毕业设计(论文)－基于虚拟仪器的稳态电能质量检测

毕业设计(论文)－基于虚拟仪器的稳态电能质量检测内容摘要：

为电 压或电流的幅值、频率、相位等在时间轴上的任一时刻总是在发生着 变化。 测量原理及系统总体设计 9 这类现象包括电压幅值变化、频率变化、电压与电流相位变化、信号干扰等。 这一类型往往对应着稳态电能质量问题，其主要特征是变化 的连续性。 事件型是指突然发生的电能质量扰动现象，其重要的特征表现为电压或电流短时严重偏离其额定值或理想波形。 这一类现象包括电压暂降和电压短时间中断、暂态电能质量检测与分析的研究 、欠电压、瞬态过电压 等。 该类型 往往对应着 暂态电能质量问题，其主要特征是变化的不连续性或短时性。 电能质量参数测量原理 电压偏差 电压偏差是指电力系统在正常运行的条件下，供电电压对额定电压的偏差。 当出现电压偏差时，用电设备的运行参数和寿命都会直接或间接地受到一定的影响。 通常，电压偏差是指电压变化率小于每秒 1%时，实际电压值与系统标称电压值之差 [12]。 %100(%) NNr V VVV () 式中， V 、 rV 、 NV 分别表示电压偏差、实测电压、额定电压，其中，实测电压和额定电压都为有效值 , 电压偏差对电力系统的危害主要表现在以下两个方面： 1. 对用电设备的危害。 所有用户的用电设备都是按照设备的 额定电压进行设计和制造的。 当电压偏离额定电压较大时，用电 设备的运行性能恶化，不仅运行效率降低，很可能会由于过电压 而损坏。 2. 对电网的危害。 输电线路的输送功率受功率稳定极限的限制，而线路的静态稳定功率极限近似与线路的电压平方成正比。 系统运行电压偏低，输电线路的功率极限大幅度降低，可能产生系统频率不稳定现象。 系统运行电压过高又可能使系统中的各种电气设备的绝缘受损，使带铁心的Opinos adugethry39。 mlcAv,fPb20*jZTxMI:EYB()设备饱和，产生谐波，并可能引发铁磁谐振，同样威胁电力系统的安全和稳定运行。 国家标准 GB123252020《供电电压允许偏差》中规定： 电压允许偏差是在正常运行条件下应保持电网各点电压在额定的水平上。 及以上供电和对电压质量有特殊要求的用户为额定电压的正负偏差绝对值之和不超过 10％； 2. 10kV 及以下高压供电和低压三相用户为额定电压的 +7％～ 7％； 低压单相用户为额定电压的 +5％～ 10％。 国标中的规定是在交流 50 Hz 的情况下适用，不适用于瞬态和非正常运行情况。 三相不平衡度 在理想的三相交流电力系统中， A、 B、 C 三相电压幅值相同，并且按顺序互成 2π /3 角度，这样的系统叫做三相平 衡系统。 然而由于种种原因，实际中的电力系统并不是完全平衡的。 电力系统的三相不平衡是由于三相负载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，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。 电力系统正常运行方式下，电量的负序分量均方根值与正序分量均方根值之比定义为该电量的三相不平衡度，用符号ε 表示，即： %10012  UUu （ ） %10012  III （ ） 式中， 1U 、 1I 为三相电压、电流正序分量均方根值； 2U 、 2I 为三相电压、电流负序分量均方根值。 测量原理及系统总体设计 11 三相四线制系统 [13] 对于含有零序分量的三相四线制系统，应用对称分量法，由式 (24)求出正序分量和负序分量，然后利用 (22)式求出系统不平衡 度。 （ ） 式中，  为旋转算子， 23211 20 je j 。  ， 23212402 je j 。  ， 1U 、2U 、 0U 分别为正序、负序和零序分量， aU 、 bU 、 cU 分别为 A 相、 B 相和 C 相 电压。 三相三线制系统 当三相电量中不含零序分量时，国标给出了三相不平衡度的准确算式： %100631 631   LL () 式中，2222444)( cba cbaL  ， a、 b、 c 分别为三相幅值。 系统处于三相不平衡运行时，对电力系统和用户会造成一系列的危害，主要表现有： ，可能导致一些作用于负序电流的保护和自动装置误动作，威胁电网的安全运行。 2. 三相电压不平衡会使换流器的触发角不对称，换流器将产生较大的非特 征谐波。 Opinos adugethry39。 mlcAv,fPb20*jZTxMI:EYB() ，使感应电动机的最大转矩和输出功率下降，还可能引起电动机振动。 4. 变压器的三相负荷不平衡，会使负荷较大的一相绕组过热而缩短其寿命并且会由于磁路的不平衡造成附加损耗。 国家标准 GB/T155431995 《三相电压允许不平衡度》规定了电力系统公共连接点正常电压不平衡度允许值为 2%，同时规定了短时的不平衡度不得超过 4%。 对接入公共连接点的每个用户引起该点正常电压不平衡度允许值一般为 %。 谐波 国际上公认的谐波定义为：“谐波是一个周 期电气量的正弦波分量，其频率为基波频率的整数倍” [14]。 检测电网谐波主要是通过检测电网中各次谐波的含有率和总谐波畸变率。 (1) 谐波含有率 (HR)：第 h 次谐波分量的有效值 (或幅值 )与基波分量的有效值 (或幅值 )之比。 第 h 次谐波电压含有率： 1UUHRU KK 100% () 第 h 次谐波电流含有率： 1IIHRI KK 100% （ ） 式中 KU 、 KI 分别为第 K次谐波电压、电流的有效值； 1U 、 1I 分别为 基波电压、电流的有效值。 (2) 总谐波畸变率 (THD)：谐波总量有效值与基波分量的有效值之比。 谐波电压总量为   2 2i iUU （ ） 测量原理及系统总体设计 13 谐 波电流总量为 ：   22i iII () 电压总谐波畸变率为 ： %1001 UUTH D U () 电流总谐波畸变率为 ： %1001 I ITHD I () 谐波对电力系统和其他系统的危害 [15]主要有： 1. 谐波使公用电网中元件产生附加的谐波损耗，降低发电、输电及用电设备的效率，大量的三次谐波流过中性线时将使线路过热甚至发生火灾。 2. 谐波影响变压器的正常工作。 谐波电压的存在增加了变压器的磁滞损耗、涡流损耗及绝缘的电场强度，谐波电流的存在增加了铜损 ,缩短变压器的使用寿命。 3. 谐波会引起公用电网中局部的并联谐振和串联谐振，一般情况下，并联谐波谐振所产生的谐波过电压和过电流对相关设备的危害性较大。 4. 谐波会导致继电保护和自动装置的误动作。 谐波对电力系 统中以负序量为基础的继电保护和自动装置的影响十分严重，这是由于这些按负序量整定的保护装置，整定值小、灵敏度高。 由于电气测量装置都是按 50Hz 的标准的正弦波设计的，当供电电压或负荷电流中有谐波成分时，会影响感应式电能表的正常工作。 国家标准（ GB/T 145431993）《公用电网谐波》规定电压 以下的，电压总谐波畸率 (THD)不高于 5%；电压在 之间的，电压总谐波畸率 (THD)不高于 4%；电压在 之间的，电压Opinos adugethry39。 mlcAv,fPb20*jZTxMI:EYB()总谐波畸率 (THD)不高于 3%；电压在 之间的，电压总谐波畸率 (THD)不高于 2%。 电压波动 电压波动是 一系列电压变动或工频电压包络线的周期性变化。 它主要是由一些非线性负荷的接入引起的。 