基于LabView的間諧波檢測

劉含露 林綠浩

（湖北咸寧供電公司，湖北 咸寧 437100）

伴隨著現代工業化的快速發展，各種非線性負荷例如變頻裝置、換流設備、電氣化鐵道、電弧爐以及節能燈和電視機等在電網中越來越廣泛地被采用。由于非線性負荷引起的諧波和間諧波反饋到電網中，導致公用電網中的電壓/電流波形產生畸變，嚴重的污染以至于影響電網環境。間諧波會產生閃變，導致屏幕閃爍，造成濾波器諧振、過負荷，引起感應線圈噪聲，干擾電力載波通信以及引起過零點檢測誤差等，對電網中的電力設備的安全運行造成巨大危害。國內外學者對諧波已經進行了大量研究，間諧波由于其本身頻率是基波的非整數倍，幅值又遠小于基波和諧波的幅值的特點，檢測的難度也遠大于諧波。隨著對諧波研究的深入，間諧波引起的危害也越來越受到人們的關注。我國于 2009年頒布了《公用電網間諧波 GB/T 24337-2009》[1]，并于2010年開始實施。新標準的頒布可以看出電力部門越來越重視間諧波對電網危害，因此，對間諧波進行測量和治理具有重要的現實意義。

1 間諧波檢測方法

在理論研究和實際應用方面，現有的間諧波檢測算法主要有：加窗FFT算法[2]、參數化譜估計[3]、小波變換[4]、人工神經網絡等[5]。文獻[6]中提出一種新的離散傅里葉變換和迭代算法的計算方法來檢測間諧波，并稱之為迭代傅里葉（IDFT）算法。

IDFT算法是一種基于離散傅里葉變換和迭代算法的頻譜分析方法，該算法的原理是，首先對信號選取矩形窗內信號基于核函數的變換，再取該變換同無窮時間區間上信號的傅里葉變換偏差的平方為目標函數，通過解這個目標函數最小的微分方程來得到一個核函數表達式，然后根據求得的矩形窗內信號的基于該核函數的變換，通過迭代求解出信號中各分量的頻率，最后根據間諧波的特點，推導出求解間諧波參數（主要是幅值和相位）的表達式。

2 LabView實現IDFT算法

LabView利用控件圖標和連線將復雜、籠統的語言編程簡化為簡單的圖形化編程[7]，將用戶從復雜的編程工作中解放出來。但是當所編寫的程序較為復雜的時候，程序框圖里面的控件和數據的連線分布很密，程序的可讀性較差，并且影響程序的修改和編輯。

2.1 調用Mathscript節點實現IDFT算法測量間諧波

LabView中帶有各種功能不同的節點，MathScript節點是其中之一[8]。在程序框圖中選中控件選板，MathScript節點處于“函數—編程—結構”模板中，MathScript節點的特殊性就在于它是LabView中唯一的一個與Matlab腳本語法兼容、可以運行Matlab中 M文件的節點。并且在 LabView中使用MathScript節點進行編程運算時，我們無需安裝Matlab軟件就可以使用MathScript節點，進行M文件的建立及執行。

IDFT算法首先是用Matlab語言編寫的，因此在實現 IDFT算法時，我們首先考慮到的是利用Mathscript節點直接調用已經寫好的M文件。通過LabView數據采集卡采集數據，將采集到的數據由Matlab程序進行處理計算，最后通過LabView前面板顯示間諧波的測量結果。

在文獻[8]中葉介紹了利用Mathscript節點進行間諧波測量的方法。但是在對間諧波進行實時測量時，隨著時間的增加數據量會不斷的增大。而計算機的數據存儲容量有限，如果將數據以二進制的形式保存則可以計算機的存儲節約空間，因此選擇先將測量的數據以二進制的形式進行保存，這樣數據內存的占有空間就小得多。利用 Mathscript節點實現 IDFT算法的程序框圖如圖 1所示，中間的Mathscript節點中的程序即為IDFT算法的M文件。程序用一個 While循環來保證程序的連續運行采集數據。點擊運行程序后，首先創建一個名為Binaryfile.date的二進制文件，并將其屬性選擇僅寫入，并且由用戶選擇將二進制文件保存的位置；其次數據采集卡進行數據采集，Mathscript節點里的程序將采集到的信號進行分析計算處理，同時測量到的間諧波的幅值/頻率/相位以數組的形式不斷的寫入二進制文件，并且將幅值、相位和頻率通過創建XY圖的形式在前面板生成幅頻圖和相頻圖；最后程序停止運行并且關閉二進制文件。

