基于LabVIEW的电能质量远程监测系统的设计

三峡大学

硕士学位论文

基于LabVIEW的电能质量远程监测系统的设计

姓名：朱更辉

申请学位级别：硕士

专业：控制理论与控制工程

指导教师：向学军

20050401

内 容 摘 要

由于不对称、冲击性、非线性负荷容量的不断增长，电能质量问题日益突出；另一方面，随着现代科学技术的发展，越来越多的敏感负载对电能质量有着更高的要求。因此，电能质量问题日益引起人们的重视。改善电能质量对于电网和电气设备的安全、经济运行，保障生产以及人民生活的正常等均有重要意义。到目前为止，我国已经制定了六项关于电能质量的国家标准。对电能质量各项指标进行监测是进一步改善电能质量的基础和前提。

虚拟仪器是现代计算机软硬件技术飞速发展的产物，它正逐步取代传统的电子仪器，是现代电工电子测量仪器的发展方向。将虚拟仪器技术引入到电力系统中具有极其广阔的应用前景。随着网络技术的发展，网络化虚拟仪器成为虚拟仪器的发展方向。使用网络化虚拟仪器，人们可以在任何地点、任何时间获得测量数据。网络化虚拟仪器也适合远程监测、数据采集、故障检测、报警等。

本文在参考大量国内外文献资料的基础上，综述了电能质量问题的定义、分类。依据已经制定的国家标准，归纳了各项稳态电能质量指标的测量原理和计算方法。为电能质量监测系统的设计提供了理论依据。

在此基础上，利用美国NI公司的虚拟仪器开发环境LabVIEW设计了各项电能质量指标的测量程序。它能长期在线运行，实时测量分析，与传统的仪器相比，具有操作简单，处理能力强等优点。同时也详细介绍了数据采集、数据处理、数据保存等问题。

随后利用DataSocket技术实现了电能质量监测数据的网络传输，即数据采集前端通过网络把保存的电能质量监测数据传给远程客户端，供其对数据进行进一步的分析。最后进行了测量程序的网络发布，远程客户端在浏览器中即可以监测到数据采集前端的电能质量指标，通过授权，还可以完全控制数据采集前端的程序，比如运行、停止程序，修改数据采集参数等等。

测试结果表明，本文设计的电能质量监测系统设计正确，运行稳定，测量精度高。 关键词：电能质量 虚拟仪器 LabVIEW 远程监测

Abstract

Because of the rapid increase of unbalanced, impact and nonlinear electric power load, the power quality problems have been more and more serious. On the other hand, more sensitive loads need higher power quality with the development of modern science and technology. So, people attach more importance to the problem of power quality increasingly. It has important significance to ensure the safe and economical running of the power system and electric equipment and the safety of the produce and people’s livelihood that improve power quality. Our country has constituted six national standards about power quality so far. The monitoring of power quality is the foundation of improving it.

The virtual instrument is follow-on product outcome of software and hardware of computer technique, and it is replacing traditional electronic instrumentation step by step, and is the development direction of modern electrician's electronic measurement instrument. Leading the virtual instrument technique to the power system possesses the most vast application foreground. Among with the development of network technology, network virtual instrument become development direction of virtual instrument. People can get measurement data in anywhere at anytime by using network virtual instrument, and it also is used in remote monitoring, data acquisition, fault detection, alarm, etc.

On the basis of consulting literatures, the definition and categories are summarized. According to the national standards about power quality, the measurement principles and computing methods are induced. The work is the theory base of developing power quality monitoring system.

The measurement program of power quality monitoring was developed in the environment of American National Instruments Company’s LabVIEW. The system has the abilities of long-term online operating, real-time measuring and analyzing, etc. Compared with the traditional analyzer, it has many advantages, such as easy controlling, strong processing, etc. At the same time, the questions of data acquisition, data processing, data saving was introduced.

The method that transmitting monitoring data from the data acquisition site to remote client was given followed. At the end of this paper, web publishing of measurement program was introduced. Remote client can monitor power quality indices by browser through Internet. If authorized, the remote client can completely control the measurement program, such as running, aborting, and changing the parameters of data acquisition, etc.

The test result indicates that power quality monitoring system designed by this paper

is correct.

