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虚拟仪器在电网波动电压检测中的应用

2017年06月19日 14:11:30 中国传动网

引言

目前为止,我国几乎所有的电能都是由较少的核电厂或大型火电厂发出的,然后经过变电站进行调压后,再分配到千家万户和工厂里。电力的生产和输送基本都是单方向的:从发电设备到消费者。今天,随着光伏发电产业和风力发电装机容量的不断增加,因此会有相当一部分的电力是由分布广泛的消费者自备的小型发电设备提供的。随着我国国民经济的快速发展,对电网负荷要求也越来越高,特别是非线性、冲击性的负荷所占的比重也在不断的加大,因此使电网电压产生了波动和闪变,严重影响了我国电网的电能质量。因此,对电网电压的波动和闪变的研究也变的越来越重要。

随着计算机控制系统的设备产生和对自动化程度要求越来高的用电设备的相继投入使用,工业消费者对电能质量的要求变的也越来越高,因为几毫秒的不正常电压就可能对企业造成巨大的损失。根据当前国际电工委员会的有关规定和标准,电压的波动和闪变被视为电能质量优劣的重要指标。对于电压的波动和闪变测量,目前国际是普通采用的方法是先检测出波动的电压大小(或者调幅波),但不同之处在于检波的方式各有差异。据统计数据显示,目前自动化程度要求很高的工业消费者每年一般要遭受10到50次与电能质量产生问题的相关干扰,这其中因电压的波动和闪变造成的动态电压质量问题占造成事故的数量约占总事故数量的83%,因此电压的波动和闪变已经成为了威胁大多重要消费者供电可靠性的重要原因之一,必须对波动电压进行有效地监视与抑制。

目前我国所使用的电能质量波动电压的检测方法存着诸多问题如:实时性能比较差、监测的指标比较少、数据分析工作量比较大、工作效率低等。实际由于电网参数的不断变化,普通的传统监测方法不能及时有效的检测出电网参数的变化,因此对电力系统相关的统计数据分析和调度控制等将造成直接的影响。本文采用虚拟仪器技术和网络通信技术相结合,基于美国NI公司的Labview(LaboratoryVirtualInstrumentsEngineeringWorkbench)虚拟软件开发平台和相关的硬件,设计出一套波动电压实时监测的系统,通过分析和监测电能电压的波动指标,从而监测出电网的运行状况,并能实现了对电能质量的远程监控,使电力系统相关部门可实时监测电能质量的运行情况,并及时的提出电网管理的最优方案。

1、波动电压的检测原理

目前,进行波动电压检测的方法主要包括3种方法:半波有效值检波法、平方解调检波法和全波整流检波法,如图1所示为波动电压检出单元结构框图。

图1 波动电压检出单元结构框图

近几年以来一些新性理论和原理被应用于电压波动检测。本文采用了小波多分辨率信号的分解和同步检波的电压波动信号检测相结合的一种新方法,该方法将小波多分辨率信号进行分解,并且滤波器将取代普通同步检波器中的解调带通滤波器,本设计方案可检测出电压的波动信号的变化时间以及包络信号中各个频率的分量和幅度。因为传统的小波分析数字信号处理存在的对需要信号采样点数多,对突变故障信号的检测时间较长等特点,此而在对小波多分辨率信号进行分解时,必须采用快速的小波函数及其与之相对应的小波变换函数。半小波函数和半小波变换函数就是其中的一种,它具有与全小波函数和小波变换函数相同的故障信号特征提取能力和时频域特性,因此它的信号处理速度要比普通的小波变换的速度要快1倍多,并且检测到突变故障信号的时间也更短,因此也具有更好的实时性。

由于波动电压所需的监测信号不能直接进行普通的模/数转换实现,因此就需要一个电路信号调理电路将采集的信号转换到数据采集卡的范围内,然后通过计算机接口进行数据的采集分析。虚拟仪器在波动电压的在线监测中的应用主要包括电压传感器、信号调理电路(抗混叠滤波器)、数据采集卡(A/D采集卡)和计算机(PC)虚拟仪器系统组成,如图2所示为波动电压在线监测结构框图。

