基于虛擬儀器的電能質(zhì)量監(jiān)測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)及關(guān)鍵問(wèn)題研究

山西省朔州供電公司 王耀宇

同煤浙能麻家梁煤業(yè)有限責(zé)任公司 雷春艷

1.引言

隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，人們對(duì)電能質(zhì)量的要求越來(lái)越高。電能質(zhì)量的好壞直接影響著國(guó)民經(jīng)濟(jì)的總體效益。在電力消費(fèi)領(lǐng)域，越來(lái)越多的非線性負(fù)載被廣泛使用。當(dāng)電網(wǎng)輸出的正弦電壓作用在這些負(fù)載上，輸出的是非正弦信號(hào)。這些非正弦信號(hào)反過(guò)來(lái)會(huì)形成不規(guī)則壓降，最終引起電壓波形畸變，引起電壓高次諧波、電壓閃變等電能質(zhì)量問(wèn)題[1]。因此，對(duì)電能質(zhì)量實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，分析電壓波形，找出導(dǎo)致電能質(zhì)量下降的原因顯得十分必要。本文設(shè)計(jì)了一套基于虛擬儀器的電能質(zhì)量監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，介紹了系統(tǒng)硬件組成及軟件架構(gòu)并對(duì)質(zhì)量分析中的幾個(gè)關(guān)鍵問(wèn)題進(jìn)行了研究。

2.質(zhì)量分析中的幾個(gè)關(guān)鍵問(wèn)題

根據(jù)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)，電能質(zhì)量好壞的評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)主要有5個(gè)指標(biāo)，分別是：電壓偏差、頻率偏差、三相電壓不平衡度、諧波含量及電壓波動(dòng)與閃變。其中，前三項(xiàng)指標(biāo)可以利用Lab VIEW自帶的分析函數(shù)直接計(jì)算出來(lái)，在此就不再討論。本文主要針對(duì)諧波分量和電壓波動(dòng)和閃變進(jìn)行研究。

2.1 諧波測(cè)量問(wèn)題

利用u( t)表示采集到的電壓信號(hào)，利用傅里葉變換將u( t)進(jìn)行分解，可得：

上式中，ω0表示電壓信號(hào)中的基頻，Ansin(n ω0t+ψn)表示第n次諧波。

眾所周知，計(jì)算機(jī)只能對(duì)有限長(zhǎng)的信號(hào)進(jìn)行測(cè)量及分析。因此，需要對(duì)采樣后的信號(hào)進(jìn)行截?cái)?。常用的截?cái)喾椒ㄊ菍⒉蓸雍蟮臅r(shí)域信號(hào)與窗函數(shù)相乘，根據(jù)頻譜卷積定理，時(shí)域上的相乘等于頻域上的卷積，這樣加窗后的頻譜發(fā)生變化致使能量泄露，能量的泄露會(huì)導(dǎo)致加窗后的信號(hào)發(fā)生失真。常見的窗函數(shù)有矩形窗、漢寧窗、漢明窗、布萊克曼窗等。不同的窗函數(shù)對(duì)抑制能量泄露的效果不同，窗函數(shù)的選擇應(yīng)符合以下標(biāo)準(zhǔn)[2]：

表1 -1 常見窗函數(shù)具體性能比較Table 1-1 Comparison of Common Window Function Specific Performance

表2 計(jì)算出的S值及相對(duì)誤差Table 2 Calculated S Value and Relative Error

圖1 -1 漢寧窗的時(shí)域及頻域特性Figure 1-1 Time Domain and Frequency Domain of Hanning Window

圖2 電壓波動(dòng)與頻率擬合曲線Figure 2 Voltage Fluctuation and Frequency Fitting Curve

①若頻譜較為復(fù)雜，信號(hào)中含有多個(gè)需要測(cè)量的信號(hào)，且測(cè)試的目的是為了獲得更多的頻率成分而不是信號(hào)能量大小，此時(shí)應(yīng)該選擇主瓣較窄窗、旁瓣較低的函數(shù)。

②若測(cè)試的目的是獲得某頻率下的能量信號(hào)，且更加關(guān)注于信號(hào)的峰值、均值及均方差等，則此時(shí)應(yīng)選擇主瓣較寬的窗函數(shù)。

