一种三相不平衡度的测量分析系统设计

赵展

摘 要 本文利用虚拟仪器技术设计了一种三相不平衡度的测量分析系统。给出电能质量问题常见指标中的三相不平衡的定义以及三相不平衡度的计算方法。通过软件流程图进行三相不平衡度测量路线的设计。虚拟仪器软件平台LabVIEW设计开发程序，人机交互界面友好，硬件电路搭建易于实现。最后进行仿真信号实验，结果证明本设计具有一定的可行性。

关键词 三相不平衡度 LabVIEW 测量

中图分类号：TP311 文献标识码：A

三相不平衡是电能质量常见问题之一。近些年，国内外相关研究人员对于怎么解决三相不平衡的问题进行了大量的研究分析，大致通过两种方式：调节无功和加消弧线圈来解决。但是，就效果而言，两种方式最终的效果都不是很好。一是补偿效果不太好。采用调节无功的方式进行补偿时，高次谐波信号会出现放大。二是实质意义不明显。主要是采用加消弧线圈方式。因此电力系统系统中还是大量存在三相不平衡的问题，目前还没有找到比较合适的手段和方法来处理。①

本文中主要是利用虚拟仪器技术，依托LabVIEW软件开发平台，对三相不平衡度计算方法进行了研究，通过软件程序设计，测量出电力系统的三相不平衡度，效果明显。

1 三相不平衡度计算分析方法

对于电力系统中的三相电压或三相电流，理想状态下，它们应该是大小相等、相位彼此相差120度。实际工程应用环境下，三相电压或电流的大小不相等、相位彼此相差不是120度，则称这种情况为三相不平衡。电力系统中，通常把三相不平衡度表征为三相不平衡发生的程度。计算方法方面，主要采用对称分量的研究算法进行计算和分析电力系统的三相不平衡度。

1.1 对称分量法

三个频率相同、最大值相同、相位彼此相差120度的电压称为三相对称电压，而三个电压各相频率相同，最大值或相位差不同，则这三个电压称为三相不对称电压。根据线性叠加原理，任意三相不对称电压都可以理解为三个正序负序和零序对称电压的组合。设正序三相对称电压记为UA1、UB1、UC1，负序三相对称电压记为UA2、UB2、UC2，零序三相对称电压记为UA0、UB0、UC0。它们之间的关系为：

正序负序和零序三相对称电压的相量图见图1：

图1 正序负序和零序三相对称电压的相量图

1.2 三相不平衡度的计算

电力系统中的三相不平衡主要是指三相电压不平衡和三相电流不平衡，如前面所说，其不平衡程度可以通过电压不平衡度和电流不平衡度的具体指标来表征。国家标准GB/T15543-2008《电能质量三相电压不平衡》中规定：电力系统公共连接点电压不平衡度限值为：电网正常运行时，负序电压不平衡度不超过2%，短时不得超过4%；低压系统零序电压限值暂不做规定，但各相电压必须满足GB/T12325的要求。接于公共连接点的每个用户引起该点负序电压不平衡度允许值一般为1.3%，短时不超过2.6%。对于三相不平衡度的计算方法，本文采用上述规定的计算方法，首先将电力系统中的不对称三相电压或电流信号进行对称分量法分解，然后对正序分量和负序分量进行相应的计算，最后将通过将三相电压或的负序基波分量均方根值除以三相电压的正序基波分量均方根值得到三相不平衡度，数值用百分数形式表示，具体公式如下所示： = €？100%

上述公式中U1为三相电压的正序基波分量均方根值，U2为三相电压的负序基波分量均方根值。

同理，三相电流不平衡度计算公式与上述公式完全一致，只不过把公式中的电压符号替换为相应的电流符号即可。②

2 测量系统设计

2.1 硬件与软件环境设计

计算机配置：工业控制用一体机或笔记本电脑。与高速率、高精度的数据采集设备配合使用，构成功能强大的三相不平衡度测量分析系统。计算机系统的基本配置为AMD双核CPU/80G硬盘/1G内存/128M显卡。数据采集设备可采用美国NI公司数据采集卡或者ELVIS设备。操作系统平台：中文WindowsXP/7平台；虚拟仪器软件开发平台：LabVIEW8.5或以上版本。

2.2 系统构成

本文设计的三相不平衡度的测量分析系统由硬件电路和软件组成。硬件电路部分包括：电压、电流传感器、信号调理电路、电平转换电路、数据采集；软件部分主要是基于LabVIEW软件开发平台，图形化语言编程。系统构成框图如图2所示。

