电能质量的在线分析与监测
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总第 ４４ 卷 第 ５０１ 期
电测与仪表
Ｖｏｌ．４４ Ｎｏ．５０１ Ｓｅｐ． ２００７
２００７ 年 第 ９ 期
Ｅｌｅｃｔｒ ｉｃａｌ Ｍｅａｓｕｒ ｅｍｅｎｔ ＆ Ｉｎｓｔｒ ｕｍｅｎｔａｔｉｏｎ
电能质量的在线分析与监测
姜志玲 ， 王 勋
（ 华东交通大学 电气与电子工程学院 ， 南昌 ３３００１３ ） 摘要 ： 文中概括了电能质量的实际意义 ， 阐述了电能质量的三种监测方式 ， 着重分析了在 线监测方式 ， 并用 ＬａｂＶＩＥＷ 创建了频率、 谐波和三相不平衡度的测量程序。通过测试 ， 符 合电力系统的标准 ， 提高了系统监测的灵活性和参数的精度 ， 对电力系统的安全可靠运 行有着实用价值。 关键词 ： 电能质量；监测；ＬａｂＶＩＥＷ 中图分类号 ： ＴＭ９３３．４ 文献标识码 ： Ｂ 文章编号 ： １００１－ １３９０ （ ２００７） ０９－ ００１０－ ０４
引 言 压、 电流或频率的偏差 ， 其内容包括频率偏差、 电压偏 差、 电压波动与闪变、 三相不平衡、 暂时或瞬态过电 压、 波形畸变、 电压暂降与短时间中断以及供电连 续 性等。 实质上 ， 供电系统只能控制电压的高低 ， 不能控制 某一负载汲取电流的大小， 因而我们在大多数情况下 是在讨论电压的质量问题。对电能质量加以细化和分 符合生产实际的、 可操作的考核电 类 ， 制定出科学的、 能质量的技术指标和评估方法 ， 逐步制定出一个全面 的质量管理体系，是亟待进一步研究探讨的课题。
实时显示数据 在线监测 分析软件 通信软件 通信系统 数据库 实时显示 用户实时查看 文件数据
１．１
系统简介 本电能质量在线监测系统为分层分布式系统 ， 以
计算机技术、虚拟仪器技术和网络通信技术为依托 ， 通过将电网中的各监测站点连成整体 ， 实现了电能质 量在线监测的网络化。电能质量在线监测系统提供给 电力部门大量实时、 精确的电能质量数据信息 ， 为电 力部门的安全生产提供了保证。由于目前大量变电站 已经接入本地局域网 ， 而且通过局域网通信可以保证 数据传输的实时性、 可靠性 ， 故本系统利用现有的局 域网来组建电能质量在线监测系统。电能质量在线监 测系统由服务器系统、 通信系统、 数据监测系统三部 分构成，系统结构如图 １ 所示。
－ １１ －
的通信能力， 支持以太网接口、 调制解调器接口和串口
总第 ４４ 卷 第 ５０１ 期
电测与仪表
Ｖｏｌ．４４ Ｎｏ．５０１ Ｓｅｐ． ２００７
２００７ 年 第 ９ 期
Ｅｌｅｃｔｒ ｉｃａｌ Ｍｅａｓｕｒ ｅｍｅｎｔ ＆ Ｉｎｓｔｒ ｕｍｅｎｔａｔｉｏｎ
图５
测量三相不平衡度程序
电压、 电流进行同步采样 ， 滤除工频的谐波成分 ； 测定 三相电压 （电流 ）的有效值及相位 ； 分别计算各线电压
（３） 谐波分析的软件设计
对于谐波 ， 常采用谐波失真度 （ＴＨＤ）来表示 ， 它定 义为全部谐波的均方根值与基波分量有效值之比 ， 当 对稳态电力信号进行频谱分析时 ， 常采用快速傅里叶 变换 （ＦＦＴ）。设 Ｎ 为一个工频整周期采样点数 ， 则 Ｎ＝ 为了分析到 ５０ 次谐波 ， 单通道数据采 ２ｎ， ｎ 为正整数。 样最小频率应为 ｆｓ ＝２× ５０ｆ１ 。ｆ１ 为信号频率。在一个工
