毕业设计论文基于虚拟仪器的稳态电能质量检测.doc

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1、 摘要摘要 传统的电能质量参数测量系统以硬件为核心，功能单一、成本高，已经无法满足日益复杂的、多参数的测试要求。近年来，随着电子技术和计算机技术的飞速发展，新的测试理论和方法、新的仪器结构不断出现，测量仪器的功能和使用发生了质的变化,其中最显著的一点就是虚拟仪器的出现与发展。虚拟仪器是计算机技术与测试测量仪器技术相结合的产物，具有硬件结构简单、可自定义仪器功能、数据处理和分析功能强大的优点，同时可以实现历史数据管理和图形化显示等功能。 因此，本论文通过分析国内外电能质量测试装置的发展现状，针对目前电能质量测试过程中所遇到的问题，研究开发出一种基于虚拟仪器的稳态电能质量分析与检测系统。该系统能够

2、准确检测出电网频率、频率偏差、电压偏差、三相不平衡度、电压波动、电网谐波等电能质量参数，并对其进行实时分析，将分析结果实时的显示出来。论文首先简要地介绍了虚拟仪器的概念及构成，针对电能质量检测的研究现状，论述了将虚拟仪器技术应用于电能质量检测的必要性，介绍了系统的总体结构。其次，论文介绍了电能质量参数测量原理，对检测系统的设计及检测作了详细的阐述。软件实现方面，首先对虚拟仪器开发平台 Labview 及其编程语言作了简要介绍，然后详细论述了软件总体结构，对电能质量参数测量的各个模块的实现作了详细的说明，并对电能质量参数的测量的结果进行了分析。该测试系统具有扩展性和复用性强的特点，可以显著提高电

3、能质量测试的自动化程度。因此,使用虚拟仪器进行研究、设计、测试将成为电力系统测试领域的一种趋势。最后，就本系统在研究中存在的不足和需要完善的地方做了总结，指出课题的进一步研究工作。关键词：虚拟仪器，Labview,电能质量，电压波动，三相不平衡度，谐波Abstract The traditional Power parameters measuring system mainly based on hardware is single-function and high-budget, so it is unsuitable gradually for complicated and mult

4、iparameter test. Recent years, with rapid progress of electronic technology and computer technology, new testing theory and method, new instrument structure is appearing. Function and application of measuring instruments has changed a lot. One marked characteristic is appearance and development of V

5、irtual Instrument with the advantage of simple hardware structure, user-defined, powerful data processing and analysis function. Besides, Virtual Instrument can achieve the function of history data management and graphical representation. Therefore, by analyzing the status of power quality testing s

6、et home and abroad, in connection with the problems being filled across during testing of power quality, a power quality testing system based on Virtual Instrument is studied and exploited in this thesis. The testing system can measure power quality parameter, such as frequency, frequency deviation,

7、 voltage deviation, and three-phase degree of unbalance, voltage hunting and harmonic. These parameters also can be analyzed real-time and be displayed in real time. Firstly，basic conception and structure development of Virtual Instrument are introduced generally，with study state of Virtual Instrume

8、nt and power quality testing, the necessity that makes Virtual Instrument technology apply to power quality testing is exposited. Then, gross structures of the testing system are introduced. Secondly, the measurement principle of power quality parameters are introduced, the detection system design a

9、nd testing were described in detail. In software part, development platform Labview and programming language are introduced, discussed total software structure, the measurement of power quality parameters of each module are detailed instructions on implementation, and performs analysis of power qual

10、ity parameters measurement results.This testing system has many characteristics, such as good expansibility, strong reusability, and it can dramatically improve the automation of power quality testing. For this reason, it will be a trend that using Virtual Instrument to studying, designing and testi

11、ng in test area of power system. At last, the shortage and some aspects needed improving of the system are given. The outlook of future research is put forward, too.Key words：Virtual instrument, Laboratory virtual instrument engineering workbench, Power quality，Voltage fluctuation, three-phase unbal

12、ance, harmonic 绪论目录1.绪论11.1研究背景和研究意义11.2 国内外研究现状与发展21.2.1 电能质量标准21.2.2 电能质量研究现状及发展31.3 虚拟仪器概述41.4 虚拟仪器技术用于电能质量测试的必要性61.5本文的主要工作62 测量原理及系统的总体设计82.1 电能质量基本概念82.2电能质量分类82.3 电能质量参数测量原理92.3.1电压偏差92.3.2 三相不平衡度102.3.3谐波122.3.4 电压波动142.3.5频率偏差142.4系统总体结构153.系统的硬件实现173.1 电压电流传感器173.2 数据采集卡184.系统的软件设计194.1 虚拟