圖1 Mathscript節點實現IDFT算法程序框圖

這樣測量得到的二進制文件是不可讀的，需要轉化成可讀的文本文件。利用LabView編寫讀取二進制文件程序，程序通過順序結構實現先讀取數據再寫入Excel保存，間諧波測量結果寫入Excel的程序圖如圖2所示。

圖2 間諧波測量結果寫入Excel程序框圖

2.2 利用LabView自帶函數實現IDFT算法測量間諧波

在調用Matlab節點進行間諧波測量時，由于軟件需要通過調用外部的節點來進行間諧波的測量計算，這樣程序運行的時間就不便于控制，也就是在采樣時間上不能得到精確地控制，調用Matlab節點會使程序運行上面有延誤。LabView中自帶有相當多的函數，IDFT算法從計算上來看主要是通過矩陣的計算，不斷的迭代來實現的，因此可以考慮完全利用LabView中自帶的函數來實現IDFT算法，以減小由于調用外部節點進行計算而引起的時間上的延誤。運用LabView自帶函數實現IDFT算法的程序框圖如圖3所示。

圖3 LabView自帶函數實現IDFT算法程序框圖

3 測量結果

為了驗證 IDFT算法的準確性，進行了采用LabView自帶函數實現 IDFT算法測量間諧波的仿真實驗。設仿真信號為

式中，采樣時間分別為0.2s和0.12s，采樣的頻率為1000Hz。仿真結果如圖4和圖5所示。

圖4 采樣時間為0.2s時間諧波檢測圖

圖5 采樣時間為0.12s時間諧波檢測圖

從圖4、圖5可以看出，采用LabView自帶函數實現 IDFT算法準確的檢測出了間諧波。幅頻圖上波峰周圍的幅值迅速下降，說明受頻譜泄漏的影響非常的小。當ts=0.12s時，并沒有受到柵欄效應的影響，測量出的間諧波的頻率、幅值和相位仍然準確，一般都是采取更短的采樣時間來避免非同步采樣的影響，當采樣時間更短時，IDFT仍然能夠準確的檢測出間諧波，說明 IDFT算法受非同步采樣的影響非常的小。

4 結論

文章介紹了兩種編程方法在LabView軟件上實現了 IDFT算法的間諧波檢測。一種通過調用MathScript節點實現 IDFT算法，LabView中的MathScript節點在運行時不需要安裝任何第三方軟件（Matalb等），在LabView環境中即可完成Matlab中 M 文件的創建和執行。該方法通過直接調用Matlab中的M文件實現算法，缺點是由于外部調用節點程序的運行時間難以控制；考慮到調用MathScript節點實現IDFT算法時，程序打開和運行時間都相對滯后，是否可以完全利用LabView軟件中自帶的函數及控件實現 IDFT算法，這就是第二種實現方法：完全利用LabView軟件中自帶的函數及控件實現 IDFT算法，無需調用其他軟件的文件來實現程序，程序運行時間可以得到控制，進行間諧波的測量，準確的檢測出了間諧波的成分含量。其次考慮到間諧波檢測時的數據量較大，選擇將測量的數據通過寫入二進制文件保存，再通過讀取二進制文件將測量到的間諧波的頻率/幅值/相位以及圖形在 Excel文件中顯示，便于測量人員直接觀察電網中的間諧波含量。兩種方法都準確的檢測出了間諧波的成分含量，并且檢測結果受頻譜泄漏和非同步采樣的影響非常小，提高了測量的準確性。

[1] 林海雪.公用電網間諧波國家標準介紹[J].供用電,2010,27(6)：8-11.

[2] 錢昊, 趙榮祥.基于插值 FFT算法的間諧波分析[J].中國電機工程學報,2005,25(21)：87-91.

[3] 沈睿佼,楊洪耕.基于奇異值總體最小二乘法的間諧波估計算法[J].電網技術,2006,30(23)：45-49.

[4] 曹健,林濤,劉林,張蔓,崔一鉑.基于最小二乘法和復連續小波變換的電力系統間諧波測量方法[J].電網技術,2009,33(17)：86-90.

[5] 李濤,何怡剛.基于支持向量機與神經網絡的間諧波測量混合算法[J].高電壓技術,2008,34(8)：1710-1714.

[6] ZHANG Q M, LIU H J, et al.A precise and adaptive algorithm for interharmonics measurement based on iterative DFT[J].IEEE Trans on Power Delivery,2008,23(4)： 1728-1735.

[7] 阮奇楨.我和LabVIEW：一個NI工程師的十年編程經驗[M].北京：北京航空航天大學出版社,2009.

[8] 金維剛,劉會金.MathScript在諧波/間諧波檢測系統中的應用[J].電力系統及自動化學報,2009,2(3)：85-89.