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1、 西 南 交 通 大 学 本科毕业设计（论文）电能质量监测仪设计 DESIGN OF THE ELECTRIC QUALITY MONITOR 年 级: 2009级 学 号: 20098470 姓 名: 方 夏 专 业: 铁道电气化 指导老师: 吕 晓 琴 2013 年6 月 院 系 电气工程系 专 业 铁道电气化 年 级 2009级 姓 名 方夏 题 目 电能质量监测仪设计 指导教师评 语 指导教师 (签章)评 阅 人评 语 评 阅 人 (签章)成 绩 答辩委员会主任 (签章) 年 月 日 毕业设计（论文）任务书班 级 电气2009级1班 学生姓名 方夏 学 号 20098470 发题日期：
2、2013年2 月 25日 完成日期：2013年的6月21日题 目 电能质量监测仪设计 1、本论文的目的、意义 随着电力电子技术的快速发展，电力系统电能质量问题成为学者关注对象。通过学习和使用相关软件，设计基于Labview的电能质量监测仪，使能够较准确的检测出电网三相视在功率、有功功率、无功功率、功率因数、电压电流有效值等。 2、学生应完成的任务 （1）收集电网电能质量指标等方面资料： （2） 熟悉软件使用方法； （3）设计软件部分和硬件电路 ； （4）给出相关结果及结论。 3、论文各部分内容及时间分配：（共 14 周）第一部分 收集相关资料文献，掌握LABVIEW应用。 (3周) 第二部分
3、掌握电能质量监测仪设计方法。 (2周) 第三部分 相关计算。 (4周) 第四部分 主电路模拟图。 (2周) 第五部分 完成论文写作及整理。 (3周) 评阅及答辩 审定，答辩。 (2周) 论文整改 (1周) 备 注 指导教师： 2013年 2 月 25 日审 批 人： 2013年 2 月 25 日摘 要目前国家对于能源重视度越来越高，并且大力提倡节能减排，各个企业对于电网中电能的质量问题的重视度也在逐渐提高，与之同时对于电能质量的检测问题也由此而产生。由于市场供求关系的影响，电能质量监测仪器被广泛运用于电力电子设备和非线性装置之中。本文重点介绍了基于模拟软件VI的电能质量监测仪的现状和发展状况，
4、以及如何使用VI构建合理的模拟电路模型。介绍了造成电能质量低下的原因，电网中电流的谐波，不平衡，或者发生畸变，以及无功功率过大。目前使用的电气设备随着精度的提高对于电能质量有着更高的技术要求，这也是不断要提高和改进对于电能质量检测的原因。研究出一种科学的供电能量质量检测法，是非常有社会效益和经济效益的课题。此论文的课题也就是针对当今的市场需求给出了一个科学的研究方向-虚拟平台模拟电能质量监测仪器。阐述了如何用该图视化程序编辑软件LABVIEW构建函数电路，实现了对于有功功率、无功功率、在功率、功率因数、有效值的测量，并且可以根据时代的要求，不断更新其网络资料库，让程序员下载投入使用，以此来实现
5、对于当今最新仪器的模拟测量。最后加入了对于硬件构建的介绍。最后构成了一套比较完整的对于功率量指标的监测仪设计体系。关键词 ：电能质量；LABVIEW；功率；功率因数；图视化编程第VII页西南交通大学本科毕业设计（论文） Abstract Along with our country has increasingly higher attention of the energy, and vigorously promote energy-saving emission reduction, each enterprise value for the quality problems of po
6、wer net is also gradually improved, and at the same time for the detection of power quality are thus produced. Due to the impact of market supply and demand, the power quality monitoring instruments have been widely used in power electronic devices and nonlinear devices. This paper focuses on the si
7、mulation software VI electric energy status and development of quality monitoring based on analog circuit model, and how to use VI to construct reasonable. The cause of power quality, harmonic, grid current imbalance, or distorted, and no power is too large. Electrical equipment currently used with
