基于LabView的矿山电网稳态电能质量检测分析研究(软件部分).pdf

目录 1 绪论 1 1.1 课题背景 1 1.2 问题的提出 2 1.3 SCADA 系统 2 1.4 本论文主要工作 3 2 电能质量标准 4 2.1 电能质量概述 4 2.1.1 电能质量定义 5 2.1.2 电能质量的主要内容 5 2.1.3 电能质量的主要指标 9 2.2 电压偏差 9 2.3 频率偏差 11 2.4 谐波含量 12 2.5 电压波动与闪变 13 2.6 三相电压不平衡 14 2.7 小结 15 3 虚拟仪器技术 16 3.1 虚拟仪器概述 16 3.1.1 虚拟仪器的发展 17 3.1.2 虚拟仪器的特点 18 3.2 LabVIEW 软件简介 20 3.2.1 LabVIEW 软件中的基本概念 20 3.2.2 电能质量检测 VI 23 3.2.3 数据保存读取 VI 24 3.3 小结 24 4 软件研究设计 26 4.1 软件功能结构设计 26 4.2 软件总体概述 28 4.3 含三五次谐波的正弦波模拟系统 28 4.4 数据采集系统 33 4.5 电压偏差功能 33 4.6 频率偏差功能 34 4.7 电压谐波分析功能 35 4.8 三相不平衡度计算显示功能 35 4.9 数据存储及即时显示功能 37 4.10 系统仿真结果演示 39 4.11 小结 43 致谢 44 参考文献 45 附录 46 1 绪论 1.1 课题背景 电能质量是指通过公用电网供给用户端的交流电能的质量。理想状态下的公用电网应以额定电压、恒定的频率和标准正弦波对用户供电。同时，在三相交流系统中，各相电压和电流的幅值大小应相等、相位对称且相差120 度。但是，由于系统中的变压器、发电机以及线路等设备负荷性质多变、不对称或非线性，加之外来干扰、调控手段不完善及各种故障等原因，这种理想状态并不存在。所以，电网运行中供用电环节和电力设备的各种问题也就随之产生，从而有了电能质量的概念。随着国民经济的快速发展，日益进步的科学技术促使生产过程的高度自动化，因而电网中各种非线性负荷也随之不断增长；各种精密的、复杂的，对电能质量敏感的高端用电设备越来越多。随着电子信息技术应用的日益广泛，大量基于计算机系统的电子装置和控制设备不仅对供电电能质量异常敏感，同时也加剧了电能质量的进一步恶化。电力系统电能质量问题的产生主要有以下几个原因：（1）电力系统元件存在的非线性问题 电力系统元件的非线性问题主要包括：变压器产生的谐波、直流输电产生的谐波以及发电机产生的谐波。此外，还有变电站并联电容器补偿装置等因素对谐波的影响。目前，电力系统最大的谐波源是直流输电。（2）非线性负荷 在生活和工业用电负载中，非线性负载占有很大比例，这是电力系统谐波问题的主要来源。居民生活负荷中，荧光灯的伏安特性是严重非线性的，会引起较为严重的谐波电流，其中 3 次谐波的含量最高。电弧炉（包括直流电弧炉和交流电弧炉）是主要的非线性负载，它的谐波主要是由起弧的时延和电弧的严重非线性引起的。变频装置或大功率整流也会产生严重的谐波电流，对电网造成严重污染，同时也会使功率因数降低。（3）电力系统故障 电力系统运行中出现的各种故障也会造成电能质量问题，如自然灾害、各种短路故障、电网故障、人为误操作时故障保护装置中的电力电子设备的启动以及发电机及励磁系统的工作状态的改变等都将造成各种电能质量问题。电能质量问题不仅仅影响到用电设备运行的安全性和可靠性，而且还关系到供用电市场的规范化。电能质量问题的产生可能来源于用户端的不合理用电，也可能来源于供电方的输配电系统，还可能来源于雷电等自然灾害。