基于LabVIEW的低壓電能質量監測系統

趙迎會，陳威志

(1.鶴壁職業技術學院，河南 鶴壁458000；2.中國電信股份有限公司新鄉分公司 河南 新鄉453000)

0 引 言

低壓電網接近用戶側，由于用戶大量使用電器，而大部分電器都屬于非線性負荷，往往會導致低壓電網中電信號失真。電能質量的好壞直接影響用戶的用電感受，通常用電能質量參數來評價電能質量的好壞，電能質量參數包括電壓有效值、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、電壓有效值發生周期長，對低壓電網影響大，稱為穩態電能質量參數，作為此文分析監測的對象[1]。

應用灰色聚類算法對分析后的5項電能質量參數加權融合，求出1個綜合數據[2]，并進行電能質量等級劃分，精確地評估當前電能質量狀態。

1 電能質量測量方法

電能質量可以描述為供電側為用戶側提供的電能品質，電能質量的好壞影響電器的使用狀況和壽命。理想狀態下，用戶側使用的交流電為標準的正弦波形狀。判斷電能質量好壞最直觀的方法就是通過儀器觀察用戶側電流的波形，也可以通過電壓/電流偏差、頻率偏差等相關數據測量得到。

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)描述電網中的電壓有效值：

(1)

式中：U是電網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

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

電壓偏差(%)=

(2)

根據國家電能質量標準，低壓電網中，電壓偏差的正常范圍為-10%到+7%之間。

1.3 諧 波

低壓電網中，由于大量非線性用電設備的投入使用，使經過這些設備的正弦波電流或電壓產生畸變，也就是諧波。我國標準的基波信號頻率是50 Hz，其他頻率的信號均是諧波，當諧波信號的頻率除以50 Hz(基波信號頻率)等于整數時，該整數定義為諧波次數h,如果不是整數，則表示該信號中含有間諧波[3]。可用公式(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)

國家電能質量標準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。此標準作為此文對電能質量綜合評估的依據。

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中輸出的實際電信號頻率和標準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

(6)

在保證電網各環節和用戶的正常供、用電前提下，國家電能質量標準規定頻率偏差不超過±0.2 Hz；電網設備短路容量較小時，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供配電效率的一個重要因素。供電系統的理想狀態應該是具有嚴格的對稱性，即三相電力系統中的電壓應大小相等，相位相差120°。但由于供電或者用戶用電階段中某些設備由于工藝誤差達不到理想的平衡，并且輸電環境復雜，造成三相不平衡的產生。

以單相電壓為例，根據實際情況，應用對稱分量法計算三相不平衡度如下式所示：

(7)

根據國家電能質量標準，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準限值為1.3%，短時<2.6%[4]。

2 電能質量的綜合評定

電能質量的綜合評定是指將測量的5項電能質量參數通過數據融合技術得到一個綜合性指標，以評估當前待測電能質量狀態的好壞。

各項參數由于單位量綱以及數據類型不同，不能進行簡單的綜合運算，因此必須采用一定的融合技術將不同類型的數據進行處理后融合。灰色聚類評估則是按照不同聚類指標所用的白化權函數將聚類對象按類別歸類。灰色聚類分析包括數據預處理、構造白化權函數以及指標聚類權確定3個步驟。數據預處理包括：參數無量綱化、構造樣本矩陣、確定各指標極性、確定各指標的類別界限[5]。

根據電能質量參數特點，選用灰色聚類和層次分析相結合的算法，先采用層次分析法求出5項電能質量參數的權重系數，其次采用灰色聚類算法對5項參數融合得到1個綜合數據，并結合電能質量對生活中用電設備的影響程度進行等級劃分，評估出當前電能質量的好壞。

依據實際情況以及電能質量標準限值將電能質量劃分為如表2所示的3個等級，每個等級對應綜合指標的一個區間。

表2 電能質量劃分3個等級Table 2 Three levels of power quality

3 系統的設計

低壓電能質量監測系統選用LabVIEW開發平臺設計實現[6-7]，根據需求設計用戶登錄模塊、數據分析處理模塊、綜合評定模塊以及報警設置模塊4個部分。設計結構圖如圖1所示。

圖1 系統結構框圖Fig.1 Block diagram of the system

其中，數據處理部分是電能質量監測系統的核心，包括待測信號的輸入/構造以及監測分析5項穩態指標。綜合評定模塊是將監測的幾項參數進行加權處理，求出1個綜合數值，并以國家電能質量標準為參考劃分不同的等級，評估出電能質量狀態的優劣。報警模塊根據設定規則，若綜合指標出現超出限定標準，進行聲光報警。

4 系統的實現

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度條的形式顯示在前面板，并且能夠通過手動滑動進度條的按鈕來調節干擾信號的強度，以便分析判斷在不同強度噪聲的環境中電能質量監測的狀況，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，但是在細節上，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，初步判斷電能質量良好。

4.2 電壓偏差

監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的時間范圍內浮動相對較大，和觀測待測信號波形結果一致，總體電壓偏差在+0.75%到+2.6%范圍內浮動，符合國家電能質量規定的電壓偏差標準。

4.3 頻率偏差

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

圖4 頻率偏差Fig.4 Frequency deviation

4.4 三相不平衡度和有效值

根據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

監測平臺對待測信號進行諧波檢測的結果如圖6所示，右側顯示了待測信號的諧波總畸變度和諧波次數對應的諧波電平。

圖6 諧波檢測Fig.6 Harmonic detection

從檢測結果可以看出，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行綜合評估，評估結果如圖7所示。

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

圖7 綜合評估Fig.7 Comprehensive evaluation

6 結 語

所提出的低壓電能質量監測系統，能夠針對低壓用戶側的穩態電能質量參數進行監測，并采用灰色聚類算法對5項參數進行融合，得到關于當前電能質量狀態的綜合指標，從而評估當前電能質量的狀態優劣性。模擬低壓電網中的電壓信號作為待測信號進行監測，該信號受干擾少，但系統仍能得到各項精確的參數指標，準確地評估電能質量性能，證明了該低壓電能質量監測系統的精確性和有效性。