基于LabVIEW电能质量监测仪设计

精选优质文档-----倾情为你奉上精选优质文档-----倾情为你奉上专心---专注---专业专心---专注---专业精选优质文档-----倾情为你奉上专心---专注---专业毕业设计（论文）题目基于LABVIEW的电能质量监测仪设计摘要目前，供电企业和用户开始高度重视对电网电能质量监测的问题。一方面是因为影响电能质量的因素日益增多，如今广泛使用非线性设备和电力电子装置，使电网中的电流和电压波形发生畸变，导致电能质量的恶化。另一方面，各种精密、复杂的，对电能质量敏感的电气设备的普及，使人们对电能的可靠性及其质量的要求与日俱增。因此，研究供电质量监测的方法，找出导致电能质量下降的原因具有重要的工程和理论价值。本论文设计并给出了以测控领域的最新技术——虚拟仪器平台为基础的电能质量监测系统。该系统能够对电流、电压、频率、相位、电网谐波、三相电压不平衡度、电压波动和闪变等电能质量参数进行实时地监测，并且具有在线分析功能。本文是使用美国NI公司开发的图形化开发软件LABVIEW进行系统程序构建，结合使用NI公司的配套设备PCI-6024E（数据采集卡）以及传感器、变送器等硬件设备，组建了一套电能质量监测仪系统。关键词：电能质量，在线监测系统，LABVIEW，虚拟仪器AbstractPowerqualityisanessentialconcernofelectricalutilitiesandcustomers.Ononehand,thefactorswhichaffectthepowerqualityareincreasing,forexample,thedistortedwaveofvoltagesandcurrentscausedbytheextensiveapplicationofpowerelectronicapparatusandnonlinearequipmenthasworsenedthepowerquality.Ontheotherhand,thepopularityofthecomplicated,exactitudeandpowerquality-sensitiveelectricityapplianceshasmadepowerqualitymoreimportant.Researchonthepowerqualitymonitoringandanalysismethodisofgreatvalueinboththeoryandpractice.Thispaperwasdesignedbasedonthelatesttechnologyincontrolfield-powerqualityparametersmonitorsystemonthevirtualinstrumenttechnologyplatform.Itcanmonitorelectricpowerparametersincludingvoltage,electricalcurrent,phase,frequency,three-phasevoltageunbalance,harmonicandthevoltagefluctuationandflicker,andcanalsoprovidedetailedpowerqualityanalysisinrealtime.ThispaperistouseAmericanNIcompany'sgraphicalLABVIEWsoftwaretobuiltthesystem,byusingacombinationofconstructionprogramNIcompanyauxiliaryequipmentPCI-6024E(dataacquisitioncard),sensorandtransmittershardwareequipment,establishedasetofpowerqualitymonitoringwithprecismeasurementability.Keywords:powerquality,on-linemonitoringsystem,LABVIEW,virtualinstrument目录TOC\o"1-3"\h\u1.绪论1.1课题研究背景与意义目前，电能已经成为人类社会不可或缺的一种资源，人们利用它完成各种所需要的工作，它已经成为人类赖以生存和发展的重要部分。它承载了太多太多，如今开始不堪重负，但是现代社会恰恰相反，对电能的质量的要求却反而越来越高，这样的矛盾必然会引来社会性的问题，因此不少的专家和学者们都对这个问题陷入了沉思。最近几十年来，一方面，工业科技的迅速发展给人类带来了进步，但是与此同时也给电能质量带来了大量的沉重负荷，给电网造成了不可磨灭的破坏；另一方面，随着科学技术的进步，无数的精密仪器被引入到电网中来，这些精密仪器对电能质量的要求越来越高，而电能质量不断恶化已经带给用户不少损失。当今社会电力部门追求电能经济效益最大化的过程中，电力部门必然会要求电能质量的不断提高，并且使电能质量的标准不断完善。在今年来大规模的国际国内供电会议上，有关电能质量的标准制定比比皆是，大多都是围绕电能质量的概念、标准、测量和改善的相关研究。从某种程度上讲，电能质量已经成为当今社会即将面临的一个严峻的挑战之一。IEEE（美国电气电子工程师协会）和IEC（国际电工委员会）都对电能质量进行了相关的界定和分类。