一種三相不平衡度的測量分析系統設計

趙展

摘 要 本文利用虛擬儀器技術設計了一種三相不平衡度的測量分析系統。給出電能質量問題常見指標中的三相不平衡的定義以及三相不平衡度的計算方法。通過軟件流程圖進行三相不平衡度測量路線的設計。虛擬儀器軟件平臺LabVIEW設計開發程序，人機交互界面友好，硬件電路搭建易于實現。最后進行仿真信號實驗，結果證明本設計具有一定的可行性。

關鍵詞 三相不平衡度 LabVIEW 測量

中圖分類號：TP311 文獻標識碼：A

三相不平衡是電能質量常見問題之一。近些年，國內外相關研究人員對于怎么解決三相不平衡的問題進行了大量的研究分析，大致通過兩種方式：調節無功和加消弧線圈來解決。但是，就效果而言，兩種方式最終的效果都不是很好。一是補償效果不太好。采用調節無功的方式進行補償時，高次諧波信號會出現放大。二是實質意義不明顯。主要是采用加消弧線圈方式。因此電力系統系統中還是大量存在三相不平衡的問題，目前還沒有找到比較合適的手段和方法來處理。①

本文中主要是利用虛擬儀器技術，依托LabVIEW軟件開發平臺，對三相不平衡度計算方法進行了研究，通過軟件程序設計，測量出電力系統的三相不平衡度，效果明顯。

1 三相不平衡度計算分析方法

對于電力系統中的三相電壓或三相電流，理想狀態下，它們應該是大小相等、相位彼此相差120度。實際工程應用環境下，三相電壓或電流的大小不相等、相位彼此相差不是120度，則稱這種情況為三相不平衡。電力系統中，通常把三相不平衡度表征為三相不平衡發生的程度。計算方法方面，主要采用對稱分量的研究算法進行計算和分析電力系統的三相不平衡度。

1.1 對稱分量法

三個頻率相同、最大值相同、相位彼此相差120度的電壓稱為三相對稱電壓，而三個電壓各相頻率相同，最大值或相位差不同，則這三個電壓稱為三相不對稱電壓。根據線性疊加原理，任意三相不對稱電壓都可以理解為三個正序負序和零序對稱電壓的組合。設正序三相對稱電壓記為UA1、UB1、UC1，負序三相對稱電壓記為UA2、UB2、UC2，零序三相對稱電壓記為UA0、UB0、UC0。它們之間的關系為：

正序負序和零序三相對稱電壓的相量圖見圖1：

圖1 正序負序和零序三相對稱電壓的相量圖

1.2 三相不平衡度的計算

電力系統中的三相不平衡主要是指三相電壓不平衡和三相電流不平衡，如前面所說，其不平衡程度可以通過電壓不平衡度和電流不平衡度的具體指標來表征。國家標準GB/T15543-2008《電能質量三相電壓不平衡》中規定：電力系統公共連接點電壓不平衡度限值為：電網正常運行時，負序電壓不平衡度不超過2%，短時不得超過4%；低壓系統零序電壓限值暫不做規定，但各相電壓必須滿足GB/T12325的要求。接于公共連接點的每個用戶引起該點負序電壓不平衡度允許值一般為1.3%，短時不超過2.6%。對于三相不平衡度的計算方法，本文采用上述規定的計算方法，首先將電力系統中的不對稱三相電壓或電流信號進行對稱分量法分解，然后對正序分量和負序分量進行相應的計算，最后將通過將三相電壓或的負序基波分量均方根值除以三相電壓的正序基波分量均方根值得到三相不平衡度，數值用百分數形式表示，具體公式如下所示： = €？100%

上述公式中U1為三相電壓的正序基波分量均方根值，U2為三相電壓的負序基波分量均方根值。

同理，三相電流不平衡度計算公式與上述公式完全一致，只不過把公式中的電壓符號替換為相應的電流符號即可。②

2 測量系統設計

2.1 硬件與軟件環境設計

計算機配置：工業控制用一體機或筆記本電腦。與高速率、高精度的數據采集設備配合使用，構成功能強大的三相不平衡度測量分析系統。計算機系統的基本配置為AMD雙核CPU/80G硬盤/1G內存/128M顯卡。數據采集設備可采用美國NI公司數據采集卡或者ELVIS設備。操作系統平臺：中文WindowsXP/7平臺；虛擬儀器軟件開發平臺：LabVIEW8.5或以上版本。

2.2 系統構成

本文設計的三相不平衡度的測量分析系統由硬件電路和軟件組成。硬件電路部分包括：電壓、電流傳感器、信號調理電路、電平轉換電路、數據采集；軟件部分主要是基于LabVIEW軟件開發平臺，圖形化語言編程。系統構成框圖如圖2所示。

