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引言

    目前為止，我國幾乎所有的電能都是由較少的核電廠或大型火電廠發出的，然后經過變電站進行調壓后，再分配到千家萬戶和工廠里。電力的生產和輸送基本都是單方向的：從發電設備到消費者。今天，隨著光伏發電產業和風力發電裝機容量的不斷增加，因此會有相當一部分的電力是由分布廣泛的消費者自備的小型發電設備提供的。隨著我國國民經濟的快速發展，對電網負荷要求也越來越高，特別是非線性、沖擊性的負荷所占的比重也在不斷的加大，因此使電網電壓產生了波動和閃變，嚴重影響了我國電網的電能質量。因此，對電網電壓的波動和閃變的研究也變的越來越重要。

    隨著計算機控制系統的設備產生和對自動化程度要求越來高的用電設備的相繼投入使用，工業消費者對電能質量的要求變的也越來越高，因為幾毫秒的不正常電壓就可能對企業造成巨大的損失。根據當前國際電工委員會的有關規定和標準，電壓的波動和閃變被視為電能質量優劣的重要指標。對于電壓的波動和閃變測量，目前國際是普通采用的方法是先檢測出波動的電壓大小（或者調幅波），但不同之處在于檢波的方式各有差異。據統計數據顯示，目前自動化程度要求很高的工業消費者每年一般要遭受10到50次與電能質量產生問題的相關干擾，這其中因電壓的波動和閃變造成的動態電壓質量問題占造成事故的數量約占總事故數量的83%，因此電壓的波動和閃變已經成為了威脅大多重要消費者供電可靠性的重要原因之一，必須對波動電壓進行有效地監視與抑制。

    目前我國所使用的電能質量波動電壓的檢測方法存著諸多問題如：實時性能比較差、監測的指標比較少、數據分析工作量比較大、工作效率低等。實際由于電網參數的不斷變化，普通的傳統監測方法不能及時有效的檢測出電網參數的變化，因此對電力系統相關的統計數據分析和調度控制等將造成直接的影響。本文采用虛擬儀器技術和網絡通信技術相結合，基于美國NI公司的Labview(LaboratoryVirtualInstrumentsEngineeringWorkbench)虛擬軟件開發平臺和相關的硬件，設計出一套波動電壓實時監測的系統，通過分析和監測電能電壓的波動指標，從而監測出電網的運行狀況，并能實現了對電能質量的遠程監控，使電力系統相關部門可實時監測電能質量的運行情況，并及時的提出電網管理的最優方案。

1、波動電壓的檢測原理

    目前，進行波動電壓檢測的方法主要包括3種方法：半波有效值檢波法、平方解調檢波法和全波整流檢波法，如圖1所示為波動電壓檢出單元結構框圖。

圖1 波動電壓檢出單元結構框圖

    近幾年以來一些新性理論和原理被應用于電壓波動檢測。本文采用了小波多分辨率信號的分解和同步檢波的電壓波動信號檢測相結合的一種新方法,該方法將小波多分辨率信號進行分解，并且濾波器將取代普通同步檢波器中的解調帶通濾波器，本設計方案可檢測出電壓的波動信號的變化時間以及包絡信號中各個頻率的分量和幅度。因為傳統的小波分析數字信號處理存在的對需要信號采樣點數多，對突變故障信號的檢測時間較長等特點，此而在對小波多分辨率信號進行分解時，必須采用快速的小波函數及其與之相對應的小波變換函數。半小波函數和半小波變換函數就是其中的一種，它具有與全小波函數和小波變換函數相同的故障信號特征提取能力和時頻域特性，因此它的信號處理速度要比普通的小波變換的速度要快1倍多，并且檢測到突變故障信號的時間也更短，因此也具有更好的實時性。

    由于波動電壓所需的監測信號不能直接進行普通的模/數轉換實現，因此就需要一個電路信號調理電路將采集的信號轉換到數據采集卡的范圍內，然后通過計算機接口進行數據的采集分析。虛擬儀器在波動電壓的在線監測中的應用主要包括電壓傳感器、信號調理電路（抗混疊濾波器）、數據采集卡（A/D采集卡）和計算機（PC）虛擬儀器系統組成，如圖2所示為波動電壓在線監測結構框圖。

