基于LabVIEW的市電諧波檢測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

滿高華 寧存岱

【摘 要】文章設(shè)計(jì)了一種基于LabVIEW開發(fā)平臺(tái)的諧波檢測(cè)系統(tǒng)，運(yùn)用LabVIEW平臺(tái)和FFT算法開發(fā)諧波檢測(cè)系統(tǒng)軟件，利用互感器、信號(hào)調(diào)理電路采集和處理電網(wǎng)諧波信號(hào)，通過(guò)數(shù)據(jù)采集卡將信號(hào)傳輸?shù)絺€(gè)人計(jì)算機(jī)上的軟件進(jìn)行分析檢測(cè)，實(shí)驗(yàn)結(jié)果證明了該系統(tǒng)的可行性。

【關(guān)鍵詞】虛擬儀器；諧波；快速傅里葉變換

【中圖分類號(hào)】TP274 【文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼】A 【文章編號(hào)】1674-0688（2016）02-0045-04

0 引言

工業(yè)生產(chǎn)及日常生活中大量非線性負(fù)載的使用，易造成諧波污染，這可能導(dǎo)致經(jīng)濟(jì)損失，甚至?xí)a(chǎn)生更嚴(yán)重的后果。要對(duì)諧波污染進(jìn)行有效地治理，就必須對(duì)電力系統(tǒng)的各次諧波含量進(jìn)行準(zhǔn)確地測(cè)量，因此對(duì)電力諧波的檢測(cè)分析具有重要意義[1-2]。

利用虛擬儀器強(qiáng)大的軟件功能，實(shí)現(xiàn)諧波的采集、處理及分析等工作，使用戶可以方便地對(duì)其進(jìn)行維護(hù)、擴(kuò)展和升級(jí)，使分析及控制更加靈活，只需要投入很少的硬件即可開發(fā)出功能豐富的系統(tǒng)[3]。本系統(tǒng)采用以互感器、濾波器和數(shù)據(jù)采集卡組成的數(shù)據(jù)采集模塊對(duì)電力信號(hào)進(jìn)行采樣，并以LabVIEW為開發(fā)平臺(tái)，利用快速傅里葉理論計(jì)算分析各次諧波分量。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，該系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定可靠，檢測(cè)結(jié)果精度高。

1 系統(tǒng)整體設(shè)計(jì)

諧波檢測(cè)系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)如圖1所示，硬件部分主要由互感器、濾波電路、數(shù)據(jù)采集卡和個(gè)人計(jì)算機(jī)組成。軟件部分是核心，軟件部分使用LabVIEW開發(fā)平臺(tái)來(lái)編寫FFT算法（加窗、插值）程序，軟件系統(tǒng)具有諧波測(cè)量、顯示、存儲(chǔ)及回放等功能，還可以實(shí)現(xiàn)參數(shù)設(shè)置、數(shù)據(jù)遠(yuǎn)傳及顯示打印等功能。

監(jiān)測(cè)點(diǎn)電壓、電流信號(hào)經(jīng)過(guò)電壓、電流互感器轉(zhuǎn)換后送入信號(hào)調(diào)理電路進(jìn)行濾波、放大和線性化補(bǔ)償，將該傳感信號(hào)轉(zhuǎn)換為適于高速數(shù)據(jù)采集卡的離散數(shù)字信號(hào)。PC機(jī)上的諧波檢測(cè)VI程序讀取并存儲(chǔ)數(shù)據(jù)采集卡采集的諧波信號(hào)，選用合適的窗函數(shù)對(duì)采樣信號(hào)進(jìn)行加窗處理，再利用雙譜線插值算法將傅里葉變換后的計(jì)算結(jié)果進(jìn)行修正，并將分析結(jié)果顯示、存儲(chǔ)和傳輸。