只有对电能质量进行有效地监测才会对问题的产生和影响有清楚的认识，这样才能为电能质量的改善、供用电市场的规范和供用电双方的协调提供可靠依据，以便于及时采取合理有效的解决措施。在这种环境下，分析我国电能质量管理和控制的发展趋势，探讨电能质量领域的相关理论及其控制技术，具有现实意义。1.2 问题的提出 自从 2002 年开始，在煤炭供不应求的市场背景和国家对煤矿安全生产的要求下，煤炭行业开始进行大规模的技术升级改造，大量的新技术、新产品在煤矿的安全、生产、管理等环节广泛应用。煤矿对电力的需求一直增加，与此同时，对电能质量的要求也越来越高。电能质量的优劣直接影响到煤矿的安全生产。2007 年颁布的煤炭工业节能减排意见对电能质量提出了明确要求，要求煤矿“应用电源污染治理技术，消除高次谐波，抑制顺流浪涌，调节无功功率，提高功率因数”。因此，保证电能质量符合国家标准和自身用电安全是煤矿的责任和义务。在电能质量所规定的众多指标中，谐波、电压波动、电压偏差是煤矿电能质量控制的重点。由此可见，如果能够及时了解这个过程中的负荷变动情况，实时监测并采取有效的措施避免负荷冲击对电网相应电力设备及发电机的影响，对延长发电设备的工作寿命，提高工业生产的效率，都将产生积极的效应。因此，对这种大型用电负荷及输电线路上的电能质量进行监测是十分必要的。1.3 SCADA 系统 SCADA（Supervisory Control And Data Acquisition）系统，即数据采集与监控系统，是以计算机为基础的生产过程控制与调度自动化系统。它可以对现场的运行设备进行监视和控制，以实现数据采集、测量、参数调节、设备控制以及针对各类信号发出报警等各项功能。SCADA 系统是调度自动化系统应有的基本功能，它完成电力系统实时数据的采集和对电力系统运行状态的监控。监视是对电力系统运行信息的采集、处理、显示、告警和打印，以及对电力系统异常或事故的自动识别。控制则是指通过人机联系设备对断路器、隔离开关等设备进行远方操作的开环形控制。SCADA 系统主要包括以下一些功能：(1)数据采集（遥测、遥信）；(2)数据预处理；(3)信息显示（监视器或动态模拟屏）和越限报警；(4)远方控制（遥控、遥调）；(5)信息的存储及报表；(6)时间顺序记录 SOE（Sequence Of Events）；(7)数据计算；(8)事故追忆 DDR（Disturban Data Recording）亦称扰动后追忆 PDR（Post Disturbance Review）。在现代电力系统的运行控制中，SCADA 系统应用较为广泛，技术发展相对成熟。它是电力系统自动化的实时数据源，是调度自动化的最基本的功能。作为 EMS（Energy Management System）系统（能量管理系统）中的一个最主要的子系统，为 EMS 系统提供大量的实时数据。SCADA 系统同时在模拟培训系统、MIS（Management Information System）系统（信息管理系统）等系统中都需要用到电网实时数据，而如果没有这个电网实时数据信息，所有其它系统都将无用武之地。1.4 本论文主要工作 在学习电力系统电能质量相关知识及掌握虚拟仪器原理与测量方法的基础上，利用 NI 公司的 LabVIEW8.6 开发一个稳态电能质量检测分析系统，该系统根据采集到的电压电流数据，进行电能质量相关指标的计算，以数据和图形的方式直观的显示出来，并把采集到的电压电流频率等信号存入文档中，以便日后的调查分析。具体工作包括：（1）阐述电能质量问题的研究现状，说明对电能质量检测分析的意义，指出电能质量检测分析领域的研究现状，并提出基于虚拟仪器的电能质量分析检测系统。