基于labview的电能质量监测系统软件设计

1、基于labview的电能质量监测系统软件设计 石家庄铁道大学毕业设计 基于LabVIEW的电能质量监测系统软件 设计 Software Design of Power Quality Monitoring System Based on LabVIEW 2013届 电气与电子工程 专 业 电气工程及其自动化 学 号 学生姓名 指导教师 完成日期 2013年6月10日 学院 摘 要 随着新型电力负荷迅速发展对电能质量提出了更高的要求，以及电力网逐步实行商业化运营，电力用户的需求成为供电企业优先考虑的问题，电网电能质量问题引起了供电企业和用户的高度重视。研究电能质量的监测方法，找出引起电能质量降低

2、的原因具有重要的理论和工程价值。 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技术的不断发展。NI公司的LabVIEW软件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，是当今最完善、影响力最大的一种图形化编程语言,在测量领域中处于领先地位。 本设计说明书给出并设计了基于LabVIEW平台的电能质量监测系统。本设计说明书首先阐述了电力系统中常用的电能质量监测技术的现状，以及本设计研究的主要内容及意义。然后，对国家电能质量的标准进行了介绍，总结各项电能指标的计算方法，作为系统设计的依据。并针对LabVIEW软件中的一些概念和使用到的VI进行了介绍。随之，根据国家电

3、能质量标准，设计电能质量的监测系统，使用LabVIEW2012实现电压谐波分析、电压偏差、频率的偏差的分析计算和显示，并把监测结果上传至数据库。最后，就该系统在实际运行中存在的不足做出总结，对系统的改进提出建议，指出论文的进一步研究工作展望与设想。 关键词：LabVIEW 电能质量 电能质量监测系统 Abstract With new power load which puts forward higher requirements rapidly developingand power network gradually carrying out commercial operation,

4、power consumers demand becomesthe prior consideration of the power supply enterprise. Power quality is an essential concern by electrical utilities and customers.Research on the power quality monitoring and analysis method is of great value in both theory and practice. In recent years, the developme

5、nt of computing technology, communication technology and measuring technique leads to virtual instrument technical progress. The LabVIEW of National Instruments company, which is an advanced technology in the measurement field, possesses perfect software function, simple hardware configuration as we

6、ll as high intelligence and it is a graphical programming language of the most complete, the greatest influence. This dissertation proposes a design of the power quality monitoring system based on LabVIEW technique. To begin with, the paper indicates the existent problems for the technology of power

7、 quality monitoring, including its actuality and development tendency, as well as the research content and significance. Secondly, the paper describes the national power quality standards, and summing up the calculation method which is about the power qualitys parameter. And then, the paper is focus

8、 on the V1 which was used and the concepts of the LabVIEW software.According to the national power quality standards, the power quality monitoring system has been designed by the LabVIEW2012 software. The system could analyze and display the parameter of the harmonic analysis, the deviation of suppl

9、y voltage and the deviation of frequency, and pass the data to the access.In the end, the concluding part discusses the prospects of the system and summarizes the deficiencies in the actually operating. The possible improvement of the system is also discussed. Key words:LabVIEW power quality power p

10、arameters monitoring system 目录 第 1 章绪论 . 1 1.1 引言 . 1 1.2 课题研究背景及意义 . 1 1.3 国内外研究现状 . 2 1.4 本设计主要工作 . 2 第 2 章电能质量指标及测量方法 . 4 2.1 概述 . 4 2.2 供电电压允许偏差 . 4 2.2.1 电压偏差的产生原因及危害 . 4 2.2.2 国标中的规定及计算方法 . 5 2.3 电力系统频率偏差 . 6 2.3.1 频率偏差的危害 . 6 2.3.2 国标中的规定及计算方法 . 6 2.4 公用电网谐波 . 7 2.4.1电网谐波的危害 . 7 2.4.2 国标中的规定及

11、计算方法 . 8 2.5 电压波动和闪变 . 9 2.5.1 电压波动和闪变的产生及危害 . 9 2.5.2 国标中的规定及计算方法 . 9 2.6 三相电压允许不平衡度 . 11 2.6.1 三相不平衡产生的原因及危害 . 11 2.6.2 国标中的规定及计算方法 . 12 2.7 本章小结 . 12 第 3 章软件开发环境介绍 . 13 3.1 虚拟仪器的介绍 . 13 3.2 LabVIEW软件介绍 . 14 3.3 电能质量检测VI . 15 3.4 数据通信VI . 17 3.5 本章小结 . 18 第 4 章系统软件设计 . 19 4.1 电能质量监测系统总体结构 . 19 4.2