2 硬件選型

本系統(tǒng)硬件主要由互感器、濾波器和數(shù)據(jù)采集卡組成，選擇合適型號(hào)的硬件是進(jìn)行諧波檢測(cè)的前提。

電壓互感器采用北京新創(chuàng)四方電子有限公司的TVA1421-01小型精密電流電壓通用互感器。該互感器具有以下特點(diǎn)。

（1）既可作電壓互感器，又可作電流互感器使用。

（2）立式穿芯，印刷線路板直接焊接安裝。

（3）精度高，采樣范圍寬，應(yīng)用靈活。

（4）全封閉，機(jī)械和耐環(huán)境性能好，電壓隔離能力強(qiáng)，外形美觀。

（5）相移≤5%，非線性度≤0.1%，線性范圍2倍額定，輸入電壓≤1 kV，耐壓≥6 kV，額定輸入電流9 A，輸出電流6 mA。

為了消除頻譜混疊現(xiàn)象，需將經(jīng)互感器轉(zhuǎn)換而來(lái)的交流小電壓信號(hào)送入有源低通濾波器，除去高頻分量的噪聲信號(hào)。有源低通濾波器采用可調(diào)四階巴特沃斯低通濾波器，頻率截止范圍為0.1 Hz～30 kHz，設(shè)計(jì)采用的截止頻率為3 kHz，因此本系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)60次以內(nèi)的諧波檢測(cè)。

數(shù)據(jù)采集卡選用凌華科技的PCI-9113A數(shù)據(jù)采集卡，該卡主要技術(shù)參數(shù)如下：12位A/D分辨率，32通道單端或者16通道差分輸入，板載1k采樣點(diǎn)A/D FIFO，采樣速率高達(dá)100 kS/s，單極性或雙極性模擬輸入，提供了LabVIEW驅(qū)動(dòng)程序。

3 軟件設(shè)計(jì)

3.1 虛擬儀器與LabVIEW平臺(tái)

虛擬儀器（Virtual instrument，簡(jiǎn)稱VI）是計(jì)算機(jī)技術(shù)與電子儀器相結(jié)合而產(chǎn)生的一種新的儀器設(shè)備。其實(shí)質(zhì)是以通用計(jì)算機(jī)為硬件平臺(tái)，由用戶設(shè)計(jì)定義其測(cè)試功能，由軟件實(shí)現(xiàn)其測(cè)試功能的一種計(jì)算機(jī)儀器系統(tǒng)。它從根本上更新了儀器的概念，具有傳統(tǒng)儀器無(wú)法比擬的優(yōu)勢(shì)。它的出現(xiàn)代表著儀器發(fā)展的最新的潮流和方向[4]。

LabVIEW是一種采用易于編程的圖形化語(yǔ)言G語(yǔ)言的功能強(qiáng)大的軟件平臺(tái)。它采用的是數(shù)據(jù)流編程模式，按模塊之間的數(shù)據(jù)流來(lái)決定程序執(zhí)行的順序，簡(jiǎn)化了科學(xué)計(jì)算、過(guò)程監(jiān)控和測(cè)試軟件的開發(fā)，具有強(qiáng)大的信號(hào)分析和數(shù)學(xué)運(yùn)算功能，提供了豐富的函數(shù)和子程序，被公認(rèn)為標(biāo)準(zhǔn)的數(shù)據(jù)采集和儀器控制軟件。

3.2 程序設(shè)計(jì)及各模塊簡(jiǎn)介[5-6]

本諧波檢測(cè)程序用LabVIEW軟件特有的G語(yǔ)言進(jìn)行開發(fā)設(shè)計(jì)，其主要的程序模塊有數(shù)據(jù)采集模塊、波形存儲(chǔ)及回放模塊、諧波分析模塊、數(shù)據(jù)傳輸模塊、報(bào)表顯示模塊等。

3.2.1 數(shù)據(jù)采集模塊

為了精確地測(cè)量市電信號(hào)的波形，通常使用其最高頻率成分5～10倍的采樣頻率進(jìn)行信號(hào)采集。過(guò)低的采樣率會(huì)導(dǎo)致波形精確度不夠，而使用過(guò)高的采樣率雖然保證了波形精確度，但是也會(huì)增加系統(tǒng)處理信號(hào)所用的時(shí)間，造成系統(tǒng)實(shí)時(shí)性較差。