图2 系统构成框图

2.3 三相不平衡度的测量思路

图3 三相不平衡度计算流程图

在LabVIEW软件环境下，进行电压三相不平衡度测量路线图的实现如图3所示。首先将三相原始信号进行采样、量化，然后得到相应的数字信号，对数字信号中的基波电压、电流进行频域分离，再设计一个低通滤波器进行无用信号的滤除，最后利用检测相位、最大值求出它们的最大值和相位差，从而计算出三相不平衡度。

3 软件设计

3.1 程序设计流程

三相电压不平衡度测量路线的软件流程图如图3所示（这里主要是指就不考虑零序分量的三相电力系统而来的）。首先，利用美国NI公司提供的ELVIS采集设备，对电力系统中的三相电压、电流信号进行采集；然后，在LabVIEW环境下创建一个数据库文件，以列存储的方式进行存储三相电压、电流信号的原始采集数据，具体存储形式依次分别为A相电压-B相电压-C相电压-A相电流-B相电流-C相电流；接着，利用数组函数中的索引数组函数从数据库文件中分别索引出每一列的数据，同时调用软件中的巴特沃斯滤波器，滤除采集信号中的高频噪声信号；最后，利用提取单频信息函数将三相原始信号采样得到的数字信号中的基波电压和电流在频域中分离出来，求出它们的最大值和相角，再调用公式节点函数，输入三相不平衡度的公式，从而求得电压的三相不平衡度。同理，三相电流不平衡度的程序设计与电压类似，这里就不再介绍说明。

3.2 仿真实验

我们对某大型商场电力系统运行中的任意一个时段进行了相关的数据采集，搭建简单可行的数据采集系统，并将采集到的信号按要求存放于数据库文件中，然后利用LabVIEW编制的框图程序，对所得原始数据进行了仿真分析，其中每周期采样点数为128，所得数据见表1。显示出来了各相电压测量的值和三相不平衡度的计算值，通过对比数据发现，测试结果与理论计算结果基本一致。误差较小，系统很精确。求三相电流不平衡度的程序与此类似。

表1 各项电压测量值和三相不平衡度

4 结束语

基于虚拟仪器技术设计了一种检测电力系统三相不平衡度的测量系统。主要是利用LabVIEW软件工具包得到正序、负序分量，对三相不平衡度进行计算。通过选择三相电压和电流信号对所设计的测量系统进行仿真实验的验证，数据表明该测量系统的正确性，达到了三相不平衡度测量分析系统所具有的基本功能，并通过了验证。

基金项目：苏州工业职业技术学院院级项目（SGKC201402）

注释

① 邵如平，韩正伟，林锦国.三相不平衡度数字检测系统设计[J].电力自动化设备，2007.27（11）：98-100.

② 周林，张有玉，刘强等.三相不平衡度算法的比较研究[J].华东电力，2010.38（2）：210-215.endprint

摘 要 本文利用虚拟仪器技术设计了一种三相不平衡度的测量分析系统。给出电能质量问题常见指标中的三相不平衡的定义以及三相不平衡度的计算方法。通过软件流程图进行三相不平衡度测量路线的设计。虚拟仪器软件平台LabVIEW设计开发程序，人机交互界面友好，硬件电路搭建易于实现。最后进行仿真信号实验，结果证明本设计具有一定的可行性。

关键词 三相不平衡度 LabVIEW 测量

中图分类号：TP311 文献标识码：A

三相不平衡是电能质量常见问题之一。近些年，国内外相关研究人员对于怎么解决三相不平衡的问题进行了大量的研究分析，大致通过两种方式：调节无功和加消弧线圈来解决。但是，就效果而言，两种方式最终的效果都不是很好。一是补偿效果不太好。采用调节无功的方式进行补偿时，高次谐波信号会出现放大。二是实质意义不明显。主要是采用加消弧线圈方式。因此电力系统系统中还是大量存在三相不平衡的问题，目前还没有找到比较合适的手段和方法来处理。①

本文中主要是利用虚拟仪器技术，依托LabVIEW软件开发平台，对三相不平衡度计算方法进行了研究，通过软件程序设计，测量出电力系统的三相不平衡度，效果明显。

1 三相不平衡度计算分析方法

对于电力系统中的三相电压或三相电流，理想状态下，它们应该是大小相等、相位彼此相差120度。实际工程应用环境下，三相电压或电流的大小不相等、相位彼此相差不是120度，则称这种情况为三相不平衡。电力系统中，通常把三相不平衡度表征为三相不平衡发生的程度。计算方法方面，主要采用对称分量的研究算法进行计算和分析电力系统的三相不平衡度。

