引言

    目前為止，我國幾乎所有的電能都是由較少的核電廠或大型火電廠發(fā)出的，然后經(jīng)過變電站進(jìn)行調(diào)壓后，再分配到千家萬戶和工廠里。電力的生產(chǎn)和輸送基本都是單方向的：從發(fā)電設(shè)備到消費(fèi)者。今天，隨著光伏發(fā)電產(chǎn)業(yè)和風(fēng)力發(fā)電裝機(jī)容量的不斷增加，因此會有相當(dāng)一部分的電力是由分布廣泛的消費(fèi)者自備的小型發(fā)電設(shè)備提供的。隨著我國國民經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，對電網(wǎng)負(fù)荷要求也越來越高，特別是非線性、沖擊性的負(fù)荷所占的比重也在不斷的加大，因此使電網(wǎng)電壓產(chǎn)生了波動和閃變，嚴(yán)重影響了我國電網(wǎng)的電能質(zhì)量。因此，對電網(wǎng)電壓的波動和閃變的研究也變的越來越重要。

    隨著計算機(jī)控制系統(tǒng)的設(shè)備產(chǎn)生和對自動化程度要求越來高的用電設(shè)備的相繼投入使用，工業(yè)消費(fèi)者對電能質(zhì)量的要求變的也越來越高，因為幾毫秒的不正常電壓就可能對企業(yè)造成巨大的損失。根據(jù)當(dāng)前國際電工委員會的有關(guān)規(guī)定和標(biāo)準(zhǔn)，電壓的波動和閃變被視為電能質(zhì)量優(yōu)劣的重要指標(biāo)。對于電壓的波動和閃變測量，目前國際是普通采用的方法是先檢測出波動的電壓大?。ɑ蛘哒{(diào)幅波），但不同之處在于檢波的方式各有差異。據(jù)統(tǒng)計數(shù)據(jù)顯示，目前自動化程度要求很高的工業(yè)消費(fèi)者每年一般要遭受10到50次與電能質(zhì)量產(chǎn)生問題的相關(guān)干擾，這其中因電壓的波動和閃變造成的動態(tài)電壓質(zhì)量問題占造成事故的數(shù)量約占總事故數(shù)量的83%，因此電壓的波動和閃變已經(jīng)成為了威脅大多重要消費(fèi)者供電可靠性的重要原因之一，必須對波動電壓進(jìn)行有效地監(jiān)視與抑制。

    目前我國所使用的電能質(zhì)量波動電壓的檢測方法存著諸多問題如：實時性能比較差、監(jiān)測的指標(biāo)比較少、數(shù)據(jù)分析工作量比較大、工作效率低等。實際由于電網(wǎng)參數(shù)的不斷變化，普通的傳統(tǒng)監(jiān)測方法不能及時有效的檢測出電網(wǎng)參數(shù)的變化，因此對電力系統(tǒng)相關(guān)的統(tǒng)計數(shù)據(jù)分析和調(diào)度控制等將造成直接的影響。本文采用虛擬儀器技術(shù)和網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)相結(jié)合，基于美國NI公司的Labview(LaboratoryVirtualInstrumentsEngineeringWorkbench)虛擬軟件開發(fā)平臺和相關(guān)的硬件，設(shè)計出一套波動電壓實時監(jiān)測的系統(tǒng)，通過分析和監(jiān)測電能電壓的波動指標(biāo)，從而監(jiān)測出電網(wǎng)的運(yùn)行狀況，并能實現(xiàn)了對電能質(zhì)量的遠(yuǎn)程監(jiān)控，使電力系統(tǒng)相關(guān)部門可實時監(jiān)測電能質(zhì)量的運(yùn)行情況，并及時的提出電網(wǎng)管理的最優(yōu)方案。

1、波動電壓的檢測原理

    目前，進(jìn)行波動電壓檢測的方法主要包括3種方法：半波有效值檢波法、平方解調(diào)檢波法和全波整流檢波法，如圖1所示為波動電壓檢出單元結(jié)構(gòu)框圖。

