基于LabVIEW的低壓電能質(zhì)量監(jiān)測系統(tǒng)

趙迎會，陳威志

(1.鶴壁職業(yè)技術(shù)學(xué)院，河南 鶴壁458000；2.中國電信股份有限公司新鄉(xiāng)分公司 河南 新鄉(xiāng)453000)

0 引 言

低壓電網(wǎng)接近用戶側(cè)，由于用戶大量使用電器，而大部分電器都屬于非線性負(fù)荷，往往會導(dǎo)致低壓電網(wǎng)中電信號失真。電能質(zhì)量的好壞直接影響用戶的用電感受，通常用電能質(zhì)量參數(shù)來評價電能質(zhì)量的好壞，電能質(zhì)量參數(shù)包括電壓有效值、諧波、三相不平衡度、電壓偏差、頻率偏差、電壓暫升、暫降、電壓凹陷、閃變等，其中三相不平衡度、電壓偏差、頻率偏差、諧波、電壓有效值發(fā)生周期長，對低壓電網(wǎng)影響大，稱為穩(wěn)態(tài)電能質(zhì)量參數(shù)，作為此文分析監(jiān)測的對象[1]。

應(yīng)用灰色聚類算法對分析后的5項電能質(zhì)量參數(shù)加權(quán)融合，求出1個綜合數(shù)據(jù)[2]，并進(jìn)行電能質(zhì)量等級劃分，精確地評估當(dāng)前電能質(zhì)量狀態(tài)。

1 電能質(zhì)量測量方法

電能質(zhì)量可以描述為供電側(cè)為用戶側(cè)提供的電能品質(zhì)，電能質(zhì)量的好壞影響電器的使用狀況和壽命。理想狀態(tài)下，用戶側(cè)使用的交流電為標(biāo)準(zhǔn)的正弦波形狀。判斷電能質(zhì)量好壞最直觀的方法就是通過儀器觀察用戶側(cè)電流的波形，也可以通過電壓/電流偏差、頻率偏差等相關(guān)數(shù)據(jù)測量得到。

1.1 電壓有效值

電壓有效值為某交變電壓和某恒定電壓加在同一電阻上，若相同時間產(chǎn)生的熱量一樣，則該恒定電壓就是該交變電壓的有效值，可用公式(1)描述電網(wǎng)中的電壓有效值：

(1)

式中：U是電網(wǎng)中交變電壓的有效值，T表示一個完整的交流周期，u(t)是交變電壓。

1.2 電壓偏差

電力系統(tǒng)中無功功率的沖激響應(yīng)導(dǎo)致了電壓偏差的存在，電壓偏差能降低電力系統(tǒng)中的輸電、供電效率，降低電力設(shè)備、用電電器的使用壽命。電壓偏差是指在某時刻電網(wǎng)中實際的電壓值和系統(tǒng)中標(biāo)稱電壓的差值。根據(jù)描述，采用電網(wǎng)中經(jīng)過輸電線的實際電壓偏離標(biāo)稱電壓的百分比來定義：

電壓偏差(%)=

(2)

根據(jù)國家電能質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)，低壓電網(wǎng)中，電壓偏差的正常范圍為-10%到+7%之間。

1.3 諧 波

低壓電網(wǎng)中，由于大量非線性用電設(shè)備的投入使用，使經(jīng)過這些設(shè)備的正弦波電流或電壓產(chǎn)生畸變，也就是諧波。我國標(biāo)準(zhǔn)的基波信號頻率是50 Hz，其他頻率的信號均是諧波，當(dāng)諧波信號的頻率除以50 Hz(基波信號頻率)等于整數(shù)時，該整數(shù)定義為諧波次數(shù)h,如果不是整數(shù)，則表示該信號中含有間諧波[3]?？捎霉?3)定義電壓信號中的諧波含量：

(3)

電壓信號中諧波電壓的總含量與基波電壓額定值的百分比為電壓諧波畸變程度：

(4)

第h次諧波電壓含有率表示為

(5)

國家電能質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)定義諧波電壓總畸變率和各次諧波含有率的限值如表1所示。此標(biāo)準(zhǔn)作為此文對電能質(zhì)量綜合評估的依據(jù)。

表1 總諧波畸變率和各次諧波含有率限值Table 1 Limitation for total harmonic distortion and harmonic content of each order