1.1 对称分量法

三个频率相同、最大值相同、相位彼此相差120度的电压称为三相对称电压，而三个电压各相频率相同，最大值或相位差不同，则这三个电压称为三相不对称电压。根据线性叠加原理，任意三相不对称电压都可以理解为三个正序负序和零序对称电压的组合。设正序三相对称电压记为UA1、UB1、UC1，负序三相对称电压记为UA2、UB2、UC2，零序三相对称电压记为UA0、UB0、UC0。它们之间的关系为：

正序负序和零序三相对称电压的相量图见图1：

图1 正序负序和零序三相对称电压的相量图

1.2 三相不平衡度的计算

电力系统中的三相不平衡主要是指三相电压不平衡和三相电流不平衡，如前面所说，其不平衡程度可以通过电压不平衡度和电流不平衡度的具体指标来表征。国家标准GB/T15543-2008《电能质量三相电压不平衡》中规定：电力系统公共连接点电压不平衡度限值为：电网正常运行时，负序电压不平衡度不超过2%，短时不得超过4%；低压系统零序电压限值暂不做规定，但各相电压必须满足GB/T12325的要求。接于公共连接点的每个用户引起该点负序电压不平衡度允许值一般为1.3%，短时不超过2.6%。对于三相不平衡度的计算方法，本文采用上述规定的计算方法，首先将电力系统中的不对称三相电压或电流信号进行对称分量法分解，然后对正序分量和负序分量进行相应的计算，最后将通过将三相电压或的负序基波分量均方根值除以三相电压的正序基波分量均方根值得到三相不平衡度，数值用百分数形式表示，具体公式如下所示： = €？100%

上述公式中U1为三相电压的正序基波分量均方根值，U2为三相电压的负序基波分量均方根值。

同理，三相电流不平衡度计算公式与上述公式完全一致，只不过把公式中的电压符号替换为相应的电流符号即可。②

2 测量系统设计

2.1 硬件与软件环境设计

计算机配置：工业控制用一体机或笔记本电脑。与高速率、高精度的数据采集设备配合使用，构成功能强大的三相不平衡度测量分析系统。计算机系统的基本配置为AMD双核CPU/80G硬盘/1G内存/128M显卡。数据采集设备可采用美国NI公司数据采集卡或者ELVIS设备。操作系统平台：中文WindowsXP/7平台；虚拟仪器软件开发平台：LabVIEW8.5或以上版本。

2.2 系统构成

本文设计的三相不平衡度的测量分析系统由硬件电路和软件组成。硬件电路部分包括：电压、电流传感器、信号调理电路、电平转换电路、数据采集；软件部分主要是基于LabVIEW软件开发平台，图形化语言编程。系统构成框图如图2所示。

图2 系统构成框图

2.3 三相不平衡度的测量思路

图3 三相不平衡度计算流程图

在LabVIEW软件环境下，进行电压三相不平衡度测量路线图的实现如图3所示。首先将三相原始信号进行采样、量化，然后得到相应的数字信号，对数字信号中的基波电压、电流进行频域分离，再设计一个低通滤波器进行无用信号的滤除，最后利用检测相位、最大值求出它们的最大值和相位差，从而计算出三相不平衡度。

3 软件设计

3.1 程序设计流程

三相电压不平衡度测量路线的软件流程图如图3所示（这里主要是指就不考虑零序分量的三相电力系统而来的）。首先，利用美国NI公司提供的ELVIS采集设备，对电力系统中的三相电压、电流信号进行采集；然后，在LabVIEW环境下创建一个数据库文件，以列存储的方式进行存储三相电压、电流信号的原始采集数据，具体存储形式依次分别为A相电压-B相电压-C相电压-A相电流-B相电流-C相电流；接着，利用数组函数中的索引数组函数从数据库文件中分别索引出每一列的数据，同时调用软件中的巴特沃斯滤波器，滤除采集信号中的高频噪声信号；最后，利用提取单频信息函数将三相原始信号采样得到的数字信号中的基波电压和电流在频域中分离出来，求出它们的最大值和相角，再调用公式节点函数，输入三相不平衡度的公式，从而求得电压的三相不平衡度。同理，三相电流不平衡度的程序设计与电压类似，这里就不再介绍说明。

