虚拟仪器在三相不平衡度测量中的应用研究.pdf

第 5 1卷第 7期 2 0 1 4年4月 l 0日 电测与仪表 El e c t r i c al M e a s u r e m e n t& I n s t r u m e n t a t i o n V0 1 5l NO 7 Apr 1 0， 2 0 1 4 虚 拟仪器在 三相不 平衡 度测量 中的应 用研 究 术 赵琳， 杨乃琪 ( 西南交通大学峨眉校区 电气工程 系， 四川 峨眉 6 1 4 2 0 2 ) 摘要 ： 相不平衡度是衡量 电能质量的重要指标之一。随着各种非线性负载的大量应用 ， 电能质量不断恶化 。 为保证 电力系统安全稳定运行 ， 需要对三相不平衡度进行实时检测。文章以虚拟仪器技术 为平 台， 对 电压 、 电 流的正序 、 负序及零序分量 的分解算法进行了深入研究 ， 进而测量出电力系统的三相不平衡度。实例表明本文 设计的三相不平衡度检测系统 ， 不仅测量精度高 ， 而且具有很强的扩展性 ， 可以进一步应用于 电能质量谐波参 数 的测试。 关键词 ： 虚拟仪器 ； 三相不平衡度 ； 电能质量 中图分类号 ： T M7 1 4 文献标识码 ： B 文章编号 ： 1 0 0 11 3 9 0 ( 2 0 1 4 ) 0 7 0 0 8 6 0 4 Ap pl i e d Re s e a r c h o f Vi r t ua l I n s t r ume nt i n M e a s ur i ng Thr e e Pha s e Un ba l a nc e Fa c t o r ZHAO Li n，YANG Na i q i ( D e p a r t m e n t o f E l e c t ri c a l E n g i n e e ri n g ， S o u t h w e s t J i a o t o n g U n i v e r s i t y E m e i C a mp u s， E m e i 6 1 4 2 0 2 ， S i e h u a n ， C h i n a ) Abs t r a c t ：Th r e e p ha s e un b a l a n c e f a c t o r i s o ne o f t h e i mp o rta n t i n d i c a t o r s i n me a s u r e o f p o we r q u a l i t yW i t h a wi d e a p p l i c a t i o n o f n o n l i n e a r l o a d s，p o we r q u a l i t y h a s be e n d e t e r i o r a t i ng mu c h To e n s u r e t h e o pe r a t i o n o f e l e c t r i c p o we r s y s t e ms s t a b l e a n d s a f e，i t i s a v e r y u r g e n t n e e d f o r r e a l t i me d e t e c t i o n o f T h r e e Ph a s e u n ba l a n c e f a c t o r W i t h t he v i r t u a l i n s t r u me n t t e c h n o l o g y a s a p l a t f o r m ，t he a l g o rit h ms o f po s i t i v e s e q u e n c e c o mp o n e n t ，n e g a t i v e s e qu e n c e c o mp o ne n t a n d z e r o s e q ue nc e c o mp o ne n t a b o u t v o l t a g e a n d c u r r e n t h a v e be e n s t u d i e d de e p l y i n t h i s pa p e r ，a n d t h r e e p h a s e un b a l a n c e f a c t o r c a n b e f u rth e r me a s u r e d i n p o we r s y s t e mTh e e x a mp l e s h o ws t h a t t hr e e p h a s e u n ba l a n c e f a c t o r d e t e c t i o n s y s t e m d e s i g n e d i n t h i s pa p e r no t o n l y h a s h i g h me a s u r i n g a c c u r a c y b u t a l s o po s s e s s e s s t r o n g e x pa n da b i l i t y， wh i c h wi l l b e u s e d i n me a s u r i n g h a r mo n i c p a r a me t e r s o f p o we r q u a l i t y Ke y wo r ds： v i rtu a l i n s t r u me n t ，t hr e e p h a s e u n b a l a n c e f a c t o r ，p o we r q u a l i t y 0 引 言 电力系统 相不平衡状况分为事故性 不平衡和 正常性不平衡两类。