并且将电能质量问题分类成：瞬时现象、短时变动、长时变动、波形畸变、电压不平衡、电压波动和工频现象等七种。联系我国实际情况和IEEE与IEC的标准，我国也相继颁布了关于电能质量问题的五项指标分别是：电网频率允许偏差、供电电压允许偏差、公用电网谐波、三相不平衡度、电压波动与闪变。根据调查知道，我国目前使用的电能质量监测的仪器相对国外的产品还比较落后，主要是基于单片机的检测设备，抗干扰能力很差，也不能稳定准确的检测分析电能质量的本质问题。然而使用国外的产品成本相对来说偏高，并且维护和升级很麻烦，不能满足要求。正因为如此引入新技术是十分有必要的，在控制领域中虚拟仪器可以算最先进的仪器技术，可以使用这种技术来研制电能质量的监测设备，来对电能质量进行实时的在线监测，以保证电网的安全、稳定的运行。电能质量关系到国家的命脉，特别是涉及到电力、铁道、化工、冶金、IT等诸多行业的发展。因此国内国外的专家学者们都引起了高度的重视，并且随着经济发展和工业管理体制的转变，电网逐渐实现了商业化的管理体制，使得用户不断地追求高质量的电能供应，这给电能供应商除了个难题，也促使电能质量的向前发展不断提高。1.2国内外对电能质量的监测研究现状随着对电能质量问题的逐步重视，针对这一问题的研究也如雨后春笋一样蓬勃发展起来，特别是在工业发达国家，已经得出了不少的研究成果。在国内外，目前主要使用的监测方式是使用智能仪器，由数字技术和相关的硬件组成。这种仪器的体积庞大，测量精度不高，容易受到外界环境的影响，而且在测量不同的电能指标时还要更换相应的硬件设备，这些弊病给监测带来了诸多不便。为了增加同时测量的指标，不得不加入各自的硬件电路，这样以来设备的体积更加庞大，不能实时的保存测量数据，观测历史数据极为不方便。国内的电能质量设备研究起步较晚，传统的电能质量检测仪有以下几点缺陷：①生产调试率低下问题。②功能单一型问题。③开发周期和开发费用问题。虚拟仪器的出现为上述问题带来了解决办法，彻底的改变了这一现状，它将信息通讯、仪器仪表、信息通讯、计算机技术相结合，使用强大的计算机来实现庞大的硬件电路的测试功能。本论文设计了基于虚拟仪器的电能质量监测系统，通过计算机的高速计算能力对电能质量进行在线监测，使电力部门能实时的掌握电能质量情况，便于对突发状况作出有效的补救措施，避免不必要的损失。1.3本论文主要工作本文在对电力系统的电能质量指标及测量方法进行研究的同时，设计了基于LABVIEW的电能质量监测仪，通过在线监测电压波动和闪变、电压和频率偏差、电网谐波、三相不平衡度进行在线监测、并且对结果进行计算和分析。主要工作如下：（1）、对目前国内外电能质量的现状进行了解，知道目前电能质量已经成为了社会的热点话题，针对改善电能质量的方案层出不穷。（2）、对我国电能质量监测现状做了了解和学习，发现我国的监测技术尚未成熟还需要进一步的研究和开发。（3）、讨论衡量电能质量监测和电能质量问题的指标的方法，并对电网谐波和闪变的测量方法进行研究，寻找提高测量精度的措施和方法。（4）、学习使用虚拟仪器软件LABVIEW，在此平台上开发了电能质量监测系统的软件系统设计，此系统在功能上可以代替电能质量监测仪的部分硬件，主要功能是检测电网电压、频率、三相不平衡度、谐波含量及电压波动与闪变，并判断到得的数据是否符合国家标准。设计了相应的硬件部分，此部分在整个检测过程中主要起到获取电压电流的物理量，进行数模转换、数据采样并传输到PC的功能。（5）、对本次设计项目的总结，对前景的展望以及对不足之处的认识。

2.电能质量指标及测量方法2.1电能质量指标简介为了找出引起电能质量下降的原因，并且系统的研究电能质量问题，在线分析其测量结果，以便采取相应的措施来解决，我们一定要先对电能质量的各项指标有所了解。电能质量指标是对指一些能够对电能质量各方面的进行具体描述的数字量，不同电能指标的意义都是不同的。目前我国制定的电能质量指标主要包括以下几项：电网电压和频率允许偏差、三相不平衡度、公用电网谐波、电压波动与闪变。还有暂态电能质量问题、长持续时间电能质量问题和短持续时间电能质量问题等，不难看出，我国的电能质量监测还处在起步阶段。目前工业生产中有些指标已经是急需提出的，但仍没有作出相关的规定。因此，如果要建立电能质量完整标准体系，需要开展的工作依然很多。2.2电网电压允许偏差电网供电电压允许偏差是指电力系统电压缓慢的变化时额定电压与测量电压之差。通常指电压小于1%/秒的速度测量电压和额定电压的差异，表示为：(2-1)偏差过大造成的危害有如下几点：⑴对电气设备的危害，电气设备的设计在额定电压的工作情况下，具有最高的效率和性能。电压偏差使其工作时的的性能和效率减少，有的还会减少使用寿命，电压超过一定值的电压偏差会造成设备的损坏。⑵影响电网的安全、稳定、经济运行，当系统的电压降低时，发电机会受到影响，主要表现在定子电流增大，当电流此时已经是额定值时，如果电压突然降低，电流则会超过额定值，影响电机的运行，甚至带来故障。类似的变压器也要减少负荷，有时甚至会导致电压崩溃的严重后果，因为系统中无功功率短缺时，母线电压可能因为微小扰动而大幅度下降，导致电网崩溃这样的灾难性事故。在国家标准《电能质量——供电电压允许偏差》（GB-12325-1990）[1]中规定：⑴35kV及以上供电电压偏差的绝对值之不能超过额定电压的10%。若供电电压上下偏差同号（均为正或负）时，按偏差绝对值较大的那一个作为衡量依据。