3.2 仿真实验

我们对某大型商场电力系统运行中的任意一个时段进行了相关的数据采集，搭建简单可行的数据采集系统，并将采集到的信号按要求存放于数据库文件中，然后利用LabVIEW编制的框图程序，对所得原始数据进行了仿真分析，其中每周期采样点数为128，所得数据见表1。显示出来了各相电压测量的值和三相不平衡度的计算值，通过对比数据发现，测试结果与理论计算结果基本一致。误差较小，系统很精确。求三相电流不平衡度的程序与此类似。

表1 各项电压测量值和三相不平衡度

4 结束语

基于虚拟仪器技术设计了一种检测电力系统三相不平衡度的测量系统。主要是利用LabVIEW软件工具包得到正序、负序分量，对三相不平衡度进行计算。通过选择三相电压和电流信号对所设计的测量系统进行仿真实验的验证，数据表明该测量系统的正确性，达到了三相不平衡度测量分析系统所具有的基本功能，并通过了验证。

基金项目：苏州工业职业技术学院院级项目（SGKC201402）

注释

① 邵如平，韩正伟，林锦国.三相不平衡度数字检测系统设计[J].电力自动化设备，2007.27（11）：98-100.

② 周林，张有玉，刘强等.三相不平衡度算法的比较研究[J].华东电力，2010.38（2）：210-215.endprint

摘 要 本文利用虚拟仪器技术设计了一种三相不平衡度的测量分析系统。给出电能质量问题常见指标中的三相不平衡的定义以及三相不平衡度的计算方法。通过软件流程图进行三相不平衡度测量路线的设计。虚拟仪器软件平台LabVIEW设计开发程序，人机交互界面友好，硬件电路搭建易于实现。最后进行仿真信号实验，结果证明本设计具有一定的可行性。

关键词 三相不平衡度 LabVIEW 测量

中图分类号：TP311 文献标识码：A

三相不平衡是电能质量常见问题之一。近些年，国内外相关研究人员对于怎么解决三相不平衡的问题进行了大量的研究分析，大致通过两种方式：调节无功和加消弧线圈来解决。但是，就效果而言，两种方式最终的效果都不是很好。一是补偿效果不太好。采用调节无功的方式进行补偿时，高次谐波信号会出现放大。二是实质意义不明显。主要是采用加消弧线圈方式。因此电力系统系统中还是大量存在三相不平衡的问题，目前还没有找到比较合适的手段和方法来处理。①

本文中主要是利用虚拟仪器技术，依托LabVIEW软件开发平台，对三相不平衡度计算方法进行了研究，通过软件程序设计，测量出电力系统的三相不平衡度，效果明显。

1 三相不平衡度计算分析方法

对于电力系统中的三相电压或三相电流，理想状态下，它们应该是大小相等、相位彼此相差120度。实际工程应用环境下，三相电压或电流的大小不相等、相位彼此相差不是120度，则称这种情况为三相不平衡。电力系统中，通常把三相不平衡度表征为三相不平衡发生的程度。计算方法方面，主要采用对称分量的研究算法进行计算和分析电力系统的三相不平衡度。

1.1 对称分量法

三个频率相同、最大值相同、相位彼此相差120度的电压称为三相对称电压，而三个电压各相频率相同，最大值或相位差不同，则这三个电压称为三相不对称电压。根据线性叠加原理，任意三相不对称电压都可以理解为三个正序负序和零序对称电压的组合。设正序三相对称电压记为UA1、UB1、UC1，负序三相对称电压记为UA2、UB2、UC2，零序三相对称电压记为UA0、UB0、UC0。它们之间的关系为：

正序负序和零序三相对称电压的相量图见图1：

图1 正序负序和零序三相对称电压的相量图

1.2 三相不平衡度的计算

电力系统中的三相不平衡主要是指三相电压不平衡和三相电流不平衡，如前面所说，其不平衡程度可以通过电压不平衡度和电流不平衡度的具体指标来表征。国家标准GB/T15543-2008《电能质量三相电压不平衡》中规定：电力系统公共连接点电压不平衡度限值为：电网正常运行时，负序电压不平衡度不超过2%，短时不得超过4%；低压系统零序电压限值暂不做规定，但各相电压必须满足GB/T12325的要求。接于公共连接点的每个用户引起该点负序电压不平衡度允许值一般为1.3%，短时不超过2.6%。对于三相不平衡度的计算方法，本文采用上述规定的计算方法，首先将电力系统中的不对称三相电压或电流信号进行对称分量法分解，然后对正序分量和负序分量进行相应的计算，最后将通过将三相电压或的负序基波分量均方根值除以三相电压的正序基波分量均方根值得到三相不平衡度，数值用百分数形式表示，具体公式如下所示： = €？100%

