电能质量检测仪.docx
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电能质量检测仪
电能质量检测仪
毕业设计（论文）
题目基于LABVIEW的电能质量监测仪设计
姓名周攀
学号0710211214
所在学院电气与电子工程学院
专业班级07电气2班
指导教师余瑜
日期2018年06月06日
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。
一方面是因为阻碍电能质量的因素日益增多，现在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，各种周密、复杂的，对电能质量敏锐的电气设备的普及，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缘故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、三相电压不平稳度、电压波动和闪变等电能质量参数进行实时地监测，同时具有在线分析功能。
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
Powerqualityisanessentialconcernofelectricalutilitiesandcustomers.Ononehand,thefactorswhichaffectthepowerqualityareincreasing,forexample,thedistortedwaveofvoltagesandcurrentscausedbytheextensiveapplicationofpowerelectronicapparatusandnonlinearequipmenthasworsenedthepowerquality.Ontheotherhand,thepopularityofthecomplicated,exactitudeandpowerquality-sensitiveelectricityapplianceshasmadepowerqualitymoreimportant.Researchonthepowerqualitymonitoringandanalysismethodisofgreatvalueinboththeoryandpractice.Thispaperwasdesignedbasedonthelatesttechnologyincontrolfield-powerqualityparametersmonitorsystemonthevirtualinstrumenttechnologyplatform.Itcanmonitorelectricpowerparametersincludingvoltage,electricalcurrent,phase,frequency,three-phasevoltageunbalance,harmonicandthevoltagefluctuationandflicker,andcanalsoprovidedetailedpowerqualityanalysisinrealtime.ThispaperistouseAmericanNIcompany'sgraphicalLABVIEWsoftwaretobuiltthesystem,byusingacombinationofconstructionprogramNIcompanyauxiliaryequipmentPCI-6024E（dataacquisitioncard）,sensorandtransmittershardwareequipment,establishedasetofpowerqualitymonitoringwithprecismeasurementability.
Keywords:
powerquality,on-linemonitoringsystem,LABVIEW,virtualinstrument
1.绪论
1.1课题研究背景与意义
目前，电能差不多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，它差不多成为人类赖以生存和进展的重要部分。
它承载了太多太多，现在开始不堪重负，然而现代社会恰恰相反，对电能的质量的要求却反而越来越高，如此的矛盾必定会引来社会性的问题，因此许多的专家和学者们都对那个问题陷入了深思。
最近几十年来，一方面，工业科技的迅速进展给人类带来了进步，然而与此同时也给电能质量带来了大量的繁重负荷，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，许多的周密仪器被引入到电网中来，这些周密仪器对电能质量的要求越来越高，而电能质量不断恶化差不多带给用户许多缺失。
当今社会电力部门追求电能经济效益最大化的过程中，电力部门必定会要求电能质量的不断提高，同时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，大多差不多上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，电能质量差不多成为当今社会立即面临的一个严肃的挑战之一。
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。
同时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、电压不平稳、电压波动和工频现象等七种。
联系我国实际情形和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：
电网频率承诺偏差、供电电压承诺偏差、公用电网谐波、三相不平稳度、电压波动与闪变。
依照调查明白，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，要紧是基于单片机的检测设备，抗干扰能力专门差，也不能稳固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，同时爱护和升级专门苦恼，不能满足要求。
正因为如此引入新技术是十分有必要的，在操纵领域中虚拟仪器能够算最先进的仪器技术，能够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、稳固的运行。
电能质量关系到国家的命脉，专门是涉及到电力、铁道、化工、冶金、IT等诸多行业的进展。
因此国内国外的专家学者们都引起了高度的重视，同时随着经济进展和工业治理体制的转变，电网逐步实现了商业化的治理体制，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进展不断提高。
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进展起来，专门是在工业发达国家，差不多得出了许多的研究成果。