圖2 波動電壓在線監測結構框圖

    監測系統工作原理主要是：當監測開始時，通過傳感器從電壓互感器的次級引入所需電壓輸入信號，此信號適宜模/數轉換器可以處理的電壓信號，然后經過抗混疊低通濾波器，濾去高頻產生的干擾噪聲，最終經過A/D數據采集卡轉換，將采集到的數據實時的送入計算機進行處理，并通過計算機軟件Labview進行采集數據的計算、分析、顯示、存儲和打印等功能。

2、波動電壓數學模型

    電網電壓的波動是指由一系列電壓的變動或工頻電壓的包絡線產生的周期變化。

    在對電壓閃變測量的研究過程中，采用方程1模擬一個某種帶有波動的電網電壓的波形。式中，m（t）為工頻正弦波形的幅度調制信號，

3、LabVIEW程序設計

    系統采用虛擬儀器進行的在線監測技術，對數據的處理、存儲和顯示、打印等都是通過LabVIEW編程在PC上實現的，本系統重要包括如下幾個模塊：

（1）操作顯示模塊

    采用LabVIEW設計的操作顯示面板主要是輸入測量相關的指令和測量信息進行顯示的人機界面。輸入測量指令包含待測信號的額定電壓、額定頻率等；測量顯示信息包含三相電壓的信號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報警指標狀態的指示燈。如圖3所示，為電壓有效值監測系統的前面板圖。

 圖3 電壓有效值監測系統的前面板

（2）波動電壓計算分析模塊

    該模塊主要將完成波動電壓的獲取、計算和分析。因數據采集卡所采集到的電壓信號都是含有諧波信號和噪音信號的干擾信號。因此采用NI公司具有計算有效值功能的LABVIEW測得電壓信號的有效值。然后根據電壓偏差的計算公式和軟件運算器共同作用分析可以測量出電壓偏差的實時數據。目前對電壓波動的測量方法主要包括：有效值檢測法、整流檢測法和同步檢測法等。本設計中采用了同步檢測法，因為該方法是將電壓的波動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分量作為調幅波的調制。對于任何波形的調幅波也都可以視為由非基波分量的合成。根據同步檢測法的測量原理，電壓波動的測量流程圖可如圖4所示。

圖4 電壓波動的測量流程圖

（3）諧波測量模塊

    諧波測量是采用傅立葉變換函數得出不同段頻率所對應信號的幅值。信號的采樣點幅值可采用離散的傅立葉變換方法將其轉換為頻域進行顯示。為了快速計算傅立葉變換函數，通常采用FFT（快速傅立葉變換）方法。

    諧波的幅值、頻率和相角測量要通過多個虛擬儀器的先后作用來完成。單頻檢測儀器的高級搜索的近似頻率為50Hz。另外，電壓的總諧波畸變率THD主要是通過虛擬諧波分析模塊來進行測量。

（4）三相電壓不平衡度測量模塊

    在三相忽略零序分量的系統中，只需得到3個線電壓的有效值，就可算出三相電壓的不平衡度。在程序設計中，公式節點是一種程序的結構，可實現復雜的數學運算，因此通過一個公式節點虛擬仿真控件測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量圖。

圖5 三相電壓不平衡度測量圖

4、仿真結果

    本文采用所設計系統對三相電網電壓標準正弦波加干擾后進行測量，當電網的電壓運行在正常的波動范圍、200～240V（單相交流有效值）內，默認電壓是正常的。當電網電壓高于240V或低于190V時，系統都會發出間歇式的聲響。如圖6所示為設計系統電壓波動監測仿真分析圖。

圖6 系統電壓波動監測仿真分析圖

    通過實驗仿真分析表明所設計系統示波器上顯示了實時的波形，當產生報警時并發出了警報聲音，并可通過監測軟件顯示查看產生電壓波動故障的持續時間。

5、結論

    本文通過對電能質量各項指標分析研究的基礎上，以Labview軟件為設計核心，結合相應的硬件進行設計，因該設計方法具有數據采集成本較低、修改方便并且與實際的硬件相似度很高等特點，設計出一種基于虛擬儀器的新型的電能質量-電壓波動監測系統。通過仿真實驗結果表明，該系統可實時的、準確的測量出電壓波動幅值和持續時間，為電力系統管理部門提供了可靠的數據依據并解決了諸多生產中的技術問題。