13、仪器开发工具Labview介绍194.2系统软件结构204.3 电能质量测量模块214.3.1基本参数测量模块214.3.2电压偏差测量模块224.3.3三相不平衡度测量模块234.3.4谐波测量模块254.3.5电压波动测量模块274.3.6频率偏差测量模块284.3.7 三相频谱测量模块295仿真结果及分析315.1 基本参数仿真结果及分析315.2三相频谱仿真结果及分析335.3电网谐波仿真结果及分析335.4三相不平衡度仿真结果及分析355.5电压与频率偏差仿真结果及分析365.6电压波动仿真结果及分析386总结与展望406.1 总结406.2 展望41参考文献42致 谢44附录45

14、绪论1.绪论1.1研究背景和研究意义 随着现代科学技术的发展，一方面，造成电能质量1-3问题的因素不断增长，如以电力电子装置为代表的非线性负荷的使用、各种大型用电设备的启停等，使电网中的谐波污染、三相电压的不对称性以及电压波动和闪变日趋严重同时，由于上述负荷的存在，使得电力系统中的供电电压即便是正弦波形，其电流波形也将偏离正弦波形而发生畸变。这种电能质量的下降会给电力系统和用电设备带来严重的危害。另一方面，各种复杂的、精密的、对电能质量敏感的用电设备不断普及，人们对电能质量及可靠性的要求越来越高上述问题的矛盾越来越突出，这使得电能质量问题对电网和配电系统造成的直接危害和可能对人类生活和生产造成

15、的损失也越来越大，电能质量直接关系到国民经济的总体效益，电力部门不但要提高电能质量满足用户的需要，还要加强电能质量监督管理4。与此同时，现代电网与负荷构成出现了新的变化趋势，主要表现在5： 1. 电力系统扩张与联网逐渐形成，系统运行的安全稳定性和可靠性要求不断提高。 2. 在保证电力系统一定的自然垄断特性条件下，引进竞争机制，实施电力市场化营运，强化环境保护意识与提高信息管理水平已经势在必行。3. 当代电力系统与计算机技术和通信技术的结合更加紧密，采用高新技术以提高电力传输能力和实现配电自动化的趋势方兴未艾。4. 一方面，造成电能质量问题的因素不断增长。另一方面，各种复杂的、精密的、对电能质量

16、敏感的用电设备不断普及，使得对电网电能质量及其可靠性的要求越来越高。电能作为一种商品，如何保证和提高电能质量，从而保证生产和生活的正常进行，已成为国内外电工领域迫切需要解决的重要课题之一6。从市场经济的商品质量这个普遍意义讲，了解电能质量，改善电能质量是必不可少的。改善电能质量的意义可概括为以下几点:1.是保证电力系统安全、稳定、经济运行的必要条件，是电网运行水平高低的重要标志，同时也是电力企业用电管理水平考核的重要指标。2.是提高国民经济总体效益、用电效益和改善电气环境，以及工业生产可持续发展的技术保证。3.是面向电力市场、适应竞争机制强有力的手段。4.通过建立和健全电能质量的全面管理，保障

17、各行各业的正常用电秩序，为千家万户提供安全可靠的电能。1.2 国内外研究现状与发展 1.2.1 电能质量标准 电能质量问题并不是一个新的课题，早在 60 年代，国外就已经开始认识到电能质量的重要性，并着手从事有关课题的研究，为了便于开展电能质量工作，国际上制定了各种电能质量标准。IEEE 制定了 IEEE519 电能系统谐波控制规范和要求，IEEE1159 电能质量监测推荐规范。在IEC61000标准系列中，制定了专门的电能质量标准，主要有 IEC61000-4-30 电能质量测量方法、IEC61000-4-7 供电系统及其连接设备的谐波与间谐波测量与仪器通用指南、IEC61000-4-15

