引言

    目前為止，我國(guó)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(guò)變電站進(jìn)行調(diào)壓后，再分配到千家萬(wàn)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(huì)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(guó)國(guó)民經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，對(duì)電網(wǎng)負(fù)荷要求也越來(lái)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(dòng)和閃變，嚴(yán)重影響了我國(guó)電網(wǎng)的電能質(zhì)量。因此，對(duì)電網(wǎng)電壓的波動(dòng)和閃變的研究也變的越來(lái)越重要。

    隨著計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的設(shè)備產(chǎn)生和對(duì)自動(dòng)化程度要求越來(lái)高的用電設(shè)備的相繼投入使用，工業(yè)消費(fèi)者對(duì)電能質(zhì)量的要求變的也越來(lái)越高，因?yàn)閹缀撩氲牟徽ｋ妷壕涂赡軐?duì)企業(yè)造成巨大的損失。根據(jù)當(dāng)前國(guó)際電工委員會(huì)的有關(guān)規(guī)定和標(biāo)準(zhǔn)，電壓的波動(dòng)和閃變被視為電能質(zhì)量?jī)?yōu)劣的重要指標(biāo)。對(duì)于電壓的波動(dòng)和閃變測(cè)量，目前國(guó)際是普通采用的方法是先檢測(cè)出波動(dòng)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(jì)數(shù)據(jù)顯示，目前自動(dòng)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(wèn)題的相關(guān)干擾，這其中因電壓的波動(dòng)和閃變?cè)斐傻膭?dòng)態(tài)電壓質(zhì)量問(wèn)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(dòng)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(duì)波動(dòng)電壓進(jìn)行有效地監(jiān)視與抑制。

    目前我國(guó)所使用的電能質(zhì)量波動(dòng)電壓的檢測(cè)方法存著諸多問(wèn)題如：實(shí)時(shí)性能比較差、監(jiān)測(cè)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(shí)際由于電網(wǎng)參數(shù)的不斷變化，普通的傳統(tǒng)監(jiān)測(cè)方法不能及時(shí)有效的檢測(cè)出電網(wǎng)參數(shù)的變化，因此對(duì)電力系統(tǒng)相關(guān)的統(tǒng)計(jì)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(guó)NI公司的Labview(LaboratoryVirtualInstrumentsEngineeringWorkbench)虛擬軟件開(kāi)發(fā)平臺(tái)和相關(guān)的硬件，設(shè)計(jì)出一套波動(dòng)電壓實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)的系統(tǒng)，通過(guò)分析和監(jiān)測(cè)電能電壓的波動(dòng)指標(biāo)，從而監(jiān)測(cè)出電網(wǎng)的運(yùn)行狀況，并能實(shí)現(xiàn)了對(duì)電能質(zhì)量的遠(yuǎn)程監(jiān)控，使電力系統(tǒng)相關(guān)部門(mén)可實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)電能質(zhì)量的運(yùn)行情況，并及時(shí)的提出電網(wǎng)管理的最優(yōu)方案。

1、波動(dòng)電壓的檢測(cè)原理

    目前，進(jìn)行波動(dòng)電壓檢測(cè)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(dòng)電壓檢出單元結(jié)構(gòu)框圖。

圖1 波動(dòng)電壓檢出單元結(jié)構(gòu)框圖

    近幾年以來(lái)一些新性理論和原理被應(yīng)用于電壓波動(dòng)檢測(cè)。本文采用了小波多分辨率信號(hào)的分解和同步檢波的電壓波動(dòng)信號(hào)檢測(cè)相結(jié)合的一種新方法,該方法將小波多分辨率信號(hào)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(jì)方案可檢測(cè)出電壓的波動(dòng)信號(hào)的變化時(shí)間以及包絡(luò)信號(hào)中各個(gè)頻率的分量和幅度。因?yàn)閭鹘y(tǒng)的小波分析數(shù)字信號(hào)處理存在的對(duì)需要信號(hào)采樣點(diǎn)數(shù)多，對(duì)突變故障信號(hào)的檢測(cè)時(shí)間較長(zhǎng)等特點(diǎn)，此而在對(duì)小波多分辨率信號(hào)進(jìn)行分解時(shí)，必須采用快速的小波函數(shù)及其與之相對(duì)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(hào)特征提取能力和時(shí)頻域特性，因此它的信號(hào)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(cè)到突變故障信號(hào)的時(shí)間也更短，因此也具有更好的實(shí)時(shí)性。

    由于波動(dòng)電壓所需的監(jiān)測(cè)信號(hào)不能直接進(jìn)行普通的模/數(shù)轉(zhuǎn)換實(shí)現(xiàn)，因此就需要一個(gè)電路信號(hào)調(diào)理電路將采集的信號(hào)轉(zhuǎn)換到數(shù)據(jù)采集卡的范圍內(nèi)，然后通過(guò)計(jì)算機(jī)接口進(jìn)行數(shù)據(jù)的采集分析。虛擬儀器在波動(dòng)電壓的在線監(jiān)測(cè)中的應(yīng)用主要包括電壓傳感器、信號(hào)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(jì)算機(jī)（PC）虛擬儀器系統(tǒng)組成，如圖2所示為波動(dòng)電壓在線監(jiān)測(cè)結(jié)構(gòu)框圖。