1.4 頻率偏差

頻率偏差為在電力系統(tǒng)中輸出的實際電信號頻率和標(biāo)準(zhǔn)的基波信號的頻率差值，可以一定程度反映出信號的畸變程度。可用公式(6)描述頻率偏差:

Δf=f實-f標(biāo)

(6)

在保證電網(wǎng)各環(huán)節(jié)和用戶的正常供、用電前提下，國家電能質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定頻率偏差不超過±0.2 Hz；電網(wǎng)設(shè)備短路容量較小時，不超過±0.5 Hz。

1.5 三相不平衡度

三相不平衡的存在也是影響電力系統(tǒng)供配電效率的一個重要因素。供電系統(tǒng)的理想狀態(tài)應(yīng)該是具有嚴(yán)格的對稱性，即三相電力系統(tǒng)中的電壓應(yīng)大小相等，相位相差120°。但由于供電或者用戶用電階段中某些設(shè)備由于工藝誤差達(dá)不到理想的平衡，并且輸電環(huán)境復(fù)雜，造成三相不平衡的產(chǎn)生。

以單相電壓為例，根據(jù)實際情況，應(yīng)用對稱分量法計算三相不平衡度如下式所示：

(7)

根據(jù)國家電能質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)，公共連接點下三相不平衡度<2%，短時≤4%；而公共連接點下屬的用戶三相不平衡度標(biāo)準(zhǔn)限值為1.3%，短時<2.6%[4]。

2 電能質(zhì)量的綜合評定

電能質(zhì)量的綜合評定是指將測量的5項電能質(zhì)量參數(shù)通過數(shù)據(jù)融合技術(shù)得到一個綜合性指標(biāo)，以評估當(dāng)前待測電能質(zhì)量狀態(tài)的好壞。

各項參數(shù)由于單位量綱以及數(shù)據(jù)類型不同，不能進(jìn)行簡單的綜合運算，因此必須采用一定的融合技術(shù)將不同類型的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理后融合?；疑垲愒u估則是按照不同聚類指標(biāo)所用的白化權(quán)函數(shù)將聚類對象按類別歸類?；疑垲惙治霭〝?shù)據(jù)預(yù)處理、構(gòu)造白化權(quán)函數(shù)以及指標(biāo)聚類權(quán)確定3個步驟。數(shù)據(jù)預(yù)處理包括：參數(shù)無量綱化、構(gòu)造樣本矩陣、確定各指標(biāo)極性、確定各指標(biāo)的類別界限[5]。

根據(jù)電能質(zhì)量參數(shù)特點，選用灰色聚類和層次分析相結(jié)合的算法，先采用層次分析法求出5項電能質(zhì)量參數(shù)的權(quán)重系數(shù)，其次采用灰色聚類算法對5項參數(shù)融合得到1個綜合數(shù)據(jù)，并結(jié)合電能質(zhì)量對生活中用電設(shè)備的影響程度進(jìn)行等級劃分，評估出當(dāng)前電能質(zhì)量的好壞。

依據(jù)實際情況以及電能質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)限值將電能質(zhì)量劃分為如表2所示的3個等級，每個等級對應(yīng)綜合指標(biāo)的一個區(qū)間。

表2 電能質(zhì)量劃分3個等級Table 2 Three levels of power quality

3 系統(tǒng)的設(shè)計

低壓電能質(zhì)量監(jiān)測系統(tǒng)選用LabVIEW開發(fā)平臺設(shè)計實現(xiàn)[6-7]，根據(jù)需求設(shè)計用戶登錄模塊、數(shù)據(jù)分析處理模塊、綜合評定模塊以及報警設(shè)置模塊4個部分。設(shè)計結(jié)構(gòu)圖如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖Fig.1 Block diagram of the system

其中，數(shù)據(jù)處理部分是電能質(zhì)量監(jiān)測系統(tǒng)的核心，包括待測信號的輸入/構(gòu)造以及監(jiān)測分析5項穩(wěn)態(tài)指標(biāo)。綜合評定模塊是將監(jiān)測的幾項參數(shù)進(jìn)行加權(quán)處理，求出1個綜合數(shù)值，并以國家電能質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)為參考劃分不同的等級，評估出電能質(zhì)量狀態(tài)的優(yōu)劣。報警模塊根據(jù)設(shè)定規(guī)則，若綜合指標(biāo)出現(xiàn)超出限定標(biāo)準(zhǔn)，進(jìn)行聲光報警。

4 系統(tǒng)的實現(xiàn)