⑵10kV及以下三相供电电压允许偏差为额定电压的±7%。⑶220V单相供电电压允许偏差为额定电压的+7%，-10%。供电电压为供电部门与用户的产权分界处的电压或由供用电协议所规定的电能计量点的电压。2.3电网频率允许偏差2.3.1频率偏差的测量方法电力系统的频率是指单位时间内电信号周期性运动次数，用f表示，单位为Hz。当电力系统运行在正常条件下，系统频率的实际值与标称值(工频)之差称为系统的频率偏差，用公式表示为式)：(2-2)式中：为实际频率，为偏差频率，为系统标称频率。目前，测量频率的主要方法有：(1)周期法，通过测量输入波形相邻过零点之间的时间宽度的倒数来计算频率。这种方法的概念清晰，容易实现，但精度低，容易受噪声、谐波和非周期分量的影响。对这种算法的改进主要是提高实时性和测量精度，改进算法主要有：高次修正函数法、水平交算法（levelcrossing）、最小二乘多项式曲线的拟合法，这些算法的计算量和复杂度都很大。(2)误差最小化原理类算法，包括最小绝对值近似法、最小二乘算法、离散卡尔曼滤波算法、牛顿类算法，这些算法运算比较复杂，但实时性不佳。(3)DFT(离散傅里叶变换)类算法及其改进算法（FFT）。在理想的模型下DFT(FFT)类似算法，只要参数选择合适就能准确的地计算出模型的参数，在考虑噪声和谐波的情况下，各类改进算法虽然能在一定程度上减小测量误差，但存在时滞和增大计算量等缺点。但是实际运用中通常依然采用这种方法。2.3.2频率偏差的危害频率偏差也是电能质量的重要指标之一。现代用电设备对频率的要求比较高，特别是在发电厂的用电负荷上，要求更高。对频率的控制是保证发电厂和用户正常运行的前提条件。电力系统频率允许偏差，顾名思义就是基波频率与额定频率的偏离程度。《电力系统频率允许偏差》中有规定：电力系统在正常情况下允许的频率偏差为±0.2Hz，如果系统容量较小，偏差值可以适当的放宽到±0.5Hz。冲击负荷用户引起的频率变动一般情况下不得超过±0.2Hz，根据特殊的冲击负荷大小和性质以及系统的其他条件，限值也可做适当的变动，但前提条件是必须保证近区电力网发电机组以及周边用户的安全稳定运行以及正常供电。系统频率的过大变动会对用户和发电厂照成的不良影响主要有如下几个方面：(1)异步电机转速变化率的变化,导致纺织、造纸机械产品质量的影响；(2)某些测控设备的运行也需要很依赖频率，一旦频率偏差过大将不能正常工作(3)频率下降会引起电动机的功率和转速降低，造成传动机械的效率下降；(4)发电厂的汽轮机叶轮振动随着频率降低而变大，影响其使用寿命；(5)系统的频率下降，发电厂效率降低，使系统频率的质量雪上加霜；(6)变压器和异步电机电流随系统频率降低而增加，消耗的无功功率增加，电力系统的电压水平进一步恶化；总之，所有用电设备的设计都是遵循系统额定值的，电力系统频率质量下降必然会影响到各行各业的发展。而频率过低时，可能会使整个电力系统瓦解，造成大面积停电的严重事故。2.4电网三相电压允许不平衡度2.4.1对称分量法介绍在三相交流系统中，如果三相频率相同、相量大小相等且互差2π/3时，为理想状态，称为三相平衡系统，否则称为三相不平衡系统。实际中的电力系统不可能是完全平衡的，引起这种不平衡的因素有正常性和事故性两大类:如果是由于三相系统中某一相或两相出现故障而导致的三相不平衡，称之为事故性的不平衡，这种不平衡工况是系统不允许的，一般由自动装置和继电保护装置动作切除故障源，在短期内就可以使系统恢复正常运行；如果是由于系统负荷不对称或三相元件不对称所致，这种不平衡被称为正常性的不平衡。在这里需要声明，“三相电压允许不平衡度”的制定是针对正常不平衡工况。总所周知，在三相电力系统中，电量可被分解为零序分量、正序分量和负序分量这三个对称分量，因此对三相不平衡的研究需要使用到一种方法叫做对称分量法。由对称分量法可知，当电力系统工作在正常方式下，某电量的三相不平衡度定义为该电量负序分量的均方根值与其正序分量的均方根值之比，用符号表示，即：(2-3)式中：U1是三相电压正序分量的均方根值；U2是三相电压负序分量的均方根值。由式（2-3）可见，在计算三相系统的不平衡度之前，必须首先知道三相系统的负序分量和正序分量。并且测得各相量的相位及大小，再根据对称分量法将三相不对称的分量分解为三项对称的分量，即正序分量、负序分量和零序分量：(2-4)式中，；(2-5)如果三相电量中不含零序分量时(例如无中线的三相线电流、三相线电压)，当已知三相量Ua、Ub、Uc时，可以用下式求的不平衡度：(2-6)式中：与此类似，三相电流不平衡度也可以用其相应的公式计算，只需将其中的电压符号换为相对应的电流符号。2.4.2三相不平衡的危害[2]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出力。(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)电压不平衡使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)电压不平衡使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，只带单相负荷时则设备利用率仅为0.577。(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。