基于LabVIEW的电能质量分析系统设计毕业设计.docx

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基于LabVIEW的电能质量分析系统设计毕业设计

本科生毕业设计

基于LabVIEW的电能质量分析系统设计

题目：

中国矿业大学毕业设计任务书

学院应用技术学院专业年级电气工程及其自动化学生姓名

任务下达日期：

2008年3月20日

毕业设计日期：

2008年3月20日至2008年6月10日

毕业设计题目：

基于LabVIEW的电能质量分析系统设计

毕业设计专题题目：

毕业设计主要内容和要求：

现今社会对电能质量要求日益提高，而电网电能污染却日趋严重，考虑到传统电能质量分析系统存在很多缺陷，本设计研究了采用虚拟仪器思想的电能质量分析系统，具体内容和要求如下：

1.了解国内外电能质量分析的现状及研究本课题的意义，确立研究思路。

2.熟悉各电能质量指标的概念和计算方法；

3.充分认识LabVIEW，掌握其中各函数的功能和用法，练习基本操作；

4.设计系统主题结构，研究系统应实现的功能，分析各电能质量参数的数字化实现方法；

5.构思系统软件部分的整体结构，规划系统软件的前面板和程序框架，详细设计各功能模块；

6.调试系统软件。

院长签字：

指导教师签字：

中国矿业大学毕业设计指导教师评阅书

指导教师评语（①基础理论及基本技能的掌握；②独立解决实际问题的能力；③研究内容的理论依据和技术方法；④取得的主要成果及创新点；⑤工作态度及工作量；⑥总体评价及建议成绩；⑦存在问题；⑧是否同意答辩等）：

成绩：

指导教师签字：

年月日

中国矿业大学毕业设计评阅教师评阅书

评阅教师评语（①选题的意义；②基础理论及基本技能的掌握；③综合运用所学知识解决实际问题的能力；③工作量的大小；④取得的主要成果及创新点；⑤写作的规范程度；⑥总体评价及建议成绩；⑦存在问题；⑧是否同意答辩等）：

成绩：

评阅教师签字：

年月日

中国矿业大学毕业设计评阅教师评阅书

评阅教师评语（①选题的意义；②基础理论及基本技能的掌握；③综合运用所学知识解决实际问题的能力；③工作量的大小；④取得的主要成果及创新点；⑤写作的规范程度；⑥总体评价及建议成绩；⑦存在问题；⑧是否同意答辩等）：

成绩：

评阅教师签字：

年月日

中国矿业大学毕业设计答辩及综合成绩

答辩情况

提出问题

回答问题

正确

基本

正确

有一般性错误

有原则性错误

没有

回答

答辩委员会评语及建议成绩：

答辩委员会主任签字：

年月日

学院领导小组综合评定成绩：

学院领导小组负责人：

年月日

摘要

近年来，计算机技术、通信技术以及测试测量技术的不断发展推动了虚拟仪器（VirtualInstrument，简称VI）技术的不断发展。

虚拟仪器具有丰富的软件功能、简单的硬件结构、高度的智能化等特点。

以虚拟仪器技术为平台建立的电能参数监测分析系统能够克服传统的监测系统功能单一、升级复杂、成本高等缺点。

因此，本论文提出并设计了基于当今测控领域的最新技术——虚拟仪器技术的电能质量参数分析系统，系统能够对电压、电流、功率、相位、频率、三相电压不平衡度、电网谐波等电力参数进行监测，并且具有一定的分析功能。

本论文首先阐述了对电能质量参数监测与分析的必要性以及传统电能质量监测装置的缺陷，分析了利用虚拟仪器技术开发电能质量分析系统的可行性。

然后将电压偏差、频率偏差、电网谐波及三相不平衡作为主要的研究对象，对电能质量指标的数学模型进行了研究和离散化处理。

接着确定了系统总体设计方案，重点论述了利用LabVIEW开发本系统的各个功能模块。

最后，就本系统在研究中存在的不足和需要加强的地方在文中做出了总结，并指出本课题的进一步研究工作展望与设想。

关键词:

电能质量;电能质量分析系统;虚拟仪器;LabVIEW

ABSTRACT

Inrecentyears,thedevelopmentofcommunicationtechnology,Computertechnologyandmeasuringtechniqueimpulsevirtualinstrumenttechnicalprogressivedevelopment.Virtualinstrumentpossessperfectsoftwarefunction,simplehardwareconfigurationaswellashighintelligentetc.Thepowerqualityparametersmonitoringsystemmainlybasedonvirtualinstrumentisbettertraditionalmonitoringandanalysessystem,whichfunctioniscrudeandupdateiscomplicate.