Key words: power quality virtual instrument LabVIEW remote monitoring

三峡大学学位论文原创性声明

本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下，独立进行研究工作所取得的成果，除文中已经注明引用的内容外，本论文不含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的作品成果。对本文的研究做出重要贡献的个人和集体均已在文中以明确方式标明，本人完全意识到本声明的法律后果由本人承担。

学位论文作者签名： 日 期：

引 言

现代社会中，电能是一种最为广泛使用的能源，其应用程度成为一个国家发展水平的主要标志之一。随着科学技术和国民经济的发展，对电能的需求量日益增加，同时对电能质量的要求也越来越高，所以电力用户和电力企业也越来越关注电能质量问题。改善电能质量对于电网和电气设备的安全、经济运行，保障产品质量和科学实验以及人民生活和生产的正常等均有重要意义。电能质量直接关系到国民经济的总体利益。到目前为止，我国已经制定了六项关于电能质量的国家标准，对电能质量的部分指标做了规定。对电能质量各项指标进行监测是进一步改善电能质量的基础和前提。 虚拟仪器是现代计算机软硬件技术飞速发展的产物，它正逐步取代传统的电子仪器，是现代电工电子测量仪器的发展方向。将虚拟仪器技术引入到电力系统中具有极其广阔的应用前景。

随着网络技术的发展，网络化虚拟仪器成为虚拟仪器的发展方向。使用网络化虚拟仪器，人们可以在任何地点、任何时间获得测量数据。网络化虚拟仪器也适合远程监测、数据采集、故障检测、报警等。

本文将利用NI公司的虚拟仪器开发环境LabVIEW设计电能质量远程监测系统。监测中心能够通过网络监测远方的电能质量，数据采集前端也能够通过网络把保存的电能质量监测数据传给监测中心，供其对数据进行进一步的分析。

1 绪论

1.1 电能质量问题的提出和定义[1][2][3][4]

电能既是一种经济、实用、清洁且容易控制和转换的能量形态，又是电力部门向

电力用户提供的由发、供、用三方共同保证质量的一种特殊产品。电能作为一种商品，与其它商品一样，也应讲求质量。

在理想的交流供电系统中，三相交流电压是平衡的，电压和电流的波形呈正弦波

无畸变状态。然而，在实际情况下，电能在输送过程中会受到各种用电负荷和电力系统故障的影响，到达用户的电能会偏离正弦波形而发生畸变。高压直流输电系统、变频器、可控整流器、电弧炉、电动机车等电气设备在生产实践中广泛地使用，使电网中的谐波污染、三相电压的不对称性以及电压波动和闪变等问题日趋严重。同时，由于上述负荷的存在，使得电力系统中的供电电压即便是正弦波形，其电流波形也将偏离正弦波形而发生畸变。当非正弦波形的电流在供电系统中传输时，其电压波形也将受其影响而产生不同程度的畸变。相对理想状况的偏离，意味着电能质量的下降，这会给电力系统和用电设备带来严重的危害。

起初，人们在谈到电压和电流干扰电气设备正常工作和所供应的电能质量问题

时，使用的技术名词上很不规范。例如，有使用“electric power systems quality”（直译为电力系统质量），或使用“quality of power supply”（供电质量）等词语的。对其含义也各有解释。有文献报道，在1968年发表的一篇关于美国海军电子设备电源规范研究的论文中，最先使用了“power quality”（电能质量）这一词语。与此同时，前苏联等国家开始使用“voltage quality”（电压质量）。此后，越来越多的研究人员表现出对电能质量或电压质量的关心，并在关于电能质量问题应采用规范的技术名词上逐渐趋向一致。

从普遍意义讲，电能质量是指优质供电。但是迄今为止，人们对电能质量的技术

含义却存在着不同的认识，还不可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。例如，电力部门可能把电能质量定义为电压与频率的合格率，并且用统计数字来说明电力系统99.9%是安全可靠运行的；电力用户则可能把电能质量简单定义为是否向负荷正常供电。因此，在像供电中断持续时间等问题上供受双方意见就不相一致，这种故障事件应当归属输配电工程问题还是电能质量问题说法不一；而设备制造厂家则可能定义电能质量就是指电源特性应当完全满足电气设备的正常工作需要。但实际上，不同厂家和不同设备对电源特性的要求可能相去甚远。

什么是电能质量，用什么样的词语来描述供电与用电（系统与负荷）双方的相互

作用和影响的讨论仍会继续下去。但是国际电气与电子工程师协会IEEE标准化协调委员会已正式采用“power quality”（电能质量）这一术语，并且给出了相应的技术

定义：合格电能质量的概念是指，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文献和报告中还采用了一些并未得到公认的术语和补充定义。例如，1）电压质量，给出实际电压与理想电压间的偏差，以反映供电部门向用户供给的电力是否合格。2）电流质量（current quality），为反映与电压质量有紧密关系的电流变化情况，除了对用户取用电流提出恒定频率正弦波形要求外，还力图使该电流波形与供电电压同相位，以保证系统以高功率因数运行。