根据国家标准《电能质量三相电压允许不平衡度》的规定，电力系统正常运行方式下，公共连接点正常电压不平衡度允许值为2％，短时不得超过4％。2.5公用电网谐波2.5.1谐波源及谐波的定义谐波是一个频率为基波频率整数倍的正弦周期性分量[3]。这一定义说明谐波次数是正整数，这一概念需要区别于电磁兼容中的次谐波、分数谐波和间谐波等概念。另外，还要与暂态现象区别开来，谐波的电压电流波形基本保持不变，而暂态现象电压电流波形是每个周期都要发生变化的。谐波的产生，主要是由于在电力系统中引入用电整流设备和大容量电力设备以及其它非线性负荷，这些设备对系统危害很大。工业上一般用总谐波畸变率、谐波含有率这两个专业词语来表示谐波的严重程度。第h次谐波电压含有率：(2-7)式中：：第h次谐波电压(均方根值)；：基波电压(均方根值)。谐波电压：(2-8)电压总谐波畸变率：(2-9)电流的谐波计算类似于电压的计算公式，这里不一一列出。对谐波的测量通常情况下，往往会选取用户和电网连接的公共连接点作为谐波检测点，但是有时候为了掌握电网谐波水平，还应该在电厂内部、主变电站内部设置检测点，用来监测有关线路的谐波电流和电网的谐波电压水平。系统中的谐波源主要可分为两大类：(1)含电弧和铁磁非线性设备的谐波源，如日光灯和发电机、交流电弧炉、变压器及铁磁谐振设备、交流电焊机等。家用电器设备虽然其容量小，但是数量却很大，因此也不可忽视。电气铁道机车一般采用大容量单相整流设备，这除了会给电网带来三相不平衡外，还会产生大量的谐波；类似于电弧炉等含有电弧的设备，例如电焊设备和冶炼设备，会产生间谐波，还会产生高次谐波，简谐波的引入可能引起电压波动和闪变。这些设备的大量引入都会给电力网的电压电流波形带来畸变，同时对电力设备、通信线路、广大用户电气设备及电子设备产生危害和干扰。(2)含半导体非线性元件的谐波源，如各种整流设备、交直流换流设备、整流器、相控调制变频器以及现代工业设施、变流器、为节能和控制用的电力电子设备、直流拖动设备、PWM变频器等；2.5.2谐波的危害在电力系统中主要是各种谐波源产生的谐波对电力系统电能质量造成污染，以致整个电力系统的电力环境包括广大用户和电力系统本身。因为其污染影响的距离远、范围大，甚至比工厂对大气环境的污染更为严重。第一类是对计算机控制器或系统、继电保护器的动作、仪表测量以及视听设备的影响，它可能造成设备的性能恶化或工作失误，甚至毁坏；第二类是对机电设备的影响，它可能造成设备降低出力、减少设备寿命、甚至损坏等。具体表现为：(1)引起无功补偿电容器组的谐振或谐波电流放大，直接导致电容器因过电压或过负荷而损坏。(2)使发电机和电动机产生脉动转矩和噪声，增加功率损耗和发热。(3)当发生谐振或放大时，导致供电网和导线的损耗增加。(4)当存在负荷电流畸变时，电流波形畸变将会影响断路器断路容量，特别是在在过零点，可能会造成电流波动变化率过高，断路器的开断将更为困难，这时开断时间必然会延长，因而延长了故障电流的切除时间，直接造成快速重合闸后的再燃。(5)降低了变压器负荷能力，负荷电流中的谐波流过变压器时，必然会在变压器中造成的损耗，引起附加发热。(6)谐波可能导致触发回路误触发以及晶闸管误动作等故障。综上所述，可知谐波的引入将会给各种电力设备通信设备带来有害影响。甚至有可能会造成电力系统事故和设备损毁。特别是在近年来电力电子设备迅速增长的同时，给电网引入了不少的谐波，然而目前对它们谐波的影响问题还没有做出充分的研究。所以此次研究的必要性十分明显。2.5.3国标中关于谐波的规定国家标准在电能质量规定中对公用电网谐波有如下限制，对公用电网谐波电压的限值如表2-1所示：表2.1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0.385.0%4.02.064.0%3.21.6104.0%3.21.6353.0%2.41.2663.0%2.41.21102.0%1.60.8国家对谐波的测量仪器也有一定的评定标准：(1)必须满足本标准测量的要求。(2)为了将谐波和暂态现象区别开，做如下规定：对负荷变化比较快的谐波，测量结果为3s内所测值的平均值，推荐采用下式计算：（2-10）式中：3s内第k次测得的h次谐波的有效值；m：3s内取均匀间隔的测量次数，m≥6。(3)谐波测量仪器的允许误差，应该在规定范围内。(4)由于现场环境必然会有电磁干扰，因此要求仪器有一定的抗电磁干扰能力。并且仪器必须保证频率在49Hz―51Hz内，电源在标称电压15%范围内，电压总谐波畸变率低于8%的条件下能正常工作。2.6电压波动和闪变2.6.1电压波动和闪变的定义及简介电压闪变是指人眼对由电压波动所引起的照明异常的视觉感受，它通常是以白炽灯的工况作为判断依据，将电压闪变可分为非周期性和周期性两种，前者主要是由于随机性电压的波动引起的，如电焊机等；后者主要与周期性的电压波动有关，如往电弧炉、复式压缩机等。这些不平衡的非线性冲击性负荷会引起有功和无功功率周期性大幅变化，当这些波动电流流过阻抗时必然会引起电压降落，导致与之连接在一起的电网其他线路电压发生波动，这种波动就是电压波动，其频率与波动电流的频率相同。电压波动通常是指电压幅值在一定范围内随机的或有规律的变动，这个范围通常定位额定值的90%到110%。