基于labview的电能质量监测系统软件设计_大学毕业设计(编辑修改稿)

基于labview的电能质量监测系统软件设计_大学毕业设计(编辑修改稿)内容摘要：

，如变压器合闸涌流中的谐波分量，由于其幅值强、谐波含量也很大，更容易引起继电保护的误动作，造成供电中断；(9) 对仪表和电能计量的影响。 现代指示均方根值的电压表和电流表相对地不受波形畸变的影响，受谐波影响较大的是计量电能的感应型电能表，其误差与频率特性和非线性度造成的误差有关。 除电表本身误差外，谐波负荷从系统中吸收基波功率而向系统送出谐波功率，这样受谐波影响的用户既从系统吸收基波功率又从谐波源吸收无用的谐波功率，其后果是谐波源负荷用户少付电费而受害的用户反而多付电费。 总之，谐波对各种电力设备、通信设备以及线路都会产生有害的影响，严重时会造成设备损坏和电力系统事故。 国标中的规定及计算方法根据国家标准《电能质量 公用电网谐波》，对公用电网谐波电压限值如表 21所示[10]。 表 21 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6103566110(1) 谐波术语的数学表达式第h次谐波电压含有率，如公式(25)所示：(25)式中，——第h次谐波电压(方均根值)；——基波电压(方均根值)。 谐波电压含量，如公式(26)所示：(26)电压总谐波畸变率，如公式(27)所示：(27)(2) 谐波的测量在对电压进行测量时，为了区别暂态现象和谐波，对负荷变化快的谐波，每次测量结果可为3s内所测值的平均值，推荐采用式(28)计算。 (28) 电压波动和闪变 电压波动和闪变的产生及危害(1) 电压波动和闪变的产生电压波动是由于部分负荷在正常运行时出现冲击性功率变化，造成实际电压在短时间里较大幅度波动，并且连续偏离额定电压，所以也称为快速电压变动[11]。 单位时间内电压变动的次数称为电压变动的频度r(s1)，一般以分或秒为频度的单位。 电压变动频度为调幅波频率的2倍，或表示为。 在电能质量标准中，闪变以灯光闪烁对人眼视感的影响来反映供电电压的波动程度。 闪变是指由于灯光照度不稳定造成的视感。 闪变不仅与电压波动的幅值有关，而且与电压波动的频率和波形、照明灯具的性能及人的视感因素有关。 出现供电电压波动，使实际运行电压偏离理想正弦波形和恒定电压幅值的主要原因是由于各种类型的大功率波动性负荷投运引起的。 波动性负荷的用电特征分为周期性和非周期性的，而周期性和近似周期性的功率波动负荷对闪变影响更为严重。 目前供电系统中功率波动造成干扰的负荷主要有：电弧炉、轧钢机、电气化机车等。 (2) 电压波动和闪变的危害电压波动会引起多种危害，如电压快速变动会使电动机转速不均匀，不仅危及电动机的安全运转，而且还会直接影响一些产品的质量。 闪变是电压波动的直接反映，当电压波动严重到引起照明灯具闪烁时，会使人眼感到疲劳甚至难以忍受而降低工作效率。 但闪变还与人的视感因素有关，所以不能以电压波动代替闪变。 国标中的规定及计算方法根据国家标准《电能质量 电压波动和闪变》，任何一个波动负荷用户在电力系统公共连续点产生的电压变动，其限值和电压变动频度、电压等级有关。 对于电压变动频度较低(例如)或规则的周期性电压波动，可通过测量电压方均根值曲线U(t)确定电压变动频度和电压变动值，电压波动的限值如表22所示[12]。 表22 电压波动限值r/(次/h)d/%LV、MVHV433**21注1：很少的变动频度(每日少于1次)，电压变动限值d还可以放宽。 注2：对于随机性不规则的电压波动，如电弧炉负荷引起的电压波动，表中标有“*”的值为其限值。 注3：参照GB/T 1562007，本标准中系统标称电压UN等级按以下划分：低压(LV) 中压(MV) 高压(HV) 对于220kV以上超高压(EHV)系统的电压波动限值可参照高压(HV)系统执行。 电力系统公共连接点，在系统正常运行的最小方式下，以一周(168h)为测量周期，所有长时间闪变值Plt都应满足一定的条件，如表23所示：表23 闪变限值Plt110kV 1 (1) 电压波动的测量和估算电压波动可通过电压方均根值曲线U(t)来描述，电压变动d和电压变动频度r则是衡量电压波动大小和快慢的指标。 电压变动d的定义表达式如式所示(29)式中，——电压方均根值曲线上相邻两个极值电压之差； UN——系统标称电压。 (2) 闪变的测量和计算闪变是电压波动在一段时期内的积累效果，它通过灯光照度不稳定造成的视感来反应，主要由短时闪变Pst和长时间闪变Plt来衡量。 短时闪变值Pst的计算方法是通过模拟人眼的感觉通过分析计算得出结果，具体过程将在后续章节详细介绍。 长时间闪变值Plt由测量时间段内包含的短时间闪变值Pst计算获得，如式(210)所示：(210) 三相电压允许不平衡度 三相不平衡产生的原因及危害电力系统的三相不平衡是由于三相符合不平衡以及系统元件参数的不对称所致。 三相电源电压畸变不对称时，对于三相四线制电路，可以分解为正序、负序和零序分量；对于三相三线制电路，可分解为正序和负序分量，而没有零序分量。 三相电压的不平衡度通常以负序分量与正序分量的均方根的百分比来表示[13]，如式(211)所示。 (211)式中，——三相电压正序分量的均方根值；——三相电压负序分量的均方根值。 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工作；(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) 导致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) 导致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，；(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。 国标中的规定及计算方法根据国家标准《电能质量 三相电压不平衡》的规定，电力系统公共连接点电压不平衡度限值为，电网正常运行时，负序电压不平衡度不超过2%，短时不得超过4%。 %，%。 同时，该标准还规定了不平衡度的计算方法[14]。 (1) 测量取值对于电力系统的公共连接点，供电电压负序不平衡度测量值的10min方均根值的95%概率大值应不大于2%，所有测量值中的最大值不大于4%。 对日波动不平衡负荷，取1min方均根值。 为了实用方便，实测值的95%概率值可将实测值按由大到小次序排列，舍弃前面5%的大值取剩余实测值中的最大值。 本设计说明书软件设计分析过程既是采用这种方法。 (2) 不平衡度的准确计算式在没有零序分量的三相系统中，当已知三相量a、b、c时，可按式(212)求负序不平衡度。 (212)式中，L——a4+b4+c4a2+b2+c22。 本章小结(1) 本章介绍了电能质量的概念，最后给出了IEEE对电能质量的定义；(2) 根据国家五项电能质量标准，分别介绍了各种电能质量指标的产生原因、带来的主要危害以及国标中的规定和计算方法。 第 3 章 软件开发环境介绍 虚拟仪器的介绍虚拟仪器(Virtual Instruments)的起源可以追溯到20世纪70年代，PC机出现以后，仪器的计算机化成为可能，于是诞生基于计算机的仪器，即虚拟仪器。 仪器硬件以模块化为特点，能够全方位的系统集成，应用软件则以图形化的编程为长处，能够方便高效的创建自定义的用户界面，二者相结合实现传统仪器的测量功能。 使用者用鼠标或键盘操作虚拟面板，就如同使用一台专用测量仪器[15]。 虚拟仪器利用PC机强大的图形环境和在线帮助功能，建立虚拟仪器面板，完成对仪器的控制、数据分析和显示，代替了传统仪器，改变了传统仪器的使用方式，极大的提高了仪器的功能和使用效率，大幅度的降低了仪器的价格，使用户可以根据自己的需要自定义仪器的功能；可以说，虚拟仪器的出现将“仪器”的概念推向了一个新的纪元。 虚拟仪器广泛的应用于电子测量、电力工程、矿物勘探、医疗、振动分析、声学分析、故障诊断及教学科研等诸多领域。 随着社会生产力的极大发展，现代化的生产要求电子仪器品种多、功能强、精度高、自动化程度高，而且要求测试速度快、实时性好、具有良好的人机界面。 虚拟仪器正好可以满足这些要求[16]。 与传统的仪器相比较(见表31)，虚拟仪器具有如下几个优点：(1) 虚拟仪器的关键环节是软件虚拟仪器系统中除PC机外的硬件主要用于数据的采集、输入，至于系统怎样处理数据，具有怎样的面板和数据输出的形式等都是由软件决定的。 虚拟仪器的好坏，很大程度上取决于软件水平的高低。 (2) 开发与维护的费用低，系统组建时间短当需要增加新的测量功能，只需要增加软件模块或通用的硬件模块，缩短了系统的更新时间，而且有利于系统的扩展。 