3）供电质量（quality of supply），它包括技术含义和非技术含义两部分。技术含义有电压质量和供电可靠性；非技术含义是指服务质量（quality of service），它包括供电部门对用户投诉与抱怨的反应速度和电力价格的透明度等。4）用电质量（quality of consumption）包括电流质量和非技术含义，如用户是否按时、如数缴纳电费等。它反映供用双方相互作用与影响中用电方的责任和义务。

但是，国际电工委员会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相互作用和影响，以及电源与设备之间的相互作用和影响。在IEC提出的电磁兼容概念中，采用排放（emission）来表示由设备产生的电磁污染，它反映出电流质量问题，采用抗扰（immunity）来表示设备免除电磁污染的能力，它与电压质量相关。并且以此为基础，制定出了一系列相关的电磁兼容标准。电磁兼容术语与电能质量术语有很大重叠性，在它们中间有许多的同义词。

在电工学中，“power”（电力、电功率等）的含义是指能量传输的速率，它与电

压和电流的乘积成正比，因此不可能定义这一物理量的质量概念。实际上，供电系统只能够控制电压的高低，不能控制某一负载汲取电流的大小。因而大多数情况是在讨论电压的质量问题。当然，系统在实际运行时，电压与电流之间总是存在着不可分割的紧密联系，尽管发电机提供了几乎纯正弦的电压，但通过系统阻抗的电流可能造成对公共连接点（PCC）电压的扰动而使之变化，如：

1）短路电流可能引起电压的跌落，或者完全消失。

2）雷电电流注入系统引起冲击电压，造成频繁的绝缘闪络，还可能导致如短路

故障等其他现象的发生。

3）谐波源负荷注入的畸变电流流经系统阻抗时也使母线电压发生畸变，该母线

上的其它电力用户将承受非正弦波电压。

通过以上分析和讨论，我们认为电能质量问题的研究是由电力用户的生产需求推

动的，用户的衡量标准应占有优先的位置。基于同样的看法和认识，有专家主张采用如下的电能质量定义：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。根据这一定义，电能质量除了保证额定电压和额定频率下的正弦波形外，还包括所有的瞬变现象，如冲击脉冲、衰减振荡、瞬时间断和陷波等。

时至今日，在供用电双方，甚至在电力研究者中关于电能质量的范畴、定义，以

及质量下降的起因等许多方面仍存在着分歧与争论，在使用的相关名词上并未完全达成共识，对生产实际中出现的诸多电能质量问题互相推诿，这就要求科研工作者和经营管理者继续深入分析和探索未被认识的问题，对电能质量加以细化和分类，制定出科学的符合生产实际的可操作的考核电能质量优劣的技术指标和评估方法，逐渐构成一个全面质量管理体系，目前这一工作正在发达国家蓬勃开展。

1.2 电能质量问题的分类[5][6]

为了系统地分析研究电能质量现象，并能够对其测量结果进行分析，从而找出引

起电能质量问题的原因和采取针对性的解决办法，将电能质量进行分类和给出相应的定义或规定是很重要的。

对于电能质量现象可以从不同角度分类。以下内容反映了近几年国际上在电能质

量现象分类和特性描述等方面取得的研究成果。其中，在国际电工界有影响的IEC从电磁现象及相互干扰的方式考虑，给出了引起电磁干扰的基本现象分类，如表1.1所示。 表1.1 IEC关于引起电磁扰动的基本现象分类

现象

分类 谐波，间谐波 信号系统（电力线载波）电压波动

传导型低频现象 电压暂降和中断

电压不平衡

工频变化

感应低频电压

交流电网中的直流成分

感应连续波电压或电流

传导型高频现象 单方向瞬变

振荡性瞬变 核电磁脉冲（NEMP） 静电放电现象（ESD） 辐射型高频现象 现象 辐射型低频现象 分类 工频电磁场磁场 电场 电磁场 连续波 瞬变

表1.2给出了IEEE关于电能质量领域电磁现象的具体分类。对表中列出的各种

现象可进一步用其属性和特征加以描述。对于稳态现象，可利用以下属性：幅值、频率、频谱、调制、电源阻抗、陷落深度、陷落面积；对于非稳态现象，还可能需要一

些其他特征来描述：上升率、幅值、相位移、持续时间、频谱、频率、发生率、能量强度、电源阻抗等。可以说，表1.2为我们提供了一个清晰描述电能质量及电磁干扰现象的实用工具。 表1.2 IEEE制定的电力系统电磁现象的特性参数及分类

类别

瞬变现象

振荡 冲击脉冲 纳秒级微秒级毫秒级低频 典型频谱 典型持续时间 典型电压幅值5ns上升 1µs上升~ 0.1ms上升<5kHz 0.3 ~ 50ms 0 ~ 4p.u. 中频~ 500kHz

高频~ 5MHz20µs~ 5µs0.5 ~ 30周波~ 0.9p.u.

