基于LabVIEW电能质量监测仪设计.doc

毕 业 设 计（论 文）

题 目 基于LABVIEW电能质量监测仪设计

41 / 47

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问题。一方面是因为影响电能质量因素日益增多，如今广泛使用非线性设备和电力电子装置，使电网中电流和电压波形发生畸变，导致电能质量恶化。另一方面，各种精密、复杂，对电能质量敏感电气设备普及，使人们对电能可靠性及其质量要求及日俱增。因此，研究供电质量监测方法，找出导致电能质量下降原因具有重要工程和理论价值。本论文设计并给出了以测控领域最新技术——虚拟仪器平台为基础电能质量监测系统。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公司开发图形化开发软件LABVIEW进行系统程序构建，结合使用NI公司配套设备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

Abstract

Power quality is an essential concern of electrical utilities and customers. On one hand, the factors which affect the power quality are increasing, for example, the distorted wave of voltages and currents caused by the extensive application of power electronic apparatus and nonlinear equipment has worsened the power quality. On the other hand, the popularity of the complicated, exactitude and power quality-sensitive electricity appliances has made power quality more important. Research on the power quality monitoring and analysis method is of great value in both theory and practice.This paper was designed based on the latest technology in control field - power quality parameters monitor system on the virtual instrument technology platform. It can monitor electric power parameters including voltage, electrical current, phase, frequency, three-phase voltage unbalance, harmonic and the voltage fluctuation and flicker, and can also provide detailed power quality analysis in realtime. This paper is to use American NI company's graphical LABVIEW software to built the system,by using a combination of construction program NI company auxiliary equipment PCI - 6024E (data acquisition card) ,sensor and transmitters hardware equipment, established a set of power quality monitoring with precis measurement ability .

Keywords: power quality, on-line monitoring system,LABVIEW,virtual instrument

目 录
摘 要 I
Abstract II
目 录 III
1. 绪论 1
1.1 课题研究背景及意义 1
1.2 国内外对电能质量监测研究现状 2
1.3 本论文主要工作 2
2. 电能质量指标及测量方法 4
2.1 电能质量指标简介 4
2.2 电网电压允许偏差 4
2.3 电网频率允许偏差 5
2.4 电网三相电压允许不平衡度 6
2.5 公用电网谐波 8
2.6 电压波动和闪变 11
3. 电能质量测量过程中相关问题 13
3.1 采样定理 13
3.2 混叠现象及FFT分析 13
3.3 闪变测量数字化实现方法 14
4. 基于虚拟仪器技术电能质量监测系统设计 17
4.1 硬件部分设计 17
4.1.1 传感器 17
4.1.2 信号调理器 18
4.1.3 数据采集卡 19
4.2 LABVIEW虚拟仪器简介 20
4.3 虚拟仪器技术电能质量监测系统软件设计 21
4.3.1 供电电压和频率允许偏差测试程序设计 21
4.3.2 谐波测量主程序设计 23
4.3.3 三相电压不平衡度测量模块 25
4.3.4 电压波动和闪变测量程序设计 27
5. 结论及展望 32
5.1 结论 32
5.2 存在问题及展望 32
致 谢 33
参考文献 34
附录 部分仿真结果 36