12、 数据传输模块的设计 . 20 4.3 数据分析模块的设计 . 22 4.3.1 电压偏差测量模块 . 22 4.3.2 频率偏差模块 . 24 4.3.3 电压谐波分析模块 . 25 4.3.4 三相不平衡度分析模块 . 28 4.3.5 电压波动和闪变的测量模块的设计 . 29 4.3.6 功率测量模块 . 33 4.3.7 测量模块整体VI . 35 4.4 主控模块设计 . 35 4.5 本章小结 . 37 第 5 章结论与展望 . 38 5.1 结论 . 38 5.2 展望 . 38 参考文献 . 40 致谢 . 41 附录A 外文资料翻译 . 42 附录A.1英文原文 . 42 附

13、录A.2中文翻译 . 50 附录B数据分析模块总框图 . 56 石家庄铁道大学毕业设计 第 1 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，其应用程度成为一个国家发展水平的主要标志之一1。随着科学技术和国民经济的发展，对电能的需求量日益增加，同时对电能质量的要求也越来越高。使得电能质量问题日益紧迫的摆在了我们的面前。有关电能质量问题的研究已经引起了各国电力工作者的高度重视，得到了普遍的关注和深入的讨论，无论在理论上还是在实践中，都有许多值得深入研究的问题2。 1.2 课题研究背景及意义 电能质量问题关系到国民经济的方方面面，涉及到电力、铁道、冶金、化工、IT等诸多行业的发

14、展，从20世纪80年代以来，伴随着高技术的新型电力负荷迅速发展以及它们对电能质量不断提出的更高要求，电能质量问题得到了普遍的关注和深入的讨论。其原因归纳起来有以下二个方面3： (1)现代电力系统中用电负荷结构发生了重大变化，具有非线性、冲击性以及不平衡用电特性的负荷(如电弧炉、电气化铁路、整流装置等)迅速发展，很大程度上削弱和干扰了电网的经济运行； (2)为了提高劳动生产率和自动化水平，大量基于计算机系统的控制设备和电子装置投入使用，这些装置对电能质量问题非常敏感。 随着经济的发展和工业管理体制的转变，电力网逐步实行商业化运营，电力用户的需求己成为优先考虑的问题。这大大促进了电能质量标准化的进

15、程和对电能质量的监督和管理。为了规范电能质量的检测管理，建立规范的电力市场。1988年，我国电力工业部为了加强电网电能质量管理工作，曾颁布执行了电网电能质量技术监督管理规定，提出了“谁干扰，谁污染，谁治理”的原则，并指出保证电网安全、稳定、经济、优质运行，全面保障电能质量是电力企业和用户共同的责任和义务。因此电能质量监测对于电力企业、电力用户以及改善电能质量都有重要意义。参照IEC标准和IEEE标准，联系我国电力系统实际情况，我国相继颁布了有关电能质量的五项标准即供电电压偏差、电压波动和闪变、公用电网谐波、三相不平衡度以及频率偏差等，要求各级供电部门和用户按照该标准供电。利用测控领域中最先进的

16、虚拟仪器技术研制一种电能质量监测系统，实时监测电能质量对于保证电力系统运行的经济性、安全 1 石家庄铁道大学毕业设计 性和可靠性都起着重要的作用。 1.3 国内外研究现状 电能质量问题的凸显，使电能质量监测产品日益丰富起来，如何监测复杂多变的电能质量现象，分析各种电能质量问题的成因，成为这些产品共同的目标。目前，国内外使用的各种电能质量监测装置从结构上可以分为两类，一种是离线式的电能质量监测装置，另一种是在线式的电能质量监测分析装置，即连续监测设备。在线式电能质量监测实时性强，能够及时对电能质量各种指标作出全面数据采集和分析4。随着电子装置和通讯技术的发展，离线式的电能质量分析仪在经济性和有效