0.5 ~ 30周波~ 1.8p.u.

0.5周波~ 3s

30周波~ 3s

30周波~ 3s

3s ~ 1min

3s ~ 1min

3s ~ 1min

>1min <0.1p.u. 0.1 ~ 0.9p.u.1.1 ~ 1.4p.u.<0.1p.u. 0.1 ~ 0.9p.u.1.1 ~ 1.2p.u. 短时间电压变动 瞬时 暂降暂升中断暂时 暂降暂升 短时 中断暂降 暂升

长时间电压变动持续中断欠电压过电压电压不平衡

直流偏置 0.8 0.9p.u.1.1 1.2p.u.稳态稳态

波形畸变 谐波稳态间谐波

陷波

噪声

电压波动工频变化 宽带 0 ~ 6 kHz 稳态稳态 稳态间歇<10s

1.3 电能质量现象描述

1.3.1瞬变现象

“瞬变”表示电力系统运行中一种并不希望而事实上又瞬时出现的事件。瞬变现

象在IEEE Std100—1992《电气与电子标准术语词典》中定义为：变量的部分变化，且从一种稳定状态过渡到另一种稳定状态的过程中该变化逐渐消失的现象。瞬变现象分两种类型：冲击性瞬变现象和振荡瞬变现象。

冲击性瞬变现象是一种在稳态条件下，电压、电流非工频的单极性（即主要为正

极性或负极性）的突然变化现象。通常用上升和衰减时间来表现冲击性瞬变的特性，也可以通过其频谱成分表示。例如，某一表示为1.2/50µs，2000V的冲击脉冲，是指其电压经过1.2µs后上升到2000V峰值，然后经过50µs衰减为峰值的一半。最常见的引发冲击脉冲瞬变现象的原因是雷电。由于频率非常高，冲击脉冲瞬变通过电阻电路时衰减得非常快，传播范围不远。

振荡瞬变是一种在稳态条件下，电压、电流的非工频、有正负极性的突然变化现

象。对于迅速改变瞬时值极性的电压和电流振荡问题，常用其频谱成分（主频率）、持续时间和幅值大小来描述其特性。其频谱又可分级定义为高频、中频和低频，如表

1.2所示。主频率大于500kHz，以数微秒来度量其持续时间的瞬态现象，称为高频振荡现象，主要是由某些类型的开关操作造成的，也可能是对冲击瞬态的响应。电力电子设备产生电压振荡瞬态是由于使用换向电路和RLC 缓冲电路的结果，瞬态过程在kHz数量级，持续几个主频周期，在每个电压周期内重复多次，幅值在0.1pu左右。低频的瞬态过程经常发生在输、配电系统，主要是由电容器组的充放电产生，主要频率在300 ~ 900Hz，峰值可能达到2pu，典型值为1.3 ~ 1.5pu，持续0.5 ~ 3周期。300Hz以下的振荡瞬态与配电系统的铁磁谐振和变压器充电有关。

1.3.2短时电压变动

这一类型包括电压暂降（也称为骤降或凹陷）和短时间电压中断等现象。若按持

续时间长短来划分，进一步还可将其分成瞬时、暂时和短时三种类型，如表1.2所示。

造成短时间电压变动的主要原因是系统故障、大容量（大电流）负荷启动或与电

网松散连接的间歇性负荷运作。

电压中断（interruption）是指电压小于0.1pu，其持续时间不超过1分钟，中

断可能是由系统故障、设备失灵或控制的错误造成的。电压中断往往是以其幅值总是低于额定值百分数的持续时间来量度的。一般来讲，由系统故障造成中断的持续时间是由保护装置的动作时间决定的。通常对于非永久性故障，瞬时重合闸将会使电压中断时间限定在工频下的30周波以内。带有延时的重合闸可能导致暂时的或短时的电压中断。由设备故障等造成的电压中断持续时间一般是无规律的。

