基于LabVIEW的中頻電源電能質量分析測試系統設計

張家貴，蓋忠偉

（武漢杭久電氣有限公司 湖 北 武 漢 4 30205）

隨著電力電子技術的廣泛應用與發展，供電系統中增加了大量的非線性負載，會引起電網電流、電壓波形發生畸變，引起電網的諧波“污染”[1]。另外，沖擊性、波動性負荷運行中不僅會產生大量的高次諧波，而且使得電壓波動、閃變、三相不平衡日趨嚴重，這些對電網的不利影響不僅會導致供用電設備本身的安全性降低，而且會嚴重削弱和干擾電網的經濟運行，造成對電網的“公害”。400 Hz中頻電源主要用于飛機機載設備、雷達[2]、導航等航空及艦船等軍用電子設備的特殊場合。也正是由于中頻電源系統的特殊性，市場上的適用于中頻電源的電能質量分析儀不多。

為了實現對中頻電源電源系統電能質量的準確測試，在做了需求分析的基礎上，提出并設計了一種基于LabVIEW的便攜式中頻電源質量分析測試系統（以下簡稱“測試系統”）方案。該系統能夠完成對中頻電源系統電能質量的準確測試。

1 測試系統需求分析

根據系統要求實現6通道模擬量輸入檢測分析，即分別檢測三相相電流及三相線電壓。實時顯示電壓、電流、視在功率、有功功率及無功功率等各種電能參數，最重要的是諧波分析測試功能，可進行31次諧波分析并將各單次諧波以柱狀圖及百分比表格進行顯示。其他功能包括有保存當前數據、報表生成、日志編寫、數據管理等功能。

報表功能應有單次保存記錄所包含的三相線電壓、平均電壓、三相相電流、平均電流、三相有功功率、總有功功率、三相無功功率、總無功功率三相、視在功率、總視在功率、三相功率因數、總功率因數以及三相線電壓、三相相電流的各單次諧波含量的柱狀圖或表格。最后報表中還應包含日志功能中記錄的檢測對象、地點、人員、各個通道的日志。

2 測試系統硬件設計

本測試系統主要硬件有便攜式計算機、數據采集卡、電壓電流傳感器。中頻電源系統的電壓電流經過傳感器變換為低電壓信號，由數據采集卡高速采集送入計算機，經由LabVIEW虛擬儀器軟件進行計算分析。

便攜式計算機選用ACME-850便攜機。機箱采用了抗沖擊型ABS工程塑料制成，內箱為鋁鎂合金，提高了抗震性能，通過風扇前端的金屬屏蔽網和側檔片特殊的EMI處理技術，提高了整機的電磁兼容性能，機箱表面涂有一層陶皮漆。其主要配置為N－852工業雙核主板、酷睿2．2G處理器、DDR2－2G內存、SATA－500G硬盤、高亮度高分辨率的15寸XGA液晶顯示屏并配有航空拉桿箱 ，完全滿足功能需要。

數據采集卡選用凌華公司的DAQ－2502型號數據采集卡。它有4路模擬電壓輸出，輸出范圍0～±10 V、最大更新率1MS/s、12位分辨率、8K板載FIFO；另有8路單端模擬輸入，輸入范圍0～±10 V、14位無誤碼分辨率、最高400 kS/s采樣頻率。另外還有豐富的數字接口，計數器/定時器等應用。

電壓電流傳感器均采用瑞士LEM公司工業用高性能傳感器，測試精度高、性能穩定。

3 測試系統狀態確定

系統有初始化、空閑、運行、保持及退出5個狀態。其狀態轉換如圖1所示。系統啟動時進入初始化狀態，加載上次用戶的設置參數后進入空閑狀態，等待用戶的按鈕操作。在空閑狀態下系統的輔助功能“數據管理”與“故障診斷”可以使用，同時可以配置用戶參數。空閑狀態下點擊“運行”按鈕，進入運行狀態，這時數據采集卡開始采集數據，系統處理計算后顯示在窗口中。運行狀態下點擊“停止”，系統返回到空閑狀態。如果點擊“保持”狀態，這時系統停止采集，可以進行數據保存操作，保存停止采集前一時刻的所有數據和設置。系統后臺進一步可對保存的數據進行計算分析。

圖1 測試系統主要工作狀態Fig．1 The main work of the state testing system

4 測試系統軟件設計

對中頻電源電能質量分析主要是針對檢測到的電壓、電流信號進行諧波分析。頻譜測量與分析是軟件部分計算分析的核心。諧波分析的目的是求出各次諧波的幅值和相角，針對不同類型的諧波，有相應的分析方法。對于穩態諧波通常使用FFT算法，此外，還有快速Hartley變換(FHT)算法，離散W變換等等；對于暫態諧波，有改進的FFT分析，小波變換等方法[3]。LabVIEW帶有的擴展庫函數的通用程序及專業的數學分析程序包，可以滿足復雜的工程計算和分析要求，利用諧波失真分析函數可以快速而準確地計算出基準頻率、各單次諧波分量的幅值，減少了軟件開發工作量。

下面著重介紹測試系統軟件系統的設計。

4.1 LabVIEW軟件

LabVIEW (Laboratory Virtual InstrumentEngineering Workbench)是一種用圖標代替文本行創建應用程序的圖形化編程語言。其外觀和操作均模仿現實儀器，這一點的設計，大大方便了傳統的儀器工程師，也是其成功的一個重要因素。虛擬儀器的核心技術思想就是“軟件即是儀器”，由此突出了軟件在虛擬儀器系統中的重要性。美國NI公司在Microsoft公司的Windows誕生之前，就已經在Macintosh計算機上推出了LabVIEW2．0以前的版本，通過長期、系統、有效的研究和發展，逐步確立了LabVIEW在虛擬儀器編程軟件中的主力地位。它的出現終于把人們——尤其是傳統儀器工程師和科學家們從繁雜的編程工作中解放出來，使他們能夠真正專心于自己所關注的事情[4]。