（2）简要介绍国家发布的电能质量标准，并对标准中的各项电能指标进行分析，指出其偏离指标时对工作和生活带来的各种危害，着重介绍其中的电压偏差、频率偏差、电压波动、电力谐波和三项不平衡度。（3）基于虚拟仪器技术的电能质量检测分析系统的设计与实现，详细叙述了本系统的软件的程序设计方法及演示结果。2 电能质量标准 2.1 电能质量概述 电能质量描述的是通过公用电网供给用户端的交流电能的品质。但随着科技的迅猛发展电力用户工艺过程水平飞速的提高，各种新设备新器件不断出现，尤其是计算机设备、微电子设备以及电力电子设备等敏感负荷的不断增加，使得电力用户对配电系统供电质量的要求日益提高，由于系统中的变压器、发电机以及线路等设备负荷性质多变、不对称或非线性，加之外来干扰、调控手段不完善及各种故障等原因，这种理想状态并不存在。同时，化学、冶金等现代化大工业和电气化铁路的发展，电网负荷加大，电力系统中的非线性负荷（电力机车、电解设备、硅整流设备）及波动性、冲击性负荷（轧钢机、电弧炉、电力机车运行）使得电网发生电压波动、三相不平衡、波形畸变（谐波）、闪变，负荷波动性和非对称性（负序）日趋严重，恶化了电能质量。电能质量的下降严重地影响了供用电设备的安全、经济运行，降低了人民的生活质量。近20 年来，全球范围内因电能质量而引起的重大电力事故已高达 20 多起，每年因电气环境污染和电能质量扰动引起的国民经济损失高达 300 亿美元。供电部门也因此不断收到用户投诉，随着全球电力市场的不断开放，电能质量的好坏，更能影响一个供电企业的竞争力，直接关系到企业的受益。所以，在世界各国都十分重视电能质量的管理，对于如何提高电能质量已成为近几年来的一个热门话题。为保证我国的电能质量，自 1990 年以来，我国相继发布了六项电能质量国家标准，分别为：GB12325-90 电能质量 供电电压允许偏差；GB/T14549-93 电能质量 公用电网谐波；GB/T15543-1995 电能质量 三项电压允许不平衡度；GB/T15945-1995 电能质量 电力系统频率允许偏差；GB12326-96 电能质量 电压允许波动和闪变；GB/T18481-2001 电能质量 暂时过电压和瞬态过电压。上述这些电能质量标准分别从发电、供电和用电端对电能质量提出了要求。2.1.1 电能质量定义 到目前为止，国内外对电能质量确切的定义尚没有形成统一的共识。但大多数专家认为，电能质量的定义应理解为：导致用户电力设备不能正常工作的电压、电流或频率偏差，造成用电设备故障或误动作的任何电力问题都是电能质量问题。IEC 对电能质量的标准定义：供电装置正常工作情况下不中断和干扰用户使用电力的物理特性。IEC 并没有采用“power quality”（电能质量）这一术语，而是提出使用“EMC”（电磁兼容）术语，指出和强调设备与设备之间的影响和相互作用，以及设备与电源之间的相互作用和影响。IEEE 采用的是“power quality”（电能质量）这一术语，并且给出了相应的技术定义，合格的电能质量的概念应理解为：给敏感设备提供的电力和设置的接地系统是均适合于该设备正常工作的（在许多情况下，接地系统对电能质量有很大的影响，以往对其认识不足）。除此之外，在这一研究领域的许多报告和文献中还采用了一些并未得到公认的一些术语和补充定义。而在现代电力系统中，从供电部门来考虑，还可以将电能质量定义成供电的可靠性，而电力用户可以定义成能使用户设备正常运行，不发生扰动或中断的电能的一种性质。由于电能质量好坏最终是由用户决定的，所以应从用户的角度出发对电能质量进行定义。2.1.2 电能质量的主要内容 衡量电能质量的指标除了包括大家所熟知的正弦波形、额定电压和额定频率外，还有不为人所熟悉的低功率因数、谐波等供电可靠性、稳态电能质量和暂态电能质量等。