基于LabVIEW的低压电能质量监测系统

赵迎会，陈威志

(1.鹤壁职业技术学院，河南 鹤壁458000；2.中国电信股份有限公司新乡分公司 河南 新乡453000)

0 引 言

低压电网接近用户侧，由于用户大量使用电器，而大部分电器都属于非线性负荷，往往会导致低压电网中电信号失真。电能质量的好坏直接影响用户的用电感受，通常用电能质量参数来评价电能质量的好坏，电能质量参数包括电压有效值、谐波、三相不平衡度、电压偏差、频率偏差、电压暂升、暂降、电压凹陷、闪变等，其中三相不平衡度、电压偏差、频率偏差、谐波、电压有效值发生周期长，对低压电网影响大，称为稳态电能质量参数，作为此文分析监测的对象[1]。

应用灰色聚类算法对分析后的5项电能质量参数加权融合，求出1个综合数据[2]，并进行电能质量等级划分，精确地评估当前电能质量状态。

1 电能质量测量方法

电能质量可以描述为供电侧为用户侧提供的电能品质，电能质量的好坏影响电器的使用状况和寿命。理想状态下，用户侧使用的交流电为标准的正弦波形状。判断电能质量好坏最直观的方法就是通过仪器观察用户侧电流的波形，也可以通过电压/电流偏差、频率偏差等相关数据测量得到。

1.1 电压有效值

电压有效值为某交变电压和某恒定电压加在同一电阻上，若相同时间产生的热量一样，则该恒定电压就是该交变电压的有效值，可用公式(1)描述电网中的电压有效值：

(1)

式中：U是电网中交变电压的有效值，T表示一个完整的交流周期，u(t)是交变电压。

1.2 电压偏差

电力系统中无功功率的冲激响应导致了电压偏差的存在，电压偏差能降低电力系统中的输电、供电效率，降低电力设备、用电电器的使用寿命。电压偏差是指在某时刻电网中实际的电压值和系统中标称电压的差值。根据描述，采用电网中经过输电线的实际电压偏离标称电压的百分比来定义：

电压偏差(%)=

(2)

根据国家电能质量标准，低压电网中，电压偏差的正常范围为-10%到+7%之间。

1.3 谐 波

低压电网中，由于大量非线性用电设备的投入使用，使经过这些设备的正弦波电流或电压产生畸变，也就是谐波。我国标准的基波信号频率是50 Hz，其他频率的信号均是谐波，当谐波信号的频率除以50 Hz(基波信号频率)等于整数时，该整数定义为谐波次数h,如果不是整数，则表示该信号中含有间谐波[3]。可用公式(3)定义电压信号中的谐波含量：

(3)

电压信号中谐波电压的总含量与基波电压额定值的百分比为电压谐波畸变程度：

(4)

第h次谐波电压含有率表示为

(5)

国家电能质量标准定义谐波电压总畸变率和各次谐波含有率的限值如表1所示。此标准作为此文对电能质量综合评估的依据。

表1 总谐波畸变率和各次谐波含有率限值Table 1 Limitation for total harmonic distortion and harmonic content of each order

1.4 频率偏差

频率偏差为在电力系统中输出的实际电信号频率和标准的基波信号的频率差值，可以一定程度反映出信号的畸变程度。可用公式(6)描述频率偏差:

Δf=f实-f标

(6)

在保证电网各环节和用户的正常供、用电前提下，国家电能质量标准规定频率偏差不超过±0.2 Hz；电网设备短路容量较小时，不超过±0.5 Hz。

1.5 三相不平衡度

三相不平衡的存在也是影响电力系统供配电效率的一个重要因素。供电系统的理想状态应该是具有严格的对称性，即三相电力系统中的电压应大小相等，相位相差120°。但由于供电或者用户用电阶段中某些设备由于工艺误差达不到理想的平衡，并且输电环境复杂，造成三相不平衡的产生。

以单相电压为例，根据实际情况，应用对称分量法计算三相不平衡度如下式所示：

(7)

根据国家电能质量标准，公共连接点下三相不平衡度<2%，短时≤4%；而公共连接点下属的用户三相不平衡度标准限值为1.3%，短时<2.6%[4]。

2 电能质量的综合评定

电能质量的综合评定是指将测量的5项电能质量参数通过数据融合技术得到一个综合性指标，以评估当前待测电能质量状态的好坏。

各项参数由于单位量纲以及数据类型不同，不能进行简单的综合运算，因此必须采用一定的融合技术将不同类型的数据进行处理后融合。灰色聚类评估则是按照不同聚类指标所用的白化权函数将聚类对象按类别归类。灰色聚类分析包括数据预处理、构造白化权函数以及指标聚类权确定3个步骤。数据预处理包括：参数无量纲化、构造样本矩阵、确定各指标极性、确定各指标的类别界限[5]。