圖2 系統構成框圖

2.3 三相不平衡度的測量思路

圖3 三相不平衡度計算流程圖

在LabVIEW軟件環境下，進行電壓三相不平衡度測量路線圖的實現如圖3所示。首先將三相原始信號進行采樣、量化，然后得到相應的數字信號，對數字信號中的基波電壓、電流進行頻域分離，再設計一個低通濾波器進行無用信號的濾除，最后利用檢測相位、最大值求出它們的最大值和相位差，從而計算出三相不平衡度。

3 軟件設計

3.1 程序設計流程

三相電壓不平衡度測量路線的軟件流程圖如圖3所示（這里主要是指就不考慮零序分量的三相電力系統而來的）。首先，利用美國NI公司提供的ELVIS采集設備，對電力系統中的三相電壓、電流信號進行采集；然后，在LabVIEW環境下創建一個數據庫文件，以列存儲的方式進行存儲三相電壓、電流信號的原始采集數據，具體存儲形式依次分別為A相電壓-B相電壓-C相電壓-A相電流-B相電流-C相電流；接著，利用數組函數中的索引數組函數從數據庫文件中分別索引出每一列的數據，同時調用軟件中的巴特沃斯濾波器，濾除采集信號中的高頻噪聲信號；最后，利用提取單頻信息函數將三相原始信號采樣得到的數字信號中的基波電壓和電流在頻域中分離出來，求出它們的最大值和相角，再調用公式節點函數，輸入三相不平衡度的公式，從而求得電壓的三相不平衡度。同理，三相電流不平衡度的程序設計與電壓類似，這里就不再介紹說明。

3.2 仿真實驗

我們對某大型商場電力系統運行中的任意一個時段進行了相關的數據采集，搭建簡單可行的數據采集系統，并將采集到的信號按要求存放于數據庫文件中，然后利用LabVIEW編制的框圖程序，對所得原始數據進行了仿真分析，其中每周期采樣點數為128，所得數據見表1。顯示出來了各相電壓測量的值和三相不平衡度的計算值，通過對比數據發現，測試結果與理論計算結果基本一致。誤差較小，系統很精確。求三相電流不平衡度的程序與此類似。

表1 各項電壓測量值和三相不平衡度

4 結束語

基于虛擬儀器技術設計了一種檢測電力系統三相不平衡度的測量系統。主要是利用LabVIEW軟件工具包得到正序、負序分量，對三相不平衡度進行計算。通過選擇三相電壓和電流信號對所設計的測量系統進行仿真實驗的驗證，數據表明該測量系統的正確性，達到了三相不平衡度測量分析系統所具有的基本功能，并通過了驗證。

基金項目：蘇州工業職業技術學院院級項目（SGKC201402）

注釋

① 邵如平，韓正偉，林錦國.三相不平衡度數字檢測系統設計[J].電力自動化設備，2007.27（11）：98-100.

② 周林，張有玉，劉強等.三相不平衡度算法的比較研究[J].華東電力，2010.38（2）：210-215.endprint

摘 要 本文利用虛擬儀器技術設計了一種三相不平衡度的測量分析系統。給出電能質量問題常見指標中的三相不平衡的定義以及三相不平衡度的計算方法。通過軟件流程圖進行三相不平衡度測量路線的設計。虛擬儀器軟件平臺LabVIEW設計開發程序，人機交互界面友好，硬件電路搭建易于實現。最后進行仿真信號實驗，結果證明本設計具有一定的可行性。

關鍵詞 三相不平衡度 LabVIEW 測量

中圖分類號：TP311 文獻標識碼：A

三相不平衡是電能質量常見問題之一。近些年，國內外相關研究人員對于怎么解決三相不平衡的問題進行了大量的研究分析，大致通過兩種方式：調節無功和加消弧線圈來解決。但是，就效果而言，兩種方式最終的效果都不是很好。一是補償效果不太好。采用調節無功的方式進行補償時，高次諧波信號會出現放大。二是實質意義不明顯。主要是采用加消弧線圈方式。因此電力系統系統中還是大量存在三相不平衡的問題，目前還沒有找到比較合適的手段和方法來處理。①

本文中主要是利用虛擬儀器技術，依托LabVIEW軟件開發平臺，對三相不平衡度計算方法進行了研究，通過軟件程序設計，測量出電力系統的三相不平衡度，效果明顯。

1 三相不平衡度計算分析方法

對于電力系統中的三相電壓或三相電流，理想狀態下，它們應該是大小相等、相位彼此相差120度。實際工程應用環境下，三相電壓或電流的大小不相等、相位彼此相差不是120度，則稱這種情況為三相不平衡。電力系統中，通常把三相不平衡度表征為三相不平衡發生的程度。計算方法方面，主要采用對稱分量的研究算法進行計算和分析電力系統的三相不平衡度。