合格电能质量是指提供给敏感设备的电力和 为 其 设 置的接地系统均适合于该设备正常工作 ； （ ２） 表现为 电压、 电流或频率的偏差，造成用户设备故障或错误动 作的任何电力问题都是电能质量问题 ； （ ３ ） 电能质量 就是电压质量， 合格的电能质量应当是恒定频率和恒 定幅值的正弦波电压与连续供电。 电能质量问题终究是由电力用 户 的 生 产 需 求 驱 动的，所以用户的衡量标准应占优先位置。 因此电能质 量可定义为 ： 导致用电设备故障或不能正常工作的电
频周期内 ， 若以 ｆｓ 采样 ， 则所获得的采样点数 Ｎ＝ｆｓ ／ ｆ１ ＝
２× ５０， 从减少计算工作量考虑 ， Ｎ 应取得小些。在满足 上述两个条件下 ， 选 取 Ｎ＝１２８ ， 即 一 个 工 频 周 期 内 均 匀采样 １２８ 点 ， 相应的采样频率为 ｆｓ ＝１２８ｆ１ 。 根据上述
信号采样频率的选择 ， 在一个工频周期内应采样 １２８ 点 ， 即采样频率 ｆｓ ＝１２８ｆ１ 。为保证 ５０ｆ１ 频率以内的信号 不受干扰 ， 采用的抗混叠的五阶巴特沃斯低通滤波器 ， 程序如图 ７ 所示。 为检查谐波分析的性能 ， 用方波作为测试信号 ， 测试结果如表 ２ 。本谐波分析结果未超出国家级谐波 测量仪的允许误差范围。
电压电流 !"!#
信号调理器 !"#$%
数据采集卡 !"#$%
基于虚拟仪器技术 !"#$%&’( 的再线监测程序 )*+,-./
１．２
服务器子系统 电能质量在线监测系统的服务器安装于电能质量
4 !"#$%&’()*+,-./01 图 ４ ! 基于虚拟仪器技术的电能质量在线监测 %
本文主要阐述部分电能质 量 指 标 频 率 、 电 网 谐 波、 三相不平衡度的分析算法 ， 介绍采用虚拟仪器 软 件 开 发 工 具 ＬａｂＶＩＥＷ 来 监 测 和 分 析 电 能 质 量 的 方 法。 （ １） 三相不平衡度的软件设计 对电力三相不平衡度的分 析 可 以 通 过 对 称 分 量 法进行 ， 在分解出正序和负序分量之后 ， 三相不平 衡 度就可以求出。计算三相不平衡度可以通过下面的简 化算式求得 ：
从普遍意义上讲 ， 电能质量是指优质供电 ， 但是人 们对电能质量的技术含义却存在着不同的认识 ， 还不 能给出一个准确统一的定义， 这是因为人们看问题的 角度不同所致。
ＩＥＥＥ 标准化协调委员会已正式采用“ ｐｏｗｅｒ ｑｕａｌ－ ｉｔｙ” （电能质量）这一术语，并且给出了相应的技术定义。 至今， 关于电能质量的定义概括起来主要有三种 ： （ １ ）
存储数 监测数据 据文件
图３
通信系统
１．４
数据监测子系统 数据监测子系统的核心是 采 用 虚 拟 仪 器 技 术 开
发的电能质量在线监测仪 （或数据采集器 ）。虚拟仪器 技术是伴随着计算机技术的发展而发展起来的 ， 是具 有比普通仪器更为强大功能的计算机系统。虚拟仪器 技术是将传统的硬件实现的数据分析处理、 显示和存 储功能 ， 改由功能强大的计算机来完成 ， 同时配备获取 测量信号的调理电路和基于虚拟仪器技 术 编 写 的 监 测软件 ， 对输入的测量信号进行分析处理和显示 ， 在线 监测仪结构如图 ４ 所示。
