西北工业2013级电气专业毕业设计----巴依尔才次克

1、摘 要本设计主要是基于LabVIEW虚拟仪器软件来实现电力系统参数监测的，它是虚拟仪器技术的一种。此系统具有监测精度高、携带方便、设计灵活、升级简单、硬件设备少、维护费用低、适用范围广等优点。电力系统的电力参数监测由硬件部分和软件部分组成。硬件部分由传感器、滤波电路、数据采集卡组成。电信号经传感器、信号调理电路，最后由数据采集卡进行数据采集和A/D转换，转换成数字量输入计算机再通过LabVIEW虚拟仪器软件模块处理后得到参数值。软件部分包括电压、电流模块、相位差模块、功率模块，其中电压、电流模块包括有效值和峰值，功率模块包括有功功率和无功功率。软件部分的设计主要利用LabVIEW软件完成系统的

2、数据采集、处理和显示等过程设计。关键词：LabVIEW ; 虚拟仪器 ; 电力参数 ; 软件目 录摘要I目录II第一章 绪论11.1 虚拟仪器技术介绍11.2 本课题的研究内容及意义41.2.1本课题的研究内容41.2.2本课题的研究意义5第二章 电力系统监测方案确定62.1 电力系统电力参数监测介绍62.2 电力系统电力参数监测方案的确定8第三章 电力系统电力参数监测的计算机算法143.1 电压、电流的监测算法143.1.1有效值的监测.143.1.2峰值的监测.153.2 相位差的监测算法163.3 功率的监测算法18第四章 系统的硬件部分214.1 传感器214.2 USB数据采集卡22

3、4.3 数据采集卡与LabVIEW驱动程序接口254.4 低通滤波器28第五章 软件部分设计305.1 LabVIEW介绍305.1.1LabVIEW的组成部分315.1.2LabVIEW软件的特点325.1.3应用领域.335.1.4开发系统.345.1.5附件模块.345.2 数据采集模块的设计365.3 电压电流监测模块设计385.4 相位差监测模块设计405.5 功率监测模块设计445.6 监测结果及精度分析46第六章 结论与展望47总 结49参考文献50致 谢52III西北工业大学继续教育学院毕业论文第一章 绪论目前，随着交通和工业的发展，影响电力系统稳定运行的因素多且复杂，各种增加

4、的非线性电力负荷对正常使用的用电设备、电力参数的准确计量和准确校验电力参数监测产生了严重影响。传统的电力参数监测系统的核心是硬件，其庞大的体积，单一的功能，无法满足日趋复杂的电力参数监测。近年来，迅猛发展的计算机技术奠定了虚拟仪器的发展与应用基础，同时也使仪器仪表发生了根本性的变革，以硬件为主体的传统监测装置迅速向虚拟仪器方向发展。虚拟仪器是利用计算机强大的图形界面和数据处理能力提供对监测数据的处理和显示功能。虚拟仪器的系统软件核心是信号处理，用计算机显示器取代传统的监测设备面板，组建方便，网络功能强，开创先河“软件即仪器”，迅速得到推广应用。为此，开发了一种基于虚拟仪器技术的电力参数监测系统

5、。该系统数据处理能力强，图形化显示直观，系统功能更新方便。为实现电力参数如电压、电流、功率、相位、频率的监测，在不同时期采用了基于不同技术的仪器仪表。近年来计算机技术在监测技术中广泛应用，在其基础上发展的智能仪器仪表无论在准确度、可靠性、灵敏度、自动化程度、运用功能或在解决问题的深度和广度方面都有巨大的发展，以一种崭新的画面展示在人们面前1。1.1 虚拟仪器技术介绍随着计算机技术、通信技术、微电子技术的高速发展，仪器测量技术也开始由传统仪器向计算机化方向迈进。20世纪80年代中期，美国国家仪器公司NI首先提出了“软件就是仪器”这一虚拟仪器简称概念，并随之推出第一批实用成果。这一创新使得用户能够

6、根据自己的需要定义仪器功能，而不像传统仪器那样受到厂商的限制。虚拟仪器的出现彻底改变了传统的仪器观念，开辟了测控技术的新纪元。虚拟仪器的概念：所谓虚拟仪器，就是在通用的计算机平台上定义和设计等同常规仪器的各种功能，用户操作计算机的同时就是在使用一台专门的电子仪器。虚拟仪器以计算机为核心，充分利用计算机强大的图形界面和数据处理能力，提供对测量数据的分析处理和显示功能。虚拟仪器技术强调软件在测控系统中的重要的地位，但也并不排斥测试硬件平台的重要性。虚拟仪器测控系统通过信号采集设备和调理设备将计算机硬件和被测量硬件连接起来，再通过软件取代常规仪器硬件，将计算机硬件资源与仪器硬件有机地融合为一体，从而