事故性不平衡是 由系统中各种 非对称性故障引起 。一般可通过继 电保护装置动作 来切除故 障元件 ， 使 系统在 短期 内恢复 正常运 行。 而正常性 不平衡 是指 电力系统在正常运行 时 ， 供 电 环节的不平衡或用电环节 的不平衡。供电环节的不 平衡主要来 自于供 电线路 的不平衡 ， 即构成三相 电 力系统的元件参数不对称 。用电环节 的不平衡指i 相负荷不对称 ， 造成系统三相 电压长时 间运行 在不 基 金 项 目： 中 央高 校 基 本 科 研 业 务 费 百 人计 划 资 金 资助 项 目 ( 2 6 8 2 0 1 3 B R 0 0 1 E M) 一8 6 一 平衡状态¨ 。电能质量指标“ 三相电压不平衡” 是针 对正常性的不平衡工况制定的。为了将三相不平衡度 控制在一定范 围内， 保护电力系统的安全和用户的用 电安全， 必须对三相不平衡度进行检测。传统测量方 式的弊端是成本高、 自动化程度低 、 数据不集中、 难 以 进行综合分析， 且大量 的信号采集工作重复化 。随 着科学技术的发展， 电能质量参数检测朝着智能化及 网络化方向发展 ， 三相不平衡度的测试也不例外。虚 拟仪器技术是计算机技术 、 数字信号处理技术及软件 T程技术的综合运用。本文以美 国 N I 公司 的 L A B V I E w 软件为开发平 台， 对 电压 、 电流正序 、 负序及零 序分量的算法进行了深入研究 ， 进而测量 电力系统 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m第 5 1卷第 7期 电测与仪表 2 0 1 4年4月 1 0日 E l e c t r i c a l Me a s u r e me n t I n s t r u me n t a t i o n VO 1 51 No 7 Apr 1 0， 2 0 1 4 的三相不平衡度 ， 取得了良好的效果。 1 三相不平衡度计算原理 1 1对 称分 量 法 三个频率相同 、 有效值相 同、 相位差相 同的电压 称为三相对 称 电压。而三个 电压各相频 率相 同， 有 效值和( 或) 相位差不 同， 则 这三个 电压称为三相不 对称 电压。利用线性叠加原 理 ， 任何 三相不对称 电 压都可以分解 为三个正序 、 负序 和零序对称 电压 的 组合 _ 4 。设正序三相对称电压记为 U 。、 U 、 U ， 负序 i相对称 电压记为 、 。 、 ， 零序三相对 称电压记为 。、 B 。、 。 。它们之间的关系为 ： 正序 ： U A 1， U B l=e j U A 1， U c 】=e j U A l 负序 ： U A 2， U B 2=e U A 2， U c 2=e j U A 2 零序 ： U A 0， U B 0=UA 0， U C 0=U A o 正序 、 负序和零序三相对称电压的相量图见图 1 。 u A 1| ， ， = = ： jI 。 图 1 正序 、 负序和零序三相对称电压的相量图 Fi g 1 Ph a s o r d i a g r a ms o f t h r e e p h a s e s y mme t r i c a l v o l t a g e 设三相基波电压分别为 、 、 ， 即 ： U B=U B l +f B 2 +U 即 ( 1 ) 【 U c= Uc 1+Uc 2+ c 0 以 A相的各对称分量 为例 ， 则正序 、 负序 、 零序 分量的计算式为 ： U ÷ ( + 。 U c ) ：=÷ ( + + U c ) ( 2 ) U 舳=÷ ( + + U c ) 式 中 =e ， = e 。整理如下 ： 。 A2 - A 0 r 1 1 l 了 f 1 L 1 c ( 3 ) 1 2 不平衡度 的计算 三相不平衡包括三相 电压不平衡 和三相 电流不 平衡 ， 可用 电压或 电流不平衡度指标来衡量其 不平 衡度程 度。关 于三 相 不平 衡 度 的计 算 ， 本 文 采 用 G B T 1 5 5 4 3 2 0 0 8 << 电能质量三相电压不平衡 中 规定的计算方法 ， 将不对称 的三相电力 系统 的电压 、 电流按照对称分量法进行 分解 ， 计算 出相应 的正序 与负序分量 ， 最后 通过将负序基波分量 与正 序基波 分量方均根值相 比后得 到三相不平衡度 ， 用 百分 比 表示 ， 计算公式 ( 4 ) 所示 ： = U1× 1 o 0 u ×l u u ( 4 ) 式中 为三相电压的正序 基波分量方均根值 ， 单位 为伏( V) ； U 2 为三相电压的负序基波分量方均根值 ， 单位为伏( V) 。 