电能质量检测仪.docx
《电能质量检测仪.docx》由会员分享，可在线阅读，更多相关《电能质量检测仪.docx（44页珍藏版）》请在冰豆网上搜索。
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
指点教员余瑜
日期2020年06月06日
摘要
目前，供电企业和用户末尾高度注重对电网电能质量监测的效果。
一方面是由于影响电能质量的要素日益增多，如今普遍运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作畸变，招致电能质量的好转。
另一方面，各种精细、复杂的，对电能质量敏感的电气设备的普及，使人们对电能的牢靠性及其质量的要求日积月累。
因此，研讨供电质量监测的方法，找出招致电能质量下降的缘由具有重要的工程和实际价值。
本论文设计并给出了以测控范围的最新技术——虚拟仪器平台为基础的电能质量监测系统。
该系统可以对电流、电压、频率、相位、电网谐波、三相电压不平衡度、电压动摇和闪变等电能质量参数停止实时地监测，并且具有在线剖析功用。
本文是运用美国NI公司开发的图形化开发软件LABVIEW停止系统顺序构建，结合运用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课题研讨背景与意义
目前，电能曾经成为人类社会不可或缺的一种资源，人们应用它完成各种所需求的任务，它曾经成为人类赖以生活和开展的重要局部。
它承载了太多太多，如今末尾不堪重负，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，这样的矛盾肯定会引来社会性的效果，因此不少的专家和学者们都对这个效果堕入了深思。
最近几十年来，一方面，工业科技的迅速开展给人类带来了提高，但是与此同时也给电能质量带来了少量的繁重负荷，给电网形成了不可磨灭的破坏；另一方面，随着迷信技术的提高，有数的精细仪器被引入到电网中来，这些精细仪器对电能质量的要求越来越高，而电能质量不时好转曾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进程中，电力部门肯定会要求电能质量的不时提高，并且使电能质量的规范不时完善。
在往年来大规模的国际国际供电会议上，有关电能质量的规范制定屈指可数，大多都是围绕电能质量的概念、规范、测量和改善的相关研讨。
从某种水平上讲，电能质量曾经成为当今社会行将面临的一个严峻的应战之一。
IEEE〔美国电气电子工程师协会〕和IEC〔国际电工委员会〕都对电能质量停止了相关的界定和分类。
并且将电能质量效果分类成：
瞬时现象、短时变化、长时变化、波形畸变、电压不平衡、电压动摇和工频现象等七种。
联络我国实践状况和IEEE与IEC的规范，我国也相继公布了关于电能质量效果的五项目的区分是：
电网频率允许偏向、供电电压允许偏向、公用电网谐波、三相不平衡度、电压动摇与闪变。
依据调查知道，我国目前运用的电能质量监测的仪器相对国外的产品还比拟落后，主要是基于单片机的检测设备，抗搅扰才干很差，也不能动摇准确的检测剖析电能质量的实质效果。
但是运用国外的产品本钱相对来说偏高，并且维护和晋级很费事，不能满足要求。
正由于如此引入新技术是十分有必要的，在控制范围中虚拟仪器可以算最先进的仪器技术，可以运用这种技术来研制电能质量的监测设备，来对电能质量停止实时的在线监测，以保证电网的平安、动摇的运转。
电能质量关系到国度的命脉，特别是触及到电力、铁道、化工、冶金、IT等诸多行业的开展。
因此国际国外的专家学者们都惹起了高度的注重，并且随着经济开展和工业管理体制的转变，电网逐渐完成了商业化的管理体制，使得用户不时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开展不时提高。
1.2国际外对电能质量的监测研讨现状
随着对电能质量效果的逐渐注重，针对这一效果的研讨也如雨后春笋一样蓬勃开展起来，特别是在工业兴旺国度，曾经得出了不少的研讨效果。
在国际外，目前主要运用的监测方式是运用智能仪器，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，容易遭到外界环境的影响，而且在测量不同的电能目的时还要改换相应的硬件设备，这些弊端给监测带来了诸多方便。
为了添加同时测量的目的，不得不参与各自的硬件电路，这样以来设备的体积愈加庞大，不能实时的保管测量数据，观测历史数据极为不方便。
国际的电能质量设备研讨起步较晚，传统的电能质量检测仪有以下几点缺陷：
①消费调试率低下效果。
②功用单一型效果。
③开发周期和开发费用效果。
虚拟仪器的出现为上述效果带来了处置方法，彻底的改动了这一现状，它将信息通讯、仪器仪表、信息通讯、计算机技术相结合，运用弱小的计算机来完成庞大的硬件电路的测试功用。
本论文设计了基于虚拟仪器的电能质量监测系统，经过计算机的高速计算才干对电能质量停止在线监测，使电力部门能实时的掌握电能质量状况，便于对突发状况作出有效的弥补措施，防止不用要的损失。