目前电能质量的主要内容有一下几方面：1.电力系统频率 频率偏差是指电网频率对于额定频率的偏离程度，一般用百分比表示：式中，?f 为频率偏差；f 为实际频率；fN 为额定频率（50Hz）。国家标准 GB/T15945-1995电能质量 电力系统频率允许偏差规定以 50Hz作为我国电力系统的标准频率（工频），并规定电力系统正常的频率标准为50Hz0.2Hz，当系统较小时，可放宽到50Hz0.5Hz。2.供电电压允许偏差 供电电压允许偏差是指电力系统各处的电压允许偏离其额定值的百分比。定义式为：GB12325-1990电能质量 供电电压允许偏差中规定 35kV 及以上供电电压正、负偏差的绝对值之和不超过额定电压的 10%；10kV 及以下三相供电电压允许偏差为额定电压的7%；220V 单相供电电压允许偏差为额定电压的 7%-10%。3.三相电压不平衡度 三相电压不平衡度用电压或电流负序分量与正序分量的均方根百分比表示。三相电压不平衡度的度量可用下式表示：式中 U2三相电压用对称分量分解后的负序分量的幅值；U1三相电压用对称分量分解后的负序分量的幅值。4.电压合格率 5.电压波动和电压闪变 电压波动是指电压幅值在一定范围内有规则变动时，电压变动或工频电压包络线的周期性变化，或电压幅值不超过 0.91.1（p.u.）的一系列随机变化；而闪变是指将包含冲击性波动的电压施加到灯具或电光变换器上，人们可以觉察到的灯闪。衡量电压波动的表达式为：其中，Umax 和 Umin 分别为工频电压调幅波的相邻两个极值电压（均方根值）。为了使电压偏差（电压的慢变化）与电压波动相区别。规定电压变化率大于每秒 0.2%时为电压波动，否则视为电压偏差。6.谐波 GB/T14549-93电能质量 公用电网谐波明确规定了电网的各次谐波电压和电流的限制值。相关内容见本章第四节。7.间谐波 间谐波是指非工频频率整数倍的谐波。间谐波往往由较大的电压波动或冲击性负荷所引起，所有非线性的波动负荷均为间谐波源，电力载波信号也是一种间谐波。8.暂时过电压和瞬态过电压 暂时过电压是指在电网给定点上持续时间较长的不衰减和弱衰减的振荡过电压。瞬态过电压是指持续时间数毫秒或更短，通常带有强阻尼的振荡或非振荡的过电压，它可以叠加于暂时过电压之上。9.电压暂升和电压暂降 电压暂升是指电压均方根值升到额定值的 110%以上，典型值为额定值的 110%180%成为电压暂升，持续时间为半个周期至一分钟。电压暂降是指在某一时刻电压的幅值突然偏离正常工作范围，经很短的一段时间后又恢复到正常状态的现象。10.断电和电压中断 断电是由于供电系统发生故障，造成用户在一定时间内，一相或多相完全失去电压（低于 0.1p.u.）。电压中断是指断电的持续时间大于 3min。11.电压瞬变 电压瞬变是指在一定时间间隔内，两个连续稳态电压之间在极短时间内发生的一种突变现象或数量变化，有两种普遍的类型：冲击性瞬变和振荡性瞬变。12.欠电压和过电压 欠电压（Undervoltage），是指持续时间大于 1min，数值小于标称电压，且电压幅值为 0.80.9（p.u.），系统频率仍为额定值。过电压（Overvoltage），是指持续时间大于 1min，数值大于标称电压，且电压幅值为 1.11.2（p.u.），系统频率仍为额定值。13.电压切痕 电压切痕是一种持续时间小于 0.5 周波的周期性电压扰动，电压缺口主要是由于电力电子装置在有关两相间发生瞬时短路时电流从一相转换到另一相而产生的。14.交流电网中的直流分量 交流电网中的直流分量是指在交流电网中由于非全相整流负荷等原因引起的直流成分影响。15稳态电压扰动 稳态电压扰动是指以电源电压波形畸变为特性而引起的各种稳态电能质量问题。