18、闪变仪功能与设计规范。欧洲共同体也颁布了一个电能质量标准公用配电系统供电电压特性，作为欧洲共同市场对中低压电能质量的统一标准。到目前为止，我国已相继颁布了 6项电能质量标准，分别是：供电电压允许偏差（GB/T12325-2003）7、电力系统频率允许偏差（GB/T15945-1995）8、公用电网谐波GB/T14549-1993）9、三相电压允许不平衡度（GB/T15543-1995）10、电压允许波动和闪变、暂时过电压和瞬态过电压。并于 2005 年发布了电能质量监测设备通用要求。虽然到目前为止，国内外都对电能质量制定了一些相关的标准，但随着一些新的电能质量问题的出现，电能质量的标准还需要作

19、进一步的补充和完善，以适应在新情况下的要求。1.2.2 电能质量研究现状及发展国内的发展长期以来的电力紧张，我国的电力供应一直比较紧张，人们关注的焦点主要在电力供应量上，通常只对电压与频率两个指标进行检测。随着电力供应紧张状态的缓解，电能质量的日益恶化和用户对电能质量要求的不断提高，这个问题引发了各级电力部门的重视，国家也颁布了国家标准，主要依靠供电企业来保证，但是，目前的控制方法主要依靠对供电电压的调整。我国电能质量检测还处于初级阶段，我国的质量检测的研究方向主要以下几点：1.电压波动与闪变2、供电电压允许偏差3、公用电网谐波4、三相电压允许的不平衡5、电力系统频率允许偏差6、暂态过电压和瞬

20、态过电压国内目前生产电能质量监测仪水平较高的厂家有深圳领步科技有限公司、上海宝钢安大电能质量有限公司、安徽振兴科技股份有限公司、保定方长电子有限公司、保定国电中科电气有限公司等。但是由于国内在电能质量研究上相对较晚，目前电能质量测量仪器均属以硬件为主体的传统仪器，又由于电能质量所涉及的指标众多，并且部分指标在 IEC、IEEE 以及国标上没有相关的具体实现方法的介绍，因此电能质量问题研究的深度和广度远不及国外先进水平，国内众多厂家和科研院所研制的电能质量监测仪的性能、功能及工艺与国外先进水平也存在着明显的差距。国外的发展在西方国家，电能质量问题早已被当作电力系统面临的重要问题，各国均在加强电能

21、质量问题的研究。已得到不少的理论成果，并提出一系列的综合的检测控制和管理方法。国际上对电能质量的研究，可以追溯到上世纪80年代电磁兼容学科EMC的兴起。出于这种长期对电能质量的重视和科技水平的整体优势，他们在电能质量检测研制上水平较高。目前，国外电能质量的研究主要集中以下几点：1、暂态电能质量问题2、短持续时间电能质量问题3、长持续时间电能质量问题4、三相电压不平衡5、波形畸变6、电压波动与闪变7、频率变化国外高档电能质量监测装置的特点突出表现在功能丰富和精度高两个方面，如美国福禄克公司、日本共立公司、日本横河公司、意大利 HT4公司、加拿大电力测量公司、美国 EIG 公司等生产的电能质量监测

22、装置具有监测精度高、检测指标多、功能丰富等特点。1.3 虚拟仪器概述 虚拟仪器11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。在虚拟仪器系统中，硬件仅仅是为了解决信号的输入输出，软件才是整个系统的关键，任何一个用户都可以通过改写软件的办法，方便的改变和增减仪器系统的功能。虚拟仪器作为 21 世纪的仪器，具有编程灵活、数据处理和分析功能强大、开发周期短等优点，推动着测控技术的革命，在电力系统测量、控制方面有广阔的应用前景。虚拟仪器在发展的过程中，不断吸收了最新的 PC 技术、测试技术、网络技术、软件技术和传统仪器的优点，虽然在对速度和带宽要求较高的专业测试领域，传统仪

23、器具有较大的优势，但虚拟仪器具有强大的运算和数据处理能力，既能适应复杂环境下的测试，也能完成对复杂过程的测试。与传统仪器相比，其特点在于：1、突破了传统仪器的概念，将信号的分析、显示、存储和其它管理功能集中起来交由计算机来处理。虚拟仪器具有图形化用户界面，传统仪器的控制面板在各种虚拟仪器中都可被相应设置选项和结果输出控制的软面板所取代，由于充分地利用了计算机技术，完善了数据的存储、交换等性能，使得组建的系统变的更加灵活、简单。2、它是一种功能意义上而非物理意义上的仪器。VI 通过硬件接口和仪器驱动实现了与测控设备的硬件通信，将信号采集、分析与处理结合成一体；虚拟仪器体现了“软件就是仪器”的现代