电压波动值的计算方法为：通常用额定电压的百分数表示其相对百分值d，即：(2-11)式中：Umax与Umin为电压均方根值的两个极值电压波动通常会引起电视画面质量变化、使电子仪器测量失常、使电动机产生转速脉动、使白炽灯闪烁等等，以致许多用电设备不能正常工作。在众多用电设备中，白炽灯对电压波动的敏感度相对较高，而且很常见。因此，选择人眼对白炽灯亮度闪烁的主观视感，即“闪变”，作为衡量电压波动严重程度的评价指标。2.6.2电压波动和闪变的测量方法闪变是对灯光闪烁观测的统计量，因此闪变不仅与波动电压的幅值、波动电压的频率有关，而且与照明工具的性能、人的视觉有关。闪变能觉察到的最大频率范围为0．05-35Hz，其中敏感度最大频率为8．8Hz。闪变严重程度的判断一般用长时和短时闪变值和两个指标来判别[4]。实际应用时通常用以下5个时段的测定值来计算短时闪变(在10min内)的平滑估计值。表示短时闪变严重度，计算公式为：(2-12)式中：分别为CPF曲线上以下五个时间点0.001、0.01、0.03、0.10和0.5的S(t)值。N个波动电压引起的闪变在同一节点上相互叠加，短时间闪变值可按式（2-13）计算：(2-13)式中：m值取决于主要闪变源的工况的重叠可能性以及性质短时闪变值只适用于对单一闪变源造成的干扰进行评价，对于系统长时间运行并且工作占空比不确定的多闪变源运行的随机情况，则必须计算长时间闪变值，可由下式计算获得：(2-14)式中n为测量长时间闪变值的时间内，短时间闪变值出现的个数。2.6.3国标中电压波动与闪变的规定在《电压波动和闪变》一文中，对电压波动和闪变有以下限值，见表2.2,表2.3所示。在一定时间范围内，对于很少的变动频度，其电压变动的限值还可以放宽。然而对于随机性不规则电压波动，依据95％概率大值进行衡量，表中标有“*”的值为其限值。本标准的系统标称电压等级按以下划分，高压(35kV<≤220kV)，中压(1kV<≤35kV)，低压(≤lkV)。标准中和每次测量周期分别取为2h和10min。表2.2电压变动限值变动频度r（每小时）电压波动d（%）低压、中压高压r≤1431<r≤1032.510<r≤1002*1.5*100<r≤10001.251表2.3各级电压的闪变限值系统电压等级低压中压高压1.00.9（1.0）0.80.80.7（0.8）0.6

3.电能质量测量过程中的相关问题该部分主要对采样定理、FFT分析谐波和闪变的测量方法进行了简要研究。找到了提高谐波分析精度的方法和措施，减小谐波分析过程中不利因素。针对闪变测量存在的问题，本文提使用IEC提供的数值化算法，提高了闪变的测量精度。3.1采样定理在实际工作中，信号的采样是通过A/D芯片来实现的。信号的采样定理将连续信号和离散信号巧妙的链接起来，是进行离散系统设计和离散信号处理的基础。采样定理(samplingtheory)规定：若连续信号x(t)是有限带宽的，其频谱的最高频率为，对x(t)采样时，若保证采样频率≥2，那么，可由x(n)恢复出x(t)，即x(n)保留了x(t)的全部信息。3.2混叠现象与FFT分析在计算机中处理数字信号，通常是是通过先对原有电气信号进行采样，然后再送到计算机。在实际应用中，如果将采样频率过低，就达不到采样定理对频率的要求，会造成FFT分析时频谱的混叠；如果将采样信号的频率选得过高，单位时间内采的样点数就会过多，直接造成存储量增多而导致计算时间过长。例如，假设一个信号由两个频率为、的正弦波叠加而成，其幅值分别为、，采样频率如果选为，并且有<<,=+n，（n为正整数），这时，每个采样点k处都有(3-1)在这种情况下在进行FFT变换，频率为的正弦波德幅值就会叠加于频率为的正弦波幅值上，因而采样频率不能正确分辨两个正弦波的幅值，这就是混叠现象。通常情况下的作傅立叶变换可以求出模拟信号的连续频谱，其数学方法为DFT(离散傅立叶变换)。但是使用DFT来计算时计算过程复杂、计算时间比较长，其改进算法FFT（快速傅里叶变换）节省了计算时间和计算量，提高了频谱分析的时间。减少了计算机内存的占用。但是使用常规的脚本编程来实现FFT，仍然需要较大的编程工作量和较高的编程技巧。美国NI公司开发的变成软件LabVIEW，解决了这一难题，它提供了基于FFT算法的多种计算子VI，我们在编程的时候只需要从函数库中调用这些VI就可以实现复杂的FFT分析，例如：波形VI、ExpressVI,基本函数VI三个层次的丰富的频域分析处理函数。使用这些函数，可以快捷地进行时域到频域的转换，也可以用来进行频谱,功率谱,相位谱的分析，这些功能的实现为谐波测量系统的构建带来了极大的便利。3.3闪变测量的数字化实现方法3.3.1闪变的具体测量方法闪变得测量之所以复杂是因为，闪变不能类似于其他指标由定性的公式推导出来，它是人眼对白炽灯照度变化的一种直观感受，它的测量需要对大量的被测人群感觉的数字统计和分析来的到一定的经验数据。而且影响闪变的因素众多，无法一一区分的研究，智能使用模糊测量的方法，进行分析。目前，国际上较多采用的是：IEC（国际电工委员会）和UIE（国际电热协会）推荐的统计方法[4]。这里以IEC推荐的为重点，它采用不同幅值、频率的调幅波和工频电压为载波叠加后向230V、60W白炽灯供电照明，在对观察者的视觉感受调查后进行统计分析，可得到被调查者中难以忍受者和有明显觉察者的数量占被调查者总数量的比值，即闪变察觉率F(%)：（3-2）式中，A为没有察觉的人数，B为略有察觉的人数，C为有明显察觉的人数，D为难以忍受的人数如果测得结果F(%)超过50%，说明此时灯光的波动对于大多数人来说是有明显影响的，如果把F(%)大于50%设定为闪变的限值，那么可以相应得到电压波动在此种试验条件下的限值。