－ １０ －
１
电能质量的在线监测 目前 ， 电能质量的监测方式主要有三种 ： 设备入网
前的专门检测、 设备使用中的定期或不定期检测和在 线监测。 由于电能质量问题的特殊性， 前两种监测方式 的监测数据不能全面和准确地反映出电 力 系 统 电 网 的电能质量信息， 因此电能质量监测应该采用在线监 测 ， 即连续收集、 记录和存储电力系统电网的频率 偏
总第 ４４ 卷 第 ５０１ 期
电测与仪表
Biblioteka BaiduＶｏｌ．４４ Ｎｏ．５０１ Ｓｅｐ． ２００７
２００７ 年 第 ９ 期
Ｅｌｅｃｔｒ ｉｃａｌ Ｍｅａｓｕｒ ｅｍｅｎｔ ＆ Ｉｎｓｔｒ ｕｍｅｎｔａｔｉｏｎ
差、 电压偏差、 电压波动与闪变、 谐波、 三相不平衡等 稳态信息，以及电压跌落、 电压骤升和电压中断等暂态 信息。力求实时、 精确地测量电力系统电网的电能质 量，分析电能质量问题产生的原因 ， 及时采取技术措施 来改善电力系统电网的电能质量。本文给出一种基于 虚拟仪器技术的电能质量在线监测系统的设 计 和 实 现方案，以供参考。
Ｏｎ－ ｌｉｎｅ ｍｏｎｉｔｏｒ ｉｎｇ ａｎｄ ａｎａｌｙｚｉｎｇ ｓｙｓｔｅｍ ｏｆ ｐｏｗｅｒ ｑｕａｌｉｔｙ
ＪＩＡＮＧ Ｚｈｉ－ ｌｉｎｇ， ＷＡＮＧ Ｘｕｎ （Ｓｃｈｏｏｌ ｏｆ Ｅｌｅｃｔｒｉｃａｌ ａｎｄ Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ， Ｈｕａｄｏｎｇ Ｊｉａｏｔｏｎｇ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ， ｎａｎｃｈａｎｇ ３３００１３ ， ｃｈｉｎａ） Ａｂｓｔｒ ａｃｔ ： Ｔｈｅ ｒｅａｌ ｍｅａｎｉｎｇ ｏｆ ｐｏｗｅｒ ｑｕａｌｉｔｙ ｉｓ ｉｎｔｒｏｄｕｃｅｄ ｉｎ ｔｈｉｓ ａｒｔｉｃｌｅ， ａｎｄ ｅｘｐｌａｉｎ ｔｈｒｅｅ ｍｏｎｉｔｏｒｉｎｇ ｗａｙｓ ｏｆ ｐｏｗｅｒ ｑｕａｌｉｔｙ， ｅｓｐｅｃｉａｌｌｙ， Ｏｎ － ｌｉｎｅ ｍｏｎｉｔｏｒｉｎｇ ｍｅｔｈｏｄ ｉｓ ａｎａｌｙｚｅｄ． Ｔｈｅ ｍｅａｓｕｒｅｍｅｎｔ ｐｒｏｇｒａｍｍｅｒ ｏｆ ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ， ｈａｒｍｏｎｉｃｓ ａｎｄ ｔｈｒｅｅ－ ｐｈａｓｅ＇ｓ ｉｍｂａｌａｎｃｅ ａｒｅ ｃｒｅａｔｅｄ ｂｙ ＬａｂＶＩＥＷ， ｗｈｉｃｈ ｉｓ ｓａｔｉｓｆｉｅｄ ｗｉｔｈ ｔｈｅ ｃｒｉｔｅｒｉｏｎ ｏｆ ｐｏｗｅｒ ｓｙｓｔｅｍ ｉｎ ｔｈｅ ｒｅａｌ ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ． Ｔｈｅ ｃｒｅａｔｅｄ ｓｙｓｔｅｍ ｉｍｐｒｏｖｅｓ ｔｈｅ ｍｏｎｉｔｏｒｉｎｇ ｆｌｅｘｉｂｉｌｉｔｙ ａｎｄ ｐｒｅｃｉｓｉｏｎ， ｗｈｉｃｈ ｈａｓ ｐｒａｃｔｉｃａｌ ｕ－ ｔｉｌｉｔｙ ｖａｌｕｅ ｆｏｒ ｓａｆｅｔｙ ａｎｄ ｃｒｅｄｉｂｉｌｉｔｙ ｏｆ ｐｏｗｅｒ ｓｙｓｔｅｍ． Ｋｅｙ ｗｏｒ ｄｓ ： ｐｏｗｅｒ ｑｕａｌｉｔｙ； ｍｏｎｉｔｏｒｉｎｇ ａｎｄ ｍｅａｓｕｒｅｍｅｎｔ； ＬａｂＶＩＥＷ ０