8、precision for electric energy quality electric energy has a higher technical requirements, it is also constantly to improve the reason for power quality detection. Research on power quality detection method of a kind of science, is of great social and economic benefits of the project. This thesis is
9、 aimed at the current market demand is a research direction of Science - the virtual simulation platform of power quality monitoring instrument. It describes how to use the graph editing software LABVIEW to construct function circuit program, implemented for active power, reactive power, no in measu
10、rement of power, power factor, effective value, and can according to the requirements of the times, constantly update the network database, allowing the programmer to download put into use, so as to realize the simulation measurement for the new instrument. Finally joined for the hardware constructi
11、on of introduction. Finally, constitute a relatively complete set for power index of the design of the monitor system.Key words： power quality ；LABVIEW；power 目录第1章 绪论11.1研究电能质量监测仪的意义11.2 研究电能质量监测仪的目的11.3 基于labview电能质量监测仪的现状和发展3 1.3.1 VI虚拟仪器3 1.3.2 目前Labview的使用特性3 1.3.2 本论文的主要工作7第2章 电能质量及其监测82.1电能质量指
12、标82.2国家电能质量的各项指标82.3国家对测量仪器的标准122.4电能监测中所需要的数据13 2.4.1 有功功率13 2.4.2 视在功率14 2.4.3 无功功率15 2.4.4功率因数17第3章 监测仪的软件部分233.1功率测量23 3.1.1有功，无功，视在功率测量23 3.1.2 功率因数24 3.1.3 功率计算中的正弦，余弦的采集243.2 可控制参数的信号生成253.3 功率谱分析263.4前置版面最终运作结果图273.5有效值的测量28第4章 监测系统中的硬件设计304.1 硬件部分设计304.2 传感器314.3 信号调理器324.4 PCMCIA A/D卡33结论3
13、4致 谢35参考文献36第 34 页西南交通大学本科毕业设计（论文） 第1章 绪论1.1研究电能质量监测仪的意义 1 基于labview的电能质量监测仪 因为今年来电力系统中各种非常规设备的引入，电路中的污染程度也越来越高，并且高精尖设备对于电能质量的要求也是非常高的，所以对于电能质量的监测是必不可少的。当然，对于测试仪器的要求也越来越高，需要更加快速的开放和更加廉价的物质基础。可视化图形编辑系统所提供的模拟编辑系统将电能质量分析仪器的研究推向了一个新的境界。世界上各大著名研究公司都会使用这款可视化图形编程软件, 这也就是为何它的实用性如此之高。Labviwe软件是一款非常使用的图形编程软件，
