基于LabVIEW电能质量监测系统设计

齐 超，刘伟健，王 烨，庄 园，齐 赛

(1.哈尔滨工业大学哈尔滨150001;2.国网吉林省电力有限公司培训中心长春130022;

3.黑龙江省电力有限公司培训中心哈尔滨150030)

电能作为人类主要能源，其应用程度是衡量一个国家生产力发展水平和综合国力的重要标志之一.提倡节能降损、增强用电效率，电能质量的好坏也成为提高国民经济的总体效益以及工业生产可持续发展的必要条件.随着科技进步，我国电力系统负荷发生巨大变化，大功率开关设备投入使用，大批新型电力电子器件批量应用，使得它们对供电电能质量要求越来越高.另一方面，我国电网规模不断扩大，大量的非线性负荷给电力系统电能质量带来了严重的影响，电压和频率偏差过大将影响异步电动机运行参数及其寿命，严重时会影响用户产品的数量和质量;三相系统的零序分量和负序分量会影响设备正常运行;谐波污染则降低了供电可靠性，极有可能引发供电事故[1－3].这就使得对电网电能质量各项指标实时、准确地监测显得十分必要，在线监测电能质量各项指标，可以做到心中有数，预防电网故障发生，即使在电网出现问题时，也能够及时有效的处理故障，把影响降到最低，保证了系统运行的安全性，可靠性及经济性.

传统的基于DSP、单片机电能质量监测仪具有开发周期长，灵活性差，功能单一，升级不方便等弊端[4－5].无法与模块化、系统化、网络化的电能质量装置发展趋势相适应.综上所述，本文提出了一种基于LabVIEW虚拟仪器电能质量监测系统的设计，以适应模块化、智能化，标准化电能质量监测仪发展的需求.

1 电能质量指标

1.1 电压偏差与频率偏差

供电系统在在正常运行下，某一节点的实际电压与系统标称电压之差对系统标称电压的百分数称为该节点的电压偏差，数学表达式为:

其中:δU为电压偏差;Ure为实际电压;UN为系统标称电压.

电压偏差过大对用电设备以及电网经济、安全和稳定运行都将产生极大的危害，而系统无功功率不平衡是引起系统电压偏离标称值的根本原因，为了使系统能够稳定运行，必须使系统具备充分的无功功率，同时使用必要的调压手段来保证电力系统各节点电压在正常水平.

供电系统频率偏差是指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，表达式为:

其中:δf为频率偏差;fre为实际频率;fN为系统标称频率.

频率偏差主要是由系统有功功率不平衡产生的，频率偏差将会降低发电机组效率，增大感应式电能表计量误差;偏差过大也将使电子设备不能正常工作，甚至停止运行.

1.2 电压三相不平衡度

三相系统电压不平衡时，对于三相四线制电路，电压中除了含有谐波分量外，还包括正序、负序、零序分量;对于三相三线制电路，只含有正序、负序分量.电力系统在正常运行方式下，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ε表示，以电压为例表达式为:

其中:εU为三相电压不平衡度;U1、U2分别为电压正序、负序分量均方根值.

对于含有零序分量的任何不对称三相四线制系统，从电工理论可知应用对称分量法可分解为三组对称的正序、负序、零序分量，即:

当三相系统中不含零序分量时，国标给出了三相不平衡度的准确算式:

1.3 电网谐波参数

在工程上，为了抑制和补偿某次谐波的数值，常以其谐波含有率来表示.电压畸变波形的第k次谐波电压有效值Uk与基波有效值U1的百分比称为该次谐波的含有率HRk，表达式为:

畸变波形偏离正弦波的程度，常以总谐波畸变率表示.它是高次谐波各有效值的平方和的平方根值与基波有效值的百分比.电压总谐波畸变率THDU为:

电压波动与闪变也是衡量电网电能质量很重要指标之一，但由于这一指标不仅与波动电压波形、幅值、频率等因素有关，而且与照明灯具的性能等外界因素和人的视觉等主观因素有关，在本次设计中没有涉及.

2 系统组成

一个典型的基于PC机的电能质量监测系统如图1所示，包括传感器、信号调理电路、数据采集硬件设备及装有DAQ软件的计算机.

图1 电能质量监测系统

传感器可以测量各种不同的物理量，并将他们转换成电信号.通过传感器的信号必须经过加工处理，以适合数据采集输入的范围.实现这一功能的是信号调理电路，它对采集到的电信号进行放大、滤波、隔离等处理.数据采集设备将数据送到PC机后，PC机运用强大的数据处理能力并结合LabVIEW软件对数据进行分析处理.软件设计在这一系统中占有极其重要的地位，软件把传感器、信号调理、数据采集设备集成一个完整的数据处理系统.