监测管理中心 ， 包括数据服务器和 Ｗｅｂ 服务器。主要 提供中心数据库、监测数据的统计分析和存储检索、 远 Ｗｅｂ 数据网络页面、系统报警和通告信息的发布、 程系统维护管理和软件升级、 数据实时访问等功能 ， 结 构如图 ２ 所示。
通信服务器 数据库服务器
Ｗｅｂ 服务器
统计分析系统
!Ｕ ＝Ａ２ ／Ａ２ × １００％＝
等通信方式 ， 因此在组建电能质量在线监测系统时 ， 可以灵活选用。本系统中采用现有的局域网方式进行 通信 ， 通信协议为基于 ＬａｂＶＩＥＷ 平台上的 ＤａｔａＳｏｃｋｅｔ （ 通信时不受数据类型的影响 ） 和 ＴＣＰ／ＩＰ。 通信子系统 负责各个站点电能质量在线监测仪的监测数据实时、 准确地上传到数据库服务器的实时数据库中 ， 然后再 由数据库服务器的分析处理程序进行相 关 的 统 计 分 析 ， 同时接受管理中心通过服务器发布的检索信息和 配置等命令信息 ， 对监测系统进行设置 ， 其结构如图 ３ 所示。
４９．０００ ５０．０００ ４８．５０１ ４８．０００ ４９．００１ ５０．００２ ４８．５０７ ４８．００１
图６ 表１
计算频率子程序 频率测量结果
测量频率 ／Ｈｚ
信号源频率 ／Ｈｚ
ａ１ 为截距。令 Ｐｍ ! ｘ" ＝０， 求出 ｘ， 从而可以方便地确定
出过零点 ， 大大提高了计算精度。计算频率子程序框 图如图 ６ 所示。利用高精度的标准信号发生器作为信 号源来测量频率 ， 测得的结果见表 １。
４ ４ ４
图２
服务器系统
!
１－ !３－ ６" × １００％ １－ !３－ ６"
２
１．３
通信子系统 由于基于虚拟仪器技术的在线 监 测 仪 具 有 强 大
２ ２ ２ 式中 β ， Ｋ、 ＝Ｋ ＋Ｌ ＋Ｍ ／ " Ｌ、 Ｍ 分别为三个 Ｋ ＋Ｌ ＋Ｍ #
线电压的幅值。 当在数字化检测时 ， 其实现的方法如 下 ： 对 三 相
（电流 ）的有效值 ， 并根据公式求相应的不平衡度 ； 对实 测结果作统一处理并输出结果。程序如图 ５ 所示。 （ ２） 频率测量的软件设计
由于采样信号的波形都近似于正弦波 ， 每隔半个 周期就有一次通过零点。所以 ， 采用监测过零点的办 法来计算频率 ， 即通过零点时刻之差以及实际采样时 间间隔 ，计算出周期和频率的大小。在频率测试中 ， 考 虑到谐波成分会使一个电压周期中含有多于 两 个 的 过零点。所以 ， 在频率计算前加入了一个巴特沃兹低 通滤波器。由于 ３ 次及以上的高次谐波易引起多于 ２ 个的过零点 ， 因此将滤波器的截止频率定为 １２５Ｈｚ， 以滤除可能产生多余零点的谐波、 扰动、 噪音等高频 分量。 考虑到实际信号采集时 ， 几乎无法准确采集到零 点时刻。在程序的算法实现中 ， 我们是通过信号前一 时刻和后一时刻采样值的变化来判断过零点的 ， 通常 依据两值乘积为小于等于零来判断。找出信号过零的 时刻 ， 然后再根据数据拟合的最小二乘法较为准确地 计算出过零点的时刻 Ｐｍ ! ｘ" ＝ａ０ ＋ａ１ ｘ ， 其中 ａ０ 为斜率 ；
电测与仪表