应用软件不像传统仪器的硬件那样存在元器件老化的问题，大大节省了维护的费用，延长设备的使用寿命。 (3) 测量更准确传统仪器测量个体之间差异大，而虚拟仪器的应用软件在不同的PC机上具有相同的运行效果，在软件运行这方面不存在个体的差异。 (4) 测量更方便因为传统仪器功能单一，所以对一个信号完成多个参数的测量需要多台仪器，使测量受到连接方式、电缆长度等因素的影响。 虚拟仪器只需对信号进行一次采样，多个软件模块对同一组数据进行不同的处理就能实现多个参数的同时测量。 (5) 具有强大的数据处理功能计算机运算速度的大大提高和数字信号处理理论的丰富和完善，使虚拟仪器能够快速准确的处理数据。 为了清楚的表明传统仪器与虚拟仪器的区别，我们利用表31来更好地说明。 表31 传统仪器和虚拟仪器的对比虚拟仪器传统仪器界面图形化，计算机直接读取数据并分析处理图形界面小，人工读取数据，信息量小可方便的与网络外设及多种仪器连接与其它仪器设备的连接十分有限关键是软件，系统升级方便，可通过网络下载升级程序关键是硬件，升级成本高，而且要上门进行升级服务价格低廉，仪器间资源可重复利用率高价格昂贵，仪器间一般无法共享资源体积较小，便于携带和野外工作体积较大，不便于运输开发与维护费用较低开发与维护开销高技术更新周期短(1～2年)技术更新周期长(5～10年) LabVIEW软件介绍虚拟仪器的核心技术思想就是“软件即是仪器”，由此突出了软件在虚拟仪器系统中的重要性。 美国NI公司通过长期、系统、有效的研究和发展，逐步确立了LabVIEW在虚拟仪器编程软件中的主力地位[17]。 LabVIEW(Laboratory Virtual Instrument Engineering Workbench)是一种用图标代替文本行创建应用程序的图形化编程语言。 它的出现终于把人们——尤其是传统仪器工程师和科学家们从繁杂的编程工作中解放出来，使他们能够真正专心于自己所关注的事情。 LabVIEW程序又称虚拟仪器，即VI，其外观和操作均模仿现实仪器。 每个VI都使用函数从用户界面或其他渠道获取信息输入，然后将信息显示或传输至其它文件或计算机前面板是VI的用户界面。 前面板由输入控件和显示控件组成，这些控件是VI的输入输出端口。 输入控件是指旋钮、按钮、转盘等输入装置，显示控件是指图表、指示灯等显示装置，模拟仪器的输入装置，为VI的程序框图提供数据。 显示控件模拟仪器的输出装置，用以显示程序框图获取或生成的数据。 程序框图是图形化源代码的集合，图形化源代码又称G代码或程序框图代码。 前面板创建完毕后，便可使用图形化的函数添加源代码来控制前面板上的对象。 前面板上的对象在程序框图中显示为接线端。 接线端用以表示输入控件或显示控件的数据类型。 在程序框图中可将前面板的输入控件或显示控件显示为图标或数据类型接线端。 默认状态下，前面板对象显示为图标接线端。 接线端是在前面板和程序框图之间交换信息的输入输出端口。 节点是程序框图上的对象，具有输入输出端，在VI运行时进行运算。 节点相当于文本编程语言中的语句、运算符、函数和子程序。 程序框图中对象的数据传输通过连线实现。 每根连线都只有一个数据源，但可以与多个读取该数据的VI和函数连接。 不同数据类型的连线有不同的颜色、粗细和样式。 断开的连线显示为黑色的虚线，中间有个红色的x。 出现断线的原因有很多，如试图连接数据类型不兼容的两个对象是就会产生断线。 结构是文本编程语言中的循环和条件语句的图形化表示。 使用程序框图中的结构可对代码块进行重复操作，有条件执行或按特定顺序执行代码。 电能质量检测VINI公司在LabVIEW中提供了一些工程测量中常用的VI，就像面向对象语言中的类一样，我们可以直接使用，简化我们开发的过程。 本节介绍电能质量监测系统涉及到的关于参量分析相关控件的使用功能，使我们对设计中使用的控件有了进一步的了解。 其中，包括一些可用于电能质量测量的VI，如波峰检测VI(Peak )、提取单频信号VI(Extract Single Tone )、谐波失真分析VI(Harmonic Distortion )等。 (1) 波峰检测VI在测量电压值的过程中使用到了波峰检测VI，如图31所示。 图31 波峰检测VI数据集可以单个数组或连续数据块的形式作为该VI的输入。 该VI的算法是用二次多项式依次拟合数据点中的各组数据。 拟合中。