主要包括：电压闪变、谐波、陷波及三相电压不对称。16.暂态（瞬态）电压扰动 暂态（瞬态）电压扰动是指电源电压的正弦波型受到暂态（瞬态）电压扰动发生畸变而引起电能质量污染的各种问题。暂态（瞬态）电压扰动主要包括以下三个方面：瞬时电压上升或暂降、暂态脉冲和暂态谐振。17.动态电能质量问题等 IEEE 将电磁系统中典型的暂态现象进行了特征分类，主要列出了瞬态和暂态扰动现象，根据扰动的频谱特征持续时间、幅值变化率，将其分为瞬时、短期和长期的电压变动 3 大类，在此基础之上又细分为 18 个子类。表 1 电能质量问题的性质、产生原因及解决方法 类型 扰动 特征指标 产生原因 后果 解决方法 谐波 稳态 谐波频谱电压、电流波形 非线性负载、固态开关负载 设备发热、继电保护误动、设备绝缘破坏 有源滤波、无源滤波 不对称 稳态 不平衡因子 不对称负载 设备发热、继电保护误动、通信干扰 静止无功补偿 陷波 稳态 持续时间、幅 调速驱动器 计时器计时错误、电容器、隔离值 通信干扰 电感器 闪变 稳态 波动幅值、出现频率、调整频率 电弧炉、电机启动 伺服电机运行不正常 静止无功补偿 谐振暂态 暂态 波形、峰值、持续时间 线路、负载和电容器组的投切 设备绝缘破坏、损坏电力电子设备 滤波器、隔离变压器、避雷器 脉冲暂态 暂态 上升时间、峰值、持续时间 闪电点击线路、感性电路开合 设备绝缘破坏 避雷器 瞬时电压上升、瞬时电压下降 暂态 幅值、持续时间、瞬时值/时间 远端发生故障、电机启动 设备停运、敏感负载不能正常运行 不间断电源、动态电压恢复器 噪声 稳态/暂态 幅值、频率 不正常接地、固态开关负载 微处理器控制设备不正常运行 正确接地、滤波器 2.1.3 电能质量的主要指标 电能同其他产品一样，质量具有优劣之分，那么用什么来衡量电能质量的优劣呢？这就是电能质量指标，它主要是通过常用电网的实际情况与理想系统的差距来衡量的。电能质量主要包括五个方面的指标：（1）电压偏差；（2）频率偏差；（3）谐波含量；（4）电压波动和闪变；（5）三项电压不平衡。2.2 电压偏差（1）影响电压偏差因素 当线路输送功率时，电流将在线路阻抗上产生电压损耗，对电压损耗进行分析可知，无功功率对电压损耗的影响很大，无功功率是造成电压损耗的主要原因。变压器与实际电网线路上产生的电压损耗。一方面，与电网的元件参数有关，由于电网中各点的电压损耗不同，因而导致它们实际的运行电压或者电压偏差不同；另一方面，电压损耗的大小还决定于变压器或者线路传输的功率，由于传输的功率随着时间是不断变化的，因此，即便是在电网同一节点上，它的电压偏差或电压损耗随着时间是不断变化的。因而在统计电网电压或者电压偏差的范围时，要注意它们在空间上的分布和随时间而变化的特点。（2）电压偏差的危害 在系统运行中，如果电压的偏差太大，会影响工农业产品的产量和质量，损坏设备，甚至引起电网毁灭性的“电压崩溃”，造成大面积停电。电压偏差对系统和用户都会产生影响。系统电压降低时，发电机的定子电流会增大。如果电流原已达到额定值，那么在电压降低后会超过额定值。为使发电机的转子不至于过热，不得不减少发电机的输出功率。同样，系统电压降低后，也不得不减少变压器的负荷。当系统电压降低时，各类负荷中最大的异步电动机的转差率增大，从而电动机各绕组中的电流将增大，温升将增加，寿命缩短，效率降低。而且，某些电动机驱动生产机械的机械转矩与转速的高次方成正比，转差增大、转速下降时，其功率会迅速减少。而发电厂厂用电动机功率的减少反过来又影响汽轮机、锅炉的工作，影响发电厂所发出的功率。尤其重要的是，启动电压降低后，电动机的启动过程将大大增长，因温度过高，电动机在启动过程中可能会被烧毁。