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２００７ 年 第 ９ 期
Ｅｌｅｃｔｒ ｉｃａｌ Ｍｅａｓｕｒ ｅｍｅｎｔ ＆ Ｉｎｓｔｒ ｕｍｅｎｔａｔｉｏｎ
电能质量的在线分析与监测
姜志玲 ， 王 勋
（ 华东交通大学 电气与电子工程学院 ， 南昌 ３３００１３ ） 摘要 ： 文中概括了电能质量的实际意义 ， 阐述了电能质量的三种监测方式 ， 着重分析了在 线监测方式 ， 并用 ＬａｂＶＩＥＷ 创建了频率、 谐波和三相不平衡度的测量程序。通过测试 ， 符 合电力系统的标准 ， 提高了系统监测的灵活性和参数的精度 ， 对电力系统的安全可靠运 行有着实用价值。 关键词 ： 电能质量；监测；ＬａｂＶＩＥＷ 中图分类号 ： ＴＭ９３３．４ 文献标识码 ： Ｂ 文章编号 ： １００１－ １３９０ （ ２００７） ０９－ ００１０－ ０４
引 言 压、 电流或频率的偏差 ， 其内容包括频率偏差、 电压偏 差、 电压波动与闪变、 三相不平衡、 暂时或瞬态过电 压、 波形畸变、 电压暂降与短时间中断以及供电连 续 性等。 实质上 ， 供电系统只能控制电压的高低 ， 不能控制 某一负载汲取电流的大小， 因而我们在大多数情况下 是在讨论电压的质量问题。对电能质量加以细化和分 符合生产实际的、 可操作的考核电 类 ， 制定出科学的、 能质量的技术指标和评估方法 ， 逐步制定出一个全面 的质量管理体系，是亟待进一步研究探讨的课题。
实时显示数据 在线监测 分析软件 通信软件 通信系统 数据库 实时显示 用户实时查看 文件数据
１．１
系统简介 本电能质量在线监测系统为分层分布式系统 ， 以
计算机技术、虚拟仪器技术和网络通信技术为依托 ， 通过将电网中的各监测站点连成整体 ， 实现了电能质 量在线监测的网络化。电能质量在线监测系统提供给 电力部门大量实时、 精确的电能质量数据信息 ， 为电 力部门的安全生产提供了保证。由于目前大量变电站 已经接入本地局域网 ， 而且通过局域网通信可以保证 数据传输的实时性、 可靠性 ， 故本系统利用现有的局 域网来组建电能质量在线监测系统。电能质量在线监 测系统由服务器系统、 通信系统、 数据监测系统三部 分构成，系统结构如图 １ 所示。
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的通信能力， 支持以太网接口、 调制解调器接口和串口
总第 ４４ 卷 第 ５０１ 期
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２００７ 年 第 ９ 期
Ｅｌｅｃｔｒ ｉｃａｌ Ｍｅａｓｕｒ ｅｍｅｎｔ ＆ Ｉｎｓｔｒ ｕｍｅｎｔａｔｉｏｎ
图５
测量三相不平衡度程序
电压、 电流进行同步采样 ， 滤除工频的谐波成分 ； 测定 三相电压 （电流 ）的有效值及相位 ； 分别计算各线电压
（３） 谐波分析的软件设计
对于谐波 ， 常采用谐波失真度 （ＴＨＤ）来表示 ， 它定 义为全部谐波的均方根值与基波分量有效值之比 ， 当 对稳态电力信号进行频谱分析时 ， 常采用快速傅里叶 变换 （ＦＦＴ）。设 Ｎ 为一个工频整周期采样点数 ， 则 Ｎ＝ 为了分析到 ５０ 次谐波 ， 单通道数据采 ２ｎ， ｎ 为正整数。 样最小频率应为 ｆｓ ＝２× ５０ｆ１ 。ｆ１ 为信号频率。在一个工