电压暂降（sags）是指工频条件下电压均方根值减小到0.1 ~ 0.9pu之间、持续时

间为0.5周波至1分钟的电压变动现象。除由于重负荷或大型电机启动汲取大电流造成的电压暂降外，多数情况下电压暂降是同系统故障相联系的。

电压暂升（swell）是指在工频条件下电压均方根值上升到1.1 ~ 1.8pu之间、持

续时间为0.5周波至1分钟的电压变动现象。与暂降的起因一样，暂升现象是同系统故障相联系的。

1.3.3长时间电压变动

长时间电压变动是指在工频条件下电压均方根值偏离额定值，并且持续时间超过

1分钟的电压变动现象。过电压和欠电压的产生一般都不是系统故障的结果，而是由于系统负荷的变化和系统的开关操作而造成的。过电压是由于大负荷的切除或系统无功补偿的变化（例如电容器组的投入）造成的。系统的电压调节能力不足以及错误的变压器分接头操作也会导致过电压。

欠电压是由与过电压相反的操作造成的，过负荷也可能导致欠电压。电压中断超

过1分钟，经常是永久性事件，需要人工恢复。

长期的电压变动会使设备产生严重的问题。过电压和欠电压往往发生在负荷的回

路、变压器不正确的分接头操作、电容器组的保险烧断等情况下。不同原因造成的持续中断，会使得断路器失灵、保险烧断、用电回路切断以及电器元件的损坏和设备故障。

1.3.4电压不平衡

电压不平衡被定义为负序或零序分量与正序分量的比值。负序和零序分量一般是

由不平衡的负载产生的，也可以通过三相电压或电流的最大偏差来估计不平衡的程度。小于2%的不平衡一般是由三相电路中单相不平衡负荷造成的。电压不平衡也可能是电容器组出现异常的结果，例如三相中电容器的某一相保险烧断了。严重的不平衡（>5%）往往是单相故障的结果。

电压不平衡一般出现在用户各相负荷不平衡的情况下，尤其是在大的单相负荷使

用的地方，例如单相电弧炉。如果不及时解决这种不平衡用户的电机和变压器会出现过热。

1.3.5波形畸变

波形畸变是指电压或电流波形偏离理想正弦波形的稳态变化，其特征为频谱的内

容。波形畸变有五种主要类型：直流偏置、谐波、间谐波、陷波和噪声。

直流偏移指的是交流系统中存在直流电压或电流。这种现象发生在地磁干扰，或

者半波整流的影响下。交流系统中的直流电流是有害的，增加了变压器的饱和度和其他的负面影响。

谐波指的是基频整数倍的正弦电压或电流，与基频电流或电压迭加在一起，产生

了波形的畸变。波形的畸变可以通过谐波频谱来衡量，最普遍的方法是计算谐波畸变率。谐波是由系统中非线性的设备或负荷产生的，包括逆变器、电弧炉、静止无功补偿器、电子相角控制器、开关切换器、PWM控制器等。这些设备可以看作电流源，注入谐波电流，谐波电流通过阻抗产生非线性电压下降，引起电压变化。谐波电流导致系统和用户的旋转电机、变压器、保护设备过早损坏或误动，引起用户电能系统的谐波谐振等，破坏了系统的正常运行和测量的精度。随着电力电子设备的广泛应用，谐波畸变引起越来越多用户和电力系统部门的关注。

间谐波发生在所有电压等级的电网内，表现为离散的频率或宽带的频谱。间谐波

的畸变源是静止变频器、循环换流器、感应电动机和各种电弧发生装置，电力线上的载波信号也可以看作是间谐波。间谐波的影响目前还不很清楚，已经证实的是会影响电力线的载波信号以及使显示装置产生视觉闪变。

陷落是电力电子设备正常操作时，由一相换流至另一相时，在两相间发生瞬时短

路所产生的周期性的电压干扰。电压陷落可归纳为谐波畸变和电磁瞬态范围的一个特殊的情况。陷落连续发生，是稳态量，所以能通过谐波频谱测得其特征，但由于陷落的频率高，可能不能被用于谐波分析的设备所识别。用于产生连续直流输出的三相整流器是产生电压陷落的最主要原因。

噪声是最一种无意义的电磁信号，可能由电力电子设备、控制电路、电弧发生设

备、晶体管整流负载或电力开关等产生，不正确的接地可能会导致噪声问题的恶化。噪声的大小和频率由噪声源和系统特性所决定，典型幅值小于电压幅值的1%。噪声干扰微机和控制器，可以用滤波器、隔离变换器等减轻噪声的危害。