1.1 對稱分量法

三個頻率相同、最大值相同、相位彼此相差120度的電壓稱為三相對稱電壓，而三個電壓各相頻率相同，最大值或相位差不同，則這三個電壓稱為三相不對稱電壓。根據線性疊加原理，任意三相不對稱電壓都可以理解為三個正序負序和零序對稱電壓的組合。設正序三相對稱電壓記為UA1、UB1、UC1，負序三相對稱電壓記為UA2、UB2、UC2，零序三相對稱電壓記為UA0、UB0、UC0。它們之間的關系為：

正序負序和零序三相對稱電壓的相量圖見圖1：

圖1 正序負序和零序三相對稱電壓的相量圖

1.2 三相不平衡度的計算

電力系統中的三相不平衡主要是指三相電壓不平衡和三相電流不平衡，如前面所說，其不平衡程度可以通過電壓不平衡度和電流不平衡度的具體指標來表征。國家標準GB/T15543-2008《電能質量三相電壓不平衡》中規定：電力系統公共連接點電壓不平衡度限值為：電網正常運行時，負序電壓不平衡度不超過2%，短時不得超過4%；低壓系統零序電壓限值暫不做規定，但各相電壓必須滿足GB/T12325的要求。接于公共連接點的每個用戶引起該點負序電壓不平衡度允許值一般為1.3%，短時不超過2.6%。對于三相不平衡度的計算方法，本文采用上述規定的計算方法，首先將電力系統中的不對稱三相電壓或電流信號進行對稱分量法分解，然后對正序分量和負序分量進行相應的計算，最后將通過將三相電壓或的負序基波分量均方根值除以三相電壓的正序基波分量均方根值得到三相不平衡度，數值用百分數形式表示，具體公式如下所示： = €？100%

上述公式中U1為三相電壓的正序基波分量均方根值，U2為三相電壓的負序基波分量均方根值。

同理，三相電流不平衡度計算公式與上述公式完全一致，只不過把公式中的電壓符號替換為相應的電流符號即可。②

2 測量系統設計

2.1 硬件與軟件環境設計

計算機配置：工業控制用一體機或筆記本電腦。與高速率、高精度的數據采集設備配合使用，構成功能強大的三相不平衡度測量分析系統。計算機系統的基本配置為AMD雙核CPU/80G硬盤/1G內存/128M顯卡。數據采集設備可采用美國NI公司數據采集卡或者ELVIS設備。操作系統平臺：中文WindowsXP/7平臺；虛擬儀器軟件開發平臺：LabVIEW8.5或以上版本。

2.2 系統構成

本文設計的三相不平衡度的測量分析系統由硬件電路和軟件組成。硬件電路部分包括：電壓、電流傳感器、信號調理電路、電平轉換電路、數據采集；軟件部分主要是基于LabVIEW軟件開發平臺，圖形化語言編程。系統構成框圖如圖2所示。

圖2 系統構成框圖

2.3 三相不平衡度的測量思路

圖3 三相不平衡度計算流程圖

在LabVIEW軟件環境下，進行電壓三相不平衡度測量路線圖的實現如圖3所示。首先將三相原始信號進行采樣、量化，然后得到相應的數字信號，對數字信號中的基波電壓、電流進行頻域分離，再設計一個低通濾波器進行無用信號的濾除，最后利用檢測相位、最大值求出它們的最大值和相位差，從而計算出三相不平衡度。

3 軟件設計

3.1 程序設計流程

三相電壓不平衡度測量路線的軟件流程圖如圖3所示（這里主要是指就不考慮零序分量的三相電力系統而來的）。首先，利用美國NI公司提供的ELVIS采集設備，對電力系統中的三相電壓、電流信號進行采集；然后，在LabVIEW環境下創建一個數據庫文件，以列存儲的方式進行存儲三相電壓、電流信號的原始采集數據，具體存儲形式依次分別為A相電壓-B相電壓-C相電壓-A相電流-B相電流-C相電流；接著，利用數組函數中的索引數組函數從數據庫文件中分別索引出每一列的數據，同時調用軟件中的巴特沃斯濾波器，濾除采集信號中的高頻噪聲信號；最后，利用提取單頻信息函數將三相原始信號采樣得到的數字信號中的基波電壓和電流在頻域中分離出來，求出它們的最大值和相角，再調用公式節點函數，輸入三相不平衡度的公式，從而求得電壓的三相不平衡度。同理，三相電流不平衡度的程序設計與電壓類似，這里就不再介紹說明。

