杨 旻

（江苏大学电气信息工程学院，江苏 镇江 212013）

随着农村产业经济的日益发展、农村电网中出现了大量非线性、冲击性电荷，严重影响着农村用户的日常生产生活。为了改善农村电网电能质量、减少电能质量问题对农民造成的经济损失，开发多功能农村电网质量监测系统已经成为一种迫切需求。目前农村电网质量监测系统的实现方式主要有基于数字信号处理器(DSP)的监测系统[1]和基于虚拟仪器的监测系统。针对农村技术比较薄弱、资金较少等特点，笔者运用虚拟仪器技术在LabVIEW软件中设计了一套多功能农村电网质量监测系统，该系统具有精度高、开发成本低、开发周期短等优点，并且可以通过软件将信号采集卡的模拟输出端口作为信号源快速验证系统功能，特别适合农业电气化发展的需求。

1 系统硬件结构

系统硬件结构见图1，其中数据采集卡使用NI-DAQCard-6024 E多功能数据采集卡，该采集卡为PCMCIA接口，可用于笔记本电脑和PDA，便携性较高，有16路12位模拟输入，2路12位模拟输出，8条数字I/O线，2个24位计数器，其最高采样频率为200 ks/s。NI SCB-68接线模块可以用于信号调理，对输入信号进行抗混叠滤波。为了达到国家标准的要求，所测谐波最高次数为50次，因此选择抗混叠滤波器的截止频率为2 500 Hz。

图1 系统硬件结构图

2 系统分析软件

“软件即是仪器”是NI公司提出的口号，因此系统分析软件是本系统的核心。使用LabVIEW的图形化编程语言—G语言，可以高效地开发出系统分析软件的各个功能模块[2]，并采用LabVIEW的模块化设计方法组建系统分析软件的整体。

2.1 系统分析软件总体结构

我国的国家标准中电能质量主要包括5项指标：供电电压的允许偏差、电力系统的频率偏差、三相电压不平衡度、电网谐波含量、电压波动与闪变。按照国家标准的要求，系统分析软件总体结构包括：电压和频率偏差计算模块、三相不平衡度计算模块、闪变测量模块、谐波分析模块，在此基础上还设计了间谐波检测模块和功率测量模块。

2.2 电压和频率偏差计算模块

电压偏差即供电电压的允许偏差，是指电力系统中供电电压偏离额定电压的缓慢变动。电压偏差的定义见式（1）。

式中实测电压为有效值，可以通过电压有效值计算公式求出，计算公式见式（2）。

离散化采样后，若采样时间间隔相等，其离散化计算公式见式（3）。

频率偏差是指电力系统在正常运行条件下的实际频率与额定频率之差，计算公式见式（4）。

其中f0为额定频率即工频（50 Hz）。

LabVIEW波形测量子选板中带有基本平均直流-均方根测量函数（Basic Averaged DC-RMS.vi），该函数可以按照选定的加窗和平均类型计算波形的直流分量（DC）以及均方根值（RMS，即有效值）[3]，可以利用此函数测量出电压信号的有效值，再由公式（1）求得电压偏差；频率偏差的计算也非常方便，可以通过调用LabVIEW波形测量子选板中自带的函数提取单频信息（Extract Single Tone Information.vi），该函数在指定频段提取幅值最大的成分频率信号，可以输出抽取的信号频率[3]，再根据公式（4）求得频率偏差。

2.3 三相不平衡度计算模块

三相不平衡度的计算可以通过对称分量法进行,在分解出正序（U1）和负序（U2）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，见式（5）。

式中L可以通过式（6）计算。

式（6）中a，b，c，为3个线电压的有效值。

2.4 功率测量模块

功率测量模块用于计算有功功率、无功功率、视在功率、功率因数等参数。利用LabVIEW波形测量子选板中的基本平均直流-均方根测量函数（Basic Averaged DC-RMS.vi）测量出三相电压、电流信号的有效值，就可以计算出上述参数。

2.5 间谐波检测模块

间谐波作为一种特殊的谐波，其频率是基波频率的非整数倍。采用小波分析方法对间谐波进行检测，LabVIEW软件的高级信号处理工具包（advanced signal processing toolkit）中带有连续小波变换（CWT）函数，并利用Matlab脚本节点调用小波工具箱中的小波包变换（WPT）函数，可以实现对间谐波的检测。

2.6 闪变测量模块

电压闪变是由电压幅值波动所引起的，是人眼对由电压波动引起的白炽灯亮度变化的主观感受。国际电工委员会(IEC)根据国际电热协会（UIE）的推荐，制定了闪变仪的功能设计规范，其框图如图2 所示[4]。

图2 IEC闪变测量仪框图

框a－框c是对灯—眼—脑环节的模拟，其中框a中的平方器模拟灯的作用，反映了灯光强度与电压的平方关系，通过平方检测法从工频电压波动中解调出反映电压波动的调幅波；带通滤波器由截止频率分别为0.05 Hz的高通滤波器和35 Hz的低通滤波器构成。