Sothispaperputforwardanddesignthepowerqualityparametersmonitoringandanalyzesystembasedthenewesttechnologyofthefieldofmeasurementandcontrolnow-thevirtualinstrumenttechnical，itcanmonitorelectricpowerparameterincludingvoltage,electricalcurrent,phase,frequency,three-phasevoltageunbalanceandharmonic,andcanalsoprovidethedetailedpowerqualitymonitoringanalysisandresults.

Firstly,theshortcomingoftraditionalpowerparametersmonitoringanalysessystemandthenecessityofmonitoringtopowerparametersareoutlinedinthispaper,besidesthepaperanalyzethefeasibilityforusingthevirtualinstrumenttodevelopthepowerqualitymonitoringsystem.Subsequentlymypapermainlystudythealgorithmofmonitoringvoltagedeviation,frequencydeviation,harmonicsandthree-phasevoltageunbalance,anddisposedispersedlythealgorithmofthematthetime.Then,integrateddesignisascertained,besidesthispaperputemphasesonthedevelopmentofthefunctionalmoduleofpowerparametersmonitoringanalyzesystemusingLabVIEW.

Finally,theconcludingremarkssummariesthedeficienciesandtheimprovementofthesystem,andoutlookthefurtherresearchtoo.

Keywords:

Powerquality;Powerparametersmonitoringandanalyzesystem;VirtualInstrument;LabVIEW

第一章绪论

1.1引言

现代社会中，电能是一种最为广泛使用的能源，其应用程度通常作为一个国家发展水平的主要标志之一。

随着科学技术和国民经济的发展，对电能质量的要求越来越高，电能质量的好坏直接关系到国民经济的总体效益。

因此，建立和实施电能质量的监测与分析是提高电能质量的一个重要技术手段。

传统的电能参数监测系统以硬件为核心，功能单一，已经逐渐无法满足日益复杂的、实时性、多参数测试要求。

近年来，计算机技术、通信技术以及测试测量技术的不断发展推动了虚拟仪器（VirtualInstrument，简称VI）技术的不断发展。

虚拟仪器具有丰富的软件功能、简单的硬件结构、智能化程度高等特点，以虚拟仪器技术为平台建立的电能参数监测系统能够克服传统的测试测量系统功能单一、升级复杂等缺点，并且可以使功能更强、精度更高、速度更快、自动化程度更高、灵活性更强。

目前在开发虚拟仪器的应用程序中，美国NI公司的LabVIEW是应用最为广泛的。

1.2本课题提出的背景和研究意义

对供电质量及可靠性的要求日益提高是和国民经济发展与科学技术进步相联系的。

在电力发展的初期，电力供应比较紧张，人们把关注的焦点放在电力供应的量上，对电能质量的关注程度不多。

从20世纪80年代末以来，随着电力供应的紧张局面逐步缓解以及电力电子技术的蓬勃发展给电力系统自动化带来了很大的变革。

但是，电力电子技术的发展同时也给电力系统带来许多不稳定因素，致使电能质量（PowerQuality）日益恶化，电力系统的污染日趋严重，由此引起了电力部门、工业生产、人们生活多方面的关注。

由于在供电系统中应用了大量的变频器、整流设备、电弧炉等非线性负载，使得电网中的谐波污染情况日趋严重，谐波含量不断增加；由于个别超高压输电线路不循环换位和电力机车等大容量非对称负载的接入，局部电网的不对称度非常严重；由于大容量轧钢机等冲击性负载的接入，部分电网的暂态干扰较大，电压闪变的现象时常发生；此外，由于电网中的自动调压、无功自动补偿装置正确动作率不高等原因，造成用户端电压严重的不稳定，用电高峰时电压过低，而在用电低谷时电压偏高，电网的频率有时也会受到电网负载过重的影响。

以上这些现象都属于电能质量方面的问题，它们对电网的安全、稳定运行极为不利，严重地威胁电力系统的正常运行，甚至还会对电能质量要求较高的电力用户造成严重的经济损失。

为保护电力系统安全和用户的用电安全，更为了减少损耗，提高用电效率，改善电气环境，就必须解决电能质量的问题。

通常通过以下两条措施对电能质量的问题进行治理[5]:

一方面利用现有的技术条件，采用各种可行的技术措施抑制电能质量的恶化或进行负荷调整、电网改造来保证电能质量的正常;另一方面，我们通常在电力系统的特殊点处装设电能质量参数监测系统来监测电能质量的各种参数。

只有对电能质量的各种参数进行实时地监测，对监测的结果进行统计分析处理，才能够正确评估电能质量的好坏，及时地找出引起电能质量恶化的原因，从而提出电能质量问题整改的方案，为有关部门采取有效措施隔离或降低电能质量恶化的危害提供决策支持。

因此，利用先进的技术手段，采用精确合理的计算算法，研制功能齐全、性能优良、安装简单、使用方便的电能质量监测系统是很有必要的。

目前电力运行设备品种繁多，相应的电能参数监测设备种类齐全，然而常规的监测系统在下列几个方面比较欠缺[6,7]:

1）功能单一性问题。

常规的电能参数监测系统由于受到硬件条件的限制，每一个系统只能实现一个或者少数几个电能质量参数的检测。

2）生产调试率低下问题。

常规的电力参数监测设备在生产调试过程中，由于不同功能的设备在硬件、材料等方面差别很大，因此调试的工作量大，对调试人员的要求较高，需要掌握不同的硬件原理、不同的器件特性等，因此调试率低下。

3）开发周期和开发费用问题。

常规的单功能参数监测设备在开发的过程中，要经过一个硬件设计、调试的过程，不同仪器间的资源不能互相利用，造成研发成本高，开发周期长。

鉴于以上原因，本课题在研究新型的电能参数监测装置时采用了先进的虚拟仪器技术思想，通过软件将计算机硬件资源和仪器硬件有机地结合起来，从而把计算机强大的计算处理能力和仪器硬件的测量、控制能力结合在一起，使得开发的基于虚拟仪器技术的电能参数监测系统具有功能灵活、操作方便等优点，这对于克服目前电能质量参数监测系统的局限性、采取措施提高供电质量都具有重要的意义。

1.3电能质量参数分析方法

1.3.1国内外衡量电能质量的指标

国际上，IEEE第22届标准协调委员会和其它国际委员会最新采用11种指标来衡量电能质量，大致可以分为两大类:

电压幅值（断电、电压下跌、电压上冲、瞬时脉冲、电压波动与闪变、电压切痕、过电压、欠电压）和电压波形（谐波、间谐波、频率偏差）[8]。

在我国，结合本国的实际情况，自1990年以来，我国相继发布了五项电能质量国家标准，分别为:

GB12325-1990《电能质量供电电压允许偏差》、GB/T14549-1993《电能质量公用电网谐波》、GB/T15543-1995《电能质量三相电压允许不平衡度》、GB/T15945-1995《电能质量电力系统频率允许偏差》、GB12326-2000《电能质量电压波动和闪变））[14,16]。