3.2 仿真實驗

我們對某大型商場電力系統運行中的任意一個時段進行了相關的數據采集，搭建簡單可行的數據采集系統，并將采集到的信號按要求存放于數據庫文件中，然后利用LabVIEW編制的框圖程序，對所得原始數據進行了仿真分析，其中每周期采樣點數為128，所得數據見表1。顯示出來了各相電壓測量的值和三相不平衡度的計算值，通過對比數據發現，測試結果與理論計算結果基本一致。誤差較小，系統很精確。求三相電流不平衡度的程序與此類似。

表1 各項電壓測量值和三相不平衡度

4 結束語

基于虛擬儀器技術設計了一種檢測電力系統三相不平衡度的測量系統。主要是利用LabVIEW軟件工具包得到正序、負序分量，對三相不平衡度進行計算。通過選擇三相電壓和電流信號對所設計的測量系統進行仿真實驗的驗證，數據表明該測量系統的正確性，達到了三相不平衡度測量分析系統所具有的基本功能，并通過了驗證。

基金項目：蘇州工業職業技術學院院級項目（SGKC201402）

注釋

① 邵如平，韓正偉，林錦國.三相不平衡度數字檢測系統設計[J].電力自動化設備，2007.27（11）：98-100.

② 周林，張有玉，劉強等.三相不平衡度算法的比較研究[J].華東電力，2010.38（2）：210-215.endprint

摘 要 本文利用虛擬儀器技術設計了一種三相不平衡度的測量分析系統。給出電能質量問題常見指標中的三相不平衡的定義以及三相不平衡度的計算方法。通過軟件流程圖進行三相不平衡度測量路線的設計。虛擬儀器軟件平臺LabVIEW設計開發程序，人機交互界面友好，硬件電路搭建易于實現。最后進行仿真信號實驗，結果證明本設計具有一定的可行性。

關鍵詞 三相不平衡度 LabVIEW 測量

中圖分類號：TP311 文獻標識碼：A

三相不平衡是電能質量常見問題之一。近些年，國內外相關研究人員對于怎么解決三相不平衡的問題進行了大量的研究分析，大致通過兩種方式：調節無功和加消弧線圈來解決。但是，就效果而言，兩種方式最終的效果都不是很好。一是補償效果不太好。采用調節無功的方式進行補償時，高次諧波信號會出現放大。二是實質意義不明顯。主要是采用加消弧線圈方式。因此電力系統系統中還是大量存在三相不平衡的問題，目前還沒有找到比較合適的手段和方法來處理。①

本文中主要是利用虛擬儀器技術，依托LabVIEW軟件開發平臺，對三相不平衡度計算方法進行了研究，通過軟件程序設計，測量出電力系統的三相不平衡度，效果明顯。

1 三相不平衡度計算分析方法

對于電力系統中的三相電壓或三相電流，理想狀態下，它們應該是大小相等、相位彼此相差120度。實際工程應用環境下，三相電壓或電流的大小不相等、相位彼此相差不是120度，則稱這種情況為三相不平衡。電力系統中，通常把三相不平衡度表征為三相不平衡發生的程度。計算方法方面，主要采用對稱分量的研究算法進行計算和分析電力系統的三相不平衡度。

1.1 對稱分量法

三個頻率相同、最大值相同、相位彼此相差120度的電壓稱為三相對稱電壓，而三個電壓各相頻率相同，最大值或相位差不同，則這三個電壓稱為三相不對稱電壓。根據線性疊加原理，任意三相不對稱電壓都可以理解為三個正序負序和零序對稱電壓的組合。設正序三相對稱電壓記為UA1、UB1、UC1，負序三相對稱電壓記為UA2、UB2、UC2，零序三相對稱電壓記為UA0、UB0、UC0。它們之間的關系為：

正序負序和零序三相對稱電壓的相量圖見圖1：

圖1 正序負序和零序三相對稱電壓的相量圖

1.2 三相不平衡度的計算

電力系統中的三相不平衡主要是指三相電壓不平衡和三相電流不平衡，如前面所說，其不平衡程度可以通過電壓不平衡度和電流不平衡度的具體指標來表征。國家標準GB/T15543-2008《電能質量三相電壓不平衡》中規定：電力系統公共連接點電壓不平衡度限值為：電網正常運行時，負序電壓不平衡度不超過2%，短時不得超過4%；低壓系統零序電壓限值暫不做規定，但各相電壓必須滿足GB/T12325的要求。接于公共連接點的每個用戶引起該點負序電壓不平衡度允許值一般為1.3%，短時不超過2.6%。對于三相不平衡度的計算方法，本文采用上述規定的計算方法，首先將電力系統中的不對稱三相電壓或電流信號進行對稱分量法分解，然后對正序分量和負序分量進行相應的計算，最后將通過將三相電壓或的負序基波分量均方根值除以三相電壓的正序基波分量均方根值得到三相不平衡度，數值用百分數形式表示，具體公式如下所示： = €？100%

