低限度的技术要求，所使用的标准和规范如与卖方所执行的标准发生矛盾时，按较高标准执行。 2、卖方所提供“大中型光伏电站移动检测平台电能质量监测装置”及内部元器件应符合国家相关标准及安全规范，卖方所提供的所有产品及技术文件除非在技术规格中另做规定外，均应使用相应的国际标准化组织标准/或其它先进国际标准。 3、如果卖方没有以书面形式对本技术规范书的条文提出异议，则意味着卖方提供的设备完全符合本规范书的要求。如有异议，应在投标文件中以“对技术规范书的意见同规范书的差异”为标题的专门章节加以详细描述，并按附录A的格式填写。 二、项目介绍 本装置应用于大中型光伏电站移动检测平台，满足大中型光伏电站现场检测的要求，可安装在光伏电站各监测点，组成区域电能质量监控网络，实时采集、监测、分析、输出监测点的所有电能质量参数，并以此为依据分析被测光伏电站电能质量是否达标。检测平台的原理框图如下： 图1大中型光伏电站移动检测平台电气框图 此招标设备为电能质量监测装置及电能质量监测系统软件。 三、供货的相关要求 1、供货范围：电能质量监测装置6台、电能质量监测系统软件一套，并包括相应辅助设备，由电能质量监测装置厂家负责调试后，整体交付。 2、要求卖方准时发货，货物在2010年月日前发到买方单位（南京市浦口高新技术开发区创业路1号），在买方单位检验合格后，买方出具验收报告。 3、要求供货商在提交投标文件时，提供设备的安装和电气接线图纸，并加以详细说明，以便买方单位进行装置的电气、配线设计工作。 4、要求设备满足长时间连续工作的检测要求。 5、设备的所有部件应是全新的、高质量的、没有缺陷的、并具有合理的设计和制造。使用的材料应是适用的、长寿命、高可靠性、低损耗、少磨损和易调整的。 四、电能质量监测装置的要求 4.1技术要求 1）采样率：每周波512点及以上； 2）数据存储深度能够达到一个月以上，无记录事件被遗忘； 3）数据通信协议公开，在线实时监测数据满足刷新要求；离线存储数据带时间戳,存储格式开放，支持按时间段和数据类型的快速查询和提取 4）支持GPS同步对时功能，典型同步精度为0.1ms； 5）仪器回路数可以灵活配置，单台仪器能够提供对多个回路（每路至少包括3相电压和3相电流）的监测。 4.2主要功能 1）参数测量功能：在线实时监测被测光伏电站的电能质量参数，包括：电压、电流、功率、电量、频率、电压暂降、骤升、中断、闪变、浪涌、三相不对称、谐波THD、TDD、直流分量等。 2）数据与波形处理功能：具备16/20* bit的实时波形和故障录波功能，时间标精度为0.001ms；能够将各监测点的数据，根据选定的时间段或测试数据筛选条件进行进一步分析处理。 3) 图形输出功能：能够输出功率变化曲线、电网频率变化曲线、基波电压/基波电流长期变化曲线、电压/电流总畸变率长期变化曲线、电压/电流各次谐波长期变化曲线、长期/短期闪变值变化曲线、指标越界波形曲线、频谱曲线等。 4）报表输出功能：能够对历史数据调用分析，并对各监测点的电能质量数值分别产生分钟-小时-日以及自定义时间段报表；能够产生越界参数分析结果报表，并最终生成综合电能质量报告和数据分析文档。 5）通讯功能：装置必须具备与车载集控系统通讯的功能；通讯方式包括RS232/485、Ethernet；通讯协议公开，能够接收来自车载集控系统的指令并反馈信息。 电网电能质量监测系统的设计与实现 发表时间：2018-06-19T10:45:57.313Z 来源：《电力设备》2018年第4期作者：李娟 [导读] 摘要：对于当前电网电能质量监测出现的问题,设计了一种针对DSP和ARM以及ZigBee无线传感网络技术的电网电能质量的监测系统,并且对当前系统架构进行了建立,硬件方案以及软件设计。 （国网清徐县供电公司山西太原 030400） 摘要：对于当前电网电能质量监测出现的问题,设计了一种针对DSP和ARM以及ZigBee无线传感网络技术的电网电能质量的监测系统,并且对当前系统架构进行了建立,硬件方案以及软件设计。 关键词：DSP ZigBee 电能监测 伴随着工农业生产的飞速发展,多种非线性的负荷和非对称性以及冲击性用电设备得到了多方面的使用,这种情况出现了很多的谐波干扰,严重的对于电网电能自身的质量受到了严重的影响。所以,实时有效的去对电网自身的电能质量给予监测,其对于确保电力系统自身的安全和稳定运行有着一定的意义。当前的电网电能质量监测系统都是使用有线形式去对监测数据进行传输,其使得在一些比较特殊的环境条件下去进行布线产生了极大的困难, 并不容易进行需要的维护。对于上述产生的问题, 设计了将DSP和ARM与ZigBee无线传感网络技术作为基础的一种电网电能质量的监测系统,其能够对电网电能自身质量其智能的在线监测给予有效的实现。 1 系统架构 1.1 ZigBee技术 ZigBee技术可以说属于一种近距离和较低复杂度，还有低数据速率以及低功耗和低成本的一种双向的无线通信技术,其主要是使用IEEE802.15.4无线标准的新一代无线传感器的网络系统。ZigBee网络自身有着自动的组网和自动路由以及自愈的功能,其自身能够在工作在2.4GHz的免执照的频段,使用调频以及扩频技术有着时延短和节点容量比较大的优点。并且2.4GHz无线信号其自身在强磁场和高电压环境里的传播有着较强的性能,数据的传输能力非常强大的,自身有着较高的可靠性,可以说其实对电网电能质量无线组网监测给予实现的一种有效的处置方案。 1.2 系统原理 通过电压和电流传感器构成的电压电流的检测电路,把被检测的高电压和大电流信号去转变为适宜的A/D变换的小信号,其自身景观滤波之后将其送到A/D转换器完成模数的转换。DSP数字信号处置器去对A/D转换结果进行读取并同时去对有关电能的质量参数进行有效的分析，完成运算以及处理,处理的具体结果使用ZigBee无线传感网络去将其传送到ARM的控制模块中,使其能够完成对数据进行的处理存储以及显示,使得电能质量参数能够实时的被监测到。电网其自身的电能质量监测系统架构示意图。 图1 电网电能质量监测系统架构示意图 2 硬件设计 2.1 信号采集处理模块 信号采集的处理模块主要是通过电压电流去对电路和滤波电路以及A/D转换器电路与DSP数字信号处理器以及外围电路共同构成的。 SP数字信号处理器采用TI的TMS320F2812芯片，这是一款高性能，低功耗，32位定点数字信号处理器。最高150MHz的工作频率为在短时间内实时控制和完成复杂算法提供了充足的条件。高性能的32位CPU包括16×16位和32×32位乘法累加器操作。，16×16位双乘累加器，可完成64位数据处理，高精度处理任务。具有丰富的硬件资源，片上Flash，ROM，RAM，定时器，多用途通用输入输出接口GPIO和仿真接口JTAG。支持TI的eX-pressDSPTM实时开发技术，TMS320DSP算法标准和CCS集成开发环境，为软件开发提供便利的环境。凭借其强大的数据处理能力，算法优化可以提高测量精度，并且使用外设接口资源可以有效降低电路的复杂性。 电压电流检测电路采用南京奇华公司生产的VSM025A电压传感器和CS040G电流传感器。传感器产生的噪声干扰由一个二阶巴特沃斯低通滤波器进行滤波。 A / D转换器选用TI高性能模数转换器ADS8364，具有6通道同步采样的16位高速并行接口，具有2.5V基准电压，低功耗和高采样率。 ADS8364的6个通道用于采样三相交流电压和电流。 ADS8364的数据端口D0-15和EOC分别连接到DSP的数据端口D0-15和外部中断INT1。 