瞬时闪变通常用瞬时闪变值来描述也就是通常所说的瞬时闪变视感度S(t)。S(t)是电压波动的波形、频度、大小等作用的综合结果，评估衡量闪变时是以其时变曲线为依据的。通常规定当F=50%时，对应的S=1为察觉单位为，换句话说，如果S>1为闪变不允许值。3.3.2电压波动测量的理论原理电压波动检测方法有很多种，例如：有效值检测法、平方检测法和整流检测法等。我们这里选着IEC推荐的平方检测法[5]。为检测电压波动分量，以工频电压为波动电压的载波，并且受到以波动量作为调幅波的调制。为了不失一般性，这里我们以只含有单一频率调幅波的电压为例，也可以使分析简化，因此调幅波解析式为：（3-3）式中，V－调幅波电压的幅值，U－工频载波电压的幅值，Ω－调幅波电压的角频率，ω－工频载波电压的角频率调制波电压自乘求平方，有(3-4)可以看出，调幅波电压平方项中只含有以下频率分量：ω、2ω、Ω、2Ω、2（ω±Ω）、2ω±Ω。可以使用0.05hz-35hz的带通滤波器滤除直流分量和高频分量，又由于调幅波电压的倍频分量的幅值远小于调幅波，因此可忽略不计，便可以近似获得调幅波电压。（3-5）3.3.3IEC推荐的闪变仪介绍UIE/IEC闪变仪的简化原理框图如图3.4所示。图3.4给出了闪变测量环节，可以将其分为三个部分：第一部分为信号调理和自检部分，由框1组成，；第二部分由图中框2、框3和框4组成，用来模拟灯-眼-脑环节。第三部分由框5组成，主要功能为将测量到的瞬时闪变视感度进行分析[6][9]。平方低通滤波器带通和加权滤波平方检测滤波器平方低通滤波器带通和加权滤波平方检测滤波器闪变的统计评定输入适配自测信号\\框1框2框3框4框5框1框2框3框4框5灯-眼-脑模拟环节灯-眼-脑模拟环节图3.4闪变仪的简化原理框图框1为包括两个主要部分，即信号发生器和电压适配器。其中信号发生器是用来产生调制波电压。电压适配器则是用于对被测电压信号进行调整，使之适合仪器要求的输入电压数值。框2使用平方解调器取出电压波动的量，此波动量与调幅波幅值成线性关系，用来来模拟灯的作用。框3模拟人眼的功能，IEC推荐的传递函数为：（3-6）式中K=1.74802,=2π×4.05981,=2π×9.15494,=2π×2.27979,=2π×1.22535,=2π×21.9框4模拟人脑的功能，通过积分和平方两个滤波环节来实现。其中的平方器的功能为模拟人、眼、脑的觉察过程。框5为输出级。通过数字分析方法进行概率统计处理框4输出的瞬时闪变视感度S(t)。此时采样频率必须满足奈奎斯特定理，最后根据实测计算得到长时间闪变值和短时间闪变值。

4.基于虚拟仪器技术的电能质量监测系统设计4.1硬件部分设计虚拟仪器的核心思想为“软件就是仪器”，这一思想解决了电能质量监测的瓶颈问题。本文就是采取虚拟仪器技术来构建系统，虽然虚拟仪器是以软件为主，但是也需要相应的硬件来支持。在本系统中硬件部分主要有：传感器、信号调理器、采集卡、上位机。其中传感器主要功能是电量检测和隔离的功能；信号调理器的功能主要是将传感器检测到的电压电流转换成适合采集卡输入范围的电量；采集卡完成模数转换和采样的功能；上位机主要起到计算处理数据和配置硬件的功能。下面是系统总体结构图：数据处理计算机信号调理电路电压电流传感器数据处理计算机信号调理电路电压电流传感器用户用户据采集卡图4.1系统总体结构图4.1.1传感器传感器有很多种类，这里用到的时互感器，是对比较大的电压电流量进行检测得到适合数据调理器的电压电流量，因此互感器起到了隔离的作用，以避免过大的电网电压电流损毁测量设备。互感器有两种：电压互感器（VT）和电流互感器（CT）,此环节在测量过程中起到至关重要的作用，一旦这个环节出错，后面的测量将没有任何意义，因此传感器的参数设置是十分重要的。本系统采用DVDI-0001卧式电压电流多用传感器，既可以用作电压传感器，也能用作测量电流。工作频率范围为2HZ-20KHZ，常态时绝缘电阻大于1000。做电压互感器时直接使用，电路原理图如图（4.2）所示；做电流互感器使用时，需要在互感器中心插入一匝线圈，原理图如图（4.3）所示。图4.2电压检测电路图4.3电流检测电路系统运算放大器电源采用稳压管三端稳压，减少电源干扰，运算放大器型号为OP07。图（4.2）中R1将电压信号变成电流信号，满足条件即可。的作用是将电流信号变成电压信号，电压输出大小为。图（4.3）中类似的不同的是将电流转换为电压测量，关系式为。4.1.2信号调理器信号调理器的功能前面已经介绍，这里不重复说明。这里信号调理器主要有两部分组成：电压跟随器、信号放大器。第一部分为电压跟随器，作用是是输出紧紧跟随输入变化，这样后面的采样才能得到电网实际的波形；第二部分为信号放大器，主要功能是将电压信号的幅值调节到适合采样卡的输入范围以内。再者，信号调理器是一种多通道、高性能的开关平台，可以提哦那个多路信号调理。单通到的原理图如图4.4所示。图4.4信号调理电路4.1.3数据采集卡本系统采用NI公司推出的数据采集卡PCI-6024E,实物图如图4.5所示，此采集卡的主要功能及主要参数如下所示：16路单端/8路差分模拟输入12位精度200KS/s采样率200KS/s磁盘写入速度±0.05到±10V输入范围最多两路12位模拟输出最多32条数字I/O线两路24位计数器/定时器

