基于毕业论文虚拟仪器技术的风力发电并网电能质量监测系统

基于毕业论文虚拟仪器技术的风力发电并网电能质量监测系统内容摘要：

变动，电源出力及其调节系统追随负上海海事大学本科生毕业设计 (论文 ) 8 荷 变化 又有一定的惯性，只是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。 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 指电力系统频率的实际值和标称值（工频）之差，其表达式为： △ f=f (211) 式中 f—— 实际 供电频率， Hz —— 供电网额定频率， Hz 《电能质量 电力系统频率允许偏差》（ GB/T 159451995）规定： (1)电力系统正常频率偏差允许值为 ，当系统容量较小是偏差值可以放宽到； (2)用户冲击负荷引起的系统频率变动一般不得超过 ，根据负荷的性质和大小以及系统的条件也可适当变动限制，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； (3)用于频率偏差指标评定的测量须用具有统计功能的数字是自动记录仪表其绝对误差不大于 ； 三相电压允许不平衡度 在理想的三相交流电力系统中，三相 相量大小相等、频率相同且按互差 2 /3 时，称三相平衡系统，否则称三相 不平衡系统。 实际上电力系统并不是完全平衡的，引起这种不平衡的因素有 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的，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。 在研究不对称的三相电力系统时广泛使用对称分量法，通常以电压或电流负序分量上海海事大学本科生毕业设计 (论文 ) 9 与正序分量均方根值的百分比来表示三相不平衡度。 以三相电压为例 ，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。 对于三相三线之电路，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 均方根值的比值来表示： = 100% （ 212） 式中 —— 为三相电压正序分量的 均方根值，将不平衡的三相 系统的电量按对称分量法分解后其正序对称系统中的分量。 —— 为三相电压负序分量的均方根值，将不平衡的三相系统的电量按对称分量法分解后其负序对称系统中的分量。 如果将式中的电压符号换成电流符号，就可以求出电流的三相不平衡度。 《电能质量 三相电压允许不平衡度》（ GB/T 155431995）标准规定： (1)电力系统公共连接点正常电压不平衡度允许 值一般为 2%，短时不得超过 4%； (2)接于公共借点的每个用户引起该点正常电压不平衡度允许值一般为 %，根据连接点的负荷状况临近发电机继电保护和自动装置安全运行要求可作适当变动但必须满足第 1 条的规定。 电网谐波分析 近年来，随着电力电子技术的广泛应用，半导体器件等其他非线性负荷在电力电子系统中的使用越来越多，这就不可避免地使相关的电流和电压波形产生较大程度的畸变，通常称为谐波污染。 谐波污染将影响电能的质量，对电力系统的安全、经济运行造成极大的影响。 电力系统的谐波对各种电器设备 ，如继电保护、自动装 置、计算机、测量和计量仪器以及通信系统均有不利的影响。 所以对电网中谐波含量进行准确的测量，确切掌握电网中谐波的实际状况，对于防止谐波危害、维护电网的安全运行时十分必要的。 上海海事大学本科生毕业设计 (论文 ) 10 谐波的含义 国际上公认的谐波含义为：谐波是一个周期性电器量的正弦波分量，其频率为基波频率的整数倍。 