ADS8364的时钟信号由DSP控制。 DSP响应ARM控制模块的指令，控制ADS8364执行A / D转换，读取转换数据，执行快速傅里叶变换（FFT）和相关的电能质量参数计算，实现电压和电流信号的采集和处理。 2.2 ZigBee无线收发器模块 ZigBee无线收发器得模块主要使用的是ZigBee芯片CC2530和CC2530其属于TI公司支持ZigBee协议的一种系统芯片,集微处理器以及无线收发器是融合在一体的,可以说其属于业界标准非常标准的一种增强型的8051MCU内核还有与IEEE802.15.4规范相一致的2.4GHz的无线收发器。其中还包含了定时器以及可选32/64/128/256KB的Flash存储单元,并且还对于串行通信的接口以及UART接口还有21个可编程I/O引脚给予了丰富,并对于硬件资源简化了电路设计给予了丰富,CC2530和DSP主要是通过其自身的不同的串口去完成所需要的数据传输。无线收发器电路主要使用的是CC2530数据手册里所提供的一种比较典型的应用电路,天线主要是选择PCB天线[2]。 2.3 ARM控制模块 ARM控制模块主要是通过键盘和LCD显示，以及存储器还有ARM芯片以及外围的电路共同的构成。其自身应该进行实现的功能主要有:使用ZigBee网络使其能够对DSP发送控制的指令,接收并且对DSP中进行传送的数据给予保存,同时还需要对于其自身接收到的电能质量的相关参数还有电能参数给予有效的显示。 系统使用三星公司进行生产的ARM9系列的S3C2440处置器芯片,S3C2440主要使用的是16/32位RISC的处理器,其自身主要有外部的存储器与控制器和LCD控制器，以及USB的控制器，还有SD接口，以及4通道DMA与3通道UART、2通道SPI和24个外部中断源以及超过130个 目录 测量仪器 功能介绍 3 功能特点 3 技术指标 4 仪器的面板操作说明及测量接线 仪器前面板 5 仪器后面板 6 仪器的功能操作 概述 8 谐波测量 谐波分析 8 统计分析 10 日变化曲线 12 电压偏差 电压偏差 13 日变化曲线 14 频率偏差 频率及偏差 16 日变化曲线 17 功率测量 18 不平衡度 19 波动闪变 波动闪变值 20 波动日变化 20 Pst日变化 21 Plt日变化 22 暂态电压 过电压、欠电压记录 23 电压骤升、电压骤降记录 24 系统设置 通道配置 24 变比设置 25 谐波限值设置 国家标准 27 谐波限值 28 其他限值设置 30 后台软件 系统功能 32 站点设置 32 实时监测 39 历史数据 46 暂态事件 47 校准时间 48 报表打印 49 测量仪器 功能介绍 仪器设计为在线式电能质量监测仪，采用多个高速DSP+工控板作为电能质量监测分析的核心，可对任意时段的测量数据进行监测分析。由硬件采样系统和分析软件两部分组成。 功能特点 ?信号路数 本仪器可接入多路A、B、C三相电压测量信号及多路A、B、C三相电流测量信号（电压及电流测量信号均为互感器二次侧信号）。 ?稳态电能质量监测分析 可测量2 - 50次谐波电压、电流的畸变率、有效值、序分量、电压波动、闪变、电压偏差、功率因数、有功、无功、频率等技术指标。 ?暂态电能质量监测分析 电压骤升、电压骤降、过电压、欠电压记录。 ?数据输出功能 仪器可通过串行通讯口或以太网卡口、调制解调器方式实现数据的远距离传输。 ?信号采集 采用16位高精度A/D，采集速率12.8 kHz。 ?测量方式 仪器设有两种测量方式，第一种是单周波测量，每次对信号采样一个周波，然后进行FFT 分析，这种方法适用于对快速变动的信号源进行测量；第二种是在3秒钟内对信号进行6次等间隔采样，利用FFT分析出这6次采样的测量结果，然后进行3秒平均处理，这样可以区分暂态现象和谐波。 ?运行方式 仪器可实时显示数据分析结果及信号波形、频谱，并可随时进行存盘和打印输出； 电能质量在线监测装置使用说明书 保定市华航电气有限公司 第一章概述 1.1 综述 理想的电力系统向用户提供的应该是一个恒定工频的正弦波形电压，而随着电力电子技术的发展，直流输电、大功率单相整流技术在工业部门和用电设备上被广泛应用，如大功率可控硅器件、开关电源、变频调速等，这些典型非线性负荷将从电网吸入或注入谐波电流，从而引起电网电压畸变，使电网波形受到污染，供电质量恶化，附加损失增加，传输能力下降，成为影响电能质量的重要因素。 在电网中，三相负荷不平衡、电力系统谐振接地等会产生负序，大功率整流和非线性设备等会产生谐波。负序和谐波严重影响了供电质量，它们首先影响了电力设备安全运行。谐波可能引起谐振，谐振高压加在电容器两端，因为高次谐波对电容器阻抗很小，所以电容器易过负荷而击穿；高次谐波电流流入变压器，铁芯损耗增加；高次谐波电流流入电动机，不仅铁芯损耗增加，而且使转子发生振动，严重影响加工质量；高次谐波使保护设备误动作，使系统损失加大；高次谐波使电力系统发生电压谐振，在线路上引起过电压，会击穿设备绝缘。负序和谐波对发电机不仅有热效应，产生局部发热，而且会使发电机组产生振动，并伴有噪音，严重威胁机组的安全稳定运行。 电能质量监测装置采用先进的32位DSP处理器，是具有高速采样、计算、分析、统计、通讯和显示等功能相结合的电能质量监测设备。可实时监测电网的高达63次的谐波含有率、谐波总畸变率、三相电压不平衡度、闪变、电压偏差、电压波动、频率、各次谐波有功功率、无功功率、功率因数、相移功率因数、有效值、正负序等电能质量指标。 1.2 装置功能特点 电能质量在线监测装置，是我公司在研究总结国内外电能质量监测装置特点和实践经验基础上，严格按照国家颁布的相关技术标准，自主设计开发的新一代嵌入式电能质量在线监测产品。 1.2.1 装置特点 《虚拟仪器技术》课程设计 课题：十字路口交通灯 学院：电气工程学院 专业： 学号： 姓名： 指导老师 目录 1 课程设计目的及任务 (1) 1.1 课程设计的目的 (1) 1.2 课程设计的任务 (1) 1.3 课程设计的要求及技术指标 (1) 2 总方案的确定并画出原理图 (2) 3 各基本单元原理及设计 (2) 3.1倒计时子VI (2) 3.2.属性节点 (3) 3.3.逻辑控制单元 (3) 3.4 计时单元 (3) 4 外面版设计及整体电路图 (4) 4.1 外面板 (4) 4.2 程序图 (5) 5电路安装调试 (6) 6 体会 (7) 7 参考文献 (8) 1 课程设计的目的及任务 1.1课程设计的目的 （1）掌握labview软件的编程方法； （2）初步了解软硬件结合的仪器设计方法； （3）培养综合应用所学知识来指导实践的能力； 1.2 课程设计的任务 交通和我们的生活息息相关。平时我们过马路时看到十字路或着其他更复杂的路口有各种各样的交通灯，这对合理安排车辆行驶和行人提供了很大方便。设计十字路口交通灯，基本实现车辆有秩序行驶的功能。 1.3 课程设计的要求和技术指标 （1）设计准确的时间来控制红、绿、黄三个灯的两灭；（2）增加带指导信号的路标实现人性化交通； （3）温度时间提示功能； 2总方案的确定并画出原理框图 本实验主要是对十字路口交通进行合理安排和指挥。我的设想是这样的：首先1号路亮绿灯，其他2、3、4路都亮红灯。一号路此时可实现直行，左转和右转。当2、4亮绿灯时，1、3路亮红灯，可实现直行和右转。因为中间有个转盘所以这样都可实现去不同的方向行驶。最后3号路绿灯亮其作用同1号路线。原理框图如下： 电能质量检测与监测分析终端设计汇总 电能质量即电力系统中电能的质量。理想的电能应该是完美对称的正 弦波。