7、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，大大缩小了仪器硬件的成本和体积，并通过软件来实现对数据的显示、存储以及分析处理。虚拟仪器的结构：虚拟仪器由硬件和软件两部分组成。虚拟仪器的硬件主体是电子计算机，通常是个人计算机，也可以是任何通用电子计算机。为计算机配置的电子测量仪器硬件模块是各种传感器、信号调理器、模拟/数字转换器(ADC)、数字/模拟转换器(DAC)、数据采集卡(DAQ)等。电子计算机及其配置的电子测量仪器硬件模块组成了虚拟仪器测试硬件平台的基础。虚拟仪器还可以选配开发厂家提供的系统硬件模块，组成更为完善的硬件平台。按照测控功能硬件的不同，VI可分为GPIB、V

8、XI、PXI和DAQ四种标准体系结构2。(1)GPIB(General purpose Interface Bus)通用接口总线，是计算机和仪器间的标准通讯协议。GPIB的硬件规格和软件协议己纳入国际工业标准IEEE488.1和IEEE488.2。它是最早的仪器总线，目前多数仪器都配置了遵循IEEE488的GPIB接口。典型的GPIB测试系统包括一台计算机、一块GPIB接口卡和若干台GPIB仪器。GPIB仪器覆盖了从比较便宜的到非常昂贵的仪器。但是GPIB的数据传输速度一般低于500kb/s，不大适合于对系统速度要求较高的应用。(2)VXI(VME bus Extension for inst

9、rumentation)即VME总线在仪器领域的扩展，是1987年在VME总线、Euro card标准(机械结构标准)和IEEE488等标准的基础上，由主要仪器制造商共同制订的开放性仪器总线标准。VXI系统最多可包含256个装置，主要由主机箱、“0槽”控制器、具有多种功能的模块仪器、驱动软件和系统应用软件等组成。系统中各功能模块可随意更换，即插即用，可随意组成新系统。VXI的价格相对较高，适合于尖端的测试领域。(3)PXI(PCI extension for Instrumentation)PCI在仪器领域的扩展，是NI公司于1997年发布的一种新的开放性、模块化仪器总线规范。其核心是Comp

10、act PCI结构和Microsoft Windows软件。(4)DAQ(Data Acquisition)数据采集，指的是基于计算机标准总线(如ISA、PCI、PC/104等)的内置功能插卡。它更加充分地利用计算机的资源，大大增加了测试系统的灵活性和扩展性。利用DAQ可方便快速地组建基于计算机的仪器(Computer-Based Instruments)，实现“一机多型”和“一机多用”。虚拟仪器的技术优势虚拟仪器的国内外发展呈现两条主线：一是GPIBVXIPXI总线方式，二是PC插卡式LPT并行口式串口USB方式IEEE标准的1394口方式。美国NI公司开发的LabVIEW和中国COINV开

11、发的DASP虚拟仪器平台是国内外具有代表性的两个平台，其软件各有特点，互相不能替代、功能互补。LabVIEW平台是一个在国内外具有相当影响和大量用户的虚拟仪器开发平台，它对于一般仪器的开发商、学校仪器制造专业的教学以及一些特殊的用户是适宜的，但由于它是用于虚拟仪器二次开发的软件，而非可最终直接使用的仪器，这对大量的一般直接用户即只想用虚拟仪器马上直接测试分析试验结果的用户，有不方便的地方，也有局限性。DASP平台它是直接面向最终用户的虚拟仪器库，直接可以使用，不需要再进行编程加工，用起来非常的快捷方便，精度又很高，用户拿起来就可直接使用，但对于专业仪器开发商或者仪器行业自己需开发虚拟仪器的用户

12、，有一定的局限性。和常规仪器技术相比，NI虚拟仪器技术有四大优势3：(1)性能高虚拟仪器技术是在PC技术的基础上发展起来的，所以完全继承了以现成即用的PC技术为主导的最新商业技术的优点，包括功能超卓的处理器和文件I/O，使您在数据高速导入磁盘的同时就能实时地进行复杂的分析。此外，不断发展的因特网和越来越快的计算机网络使得虚拟仪器技术展现其更强大的优势。(2)扩展性强NI的软硬件工具使得工程师和科学家们不再受硬件仪器的限制，这得益于NI软件的灵活性，我们要做的只是更新计算机或测量硬件，就能以最少的硬件投资和极少的、甚至无需软件上的升级即可改进自己的系统。在利用最新科技的时候，还可以把它们集成到现

13、有的测量设备，最终以较少的成本加速产品的设计时间。(3)开发时间少在驱动和应用两个层面上，NI高效的软件构架能与计算机、仪器仪表和通讯方面的最新技术结合在一起。NI设计这一软件构架的初衷就是为了方便用户的操作，同时还提供了灵活性和强大的功能，使用户轻松地配置、创建、发布、维护和修改高性能、低成本的测量和控制解决方案。(4)无缝集成虚拟仪器技术从本质上说是一个集成的软硬件概念。随着产品在功能上不断地趋于复杂，工程师们通常需要集成多个测量设备来满足完整的测试需求，而连接和集成这些不同设备总是要耗费大量的时间。NI的虚拟仪器软件平台为所有的IO设备提供了标准的接口，帮助用户轻松地将多个测量设备集成到