合格电能质量是指提供给敏感设备的电力和 为 其 设 置的接地系统均适合于该设备正常工作 ； （ ２） 表现为 电压、 电流或频率的偏差，造成用户设备故障或错误动 作的任何电力问题都是电能质量问题 ； （ ３ ） 电能质量 就是电压质量， 合格的电能质量应当是恒定频率和恒 定幅值的正弦波电压与连续供电。 电能质量问题终究是由电力用 户 的 生 产 需 求 驱 动的，所以用户的衡量标准应占优先位置。 因此电能质 量可定义为 ： 导致用电设备故障或不能正常工作的电
频周期内 ， 若以 ｆｓ 采样 ， 则所获得的采样点数 Ｎ＝ｆｓ ／ ｆ１ ＝
２× ５０， 从减少计算工作量考虑 ， Ｎ 应取得小些。在满足 上述两个条件下 ， 选 取 Ｎ＝１２８ ， 即 一 个 工 频 周 期 内 均 匀采样 １２８ 点 ， 相应的采样频率为 ｆｓ ＝１２８ｆ１ 。 根据上述
信号采样频率的选择 ， 在一个工频周期内应采样 １２８ 点 ， 即采样频率 ｆｓ ＝１２８ｆ１ 。为保证 ５０ｆ１ 频率以内的信号 不受干扰 ， 采用的抗混叠的五阶巴特沃斯低通滤波器 ， 程序如图 ７ 所示。 为检查谐波分析的性能 ， 用方波作为测试信号 ， 测试结果如表 ２ 。本谐波分析结果未超出国家级谐波 测量仪的允许误差范围。
电压电流 !"!#
信号调理器 !"#$%
数据采集卡 !"#$%
基于虚拟仪器技术 !"#$%&’( 的再线监测程序 )*+,-./
１．２
服务器子系统 电能质量在线监测系统的服务器安装于电能质量
4 !"#$%&’()*+,-./01 图 ４ ! 基于虚拟仪器技术的电能质量在线监测 %
本文主要阐述部分电能质 量 指 标 频 率 、 电 网 谐 波、 三相不平衡度的分析算法 ， 介绍采用虚拟仪器 软 件 开 发 工 具 ＬａｂＶＩＥＷ 来 监 测 和 分 析 电 能 质 量 的 方 法。 （ １） 三相不平衡度的软件设计 对电力三相不平衡度的分 析 可 以 通 过 对 称 分 量 法进行 ， 在分解出正序和负序分量之后 ， 三相不平 衡 度就可以求出。计算三相不平衡度可以通过下面的简 化算式求得 ：
从普遍意义上讲 ， 电能质量是指优质供电 ， 但是人 们对电能质量的技术含义却存在着不同的认识 ， 还不 能给出一个准确统一的定义， 这是因为人们看问题的 角度不同所致。
ＩＥＥＥ 标准化协调委员会已正式采用“ ｐｏｗｅｒ ｑｕａｌ－ ｉｔｙ” （电能质量）这一术语，并且给出了相应的技术定义。 至今， 关于电能质量的定义概括起来主要有三种 ： （ １ ）
存储数 监测数据 据文件
图３
通信系统
１．４
数据监测子系统 数据监测子系统的核心是 采 用 虚 拟 仪 器 技 术 开
发的电能质量在线监测仪 （或数据采集器 ）。虚拟仪器 技术是伴随着计算机技术的发展而发展起来的 ， 是具 有比普通仪器更为强大功能的计算机系统。虚拟仪器 技术是将传统的硬件实现的数据分析处理、 显示和存 储功能 ， 改由功能强大的计算机来完成 ， 同时配备获取 测量信号的调理电路和基于虚拟仪器技 术 编 写 的 监 测软件 ， 对输入的测量信号进行分析处理和显示 ， 在线 监测仪结构如图 ４ 所示。