1.3.6电压波动

电压波动是指电压在电压包络线内有规律变动或随机的变化，大小一般是在

0.95 ~ 1.05pu。任何电流变化大的负荷，尤其是无功变化大的负荷，会导致电压的波动。负荷电流幅值的连续快速变化导致电压的迅速变化，称之为闪变（Flicker），这个专用术语来自电压波动对视觉的影响。在输电和配电系统，电弧炉是产生电压波动的主要原因。电压波动主要是对照明设备产生影响，一般说来小于7%的变化对于用户负荷没有太大的影响。

1.3.7频率变动

频率变动直接受系统发电机旋转速度的影响，反映了负荷和发电机功率的平衡。

频率的变化影响旋转电机的运行以及从系统频率获取时钟源的过程。供电企业对于系统频率采用了较严格的控制，因为频率很小的变化都会对发电机和汽轮机的轴产生严重的影响。而用户端频率变化较为普遍。频率同步的错误会发生在较大整流负荷的用

户回路，这些负荷会产生电压陷落，严重时影响波形的过零点，使得控制器在测量频率时发生错误。

各种电能质量的问题目前已引起各国电力部门和科技工作者的高度重视，提高电

能质量的新技术已成为近年来电力系统中的研究热点。

从技术角度讲，提供优质电能是由供用电双方共同保证的（可以将发电厂视为理

想的正弦电压源），因而对电能质量日益关注的原因是多方面的，归纳起来主要有4点：

1）现代用电设备对电能质量的要求比传统设备更高。近十多年来，随着高新技

术、尤其是信息技术的发展，众多基于计算机、微处理器、电力电子装置控制或管理的现代化工业与民用用电设备，精密电子仪器，生产精密度要求特别高的信息工业芯片、微电子元件以至纳米级元件的制造厂等对电能质量更加敏感，受电能质量影响所造成的经济损失和社会损失问题也更加突出。

2）对电力系统运行总效率的重视程度不断加强，特别在用电设备方面表现突出。

但这些设备的使用又会导致电网谐波污染（更广义的称为电气环境污染），致使供电电压干扰水平加重，对电力系统安全运行带来直接的或潜在的危害。例如，高效率电机变速驱动、为降低损耗和校正功率因数而采用的并联电容补偿器，以及大量的电子设备等。

3）电力用户已提高了对电能质量的认识，正在了解如供电间断、电压凹陷、电

路通断引起的暂态现象等实际问题。为满足高效生产流程的需要，维护用电设备的正常运行，越来越多的用户向电力部门提出了高质量供电的要求，甚至通过签定供电合同和质量协议的方式以获得保证。

4）电力网的各个部分都是相互联系的，因此综合协调处理至关重要。任何一个

局部的故障或事件都有可能造成大面积的影响，甚至是重大损失。这迫使供电部门在保证向用户提供优质电力的同时，还需极力避免遭受用电设备产生的电力干扰，维护电网安全运行。因此电能质量已经成为一项系统工程问题。

1.4 电能质量监测的现状

如前文所述，各国都很重视对电能质量问题的研究，电能质量分析仪作为研究中

重要的工具也得到了迅速地发展。

国际上电测量理论和监测仪器仪表技术大致经历了三个阶段：第一阶段电测量技

术主要是对模拟量进行测量；20世纪50年代以来，随着数字电子技术和微电子技术的发展，电测技术和仪表技术逐步向数字化方向发展，早期的模拟式电测仪表逐渐被数字式仪表代替，在这一阶段，以微计算机、独立操作系统、各种标准总线结构为特征，可相互通讯、扩展式仪器和自动测试系统及相应测量技术得到快速发展，并逐步

走向成熟；第三阶段，即20世纪80年代以来，大规模集成电路技术一方面使得控制芯片运算能力大大增强，另一方面使得芯片体积大幅缩小，可以方便地植入仪器内部，从而使仪器具有判断、控制、存储、运算甚至更高的智能化特性。

电能质量监测分析技术是电测与仪表技术针对电力系统电能质量问题派生出的

一个重要分支。众所周知，只有对反映电能质量指标的电参量进行实时准确的测量，才能为下一步分析判断这些指标是否满足国家标准做好准备，因此，随着电力系统和电力用户对电能质量问题日益重视，关注的焦点越来越集中于引进先进科学的测量技术和使用准确可靠的测量仪器。目前国内市场上用于电能质量分析的仪器多数是国外厂商的产品，如LEM，AMETEK，FLUCK等，这些产品一般都具有对电压、电流、有功、无功等参数进行测量的功能，部分产品还具有记录电压的闪变和跌落、捕捉暂态事件以及提供分析报表等功能。