1. 绪论
1.1 课题研究背景及意义
目前，电能已经成为人类社会不可或缺一种资源，人们利用它完成各种所需要工作，它已经成为人类赖以生存和发展重要部分。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，对电能质量要求却反而越来越高，这样矛盾必然会引来社会性问题，因此不少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，工业科技迅速发展给人类带来了进步，但是及此同时也给电能质量带来了大量沉重负荷，给电网造成了不可磨灭破坏；另一方面，随着科学技术进步，无数精密仪器被引入到电网中来，这些精密仪器对电能质量要求越来越高，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过程中，电力部门必然会要求电能质量不断提高，并且使电能质量标准不断完善。在今年来大规模国际国内供电会议上，有关电能质量标准制定比比皆是，大多都是围绕电能质量概念、标准、测量和改善相关研究。从某种程度上讲，电能质量已经成为当今社会即将面临一个严峻挑战之一。
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及IEC标准，我国也相继颁布了关于电能质量问题五项指标分别是：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、电压波动及闪变。根据调查知道，我国目前使用电能质量监测仪器相对国外产品还比较落后，主要是基于单片机检测设备，抗干扰能力很差，也不能稳定准确检测分析电能质量本质问题。然而使用国外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，在控制领域中虚拟仪器可以算最先进仪器技术，可以使用这种技术来研制电能质量监测设备，来对电能质量进行实时在线监测，以保证电网安全、稳定运行。电能质量关系到国家命脉，特别是涉及到电力、铁道、化工、冶金、IT 等诸多行业发展。因此国内国外专家学者们都引起了高度重视，并且随着经济发展和工业管理体制转变，电网逐渐实现了商业化管理体制，使得用户不断地追求高质量电能供应，这给电能供应商除了个难题，也促使电能质量向前发展不断提高。
1.2 国内外对电能质量监测研究现状
随着对电能质量问题逐步重视，针对这一问题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，已经得出了不少研究成果。在国内外，目前主要使用监测方式是使用智能仪器，由数字技术和相关硬件组成。这种仪器体积庞大，测量精度不高，容易受到外界环境影响，而且在测量不同电能指标时还要更换相应硬件设备，这些弊病给监测带来了诸多不便。为了增加同时测量指标，不得不加入各自硬件电路，这样以来设备体积更加庞大，不能实时保存测量数据，观测历史数据极为不方便。国内电能质量设备研究起步较晚，传统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。
虚拟仪器出现为上述问题带来了解决办法，彻底改变了这一现状，它将信息通讯、仪器仪表、信息通讯、计算机技术相结合，使用强大计算机来实现庞大硬件电路测试功能。本论文设计了基于虚拟仪器电能质量监测系统，通过计算机高速计算能力对电能质量进行在线监测，使电力部门能实时掌握电能质量情况，便于对突发状况作出有效补救措施，避免不必要损失。
1.3 本论文主要工作
本文在对电力系统电能质量指标及测量方法进行研究同时，设计了基于LABVIEW 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现状进行了解，知道目前电能质量已经成为了社会热点话题，针对改善电能质量方案层出不穷。
（2）、对我国电能质量监测现状做了了解和学习，发现我国监测技术尚未成熟还需要进一步研究和开发。
（3）、讨论衡量电能质量监测和电能质量问题指标方法，并对电网谐波和闪变测量方法进行研究，寻找提高测量精度措施和方法。
（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软件系统设计，此系统在功能上可以代替电能质量监测仪部分硬件，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及闪变，并判断到得数据是否符合国家标准。设计了相应硬件部分，此部分在整个检测过程中主要起到获取电压电流物理量，进行数模转换、数据采样并传输到PC功能。
（5）、对本次设计项目总结，对前景展望以及对不足之处认识。