14、它可以通过即时更新下载网络上的最新参数，将之打包成为数据模块，可以让程序员灵活的使用。本研究的方向，是基于该软件下，对于电源的功率因数，有功功率，无功功率，视在功率，平均功率的采样枚举，通过模拟显示器，显示出电能的几项基本参数。2 了解情况： 对电能质量的功率指标进行实时测量与动态数据采集，可以保证对模拟出来的电力系统基本运作工况的观察、记录。3 综合评价： 综合了解电网安全、稳定、优质运作的技术条件，对电能质量各项指标进行综合评价。以方便对于硬件的搭建，和预防保护工作的进行。4 治理措施： 针对各种指标的具体特征对电能质量问题进行综合分析，完成对多种扰动信息的识别、提取和分析，为制定改善电能
15、质量和的具体措施提供可信依据。1.2 研究电能质量监测仪的目的 1 可以逐步实现电网智能化： 在通过大量的实践，测试，分析以后，可以通过数据的统计可以实现事件预测、故障辨识、干扰源识别、实时控制、智能评估提高电网智能化水平。2 提高经济效益：随着计算机技术、信息技术、过程控制技术、微电子技术和电力电子技术的发展和普遍应用，用户对电能质量的要求越来越高；随着企业对于监督力度的下降，并且是电力设备零售行业的崛起，电力能源的分质分价必然会成为现实。3 提高电网安全经济运作。 该模拟系统的研发成功，为科学、有效提高电能的利用率打下坚实的物质基础，提高了电网及电气设备的安全经济运作水平。4 提高供电公司
16、运营效益 电能质量的重要指标之一是电能的谐波和不平衡度，该模拟器同样亦可以对此进行检测。对于这几个指标的检测，同样也是许多供电公司所面临的问题，公司需要花费大量的人力和财力来对此进行纠正和预防，此模拟系统，完全可以省去此类经济负担。以此，来提高供电公司运营的效益。5 提高电能质量技术监督管理水平（员工工作效率）： 模拟电能质量分析仪及的建立，实现了电网电能质量（谐波、三相不平衡、有功、无功、功率因数、频率、）指标的自动监测、统计、分析。统一管理各项统计数据、记录、报表，提供查询、打印功能，提高管理人员的工作效率。6 提高安全性： VI模拟的运用结束了已往需要人员使用便携式仪器采集数据、人工分析
17、报表的历史；大大减少了职工现场作业次数，提高了作业人员安全性，减少事故率。减少工作人员外出作业，并且节约各项现场测试支出。7 社会效益： 通过谐波检测治理，统计数据后的修改，使功率因数的提高，因此企业可节约利率调整电费，在国家提倡可持续发展，环保节约型社会的大背景下，具有较大的社会效益。1.3 基于labview电能质量监测仪的现状和发展 1.3.1 VI虚拟仪器在LabVIEW 中, 用户程序可以称为VI ( 虚拟仪器) , 子程序称为( 子虚拟仪器)；这是因为程序的外观和操作界面都是模仿实际仪器系统；一个标准的程序包括硬件设备板块 以及软件设备板块；硬件设计板块板用于直接联系到使用人员，程
18、序编写人员直接对其进行控制和编写, 输入控件和输出控件构成了这个板块；输入控件有效的控制其输入值，以实现模拟输入量，输出控件有效的执行输入控件下达的指令来完成目的任务；控制器对应块图中的源端，指示器对应框图中的终端( 类似仪表后面的端子排) ；后面的软件板块，就如同模拟的电路所实现的功能；作为模拟函数包的基础数据库；有大量的函数库和高级的事例和分析, 程序员只用找到合适的输入控件和输入控件就可以轻松的进行编辑了，最后只需要按照要求调节输入数值并连接好各个函数包就能完成全部编程工作9。 可视化编程软件中同样也存在许多用于调节系统的工具, 这样分布运行，断章操作和循环步骤等操作就会变得非常的简单了
19、, 在程序运行的时候，该软件以可视化流程的形式显示数据的流动，也能及时提示存在错误的地点。虚拟模拟在程序中的存在方式是一个一个的图块, 并且，它与其他的函数模拟包的连接也是图示化来明确显示的。该软件以最精简编程过程为主旨，提供了可以及时修改的公式编辑条件框图，程序人员可以直接对其进行修改。1.3.2 目前Labview的使用特性由于图示编程软件的特殊性，使得他在如今的社会上有广泛的使用地，和其他方法无法比拟的优越性。1应用领域：测试测量：的开发宗旨责就是在精简的环境下监测和模拟，因此软件在监测领域是它最为广泛的地方。在几十年的运用和修改后，LABVIEW软件获得了社会的广泛认可。因而如今使用得
20、最为频繁的监测仪器和电气设备都拥有与之配套的后台运行程序。的开发人员也可以非常方便的从其数据包网站上更新下载最新的VI模拟，以满足时代的需求。这些工具包几乎覆盖了用户所需的所有功能，在此基础上再进行二次开放将非常的简便。在一定条件下开发人员只需要调用几个已经打包的数据模块就可以组成一个完整的测试测量应用程序。因此，使用它，会使得开发变得生动，也不需要话费大量的时间去学习与软件交流的开发语音。仿真：里面包含了很多的模拟事例整体模块和数据整形包，对于模拟开发一类的工作是非常合适的。在进行系统的硬件搭建之前，可以在此之前用构筑一个虚拟的环境，在运作该模拟环境的过程之中发现和改进问题，并且可以做出及时