14、单个系统，减少了任务的复杂性4。1.2 本课题的研究内容及意义1.2.1本课题的研究内容基本任务：了解虚拟仪器技术的设计方法和特点；掌握电力系统电力参数的监测算法；完成系统硬件部分的设计；掌握LabVIEW软件的设计方法，完成系统设计和各子模块设计；撰写完整的毕业设计等。本设计主要研究基于LabVIEW虚拟仪器的电力系统电力参数监测系统。首先，介绍了虚拟仪器的概念、结构和优势，以及在电力系统中电力参数常用的计算机算法，包括：电压电流有效值的监测有数字积分法，谐波分析法；微机装置峰值监测方法有硬件监测方法和软件方法；无功功率的数字化计算方法有数字移相法、Hilbert变换算法和傅里叶分析法等的比

15、较与选择。其次，进行LabVIEW虚拟仪器监测系统的硬件部分和软件部分设计。本设计主要完成了本系统中的硬件以及硬件的驱动程序设计；分模块完成了系统的软件设计(包括前面板与程序框图面板相应的系统设计)和在LabVIEW虚拟仪器软件平台上监测与显示的功能实现。最后，对监测结果及精度分析，监测结果可以显示电力系统电力参数的大小和变化，反映出波形信号畸变的程度，更反映出电力系统运行的稳定性。可以快速监测各种电力参数，并能实时动态显示波形，提高实效性，使监测结果更为直观、方便灵活、实时性更强。1.2.2本课题的研究意义本课题将LabVIEW虚拟仪器技术应用于电力系统电力参数监测中，具有以下两方面的意义：

16、(1)电力系统中的设备昂贵，安全稳定运行要求高，因此，一些新的保护方案和性能测试实验不能在现场进行。这就需要一套能够模拟电力系统参数情况的监测软件系统，为其创造一个实验环境。将虚拟仪器技术应用于电力系统中可以很好的解决这一难题，在虚拟仪器软件平台上，用户可以创建自己的测试系统，并在此系统上进行实验研究5。(2)目前，在高校电力实验室中，实验设备采用传统仪器，虽然实验方式相对简单，但仪器繁多，连线复杂，占地面积大，仪器的更新换代需要大量资金。若用虚拟仪器代替传统仪器，在LabVIEW软件开发平台的基础上，将其应用于实验教学中，则不仅能够克服上述缺点，还具有易实现技术更新；易于网络化；能充分利用现

17、有软硬件资源；自动化、智能化程度高；功能齐全；价格相对便宜等优点。第二章 电力系统监测方案确定2.1 电力系统电力参数监测介绍参数是电力系统重要的特征数据，是进行电力系统潮流计算、短路电流计算、继电保护整定计算和选择电力系统运行方式等工作的电力系统必备参数。其参数的监测关系到电力系统的安全稳定运行。这些参数的计算往往比较复杂，难以准确计算。因此提供准确的数据对电力系统具有重要意义。电力系统电力参数监测原理：交流采样是按一定的规律对被测物理量的瞬时值进行采样，用一定的算法计算出被测量的有效值。在电力系统中，首先对电流、电压进行采集，然后根据电力参数计算原理计算出相位差、有功功率、无功功率等参数，

18、完成电力系统的监测和分析。电力系统电力参数监测系统总体设计思路：本系统是通过监测电力系统的电压、电流信号，对信号同步采样后监测其变化状态并显示监测界面，在LabVIEW平台的基础上，选用合适的硬件系统，开发简便易用的软件系统，实现数据采集、数据显示、数据处理及系统安全等功能，实时显示波形和监测界面显示，实现对电力系统监测的精确性和实时性6。电力系统电力参数监测能实现监测数据的集中处理、显示和控制：建立开放性的标准数据接口。可以采用Web服务的方式提供接口，实现对不同厂家各种格式数据的统一接收；建立标准化的数据库，实现所有在线监测数据的集中存储、管理和应用。电力系统电力参数的监测技术是电测与仪表

19、技术针对电力系统电能质量问题派生出的一个重要分支。众所周知，只有对反映电能质量指标的电参量进行实时准确的监测，才能为下一步分析判断这些指标是否满足国家标准做好准备，因此，随着电力系统和电力用户对电能质量问题日益重视，关注的焦点越来越集中于引进先进科学的监测技术和使用准确可靠的监测仪器。目前，国外公司相继开发出多种电力系统参数监测方面的仪器装置，这些仪器多是采用硬件DSP技术对电信号进行分析处理。另外，国际测控技术正向网络化发展，出现了“网络就是仪器”的概念，电能质量在线监测也正在适应这个潮流，利用网络实现电力系统参数的远程监测和网络化管理，瑞典联合电力公司最新开发的PQSecure在线式电气参