17、性方面不再优越，具有联网、图形用户界面(GUI)、数据存储管理、统计分析和Web浏览功能的在线电能质量监测系统成为主流5。 在国内外，对电能质量进行监测与分析时，绝大部分采用智能仪器，主要利用数字技术和硬件来实现。这种测试仪器体积比较庞大，很容易受到外界的影响，而且测量精度不是很高，特别是在检测不同指标时，需要更换相对应的硬件，这给监测和分析带来极大的不便。为了实现更多参数的测试，许多的测量仪器额外配置了辅助的硬件，这不仅加大了体积，而且也增加了成本，甚至给监测系统装置的升级带来不便。传统的监测装置实时性较差，不能实时地保存大量数据，观察历史数据也不方便，而现代的电能质量监测系统需要处理和保存

18、大量的数据信息。我们国内对于电能质量问题的研究起步较晚，然而传统的电能质量监测系统在下列几个方面比较欠缺： (1)功能单一型问题； (2)生产调试率低下问题； (3)开发周期和开发费用问题。 虚拟仪器的出现改变了这一现状，凭借其基于网络性和计算机的特性，符合现代测量工作的需求，在测量技术领域不断取得突破。近年来，有许多基于虚拟仪器的电能监测系统问世，实现了远程在线的监测，并能够及时地把监测结果反馈至中央控制室，本系统也是基于这一技术完成的电能质量监测系统。 1.4 本设计主要工作 本设计在研究电力系统电能质量及虚拟仪器测量方法的基础上，利用NI公司的LabVIEW2012软件开发了一个电能质量

19、监测系统，该系统根据采集到的电压及电流数据，进行电能质量相关参量的计算，以图形和数据的方式直观的显示出来，并把分析后的数据存入数据库中，以便日后的进一步查阅参考。 2 石家庄铁道大学毕业设计 本设计说明书的具体工作如下： (1)讲述电能质量问题研究的发展情况，说明对电能质量进行监测的必要性，指出电能质量监测方面的研究现状及其存在的问题，并提出基于LabVIEW的电能质量监测系统的方案； (2)对电能质量的国家标准进行简要介绍。讨论衡量电能质量问题的指标和电能质量监测的方法，并指出各种客观存在的电能质量问题所带来的危害； (3)介绍了虚拟仪器技术的概念、特点和发展历程，介绍了虚拟仪器中的LabV

20、IEW软件，及其使用过程中常见的一些概念，重点介绍了LabVlEW2012中用于电能质量的各参量分析的VI和数据传输的VI等； (4)基于虚拟仪器技术的电能质量监测系统的设计与实现，详细叙述了本系统的软件程序设计方法。 3 石家庄铁道大学毕业设计 第 2 章 电能质量指标及测量方法 2.1 概述 (1)电能质量的概念 电能质量是指通过公用电网供给用户端的交流电能的品质。理想状态的公用电网应以恒定的频率、正弦波形和标准电压对用户供电。同时，在三相交流系统中，各相电压和电流的幅值应大小相等、相位互差120。但由于系统中的发电机、变压器和线路等设备非线性或不对称，负荷性质多变，加之调控手段不完善及运

21、行操作、外来干扰和各种故障等原因，这种理想的状态并不存在，因此产生了电网运行、电力设备和供用电环节中的各种问题，也就产生了电能质量的概念1。 (2)电能质量指标的界定 从总体上讲，使电能指标接近额定值就是电能质量的标准，然而，电能从生产到消费是一个整体，电力系统的发、输、变、配、用各环节始终处于动态平衡之中，其中任何一个环节的改变都会对电能质量产生影响。电能质量标准的制定，就是制定适当的电能质量指标偏差的允许值。电能质量指标的制定在经济和技术上应满足以下三点4： 保证电力系统安全，提高供电可靠性和电网运行的经济性； 保证用户电气设备的正常生产； 当超标时，电力部门和干扰用户在当前经济和技术水平