分析上述標(biāo)準(zhǔn)可以看出，選擇窗函數(shù)時(shí)主要看主瓣和旁瓣。常見窗函數(shù)的主瓣和旁瓣如表1-1所示。

本文在綜合時(shí)域特性和頻域特性的基礎(chǔ)上，選擇主瓣寬度和旁瓣峰值衰減的漢寧窗進(jìn)行信號(hào)截取。

漢寧窗函數(shù)的時(shí)域可表示為：

其中， WR(ω)為矩形窗的幅度頻率特性函數(shù)。

漢寧窗的時(shí)域及頻域特性如圖1所示。。

2.2 電壓閃變的監(jiān)測(cè)

電壓波動(dòng)是指電壓幅值在一定范圍內(nèi)變化時(shí)，電壓均方根最大值與最小值之差相對(duì)于額定電壓的百分比。閃變是指不同電壓波動(dòng)引起燈閃的敏感程度及引起閃變刺激性程度的電壓波動(dòng)值。國(guó)際工委會(huì)(IEC)推薦的測(cè)量方法需要經(jīng)過(guò)解調(diào)、濾波等處理，在上位機(jī)軟件中實(shí)現(xiàn)起來(lái)較為復(fù)雜。本文采用一種基于FFT的閃變測(cè)量方法，該方法省略了IEC中較為復(fù)雜的濾波器設(shè)計(jì)工作，簡(jiǎn)化了測(cè)量方法。

圖3 修正后的相對(duì)誤差Figure 3 Revised Relative Error

圖5 系統(tǒng)上位機(jī)界面Figure 5 System PC lnterface

基于FFT的閃變測(cè)量方法計(jì)算步驟如下[3]：

①每隔半個(gè)周期對(duì)電壓信號(hào)u( t)內(nèi)的m個(gè)點(diǎn)采樣，得到采樣信號(hào)u( n)，按照公式(4)計(jì)算m個(gè)點(diǎn)的有效值，得到一段時(shí)間內(nèi)的有效值序列U( N)。

②將上述序列進(jìn)行FFT變換，得到離散頻譜。將各頻率下均方值曲線電壓波動(dòng)的峰峰值除以分解出的直流分量，即可求出該頻率下的電壓波動(dòng)d( i)，按照公式(5)求出電壓瞬間波動(dòng)值Si。其中，di為該頻率下產(chǎn)生單位瞬時(shí)閃變所需的電壓波動(dòng)值，可從IEC標(biāo)準(zhǔn)中查出或者擬合出。

③由于U( N)對(duì)應(yīng)的閃變值S為各頻率下對(duì)應(yīng)的瞬時(shí)閃變值Si之和，故：

式(6)計(jì)算出的閃變值S分別按照式(7)、(8)計(jì)算短時(shí)間閃變值Pst和長(zhǎng)時(shí)間閃變值Plt。

公式(7)中P0.1、1P、3P、P10、P50分別表示10min內(nèi)累積概率函數(shù)(CPF)曲線上等于0.1%、1%、3%、10%、50%時(shí)間內(nèi)的S值。為了形成累積概率函數(shù)，需要對(duì)S進(jìn)行分級(jí)，級(jí)數(shù)越多，曲線越光滑。但是該方法在實(shí)際計(jì)算中往往很難實(shí)現(xiàn)。本文將S按序排列，分別取概率最大值代入公式(7)進(jìn)行計(jì)算。

根據(jù)步驟3，di可從IEC868標(biāo)準(zhǔn)中查出。但是IEC標(biāo)準(zhǔn)只給出了有限個(gè)頻率與波動(dòng)值之間的關(guān)系，為了更加準(zhǔn)確的獲取波動(dòng)值，本文根據(jù)有限個(gè)值進(jìn)行數(shù)據(jù)擬合，由此得出S=1時(shí)各頻率與電壓波動(dòng)值之間的關(guān)系如圖2所示。

2.3 基于FFT閃變測(cè)量算法的實(shí)現(xiàn)