在国内外，目前要紧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阻碍，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，如此以来设备的体积更加庞大，不能实时的储存测量数据，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。
虚拟仪器的显现为上述问题带来了解决方法，完全的改变了这一现状，它将信息通讯、仪器外表、信息通讯、运算机技术相结合，使用强大的运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，通过运算机的高速运算能力对电能质量进行在线监测，使电力部门能实时的把握电能质量情形，便于对突发状况作出有效的补救措施，幸免不必要的缺失。
1.3本论文要紧工作
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、三相不平稳度进行在线监测、同时对结果进行运算和分析。
要紧工作如下：
（1）、对目前国内外电能质量的现状进行了解，明白目前电能质量差不多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，发觉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，查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，此系统在功能上能够代替电能质量监测仪的部分硬件，要紧功能是检测电网电压、频率、三相不平稳度、谐波含量及电压波动与闪变，并判定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要紧起到猎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缘故，同时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差不多上不同的。
目前我国制定的电能质量指标要紧包括以下几项：
电网电压和频率承诺偏差、三相不平稳度、公用电网谐波、电压波动与闪变。
还有暂态电能质量问题、长连续时刻电能质量问题和短连续时刻电能质量问题等，不难看出，我国的电能质量监测还处在起步时期。
目前工业生产中有些指标差不多是急需提出的，但仍没有作出相关的规定。
因此，假如要建立电能质量完整标准体系，需要开展的工作依旧专门多。
2.2电网电压承诺偏差
电网供电电压承诺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：
（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形下，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阻碍电网的安全、稳固、经济运行，当系统的电压降低时，发电机会受到阻碍，要紧表现在定子电流增大，当电流现在差不多是额定值时，假如电压突然降低，电流则会超过额定值，阻碍电机的运行，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峻后果，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，导致电网崩溃如此的灾难性事故。
在国家标准《电能质量——供电电压承诺偏差》（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承诺偏差为额定电压的±7%。
⑶220V单相供电电压承诺偏差为额定电压的+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电网频率承诺偏差
2.3.1频率偏差的测量方法
电力系统的频率是指单位时刻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）：
（2-2）
式中：
为实际频率，
为偏差频率，
为系统标称频率。
目前，测量频率的要紧方法有：
（1）周期法，通过测量输入波形相邻过零点之间的时刻宽度的倒数来运算频率。
这种方法的概念清晰，容易实现，但精度低，容易受噪声、谐波和非周期重量的阻碍。
对这种算法的改进要紧是提高实时性和测量精度，改进算法要紧有：
高次修正函数法、水平交算法（levelcrossing）、最小二乘多项式曲线的拟合法，这些算法的运算量和复杂度都专门大。
（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运算出模型的参数，在考虑噪声和谐波的情形下，各类改进算法尽管能在一定程度上减小测量误差，但存在时滞和增大运算量等缺点。
然而实际运用中通常依旧采纳这种方法。
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，专门是在发电厂的用电负荷上，要求更高。
对频率的操纵是保证发电厂和用户正常运行的前提条件。
电力系统频率承诺偏差，顾名思义确实是基波频率与额定频率的偏离程度。
《电力系统频率承诺偏差》中有规定：
电力系统在正常情形下承诺的频率偏差为±0.2Hz，假如系统容量较小，偏差值能够适当的放宽到±0.5Hz。
冲击负荷用户引起的频率变动一样情形下不得超过±0.2Hz，依照专门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固运行以及正常供电。
系统频率的过大变动会对用户和发电厂照成的不良阻碍要紧有如下几个方面：
（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阻碍；
（2）某些测控设备的运行也需要专门依靠频率，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，阻碍其使用寿命；
（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差不多上遵循系统额定值的，电力系统频率质量下降必定会阻碍到各行各业的进展。
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峻事故。
2.4电网三相电压承诺不平稳度
2.4.1对称重量法介绍
在三相交流系统中，假如三相频率相同、相量大小相等且互差2π/3时，为理想状态，称为三相平稳系统，否则称为三相不平稳系统。
实际中的电力系统不可能是完全平稳的，引起这种不平稳的因素有正常性和事故性两大类:
假如是由于三相系统中某一相或两相显现故障而导致的三相不平稳，称之为事故性的不平稳，这种不平稳工况是系统不承诺的，一样由自动装置和继电爱护装置动作切除故障源，在短期内就能够使系统复原正常运行；假如是由于系统负荷不对称或三相元件不对称所致，这种不平稳被称为正常性的不平稳。
在那个地点需要声明，“三相电压承诺不平稳度”的制定是针对正常不平稳工况。
总所周知，在三相电力系统中，电量可被分解为零序重量、正序重量和负序重量这三个对称重量，因此对三相不平稳的研究需要使用到一种方法叫做对称重量法。
由对称重量法可知，当电力系统工作在正常方式下，某电量的三相不平稳度定义为该电量负序重量的均方根值与其正序重量的均方根值之比，用符号
表示，即：
（2-3）
式中：