－ １０ －
１
电能质量的在线监测 目前 ， 电能质量的监测方式主要有三种 ： 设备入网
前的专门检测、 设备使用中的定期或不定期检测和在 线监测。 由于电能质量问题的特殊性， 前两种监测方式 的监测数据不能全面和准确地反映出电 力 系 统 电 网 的电能质量信息， 因此电能质量监测应该采用在线监 测 ， 即连续收集、 记录和存储电力系统电网的频率 偏
总第 ４４ 卷 第 ５０１ 期
电测与仪表
Biblioteka BaiduＶｏｌ．４４ Ｎｏ．５０１ Ｓｅｐ． ２００７
２００７ 年 第 ９ 期
Ｅｌｅｃｔｒ ｉｃａｌ Ｍｅａｓｕｒ ｅｍｅｎｔ ＆ Ｉｎｓｔｒ ｕｍｅｎｔａｔｉｏｎ
差、 电压偏差、 电压波动与闪变、 谐波、 三相不平衡等 稳态信息，以及电压跌落、 电压骤升和电压中断等暂态 信息。力求实时、 精确地测量电力系统电网的电能质 量，分析电能质量问题产生的原因 ， 及时采取技术措施 来改善电力系统电网的电能质量。本文给出一种基于 虚拟仪器技术的电能质量在线监测系统的设 计 和 实 现方案，以供参考。
Ｏｎ－ ｌｉｎｅ ｍｏｎｉｔｏｒ ｉｎｇ ａｎｄ ａｎａｌｙｚｉｎｇ ｓｙｓｔｅｍ ｏｆ ｐｏｗｅｒ ｑｕａｌｉｔｙ
ＪＩＡＮＧ Ｚｈｉ－ ｌｉｎｇ， ＷＡＮＧ Ｘｕｎ （Ｓｃｈｏｏｌ ｏｆ Ｅｌｅｃｔｒｉｃａｌ ａｎｄ Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ， Ｈｕａｄｏｎｇ Ｊｉａｏｔｏｎｇ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ， ｎａｎｃｈａｎｇ ３３００１３ ， ｃｈｉｎａ） Ａｂｓｔｒ ａｃｔ ： Ｔｈｅ ｒｅａｌ ｍｅａｎｉｎｇ ｏｆ ｐｏｗｅｒ ｑｕａｌｉｔｙ ｉｓ ｉｎｔｒｏｄｕｃｅｄ ｉｎ ｔｈｉｓ ａｒｔｉｃｌｅ， ａｎｄ ｅｘｐｌａｉｎ ｔｈｒｅｅ ｍｏｎｉｔｏｒｉｎｇ ｗａｙｓ ｏｆ ｐｏｗｅｒ ｑｕａｌｉｔｙ， ｅｓｐｅｃｉａｌｌｙ， Ｏｎ － ｌｉｎｅ ｍｏｎｉｔｏｒｉｎｇ ｍｅｔｈｏｄ ｉｓ ａｎａｌｙｚｅｄ． Ｔｈｅ ｍｅａｓｕｒｅｍｅｎｔ ｐｒｏｇｒａｍｍｅｒ ｏｆ ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ， ｈａｒｍｏｎｉｃｓ ａｎｄ ｔｈｒｅｅ－ ｐｈａｓｅ＇ｓ ｉｍｂａｌａｎｃｅ ａｒｅ ｃｒｅａｔｅｄ ｂｙ ＬａｂＶＩＥＷ， ｗｈｉｃｈ ｉｓ ｓａｔｉｓｆｉｅｄ ｗｉｔｈ ｔｈｅ ｃｒｉｔｅｒｉｏｎ ｏｆ ｐｏｗｅｒ ｓｙｓｔｅｍ ｉｎ ｔｈｅ ｒｅａｌ ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ． Ｔｈｅ ｃｒｅａｔｅｄ ｓｙｓｔｅｍ ｉｍｐｒｏｖｅｓ ｔｈｅ ｍｏｎｉｔｏｒｉｎｇ ｆｌｅｘｉｂｉｌｉｔｙ ａｎｄ ｐｒｅｃｉｓｉｏｎ， ｗｈｉｃｈ ｈａｓ ｐｒａｃｔｉｃａｌ ｕ－ ｔｉｌｉｔｙ ｖａｌｕｅ ｆｏｒ ｓａｆｅｔｙ ａｎｄ ｃｒｅｄｉｂｉｌｉｔｙ ｏｆ ｐｏｗｅｒ ｓｙｓｔｅｍ． Ｋｅｙ ｗｏｒ ｄｓ ： ｐｏｗｅｒ ｑｕａｌｉｔｙ； ｍｏｎｉｔｏｒｉｎｇ ａｎｄ ｍｅａｓｕｒｅｍｅｎｔ； ＬａｂＶＩＥＷ ０