20、数监测系统和瑞士莱姆(LEM)公司开发的PQFIX电气参数监测装置都可以非常灵活地利用现有通讯接口(RS232、RS485、MODEM、局域网等)实现电力系统输电线路电气参数的网络化监测。虽然国内对电力系统电力参数的监测已经有了很长的一段研究时间，但是相对国外而言，国内的开发研制比较落后，大多数厂家采用的是单片机结构，这些仪器性能单一，通用性和扩展性差、开发和维护相对复杂，已不能满足市场的要求；还有部分高校和科研部门，开发出基于硬件DSP技术的监测装置。现阶段在电力系统电力参数监测领域占优势、运用最多的是以单片机为核心的监测系统、以可编程逻辑器件为核心的以及基于虚拟仪器的监测系统7。近两年，电

21、力参数监测技术得到了较大的发展。一是满足了信息技术飞速发展的测试需求，分别在数字系统开发测试、集成电路测试、通信测试、新的音视频产品测试方面取得技术进步，使一大批新的电子监测仪器问世。二是在提高通用仪器性能、可靠性、易操作性，以及降低成本方面取得新的技术进步。三是VXI总线仪器系统的输入/输出、仪器的驱动程序、安装程序标准化取得成果，使这一多供货商的自动测试系统成为名副其实的开放式系统。数字系统开发测试取得明显进步：数字系统指的是采用微处理器，利用软件来运行的系统，如计算机、程控设备等。随着数字系统的速度越来越快，所采用的徽处理器功能越强，种类越多，使得调试与综合测试数字系统的软硬件更难。当今

22、，许多数字系统已采用C、C+、pascal、Ada等高级语言编程，由于存储器售价的下降，增加系统功能往往多半是通过软件来实现的，从而使软件日趋复杂。为适应这些新的测试要求，逻辑分析仪的取样率已从原来的2GHz提高到4GHz(HP16500型)。存储深度已达16Mb，通道数已达1536个，并已问世供软件分析用的软件分析仪(如HPB374OA)。此外，因为许多企业都在建立计算中心，因而美国Tektronix公司推出了专供企业用的DAS/NTTMDAD/XPTM数字分析系统。该系统能支持包括采用英特尔P6等各种微处理器的数字系统的软硬件设计，并能提供数据的交换与显示。另外，该公司还推出了一种称为逻辑

23、示波器的仪器，它可对高速数字系统的信号进行波形分析。VXI产品的发展速度加快：经过7年的发展，VXI产品的生产厂商已达90家，产品超过1000种，安装的系统已达10000套。80年代末，该系统广泛采用图形用户接口与开发环境，如HP的VEE和NI公司的LabVIEW，但这些软件不兼容1993年，美国五家仪器制造公司感到在众多VXI软件技术基础上实现软件标准化的时机已到来，建立了VXI“即插即甩”系统联盟，经过短短的2年，联盟成员发展到45家公司，并完成了20多个技术规范的制定，如快速数据通道规范、TCP/IP-VXI接口规范等。当前重点放在VXI软件的互操作性方面，并已制定出一个称为VISA的规

24、范框架。它包括仪器软面板、仪器驱动程序、联机文件和标准控制器接口的互操作。目前，第一批“即插即用”产品已投放市场。这些产品包括控制器、仪器、软件和主机等、上面有“VXIplugplay”的标志。该系统的标准化软件包括一个软面板用于一种仪器的控制，无需任何程序控制，以及一个仪器驱动软件适用于各种程序设计环境。现在，VXI测试系统已广泛应用于通信、航空电子、汽车、医疗设备的测试。在军事上，在航空电子测试方面的产品最多，如英国Raeal公司的ARINC608型、美国Tektronix公司的MHSTD1553VXI模块等8。2.2 电力系统电力参数监测方案的确定现阶段电力系统电力参数的监测方法很多，鉴

25、于虚拟仪器具有无可比拟的优势本设计采用LabVIEW来设计监测电压等级220kV电力系统的电力参数(由于参数众多，计算工作量较大，重点对电压电流，相位差，功率等参数监测)，电力系统主系统图如下图2.1所示：图2.1电力系统主系统图(1)发电厂装机情况，如下表所示：表2.1发电厂装机情况发电厂AB装机台数、容量（MW）4×1002×100，3×50额定电压（kV）10.510.5额定功率因数0.80.8(2)负荷情况，如下表所示：表2.2负荷情况AB12345最大负荷（MW）151590908095110最小负荷（MW）10108070757085功率因数0.80.