电炉的用电功率与电压的平方成正比，炼钢厂的电炉将因电压过低而影响冶金时间，从而影响产量。电压过低会产生危害，电压过高同样也会产生危害。当系统电压过高的时候，将使电气设备的绝缘受损。而且电动机、变压器等设备的铁芯要饱和，铁芯损耗增大，温升将增加，寿命将会缩短。另外，电压过高的时候，对于对电压敏感的照明负荷（如白炽灯）而言，将会使其寿命缩短。但是，电压如果过低，亮度和发光效率又会大幅度下降。日光灯的反映比较迟钝，但是，当电压偏离其额定值的时候，寿命也将缩短。至于因系统中无功功率短缺，电压水平偏低，致使因某些枢纽变电所母线电压微小的扰动下，顷刻之间电压大幅度下降的“电压崩溃”现象，则更是一种导致发电厂之间失步、系统瓦解失误的灾难性事故。2.3 频率偏差 频率的影响因素主要是从电力系统的规划、设计和运行调度等方面考虑。在设计规划中，电源和负荷的供需平衡、调频调峰方案的选取，特别是各种类型的水电厂、火力发电厂因地制宜的配置比例是否得当，对运行中的系统频率偏差的影响更大。同时，频率又反过来影响着水电厂、火电厂。特别是火电厂，当系统的频率下降时，就会导致发电厂辅助机械出力减小，继而发电出力下降，进而使得系统频率更加降低，起着频率崩溃的推波助澜的作用。电力系统的频率变动对发电厂、电力系统本身和用户都会产生影响，具体表现为：（1）电力系统频率变动对发电厂和系统本身的影响 火力发电厂使用了许多电动机，例如风机和泵，当频率降低时，它所能提供的水量和风量将迅速减少，影响锅炉的正常运行。而且，当发电机的通风量减少时，为了维持正常的电压又要求必须增加励磁电流，从而导致发电机转子和定子的温升增加，为了不超过温升限额，又不得不降低发电机所发功率。同时，低频率运行会增加汽轮机叶片所受应力，引起叶片共振，致使叶片寿命缩短，甚至出现叶片断裂现象。英国曾经在二战及战后的一段时间内就发生过在低频下运行而致使叶片断裂的事件。低频运行时，由于磁通密度的增大，变压器的励磁电流和铁芯损耗都将增大，为了不超过温升限额，变压器所带的负荷不得不降低。当系统的频率降低时，系统的无功负荷将会增大，无功负荷的增大会促使整个系统的电压水平下降。（2）电力系统频率变动对用户的影响 系统的频率与用户使用的电动机的转速密切相关。系统频率的变动会引起电动机转速的变化，从而影响产品的数量和质量，如造纸业与纺织业将因为频率的变化而出现次品，近代工业、国防和科学技术广泛使用的电子设备，其工作也会由于系统频率的不稳定而受到影响。同时，频率的变动还会导致坏数据的产生，频率偏低的时候，电子计算机和雷达等设施不能正常运行，社会方面受到的损失是无法计算的，其后果不堪设想。由于所有的设备都是按照系统频率来设计的，系统频率的下降势必会影响到各行各业。而低频运行的电网应付事故的能力又极差，受到轻微扰动，就会有整个系统瓦解的危险，造成大面积的停电。不但频率下降时会对电力系统会产生危害，而且频率上升时对电力系统同样会产生各种危害。所以，从系统安全、优质运行的角度出发，把频率作为电能质量的一项重要标准，保持系统频率在额定值 50Hz 左右，且偏移量不超过一定的范围是非常必要的。2.4 谐波含量 国际上公认的谐波含义为：“谐波（harmonics）是一个周期电气量的正弦波分量，其频率为基波频率的整数倍”。由于谐波的频率是基波的整数倍，我们也常成它为高次谐波，谐波次数用 h 表示。谐波产生的主要原因有以下几点：（1）电力系统本身存在周期性的非正弦独立电源。如有下面的电流源 是由不同频率的正弦电流分量叠加而成的，当它注入线性时不变的电力系统后，产生的电流、电压将仍是由这些频率的正弦分量组合而成的，输入的畸变直接造成了输出的畸变。