这方面典型的代表为LEM公司TOPAS1000系列，Rochester公司（现已被AMETEK

公司兼并）ACE4000系列的电能质量分析仪，日本日置公司（HIOKI）开发的3193系列电能质量分析仪、谐波测试分析仪，FLUCK公司生产的 Fluke43型手持式供电质量分析仪，瑞典联合电力公司（UNIPOWER）开发的 U900F 便携式电能质量分析仪等。它们都是采用了嵌入式的CPU控制数据的采集和处理，构成独立的采样前端与数据存储装置，然后手动或自动下载数据至微机上，利用与之配套的电能质量分析软件对获取的数据进行进一步的分析。 优点是设备的集成度较好，便于携带，工作环境与分析用的计算机系统无关。但是对数据的分析工作还是要交由微机来后期完成，前端的数据存储容量有限不可能实现长期的在线监测和完备的数据记录，而且价格偏贵。

国际测控技术正向网络化发展，出现了“网络就是仪器”的概念，电能质量在线

监测也正在适应这个潮流，利用网络实现电能质量的远程监测和网络化管理。瑞典联合电力公司最新开发的PQSecure在线式电能质量监测分析系统和LEM公司开发的PQFIX电能质量监测装置都可以非常灵活地利用现有通讯接口（RS232、RS485、MODEM、局域网等）实现电能质量网络化监测。

虽然电能质量问题的研究已逐渐成为当前的热点，但是相对国外而言，国内对电

能质量监测装置的开发研制比较落后，大多数厂家采用的是单片机结构，这些仪器性能单一，通用性和扩展性差、开发和维护相对复杂，已不能满足市场的要求；还有部分高校和科研部门，开发出基于硬件 DSP 技术的电能质量监测装置。

1.5 本文的主要工作

目前，国内外对电能质量的监测方式大致分为三种：专门测量、定期或不定期检

测以及在线监测。

1）专门测量，即对各种干扰负荷或补偿设备，如电弧炉、换流设备、电容器组、

滤波器等在接入电网前后，测量这些设备对电网电能质量各项指标的影响，通过与国家相关标准对照，决定其是否可以投运。

2）定期或不定期检测，即针对普通电力干扰源，根据干扰的大小、危害程度和

需要等采取定期或不定期检测方式。定期检测多用于电网电能质量的定期普查，主要目的是全面了解全网电能质量水平和干扰源的特性；不定期检测主要是针对电力用户的特殊电能质量问题进行检测分析。

3）在线监测，也称为连续监测、全过程监测或日常监测等。即对于大型干扰源

如炼钢厂、电气化铁路等必须按照电能质量标准，对电压偏差、频率偏差、谐波、电压波动和闪变、三相不平衡等指标进行连续跟踪监测。

目前，国内对电能质量各项指标的测量大多数还处在专门测量和定期或不定期检

测阶段，没有形成对电能质量的长期连续监测，在电能质量问题日益严重并日益受到重视的今天，前两种方式显然已不满足需要。因此，当前电能质量测量装置应向在线监测方向发展，并形成网络化，对全网多个监测点进行全面的监测分析，建立起表征电能质量的真正有用的数据库。这样，就可以在供配电系统和用电设备运行失效之前，能捕获到其早期的故障信息，以便在毁灭性打击之前，提醒人们对供、用电设备的运行状态进行调整和预防检修。