上述公式中U1为三相电压的正序基波分量均方根值，U2为三相电压的负序基波分量均方根值。

同理，三相电流不平衡度计算公式与上述公式完全一致，只不过把公式中的电压符号替换为相应的电流符号即可。②

2 测量系统设计

2.1 硬件与软件环境设计

计算机配置：工业控制用一体机或笔记本电脑。与高速率、高精度的数据采集设备配合使用，构成功能强大的三相不平衡度测量分析系统。计算机系统的基本配置为AMD双核CPU/80G硬盘/1G内存/128M显卡。数据采集设备可采用美国NI公司数据采集卡或者ELVIS设备。操作系统平台：中文WindowsXP/7平台；虚拟仪器软件开发平台：LabVIEW8.5或以上版本。

2.2 系统构成

本文设计的三相不平衡度的测量分析系统由硬件电路和软件组成。硬件电路部分包括：电压、电流传感器、信号调理电路、电平转换电路、数据采集；软件部分主要是基于LabVIEW软件开发平台，图形化语言编程。系统构成框图如图2所示。

图2 系统构成框图

2.3 三相不平衡度的测量思路

图3 三相不平衡度计算流程图

在LabVIEW软件环境下，进行电压三相不平衡度测量路线图的实现如图3所示。首先将三相原始信号进行采样、量化，然后得到相应的数字信号，对数字信号中的基波电压、电流进行频域分离，再设计一个低通滤波器进行无用信号的滤除，最后利用检测相位、最大值求出它们的最大值和相位差，从而计算出三相不平衡度。

3 软件设计

3.1 程序设计流程

三相电压不平衡度测量路线的软件流程图如图3所示（这里主要是指就不考虑零序分量的三相电力系统而来的）。首先，利用美国NI公司提供的ELVIS采集设备，对电力系统中的三相电压、电流信号进行采集；然后，在LabVIEW环境下创建一个数据库文件，以列存储的方式进行存储三相电压、电流信号的原始采集数据，具体存储形式依次分别为A相电压-B相电压-C相电压-A相电流-B相电流-C相电流；接着，利用数组函数中的索引数组函数从数据库文件中分别索引出每一列的数据，同时调用软件中的巴特沃斯滤波器，滤除采集信号中的高频噪声信号；最后，利用提取单频信息函数将三相原始信号采样得到的数字信号中的基波电压和电流在频域中分离出来，求出它们的最大值和相角，再调用公式节点函数，输入三相不平衡度的公式，从而求得电压的三相不平衡度。同理，三相电流不平衡度的程序设计与电压类似，这里就不再介绍说明。

3.2 仿真实验

我们对某大型商场电力系统运行中的任意一个时段进行了相关的数据采集，搭建简单可行的数据采集系统，并将采集到的信号按要求存放于数据库文件中，然后利用LabVIEW编制的框图程序，对所得原始数据进行了仿真分析，其中每周期采样点数为128，所得数据见表1。显示出来了各相电压测量的值和三相不平衡度的计算值，通过对比数据发现，测试结果与理论计算结果基本一致。误差较小，系统很精确。求三相电流不平衡度的程序与此类似。

表1 各项电压测量值和三相不平衡度

4 结束语

基于虚拟仪器技术设计了一种检测电力系统三相不平衡度的测量系统。主要是利用LabVIEW软件工具包得到正序、负序分量，对三相不平衡度进行计算。通过选择三相电压和电流信号对所设计的测量系统进行仿真实验的验证，数据表明该测量系统的正确性，达到了三相不平衡度测量分析系统所具有的基本功能，并通过了验证。

基金项目：苏州工业职业技术学院院级项目（SGKC201402）

注释

① 邵如平，韩正伟，林锦国.三相不平衡度数字检测系统设计[J].电力自动化设备，2007.27（11）：98-100.

② 周林，张有玉，刘强等.三相不平衡度算法的比较研究[J].华东电力，2010.38（2）：210-215.endprint