（2）电力系统中非线性负载的存在。工频电流或电压作用于非线性负载，如有一工频电压为 作用在一个电流电压特性为 的非线性时不变负载两端时，产生的电流为 由上式可见，输入电压的频率为 ，输出电流中则包含有频率为 和 3 的两种频率的正弦分量。（3）电力系统中存在时变负载。如有一电导，其电气特性为：如果电压仍为工频电压：，则 其结果是：当 是 的偶数倍时，i(t)中的频率就是 的奇数倍；当 是 的奇数倍时，i(t)中的频率就是 的偶数倍；如果 与 之比为有理分数，则 i(t)中的最低频率可能小于 ，大于 的频率也可能出现在 的整数倍频之间，而且输入频率 还有可能消失在输出中。电力系统中具有周期性或非周期性开关功能的各类电子器件，它们的电气特性，都可用一个时变元件来表示。可见，由于非线性用户数量的不断增多和容量的不断增大，在电力系统中汇合成为日益升高的谐波水平，成为目前相当严重的问题。电力系统谐波产生的根本原因是由于电力系统中某些负荷和设备的非线性特性，即所加的电压与产生的电流不成线性（正比）关系而造成的波形畸变。2.5 电压波动与闪变 电压波动大的后果就是产生闪变，电压波动常会引起许多电工设备不能正常工作。主要表现在：（1）电视机画面亮度变化，垂直和水平幅度摆动；（2）照明灯光闪烁，引起人的视觉不适和疲劳；（3）电机转速不均匀，危及安全运行，影响产品质量；（4）电子计算机、自动控制设备等工作不正常等。一般来说，供电系统中电压波动和闪变多数是由于用户波动性负荷所引起的，波动性负荷可分为非周期性的波动性负荷和周期性的波动性负荷两类，其中周期性或近似周期性的波动性负荷对闪变的影响更为严重。在系统阻抗上波动性负荷将引起电压的波动。当负荷波动时，系统阻抗越大（或者系统短路容量越小），则其所导致的电压波动就会越大，这决定于供电系统的供电电压、容量、用户负荷类型、位置、电动机启动功率和频率等。电压方均根值的波动，其秒伏（Vs）面积越大，所引起的闪变干扰就越大，电压变动重复在频率5Hz12Hz 之间所引起的照明闪变尤为严重。特别是在生产精密仪器产品的工厂中，即使有0.1Vs 的电压变动也会使生产和产品质量受到损失。波动性负荷主要有感应炉的变频电源，电弧炉，轧机和绞车，电焊机，电动机启动（尤其是频繁启动的工况），粉碎机和锯木机，采矿的挖掘机等。这些波动性负荷，严重影响和危害着与其连接在公共供电点的其他用户的电工设备和仪器，必须引起重视。2.6 三相电压不平衡（1）三相不平衡产生的主要原因 电力系统中三相电压的不平衡主要是由于系统三相阻抗不对称、负荷不平衡以及消弧线圈的不正确调谐所引起的。系统阻抗的不对称会引起背景电压的不平衡，其不平衡度一般不会超过0.5%，但是，如果在高压线停电或者高峰负荷时，不平衡度有时会超过1%。一般架空电网的不平衡度或者不对称度电压不超出0.5%1.5%的范围，其中，1%以上的情况往往是分段的架空电网，其换位是在变电所母线上实现的。对于电缆线路，其不对称度为零。因为，无论是单芯电缆还是三芯电缆，各相芯线对接地来说都是处于对称的位置。在中性点不接地系统（6kV，10kV，35kV）中，当系统对地电容处于串联谐振状态和消弧线圈调谐不当时，就会引起中性点电压过高，从而引起三相对低电压的严重不平衡。GB/T15543-1995 电能质量 三项电压允许不平衡度规定了电力系统公共连接点正常时电压不平衡度允许值为 2%，短时不平衡度不得超过 4%，其短时允许值是指在任何时刻均不能超过的限制值，以保证自动装置和继电保护的正确动作。对于接入公共连接点的每个用户，规定其引起该点正常电压不平衡度允许值一般为1.3%。