一些因素会使波形偏离对称正弦，由此便产生了电能质量问题。一方面 我们研究存在哪些影响因素会导致电能质量问题，一方面我们研究这些因素会 导致哪些方面的问题，最后，我们要研究如何消除这些因素，从而最大程度上 使电能接近正弦波。本文为您介绍电能质量的检测与分析仪器设计汇总。 基于STM32 和ATT7022C 的电能质量监测终端的设计 本文以ARM STM32F103VE6 和电表芯片ATT7022C 为主构建了电能质量监测终端,利用电表芯片ATT7022C 实现对电网电压、电流、频率、功率因素等诸多参数的采样。 基于DSP/BIOS 在电能质量监测终端中的应用 DSP/BIOS 作为CCS 提供的一套工具，其本身仅占用极少的CPU 资源，但却提供相当高的性能，加快了开发进度。采用DSP/BIOS 作为电能质量监测终端实时操作系统，编写DSP 程序时控制硬件资源容易、协调各个软件模块灵活，大幅加快软件的开发、调试进度。最终实验证明，整个系统实时性好，运 行稳定可靠。 电能质量监测系统信号采集模块控制器IP 核设计 本文介绍的在电能质量监测系统中信号采集模块控制器的IP 核，是采用硬件描述语言来实现的。这样能够减轻CPU 的负担，不需要频繁地对6 通 道的采样数据进行读取，节省了CPU 运算资源。 采用Nios 的电能质量监测系统解决方案 本文将SoPC 技术应用到电力领域，在FPGA 中嵌入了32 位NiosⅡ软 核系统。可实现对电能信号的采集、处理、存储与显示等功能，实现了实时系 第1章程序的设计 1.1 前面板的设计 前面板是VI的用户界面。创建VI时，通常应先设计前面板，然后在前面板 上创建输入/输出任务。 本课程设计中前面板比较简单，只需要用六盏灯、两个时间显示器、一个停止按键即可。其中的六盏灯，红、黄、绿各两盏，在控件选板中选择指示灯，将它放在前面板合适的位置，单击鼠标右键，更改指示灯的属性，改变指示灯的大小，做出一个合适的指示灯，依同样的步骤可以做好另外五个，将六个灯均分为两组，每组都包含红黄绿三种颜色的灯，再用框将每组灯框起来，做成一个交通灯。在每组交通灯合适的位置放置一个数值显示控件作为交通灯的计时器。在前面板合适的位置放置一个开关按钮，控制循环的停止。这样交通灯系统的前面板 就做好了。面板设计如图1-1所示。 图1-1 交通灯前面板示意图 1.2 定时信号的产生 毫秒计时器在LabVIEW中的一个计时单元，它的图标与用途如图3-2所示。在函数选板的【编程】→【定时】子选板中选择时间计数器选定该单元。毫秒计数器对时间信号计数,要产生一个一秒为单位的时间信号,所以还得用毫秒计数值除以1000，取商得到以秒为单位的时间信号。接线如图1-3所示： 图1-2 时间计数器图1-3 时间计数器接线图 1.2时间信号的分段 将得到的时间信号除以每个循环所用的时间70s，取余数。得到的余数x的范围为0<=x<70,当0<=x<5时，条件满足，执行第一个条件结构里面的程序，北黄和东红灯点亮。当5<=x<35时，条件满足，执行第二个条件结构里的程序，北红和东绿灯点亮。当35<=x<40时，条件满足，东黄和北红灯点亮。当40<=x<70时，x<40的条件不满足，执行条件结构里面为假的程序，北绿和东红灯点亮。时间分段的程序结构如图1-4所示。 图1-4 时间分段程序 这里用到了判定范围并强制转换控件，应用这个控件可以判定输入的数是否在上限和下限之间。它的图标和作用如图1-5所示。如果输出信号在范围之内，“？”接口将产生一个信号，此信号恰可以输入到条件结构作为分支选择器信号。labview课程设计模拟计算器(选择结构)
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