在实际的电力系统当中，由于系统负载的情况是随时不停地变化的，电能质量也

在动态地变化。因此，对系统的电能质量状态进行实时在线的监测、分析和统计具有很大的意义：

1）通过对电能质量的监测，可为电力部门提供电力系统运行的基本状态和性能

情况，据此了解电网电能质量水平和存在的问题，从而对电网的性能做出正确和全面的评估。

2）通过对电力设备和用户设备投入运行前后网络性能的监测，检验电网电能质

量的变化对有关设备的影响，以及用户负荷对系统电能质量的负作用。以便用户了解电网电能质量的情况，正确选择适应于电能状况的用户系统。

3）确定具体问题的特征。主要是对特定系统的电能质量问题进行监测，以便找

出问题的根源，给出解决问题的办法以及采取相应的对策及预防措施。

4）增强和提高整个电力系统的电能质量。通过实时监测，可进一步研究各种改

善和提高系统电能质量的方法和技术，在此基础上，通过实施网络的改进，设计各种新型的补偿设备，从而提高各种电能质量的指标，使电能质量得以优化。

本文的主要工作有：

1）参考国内外的文献资料，对电能质量的基本概念、电能质量的主要问题进行

归纳总结，阐述了对电能质量进行在线远程监测在生产实践中的重要意义。

2）根据现已颁布的国家电能质量标准，归纳各种电能质量指标的监测及计算方

法，为电能质量远程在线监测仪的研制提供依据和算法。

3）分析比较了国内外各种电能质量分析仪产品和设计方案，根据目前电力系统

的实际需要，设计并实现了电能质量远程监测系统。完成了电能质量远程监测系统的总体设计，实现了系统软、部分硬件的功能，并在此基础上提出了展望。

4）完成了程序的远程发布，监测数据的网络传输等工作。

2 电能质量标准及各项指标的检测

2.1 电能质量标准[7][8][9][10][11]

电能质量标准是保证电网安全经济运行、保护电气环境、保障电力用户正常使用

电能的基本技术规范，是实施电能质量监督管理，推广电能质量控制技术，维护供用电双方合法权益的法律依据。

从20世纪六七十年代开始，世界各国几乎都制定了有关供电频率和电压允许变

动的计划指标，部分国家还制定了限制谐波电压和电流畸变、电压波动等推荐导则。近十几年来，许多工业发达国家已经制定和颁布实施了更加完备的电能质量系列标准。

从20世纪80年代初到2001年，我国先后制定并颁布了电能质量的六项国家标

准：

GB 12325 —1990 电能质量 供电电压允许偏差

GB 12326 —2000 电能质量 电压波动和闪变

GB/T 14549 —1993 电能质量 公用电网谐波

GB/T 15543 —1995 电能质量 三相电压允许不平衡度

GB/T 15945 —1995 电能质量 电力系统频率允许偏差

GB/T 18481 —2001 电能质量 暂时过电压和瞬态过电压

这六项电能质量国家标准的摘要如表2.1所示。

其中“GB”为强制性国家标准的代号，“GB/T”为推荐性国家标准代号。

从现有的国家标准不难看出，我国的电能质量标准体系还很不完善，如有些指标

已经是工业生产中急需提出的，但目前仍没有作出必要的规定，缺少相应的检测推荐方法和测量精度等的规定，有些指标的科学性和可操作性差等，而且还缺少完整的技术指导、行业规程和导则。因此，建立全面的电能质量标准体系仍有大量的工作需要展开。

2.2 电能质量指标及其测量

本文只研究测量前五个国家标准中规定的几个电能质量指标，即供电电压允许偏

差、供电电压允许波动和闪变、公用电网谐波、三相电压允许不平衡度以及电力系统频率允许偏差等。

2.2.1供电电压允许偏差

适用于暂态和非正常情况。

电压偏差计算公式为： [12] 电压允许偏差是指在电力系统正常运行条件下供电电压对于额定电压的偏差，不

电压偏差（%）=实测电压 额定电压×100% （2.1） 额定电压

表2.1 六项电能质量国家标准摘要

电压超限率（%）=电压超限时间×100% （2.2） 电压监测总时间

电压超限时间 电压合格率（%）= 1 ×100% （2.3）电压监测总时间

电压偏差一般是由线路的电压损耗或者系统无功功率不足造成的。电压偏差超标

对用电设备和电网稳定以及经济运行都有十分严重的影响。

由于电网中各点的电压值不同，故整个电力系统必须设置足够数量并具有代表性

的发电厂、变电所、配电网以及各电压等级用户的电压监测点。

电压波形的瞬时值表达式为：

（2.4） u(t)=2Usin(ωt+α)，

ω=2πf=2π T

式中U为电压均方根值；α为初相角；ω、f和T分别为角频率、频率和周期。

相电压和相电流的方均根值定义为：

U=1τ2udt （2.5） ∫0T

1τ2I=idt （2.6） T∫0

有功功率定义为：

P=1

T ∫uidt （2.7）0τ

对信号u(t)、i(t)进行离散化采样，得到离散化序列{uk}、{ik}，则

1N 12U≈ ∑uk Tk （2.8）Tk=0

N为 Tk为相邻两次采样的时间间隔；uk为第k个时间间隔的电压采样瞬时值；

一个周期内的采样点数。

如果采样间隔相同，即 Tk= T，则N=T，电压有效值变为： T

U=

同理，电流有效值为： 1N∑uk=0

N 1

k=0N 12k （2.9） I=1N∑i2

k （2.10）

将周期T等分为N份，当N足够大时，间隔 t足够小，这时式2.7可变为：

1N 1

P=∑(ukik t) （2.11）Tk=0

其中T=∑ t

k=0N 1

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