21、的修改和提高，大大节省了硬件设备的整改时间，和人工的消耗。同样，在对于大学生或者研究生之类的人群，该软件也可以大大的开阔大家的实验领域，可以在不用实物的情况下，完成许多课题的设计与测试。控制：在控制这个领域里面也常常使用到该软件，从监测软件做起来的衍生到控制行业也是非常正常的。软件拥有专门适用控制的前置板块和窗口。并且除此之外，该图视化编程软件也常常使用于工业企业之中。可以让该软件模拟出控制过程中的各种事件和环境，以此来做出相对应的预处理。教学：该软件最大的特点便是数据模块和硬件模块的图视化整合，受教学的人员只需要很短的时间就可以在精简的图视的指引下学会软件的运用，最后构建目的项目，最后连接已
22、经搭建的子模拟包完成整个系统的建设。除了应用于玩具，LabVIEW也同样适用于青少年的引导。以及更高级的教学版本，可以实用与成人的教育和高等学府的模拟实习。兼容性：该软件可以同时在多个环境运行和修改，那么使用也是非常合适的。具有良好的跨平台兼容性。的数据包不用下载任何补丁就能在 、及 中运作。除此之外，还支持各种实时操作系统和嵌入式设备，比如常见的、以及运作和系统的RT设备。时效性：从软件开放商的统计可以看出，如果一个开发人员完成同一个项目，熟练的程序员所需的开发时间，大概只是熟练的C语言程序员所需时间的四分之一。所以，如果项目开发时间比较紧张，肯定选择图视化编程软件，以缩短开发时间和资金。2
23、 该软件的优点：（1）通过软件增加处理能力及灵活性 使用labview软件进行模拟数据采集设备的最大优势之一是开发人员可以使用软件来定制开发人员的测试系统的功能和可视化特性，以满足需测试硬件的需求。人工测试代价高，速度慢，并且容易出错，而基于虚拟软件可以快速，安全，简便的来实现这一功能。使用VI，我们可以在几分钟内编写完一个小项目。（2）加速开发人员的生产力 LabVIEW软件使得开发人员可以更加专注于创造和寻找灵感，完全抛开了一般汇编语音的刻板和难以操作，使得工作更富有成效和成就感。内置专用工程软件库允许我们更易于采集，分析，控制和数据分享，因而我们可以更加轻松的来开发而不是学习汇报语言。（
24、3）分配多个独立的应用程序 运用LabVIEW可视化编程，开发人员可以创建需要被部署到其他系统上的多个独立的应用程序。将试用版的软件分配作为终端使用应用程序，并且可以向其他开发者提供库共享，来提高整个团队的工作效率。（4）通过使用预建立组件来节省时间 汇编人员根本不需要从语言到系统的整个来构建它。使用内置本身就打包好了的的范例程序与功能函数，可以为开发人员节省非常多的工作精力。函数使用相关性关联窗口和非常明亮的图视化菜单，可以帮助开发人员快速的找到自己所需要的软件包和硬件板块，快速的完成程序的编写，并且开发人员完全可以应用工程单元和自己所需要的标度量。相对于经常用到的任务项目包，从最基础的单信
25、道测量到后来的实现多设备间的同步，的库中还有许多与之相关的事例数据包存在。配置电压、电流、温度、压力、声音以及其他传感器测量将会非常的轻松。（5）将原始数据变为结果 也为高级工程人群专门设定了一系列的高级分析函数，并且所有这些高级函数都有与之对应的帮助图示和文字说明。在这些强大工具的帮助下，开发人员可以执行当下最为新款的功频分析；闪变分析；测量与计算；函数模拟；信息的接收和处理。程序编写人员可以针对项目的需要，更改，更新其所使用的图示化编程软件。如果数据库里面并没有开发所需要的函数块，开发人员大可以将他完成的数据包调用到其他的处理程序中，它的兼容性能是非常强大的。（6）汇编人员自定义使用面板
26、使用许多可以拖动的控件，三维可视化工具和图表，汇编人员可以在很短的时间内完成对于项目的编写。开放人员和科学家可以根据自己的习惯设计开放窗口，让软件和自己的配合更加的天衣无缝，并且不需要复杂的对于原有的窗口进行格式化和定制的开发。开发人员也可以改变自己可视化编程里面的汇编图示，或者把以前默认图示的工具改为自己想用的工具。（7）记录数据 汇编人员将自己所需要编写的程序写入一个自定义模块就如同软件中调用已经打包的函数那么简单。基础文件格式可以被优化用于高速数据流，软件很轻易与合成，汇编人员可以轻轻松松的对开发中所遇到的语言结构进行修改和编辑。还可以与办公室表格软件合作，比如软件。程序编写人员可以用图
27、视化编辑软件中的输出控件把运行过程中的数据及时的显示出来，因此脱机的时候会更加具有可操控性。 （8）随时获得信息和保护开发人员的投资 无论开发人员是单个用户还是具有多个许可证的企业，NI软件维护和支持程序可以帮助开发人员获得最大的软件投资。在互联网上的数据库可以随时更新开发人员可以使用的软件包，可以获得最新的科学信息。3 该软件前景：虽然现在此模拟还有许多的局限性，但是如此简单易于操作的软件一定会慢慢的优化和更新，适用于更广泛的领域。由于它使用和操作的特殊性，经济、效率、安全、的特点它可以渐渐的取代传统的测量和分析技术领域的各种专业仪器。并且，它具有很强的灵活性和可操作性，因而特别属用于如今多