U1是三相电压正序重量的均方根值；
U2是三相电压负序重量的均方根值。
由式（2-3）可见，在运算三相系统的不平稳度之前，必须第一明白三相系统的负序重量和正序重量。
同时测得各相量的相位及大小，再依照对称重量法将三相不对称的重量分解为三项对称的重量，即正序重量、负序重量和零序重量：
（2-4）
式中，
；
（2-5）
假如三相电量中不含零序重量时（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，能够用下式求的不平稳度：
（2-6）
式中：
与此类似，三相电流不平稳度也能够用其相应的公式运算，只需将其中的电压符号换为相对应的电流符号。
2.4.2三相不平稳的危害[2]
随着国民经济的进展，电力系统中显现了大量不平稳负荷，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稳日趋严峻，危及电力系统的安全和经济运行。
三相电压或电流不平稳会对电力系统和用户造成一系列的危害，其中要紧有：
（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）引起以负序重量为起动元件的多种爱护发生误动作（专门是当电网中同时存在谐波时），这对电网安全运行是有严峻威逼的。
（3）电压不平稳使半导体变流设备产生附加的谐波电流（非特点谐波），而这种设备一样设计上只承诺2％的电压不平稳度。
（4）电压不平稳使发电机容量利用率下降。
由于不平稳时最大相电流不能超过额定值，在极端情形下，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稳，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稳，大量漏磁通经箱壁、夹件等使其严峻发热，造成附加损耗。
（6）在低压配电线路中，三相不平稳会阻碍运算机正常工作，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）三相不平稳时，将引起电网损耗的增加。
（8）干扰通讯系统，阻碍正常的通信质量。
依照国家标准《电能质量三相电压承诺不平稳度》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稳度承诺值为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重量[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差不多保持不变，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，要紧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专门大。
工业上一样用总谐波畸变率、谐波含有率这两个专业词语来表示谐波的严峻程度。
第h次谐波电压含有率：
（2-7）
式中：
：
第h次谐波电压（均方根值）；
：
基波电压（均方根值）。
谐波电压：
（2-8）
电压总谐波畸变率：
（2-9）
电流的谐波运算类似于电压的运算公式，那个地点不一一列出。
对谐波的测量通常情形下，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，然而有时候为了把握电网谐波水平，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。
系统中的谐波源要紧可分为两大类：
（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。
家用电器设备尽管其容量小，然而数量却专门大，因此也不可忽视。
电气铁道机车一样采纳大容量单相整流设备，这除了会给电网带来三相不平稳外，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、宽敞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、为节能和操纵用的电力电子设备、直流拖动设备、PWM变频器等；
2.5.2谐波的危害
在电力系统中要紧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宽敞用户和电力系统本身。
因为其污染阻碍的距离远、范畴大，甚至比工厂对大气环境的污染更为严峻。
第一类是对运算机操纵器或系统、继电爱护器的动作、外表测量以及视听设备的阻碍，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阻碍，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，直截了当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，电流波形畸变将会阻碍断路器断路容量，专门是在在过零点，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，这时开断时刻必定会延长，因而延长了故障电流的切除时刻，直截了当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，必定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阻碍。
甚至有可能会造成电力系统事故和设备损毁。
专门是在近年来电力电子设备迅速增长的同时，给电网引入了许多的谐波，然而目前对它们谐波的阻碍问题还没有做出充分的研究。
因此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，举荐采纳下式运算：
（2-10）
式中
：
3s内第k次测得的h次谐波的有效值；
m：
3s内取平均间隔的测量次数，m≥6。
（3）谐波测量仪器的承诺误差，应该在规定范畴内。
（4）由于现场环境必定会有电磁干扰，因此要求仪器有一定的抗电磁干扰能力。
同时仪器必须保证频率在49Hz―51Hz内，电源在标称电压15%范畴内，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专门的视觉感受，它通常是以白炽灯的工况作为判定依据，将电压闪变可分为非周期性和周期性两种，前者要紧是由于随机性电压的波动引起的，如电焊机等；后者要紧与周期性的电压波动有关，如往电弧炉、复式压缩机等。
这些不平稳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定会引起电压降落，导致与之连接在一起的电网其他线路电压发生波动，这种波动确实是电压波动，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畴内随机的或有规律的变动，那个范畴通常定位额定值的90%到110%。
电压波动值的运算方法为：
通常用额定电压
的百分数表示其相对百分值d，即：
（2-11）
式中：
Umax与Umin为电压均方根值的两个极值
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