数据采集卡驱动程序是由NI公司开发的DAQmx，在使用LABVIEW时，需要创建采集任务，首先要安装Mesurement&AutomentionExplorer，安装成功后在LABVIEW的函数选板中打开EXPRESS,选择DAQ助手函数如图4.6所示，将该VI放到程序框图上，对其进行设置，选择需要采样的数据类型以及通道数和信号输入范围。图4.5采样卡实物图图4.6DAQ助手4.2LABVIEW虚拟仪器简介虚拟仪器（virtualinstrument）是基于计算机的仪器。计算机和仪器的密切结合是目前仪器发展的一个重要方向。粗略地说这种结合有两种方式，一种是将计算机装入仪器，其典型的例子就是所谓智能化的仪器。随着计算机功能的日益强大以及其体积的日趋缩小，这类仪器功能也越来越强大，目前已经出现含嵌入式系统的仪器。另一种方式是将仪器装入计算机。以通用的计算机硬件及为依托，实现各种仪器功能。虚拟仪器主要是指这种方式[15]。LabVIEW是一种使用图形化的方式代替文本语言的编程软件[16]。LabVIEW编程时采用数据流的方式，与传统编程使用语句和指令来编程的方式以示区别，其程序框图中连线的方式和节点的数据流向决定了程序执行的先后次序。VI指虚拟仪器，是LabVIEW的程序模块。LabVIEW前面板提供外观与传统仪器相似的控件，可用来方便地创建用户界面。与之一一对应的程序框图中会有一个图标，通过对这些图标的连线可以完成前面板对对象的控制。这就是图形化源代码，又称G代码。在使用这种语言编程得到的程序运行效率会比C语言编写的程序低，但是相对于高速的计算机来说，这个时间的延迟可以忽略，然而使用图形化编程软件得到的好处就是大大减少了程序员编写程序的时间，这个进步对编程的成本节约上是一个大的进步。4.3虚拟仪器技术的电能质量监测系统软件设计从功能上将本论文所设计的程序可以分为五个部分：电压偏差测量频率偏差测量供电电压波动和闪变测量谐波测量三相电压不平衡度测量系统软件设计总体框图如图4.1所示：系统程序系统程序三相不平衡度测量模块电压波动和闪变测量模块电压和频率偏差测量模块数据采集模块三相不平衡度测量模块电压波动和闪变测量模块电压和频率偏差测量模块数据采集模块谐波测量模块谐波测量模块图4.1系统软件总体框图4.3.1供电电压和频率允许偏差测试的程序设计关于电压偏差和频率偏差的原理及测量方法已经在第二章中作出相应地说明，现给出它们的程序框图和前面板的设计，如图4.2和图4.3所示。在此VI中设定电压额定值默认为220V，,频率为50HZ。输入选择的是“基本函数发生器”模块，此模块可以按需求生成正弦波、方波、锯齿波和三角波，这几种常见波形。以正弦波为例，将其频率和幅值设置为输入控件，就能给出任意想要的正弦波，即可满足对电网实际测量时波形随即变化的问题。使用LABVIEW软件包中的“周期平均值和均方”模块可以测得电压,测得的电压是均方根值，也就是有效值。使用LABVIEW软件包中的“提取单频信息”模块可以测得频率，最后根据这些数据可以描绘出各自的偏差百分比图形。图4.2电压与频率偏差程序框图图4.3电压与频率偏差前面板算例分析：算例4.1，现有标准信号，设定额定电压为220V,当电压干扰信号的引入后电压会有所偏差，通过计算：将叠加后的信号输入到检测系统中得到电压偏差为4.966V，频率偏差为0，与计算结果相符合。4.3.2谐波测量主程序的设计谐波测量是电能质量指标的重要组成部分，正对这一部分的研究很早就有涉足，因此技术相对比较成熟，目前主要的方法有DFT和FFT，当然后者相对前者来说当然应用更广，计算能力更强。因此我们选着FFT作为主要的算法，并且LabVIEW中有现成的FFT工具包，使用起来很方便。由于电网谐波中通常会含有高次谐波，这些谐波分量的幅值都很小，因此要求我们的测量设备的精度很高，有时可能因为小小的误差导致最终结果偏离实际情况很远。为了保证测量结果的正确性，本系统有以下要求：(1)、采样定理和频谱混叠对采样频率的合理设置可以防止频谱的混叠，主要方法是提高采样频率，本测试系统要求最高测量谐波次数为50次。(2)、频谱泄漏及抑制由于FFT分析不可能对无限时间长度的信号进行分析，那么必须进行截断，然后再对截断后的信号进行周期延拓，这样就可能带来频谱泄露，也就是说本来不是在某个频率的频谱因为截断和延拓泄露到了其他频率上。因此我们需要对信号进行加窗处理，是频谱的旁瓣效应减弱，减小频谱泄露的误差，本系统中选用海宁窗函数，在LabVIEW中提供了强大的信号处理工具包。对于周期为的非正弦电量进行傅立叶级数分解，除了得到与电网基波频率相同的分量，还得到一系列大于电网基波频率的分量。以电压U(t)为例，在满足狄单赫利条件下，可分解为如下表达式:（其中n=1,2,3,…k）(4-1)式中：称为n次谐波，为N次谐波幅值。如上所述，LabVIEW为FFT计算和其他频域分析带来了极大的便利。在这里，调用WaveformMeasurement函数模块的若干函数:harmonicDistortionAnalyzer.vi可以计算出被测信号的基频，各次谐波分量幅值以及总谐波失真率THD(%);SINADAnalyzer.vi以计算出信号噪声电压比SINAD(db);FFTspectrum(mag-phase).vi显示被测信号的幅频或相频曲线。相关程序框图如下图所示。