本系統(tǒng)采用了公式節(jié)點(diǎn)產(chǎn)生所需要的波形，設(shè)置基波頻率為50 Hz，產(chǎn)生的波形疊加上均勻白噪聲后用于仿真實(shí)際的電壓信號(hào)，疊加的信號(hào)經(jīng)過(guò)巴特沃斯低通濾波器進(jìn)行濾波，以消除頻譜混疊后得到所需要的仿真采樣信號(hào)。

3.2.2 波形存儲(chǔ)及回放模塊

數(shù)據(jù)的記錄與回放是測(cè)試系統(tǒng)必須具備的基本功能，本系統(tǒng)采用數(shù)據(jù)記錄文件進(jìn)行存儲(chǔ)，這種存儲(chǔ)方式可以用來(lái)存儲(chǔ)復(fù)雜結(jié)構(gòu)的數(shù)據(jù)，具有簡(jiǎn)單快捷、容易實(shí)現(xiàn)和隨機(jī)訪問(wèn)數(shù)據(jù)的特點(diǎn)。由于本系統(tǒng)準(zhǔn)備存儲(chǔ)的數(shù)據(jù)類型有系統(tǒng)采樣時(shí)間、采樣間隔和采樣信號(hào)，它們屬于不同的數(shù)據(jù)類型，因此使用數(shù)據(jù)記錄文件可以滿足要求。

3.2.3 諧波分析模塊

可對(duì)輸入信號(hào)進(jìn)行諧波分析，包括測(cè)定基波和諧波，返回基波頻率、所有的諧波幅值電平及總的諧波失真度（THD）；可計(jì)算出基波信號(hào)對(duì)諧波信號(hào)的均方值比例SINAD值及系統(tǒng)的標(biāo)準(zhǔn)頻率，將標(biāo)準(zhǔn)頻率乘以采樣頻率即可得到系統(tǒng)的基波頻率；可對(duì)信號(hào)進(jìn)行快速傅里葉變化，其輸出是雙邊的，它同時(shí)顯示了正負(fù)頻率的信息。

根據(jù)《電能質(zhì)量電力系統(tǒng)頻率允許偏差》（GB/T 15945—2008）的規(guī)定：系統(tǒng)的標(biāo)準(zhǔn)頻率為50 Hz，正常的允許偏差為±0.2 Hz，當(dāng)系統(tǒng)容量較小時(shí)，允許偏差為±0.5 Hz。國(guó)內(nèi)各大電力系統(tǒng)的實(shí)際偏差均小于±0.2 Hz的允許值。本系統(tǒng)設(shè)置了基波頻率越限報(bào)警指示燈，如果基波頻率超過(guò)（50±0.5）Hz，則顯示紅色燈報(bào)警。

3.2.4 數(shù)據(jù)傳輸模塊

本系統(tǒng)的遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)傳輸模塊采用LabVIEW開發(fā)軟件中提供的TCP/IP的開發(fā)工具包進(jìn)行開發(fā)，服務(wù)器端主要發(fā)送系統(tǒng)采樣時(shí)間、采樣間隔和信號(hào)頻譜，然后由橫坐標(biāo)初值、采樣間隔和信號(hào)頻譜捆綁攢成一個(gè)簇的頻譜圖，因橫坐標(biāo)初值x0都設(shè)定為0，可不進(jìn)行數(shù)據(jù)發(fā)送，只發(fā)送采樣間隔dx和信號(hào)頻譜值即可。由于在TCP網(wǎng)絡(luò)上是以字符串的形式來(lái)傳輸數(shù)據(jù)的，所以需要采用“強(qiáng)制類型轉(zhuǎn)換”節(jié)點(diǎn)將原始數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為字符串的形式進(jìn)行傳輸。在服務(wù)器端程序框圖中分別采用了3組“寫入TCP數(shù)據(jù)”節(jié)點(diǎn)來(lái)發(fā)送數(shù)據(jù)。與服務(wù)器端程序框圖相對(duì)應(yīng)，客戶端程序框圖也分別采用了3組“讀取TCP數(shù)據(jù)”節(jié)點(diǎn)來(lái)讀出由服務(wù)器端送來(lái)的數(shù)據(jù)。這種方法是TCP/IP通信中常用的方法，可以有效地發(fā)送、接收數(shù)據(jù)，并保證數(shù)據(jù)不丟失。

