基于虛擬儀器的電能質量監測系統設計及關鍵問題研究

山西省朔州供電公司 王耀宇

同煤浙能麻家梁煤業有限責任公司 雷春艷

1.引言

隨著科學技術的發展，人們對電能質量的要求越來越高。電能質量的好壞直接影響著國民經濟的總體效益。在電力消費領域，越來越多的非線性負載被廣泛使用。當電網輸出的正弦電壓作用在這些負載上，輸出的是非正弦信號。這些非正弦信號反過來會形成不規則壓降，最終引起電壓波形畸變，引起電壓高次諧波、電壓閃變等電能質量問題[1]。因此，對電能質量實時監測，分析電壓波形，找出導致電能質量下降的原因顯得十分必要。本文設計了一套基于虛擬儀器的電能質量監測系統，介紹了系統硬件組成及軟件架構并對質量分析中的幾個關鍵問題進行了研究。

2.質量分析中的幾個關鍵問題

根據國家標準，電能質量好壞的評價標準主要有5個指標，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與閃變。其中，前三項指標可以利用Lab VIEW自帶的分析函數直接計算出來，在此就不再討論。本文主要針對諧波分量和電壓波動和閃變進行研究。

2.1 諧波測量問題

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

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

眾所周知，計算機只能對有限長的信號進行測量及分析。因此，需要對采樣后的信號進行截斷。常用的截斷方法是將采樣后的時域信號與窗函數相乘，根據頻譜卷積定理，時域上的相乘等于頻域上的卷積，這樣加窗后的頻譜發生變化致使能量泄露，能量的泄露會導致加窗后的信號發生失真。常見的窗函數有矩形窗、漢寧窗、漢明窗、布萊克曼窗等。不同的窗函數對抑制能量泄露的效果不同，窗函數的選擇應符合以下標準[2]：

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

表2 計算出的S值及相對誤差Table 2 Calculated S Value and Relative Error

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

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

①若頻譜較為復雜，信號中含有多個需要測量的信號，且測試的目的是為了獲得更多的頻率成分而不是信號能量大小，此時應該選擇主瓣較窄窗、旁瓣較低的函數。

②若測試的目的是獲得某頻率下的能量信號，且更加關注于信號的峰值、均值及均方差等，則此時應選擇主瓣較寬的窗函數。

分析上述標準可以看出，選擇窗函數時主要看主瓣和旁瓣。常見窗函數的主瓣和旁瓣如表1-1所示。

本文在綜合時域特性和頻域特性的基礎上，選擇主瓣寬度和旁瓣峰值衰減的漢寧窗進行信號截取。

漢寧窗函數的時域可表示為：

其中， WR(ω)為矩形窗的幅度頻率特性函數。

漢寧窗的時域及頻域特性如圖1所示。。

2.2 電壓閃變的監測

電壓波動是指電壓幅值在一定范圍內變化時，電壓均方根最大值與最小值之差相對于額定電壓的百分比。閃變是指不同電壓波動引起燈閃的敏感程度及引起閃變刺激性程度的電壓波動值。國際工委會(IEC)推薦的測量方法需要經過解調、濾波等處理，在上位機軟件中實現起來較為復雜。本文采用一種基于FFT的閃變測量方法，該方法省略了IEC中較為復雜的濾波器設計工作，簡化了測量方法。

圖3 修正后的相對誤差Figure 3 Revised Relative Error

圖5 系統上位機界面Figure 5 System PC lnterface

基于FFT的閃變測量方法計算步驟如下[3]：

①每隔半個周期對電壓信號u( t)內的m個點采樣，得到采樣信號u( n)，按照公式(4)計算m個點的有效值，得到一段時間內的有效值序列U( N)。

②將上述序列進行FFT變換，得到離散頻譜。將各頻率下均方值曲線電壓波動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d( i)，按照公式(5)求出電壓瞬間波動值Si。其中，di為該頻率下產生單位瞬時閃變所需的電壓波動值，可從IEC標準中查出或者擬合出。

③由于U( N)對應的閃變值S為各頻率下對應的瞬時閃變值Si之和，故：

式(6)計算出的閃變值S分別按照式(7)、(8)計算短時間閃變值Pst和長時間閃變值Plt。

公式(7)中P0.1、1P、3P、P10、P50分別表示10min內累積概率函數(CPF)曲線上等于0.1%、1%、3%、10%、50%時間內的S值。為了形成累積概率函數，需要對S進行分級，級數越多，曲線越光滑。但是該方法在實際計算中往往很難實現。本文將S按序排列，分別取概率最大值代入公式(7)進行計算。

根據步驟3，di可從IEC868標準中查出。但是IEC標準只給出了有限個頻率與波動值之間的關系，為了更加準確的獲取波動值，本文根據有限個值進行數據擬合，由此得出S=1時各頻率與電壓波動值之間的關系如圖2所示。

2.3 基于FFT閃變測量算法的實現

設采樣周期為12.8KHz，由于FFT算法要求采樣點數N必須為2的整數次冪。本文為了計算方便，選取N為256，則半個周期采樣256個點需時2.56s，同時計算可獲取一個S。U(N)的分辨率為1/2.56=0.39Hz，以3s為一個采樣間隔，則可計算200個S值，將計算出的200個S值進行排序，按照公式(7)進行出Pst，當計算出12個Pst時，按照公式(8)即可計算出Plt。

根據上述參數計算瞬間閃變值，并于IEC給出的閃變值進行比較，結果如表2所示。

由上表可以看出，當頻率低于9Hz的時候，誤差較小；當頻率高于9Hz時，誤差隨著頻率的增大而有上升的趨勢。上述現象主要是有兩個方面原因造成的，一是S=1時電壓波動與頻率的曲線擬合造成的誤差，其次就是IEC的計算標準和FFT計算標準的不同。IEC采用的是平方檢測，FFT是有效值檢測。為了減少誤差，提高精確度，本文以S的倒數作為校正系數，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.系統總體結構設計

系統硬件組成如圖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變成適合數據采集卡采集的電流電壓；信號調理模塊主要起到抗混疊濾波、電氣隔離的作用；數據采集卡將處理后的信號傳至上位機進行處理；本系統的核心在上位機的Lab VIEW編程，通過調用Lab VIEW自帶的各種函數進行諧波分析、數據處理等。

本系統的軟件采用模塊化設計方式。主要由數據采集、數據分析和數據通信及存儲模塊組成。其中，數據采集模塊可以直接調用采集卡自帶的函數實現；數據分析模塊主要包括穩態指標分析和暫態指標分析模塊，穩態指標分析模塊主要完成諧波分析、電壓波動和閃變、電壓偏差、頻率分析及三相不平衡的測量。暫態指標分析模塊主要完成測量電壓驟降、脈沖和振蕩等功能；數據通信及存儲模塊主要完成數據存入數據庫、數據局域網和遠程通信及生成報表等功能。系統上位機界面如下圖所示：

4.結論

本文介紹了應用在山西朔州供電公司的電能質量在線監測系統的硬件組成和軟件結構。對質量分析中的諧波測量問題和閃變測量問題進行了研究；通過選擇合適的窗函數減少了能量泄露，增加了頻率分辨率；利用FFT算法簡化了電壓閃變的測量，并通過一定的修正系數，提高了測量的精確度。

[1]賀建閔,黃治清,李群湛等.變電所電能質量監測系統[J].鐵道學報,2001,23(1):43-47.

[2]謝小榮,韓英鐸.電力系統頻率測量綜述[J].電力系統自動化,1999,23(2):54-58.

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