22、上，作一定的努力后应能达标。 参照IEC标准和IEEE标准，联系我国电力系统实际情况，我国最新制定的电能质量指标主要包括五项：供电电压偏差、电力系统频率允许偏差、公用电网谐波、三相电压不平衡、电压波动和闪变。除此之外，还有暂态电能质量问题、短持续时间电能质量问题和长持续时间电能质量问题等。 2.2 供电电压允许偏差 2.2.1 电压偏差的产生原因及危害 电压偏差是指系统各处的电压偏离其额定值的百分比，它是由于电网中用户负荷的变化或电力系统运行方式的改变，使加到用电设备上的电压偏离电网的额定电压。 4 石家庄铁道大学毕业设计 一般来说造成电网电压偏差的最主要原因是无功功率的传输。另外，电力电容器

23、的投切对母线电压偏差的影响也非常大3。 对于配电网最广泛应用的电动机，当电压低于额定电压时,转矩减小、转速下降，一方面导致工厂生产出次品、废品；另一方面造成电流变大，电机温升增加，线圈发热，加剧绝缘老化，甚至烧坏的后果。当电压高于额定电压时，一方面引起转距变大，使联结轴和从动设备上的加速力增加，引起设备的振动、损坏；另一方面引起启动电流增加，在供电线路上产生较大的电压降，影响其他电气设备的运行。 对于发电机而言，电压偏差会引起无功电流的增大，对发电机转子的去磁效应增加，电压降低，过度增大激磁电流使转子绕组的温升超过允许范围，加速绝缘老化，降低电机寿命，甚至烧坏。 对于日常的照明灯具，电压对灯的

24、光通量输出和寿命的影响很大，当加于灯泡的电压低于额定电压时，发光效率会降低，人的工作环境恶化，视力减弱；当高于额定电压时，灯泡寿命会减少、烧坏。 2.2.2 国标中的规定及计算方法 在国家标准电能质量供电电压偏差中规定了供电电压偏差的相关计算方法及限制6。 (1)供电电压偏差的测量 供电电压偏差的测量方法为获得电压有效值的基本测量时间窗口为10周波，并且每个测量时间窗口应该与紧邻的测量时间窗口接近而不重叠，连续测量并计算电压有效值的平均值，最终计算获得供电电压偏差值，计算公式如式(2-1)所示。 (2-1) 计算出的供电电压偏差的限值应满足如下规定： 35kV及以上供电电压正、负偏差的绝对值之

25、和不超过额定电压的10%，如电压上下偏差同号(均为正或负)时，按较大的偏差绝对值作为衡量依据； 20kV及以下三相供电电压允许偏差为标称电压的7%； 220V单相供电电压偏差为标称电压的+7%、-10%； 对供电短路容量较小，供电距离较长以及对供电电压偏差有特殊要求的用户，由供、用电双方协议确定。 (2)电压合格率统计 通过供电电压偏差的统计计算获得电压合格率。供电电压偏差监测统计的时间为min，通常每次以月(或周、季、年) 的时间为电压监测的总时间，供电电压偏差超限 5 石家庄铁道大学毕业设计 的时间累计之和为电压超限时间，监测点电压合格率计算公式如式(2-2)所示。 (2-2) 2.3 电

26、力系统频率偏差 2.3.1 频率偏差的危害 从整个电力系统来讲，低于系统频率或高于频率运行时，对发电厂和用户都有不利的影响7，具体表现为： (1)用户使用的电动机的转速与系统频率有关。频率变化将引起电动机转速的变化，从而影响产品质量； (2)在频率降低时，火力发电厂的风机和水泵所提供的风量和水量将迅速减少，影响锅炉的正常运行； (3)低频率运行，汽轮机叶片所受的应力增加，引起叶片的共振，缩短叶片的寿命，甚至使叶片断裂；发电机的通风量将减少，而为了维持正常电压，又要求增加励磁电流，使得发电机定子和转子的温升增加； (4)低频率运行时，由于磁通密度的增大，变压器的铁心损耗和励磁电流都将增大； (5

27、)频率降低时，系统中负荷的无功功率将增大，而负荷的无功功率增大又将促使系统电压水平的下降。 总之，由于所有设备都是按系统额定频率设计的，系统频率质量的下降将影响各行各业。而频率过低时，甚至会使整个系统瓦解，造成大面积停电。 2.3.2 国标中的规定及计算方法 在国家标准电能质量 电力系统频率偏差中规定了供电电压偏差的相关计算方法及限制8。 (1)频率偏差的计算 电力系统频率偏差定义为系统频率的实际值和标称值之差，可用式(2-3)计算。 (2-3) 式中?f是频率偏差，f为实际频率，fN则为标称频率，本标准规定为50Hz。计算出的频率偏差应满足如下规定： 电力系统正常运行条件下频率偏差限值为0.