将上式中的 、 换为 ， 则 为相应 的电流 不平衡度 的表达式。 1 3基 波分量 的提取 方 法 快速傅里叶变换 ( F F T) 是一种时域和频域均 离 散化的变换。电力系统 中电压 、 电流信号 的谐 波次 数是基波 的整数倍 ， 频谱为等 间隔离散谱 J 。要 提 取出电力信号中的基波分量 ， 由 F F T理论可知 ， 当信 号的截断时间长度是信号周期 的整数倍时 ， 即同步 采样时 ， 利用 F F T可 以精确 的计算 出基波及各 次谐 波的幅值。但是 ， 由于电网信号 的波动性及复杂性 ， 很难做到严格意 义上 的同步采 样 ， 直接使用 F F T由 于频谱泄露和栅栏效应 的影响 ， 计算结果误差很大 ， 在此基础上就无法再进行三相不平衡度的计算 一 7 1 。 为提高非同步采样下 的计算精度 ， 本文采用加 窗插 值 F F T算法 。设信号的基波频率为 ， 对信号采样并 加矩形窗截断后得有 限长序列 ， 再进行过 F F T变换 ， 在离散频点 k 和 k +1 处出现谱峰 ， 如图 2所示。 设 相对 k 的距离为 6 ， 06 <1， 通过将 和 + 1 频点处的幅值相比求得 ， 进而可求得实际信 号的基波频率 、 幅值 A 及初相位 如式( 5 ) 所示。 图2 非 同步采样时的 离散频谱 F i g 2 Di s c r e t e s p e c t r u m u nd e r n o n s y nc h r o n o u s s a mp l i n g 一8 7 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m第 5 1卷第 7期 2 0 1 4年4月 I I 1 日 电测与仪表 El e c t r i c a I M e a s u r e me n t I n s t r ume nt a t i o n V0 1 5l NO 7 Ap r 1 0， 2 0 1 4 L = ( +6 ) 厂= ( 。 +6 ) N = L X ) 一 + 詈 为进· 步减少频谱泄漏现 象 ， 若采用汉 宁窗进 仃黻断分析 ， 同样进行 f 1 后进 行 f币 值运算 ， 则其 波分垃的抓值公式 为 ： · ( u ) I ， ( 6 ) = 卜 十 号 采J _ J 加筒捕值的 F F T算法， 不仪可以计算 n 电力 信 的基波分 ， 还 _ 以计箅m各次潴波的频率 、 幅值 及 卡 ¨ 位， 为【 乜 系统喈波检测提供精确可靠的参数。 2软件设计 水文采川 i V i W软 件完成 _ 柑不平衡度 的测 l , a b v i e w是荚 N I 公 司歼发 的 形化编程语青 f I l J f ： 发环境 ， 具 活的数抛 流编程方式和 丰富的 数 分 析处 I 具 、 2 I 提 取 基波 分量 的子 V 殳 计 按照 l ff i 算原理 F 1 所 提到 的方法 ， 本 文的设 汁心路是 捉收 蛙波分量 ， 然后采 对称 分量 法 汁钎： l l 序 、 负序及零序分垃， 最后冉求 得一 i 相不平衡 度为 J 得到较 高的测 量精度 ， 本 文选取汉 宁窗进 行俄断 ， 故堪波分 的插值公式应选式( 6 ) 。F h 于算 法的复杂性 ， 纯粹川 I ,a b v i e w很雉实现 ， 而 Ma t l a b是 一种 商效的 l 汁算 吉 ， 具 有非常强大 的数值 计 功能 ， 通过 l ,a b v i e w l I 调用 M a t l a b脚本 节点进行 联合仿真， ， 可以允分发挥 从 j 款软件 的优点 。所 殳 汁的 M a t l a l I - 的程序 如罔 3所示 频率 图3 基波分量计算程序框 图 l· i g 3 BI J 【 。 k d i a g r a m f 0 T - a I ul a t i n g f u n d a me n t a l( r o mp ( ) n e n t M a l l a h 点 L添加输 入序列 ， 数据类 为 “ l 1 )A t 1 a y o f R e a l ” ； 运算后产q - 的输 为綦波及各 次 波的幅f “A、 频率- 、 市 l 1 位 等参数 为使用方 便将计算过程制作 为一 个子 V I ， 标及各端子名称 4所示。对电力系统 i相不平衡V ,j i - t 算 呵直接 通过 洲用 该子 V I 实现 臻波信息 v i 输 八 卡 ¨ 位 f a 坝 率 f f Ii 值 A 图4基波分量计算子 V 】 F i g 4 Op e r a t o r V1 f b r f u n d a n i e n t a c o mp o l l e n l( a l r u l a t i o n 2 2三相不平衡参数的测量 ! = i $ 17 1 不平衡参数的汁算程序是 述所构建的 “ 基波信息子 V I ” 的基础_ J 进行的。