設(shè)采樣周期為12.8KHz，由于FFT算法要求采樣點(diǎn)數(shù)N必須為2的整數(shù)次冪。本文為了計(jì)算方便，選取N為256，則半個(gè)周期采樣256個(gè)點(diǎn)需時(shí)2.56s，同時(shí)計(jì)算可獲取一個(gè)S。U(N)的分辨率為1/2.56=0.39Hz，以3s為一個(gè)采樣間隔，則可計(jì)算200個(gè)S值，將計(jì)算出的200個(gè)S值進(jìn)行排序，按照公式(7)進(jìn)行出Pst，當(dāng)計(jì)算出12個(gè)Pst時(shí)，按照公式(8)即可計(jì)算出Plt。

根據(jù)上述參數(shù)計(jì)算瞬間閃變值，并于IEC給出的閃變值進(jìn)行比較，結(jié)果如表2所示。

由上表可以看出，當(dāng)頻率低于9Hz的時(shí)候，誤差較??；當(dāng)頻率高于9Hz時(shí)，誤差隨著頻率的增大而有上升的趨勢(shì)。上述現(xiàn)象主要是有兩個(gè)方面原因造成的，一是S=1時(shí)電壓波動(dòng)與頻率的曲線擬合造成的誤差，其次就是IEC的計(jì)算標(biāo)準(zhǔn)和FFT計(jì)算標(biāo)準(zhǔn)的不同。IEC采用的是平方檢測(cè)，F(xiàn)FT是有效值檢測(cè)。為了減少誤差，提高精確度，本文以S的倒數(shù)作為校正系數(shù)，校正后的誤差如下圖3所示：

由上圖看出，修正后的誤差明顯減少，證明了上述方法的可行性。

3.系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

系統(tǒng)硬件組成如圖4所示。

其中，電壓電流互感器的主要作用是將高電流電壓轉(zhuǎn)變成適合數(shù)據(jù)采集卡采集的電流電壓；信號(hào)調(diào)理模塊主要起到抗混疊濾波、電氣隔離的作用；數(shù)據(jù)采集卡將處理后的信號(hào)傳至上位機(jī)進(jìn)行處理；本系統(tǒng)的核心在上位機(jī)的Lab VIEW編程，通過(guò)調(diào)用Lab VIEW自帶的各種函數(shù)進(jìn)行諧波分析、數(shù)據(jù)處理等。

本系統(tǒng)的軟件采用模塊化設(shè)計(jì)方式。主要由數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)分析和數(shù)據(jù)通信及存儲(chǔ)模塊組成。其中，數(shù)據(jù)采集模塊可以直接調(diào)用采集卡自帶的函數(shù)實(shí)現(xiàn)；數(shù)據(jù)分析模塊主要包括穩(wěn)態(tài)指標(biāo)分析和暫態(tài)指標(biāo)分析模塊，穩(wěn)態(tài)指標(biāo)分析模塊主要完成諧波分析、電壓波動(dòng)和閃變、電壓偏差、頻率分析及三相不平衡的測(cè)量。暫態(tài)指標(biāo)分析模塊主要完成測(cè)量電壓驟降、脈沖和振蕩等功能；數(shù)據(jù)通信及存儲(chǔ)模塊主要完成數(shù)據(jù)存入數(shù)據(jù)庫(kù)、數(shù)據(jù)局域網(wǎng)和遠(yuǎn)程通信及生成報(bào)表等功能。系統(tǒng)上位機(jī)界面如下圖所示：

4.結(jié)論

本文介紹了應(yīng)用在山西朔州供電公司的電能質(zhì)量在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的硬件組成和軟件結(jié)構(gòu)。對(duì)質(zhì)量分析中的諧波測(cè)量問(wèn)題和閃變測(cè)量問(wèn)題進(jìn)行了研究；通過(guò)選擇合適的窗函數(shù)減少了能量泄露，增加了頻率分辨率；利用FFT算法簡(jiǎn)化了電壓閃變的測(cè)量，并通過(guò)一定的修正系數(shù)，提高了測(cè)量的精確度。

[1]賀建閔,黃治清,李群湛等.變電所電能質(zhì)量監(jiān)測(cè)系統(tǒng)[J].鐵道學(xué)報(bào),2001,23(1):43-47.

[2]謝小榮,韓英鐸.電力系統(tǒng)頻率測(cè)量綜述[J].電力系統(tǒng)自動(dòng)化,1999,23(2):54-58.

[3]趙剛,施圍,林海雪.閃變值計(jì)算方法的研究[J].電網(wǎng)技術(shù),2001,25(11):15-18.