26、80.90.90.90.90.9Tmax(h)5000500048005000520050005000母线电压(kV)10.510.51010351010(3)电压等级的确定表2.3各电压等级线路的合理输送容量及输送距离额定电压（kV）输送功率（kW）输送距离（km）额定电压（kV）输送功率（kW）输送距离（km）3100100013603500300003010061001200415110100005000050150102002000620220100000500000100300352000-100002050500800000-20000004001000根据表2.3及计算结果确定电

27、压等级，可知额定电压应选220kV。(4)主接线形式与变压器的选择1)发电厂主接线形式发电厂A有100MW机组四台，出口没有机压负荷，故直接将电能经变电站送入电网，机端电压为10.5kV，根据此情况及相关规定，100MW机组采用单元接线，这种接线简单，操作简便，经济性高。发电厂B有100MW机组两台，机端电压10.5kV，机压负荷为60MW由于发电机容量较大，为了采用简单的接线方式，故发电机均采用单元接线方式。三台50MW的机组进出线不止一回，采用机压母线的接线方式，这种接线简单清晰，设备少，投资少，便于扩建。2)变电站主接线形式：为了提高供电的可靠性，接入变电站的线路条数都是两条(最严重的情

28、况下，一条故障另一条备用)，同时变电站的变压器的台数也是两台。五个变电站桥形接线。如果是环形网时，为了防止穿越功率通过三台断路器，则是外桥接线。(5)变压器的台数和容量1)发电厂采用发电机变压器单元接线形式时，主变的容量只要和发电机的容量相配套即可，保留10的裕度。所以连接100MW的变压器的容量为：100×1.1/0.85129.41MW，所以选用SFP7-150000/220型的变压器。机压母线接线方式的变压器一台故障另一台应满足输送功率的70以上，所以连接50MW的变压器容量为：150×0.7105MW，所以选用SSPL1120000/220型的变压器。2)变电站变电

29、站主变压器容量的确定一般要考虑城市规划、负荷性质、电网结构等因素。对重要变电站，需考虑当一台主变压器停运时，其余变压器容量在计及过负荷能力允许时间内，应满足类及类负荷的供电；对一般性变电站，当一台主变压器停运时，其余变压器容量应能满足全部负荷的60%75%。由于5个变电站都属于枢纽变电站，主变压器台数为两台计算公式为： (2.1) 其容量计算如下：站一容量为：S10.7×90/80%78.75(MVA)站二容量为：S20.7×90/75%84(MVA)站三容量为：S30.7×80/60%93.3(MVA)站四容量为：S40.7×95/80%83.1(MV

30、A)站五容量为：S50.7×110/75%102.7(MVA)可选4台型号为SSPL1-90000/220的变压器，6台型号为SSPSL1-120000/220的变压器。所选用变压器的型号及相关参数表，如下所示：表2.4变压器型号及相关参数表项目站别型号及容量连接组损耗（kW）阻抗电压（）空载电流（）空载短路发电厂ASFP7-150000/220Yo/-1114045013.60.8发电厂BSSPL1-120000/220Yo/-11179895130.67变电站1SSPL1-90000/220Yo/-1192472.513.70.67变电站2SSPL1-90000/220Yo/-1

31、192472.513.70.67变电站3SSPSL1-120000/220Yo/-11103496.511.20.5变电站4SSPL1-90000/220Yo/-1192472.513.70.67变电站5SSPSL1-120000/220Yo/-11103496.511.20.5(6)计算电力系统在最大运行方式下的功率分布将变电站4、5和发电厂B组成的环网从发电厂B处打开进行计算，图中发电厂A，发电厂B，变电站1，变电站2，变电站3，变电站4，变电站5以下均以A，B，1，2，3，4，5简写代替。图2.2 B45功率分布=(2.2+1.5)×(95+j45.6)+1.5×(1

32、10+52.8)/(2.2+2.2+1.5)=87.5+j42(MVA)可以看出，有功分点、无功分点均为4。变电站2、发电厂A和发电厂B为两端供电网。图2.3 AB2功率分布可以看出，有功分点、无功分点均为2。变电站3、发电厂A和发电厂B三个节点为两端供电网进行计算。图2.4 AB3功率分布=(80+j38.4)×2.1/(3.8+2.1)=28.5+j13.7(MVA)=可以看出，有功分点、无功分点均为3。(7)电压损耗计算电压损耗计算原则由于发电厂部分相同，可以只对线路部分的电压损耗进行初步计算，计算时可以假定网络各点电压都等于额定电压，计算正常最大负荷情况下的电压损耗。正常情况

33、下电压损耗不超过10即符合要求9。计算公式如下： (2.2)电压损耗： UUij/UN×100 (2.3)线路阻抗： Z=R+jX =rl+jxl(r=0.1,x=0.4) (2.4)线路电压损耗首先从发电厂处打开发电厂B、变电站4、5的环网，功率分布图如下：图2.5 B45功率分布根据公式计算得线路阻抗，在下图中画出：图2.6 B45阻抗分布根据公式带入数据进行计算：UB4(87.5×5.5+42×21.9)/220=6.37(kV)UB5(-7.5×4.63.6×15.1)/220=-0.41(kV)UB5UB4+U455.96(kV)Um