圖1 波動電壓檢出單元結(jié)構(gòu)框圖

    近幾年以來一些新性理論和原理被應(yīng)用于電壓波動檢測。本文采用了小波多分辨率信號的分解和同步檢波的電壓波動信號檢測相結(jié)合的一種新方法,該方法將小波多分辨率信號進(jìn)行分解，并且濾波器將取代普通同步檢波器中的解調(diào)帶通濾波器，本設(shè)計方案可檢測出電壓的波動信號的變化時間以及包絡(luò)信號中各個頻率的分量和幅度。因為傳統(tǒng)的小波分析數(shù)字信號處理存在的對需要信號采樣點(diǎn)數(shù)多，對突變故障信號的檢測時間較長等特點(diǎn)，此而在對小波多分辨率信號進(jìn)行分解時，必須采用快速的小波函數(shù)及其與之相對應(yīng)的小波變換函數(shù)。半小波函數(shù)和半小波變換函數(shù)就是其中的一種，它具有與全小波函數(shù)和小波變換函數(shù)相同的故障信號特征提取能力和時頻域特性，因此它的信號處理速度要比普通的小波變換的速度要快1倍多，并且檢測到突變故障信號的時間也更短，因此也具有更好的實時性。

    由于波動電壓所需的監(jiān)測信號不能直接進(jìn)行普通的模/數(shù)轉(zhuǎn)換實現(xiàn)，因此就需要一個電路信號調(diào)理電路將采集的信號轉(zhuǎn)換到數(shù)據(jù)采集卡的范圍內(nèi)，然后通過計算機(jī)接口進(jìn)行數(shù)據(jù)的采集分析。虛擬儀器在波動電壓的在線監(jiān)測中的應(yīng)用主要包括電壓傳感器、信號調(diào)理電路（抗混疊濾波器）、數(shù)據(jù)采集卡（A/D采集卡）和計算機(jī)（PC）虛擬儀器系統(tǒng)組成，如圖2所示為波動電壓在線監(jiān)測結(jié)構(gòu)框圖。

圖2 波動電壓在線監(jiān)測結(jié)構(gòu)框圖

    監(jiān)測系統(tǒng)工作原理主要是：當(dāng)監(jiān)測開始時，通過傳感器從電壓互感器的次級引入所需電壓輸入信號，此信號適宜模/數(shù)轉(zhuǎn)換器可以處理的電壓信號，然后經(jīng)過抗混疊低通濾波器，濾去高頻產(chǎn)生的干擾噪聲，最終經(jīng)過A/D數(shù)據(jù)采集卡轉(zhuǎn)換，將采集到的數(shù)據(jù)實時的送入計算機(jī)進(jìn)行處理，并通過計算機(jī)軟件Labview進(jìn)行采集數(shù)據(jù)的計算、分析、顯示、存儲和打印等功能。

2、波動電壓數(shù)學(xué)模型

    電網(wǎng)電壓的波動是指由一系列電壓的變動或工頻電壓的包絡(luò)線產(chǎn)生的周期變化。

    在對電壓閃變測量的研究過程中，采用方程1模擬一個某種帶有波動的電網(wǎng)電壓的波形。式中，m（t）為工頻正弦波形的幅度調(diào)制信號，

3、LabVIEW程序設(shè)計

    系統(tǒng)采用虛擬儀器進(jìn)行的在線監(jiān)測技術(shù)，對數(shù)據(jù)的處理、存儲和顯示、打印等都是通過LabVIEW編程在PC上實現(xiàn)的，本系統(tǒng)重要包括如下幾個模塊：

（1）操作顯示模塊

    采用LabVIEW設(shè)計的操作顯示面板主要是輸入測量相關(guān)的指令和測量信息進(jìn)行顯示的人機(jī)界面。輸入測量指令包含待測信號的額定電壓、額定頻率等；測量顯示信息包含三相電壓的信號波形曲線和頻譜分析的波形曲線、顯示諧波的各次分量的頻率、幅值和電壓偏差及各項報警指標(biāo)狀態(tài)的指示燈。如圖3所示，為電壓有效值監(jiān)測系統(tǒng)的前面板圖。

