矿用电网电能质量分析系统设计

刘 伟

(新疆天富集团有限责任公司，新疆 石河子 832000)

矿用电网电能质量分析系统设计

刘 伟

(新疆天富集团有限责任公司，新疆 石河子 832000)

针对目前煤矿运用的监测电能质量状况的设备单一化，仅能监测一个或其中的若干性能指标等缺陷，开发设计了一套完整的矿用电网电能质量分析系统，包含软硬件的详细设计。硬件方面针对数据采集时信号干扰而引起的测量精度低等问题设计信号调理电路，软件设计是实现电能质量分析的核心重点开发设计了电压波动与闪变、电压暂降以及谐波分析计算等模块的软件程序，实现对煤矿供电系统电能质量的监测分析。最后将经过LabVIEW信号发生器生成的信号当做系统输入信号源对该系统进行实验，经过监测结果与理论值对比分析表明此分析系统测试精度满足要求。

LabVIEW；煤矿电网；电能质量；谐波分析

随着矿井自动化程度的不断提升，越来越多的电力电子设备被运用到煤矿生产。但是因为功率器件连续的通断电，导致了煤矿电能质量的严重损坏，同时电压波动引发的闪变也将在很大程度上对人们的工作效率以及身体健康带来威胁。我国对电能质量的研究起步比较晚，因此对这方面的研究也比较落后。相对于国外的检测装置，国内产品具有检测功能不全面、精度不高的缺点[1-2]。目前煤矿运用的监测电能质量状况的设备单一化，仅能监测一个或其中的若干性能指标[3～6]，这也就导致工作人员不能及时全面的发现问题，进而未能迅速准确的处理相应的故障，从而引发供电事故。所以亟待开发一个电能质量分析系统，从而实现煤矿供电系统电能质量的全面监测。

1 影响矿用电网电能质量的主要参数

1)电压偏差。煤矿开采过程中，供电距离随着开采范围增加而增大，进而导致线损升高，致使供电电压偏差大等问题。

2)谐波以及间谐波。随着煤矿变频技术的引入，导致其电网出现很多随电流波动而变化的谐波以及间谐波。

3)电压波动与闪变。在煤矿生产现场有大功率以及非线性的波动负荷，其启停将导致电网出现电压波动，从而引发闪变。

4)无功偏大，功率因数低。

上述均为煤矿电网中主要的电能质量问题性能参数。另外，因为只有全部生产设备在额定频率工作时，其性能才能获得最佳，所以频率偏差也是主要监测对象。由于电压波动导致的电压暂降也可能引发煤矿中变频设备等敏感负荷的崩溃，从而引发煤矿事故。因此确定本文主要监测的性能参数有电压偏差、频率偏差、谐波及间谐波、电压波动与闪变以及电压暂降等。

2 电能质量分析系统设计

只有建立一套完整的电能质量监测系统，才能使工作人员实时的掌握电网中电能质量的状态。由于LabVIEW[7-8]拥有编程灵活、系统成本低以及维护方便等优势，因此基于LabVIEW完成了矿用电网电能质量分析系统的设计。

2.1 硬件设计

一般情况下从电力系统得到的电压电流信号都包含很多噪声信号，这将在很大程度上影响信号测量的准确度，所以设计相应的信号调理电路是必要的。设计四阶有源低通抗混叠滤波器以避免产生频谱混叠现象。系统技术指标谐波的测量次数最高为50次，即对于信号中有用信号频率最高为2500Hz，根据采样定理，系统的采样频率必须大于5000Hz，而在实际应用中采样频率应该为信号频率的4～6倍，因此设定采样频率以及截止频率分别是12800Hz及3200Hz，若信号的频率不高于3200Hz，则滤波器增益等于1，相反，则增益曲线急剧被衰减以避免引入高频信号，其硬件电路图见图1。

图1 信号调理电路

2.2 软件设计

本系统中主要对电压波动与闪变、电压暂降分析以及谐波分析等进行了软件设计。同时在该分析系统中，实现电能质量指标的分析是要经过一段时间的，而在单线程的应用程序中调用单线程会导致拥堵，数据处理完成之后才能运行其他任务，这样将会致使数据采集中断，进而导致数据缺失以致不能全面的掌控电能质量问题[9-10]，所以为了提升数据采集速度以及数据分析的完整性，还对其缓冲技术进行了设计。

1)电压波动与闪变计算。煤矿生产过程中大功率设备的不断启停导致电网电压波动，从而引发闪变[11]。电压波动与闪变分析模块能够实现对其的实时监测，主要监测包含电压波动率、有效值波动及瞬时视感度曲线以及长短时间闪变值，其程序见图2。