34、ax=5.96(kV)<220×10%=22(kV) 所以满足要求。第三章 电力系统电力参数监测的计算机算法3.1 电压、电流的监测算法3.1.1有效值的监测计算有效值的第一种方法是数字积分法：根据电工理论，电压有效值U和电流有效值I的定义不因波形畸变而改变： (3.1) (3.2)其中u(t)、i(t)分别为电压、电流的瞬时值，T为周期。若采用一阶后向差分离散化方法，每周期采样N次，则有 (3.3) (3.4)计算有效值的另一种方法是谐波分析法：对电压、电流进行谐波分析，求得各次谐波有效值，按电工理论，电压、电流有效值为： (3.5) (3.6)式中Uk、Ik为电压、电流第k

35、次谐波有效值，L为最高次谐波次数。以上两种方法相比，前一种方法计算量小，其误差与采样周期有关成正比，提高采样频率，可减小监测误差，一般情况下，数字积分法能满足监测精度。在满足一定条件下，谐波分析法理论上可实现无误差，但计算量较大。所以，采用式(3.3)和式(3.4)计算电压、电流有效值。设计中，被测电压、电流经采集后进入计算后，变成了一离散的序列信号u(k)、i(k)，再由LabVIEW中的RMS.vi节点便可实现式(3.3)和式(3.4)的计算，该节点位于功能模板Analyze VIsMathematics VIsProbability and Statistic VIs中。节点图标及其连接

36、端口如图3.1所示。图3.1 RMS.vi节点图标及其连接端口其中X端口接输入信号u(k)、i(k)，输出rms value为输入信号经式(3.3)和式(3.4)计算所得的有效值。3.1.2峰值的监测电压和电流的峰值(最大值)在某些情况下是很重要的监视量。电压的峰值(最大值)对设备绝缘影响很大，它可能导致设备的电击穿。如果电压为单一频率(基波)的正弦量，其峰值等于有效值的倍。如果含有谐波分量，则成为非正弦量，虽然各次谐波分量的峰值与有效值仍然保持的比例关系，但非正弦量的峰值与有效值之间不存在确定的比例关系，其峰值不仅与各次谐波的有效值有关，还与各次谐波的初相角有关，极端情况下，峰值可达到基波及

37、各次谐波分量最大值之和。事实上，在某些场合，即以 (m为最高谐波次数) (3.7)作为电压峰值的估计值。以基波及各谐波分量最大值和来估算峰值，在谐波含量高时，其值可能严重偏大。微机装置较精确地实时监测峰值，主要方法有以下两种：硬件监测方法：该方法采用峰值保持电路来保持信号在每一周期内的最大值，微机对这一最大值在每一周期内采样一次。该方法监测精度和实时性均好，只是要求设置峰值保持电路。软件方法：对信号的一组采样值求最大值。设对x(t)在每周期内信号采样N点得序列x0, x1,x2,xn，则 最大值=max|xi| (i=0,1,N-1) (3.8) 或：最大值=½(maxxi-minx

38、i) (i=0,1,N-1) (3.9)该方法的计算精度与每周期采样点数N、谐波含量及谐波次数有关。当谐波含量高时或特别是次数高谐波分量大时，必须增大N保证监测精度。为节省硬件资源，本设计采用软件方法来实现。在LabVIEW中可由Array Max &Min.vi节点方便地完成求一组采样值的最大值。该节点位于功能模板Array Funtions VIS中，节点图标及其连接端口如图3.2所示。图3.2Array Max &Min .vi节点图标及其连接端口输入端口array接采集数组，数组的最大值由max value端口输出。3.2 相位差的监测算法设电力系统输电线路的电压和电流

39、信号分别为： V(t) vsint (3.10) i(t) Isin(t) (3.11)其中为相位差，=2，为信号频率。显然v与i是相关的可以利用相关原理对i进行采样监测，再通过相关计算求得相位差。将式(3.11)展开，得：i(t)=asint+bcost (3.12)其中a=Icos，b=Isin。则 (3.13)将式(3.12)两边同乘以cost后，进行积分有： (3.14)式中t1为任意值，T为信号周期。由三角函数性质可推得： (3.15) (3.16)设N=T/T，将式(3.15)、(3.16)转换成离散函数得： (3.17) (3.18)在上述分析中，信号周期是已知的，则在试验中得先

40、测得其信号周期。本系统的相位监测分析：先用A/D变换器对V(t)进行采样，由程序求出其周期T、角频率，同时用A/D变换器对i(t)进行采样得到i(nt)，经相关计算后，由式(3.15)、(3.16)或(3.17)、(3.18)就可以得出相位差。监测原理如图3.3所示。程序处理需完成以下两项工作：完成对v(t)、i(t)两信号采集，并计算出其周期T和角频率；进行数据处理、计算，求得相位差并显示。通道1程序处理A/D变换输出相位差A/D变换通道2图3.3相位差监测原理图由于在LabVIEW程序中(3.17)、(3.18)比较难实现，因此采用(3.15)、(3. 16)式，则(3.13)得 用Lab