4.1 待測電流信號

在LabVIEW軟件中采用的模擬電壓幅值為220 V，頻率為50 Hz，采樣頻率為256 Hz，樣本點數(shù)為6400個，并在模擬電壓的顯示波形選板中加入高斯白噪聲作為加性干擾信號。干擾信號的強度值以進(jìn)度條的形式顯示在前面板，并且能夠通過手動滑動進(jìn)度條的按鈕來調(diào)節(jié)干擾信號的強度，以便分析判斷在不同強度噪聲的環(huán)境中電能質(zhì)量監(jiān)測的狀況，如圖2所示。

圖2 電流信號及有效值Fig.2 Current and its effective value

該信號峰值約220 V，頻率為50 Hz。從待測信號的波形中可觀察到，信號波形輪廓大致接近理想的正弦信號波形，沒有明顯的失真，但是在細(xì)節(jié)上，曲線不夠平滑，且在波峰和波谷處較為明顯，表明存在少量干擾，初步判斷電能質(zhì)量良好。

4.2 電壓偏差

監(jiān)測待測信號的電壓偏差如圖3所示。

圖3 電壓偏差Fig.3 Voltage deviation

從波形圖中可以看出，所測待測信號在波峰和波谷對應(yīng)的時間范圍內(nèi)浮動相對較大，和觀測待測信號波形結(jié)果一致，總體電壓偏差在+0.75%到+2.6%范圍內(nèi)浮動，符合國家電能質(zhì)量規(guī)定的電壓偏差標(biāo)準(zhǔn)。

4.3 頻率偏差

測量待測電壓信號的頻率偏差結(jié)果如圖4所示。從圖中顯示結(jié)果分析可得，待測信號的頻率偏差基本在-0.1%到+0.1%之間波動，符合國家電能質(zhì)量頻率偏差的標(biāo)準(zhǔn)。

圖4 頻率偏差Fig.4 Frequency deviation

4.4 三相不平衡度和有效值

根據(jù)搭建的三相不平衡度以及有效值的測量程序，得到待測信號某一時刻的三相不平衡度如圖5所示。

圖5 三相不平衡度Fig.5 Unbalance degree of three phases

4.5 諧波檢測

監(jiān)測平臺對待測信號進(jìn)行諧波檢測的結(jié)果如圖6所示，右側(cè)顯示了待測信號的諧波總畸變度和諧波次數(shù)對應(yīng)的諧波電平。

圖6 諧波檢測Fig.6 Harmonic detection

從檢測結(jié)果可以看出，含有較多的低次諧波，且諧波幅值較小，諧波的總畸變率為1.44%，檢測出的基波頻率為50.01 Hz。右側(cè)的諧波電平欄顯示了前五次諧波的電平大小，單位為V。圖中顯示，前五次諧波電平大小都在1 V左右，相對于基波的220 V，諧波分量很小，可以忽略不計。

5 綜合評估

采用灰色聚類分析對待測信號進(jìn)行綜合評估，評估結(jié)果如圖7所示。

從圖7得出的電能質(zhì)量綜合評估波形可以看出，該待測信號的綜合評估指標(biāo)大小大致在-4到-2.5之間浮動，波動幅度不大。對照電能質(zhì)量的劃分等級，該待測模擬信號的電能質(zhì)量基本良好，和待測電壓信號波形預(yù)測結(jié)果一致。表明該監(jiān)測系統(tǒng)有較高的可行性。

圖7 綜合評估Fig.7 Comprehensive evaluation

6 結(jié) 語

所提出的低壓電能質(zhì)量監(jiān)測系統(tǒng)，能夠針對低壓用戶側(cè)的穩(wěn)態(tài)電能質(zhì)量參數(shù)進(jìn)行監(jiān)測，并采用灰色聚類算法對5項參數(shù)進(jìn)行融合，得到關(guān)于當(dāng)前電能質(zhì)量狀態(tài)的綜合指標(biāo)，從而評估當(dāng)前電能質(zhì)量的狀態(tài)優(yōu)劣性。模擬低壓電網(wǎng)中的電壓信號作為待測信號進(jìn)行監(jiān)測，該信號受干擾少，但系統(tǒng)仍能得到各項精確的參數(shù)指標(biāo)，準(zhǔn)確地評估電能質(zhì)量性能，證明了該低壓電能質(zhì)量監(jiān)測系統(tǒng)的精確性和有效性。