根据电能质量参数特点，选用灰色聚类和层次分析相结合的算法，先采用层次分析法求出5项电能质量参数的权重系数，其次采用灰色聚类算法对5项参数融合得到1个综合数据，并结合电能质量对生活中用电设备的影响程度进行等级划分，评估出当前电能质量的好坏。

依据实际情况以及电能质量标准限值将电能质量划分为如表2所示的3个等级，每个等级对应综合指标的一个区间。

表2 电能质量划分3个等级Table 2 Three levels of power quality

3 系统的设计

低压电能质量监测系统选用LabVIEW开发平台设计实现[6-7]，根据需求设计用户登录模块、数据分析处理模块、综合评定模块以及报警设置模块4个部分。设计结构图如图1所示。

图1 系统结构框图Fig.1 Block diagram of the system

其中，数据处理部分是电能质量监测系统的核心，包括待测信号的输入/构造以及监测分析5项稳态指标。综合评定模块是将监测的几项参数进行加权处理，求出1个综合数值，并以国家电能质量标准为参考划分不同的等级，评估出电能质量状态的优劣。报警模块根据设定规则，若综合指标出现超出限定标准，进行声光报警。

4 系统的实现

4.1 待测电流信号

在LabVIEW软件中采用的模拟电压幅值为220 V，频率为50 Hz，采样频率为256 Hz，样本点数为6400个，并在模拟电压的显示波形选板中加入高斯白噪声作为加性干扰信号。干扰信号的强度值以进度条的形式显示在前面板，并且能够通过手动滑动进度条的按钮来调节干扰信号的强度，以便分析判断在不同强度噪声的环境中电能质量监测的状况，如图2所示。

图2 电流信号及有效值Fig.2 Current and its effective value

该信号峰值约220 V，频率为50 Hz。从待测信号的波形中可观察到，信号波形轮廓大致接近理想的正弦信号波形，没有明显的失真，但是在细节上，曲线不够平滑，且在波峰和波谷处较为明显，表明存在少量干扰，初步判断电能质量良好。

4.2 电压偏差

监测待测信号的电压偏差如图3所示。

图3 电压偏差Fig.3 Voltage deviation

从波形图中可以看出，所测待测信号在波峰和波谷对应的时间范围内浮动相对较大，和观测待测信号波形结果一致，总体电压偏差在+0.75%到+2.6%范围内浮动，符合国家电能质量规定的电压偏差标准。

4.3 频率偏差

测量待测电压信号的频率偏差结果如图4所示。从图中显示结果分析可得，待测信号的频率偏差基本在-0.1%到+0.1%之间波动，符合国家电能质量频率偏差的标准。

图4 频率偏差Fig.4 Frequency deviation

4.4 三相不平衡度和有效值

根据搭建的三相不平衡度以及有效值的测量程序，得到待测信号某一时刻的三相不平衡度如图5所示。

图5 三相不平衡度Fig.5 Unbalance degree of three phases

4.5 谐波检测

监测平台对待测信号进行谐波检测的结果如图6所示，右侧显示了待测信号的谐波总畸变度和谐波次数对应的谐波电平。

图6 谐波检测Fig.6 Harmonic detection

从检测结果可以看出，含有较多的低次谐波，且谐波幅值较小，谐波的总畸变率为1.44%，检测出的基波频率为50.01 Hz。右侧的谐波电平栏显示了前五次谐波的电平大小，单位为V。图中显示，前五次谐波电平大小都在1 V左右，相对于基波的220 V，谐波分量很小，可以忽略不计。

5 综合评估

采用灰色聚类分析对待测信号进行综合评估，评估结果如图7所示。

从图7得出的电能质量综合评估波形可以看出，该待测信号的综合评估指标大小大致在-4到-2.5之间浮动，波动幅度不大。对照电能质量的划分等级，该待测模拟信号的电能质量基本良好，和待测电压信号波形预测结果一致。表明该监测系统有较高的可行性。

图7 综合评估Fig.7 Comprehensive evaluation

6 结 语

所提出的低压电能质量监测系统，能够针对低压用户侧的稳态电能质量参数进行监测，并采用灰色聚类算法对5项参数进行融合，得到关于当前电能质量状态的综合指标，从而评估当前电能质量的状态优劣性。模拟低压电网中的电压信号作为待测信号进行监测，该信号受干扰少，但系统仍能得到各项精确的参数指标，准确地评估电能质量性能，证明了该低压电能质量监测系统的精确性和有效性。