上述公式中U1為三相電壓的正序基波分量均方根值，U2為三相電壓的負序基波分量均方根值。

同理，三相電流不平衡度計算公式與上述公式完全一致，只不過把公式中的電壓符號替換為相應的電流符號即可。②

2 測量系統設計

2.1 硬件與軟件環境設計

計算機配置：工業控制用一體機或筆記本電腦。與高速率、高精度的數據采集設備配合使用，構成功能強大的三相不平衡度測量分析系統。計算機系統的基本配置為AMD雙核CPU/80G硬盤/1G內存/128M顯卡。數據采集設備可采用美國NI公司數據采集卡或者ELVIS設備。操作系統平臺：中文WindowsXP/7平臺；虛擬儀器軟件開發平臺：LabVIEW8.5或以上版本。

2.2 系統構成

本文設計的三相不平衡度的測量分析系統由硬件電路和軟件組成。硬件電路部分包括：電壓、電流傳感器、信號調理電路、電平轉換電路、數據采集；軟件部分主要是基于LabVIEW軟件開發平臺，圖形化語言編程。系統構成框圖如圖2所示。

圖2 系統構成框圖

2.3 三相不平衡度的測量思路

圖3 三相不平衡度計算流程圖

在LabVIEW軟件環境下，進行電壓三相不平衡度測量路線圖的實現如圖3所示。首先將三相原始信號進行采樣、量化，然后得到相應的數字信號，對數字信號中的基波電壓、電流進行頻域分離，再設計一個低通濾波器進行無用信號的濾除，最后利用檢測相位、最大值求出它們的最大值和相位差，從而計算出三相不平衡度。

3 軟件設計

3.1 程序設計流程

三相電壓不平衡度測量路線的軟件流程圖如圖3所示（這里主要是指就不考慮零序分量的三相電力系統而來的）。首先，利用美國NI公司提供的ELVIS采集設備，對電力系統中的三相電壓、電流信號進行采集；然后，在LabVIEW環境下創建一個數據庫文件，以列存儲的方式進行存儲三相電壓、電流信號的原始采集數據，具體存儲形式依次分別為A相電壓-B相電壓-C相電壓-A相電流-B相電流-C相電流；接著，利用數組函數中的索引數組函數從數據庫文件中分別索引出每一列的數據，同時調用軟件中的巴特沃斯濾波器，濾除采集信號中的高頻噪聲信號；最后，利用提取單頻信息函數將三相原始信號采樣得到的數字信號中的基波電壓和電流在頻域中分離出來，求出它們的最大值和相角，再調用公式節點函數，輸入三相不平衡度的公式，從而求得電壓的三相不平衡度。同理，三相電流不平衡度的程序設計與電壓類似，這里就不再介紹說明。

3.2 仿真實驗

我們對某大型商場電力系統運行中的任意一個時段進行了相關的數據采集，搭建簡單可行的數據采集系統，并將采集到的信號按要求存放于數據庫文件中，然后利用LabVIEW編制的框圖程序，對所得原始數據進行了仿真分析，其中每周期采樣點數為128，所得數據見表1。顯示出來了各相電壓測量的值和三相不平衡度的計算值，通過對比數據發現，測試結果與理論計算結果基本一致。誤差較小，系統很精確。求三相電流不平衡度的程序與此類似。

表1 各項電壓測量值和三相不平衡度

4 結束語

基于虛擬儀器技術設計了一種檢測電力系統三相不平衡度的測量系統。主要是利用LabVIEW軟件工具包得到正序、負序分量，對三相不平衡度進行計算。通過選擇三相電壓和電流信號對所設計的測量系統進行仿真實驗的驗證，數據表明該測量系統的正確性，達到了三相不平衡度測量分析系統所具有的基本功能，并通過了驗證。

基金項目：蘇州工業職業技術學院院級項目（SGKC201402）

注釋

① 邵如平，韓正偉，林錦國.三相不平衡度數字檢測系統設計[J].電力自動化設備，2007.27（11）：98-100.

② 周林，張有玉，劉強等.三相不平衡度算法的比較研究[J].華東電力，2010.38（2）：210-215.endprint