4.2 軟件系統主要模塊功能模塊劃分

在LabVIEW中編制程序應當采用模塊化、結構化的編程思想。LabVIEW的基于數據流控制與結構化編程中的信息流相呼應。采用結構化方法實現調試儀這樣一個復雜的系統無疑是較好的選擇。

根據測試系統的功能需求，可將系統軟件分成五大功能模塊，分別為IO設置模塊、數據顯示模塊、數據處理模塊、數據管理模塊及報表管理模塊，如圖2所示。在確定了測試系統的功能并劃分軟件系統各主要功能模塊后，就可規劃主要程序結構和程序。

圖2 測試系統主要功能模塊Fig．2 The main function of the module test system

4.3 軟件系統層次劃分

我們采用自頂向下的設計方式，將系統分為3層：主界面層、邏輯功能層和底層。“主界面層”主要包括主人機界面和系統總體控制。“邏輯功能層”負責系統的各種邏輯功能，例如I/O設置、數據采集、數據處理、數據管理和數據查詢等。“底層”則是一個個按照基本功能劃分子VI，供給高層次VI調用。采用調用子VI的形式來實現模塊之間的調用和關聯。當調用子VI時，系統需要花費很少的開銷，大概幾十毫秒的時間。測試系統的軟件層次結構圖3所示。

4.4 軟件系統各任務優先級設計

基于LabVIEW的中頻電源檢測系統是一個多功能多任務系統，是以多任務并行的方式運行的[5]。為了優化系統資源的使用情況，保障各功能模塊準確完成任務，即使響應用戶需求。測試系統主要任務優先級分配如下：

圖3 測試系統軟件系統層次Fig.3 Test system software level

信號發送采集任務優先級最高，一旦啟動采集，只有進入保持或是停止時才會停止采集，為第1等級；數據處理任務優先級次之，數據采集好后要進行軟件濾波和計算電能質量參數，為第2等級；數據顯示任務將采集回來的數據實時地顯示在圖表里面，任務優先級也為第2等級；數據管理任務與生成報表任務都是在系統不進行數據收發的時候才能啟動。故列為第3等級。

在 LabVIEW上編寫多任務程序非常方便，LabVIEW是自動多線程的編程語言，只要 VI的代碼可以并行執行，LabVIEW就會將它們分配在多個執行線程內同時運行。一般情況下，編寫程序時應當遵循這樣的原則：可以同時運行的模塊就并排擺放，千萬不要用連線，順序框等方式強制它們依次執行[6]。在并行執行時，LabVIEW 會自動地把它們安排在在不同線程下同時運行，以提高程序的執行速度，節省程序的運行時間。

4.5 軟件總體架構

圖4是測試系統軟件的總體架構。其主要要點是：用while循環實現系統狀態機，用事件結構監控界面按鈕事件(用戶點擊各種按鈕)和用戶自定義事件，上述2者用事件進行同步，在狀態機的“運行子狀態”中，用隊列同步數據采集和數據處理顯示。

圖4 測試系統軟件總體架構Fig.4 Test system software level

4.6 用戶主界面程序設計

如圖5所示，測試系統軟件用戶界面共分為6個部分：1)為檢測對象選擇控件；2)為電壓、電流波形圖顯示通道選擇控件；3)為電壓、電流波形圖顯示；4)為電壓、電流、功率等電能質量分析顯示；5)為軟件控制菜單控件；6)為諧波分析顯示。

5 結論

圖5 測試系統軟件用戶界面Fig.5 Interface chart of the test system

該測試系統采用具有高速數據采集卡的便攜式測試計算機為硬件平臺，軟件設計采用LabVIEW中編制程序采用模塊化、結構化的編程思想，提高了系統的可靠性和維護性。該測試系統已裝備于某型船舶的中頻電源系統，實際應用表明該測試系統具有測試準確、穩定可靠、人機界面友好等特點，達到了設計要求。

[1]陳昭平.虛擬儀器技術在電能質量監測系統中的應用[D].成都：西南交通大學,2006,26-34.

[2]譚漢興,李孝全,白小青.大功率中頻靜變電源在制導雷達中的應用[J].現代雷達,2002,20(9):82-86.TAN Han-xing,LI Xiao-quan,BAI Xiao-qing.Application of high capacity medium frequency solid power supply for guided radar[J].Modern radar,2002,20(9):82-86.

[3]周文暉,李青,周兆經.采用小波多分辨率信號分解的電能質量檢測[J].電工技術學報,2001,16(6):81-84.ZHOU Wen-hui,LI Qing,ZHOU Zhao-jing.Wavelet multiresolution signal decomposition of power quality detection[J].Electrotechnical Society,2001,16(6):81-84.

[4]楊樂平,李海濤.LabVIEW高級程序設計[M].北京:清華大學出版社,2003.

[5]王成剛,杜潤生.計算機監控系統實時多任務調度策略在LabVIEW平臺上的實現 [J].測控技術,2001,10(3):47-49.WANG Cheng-gang,DU Run-sheng.Scheduling the Realtime Multitasks of Computer Measurement and Control System By Using LabVIEW[J].Measurement and Control Technology.2001.10(3):47-49.

[6]程學慶,房曉溪,韓薪莘等.LabVIEW圖形化編程與實例應用[M].北京:中國鐵道出版社,2005:50-75.