（2）三相不平衡的主要危害 与其他电能质量问题一样，三相不平衡同样对电力用户以及电力系统本身造成一系列危害，具体表现在以下 9 点：1、引起旋转电机的附加振动和发热，危及其正常出力和安全运行。2、引起以负序分量为启动元件的多种保护发生误动作（特别是当电网中同时存在谐波的时候），严重威胁电网的安全运行。3、电压不平衡使半导体变流设备产生附加的谐波电流（非特征谐波），这种设备一般设计上只允许 2%的电压不平衡度。4、电压不平衡使发电机容量的利用率下降。这是因为不平衡时最大相电流不能超过额定值。当在极端情况下，如只带单相负载时，则设备利用率仅为 。5、变压器的三相负荷不平衡，不仅会使负荷较大的一相绕组过热致使其寿命缩短，而且还会由于磁路不平衡，大量漏磁通经夹件、箱壁等使其严重发热，造成附加损耗。6、在低压配电线路中，三相不平衡会引起照明电灯寿命缩短（电压过高）或者照度不足（电压过低），还会影响计算机正常工作，以及电视机的损坏。7、三相不平衡时，电网损耗将会增加。8、使电热炉的电能损耗增加，炉子的效率降低，产量减少。9、对于通信系统，当电力三相不平衡时，会增大对其干扰，影响正常的通信质量。2.7 小结 1、介绍了 IEC 和 IEEE 对电能质量的定义，并说明了中国电能质量的主要内容。2、简要介绍了电能质量的五项主要指标，并对国家标准做了具体说明。3 虚拟仪器技术 3.1 虚拟仪器概述 计算机通信技术、网络技术与虚拟技术是信息技术中最重要的组成部分，被称为 21 世纪科学技术中的三大核心技术，虚拟仪器作为虚拟技术的重要组成部分，是目前各国研究的热点之一。虚拟仪器系统的构成如下图所示 图 3-1 虚拟仪器的构成 在上图中，被测单元（被测量）是各种待转换的物理量，如压力、温度、流量、位移、频率、振动等，这些被测量都是非电量。首先，要把这些非电量转换成电信号，然后才能实现进一步的数据处理。要实现各种物理量到电信号的转换，需要用到各种类型的传感器（sensor）。如测量温度的传感器有热敏电阻、热电偶等，测量机械力的有应变片、压（力）敏传感器等，测量气体的有气敏传感器等。由传感器发出的模拟信号一般都是比较微弱的电压信号，并且还夹杂着许多噪声，通常需要对这些信号进行某些预处理，以便将微弱信号进行放大，充分利用模数转换器（Analog-Digital Converter，ADC）的满量程分辨率，同时提高信号的信噪比。经过传感器的模数转换和信号变换，建立起了被测单元与计算机之间的信息传递与变换通道输入输出通道，与计算机进行联系。输入输出通道一般分为开关量输入输出通道、数字量输入输出通道和模拟量输入输出通道。模数转换器是转换过程的核心器件。计算机通过这些输入输出通道实现对被测量的采集、储存、处理分析和显示控制，并把处理结果或采集的数据通过网络传输至其他的工作站。从图 3-1 可以看出，虚拟仪器系统还涉及到视觉测量（图像采集）、声音和振动测量、仪器控制、运动控制、分布式 I/O 等诸多领域，由此看见虚拟仪器应用之广泛。3.1.1 虚拟仪器的发展 电子测量仪器发展至今，大体可分为 4 代：模拟仪器、数字化仪器、智能仪器和虚拟仪器。第 1 代模拟仪器，这类仪器在某些实验室仍能看到，如晶体管电压表、指针式万用表等。第 2 代数字化仪器，这类仪器目前相当普及，如数字频率计、数字电压表等。这类仪器将模拟信号的测量转化为数字信号测量，并以数字的方式输出最终结果，适用于较高准确度和快速响应的测量。第 3 代智能仪器（Intelligent Instrument），这类仪器内置微处理器，既能进行自动测试又具有一定的数据处理能力，可取代部分脑力劳动，习惯上成之为智能仪器。它的功能块全部都是以硬件（或固化的软件）的形式存在，相对虚拟仪器而言，无论是开发还是应用，都缺乏灵活性。