圖2 波動(dòng)電壓在線監(jiān)測(cè)結(jié)構(gòu)框圖

    監(jiān)測(cè)系統(tǒng)工作原理主要是：當(dāng)監(jiān)測(cè)開(kāi)始時(shí)，通過(guò)傳感器從電壓互感器的次級(jí)引入所需電壓輸入信號(hào)，此信號(hào)適宜模/數(shù)轉(zhuǎn)換器可以處理的電壓信號(hào)，然后經(jīng)過(guò)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(guò)A/D數(shù)據(jù)采集卡轉(zhuǎn)換，將采集到的數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)的送入計(jì)算機(jī)進(jìn)行處理，并通過(guò)計(jì)算機(jī)軟件Labview進(jìn)行采集數(shù)據(jù)的計(jì)算、分析、顯示、存儲(chǔ)和打印等功能。

2、波動(dòng)電壓數(shù)學(xué)模型

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

    在對(duì)電壓閃變測(cè)量的研究過(guò)程中，采用方程1模擬一個(gè)某種帶有波動(dòng)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(hào)，

3、LabVIEW程序設(shè)計(jì)

    系統(tǒng)采用虛擬儀器進(jìn)行的在線監(jiān)測(cè)技術(shù)，對(duì)數(shù)據(jù)的處理、存儲(chǔ)和顯示、打印等都是通過(guò)LabVIEW編程在PC上實(shí)現(xiàn)的，本系統(tǒng)重要包括如下幾個(gè)模塊：

（1）操作顯示模塊

    采用LabVIEW設(shè)計(jì)的操作顯示面板主要是輸入測(cè)量相關(guān)的指令和測(cè)量信息進(jìn)行顯示的人機(jī)界面。輸入測(cè)量指令包含待測(cè)信號(hào)的額定電壓、額定頻率等；測(cè)量顯示信息包含三相電壓的信號(hào)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(xiàng)報(bào)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(cè)系統(tǒng)的前面板圖。

 圖3 電壓有效值監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的前面板

（2）波動(dòng)電壓計(jì)算分析模塊

    該模塊主要將完成波動(dòng)電壓的獲取、計(jì)算和分析。因數(shù)據(jù)采集卡所采集到的電壓信號(hào)都是含有諧波信號(hào)和噪音信號(hào)的干擾信號(hào)。因此采用NI公司具有計(jì)算有效值功能的LABVIEW測(cè)得電壓信號(hào)的有效值。然后根據(jù)電壓偏差的計(jì)算公式和軟件運(yùn)算器共同作用分析可以測(cè)量出電壓偏差的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)。目前對(duì)電壓波動(dòng)的測(cè)量方法主要包括：有效值檢測(cè)法、整流檢測(cè)法和同步檢測(cè)法等。本設(shè)計(jì)中采用了同步檢測(cè)法，因?yàn)樵摲椒ㄊ菍㈦妷旱牟▌?dòng)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(dòng)分量作為調(diào)幅波的調(diào)制。對(duì)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(cè)法的測(cè)量原理，電壓波動(dòng)的測(cè)量流程圖可如圖4所示。

圖4 電壓波動(dòng)的測(cè)量流程圖

（3）諧波測(cè)量模塊

    諧波測(cè)量是采用傅立葉變換函數(shù)得出不同段頻率所對(duì)應(yīng)信號(hào)的幅值。信號(hào)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(jì)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(cè)量要通過(guò)多個(gè)虛擬儀器的先后作用來(lái)完成。單頻檢測(cè)儀器的高級(jí)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(guò)虛擬諧波分析模塊來(lái)進(jìn)行測(cè)量。

（4）三相電壓不平衡度測(cè)量模塊

    在三相忽略零序分量的系統(tǒng)中，只需得到3個(gè)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(jì)中，公式節(jié)點(diǎn)是一種程序的結(jié)構(gòu)，可實(shí)現(xiàn)復(fù)雜的數(shù)學(xué)運(yùn)算，因此通過(guò)一個(gè)公式節(jié)點(diǎn)虛擬仿真控件測(cè)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(cè)量圖。

圖5 三相電壓不平衡度測(cè)量圖

4、仿真結(jié)果

    本文采用所設(shè)計(jì)系統(tǒng)對(duì)三相電網(wǎng)電壓標(biāo)準(zhǔn)正弦波加干擾后進(jìn)行測(cè)量，當(dāng)電網(wǎng)的電壓運(yùn)行在正常的波動(dòng)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(shí)，系統(tǒng)都會(huì)發(fā)出間歇式的聲響。如圖6所示為設(shè)計(jì)系統(tǒng)電壓波動(dòng)監(jiān)測(cè)仿真分析圖。

圖6 系統(tǒng)電壓波動(dòng)監(jiān)測(cè)仿真分析圖

    通過(guò)實(shí)驗(yàn)仿真分析表明所設(shè)計(jì)系統(tǒng)示波器上顯示了實(shí)時(shí)的波形，當(dāng)產(chǎn)生報(bào)警時(shí)并發(fā)出了警報(bào)聲音，并可通過(guò)監(jiān)測(cè)軟件顯示查看產(chǎn)生電壓波動(dòng)故障的持續(xù)時(shí)間。

5、結(jié)論

    本文通過(guò)對(duì)電能質(zhì)量各項(xiàng)指標(biāo)分析研究的基礎(chǔ)上，以Labview軟件為設(shè)計(jì)核心，結(jié)合相應(yīng)的硬件進(jìn)行設(shè)計(jì)，因該設(shè)計(jì)方法具有數(shù)據(jù)采集成本較低、修改方便并且與實(shí)際的硬件相似度很高等特點(diǎn)，設(shè)計(jì)出一種基于虛擬儀器的新型的電能質(zhì)量-電壓波動(dòng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。通過(guò)仿真實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，該系統(tǒng)可實(shí)時(shí)的、準(zhǔn)確的測(cè)量出電壓波動(dòng)幅值和持續(xù)時(shí)間，為電力系統(tǒng)管理部門(mén)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(wèn)題。