1.3本论文主要任务
本文在对电力系统的电能质量目的及测量方法停止研讨的同时，设计了基于LABVIEW的电能质量监测仪，经过在线监测电压动摇和闪变、电压和频率偏向、电网谐波、三相不平衡度停止在线监测、并且对结果停止计算和剖析。
主要任务如下：
〔1〕、对目前国际外电能质量的现状停止了解，知道目前电能质量曾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求进一步的研讨和开发。
〔3〕、讨论权衡电能质量监测和电能质量效果的目的的方法，并对电网谐波和闪变的测量方法停止研讨，寻觅提高测量精度的措施和方法。
〔4〕、学习运用虚拟仪器软件LABVIEW，在此平台上开发了电能质量监测系统的软件系统设计，此系统在功用上可以替代电能质量监测仪的局部硬件，主要功用是检测电网电压、频率、三相不平衡度、谐波含量及电压动摇与闪变，并判别到得的数据能否契合国度规范。
设计了相应的硬件局部，此局部在整个检测进程中主要起到获取电压电流的物理量，停止数模转换、数据采样并传输到PC的功用。
〔5〕、对本次设计项目的总结，对前景的展望以及对缺乏之处的看法。
2.电能质量目的及测量方法
2.1电能质量目的简介
为了找出惹起电能质量下降的缘由，并且系统的研讨电能质量效果，在线剖析其测量结果，以便采取相应的措施来处置，我们一定要先对电能质量的各项目的有所了解。
电能质量目的是对指一些可以对电能质量各方面的停止详细描画的数字量，不同电能目的的意义都是不同的。
目前我国制定的电能质量目的主要包括以下几项：
电网电压和频率允许偏向、三相不平衡度、公用电网谐波、电压动摇与闪变。
还有暂态电能质量效果、长继续时间电能质量效果和短继续时间电能质量效果等，不美观出，我国的电能质量监测还处在起步阶段。
目前工业消费中有些目的曾经是急需提出的，但仍没有作出相关的规则。
因此，假设要树立电能质量完整规范体系，需求展开的任务依然很多。
2.2电网电压允许偏向
电网供电电压允许偏向是指电力系统电压缓慢的变化时额外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外电压的差异，表示为：
（2-1）
偏向过大形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外电压的任务状况下，具有最高的效率和功用。
电压偏向使其任务时的的功用和效率增加，有的还会增加运用寿命，电压超越一定值的电压偏向会形成设备的损坏。
⑵影响电网的平安、动摇、经济运转，当系统的电压降低时，发电时机遭到影响，主要表如今定子电流增大，当电流此时曾经是额外值时，假设电压突然降低，电流那么会超越额外值，影响电机的运转，甚至带来缺点。
相似的变压器也要增加负荷，有时甚至会招致电压解体的严重结果，由于系统中无功功率充足时，母线电压能够由于庞大扰动而大幅度下降，招致电网解体这样的灾难性事故。
在国度规范«电能质量——供电电压允许偏向»〔GB-12325-1990〕[1]中规则：
⑴35kV及以上供电电压偏向的相对值之不能超越额外电压的10%。
假定供电电压上下偏向同号〔均为正或负〕时，按偏向相对值较大的那一个作为权衡依据。
⑵10kV及以下三相供电电压允许偏向为额外电压的±7%。
⑶220V单相供电电压允许偏向为额外电压的+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则的电能计量点的电压。
2.3电网频率允许偏向
2.3.1频率偏向的测量方法
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。
当电力系统运转在正常条件下，系统频率的实践值与标称值（工频）之差称为系统的频率偏向，用公式表示为式）：
（2-2）
式中：
为实践频率，
为偏向频率，
为系统标称频率。
目前，测量频率的主要方法有：
（1）周期法，经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。
这种方法的概念明晰，容易完成，但精度低，容易受噪声、谐波和非周期重量的影响。
对这种算法的改良主要是提高实时性和测量精度，改良算法主要有：
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，包括最小相对值近似法、最小二乘算法、团圆卡尔曼滤波算法、牛顿类算法，这些算法运算比拟复杂，但实时性不佳。
（3）DFT（团圆傅里叶变换）类算法及其改良算法〔FFT〕。
在理想的模型下DFT（FFT）相似算法，只需参数选择适宜就能准确的地计算出模型的参数，在思索噪声谐和波的状况下，各类改良算法虽然能在一定水平上减小测量误差，但存在时滞和增大计算量等缺陷。
但是实践运用中通常依然采用这种方法。
2.3.2频率偏向的危害
频率偏向也是电能质量的重要目的之一。