41、VIEW实现上式即可10。3.3 功率的监测算法有功功率和视在功率的监测单相有功功率的定义为： (3.19)将其离散化后得离散值计算公式： (3.20)视在功率的计算公式为： (3.21)上述为方法一，还有一种是利用离散化的电压及电流数字量来进行计算：视在功率的计算公式为： (3.22)有功功率的计算公式为： (3.23)式中Urms和Irms分别为电压、电流的离散量，为相位差角。无功功率的监测要想取得无功补偿的最佳效果，首先必须准确地监测无功功率。早期的无功功率概念是建立在单相正弦交流信号的基础上。其定义式为：Q=UIsin (3.24)其中I、U分别为电流、电压的有效值，为电流与电压的相位

42、差。含有谐波的非正弦电路中的无功功率的情况比较复杂，至今没有被广泛接受的科学而权威性的定义。目前主要有两种表达式：在时域中定义的S.Fryze定义式： (3.25)式中S，P分别为视在功率和有功功率。在频域中定义的Budeanu定义式：Q=UkIksink (3.26)式中Uk、Ik分别为基波和各次谐波的电压、电流有效值；k为各次谐波电压与电流的相位差。目前常用的无功功率数字化计算方法由无功定义和适用范围不同有三种：数字移相法：数字移相法的基本思想是在全周波内对三相电压、三相电流均匀采样N个点，然后用电压采样值乘以滞后点的电流采样值，做积分运算从而得到全周波内的平均无功功率： (3.27)式中

43、j代表第j个采样点，N代表全周波采样点数，可以被4整除。当系统中只有A、C两相电流互感器时也可以采用二瓦法计算无功功率： (3.28)数字移相法的主要问题在于数字移相的适应性。当被监测是单纯的三相正弦信号，可以通过控制采样点数及其均匀度的办法实现精密的数字移相11。但是，如果被测信号不是严格的正弦波，有谐波分量，则数字移相就要出现误差。其原因在于，数字移相90是按基波计算的，对三次谐波，相当于移了270，而对于五次谐波，相当于移相90所以此时的无功监测值存在着各次谐波造成的误差。Hilbert变换算法：该方法将一定频带内的电压信号所有谐波成分都移相90，并保持各次谐波的幅值不变。其计算公式为：

44、 (3.29)式中i(s)为对每次谐波都移相+90的采样序列，它可以由原始的采样序列经过希尔布特变换求得。从而克服了数字移相法的数字移相误差问题12。傅里叶分析法：傅里叶分析法的原理基于数学上的傅里叶变换。其基本思想是对被测回路的电压信号、电流信号按周期均匀采样，然后用一组正交三角函数(正弦量或余弦量)对采样值进行正交分解，使用各分解值计算线路的无功功率。傅氏算法是当前无功功率监测法中最为精确的算法，理论上不存在监测误差。其缺点在于计算量较大(每相线路均要监测电压、电流、有功功率、无功功率等参数)，但是DSP的应用就解决了计算量大的问题，从而可以在线监测系统中的无功功率和谐波含量。同时采样三相

45、电压、三相电流，采用快速傅立叶变换(FFT)算法，对电力系统中的电参数进行实时监测。本控制器中就是的采用的这种算法。采用以下算法则只需3次FFT，就可计算出三相电压、三相电流的FFT结果。若同时采样N点电压序列u(n)和电流序列i(n)，则可构造一个复序列： (3.30)对Y(n)进行FFT变换则可得到电压电流的频谱为U(K)=½Y(K)+Y(N-K) (3.31)I(K)=½Y(K)Y(N-K) (3.32)其中Y(K)和Y(N-K)分别是y(n)和y(n-k)的DFT变换。由此可导出各次(1KN/2-1)谐波电压和电流的有效值、有功功率和无功功率为： (3.33) (3

46、.34)Pk=1/NYR(k)YI(N-k)+YI(k)YR(N-k) (3.35)Qk=1/2NY2R(k)+Y2I(N-k)-Y2I(k)-Y2R(N-k) (3.36)式中YR(k)、YI(k)分别为Y的实部和虚部。Qk表示第k次谐波的无功功率，而全波形的无功功率由下式计算：Q=QK (k=1,2,) (3.37)第四章 系统的硬件部分交流同步采样采集信号，需用两路独立AD，信号进入采用RS-485总线，模块连接到PC机，实现数据通信，电力系统通用协议MODBUS，然后，虚拟仪器软件通过串口驱动程序，对应串口控件读取数据。从电力系统主系统图中的电压等级为220kV母线处采集电压、电流信号