由于谐波的频率是基波频率的整数倍数，常常称为高次谐波。 在国际电工 标 准中（ IEC 5552， 1982）、国际大电网会议（ CIGRE）的文献中对谐波也有了明确的定义：谐波分量为周期量的傅里叶级数中大于 1 的 n 次分量； IEEE 标准中的定 义为：谐波为一周期波或量的正弦波分量，其频率为基波频率的整数倍。 谐波产生的原因和影响 谐波产生的根本原因是非线性负载如高压输电系统、变频器、可控整流器、电弧炉、电动机车等的应用，造成电网中的谐波污染、三相电压的不对称以及电压波动和闪变日趋严重。 同时，由于上述负荷的存在 ，使得电力系统中的供电电压即便是正弦波形，其电流波形也将偏离正弦波形而发生畸变。 谐波对电网的危害，当系统含有高次谐波时，用于无 功补偿的并联电容器组投入运行时，会产生放大原有谐波的现象，当系统的谐波感抗与电容器的谐波容抗相等时，就会 发生谐振；此时，系统的线损与高次谐波的含有率的平方成正比，谐波对网络线损有很大的危害。 谐波对用户低压电器的损害：谐波电流的流入导致整个设备过热，升高了设备的温度 ，将提了绝缘寿命。 如对电动机会引起附加损耗，其次还会产生机械振动、噪声和谐波过电压。 《电能质量 公用电网谐波》（ GB/T 145491993）规定： （ 1） 谐波测量点为公共接入点，即用户接入公共电网的连接处； （ 2） 电网谐波的相关指标，谐波含有量、总谐波畸变率等的计算方法和测量方法； （ 3） 不同等级的电网电压水平下所允许的各次谐波 含有率、总谐波畸变率等相关指标。 上海海事大学本科生毕业设计 (论文 ) 11 电压波动和闪变 电力系统的电压波动和闪变主要是 由冲击性 (快速变动 )功率的负荷引起的 ,例如炼钢电弧炉、轧钢机、电弧焊机等，这类负荷的特点是在生产过程中有功功率和无功功率随机地或周期性大幅变动。 随着工业的发展，这类负荷的功率越来越大，是电网电压很容易产生波动和闪变，严重影响了电网的电能质量。 因此，对电压波动和闪变的研究就显得越来越重要。 电压波动是指 一系列 电压 波动或工频电压 包络线的 周期 变化。 电压波动值为电压均方根值 两个极值 与 的差值，通常用额定 电压 的百分数表示其相对百分值 d，即 d= 100%= 100% (213) 电压波动通常会引起许多电工设备不能正常工作，如 电视画面质量、电子仪器工作失常、 白炽灯闪烁等等。 因为一般的用电设备对电压的敏感程度远低于白炽灯，所以，选择人们对白炽灯照度的主观观感，即“闪变”，最为电压波动危害程度的评价指标。 闪变通常是指光的忽明忽暗的闪烁。 而电力系统中的电压闪变则是指由 于电网电压波动引起人对所用照明设备忽明忽暗的一种感觉 ， 通常是以白炽灯的工况作为判断依据，将电压闪变可 以分为周期性和非周期性两种，前者主要是由于周期电压波动引起的，后者会与随机性电压波动有关。 本论文中对闪变主要是进行短时闪变值 的测量， 本设计中采用了中国电力科学研究院的林海雪老师所提出的全新的闪变测量方法，瞬时闪变值 S(t)的计算过程如下 : (l)对频率追踪的电压信号采样值 u(n)计算其半个周期或一个周期的均方根值，得到一段时间 均方根值数列 U(N)。 (2)对数列 U(N)进行傅里叶分 解，求出其离散的频谱数列 (k)，各频率幅值的 2 倍对应着该频率正弦电压均方根值曲线波动的峰峰值，即电压波动 值，该值除以在该频率上产生 一个单位瞬时闪变值所需的电压波动值后平方，获得该频率下的瞬时闪变值。 =FFT(U(N)) (214) 上海海事大学本科生毕业设计 (论文 ) 12 S(t)= (215) 式中 频谱上个频率对应的单位瞬时闪变值的电压波动值。 