24、仪表发展观念，软件在仪器中充当了以往硬件的角色。3、仪器由用户自己定义。用户可通过软件模块的增减，自行定义仪器的功能，并可以方便地同外设、网络及其它应用进行连接，而不像传统仪器那样受到仪器厂商的限制，出现厂商提供的仪器功能与用户要求不符的情况。4、基于计算机网络技术和接口技术，广泛支持各种工业总线标准，可方便地构建自动测试系统，实现测量、控制过程的网络化和基于计算机的开放式标准体系结构。5、仪器的软硬件都具有开放性、模块化、可重复使用及互换性等特点。在一定的通用硬件模块和软件环境的支持下，用户可以根据实际情况构建自己的测试系统，以完成不同的测试任务。6、由于虚拟仪器技术是建立在当今最新的计算机

25、技术和测试技术基础之上，因此仪器的升级和更新快，成本低。1.4 虚拟仪器技术用于电能质量测试的必要性对一般供电部门来说，现有的电能测量仪器大多为传统的数字仪表或者智能仪表，随着工业技术的发展，各种用电设备对电能质量的要求不断提高，对电能质量的测量要求也相应提高，这些传统的测量仪器显示出了越来越多的弊端，如测量不同的参数需要用不同的测试仪，而且无法对历史数据进行实时的存储，而对于一些故障状况下的数据，更是有必要进行记录，因为这些数据将是分析故障原因和后果的重要依据。当然一些精度更高的测试仪器也会应运而生，但是其高成本的特点成为人们必须考虑的问题，如何才能在低成本的前提下实现电能测量的高精度测量已

26、经成为电能质量研究人员面对的难题，而虚拟仪器技术的及时出现，很好地解决了这个难题，将先进的虚拟仪器技术思想融入到电能参数检测装置中，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，在硬件平台不变的情况下，通过其软件功能模块的增减可以实现多个参数的测量，同时，可以利用软件开发平台调用数据库节点的功能，实现数据的实时存储，从而使得所开发的电能参数检测系统具有功能灵活、操作方便等优点，这对于克服目前电能质量参数检测系统的局限性、采取措施提高供电质量都具有重要的意义。1.5本文的主要工作 本文将虚拟仪器技术与检测技术相结合，利用 LABVIEW 软件平台开发了一种基于虚拟仪器技术的新型

27、电能质量测试系统，将电压偏差、频率偏差、三相不平衡度、电压波动、电网谐波等电能质量参数作为主要研究对象，同时对其测试算法进行了研究，最后通过对被测信号的采集、计算和分析，实现对上述稳态电能质量参数的检测，论文的主要工作有： 1. 分析了对电能质量进行监测的必要性，研究了电能质量监测装置的发展现状以及发展趋势，指出了采用虚拟仪器进行电能质量监测装置开发的优势所在。 2. 介绍了电能质量的分类和相关定义，阐述了电能质量超标产生的危害，综述了电能质量稳态指标的相关测量方法。 3. 设计了电能质量监测系统的总体结构，利用 LABVIEW 以及参数指标的测量原理，对系统的软件部分进行了设计，详细给出了各

28、模块的软件设计方案。4. 对系统测量的准确性进行了实验和仿真验证，并在实验室中搭建了电能质量测量平台，进行了实际的测试验证。35 测量原理及系统总体设计2 测量原理及系统的总体设计 2.1 电能质量基本概念 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、相位对称且互差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

29、问题，也就产生了电能质量的概念。 考虑到电能质量问题终究是由电力用户的生产需求驱动的，所以用户的衡量标准应当占有优先的位置。因此电能质量可以定义为：导致用电设备故障或不能正常工作的电压、电流或频率的偏差，其内容包括频率偏差、电压偏差、电压波动与闪变、三相不平衡度、暂时或瞬态过电压、波形畸变、电压暂降与短时间中断以及供电连续性等。如今电能质量问题正日益引起电力工程师们的广泛光注，已经成为电力公司、电力设备制造商和电力工程师急需解决的问题之一。2.2电能质量分类 为了系统地分析和研究电能质量现象，并能够对其测量结果进行分选识别，从中找出引起电能质量问题的原因和采取针对性的解决方法，因此将电能质量进

30、行分类和给出相应的定义是很重要的。其中比较实用的一种分类即按照电能扰动现象的两个重要表现特征:变化的连续性和事件的突发性为基础分成两类。 变化型是指连续出现的电能质量扰动现象，其重要的特征表现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。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