利j 爿“ 基波信息 子 V I ” 计算H j 相 电压 、 电流的基波分 畦后， 耳 H j 对 称分量法来完成电 ( 电流 ) 的正序分量 、 负序分垃 、 零序分量及不平衡度的计 算 、图 5永了 相 电流 小平衡参数 i 算 程序 ， 一相 电压 汁 程序类 似。预 先设定二 三 相电流的参数 见表 】 ， 表巾各电流 均 为 安( A) ， m表示潴波次数。 图5 三相电流不平衡参数计算程序框图 F i g 5 BI o ( · k d i a g r a m f o r c a l c u l a t i n g t h e u nt i a l a m p a l 。 a me t e l ( i f I h r e e f 1 l l a s e C l l r r e ! i t 里I 乡 I 笫 采 耍 l J卜： A 相 基 波 电 流 有 效 值 卡 IJ量 为 = 万2 詈A ； B 相 基 波 电 流 有 效 值 村 1量 为 ， I 一 手 A ； c卡 H 綦波电流有效值棚量 为 t A ， 、 一 一 一 一 日I 一 一 归一 一冒 孙 值_ 设 预 流 电 相 三 a _： a 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m第 5 l卷 2 01 4 生 第 7期 4月 l 0日 电测与仪表 El e c t r i c a l M e a s u r e me n t&I ns t r u me n t a t i o n V0 1 5 l No 7 Ap r 1 0， 2 01 4 将各 结粜代入式( 7 ) ： 得到 A相I 、 负序及零序分量 的有 效值分别 为： ， 、 l=1 4 l 4 2 A， ， ： 0 1 3 6 l A， ， 3=0 】 3 6 1 A， _二 ， 卡 H 、F衡度为 A 2： 0 0 0 9 6 2 3 8 2 本文没计的 相不 ，i 平衡度检测前 板 如图 6所爪 将 电流 参数 的检测 结果 j 理沦值进行对比， I I丁 见， 采用 本算法计 算精度 很高 r f i 丁电 参数 程序巾预先设定 为一组 一 i 相 止序对称I 包 ， 论应 该只有止序 分量 检测结 果 巾的负序和零序的计算值非 常小， 达到了 1 0 的数 硅级， j 颅 没定的值相 外 ， 住图6中， 还绘制 f f 了 柑 t l 压及电流 的 量【 5 _I ， 它们分刖是电压 、 电 流基波分节的彳 丁 效值相 ， 从相量罔中可 见， 二 三 相电 完个埘称 ， 而 相电流相位 差 l 2 0 。 ， 但相量大小 等， 属 】 对称的 相电流 、 图 6 三 相 不平衡 度检 测前 面板 Fi g 6| r h e f r ( mt p a n e l o f d e t e c t i n g t h t P t 一 ph a s e u n b a l a n c e 'a c t o r 3结束语 _小 义以虚拟 仪器 为平 台， 对三 相不平衡度 电能 质量参数的榆测方法进行研究 ， 测量 卡 1 电压及 电流的 J E 序 、 负序及零序分量 ， 计算 相 电压不平 衡度及 卡 I 电流 平衡度 ， 并绘 制f 相 电压 与电 流卡 H 最 结果表 明， 基于虚拟仪 器的 卡 H 不平 衡 度的检测方法测量精度高 ， 系统扩展性强。 参 考 文 献 【 i 胤林 ，张 4 i I ： '刘搬等 t卡 I1 不平衡度的比较胬： 法研究 J f # 力 I U J 2 0 1 0 ， 3 8 ( 2) ： 2 1 1 2 I 4 Z I I f ) L 。 I i l ， I A N Gl I t l y lJ ，1 I U Q i a n g ，e t a 1 C o mp a r a l i v e s t u l l y 0 f 1 “1 1 r + 一 I h a s -U n b a l a n < A l g o r i t h m J E a s t ' h i n a E le < ·t i c·P o w e l ， 2 O】 03 8( 2)：2I 12I 4 2 ¨ 菊霞 ，张 俊 ，张秀峰基 f ： 平均 柯功功率的 卡 H 电路 谐波 和 尤功 电流检测 方法 J 电测 j 仪表 ， 2 0 1 1 ， 4 8 ( 9) ：1 01 2 D I N ；J u x i a ，KA N G l , i ，Z HA N G H u a -j u n ，Z HA N G X i u f e n g A t t a l mo n i e s I ) e t e e l i o n Me t h o d Ba s e l tH I Av e r a g P o we I _ r h t o r y ,i n S i n g l e - p h a s e C i r e u i l J E le e t r i ·a l M e a s u r e t n t n t& l u s t t l t m e n t a t i o n 2 01 I ，4 8( 9)：1 01 2 3 粟叫。 ，刘桂英脱代 电能 质 鲢检测技 术 M 此 京：r i 哇 三 力 出版礼 ， 2 0 0 8 4 张斌 ，刘晓川 ，许之晗 基于变换的电能质 分析 疗法【 J j 电网 技 术， 2 0 0 1 ， 2 5 ( I ) ：2 6 2 9 1 5 张彳 f氍，郭珂 ，脚林 ，等三卡 H = 线 制 系统 电压 不平衡度 “ 钎： 疗 法 J 电网技 术 ， 2 0 l 0， 3 4( 1 ) ：I 2 3一I 2 5 Zt t AN G Yo u y u，Gt IO Ke，ZH( U l ,i n，e t a 1 A Me i h d t o C o p u t e V o h a g e U l ml a n e e F t o i i n T h r e e I h a s t - T 1 r w i r e S y s t e ml J P o w e r S y s t e m r e h h n o h g e ，2 01 03 4(1) ：l 2 31 2 5 6 阮 帧我 和 L a b V I E W M J 北 此 j l r 航伞 航 天 人学 版 礼 2 0 0 9 1 7 赵琳 ，黄小 I： ，畅 乃琪基 ： M a l l a b和 l ,a b v i e w f i9 电 J 系统 i 波 检测 【 J r 1 动化 j 仪 器仪表 ， 2 0 1 1 ，( 5) ：1 5 91 6 】 ZI t AO I , i nHU AN( ； Xia o h o n gYAN【 ；Na i qi Ha t ¨ 1 I ti l t 1 ) e t e t t i n g in P o w e l S y s t e m B a s t d O i l M a t l a b a n d I +a b v i e w J A u t o n l a t i o nI m s t l 'l l ll l t - n ta t i o u2 0I 1 ，( 5)：I 5 91 6I 8 炎海 川 I， 许 金描虚拟仪器 乜能质 测 试i f 的心川 J j 口动 化 仪 表， 2 0 1 0 3 1 ( 4 ) ：1 21 4 GUAN l I a i e h u a nXU J i n fi t Ap l i l ie a t io n o t Vi r t u a 1 n s t n J in e u t in t h e 1) e t e l i o n o l l o w e r Q u a l i t y J “ + u to n ia l i e l n s t r u n ie u t ， 2 0 1 0 3 I ( 4) ： l 2 1 4 1 9 陈 树 学 ，刘 萱I m I 1 V l w 宝 典 M 北 京：I U子 I 、 J 版 社 ， 2 0 1 1 1 1 ( ) 丁菊霞 ，张华俊 ， 张秀峰，摹 f ： 平均值理 沦的无锁棚环 桐电路 i 皆 波 电流检测方法 J 电测 j 仪 表， 2 0 1 0 ， 4 7 ( 5) ： 4 34 5 DI N ； J u x ia ，Z t t A N G t u a j u n ，Z H A N G X h l - f e n g A l a i rn o i l i e s d e l e l i t i ll Me t h o d w i t h o u t P I I J a n d Ba s e d t m Av e r a g e Th e o r y i d l hl'e e - p h a s e C i r t · til t 【 J E l e ( I r k ·a l Me a s u r e n le n l n s l r u n i e n t a t i o u ， 2 0 1 0， 4 7( 5) ： 4 3 4 5 作者简介 ： 赵琳 ( 1 9 7 8 一 ) ， 女 ， 陕 合Ij ¨ 人 实验帅 ， 硕 ， 主嘤 从事 电子测缱及 制 方面的研究 En t a i l ：z h a o l i n _ 2 0 0 3 一f l y 1 6 3 e t ) n i 杨 乃琪 ( I 9 7 7 一 ) 奠， 湖南湘潭人 ， I： IJ lli 本科 ， 'l k j i 为电 ) 3 系统及 n葫化 一 En tai l ：y n q 7 7 7 1 6 3 e O ll l 收稿 ¨剪 j ： 2 0 1 30 5 0 5； 修I n I H姆 】 ： 2 0 1 3一I 2 0 】 ( 焦 编 发) 一8 9 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m