基于虚拟仪器的电能质量监测系统设计及关键问题研究

2012-12-17山西省朔州供电公司王耀宇

电子世界 2012年15期

山西省朔州供电公司王耀宇

同煤浙能麻家梁煤业有限责任公司雷春艳

1.引言

随着科学技术的发展，人们对电能质量的要求越来越高。电能质量的好坏直接影响着国民经济的总体效益。在电力消费领域，越来越多的非线性负载被广泛使用。当电网输出的正弦电压作用在这些负载上，输出的是非正弦信号。这些非正弦信号反过来会形成不规则压降，最终引起电压波形畸变，引起电压高次谐波、电压闪变等电能质量问题[1]。因此，对电能质量实时监测，分析电压波形，找出导致电能质量下降的原因显得十分必要。本文设计了一套基于虚拟仪器的电能质量监测系统，介绍了系统硬件组成及软件架构并对质量分析中的几个关键问题进行了研究。

2.质量分析中的几个关键问题

根据国家标准，电能质量好坏的评价标准主要有5个指标，分别是：电压偏差、频率偏差、三相电压不平衡度、谐波含量及电压波动与闪变。其中，前三项指标可以利用Lab VIEW自带的分析函数直接计算出来，在此就不再讨论。本文主要针对谐波分量和电压波动和闪变进行研究。

2.1 谐波测量问题

利用u( t)表示采集到的电压信号，利用傅里叶变换将u( t)进行分解，可得：

上式中，ω0表示电压信号中的基频，Ansin(n ω0t+ψn)表示第n次谐波。

众所周知，计算机只能对有限长的信号进行测量及分析。因此，需要对采样后的信号进行截断。常用的截断方法是将采样后的时域信号与窗函数相乘，根据频谱卷积定理，时域上的相乘等于频域上的卷积，这样加窗后的频谱发生变化致使能量泄露，能量的泄露会导致加窗后的信号发生失真。常见的窗函数有矩形窗、汉宁窗、汉明窗、布莱克曼窗等。不同的窗函数对抑制能量泄露的效果不同，窗函数的选择应符合以下标准[2]：

表1 -1 常见窗函数具体性能比较Table 1-1 Comparison of Common Window Function Specific Performance

表2 计算出的S值及相对误差Table 2 Calculated S Value and Relative Error

图1 -1 汉宁窗的时域及频域特性Figure 1-1 Time Domain and Frequency Domain of Hanning Window

图2 电压波动与频率拟合曲线Figure 2 Voltage Fluctuation and Frequency Fitting Curve

①若频谱较为复杂，信号中含有多个需要测量的信号，且测试的目的是为了获得更多的频率成分而不是信号能量大小，此时应该选择主瓣较窄窗、旁瓣较低的函数。

②若测试的目的是获得某频率下的能量信号，且更加关注于信号的峰值、均值及均方差等，则此时应选择主瓣较宽的窗函数。

分析上述标准可以看出，选择窗函数时主要看主瓣和旁瓣。常见窗函数的主瓣和旁瓣如表1-1所示。

本文在综合时域特性和频域特性的基础上，选择主瓣宽度和旁瓣峰值衰减的汉宁窗进行信号截取。

汉宁窗函数的时域可表示为：

其中， WR(ω)为矩形窗的幅度频率特性函数。

汉宁窗的时域及频域特性如图1所示。。

2.2 电压闪变的监测

电压波动是指电压幅值在一定范围内变化时，电压均方根最大值与最小值之差相对于额定电压的百分比。闪变是指不同电压波动引起灯闪的敏感程度及引起闪变刺激性程度的电压波动值。国际工委会(IEC)推荐的测量方法需要经过解调、滤波等处理，在上位机软件中实现起来较为复杂。本文采用一种基于FFT的闪变测量方法，该方法省略了IEC中较为复杂的滤波器设计工作，简化了测量方法。

图3 修正后的相对误差Figure 3 Revised Relative Error

图5 系统上位机界面Figure 5 System PC lnterface

基于FFT的闪变测量方法计算步骤如下[3]：

①每隔半个周期对电压信号u( t)内的m个点采样，得到采样信号u( n)，按照公式(4)计算m个点的有效值，得到一段时间内的有效值序列U( N)。

②将上述序列进行FFT变换，得到离散频谱。将各频率下均方值曲线电压波动的峰峰值除以分解出的直流分量，即可求出该频率下的电压波动d( i)，按照公式(5)求出电压瞬间波动值Si。其中，di为该频率下产生单位瞬时闪变所需的电压波动值，可从IEC标准中查出或者拟合出。

③由于U( N)对应的闪变值S为各频率下对应的瞬时闪变值Si之和，故：

式(6)计算出的闪变值S分别按照式(7)、(8)计算短时间闪变值Pst和长时间闪变值Plt。

公式(7)中P0.1、1P、3P、P10、P50分别表示10min内累积概率函数(CPF)曲线上等于0.1%、1%、3%、10%、50%时间内的S值。为了形成累积概率函数，需要对S进行分级，级数越多，曲线越光滑。但是该方法在实际计算中往往很难实现。本文将S按序排列，分别取概率最大值代入公式(7)进行计算。

根据步骤3，di可从IEC868标准中查出。但是IEC标准只给出了有限个频率与波动值之间的关系，为了更加准确的获取波动值，本文根据有限个值进行数据拟合，由此得出S=1时各频率与电压波动值之间的关系如图2所示。

2.3 基于FFT闪变测量算法的实现

设采样周期为12.8KHz，由于FFT算法要求采样点数N必须为2的整数次幂。本文为了计算方便，选取N为256，则半个周期采样256个点需时2.56s，同时计算可获取一个S。U(N)的分辨率为1/2.56=0.39Hz，以3s为一个采样间隔，则可计算200个S值，将计算出的200个S值进行排序，按照公式(7)进行出Pst，当计算出12个Pst时，按照公式(8)即可计算出Plt。

根据上述参数计算瞬间闪变值，并于IEC给出的闪变值进行比较，结果如表2所示。

由上表可以看出，当频率低于9Hz的时候，误差较小；当频率高于9Hz时，误差随着频率的增大而有上升的趋势。上述现象主要是有两个方面原因造成的，一是S=1时电压波动与频率的曲线拟合造成的误差，其次就是IEC的计算标准和FFT计算标准的不同。IEC采用的是平方检测，FFT是有效值检测。为了减少误差，提高精确度，本文以S的倒数作为校正系数，校正后的误差如下图3所示：

由上图看出，修正后的误差明显减少，证明了上述方法的可行性。

3.系统总体结构设计

系统硬件组成如图4所示。

其中，电压电流互感器的主要作用是将高电流电压转变成适合数据采集卡采集的电流电压；信号调理模块主要起到抗混叠滤波、电气隔离的作用；数据采集卡将处理后的信号传至上位机进行处理；本系统的核心在上位机的Lab VIEW编程，通过调用Lab VIEW自带的各种函数进行谐波分析、数据处理等。

本系统的软件采用模块化设计方式。主要由数据采集、数据分析和数据通信及存储模块组成。其中，数据采集模块可以直接调用采集卡自带的函数实现；数据分析模块主要包括稳态指标分析和暂态指标分析模块，稳态指标分析模块主要完成谐波分析、电压波动和闪变、电压偏差、频率分析及三相不平衡的测量。暂态指标分析模块主要完成测量电压骤降、脉冲和振荡等功能；数据通信及存储模块主要完成数据存入数据库、数据局域网和远程通信及生成报表等功能。系统上位机界面如下图所示：