47、，经滤波、信号调理等处理后变成-5+5V交流监测信号输入型号YWD-无-U-V5-O1-P3-RS的传感器，传感器输出O1为05V信号，此时传感器已把电力系统输送过来的高压信号变换成低压的可供USB采集卡工作的值，然后输入USB采集卡的XF1、XF3端，由XS3端输出并传送到计算机后LabVIEW进行数据处理和数据显示等。本课题的研究由硬件和软件两部分组成13。系统的硬件结构图，如图4.1所示：被测信号信号调理I/0接口设备数据处理计算机 图4.1系统硬件结构图由图4.1可知，系统的硬件包括：计算机和I/O接口硬件(本设计采用数据采集卡)。计算机一般为一台PC机或工控机，它是硬件平台的核心。I

48、/O接口硬件：主要完成被测输入信号的采集、放大、A/D转换。可根据实际情况采用不同的I/O接口硬件设备，如：数据采集卡、总线仪器模块、串口仪器等。本设计采用USB数据采集卡，该卡是USB总线兼容的数据采集板，具有体积小、即插即用等优点。它能为用户提供32路单端模拟信号输入，16路开关量输入、输出，最大采样速率为400kb/s。本设计用它来实现对两路电压、电流信号的采集，它将采集的模拟信号转换成数字信号并输出到计算机中。4.1 传感器交流电压、电流信号经滤波、信号调理等处理后变成-5+5V交流监测信号，通过通信接口送入计算机系统，由计算机系统进行相应的分析处理，显示电压、电流、频率、功率、相位等

49、电力参数的测量结果。通过另一个通信接口可以实现与其它智能系统的信息交换或打印输出信息等。本课题中采用的是涌纬公司的YWD-无-U-V5-O1-P3-RS型智能交流电压数显变送仪，它具有性价比高，稳定性好等特点，是一种经济、实用的交流电压(电流)测量及控制仪器14。产品型号描述：YW YW：涌纬公司；尺寸规格 J：96mm×48mm×112mm；D：55mm×75mm×117mm功能有 K：控制器；无：变送器（无控）分类 U：电压；I：电流输入量程电压 电流V1：0100V A1：01AV2：0200V A2：05AV3：0300V V4：0400V V4

50、：0500V V5：0600V 输出 O1：05V；O2：420mA电源 P1：DC1872V；P2：AC85265V、DC80330V；P3：AC220V通讯端口 无：没有通讯端口；RS：带有485通讯端口本设计中采用的传感器，具有准确度高、整个量程范围都有极高的线性度、集成度高、构简单、于定于定期校验、抗干扰能力强等显著特点。通过传感器把电力系统输送过来的高压信号变换成低压的可供采集卡工作的值，从而达到输入和输出的变换14。4.2 USB数据采集卡数据采集系统是对模拟信号进行数字化，从而获得大量数字数据以便进一步进行数据的分析和处理。数据采集系统是外部被测模拟信号进入监测仪器、系统的必经通

51、道，有时也叫预处理系统。所谓进行数字化就是以一定的时间间隔测定各时刻的瞬时值，再将各瞬时值转化成数字量，从而使时间和幅值上都连续变化的模拟信号在时间上被离散化，在幅值上被数字化。A/DA/DBufferBuffer驱动程序发射接收LabVIEW程序硬件显示外触发储存Buffer图4.2数据采集示意框图在数据采集系统中，微处理器的发展是非常迅速的，从最初的8位单片机发展到高速的DSP，数据运算和处理能力越来越强。数据采集系统构成现代测试系统的基础，由它构成的监测仪器包括数字式仪表、智能仪器、虚拟仪器等。信息社会的发展，在很大程度上取决于信息与信号处理技术的先进性。数字信号处理技术的出现改变了信息

52、与信号处理技术的整个面貌，而数据采集作为数字信号处理的必不可少的前期工作在整个数字系统中起到关键性、乃至决定性的作用，其应用已经深入到信号处理的各个领域中。实时信号处理、数字图像处理等领域对高速度、高精度数据采集卡的需求越来越大15。USB模板是USB总线兼容的数据采集板，可经USB电缆接入计算机，构成实验室、产品质量检验中心、野外测控、医疗设备等领域的数据采集、波形分析和处理系统，也可构成工业生产过程控制监控系统。而且它具有体积小，即插即用等特点，因此是便携式系统用户的最佳选择。USB是英文Universal Serial Bus的缩写，中文含义是“通用串行总线”。它不是一种新的总线标准，而是应用在PC领域的新型接口技术。系统中之所以采用USB型数据采集卡，是因为USB接口有以下优点：(1)使用方便：使用USB接口可以连接多个不同的设备，支持热插拔(即在主机带电情况下，可以动态的插入和拔出设备)，在软件方面，为USB设计的驱动程序和应用软件可以自动启动，无需用户干预。USB设备也