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原因，并且系统研究电能质量问题，在线分析其测量结果，以便采取相应措施来解决，我们一定要先对电能质量各项指标有所了解。电能质量指标是对指一些能够对电能质量各方面进行具体描述数字量，不同电能指标意义都是不同。目前我国制定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、电压波动及闪变。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，但仍没有作出相关规定。因此，如果要建立电能质量完整标准体系，需要开展工作依然很多。
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变化时额定电压及测量电压之差。通常指电压小于1% /秒速度测量电压和额定电压差异，表示为：
(2-1)
偏差过大造成危害有如下几点：
⑴对电气设备危害，电气设备设计在额定电压工作情况下，具有最高效率和性能。电压偏差使其工作时性能和效率减少，有还会减少使用寿命，电压超过一定值电压偏差会造成设备损坏。
⑵影响电网安全、稳定、经济运行，当系统电压降低时，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，影响电机运行，甚至带来故障。类似变压器也要减少负荷，有时甚至会导致电压崩溃严重后果，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绝对值之不能超过额定电压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±7%。
⑶220V 单相供电电压允许偏差为额定电压+7%，-10%。
供电电压为供电部门及用户产权分界处电压或由供用电协议所规定电能计量点电压。
2.3 电网频率允许偏差
2.3.1 频率偏差测量方法
电力系统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，系统频率实际值及标称值(工频)之差称为系统频率偏差，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，测量频率主要方法有：
(1)周期法，通过测量输入波形相邻过零点之间时间宽度倒数来计算频率。这种方法概念清晰，容易实现，但精度低，容易受噪声、谐波和非周期分量影响。对这种算法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（level crossing）、最小二乘多项式曲线拟合法，这些算法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）。在理想模型下DFT(FFT)类似算法，只要参数选择合适就能准确地计算出模型参数，在考虑噪声和谐波情况下，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 频率偏差危害
频率偏差也是电能质量重要指标之一。现代用电设备对频率要求比较高，特别是在发电厂用电负荷上，要求更高。对频率控制是保证发电厂和用户正常运行前提条件。电力系统频率允许偏差，顾名思义就是基波频率及额定频率偏离程度。《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频率偏差为±0.2Hz，如果系统容量较小，偏差值可以适当放宽到±0.5Hz。冲击负荷用户引起频率变动一般情况下不得超过±0.2Hz，根据特殊冲击负荷大小和性质以及系统其他条件，限值也可做适当变动，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安全稳定运行以及正常供电。系统频率过大变动会对用户和发电厂照成不良影响主要有如下几个方面：
(1)异步电机转速变化率变化,导致纺织、造纸机械产品质量影响；
(2)某些测控设备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功率和转速降低，造成传动机械效率下降；
(4)发电厂汽轮机叶轮振动随着频率降低而变大，影响其使用寿命；
(5)系统频率下降，发电厂效率降低，使系统频率质量雪上加霜；
(6)变压器和异步电机电流随系统频率降低而增加，消耗无功功率增加，电力系统电压水平进一步恶化；
总之，所有用电设备设计都是遵循系统额定值，电力系统频率质量下降必然会影响到各行各业发展。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。实际中电力系统不可能是完全平衡，引起这种不平衡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三相不平衡，称之为事故性不平衡，这种不平衡工况是系统不允许，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不平衡。
在这里需要声明，“三相电压允许不平衡度”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，某电量三相不平衡度定义为该电量负序分量均方根值及其正序分量均方根值之比，用符号表示，即：
(2-3)
式中：U1是三相电压正序分量均方根值；
U2是三相电压负序分量均方根值。
由式（2-3）可见，在计算三相系统不平衡度之前，必须首先知道三相系统负序分量和正序分量。并且测得各相量相位及大小，再根据对称分量法将三相不对称分量分解为三项对称分量，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，可以用下式求不平衡度：
(2-6)
式中：
及此类似，三相电流不平衡度也可以用其相应公式计算，只需将其中电压符号换为相对应电流符号。
2.4.2 三相不平衡危害[2]
随着国民经济发展，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危害，其中主要有：
(1)引起旋转电机附加发热和振动，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。
(3)电压不平衡使半导体变流设备产生附加谐波电流(非特征谐波)，而这种设备一般设计上只允许2％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)变压器三相负荷不平衡，不仅使负荷较大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)以及电视机损坏等。
