虚拟仪器在三相不平衡度测量中的应用研究.pdf
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1、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
2、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 um
3、e 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
4、 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
5、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
6、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
7、 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
8、 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
9、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
10、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
11、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
12、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
13、 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
14、 ( + 。 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
15、 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
16、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
17、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
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- 虚拟仪器 三相 不平衡 测量 中的 应用 研究
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