电压波动值为相邻电压均方根的两个极值 maxU 、 minU 之差 Δ U，常以其标称电压 NU 的百分数表示其相对百分值，即： %100m inm a x NUUUd () 电压波动除了会造成照明灯光的闪烁之外，还会造成电动机转速不均匀，影响产品质量甚至损坏电动机，还会使电子计算机、监测和控制设备等工作不正常。 国家标准中对各级电压在一定频度范围内的电压波动限值作了规定 ,如表 所示。 变动频率 r( 1h ) 波动限值 d(%) 变动频率 r( 1h ) 波动限值 d(%) LV、 MV HV LV、 MV HV r 1 4 3 10 r≤ 100 2 r 10 3 100 r≤ 1000 2 表 各级电网电压波动限值 频率偏差 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，致使系统频率不可避免地偏离标称值，电力系统在正常运行条件下，系统频率的实际值与标称值之差称为频率偏差 [16]。 Nre fff  () 式中， f 、 ref 、 Nf 分别表示频率偏差、实测频率、额定频率。 频率偏差过大的主要危害有： 测量原理及系统总体设计 15。 工业企业所使用的用 电设备大多数是异步电动机，其转速与系统频率有关，系统频率变化将引起电动机转速改变，从而影响产品质量。 电动机的输出功率与系统频率有关，系统频率下降使电动机的输出功率降低，从而影响所传机械的出力，导致劳动生产率降低。 3. 使电子设备不能正常工作，甚至停止运行。 现代工业大量采用电子设备，这些设备对系统频率非常敏感，系统频率的不稳定会影响这些电子设备的工作特性，降低其准确度，造成误差。 ，严重时可能引发系统频率崩溃或电压崩溃。 系统频率降低，电动机输 出功率将以与频率成三次方的比例减少，则它们所供应的水量和风量就会迅速减少，从而影响锅炉和发电机的正常运行。 5. 处于低频率电力系统中的异步电动机和变压器其主磁通会增加，励磁电流随之加大，系统所在无功功率大为增加，导致系统电压水平降低，给系统电压调整带来困难。 6. 无功补偿电容器的补偿容量与频率成正比，当频率下降时，电容器的无功处理成比例 降 低，不利于系统电压的调整。 国家标准 GB/T159451995 《电力系统频率允许偏差》规定以 50Hz正弦波作为我国电力系统的标准频率，并规定电力系统 正常的频率偏差允许标准为177。 当系统容量较小时，可放宽到177。 用户冲击负荷引起的系统频率变动一般不超过177。 ，根据冲击负载性质和大小以及系统的条件可适当变动限制。 系统总体结构 基于虚拟仪器的电能质量参数检测系统与传统的检测系统相比，数据采集模块还是由传统的采集硬件来完成，不同的是数据分析处理模块完全Opinos adugethry39。 mlcAv,fPb20*jZTxMI:EYB()由计算机软件实现，这部分功能不受硬件限制，可以根据用户的需求随时增减、修改模块，这一优势是传统仪器所无法比拟的。 对于本论文所研究基于虚拟仪器的电能质量参数检测系统由 基本硬件电路和软件组成。 基本硬件电路包括电压电流传感器、信号调理电路、数据采集及计算机；软件编程以美国国家仪器公司的 Labview 为开发平台。 其中，软件部分是核心，只要硬件部分将检测点的电压和电流信号以最小失真度转换成数字信号，数据分析和处理、参数及波形的显示等完全由软件来完成，系统总体结构图如图 所示。 图 系统总体结构 系统硬件实现 17 本课题主要研究软件部分，硬件部分设计只做简要介绍。 基于虚拟仪器的设计思想，该系统所涉及到的硬件相对较少， 该系统的硬件结构主要包括三部分：信号调理 装置、数据采集卡和计算机。 本课题研究的是基于虚拟仪器的测试系统，因此系统硬件设备主要是由计算机和数据采集卡组成，但是多数被测信号由于能量、噪。