监测管理中心 ， 包括数据服务器和 Ｗｅｂ 服务器。主要 提供中心数据库、监测数据的统计分析和存储检索、 远 Ｗｅｂ 数据网络页面、系统报警和通告信息的发布、 程系统维护管理和软件升级、 数据实时访问等功能 ， 结 构如图 ２ 所示。
通信服务器 数据库服务器
Ｗｅｂ 服务器
统计分析系统
!Ｕ ＝Ａ２ ／Ａ２ × １００％＝
等通信方式 ， 因此在组建电能质量在线监测系统时 ， 可以灵活选用。本系统中采用现有的局域网方式进行 通信 ， 通信协议为基于 ＬａｂＶＩＥＷ 平台上的 ＤａｔａＳｏｃｋｅｔ （ 通信时不受数据类型的影响 ） 和 ＴＣＰ／ＩＰ。 通信子系统 负责各个站点电能质量在线监测仪的监测数据实时、 准确地上传到数据库服务器的实时数据库中 ， 然后再 由数据库服务器的分析处理程序进行相 关 的 统 计 分 析 ， 同时接受管理中心通过服务器发布的检索信息和 配置等命令信息 ， 对监测系统进行设置 ， 其结构如图 ３ 所示。
４９．０００ ５０．０００ ４８．５０１ ４８．０００ ４９．００１ ５０．００２ ４８．５０７ ４８．００１
图６ 表１
计算频率子程序 频率测量结果
测量频率 ／Ｈｚ
信号源频率 ／Ｈｚ
ａ１ 为截距。令 Ｐｍ ! ｘ" ＝０， 求出 ｘ， 从而可以方便地确定
出过零点 ， 大大提高了计算精度。计算频率子程序框 图如图 ６ 所示。利用高精度的标准信号发生器作为信 号源来测量频率 ， 测得的结果见表 １。
４ ４ ４
图２
服务器系统
!
１－ !３－ ６" × １００％ １－ !３－ ６"
２
１．３
通信子系统 由于基于虚拟仪器技术的在线 监 测 仪 具 有 强 大
２ ２ ２ 式中 β ， Ｋ、 ＝Ｋ ＋Ｌ ＋Ｍ ／ " Ｌ、 Ｍ 分别为三个 Ｋ ＋Ｌ ＋Ｍ #
线电压的幅值。 当在数字化检测时 ， 其实现的方法如 下 ： 对 三 相
（电流 ）的有效值 ， 并根据公式求相应的不平衡度 ； 对实 测结果作统一处理并输出结果。程序如图 ５ 所示。 （ ２） 频率测量的软件设计
由于采样信号的波形都近似于正弦波 ， 每隔半个 周期就有一次通过零点。所以 ， 采用监测过零点的办 法来计算频率 ， 即通过零点时刻之差以及实际采样时 间间隔 ，计算出周期和频率的大小。在频率测试中 ， 考 虑到谐波成分会使一个电压周期中含有多于 两 个 的 过零点。所以 ， 在频率计算前加入了一个巴特沃兹低 通滤波器。由于 ３ 次及以上的高次谐波易引起多于 ２ 个的过零点 ， 因此将滤波器的截止频率定为 １２５Ｈｚ， 以滤除可能产生多余零点的谐波、 扰动、 噪音等高频 分量。 考虑到实际信号采集时 ， 几乎无法准确采集到零 点时刻。在程序的算法实现中 ， 我们是通过信号前一 时刻和后一时刻采样值的变化来判断过零点的 ， 通常 依据两值乘积为小于等于零来判断。找出信号过零的 时刻 ， 然后再根据数据拟合的最小二乘法较为准确地 计算出过零点的时刻 Ｐｍ ! ｘ" ＝ａ０ ＋ａ１ ｘ ， 其中 ａ０ 为斜率 ；