28、变和高速发展的科学技术大环境，以及可以适应更高更新的测量需求。因此，它的发展前途一定是一片光明的。1.3.2 本论文的主要工作： 本文在针对电网的电能质量各种指标进行检测的过程中，基于labview软件编写电能质量监测仪，在检测电压波动，频率偏差，电网谐波，三相不平衡度的同时对视在功率，有功功率，无功功率，功率因数进行检测，以及波形峰值的采样，计算和分析。主要的工作如下：（1） 对国家规定的相关电能质量标准进行了了解和分析。（2） 基于labview图视化编辑软件对电能质量监测仪的功率部分进行了编写。（3） 对电能质量监测仪的硬件进行了了解和简单设计。 第2章 电能质量及其监测2.1电能质量指
29、标虽然现在的科学技术在不断的提高，但是不可否认的是目前的电能质量却在不断的下降，因为各种外界带来的电能干扰越来越大，与此同时，更加精密的电器设备对于电源的质量的要求也越来越高，所以，电能质量的提高问题是非常紧急的。在了解造成该现象的同时，还要分析所规定的电能质量的指标，并且可以将数据上传到网络中的数据库，实现多人共同共享开发。实现该功能的关键为对于电能质量标准的定义，以及国家对于电能能源优质与否的评价标准。电能质量指标的定义是一系列能够决定供电参数的因素所反映出来的数值，每一种指标都有它自己的意义和意思。除了那个一九九八年开始我国就连续公布了一系列的电能指标，它一共有六项：电网电压的问题、频率
30、偏差问题、不平衡度问题、电网谐波问题、电压波动与闪变问题，功率因数问题。我国的电能质量监测正在上升阶段，在以后的时间里，社会对于该产品的需求量将会越来越大。目前工业生产中有些指标已经是急需提出的，但并没有作出明确的相关的规定。一定要建立一套完整的标准监测体系。2.2国家电能质量的各项指标：1. 从1990年起，11年间我国陆续制定和颁布的4项电能质量国家标准。（1） GB/T159149,标准名称为电能质量电力系统频率允许偏差，其正常允许偏差为0.2Hz，根据系统容量（界限为3000MW）可以放宽到0.5Hz用户冲击引起的频率变动一般不得超过0.2Hz。（2） GB12325-1990，标准名
31、称为电能质量供电电压允许偏差，其允许限值在35KV及以上，正负偏差绝对值之和不超过10%，在10KV及以下三相供电为7%，在220V单相供电为7%,10%。（3） GB 12326-2000，标准名称为电能质量电压波动，它的电压变动d的限值和变动频度r有关：当r1000h-1时，对于低压（LV）和中压（MV），d=1.25%4%；对于高压（HV），d=1.0%3%；当随机不规则的变动时，对于LV和MV，d=2%；对于HV，d=1.5%。 表2-1闪变限值 系统电压等级LVMVHV短时间闪变值Pst1.00.9(1.0)0.8长时间闪变值P1t0.80.7(0.8)0.6 注：括号中的值仅适用于
32、所有用户为同电压等级场合。其用于1.衡量点为公共连接点（PCC）。 2.Pst的测量周期为10min，取实测95%概率大值；P1t的测量周期2h，不得超标。 3.提供预测计算方法，规定测量仪器并给出典型分析实例。（4） GB/T18481-2001，标准名称为电能质量暂时过电压和瞬态过电压。 表2-2系统工频过电压限值 电压等级（Kv）过电压限值（1.31.1 表2-2中，Um指的是工频下的所需峰值电压，和表示变电站位于继电保护器旁边的两侧电压，可以控制过度电压的限制值，其中包括自动重合闸、一次单通道重合闸、以及三相的重合闸、不平衡重合闸。 表2-3操作过电压限值电压等级（kV）过电压限值50
33、02.0*2.2*3.0 * 表示该过电压为相对地统计操作过电压。 表2-2与2-3中所表示的数据说明：1.暂时状态的过电压其中包括工频过电压以及谐振过电压。瞬态状态的过电压其中包括包括操作过电压以及雷击过电压2.工频过电压。谐振过电压以及操作过电压3.除统计过电压外，其他没有经过特别阐述的电压阀值应该不小于该值的概率为0.014。2. 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2-4 所示： 表2-4公用电网谐波的标准 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 3.电压闪变标准电压中的闪变是对灯光闪烁观测后的统计数值，因此闪变不仅与、波动电压的频率有关也和波动电压的幅值，与此同时与电路连接的照明工具的性能、使用人的视觉都存在着有关系。闪变的频率时可以被工作人员即时发现。则是最容易被测量仪器所发现。在电路中闪变严重程度的判断一般