框b中的视感度加权滤波器用来模拟人眼的频率选择特性。

框c是平方器和一阶低通滤波器,用来模拟人脑神经的视感反应和记忆效应。

框d用于统计和闪变值的评定。

经过统计，可以得到瞬时闪变值的累积概率函数(CPF)曲线，然后根据式（7）计算短时间闪变值 ，用于衡量闪变的严重程度。

式中 P0.1，P1，P3，P10，P50，分别为 10 分钟内瞬时闪变值超过0.1%、1%、3%、10%和50%时间的觉察单位值。如果输入信号是周期性稳态电压波动信号，则P0.1=P1=P3=P10=P50=S(t)，计算公式可以简化为式（8）。

式中，S（t）为瞬时闪变值的稳定平均值。

对于长时间闪变值P1t，国标通用规定统计时间为2 h。根据IEC的推荐，对于已顺序测得12个10 min短时间闪变值P1t数据，P1t可以通过式（9）求得。

2.7 谐波分析模块

谐波是一个周期性电气量的正弦波分量，其频率为基波频率的整数倍。谐波是衡量电能质量的一项重要指标，谐波分析最经典也是目前最常用的方法是快速傅里叶变换法（FFT）[5]，但是在实际采样过程中，不能做到严格的同步采样，因此FFT算法存在栅栏效应和频谱泄漏现象，会对电能参数（如频率、幅值和相位等）的测量精度产生影响，需要通过加窗的方法来提高精度。

谐波的严重程度通常用各次谐波含有率（HR）和总谐波畸变率（THD）来衡量。具体的分析方法是：采用FFT算法计算基波和各次谐波的幅值，通过式（10）和式（11）计算 次电压含有率HRUn和总谐波畸变率(THD)[6]。

总谐波畸变率(THD)是谐波总量的有效值与基波分量的有效值之比，可以反映谐波总的含量。其中，Ui为i次谐波电压幅值，U1为基波电压幅值，n是总谐波次数。

LabVIEW软件中的谐波失真分析函数（Harmonic Distortion Analyzer.vi）内置有加 Hanning窗的FFT算法，可以快速直接的计算出直流分量、基波幅值、各次谐波的幅值、总谐波畸变率（THD）等。数据采集采用差分输入方式，将采样方式配置为有限采样[7]，采样率和采样点数都设置为100 00。谐波分析模块程序框图如图3所示。

图3 谐波分析模块程序框图

3 谐波分析实验结果

使用LabVIEW软件中的混合单频和噪声信号函数（Tones and Noise Waveform.vi），向 602 4E 采集卡的模拟输出通道AO 0发生如下谐波波形，见式（12）。

谐波信号发生模块如图4所示，由于NI 6024E采集卡的模拟输入电压范围为-5V—+5V，为了便于采集，因此将模拟输出AO电压范围也设置为-5～+5V。将SCB-68接线模块的模拟输出通道AO 0与其模拟输入通道AI 0相连，就可以对谐波信号发生模块在AO 0上发生的谐波波形信号进行采集，谐波分析结果如表1所示。实验同时测得基波幅值为 3.000 6 V，基频为 50.000 3 Hz，THD为79.850 3%，各次谐波含量也可以通过LabVIEW中的波形图表控件直观的显示出来，见图5。通过实验结果可以计算出最大的相对误差为1.08%，因此设计的谐波分析模块的测试结果是准确可靠的。

图4 谐波信号发生模块程序框图

表1 谐波分析实验结果

图5 各次谐波含量柱状图

4 结论

随着我国农村经济的不断发展和大量农电设备不断投入使用，农村电网质量问题得到了广泛的关注。为此，笔者以虚拟仪器技术为核心，依据电能质量的各项指标及其分析方法，借助LabVIEW软件中功能强大的VI软件，开发了一套多功能农村电网质量监测系统。实验结果表明，该系统具有很高的稳定性和测量精度，能够有效、准确地监测出电能质量各项指标，对改善农村电网质量，减小由电能质量问题引起的经济损失有着一定的实际应用价值。

[1] 徐雷钧，白 雪，赵不贿.基于嵌入式系统的农村电网质量监测技术研究[J].中国农村水利水电，2008，（8）：138-141.

[2] 潘文霞，韩中林，刘 刚，等.基于MATLAB与虚拟仪器对风电场电能质量监测系统[J].控制理论与应用，2008，（4）：331-335.

[3] 候国屏，王 坤，叶齐鑫.LabVIEW 7.1编程与虚拟仪器设计[M].北京：清华大学出版社，2005.

[4] 赵 刚，施 围，林海雪.闪变值计算方法的研究[J].电网技术，2001，25（11）：15-18.

[5] 李圣清，朱英浩，周有庆，等.电网谐波检测方法的综述[J].高电压技术，2004 ，30（3）：39-42.

[6] S.K Bath,Sanjay Kumra.Simulation and Measurement of Power Waveform Distortions using LabVIEW[C].IEEE Power Modulator Conference,Las Vegas,NV,USA，2008：427-434.

[7] J.Travis，J.Kring.LabVIEW for Everyone[M],3rd Edition,Prentice Hall,2007.