现代用电设备对频率的要求比拟高，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转的前提条件。
电力系统频率允许偏向，望文生义就是基波频率与额外频率的偏离水平。
«电力系统频率允许偏向»中有规则：
电力系统在正常状况下允许的频率偏向为±0.2Hz，假设系统容量较小，偏向值可以适当的放宽到±0.5Hz。
冲击负荷用户惹起的频率变化普通状况下不得超越±0.2Hz，依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化，但前提条件是必需保证近区电力网发电机组以及周边用户的平安动摇运转以及正常供电。
系统频率的过大变化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,招致纺织、造纸机械产质量量的影响；
（2）某些测控设备的运转也需求很依赖频率，一旦频率偏向过大将不能正常任务
（3）频率下降会惹起电动机的功率和转速降低，形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，影响其运用寿命；
（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添加，消耗的无功功率添加，电力系统的电压水平进一步好转；
总之，一切用电设备的设计都是遵照系统额外值的，电力系统频率质量下降肯定会影响到各行各业的开展。
而频率过低时，能够会使整个电力系统瓦解，形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对称重量法引见
在三相交流系统中，假设三相频率相反、相量大小相等且互差2π/3时，为理想形状，称为三相平衡系统，否那么称为三相不平衡系统。
实践中的电力系统不能够是完全平衡的，惹起这种不平衡的要素有正常性和事故性两大类:
假设是由于三相系统中某一相或两相出现缺点而招致的三相不平衡，称之为事故性的不平衡，这种不平衡工况是系统不允许的，普通由自动装置和继电维护装置举措切除缺点源，在短期内就可以使系统恢复正常运转；假设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。
在这里需求声明，〝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，因此对三相不平衡的研讨需求运用到一种方法叫做对称重量法。
由对称重量法可知，当电力系统任务在正常方式下，某电量的三相不平衡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，在计算三相系统的不平衡度之前，必需首先知道三相系统的负序重量和正序重量。
并且测得各相量的相位及大小，再依据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）
假设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），当三相量Ua、Ub、Uc时，可以用下式求的不平衡度：
（2-6）
式中：
与此相似，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]
随着国民经济的开展，电力系统中出现了少量不平衡负荷，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，危及电力系统的平安和经济运转。
三相电压或电流不平衡会对电力系统和用户形成一系列的危害，其中主要有：
（1）惹起旋转电机的附加发热和振动，危及其平安运转和正常出力。
（2）惹起以负序重量为起动元件的多种维护发作误举措（特别是当电网中同时存在谐波时），这对电网平安运转是有严重要挟的。
（3）电压不平衡使半导体变流设备发生附加的谐波电流（非特征谐波），而这种设备普通设计上只允许2％的电压不平衡度。
（4）电压不平衡使发电机容量应用率下降。
由于不平衡时最大相电流不能超越额外值，在极端状况下，只带单相负荷时那么设备应用率仅为0.577。
（5）变压器的三相负荷不平衡，不只使负荷较大的一相绕组过热招致其寿命延长，而且还会由于磁路不平衡，少量漏磁通经箱壁、夹件等使其严重发热，形成附加损耗。
（6）在高压配电线路中，三相不平衡会影响计算机正常任务，还会惹起照明电灯寿命延长（电压过高）或照度缺乏（电压过低）以及电视机的损坏等。
（7）三相不平衡时，将惹起电网损耗的添加。
（8）搅扰通讯系统，影响正常的通讯质量。
依据国度规范«电能质量三相电压允许不平衡度»的规则，电力系统正常运转方式下，公共衔接点正常电压不平衡度允许值为2％，短时不得超越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，这一概念需求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坚持不变，而暂态现象电压电流波形是每个周期都要发作变化的。