3 电能质量监测虚拟实现

3.1 数据采集模块

数据采集模块是电能质量检测仪的重要组成部分，包括对设备号、通道号、信号连接方式、采样率、采样点数及采样模式的设置及控制.数据采集模块设计过程如下:

首先利用DAQmx创建通道节点创建虚拟通道，并创建用于选择设备、通道号及信号测量的输入控件;接着使用DAQmx定时节点对时钟进行设置，并创建用于输入采样点数、采样方式和采样率的输入控件.添加 While循环，在循环内利用DAQmx开始任务节点启动数据采集任务，然后使用DAQmx读取节点数据，本文在DAQmx读取节点下拉菜单中选择模拟1通道N采样VI实例.采集结束后需用DAQmx停止任务节点来停止数据采集任务，最后在循环外使用DAQmx清除任务节点来清除数据采集任务.这样便实现了模拟数据输入采集，程序如图2(A)所示.切换到前面板，调整各控件的大小和位置，相应的数据采集前面板输入控制，如图2(B)所示，用户可以在这里选择采集数据的物理通道;根据采集信号的特点和类型选择信号测量方式;根据实际情况输入采样率和采样点数;并确定采样模式.

图2 数据采集

3.2 电压、频率偏差模块

根据国家电能质量标准中有关于电压偏差、频率偏差的相关规定，本程序以正弦信号与均匀白噪声叠加作为模拟电网电压数据，对信号有效值进行计算，同时对信号频率进行单频测量.将得出的电压值和频率值，分别与额定值进行比较，利用公式计算出电压、频率的绝对值和相对值，从不同的角度表示偏差的大小.为了使界面具有较好的可视性，我们在程序框图中加入时间延迟子VI，该模块的程序如图3(A)所示.对应前面板设额定电压为220 V，额定频率为50 Hz，得到的电压、频率绝对量和偏差量如图3(B)所示.

图3 电压频率偏差模块

3.3 三相不平衡度模块

三相电压中不含零序分量时的情况，根据公式(5)计算电网电压三相不平衡度结果如图4(A)所示.该模块的程序如图4(B)所示，给定A相电压为219.998 V、B 相电压为 219.997 V、C 相电压为220.001 V.

图4 三相不平衡度测量模块

3.4 谐波分析模块

谐波分析作为电能质量监测仪主要功能，实现测量各次谐波频率、幅值、畸变率等参数.在进行谐波分析时，通常使用DFT和FFT等算法实现信号处理，但实际不可能对无限长的信号进行运算，而是从信号中截取一个时间片段对其进行周期拓延，得到虚拟的无限长信号后进行相关分析等数学处理.这种周期性地拓延将导致信号不连续并引起突变，造成频谱畸变，使原来集中在F(0)处的能量被分散到两个较宽的频带中，这种现象称之为频谱泄露.为了减少频谱泄露，本设计基于LabVIEW中提供的谐波失真分析子VI，采用FFT加窗算法，窗函数用Hamming窗，程序如图5(A)所示.加窗前后信号的波形对比如图5(B)和图5(C)所示.

图5 FFT加Hamming窗模块

A相加窗前后频谱对比如图6(A)和(B)所示，C相加窗前后频谱对比如图6(C)和(D)所示.由频谱图对比可知，当正弦信号的频率不是整数时，将会出现信号周期延拓时的突变现象，即频谱能量泄露.使用加窗处理后，频谱泄露现象减弱.

本系统设计还对信号进行了频域分析，Lab-VIEW提供了大量VI函数用于幅度谱和相位谱的频域分析，其图标和端口如图7(A)所示.对B相电压信号进行频域分析，前面板如图7(B)所示.

4 结语

本文基于LabVIEW虚拟仪器开发软件，设计了虚拟电能质量监测系统，通过模拟电网实现了电压偏差、频率偏差、三相不平衡度及电网谐波等电能质量实时监测.尤其针对出现的频谱泄露问题，通过FFT算法，采用Hamming窗函数对原信号频谱进行处理，从而有效减小频谱泄露对电网带来的影响.设计的波形存储和回放模块可以LabVIEW特有的LVM文件格式存储各项分析结果，以便日后再分析或再处理.只是电压和频率偏差模块仍采用传统方法对其测量，没有考虑谐波等因素影响，这有待于今后的完善和改进.

图6 A、C两相加窗前后频谱图

图7 频域分析模块

[1]肖湘宁.电能质量分析与控制[M].北京:中国电力出版社，2004.

[2]国家电压电流等级和频率标准化技术委员会.电压电流频率和电能质量国家标准应用手册[M].北京:中国电力出版社，2001.

[3]李东明，王厚志，高玺亮.基于LabVIEW的电能质量系统研究[J].哈尔滨理工大学学报，2012，17(4):57－63.

[4]邹正华，刘永强.基于DSP和LabVIEW的分布式电能质量监测装置设计[J].电力自动化设备，2010，30(1):122－126.

[5]彭 勇，潘晓烨，谢龙汉.LabVIEW虚拟仪器设计及分析[M].北京:清华大学出版社，2011.

[6]马永强，周 林，武 剑，等.基于LabVIEW的新型电能质量实时监测系统.电测与仪表，2009(3):40－41.