图4.4谐波测量程序框图图4.5谐波测量前面板4.3.3三相电压不平衡度测量模块在三相三线制系统中，由公式来计算。三相电压不平衡度测量模块的前面板分别如图4.9所示，在此模块中先用“提取单频信息”模块提取输入电压波形的A，B，C三相的电压幅值然后由公式进行计算得到。在三相四线制系统中采用如下算法实现：此算法中通过计算出电压的正序和负序分量，再取其比值来得到三相不平衡度。其中两种线路的不同测量方式的公共部分如图4.6所示。测量程序中直接使用相电压来计算时的计算部分程序框图如图4.7所示，而在三相四线制时不能由此来计算，因为有零序分量的存在，所以必须先算出电压各自分量的值再做除法计算，求出百分比。具体程序框图如图4.8所示。图4.6三相电压不平衡度测量程序公共部分图4.7三相三线制计算部分程序框图图4.8三相四线制计算部分程序框图图4.9三相不平衡度测量前面板测量数据检验，将检测到得数据结果和国家标准进行比较可知道设计的准确性测量数据如下表：次数电压三相不平衡度A相B相C相1225.235218.674219.5371.46%2223.143221.162220.4370.57%3218.125220.153224.2241.28%4.3.4电压波动和闪变的测量程序的设计在设计电压波动和闪变的测量程序时，我们对于输入信号的选择是采用了LabVIEW中提供的模拟的电压波动信号[23][24]。采样频率取400Hz。电压波动的检测采用第二章中2.6介绍的平方检测法，其测量程序和前面板见下图。在此程序中使用正弦波发生器来产生输入波形和产生调幅波电压波形。然后通过数学运算将两者结合,将得到的波形数据进行平方即可得到一系列混扎的叠加波形，我们要做的工作就是把其中频率在0.05HZ--35HZ范围的调幅波选取出来进行下一步的分析。那么这里我们选用了“Butterworth滤波器”模块，使用6阶的低通和1阶的高通滤波构成带通滤波器。这里要注意的是，信号经过平方之后产生了很大的直流分量，通过低通滤波之后的直流分量依然很大，如果此时直接再接高通滤波器的话，计算时间将会很长，所以我们先进行一次平均滤波处理先处理掉大部分的直流分量，具体做法是对信号求平均值，然后把这个平均值减除就得到含有直流分量比较小的波形，最后再接到高通滤波器上。电压波动值的算法依据公式：，式中m为调幅波峰值与额定电压峰值之比。此模块在波形生成的时候，设置的输入为调幅波的幅值，而此幅值在第一次计算中就除以了基波幅值，也就是以相对幅值在程序中进行运算，这个相对幅值就是我么现在需要的m。电压波动和闪变模块的程序框图和前面板设计如图4-9和图4-10所示。图4-9电压波动测量程序框图图4-10电压波动测量前面板闪变部分的测量程序的设计：(1）模拟灯的环节经过平方后的电压波动信号，经过截止频率为35Hz的6阶巴特沃斯低通滤波器。为了滤除直流分量并且减少高通滤波器的计算时间，我们在这里让信号通过平均滤波法，先滤去大量直流分量，做法是对整个信号取平均值，然后再用信号减去这个均值。最后再通过一个高通滤波器，这个滤波器也是采用巴特沃斯滤波器，截止频率为35HZ。(2）模拟人眼功能环节采用双线性变换将S域的传递函数变换到Z域，那么IEC推荐的公式3-6就可以变化成4-3式（在本文中选择直接型的IIR滤波器来实现），其中双线性变化的结果可以使Z域和S域一一对应，操作简单不混叠，下面是变换公式：（4-2）式中：T为采样周期。将变换后有:（4-3）=-3.,=4.,=-2.77601,=0.,=0.,=0.,=-0.,=-0.,=0.。(3）模拟人脑神经功能环节人脑的记忆效应在闪变的判断中也是重要的因素之一，可以由具有积分功能的一阶RC滤波器来实现，传递函数为4-4，时间常数为300ms（4-4）再利用双线性变换法有:（4-5）经过上述环节输出的即是S(t)的值。(4）闪变的统计分析根据式(2-13)可以求出短时间闪变值。对于周期性稳定的电压波动，在式(2-13)中P0.1=P1=P3=P10=P50=S(t)所以有:（4-6）式中S(t)取稳定平均值。闪变测量的主程序框图如图4.11所示：图4.11闪变测量程序框图算例分析，输入电压信号：(4-7)式中m为调幅波幅值与额定电压幅值之比；为基波角频率；为调幅波角频率；r(t)为直流分量和谐波分量。由于电压波动d等于调幅波的峰值与谷值之差除以载波电压有效值U，即(4-8)当调幅波由两个频率的正弦波叠加时，例如频率为12HZ、电压波动为d=0.312%的信号与频率为8Hz、电压波动为d=0.256%的信号叠加时，有S(t)=1.00080+1.00000=2.00080，与理论值S(t)=2相差很小，这表明本文方法是可行的。

5.结论与展望5.1结论本文设计了一套完整的电能质量检测仪，首先介绍了电能质量问题的现状，以及在此现状下对电能质量进行在线监测的必要性以及目前监测手段的发展状况和不足，并且提出了使用基于LabVIEW来构建虚拟仪器来解决当前问题的想法；其次，对电能电能主要指标进行研究，找出了相应的计算方法和国家标准。最后，设计了支撑虚拟仪器软件运行的硬件部分，并利用LabVIEW编写了对电能五项指标进行在线测量的软件模块，并且调试得到了正确的仿真结果，设置了在各种状况下的测量结果（见附录的仿真图片）。本次设计还比较成功，从中也学到了不少的知识，对电能质量的认识有了很大提高，对LabVIEW的编程能力也大有提高。总之，