谐波的发生，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。
工业上普通用总谐波畸变率、谐波含有率这两个专业词语来表示谐波的严重水平。
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）
电流的谐波计算相似于电压的计算公式，这里不逐一列出。
对谐波的测量通常状况下，往往会选取用户和电网衔接的公共衔接点作为谐波检测点，但是有时分为了掌握电网谐波水平，还应该在电厂外部、主变电站外部设置检测点，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，因此也不可无视。
电气铁道机车普通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，还会发生少量的谐波；相似于电弧炉等含有电弧的设备，例如电焊设备和冶炼设备，会发生间谐波，还会发生高次谐波，简谐波的引入能够惹起电压动摇和闪变。
这些设备的少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、通讯线路、广阔用户电气设备及电子设备发生危害和搅扰。
（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备、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发生的谐波对电力系统电能质量形成污染，致使整个电力系统的电力环境包括广阔用户和电力系统自身。
由于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、继电维护器的举措、仪表测量以及视听设备的影响，它能够形成设备的功用好转或任务失误，甚至破坏；第二类是对机电设备的影响，它能够形成设备降低出力、增加设备寿命、甚至损坏等。
详细表现为：
（1）惹起无功补偿电容器组的谐振或谐波电流缩小，直接招致电容器因过电压或过负荷而损坏。
（2）使发电机和电动机发生脉动转矩和噪声，添加功率损耗和发热。
（3）当发作谐振或缩小时，招致供电网和导线的损耗添加。
（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，能够会形成电流动摇变化率过高，断路器的开断将更为困难，这时开断时间肯定会延伸，因此延伸了缺点电流的切除时间，直接形成快速重合闸后的再燃。
（5）降低了变压器负荷才干，负荷电流中的谐波流过变压器时，肯定会在变压器中形成的损耗，惹起附加发热。
（6）谐波能够招致触发回路误触发以及晶闸管误举措等缺点。
综上所述，可知谐波的引入将会给各种电力设备通讯设备带来有害影响。
甚至有能够会形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，但是目前对它们谐波的影响效果还没有做出充沛的研讨。
所以此次研讨的必要性十分清楚。
2.5.3国标中关于谐波的规则
国度规范在电能质量规则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
国度对谐波的测量仪器也有一定的评定规范：
（1）必需满足本规范测量的要求。
（2）为了将谐波和暂态现象区别开，做如下规则：
对负荷变化比拟快的谐波，测量结果为3s内所测值的平均值，引荐采用下式计算：
〔2-10〕
式中
：
3s内第k次测得的h次谐波的有效值；
m：
3s内取平均距离的测量次数，m≥6。
（3）谐波测量仪器的允许误差，应该在规则范围内。
（4）由于现场环境肯定会有电磁搅扰，因此要求仪器有一定的抗电磁搅扰才干。
并且仪器必需保证频率在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%的条件下能正常任务。
2.6电压动摇和闪变
2.6.1电压动摇和闪变的定义及简介
电压闪变是指人眼对由电压动摇所惹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别依据，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动摇惹起的，如电焊机等；后者主要与周期性的电压动摇有关，如往电弧炉、复式紧缩机等。
这些不平衡的非线性冲击性负荷会惹起有功和无功功率周期性大幅变化，当这些动摇电流流过阻抗时肯定会惹起电压下降，招致与之衔接在一同的电网其他线路电压发作动摇，这种动摇就是电压动摇，其频率与动摇电流的频率相反。
电压动摇通常是指电压幅值在一定范围内随机的或有规律的变化，这个范围通常定位额外值的90%到110%。
电压动摇值的计算方法为：
通常用额外电压
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
电压动摇通常会惹起电视画面质质变化、使电子仪器测量正常、使
升级会员 