1.3.2电能质量参数的分析方法

对电能质量问题的分析是关系到电能质量问题解决的一个重要环节。

近年来，基于数字技术的的各种分析方法己经在以下的电能质量领域中得到广泛地应用：

分析谐波在网络中的传播、分析各种扰动源引起的波形畸变、开发各种电能质量控制装置等。

按照所采用的不同分析方法，电能质量参数分析有时域、频域、变换域三种〔1,15〕。

（1）时域仿真方法

对于电能质量中的暂态事件由于其持续的时间短、发生的时间不确定，对频谱分析提出了较高的要求，通常采用时域仿真方法。

在三种分析方法中，时域仿真分析方法在电能质量分析中的应用最为广泛。

目前较通用的时域仿真程序主要有EMTP,EMTDC,NETOMAC等系统暂态仿真程序和SPICE,PSPICE,SABER等电力电子仿真程序两大类。

由于电力系统主要由R,L,C等元件组成，这些程序在求解用微分方程描述的电力元件方程时，通常采用简单易行的变阶、变步长、隐式梯形积分法。

利用隐式可保证求解过程中的数值稳定，采用变阶、变步长技术可缩短迭代计算的时间。

采用时域仿真计算的缺点是仿真步长的选取决定了可模仿的最大频率范围，因此必须事先知道暂态过程的频率覆盖范围。

此外，在模仿开关的开合过程时，还会引起数值振荡。

因此，要采用相应技术抑制发生数值振荡。

（2）频域仿真分析

频域分析方法主要用于电能质量中谐波问题的分析，包括频率扫描、谐波潮流计算等。

（3）基于变换的方法

基于变换的方法常用在实时、在线的电能质量分析方法中。

由于分析数据必须以足够高的采用速率进行采样并存储，而且长期在线进行，所以存储的数据非常的大。

为了合理的利用好这些数据，可采用基于变换的方法进行扰动信号的分析。

基于变换的方法主要指Fourier变换方法、短时Fourier变换方法以及近年来出现的小波变换方法

Fourier变换方法是经典的频谱分析和信号处理方法。

它具有正交、完备等许多优点，但其对含有短时间高频分量和长时间低频分量的电能质量信号分析具有一定的局限性。

目前经过改进的快速傅里叶变换（（FFT）和短时傅里叶变换（STET）己经成为电能质量分析的基础。

小波变换的分析方法是近年来兴起的一种算法。

由于具有时——频局部化的特点，克服了以上FFT和STET的缺点，特别适合于突变信号和不平稳信号的分析。

小波变换作为一种新的数字技术被引入工程界后，已在图象处理、数据压缩和信号分析等领域得到广泛应用。

由于小波函数本身衰减很快，也属一种暂态波形，将其用于电能质量分析领域，尤其是暂态过程分析领域将具有FFT,STFT所无法比拟的优点。

此外，国内外对于电能质量问题也越来越多地采用了模糊数学、神经网络、人工智能等方法以及各种方法的结合，极大地丰富了处理电能质量问题的算法[8]。

1.4论文的研究思路和主要内容

本论文研究的重点在于利用LabVIEW平台开发基于虚拟仪器的电能质量参数分析系统，将电压偏差、频率偏差、电压波动和闪变、电网谐波、三相电压不平衡度作为主要的研究对象，同时对电能质量参数的测试算法进行了研究，通过对电网信号的采集、计算和分析，实现对上述五种稳态电能质量参数的监测和分析。

论文的主要内容有:

（1）简要介绍课题研究的背景和研究意义，详细论述了电能质量分析系统存在的实际问题以及对虚拟仪器技术优势的分析，提出了研究基于虚拟仪器的电能质量参数监测系统的必要性和可行性。

（2）详细阐述了电能质量指标的定义并对电能质量参数的数学模型进行了深入的研究。

（3）通过对基于虚拟仪器监测系统的简要分析，提出了本课题所要研究的系统的总体结构，并简要的介绍了课题研究的系统硬件的构成方案。

由于本课题所研究重点是基于虚拟仪器的电能质量参数分析系统软件功能部分，因此本论文的重点主要是对系统所要实现的各个功能模块的数学模型离散化设计进行了研究。

（4）简要的介绍了虚拟仪器技术的概念及软件开发平台LabVIEW，利用LabVIEW以及前面所研究的各个功能模块的数学模型的离散化设计，对系统的软件部分进行了设计，将系统按所要实现的监测参数主要分为五大功能模块:

伏安测量模块（电压与电流有效值、频率测量、三相不平衡度）、相位测量、功率测量模块、谐波测量模块、波动和闪变测量模块，并且详细的给出了功能模块的软件设计。

（5）利用仿真的方法对系统的各个功能模块进行了试验，并给出了试验结果。

第二章电能质量指标综述

电能质量指标是电能质量各个方面的具体描述，不同的指标有不同的定义和规定。

从总体上讲，电能质量指标越接近标称值表明电能质量越好。

然而，电能从生产到消耗是一个整体，电力系统的发、输、配、变、用始终处于动态平衡之中，其中任何一环节都会对电能质量产生影响。

而电能质量指标的控制又需要相当的投入（电网结构的改进、有功功率和无功功率的平衡、各种调频、调压、滤波和无功补偿装置的使用以及调度和运行技术的管理等）。

因此，电能质量指标的偏差时刻存在，而偏差是否能够满足规定的限值是我们进行电能质量指标监测分析的依据。

〔8,14〕

在本章中，简述了电能质量指标的定义，对电能质量五项指标的数学模型进行了一定的研究，为后续章节的数学模型的离散化设计奠定了基础。

2.1供电电压允许偏差

2.1.1概念

用电设备的运行指标和额定寿命是对其额定电压而言的。

当其电压输入端子出现电压偏差时，其运行参数和寿命将会受到影响，影响程度视偏差的大小、持续的时间和设备状况而异。

测试电压的允许偏差比较简单。

电压允许偏差是指电力系统的电压缓慢变化时，实际电压与系统标称电压之差。

使用符合标准的电压表测出系统的实际电压，然后用下式求出电压偏差：

（2-1）

式中实际电压为实际测量电压，额定电压为系统标称电压220V、380V、6kV等。

2.1.2电压偏差产生的原因和对电力系统的危害

电力系统中的负荷以及发电机组的出力随时发生变化，网络结构随着运行方式的改变而改变，系统故障等因素都将引起电力系统功率的不平衡。

系统无功功率不平衡是引起系统电压偏差的根本原因。

[9]