(7)三相不平衡时，将引起电网损耗增加。
(8)干扰通讯系统，影响正常通信质量。
根据国家标准《电能质量三相电压允许不平衡度》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 谐波源及谐波定义
谐波是一个频率为基波频率整数倍正弦周期性分量[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次谐波、分数谐波和间谐波等概念。另外，还要及暂态现象区别开来，谐波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。谐波产生，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)
电流谐波计算类似于电压计算公式，这里不一一列出。对谐波测量通常情况下，往往会选取用户和电网连接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，用来监测有关线路谐波电流和电网谐波电压水平。系统中谐波源主要可分为两大类：
(1)含电弧和铁磁非线性设备谐波源，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，还会产生大量谐波；类似于电弧炉等含有电弧设备，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，简谐波引入可能引起电压波动和闪变。这些设备大量引入都会给电力网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、为节能和控制用电力电子设备、直流拖动设备、PWM变频器等；
2.5.2 谐波危害
在电力系统中主要是各种谐波源产生谐波对电力系统电能质量造成污染，以致整个电力系统电力环境包括广大用户和电力系统本身。因为其污染影响距离远、范围大，甚至比工厂对大气环境污染更为严重。第一类是对计算机控制器或系统、继电保护器动作、仪表测量以及视听设备影响，它可能造成设备性能恶化或工作失误，甚至毁坏；第二类是对机电设备影响，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切除时间，直接造成快速重合闸后再燃。
(5)降低了变压器负荷能力，负荷电流中谐波流过变压器时，必然会在变压器中造成损耗，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同时，给电网引入了不少谐波，然而目前对它们谐波影响问题还没有做出充分研究。所以此次研究必要性十分明显。
2.5.3 国标中关于谐波规定
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限值如表2-1 所示：
表2.1公用电网谐波限值
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
0.38
5.0%
4.0
2.0
6
4.0%
3.2
1.6
10
4.0%
3.2
1.6
35
3.0%
2.4
1.2
66
3.0%
2.4
1.2
110
2.0%
1.6
0.8
国家对谐波测量仪器也有一定评定标准：
(1)必须满足本标准测量要求。
(2)为了将谐波和暂态现象区别开，做如下规定：对负荷变化比较快谐波，测量结果为3s 内所测值平均值，推荐采用下式计算：
（2-10）
式中：3s内第k次测得h次谐波有效值；
m ：3s内取均匀间隔测量次数，m≥6。
(3)谐波测量仪器允许误差，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%条件下能正常工作。
2.6 电压波动和闪变
2.6.1 电压波动和闪变定义及简介
电压闪变是指人眼对由电压波动所引起照明异常视觉感受，它通常是以白炽灯工况作为判断依据，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波动引起，如电焊机等；后者主要及周期性电压波动有关，如往电弧炉、复式压缩机等。
这些不平衡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，导致及之连接在一起电网其他线路电压发生波动，这种波动就是电压波动，其频率及波动电流频率相同。电压波动通常是指电压幅值在一定范围内随机或有规律变动，这个范围通常定位额定值90%到110%。电压波动值计算方法为：通常用额定电压百分数表示其相对百分值d，即：
(2-11)
式中：Umax及Umin为电压均方根值两个极值
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主观视感，即“闪变”，作为衡量电压波动严重程度评价指标。
2.6.2 电压波动和闪变测量方法
闪变是对灯光闪烁观测统计量，因此闪变不仅及波动电压幅值、波动电压频率有关，而且及照明工具性能、人视觉有关。闪变能觉察到最大频率范围为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个时段测定值来计算短时闪变(在10min内)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0.5S(t)值。
N个波动电压引起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工况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多闪变源运行随机情况，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时间内，短时间闪变值出现个数。
2.6.3 国标中电压波动及闪变规定
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，对于很少变动频度，其电压变动限值还可以放宽。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“*”值为其限值。本标准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≤1
4
3
1<r≤10
3
2.5
10<r≤100
2*
1.5*
100<r≤1000
1.25
1
表2.3各级电压闪变限值
系统电压等级
低压
中压
高压