28、2Hz。当系统容量较小时， 偏差可 6 石家庄铁道大学毕业设计 以放宽到0.5Hz； 冲击负荷引起的频率偏差限值一般不得超过0.2Hz，根据冲击负荷性质和大小以及系统的条件也可适当变动限值，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)频率合格率统计 通过检测及直接或间接地统计频率超限时间以活动表征电网频率在限值内的一种方法。统计时间以秒为单位，计算公式如式(2-4)所示。 (2-4) 2.4 公用电网谐波 2.4.1 电网谐波的危害 国际上公认的谐波含义为：“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”。由于谐波的频率是基波频率的整数倍数，我们也常称

29、它为高次谐波9。 谐波对电力设备的影响和危害10，就其后果来说，可分为两类：第一类是对电力设备的影响，它可以造成设备损坏、减少设备寿命、降低出力等；第二类是对计算机、继电保护、控制器或系统、仪表以及视听设备的影响，它可以造成设备的工作失误或性能恶化。具体表现为： (1)对旋转电机(发电机和电动机)产生附加功率损耗和发热、产生脉动转矩和噪声； (2)对无功补偿电容器组引起谐振或谐波电流的放大，从而导致电容器因过负荷或过电压而损坏；对电力电缆也会造成电缆的过负荷或过电压击穿； (3)对供电网和导线，增加供电网的损耗。当发生谐振或放大时，损耗更加严重； (4)对断路器和熔断器，电流波形的畸变明显的影

30、响断路器断路容量，当存在负荷电流畸变时，在过零点时可能造成高的? ?比，电流为下弦波时开断将更为困难，而且由于开断时间延长而延长了故障电流切除时间，因而造成快速重合闸后的再燃； (5)对变压器，负荷电流中的谐波在变压器中造成的损耗产生附加发热，降低了其负荷能力； (6)对调速驱动器的影响。谐波可能导致晶闸管误动作以及触发回路误触发等故障； (7)对照明的影响，如运行电压的均方根值由于谐波畸变而高于额定值时，灯丝温度升高而降低了灯泡的寿命； 7 石家庄铁道大学毕业设计 (8)对继电保护和自动控制装置产生干扰和造成误动或拒动。尤其是一些衰减时间较长的暂态过程，如变压器合闸涌流中的谐波分量，由于其幅

31、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。 2.4.2 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

32、波，对公用电网谐波电压限值如表 2-1所示10。 表 2-1公用电网谐波的限值 电网标称电压 kV 0.38 6 10 35 66 110 电压总谐波畸变率 % 5.0 4.0 各次谐波电压含有率% 奇次 4.0 3.2 偶次 2.0 1.6 3.0 2.0 2.4 1.6 1.2 0.8 (1) 谐波术语的数学表达式 第h次谐波电压含有率HRUh，如公式(2-5)所示： (2-5) 式中，Uh第h次谐波电压(方均根值)； Ul基波电压(方均根值)。 谐波电压含量UH，如公式(2-6)所示： (2-6) 8 石家庄铁道大学毕业设计 电压总谐波畸变率THDu，如公式(2-7)所示： (2-7)

33、(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(2-8)计算。 (2-8) 2.5 电压波动和闪变 2.5.1 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(s-1)，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f(Hz)=r(s-1)/2。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

34、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

35、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。 2.5.2 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 9 石家庄铁道大学毕业设计 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r1 000次/h)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2-2所示12。 表2-2电压波动限值 r1 1<r10 10<r100 100<

36、;r1000 r/(次/h) LV、MV 4 3* 2 1.25 d/% HV 3 2.5* 1.5 1 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 156-2007，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) UN1kV 1kV<UN35kV 35kV<UN220kV 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(1

37、68h)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2-3所示： 表2-3闪变限值 Plt 110kV 1 >110? 0.8 (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 (2-9) 式中，?U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 10 石家庄铁道大学毕业设计 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(2-10)所示： (2-10) 2.6 三相电压允许不平