31、态电能质量问题，其主要特征是变化的不连续性或短时性。2.3 电能质量参数测量原理 2.3.1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。 (2.1)式中，、 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

32、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GB12325-2003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。1.35kV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. 10k

33、V及以下高压供电和低压三相用户为额定电压的+7-7；3.220V 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。2.3.2 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2/3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，

34、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 表示，即： （2.2） （2.3）式中，、为三相电压、电流正序分量均方根值；、为三相电压、电流负序分量均方根值。1、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(2-4)求出正序分量和负序分量，然后利用(2-2)式求出系统不平衡度。（2.4）式中，为旋转算子，、分别为正序、负序和零序分量，、分别为 A相、B 相和C 相电压。2、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： (2.5)式中，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

35、会造成一系列的危害，主要表现有： 1.三相不平衡系统中的负序分量偏大，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。 3.负序电压产生制动转矩，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/T15543-1995 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

36、电压不平衡度允许值一般为1.3%。2.3.3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： 100% (2.6)第 h 次谐波电流含有率： 100% （2.7）式中 、分别为第 K次谐波电压、电流的有效值；、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 （2.8）谐波电流总量为 ：

37、 (2.9)电压总谐波畸变率为 ： (2.10)电流总谐波畸变率为 ： (2.11) 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

38、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。 5.谐波会造成电气测量仪表计量误差。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 14543-1993）公用电网谐波规定电压 0.38kV以下的，电压总谐波畸率(THD)不高于5%；电压在 0.38kV-6.10kV之间的，电压总谐波畸率(THD)不高于4%；电压在 6.10kV-35.44kV之间的，电压总谐波畸率(THD)不高于 3%；电压在 35.44kV-110kV之间的，电压总谐波畸率(T

39、HD)不高于 2%。2.3.4 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、之差 U，常以其标称电压的百分数表示其相对百分值，即： (2.12)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2.1所示。变动频率r() 波动限值d(%) 变动频率r() 波动限值d(%) LV、MV HV LV、MV HVr1 4 3 10 r 100 2 1.5r

40、10 3 2.5 100 r 1000 1.5 2表2.1各级电网电压波动限值2.3.5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。 (2.13)式中，、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： 1.影响产品的质量。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。 2.降低劳动生产率。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

41、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。 4.降低发电机组效率，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

42、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/T15945-1995 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0.2Hz。当系统容量较小时，可放宽到0.5Hz。用户冲击负荷引起的系统频率变动一般不超过0.2Hz，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。2.4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

43、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2.1所示。图2.1系统总体结构 系统硬件实现 3.系统的硬件实现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

44、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、噪音等原因不能直接送入数据卡进行采集，所以需要在数据采集之前设置一个信号调理装置，通过该电路原信号转换为数据采集卡可接受的信号，然后再进行数据采集。信号调理装置主要是将原始的高电压、大电流信号转换为数据采集卡可以接受的低电压、小电流信号的传感器并进行适当的信号校正；数据采集卡主要是完成模拟信号的 A/D 转换，同时将转换后的信号送入计算机；计算机主要功能是利用自身强大的数据处理、分析及显示功能，进行电能质量参数的分析，并将分析结果形象直观地显示出来。系统结构图如图3.1所示。图

45、3.1硬件结构图3.1 电压电流传感器 通常，从电网直接获得的信号一般都为高电压、大电流信号，要对其进行采样分析，首先需要将信号通过适当的变换器转化为数据采集卡可以进行采样的小电流、低电压信号。要保证电能质量测量系统的精度首先就需要保证变换器的精度。由于电能质量指标包含有大量的稳态指标、暂态指标以及考虑到电网的实际工况，因此对于变换器的线性度、频响范围、绝缘强度等提出了严格的要求17，据此，我们选用了现今常用的霍尔传感器。霍尔传感器主要是采用霍尔原理的闭环补偿电压互感器（PT）和电流互感器(CT)霍尔传感器是目前最理想的互感器，它可以传送数百兆频率的各种电流信号，并且精度高、线性度好、响应快、频带宽及过载能力强。霍尔传感器在使用中的注意事项：1.使用传感器时，应先接通副边电源，再接通原边电流或电压。2. 测量电压时，被测电压应先串接限流电阻，在得到传感器所规定的原边电流后，再接入电压传感器原边端子。3.2 数据采集卡 在虚拟仪器、信号处理以及工业自动控制等