1.0
0.9（1.0）
0.8

0.8
0.7（0.8）
0.6

3. 电能质量测量过程中相关问题
该部分主要对采样定理、FFT分析谐波和闪变测量方法进行了简要研究。找到了提高谐波分析精度方法和措施，减小谐波分析过程中不利因素。针对闪变测量存在问题，本文提使用IEC提供数值化算法，提高了闪变测量精度。
3.1 采样定理
在实际工作中，信号采样是通过 A/D 芯片来实现。信号采样定理将连续信号和离散信号巧妙链接起来，是进行离散系统设计和离散信号处理基础。采样定理(sampling theory)规定：若连续信号 x(t)是有限带宽，其频谱最高频率为 ，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)全部信息。
3.2 混叠现象及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要求，会造成FFT分析时频谱混叠；如果将采样信号频率选得过高，单位时间内采样点数就会过多，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 、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，频率为正弦波德幅值就会叠加于频率为正弦波幅值上，因而采样频率不能正确分辨两个正弦波幅值，这就是混叠现象。通常情况下作傅立叶变换可以求出模拟信号连续频谱，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，提高了频谱分析时间。减少了计算机内存占用。但是使用常规脚本编程来实现FFT，仍然需要较大编程工作量和较高编程技巧。
美国NI公司开发变成软件LabVIEW，解决了这一难题，它提供了基于FFT算法多种计算子VI，我们在编程时候只需要从函数库中调用这些VI就可以实现复杂FFT分析，例如：波形VI、ExpressVI,基本函数VI三个层次丰富频域分析处理函数。使用这些函数，可以快捷地进行时域到频域转换，也可以用来进行频谱,功率谱,相位谱分析，这些功能实现为谐波测量系统构建带来了极大便利。
3.3 闪变测量数字化实现方法
3.3.1 闪变具体测量方法
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公式推导出来，它是人眼对白炽灯照度变化一种直观感受，它测量需要对大量被测人群感觉数字统计和分析来到一定经验数据。而且影响闪变因素众多，无法一一区分研究，智能使用模糊测量方法，进行分析。目前，国际上较多采用是：IEC（国际电工委员会）和UIE（国际电热协会）推荐统计方法[4]。这里以IEC推荐为重点，它采用不同幅值、频率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数量占被调查者总数量比值，即闪变察觉率 F(%)：
（3-2）
式中，A 为没有察觉人数，B 为略有察觉人数，C 为有明显察觉人数，D为难以忍受人数
如果测得结果F(%)超过50%，说明此时灯光波动对于大多数人来说是有明显影响，如果把 F(%)大于 50%设定为闪变限值，那么可以相应得到电压波动在此种试验条件下限值。瞬时闪变通常用瞬时闪变值来描述也就是通常所说瞬时闪变视感度S(t)。
S(t)是电压波动波形、频度、大小等作用综合结果，评估衡量闪变时是以其时变曲线为依据。通常规定当F=50%时，对应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载波，并且受到以波动量作为调幅波调制。为了不失一般性，这里我们以只含有单一频率调幅波电压为例，也可以使分析简化，因此调幅波解析式为：
（3-3）
式中，V－调幅波电压幅值，U－工频载波电压幅值，Ω－调幅波电压角频率
，ω－工频载波电压角频率
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带通滤波器滤除直流分量和高频分量，又由于调幅波电压倍频分量幅值远小于调幅波，因此可忽略不计，便可以近似获得调幅波电压。
（3-5）
3.3.3 IEC推荐闪变仪介绍
UIE/IEC 闪变仪简化原理框图如图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
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

灯-眼-脑模拟环节

图3.4闪变仪简化原理框图
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，使之适合仪器要求输入电压数值。
框 2 使用平方解调器取出电压波动量，此波动量及调幅波幅值成线性关系，用来来模拟灯作用。
框 3 模拟人眼功能，IEC 推荐传递函数为：
（3-6）
式中K = 1.74802,= 2π×4.05981, =2π×9.15494, = 2π×2.27979,= 2π×1.22535, = 2π×21.9
框 4 模拟人脑功能，通过积分和平方两个滤波环节来实现。其中平方器功能为模拟人、眼、脑觉察过程。
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. 基于虚拟仪器技术电能质量监测系统设计
4.1 硬件部分设计
虚拟仪器核心思想为“软件就是仪器”，这一思想解决了电能质量监测瓶颈问题。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功能；信号调理器功能主要是将传感器检测到电压电流转换成适合采集卡输入范围电量；采集卡完成模数转换和采样功能；上位机主要起到计算处理数据和配置硬件功能。
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

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，这里用到时互感器，是对比较大电压电流量进行检测得到适合数据调理器电压电流量，因此