电压偏差对电力系统的危害主要表现在以下几个方面:

（1）对用电设备的危害

用电设备设计在额定电压时性能最好、效率最高，电压偏离额定值时，其性能和效率都会降低，有的还会减少使用寿命。

电压偏差超过一定值时，会引起设备的损坏。

（2）对电网稳定运行的危害

交流输电有个同步运行稳定问题，输电线的输送功率受稳定极限的限制，特别是小扰动下的静态稳定功率极限与电网运行电压有很大的关系，电压越低，功率极限越低，越容易发生不稳定现象。

（3）对电网经济运行的影响

输电线路和变压器在输送相同功率的条件下，其电流的大小和运行的电压成反比。

电网在低电压状况下运行，会使线路和变压器的电流增大，线路和变压器绕组的有功功率与电流平方成正比。

低电压运行会使电网有功功率损耗和无功功率损耗大大增加，增大了供电成本。

2.1.3电压偏差标准（GB12325-1990）

允许限制:

1）35kV及以上为正负偏差绝对值之和不超过10%；

2）10kV及以下三相供电为±7%。

3）220V单相供电为+7%，-10%。

2.2电力系统的频率偏差

电力系统在正常工况下应在标称频率下运行，系统中的用电设备在设计时都是优先按照标称频率设计。

但是，由于电力系统负荷不断变动，电源出力及其调节系统追随负荷变化又有一定的惯性，致使系统频率总是一直处于变动的动态之中，不可避免地偏离标称值，即产生频率偏差。

因此，必须划出频率允许的偏差范围确保系统运行的可靠性和经济性。

〔13〕

电力系统频率是指单位时间内电信号周期性运动的次数，所谓频率偏差是指系统频率的实际值和标称值（工频）之差，〔16〕其表达式为：

（2-2）

式中

指实际供电频率，Hz

供电网额定频率，Hz

国标中对系统频率的规定如下:

1）电力系统正常频率偏差范围为-0.2Hz～+0.2HZ。

当系统容量较小时，偏差值可以放宽到-0.5Hz～+0.5Hz。

2）用户冲击负荷引起的系统频率变动一般不得超过0.2Hz，根据冲击负荷的性质和大小以及系统的条件也可以适当变动限值，但应保证近区电力网、发电机组和用户的安全、稳定运行以及正常供电。

2.3三相电压不平衡度

在理想的三相交流电力系统中，三相电压应有同样的数值，且按A,B,C顺序互成2

/3角，这样的系统叫做三相平衡系统。

然而由于存在各种不平衡因素，实际上电力系统并不是完全平衡的。

不平衡的因素可以归结为事故性和正常性两大类。

事故性的不平衡是由于三相系统中某一相或两相出现故障所致，这种不平衡工况是系统运行不允许的，一般由继电保护、自动装置动作切除故障元件后在短期内使系统恢复正常运行。

正常性的不平衡则是由于系统三相元件或负荷不对称所致，作为电能质量指标之一的“三相电压允许不平衡度”是针对正常不平衡工况制定的.

当三相电源电压畸变不对称时，对于三相四线制电路，电压中除含有谐波分量外，还含有正序、负序、零序分量。

对于三相三线制电路，只含有正、负序分量。

三相电压的不平衡度通常以负序分量的均方根值与正序分量的均方根值的比值来表示:

〔10〕

（2-3）

式中

为三相电压正序分量的均方根值

为三相电压负序分量的均方根值

如果将式中的电压符号换为电流符号，就可以求出电流的三相不平衡度。

2.3.1含有零序分量的的三相系统

对于含有零序分量的三相系统中，应用对称分量法，分别先利用（2-4）式求出正序分量和负序分量，然后利用（2-3）式求出不平衡度。

（2-4）

式中

是正序分量

是负序分量

是零序分量

为a相基波电压Ub为b相基波电压Uc为c相基波电压

是旋转因子

2.3.2没有零序分量的三相系统

当三相电量中不含零序分量时（例如三相线电压、无中线的三相线电流），当已知三相电压时，可以用下式求三相电压不平衡度:

（2-5）

其中

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。

2.3.3三相电压不平衡度的限值

我国国家标准GB