图2 电压波动与闪变计算

2)电压暂降分析计算。电压暂降对敏感器件的损伤很大，其主要指标是暂降的起止时刻及暂降的幅度，主要监测包含均方根值波动曲线、电压暂降起止时刻及其幅值，其程序见图3。

3)谐波分析计算。谐波分析计算[13-14]实现电网中谐波污染的程度监测，主要包含谐波含有率、谐波畸变率等的监测，其程序见图4。

图3 电压暂降分析计算

图4 谐波分析计算

4)缓冲技术软件设计。运用循环缓冲技术以同时完成数据采集及数据分析，其程序见图5。

3 实验结果及分析

运用LabVIEW编写虚拟信号发生器，为实验提供所需的谐波、电压波动与闪变以及电压暂降等信号，然后将各指标的理论计算值与该系统监测的结果进行对比分析，以验证该分析系统的有效性及准确度。

1)利用该信号发生器生成各种幅值的电压信号并输送至该分析系统，监测到的电压及频率结果分别见表1和表2。根据表1可知，随着信号发生器生成的电压信号幅值的升高，该分析系统能够很准确的监测出电压有效值，其误差不超过0.14%；根据表2可知，在信号发生器生成的信号频率为50Hz时，该分析系统同样能够很准确的监测出信号频率，且其误差不大于0.01，符合测量要求。

2)在煤矿实际生产过程中，设备形成的谐波均为奇次谐波，所以运用虚拟信号发生仪生成谐波的次数分别是3、5、7、11、13、17、19、23，并将其输入至该分析系统，其监测结果见表3。通过表3中的分析值与理论值对比可知，该分析系统监测的谐波幅值误差不大于0.05，谐波含有率监测精度不低于0.028%，谐波总畸变率监测精度是0.048%，完全满足精度要求。

表1 电压有效值监测数据

表2 频率监测数据

3)IEC61000-4-1标准标定了一组瞬时闪变值S(t)=1的调幅波数据，以验证设计的闪变监测功能是否达标[15]。通过调节信号发生器的调幅波的频率以及幅值完成该系统的准确性检验，其监测数据见表4。根据表4可知，该分析系统监测的瞬时视感度值均保持在1左右，其误差小于5%，完全能够满足闪变监测要求。

图5 循环缓冲程序

表3 谐波指标监测数据

谐波次数谐波幅值(V)谐波含有率(%)谐波总畸变率(%)理论值分析值理论值分析值理论值分析值1220219．95——313．213．1965．998515．415．4277．008713．213．1865．987118．88．7943．996136．66．6233．013174．44．422．001196．66．5432．972232．22．1910．99812．649112．6457

4)给定一个暂降信号，输入信号在1s时，幅值降至85V，在2s时恢复正常，其监测结果见图6。本该分析系统监测到的暂降起止时间为1.00633s和2.00469s，精度符合要求。

表4 闪变监测数据

图6 电压暂降测试结果

4 结论

结合煤矿生产现场井下供电系统进线处的实际状况，确定了矿用电网电能质量分析系统的性能指标。该分析系统主要完成了信号调理电路的开发设计以及电压波动与闪变、电压暂降以及谐波分析计算等软件程序开发设计。最后将经过LabVIEW信号发生器生成的信号当做系统输入信号源对该系统进行实验，通过监测结果与理论值对比分析发现监测出的电压有效值，其误差不超过0.14%，监测的谐波幅值误差不大于0.05，谐波含有率监测精度不低于0.028%等，其结果表明此分析系统的监测精度满足要求。

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Design of coal mining power quality analysis system

LIU Wei

(Xinjiang Tianfu Group Co., Ltd., Shihezi 832000, China)

Aiming at the present coal mine using the monitoring power quality status of the equipment simplification, only can monitor one or several of these performance indicators, development and designed a complete power quality analysis system, including the detailed design of hardware and software. The hardware design of the signal are conditioning circuit for the problem of low measurement accuracy caused by signal interference in data acquisition, Software design is the core of the power quality analysis of the development of key design and development of the voltage fluctuation and flicker, voltage sag and harmonic analysis calculation module software program to achieve power quality monitoring of coal power supply system analysis. Finally, the signals are generated by the LabVIEW signal generator as the system input signal source to experiment with the system, through the monitoring results and theoretical analysis of comparative analysis shows that the accuracy of the analysis system to meet the requirements.

LabVIEW; coal mine power grid; power quality; harmonic analysis

2016-04-15

刘伟(1967-)，男，高级工程师，硕士研究生，主要研究方向为电源建设、电网建设。

TM714.3

A

1004-4051(2016)12-0143-05