图2 波动电压在线监测结构框图

监测系统工作原理主要是:当监测开始时,通过传感器从电压互感器的次级引入所需电压输入信号,此信号适宜模/数转换器可以处理的电压信号,然后经过抗混叠低通滤波器,滤去高频产生的干扰噪声,最终经过A/D数据采集卡转换,将采集到的数据实时的送入计算机进行处理,并通过计算机软件Labview进行采集数据的计算、分析、显示、存储和打印等功能。

2、波动电压数学模型

电网电压的波动是指由一系列电压的变动或工频电压的包络线产生的周期变化。

在对电压闪变测量的研究过程中,采用方程1模拟一个某种带有波动的电网电压的波形。式中,m(t)为工频正弦波形的幅度调制信号,

3、LabVIEW程序设计

系统采用虚拟仪器进行的在线监测技术,对数据的处理、存储和显示、打印等都是通过LabVIEW编程在PC上实现的,本系统重要包括如下几个模块:

(1)操作显示模块

采用LabVIEW设计的操作显示面板主要是输入测量相关的指令和测量信息进行显示的人机界面。输入测量指令包含待测信号的额定电压、额定频率等;测量显示信息包含三相电压的信号波形曲线和频谱分析的波形曲线、显示谐波的各次分量的频率、幅值和电压偏差及各项报警指标状态的指示灯。如图3所示,为电压有效值监测系统的前面板图。

 图3 电压有效值监测系统的前面板

(2)波动电压计算分析模块

该模块主要将完成波动电压的获取、计算和分析。因数据采集卡所采集到的电压信号都是含有谐波信号和噪音信号的干扰信号。因此采用NI公司具有计算有效值功能的LABVIEW测得电压信号的有效值。然后根据电压偏差的计算公式和软件运算器共同作用分析可以测量出电压偏差的实时数据。目前对电压波动的测量方法主要包括:有效值检测法、整流检测法和同步检测法等。本设计中采用了同步检测法,因为该方法是将电压的波动作为工频电压的载波,因此它的电压峰值和均方根值都受到以电压波动分量作为调幅波的调制。对于任何波形的调幅波也都可以视为由非基波分量的合成。根据同步检测法的测量原理,电压波动的测量流程图可如图4所示。

图4 电压波动的测量流程图

(3)谐波测量模块

谐波测量是采用傅立叶变换函数得出不同段频率所对应信号的幅值。信号的

采样点幅值可采用离散的傅立叶变换方法将其转换为频域进行显示。为了快速计算傅立叶变换函数,通常采用FFT(快速傅立叶变换)方法。

谐波的幅值、频率和相角测量要通过多个虚拟仪器的先后作用来完成。单频检测仪器的高级搜索的近似频率为50Hz。另外,电压的总谐波畸变率THD主要是通过虚拟谐波分析模块来进行测量。

(4)三相电压不平衡度测量模块

在三相忽略零序分量的系统中,只需得到3个线电压的有效值,就可算出三相电压的不平衡度。在程序设计中,公式节点是一种程序的结构,可实现复杂的数学运算,因此通过一个公式节点虚拟仿真控件测量三相电压的不平衡度。如图5所示为三相电压不平衡度的测量图。

图5 三相电压不平衡度测量图

4、仿真结果

本文采用所设计系统对三相电网电压标准正弦波加干扰后进行测量,当电网的电压运行在正常的波动范围、200~240V(单相交流有效值)内,默认电压是正常的。当电网电压高于240V或低于190V时,系统都会发出间歇式的声响。如图6所示为设计系统电压波动监测仿真分析图。

图6 系统电压波动监测仿真分析图

通过实验仿真分析表明所设计系统示波器上显示了实时的波形,当产生报警时并发出了警报声音,并可通过监测软件显示查看产生电压波动故障的持续时间。

5、结论

本文通过对电能质量各项指标分析研究的基础上,以Labview软件为设计核心,结合相应的硬件进行设计,因该设计方法具有数据采集成本较低、修改方便并且与实际的硬件相似度很高等特点,设计出一种基于虚拟仪器的新型的电能质量-电压波动监测系统。通过仿真实验结果表明,该系统可实时的、准确的测量出电压波动幅值和持续时间,为电力系统管理部门提供了可靠的数据依据并解决了诸多生产中的技术问题。

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供稿:韩红敏

本文链接:http://www.chuandong.com/tech/detail.aspx?id=29563

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