 圖3 電壓有效值監(jiān)測系統(tǒng)的前面板

（2）波動電壓計算分析模塊

    該模塊主要將完成波動電壓的獲取、計算和分析。因數(shù)據(jù)采集卡所采集到的電壓信號都是含有諧波信號和噪音信號的干擾信號。因此采用NI公司具有計算有效值功能的LABVIEW測得電壓信號的有效值。然后根據(jù)電壓偏差的計算公式和軟件運(yùn)算器共同作用分析可以測量出電壓偏差的實時數(shù)據(jù)。目前對電壓波動的測量方法主要包括：有效值檢測法、整流檢測法和同步檢測法等。本設(shè)計中采用了同步檢測法，因為該方法是將電壓的波動作為工頻電壓的載波，因此它的電壓峰值和均方根值都受到以電壓波動分量作為調(diào)幅波的調(diào)制。對于任何波形的調(diào)幅波也都可以視為由非基波分量的合成。根據(jù)同步檢測法的測量原理，電壓波動的測量流程圖可如圖4所示。

圖4 電壓波動的測量流程圖

（3）諧波測量模塊

    諧波測量是采用傅立葉變換函數(shù)得出不同段頻率所對應(yīng)信號的幅值。信號的采樣點(diǎn)幅值可采用離散的傅立葉變換方法將其轉(zhuǎn)換為頻域進(jìn)行顯示。為了快速計算傅立葉變換函數(shù)，通常采用FFT（快速傅立葉變換）方法。

    諧波的幅值、頻率和相角測量要通過多個虛擬儀器的先后作用來完成。單頻檢測儀器的高級搜索的近似頻率為50Hz。另外，電壓的總諧波畸變率THD主要是通過虛擬諧波分析模塊來進(jìn)行測量。

（4）三相電壓不平衡度測量模塊

    在三相忽略零序分量的系統(tǒng)中，只需得到3個線電壓的有效值，就可算出三相電壓的不平衡度。在程序設(shè)計中，公式節(jié)點(diǎn)是一種程序的結(jié)構(gòu)，可實現(xiàn)復(fù)雜的數(shù)學(xué)運(yùn)算，因此通過一個公式節(jié)點(diǎn)虛擬仿真控件測量三相電壓的不平衡度。如圖5所示為三相電壓不平衡度的測量圖。

圖5 三相電壓不平衡度測量圖

4、仿真結(jié)果

    本文采用所設(shè)計系統(tǒng)對三相電網(wǎng)電壓標(biāo)準(zhǔn)正弦波加干擾后進(jìn)行測量，當(dāng)電網(wǎng)的電壓運(yùn)行在正常的波動范圍、200～240V（單相交流有效值）內(nèi)，默認(rèn)電壓是正常的。當(dāng)電網(wǎng)電壓高于240V或低于190V時，系統(tǒng)都會發(fā)出間歇式的聲響。如圖6所示為設(shè)計系統(tǒng)電壓波動監(jiān)測仿真分析圖。

圖6 系統(tǒng)電壓波動監(jiān)測仿真分析圖

    通過實驗仿真分析表明所設(shè)計系統(tǒng)示波器上顯示了實時的波形，當(dāng)產(chǎn)生報警時并發(fā)出了警報聲音，并可通過監(jiān)測軟件顯示查看產(chǎn)生電壓波動故障的持續(xù)時間。

5、結(jié)論

    本文通過對電能質(zhì)量各項指標(biāo)分析研究的基礎(chǔ)上，以Labview軟件為設(shè)計核心，結(jié)合相應(yīng)的硬件進(jìn)行設(shè)計，因該設(shè)計方法具有數(shù)據(jù)采集成本較低、修改方便并且與實際的硬件相似度很高等特點(diǎn)，設(shè)計出一種基于虛擬儀器的新型的電能質(zhì)量-電壓波動監(jiān)測系統(tǒng)。通過仿真實驗結(jié)果表明，該系統(tǒng)可實時的、準(zhǔn)確的測量出電壓波動幅值和持續(xù)時間，為電力系統(tǒng)管理部門提供了可靠的數(shù)據(jù)依據(jù)并解決了諸多生產(chǎn)中的技術(shù)問題。