在获得瞬时闪变值 S(t)的基础山上计算短时闪变值。 对瞬时闪变值 S(t)进行十分钟的统计，生成累计概率函数（ CPF） ,然后利用 5个固定值计算短时时间闪变值 ： = (216) 式中 5个固定值 、 、 、 、 分别代表 CPF 曲线上纵坐标为 %、 1%、 3%、10%、 50%所对应的横坐标值。 上海海事大学本科生毕业设计 (论文 ) 13 第三章 虚拟仪器技术 概述 虚拟仪器的概念 所谓虚拟仪器（ Virtual Instrument, VI），是指以通用计算机为系统控制器，由软件来实现人机交互和大部分仪器功能的一种计算机仪器系统。 用户操作这台通用计算机就像操作一台为自己专门设计的传统电子仪器一样。 虚拟仪器的出现，使得测量仪器与计算机之间的界限逐渐模糊。 虚拟仪器通过 I/O 接口设备完成信号的调理、采集与测量，利用 个人计算机强大的软件功能实现信号数据的运算、分析、处理，由个人计算机显示 器模拟传统仪器的控制面板，以多种形式输出检测结果，从而完成各种测量任务。 “虚拟”二字主要包含一下两个方面的含义： （ 1） 虚拟仪器的面板是虚拟的。 虚拟仪器面板上的各种“控件”与传统仪器面板上的“器件”所完成的功能是相同的。 （ 2） 虚拟仪器的测量功能是由软件编写来实现的。 虚拟仪器的构成 从构成要素上讲，虚拟仪器由硬件系统和软件系统两大部分组成，如图 31 所示。 虚拟仪器的硬件系统通常包括通用计算机和外围设备。 其中，通用计算机可以是 笔记本电脑，台式机或工作站等。 外围硬件设备可以分为 GPIB、 VXI、 PXI、 DAQ 四种标准体系结构。 虚拟仪器的软件系统从底层到顶层共包括三部分，即 VISA(I/O)库、仪器驱动程序与应用软件。 上海海事大学本科生毕业设计 (论文 ) 14 图 31 虚拟仪器的系统构成 虚拟仪器与传统仪器比较 虚拟仪器与传统仪器相比有如下特点： （ 1）“软件就是仪器”，用户可以自定义测量功能。 （ 2）强大的数据处理功能。 虚拟仪器将信号分析、显示、存储和其它 管理交由计算机来集中处理，充分利用了计算机强大的数据处理、传输和发 布功能。 （ 3）灵活性和扩展性强，性价比高，便于组成复杂的测试系统。 （ 4）良好的人机界面。 虚拟仪器的操控界面是一种虚拟面板，它可以模拟传统仪器面板的风格设计，也可也根据用户的实际需求自行设计。 测量结果也可以通过计算机显示器以曲线、图形数据或表格等形式方便灵活地显示出来。 （ 5）与其他设备的互联能力强。 虚拟仪器通常具有标准化的总线或通信接口，具有与其他设备互联的能力。 随着网络技术的发展，已经形成了网络虚拟仪器。 这是一种新型的基于 Web 技术的虚拟仪器，它使得虚拟仪器测试系统成为 Inter/Intra 的一部分，可实现远程测试、监控和故障诊断等功能，以充分利用有效资源，提高测试效率。 上海海事大学本科生毕业设计 (论文 ) 15 第四章 系统硬件设计 系统总体设计结构 本论文研究了基于虚拟仪器技术的 风力发电并网 电能质量监测系统，所谓的虚拟仪器，就是在以通用计算机为核心的硬件平台上，由用户设计定义，具有虚拟面板，测试功能由测试软件实现的一种计算机仪器系统，它不但具有传统仪器、仪表的全部功能，同时还可以充分地利用计算机强大的信息处理能力、存储容量和网络功能，实现电能质量参数监测中的数据读取、存储、分析以及与数 据库连接等，此外虚拟仪器具有功能丰富的面板，使得测量结果更加直观清晰。 基于虚拟仪器技术电能参数监测系统由两大部分组成 :硬件部分和软件部分。 将硬件部分和软件部分综合起来， 软件部分是核心，只要硬件部分将监测点的电压和电流信号经信号调理电路和数据采集卡以最小失真度转换成数字信号，其余的任务如数据处理和统计分析、数据显示等完。