3.2.5 報(bào)表顯示模塊

實(shí)現(xiàn)將數(shù)據(jù)處理模塊獲得的實(shí)驗(yàn)結(jié)果以報(bào)表的形式顯示在前面板上，以便操作人員查閱和進(jìn)行分析。

諧波檢測(cè)流程圖和諧波檢測(cè)系統(tǒng)程序框圖分別如圖2、圖3所示。

4 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

為了驗(yàn)證本諧波檢測(cè)程序FFT算法計(jì)算諧波的準(zhǔn)確度和精確度，先進(jìn)行仿真信號(hào)檢測(cè)實(shí)驗(yàn)，再進(jìn)行實(shí)際信號(hào)檢測(cè)實(shí)驗(yàn)，根據(jù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果判斷系統(tǒng)的有效性。

4.1 實(shí)驗(yàn)一：仿真信號(hào)測(cè)量

不經(jīng)過(guò)數(shù)據(jù)采集卡直接使用公式節(jié)點(diǎn)產(chǎn)生仿真信號(hào)，該波形信號(hào)的表達(dá)式如下：

y=10*cos（2*pi*Fp*x/F+0.9）+0.2*cos（2*pi*2*Fp*x/F+0.8）

+3.2*cos（2*pi*3*Fp*x/F+0.7）+0.1*cos

（2*pi*4*Fp*x/F+0.6）

+2.3*cos（2*pi*5*Fp*x/F+0.5）+0.12*cos

（2*pi*6*Fp*x/F+0.4）

+1.1*cos（2*pi*7*Fp*x/F+0.3）+0.09*cos

（2*pi*8*Fp*x/F+0.2）

在系統(tǒng)中設(shè)置基波頻率為50 Hz，每周期采樣256個(gè)點(diǎn)，采樣頻率設(shè)置為12 800 Hz，采4個(gè)周期共1 024個(gè)數(shù)據(jù)點(diǎn)，可檢測(cè)至少50次諧波。噪音幅值設(shè)置為0.25，巴特沃斯低通濾波器的截止頻率設(shè)置為2 500 Hz，階次為8次。實(shí)驗(yàn)結(jié)果（如圖4所示）顯示出理論計(jì)算結(jié)果與本系統(tǒng)測(cè)試結(jié)果相一致。

4.2 實(shí)驗(yàn)二：實(shí)際信號(hào)測(cè)量

對(duì)某段時(shí)間內(nèi)的市電信號(hào)，利用互感器與數(shù)據(jù)采集卡進(jìn)行數(shù)據(jù)的采集，然后進(jìn)行諧波分析，獲得的檢測(cè)結(jié)果如圖5所示。由圖5可以看出，該電壓信號(hào)的基波幅值最高，3次、5次和7次等奇次諧波的幅值依次降低，偶次諧波及9次之后的奇次諧波的含量都非常低，幾乎為零。各奇次諧波含有率最高為3.1%（小于4%），偶次諧波含有率最高為0.3%（小于2%），因此該市電諧波含量符合國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)要求。

5 結(jié)語(yǔ)

（1）基于虛擬儀器技術(shù)建立一種諧波檢測(cè)系統(tǒng)，界面友好、多模塊化、易于擴(kuò)展，軟件開發(fā)周期短。

（2）以LabVIEW圖形化語(yǔ)言為基礎(chǔ)構(gòu)建軟件分析平臺(tái)，根據(jù)自己的喜好設(shè)計(jì)諧波分析儀界面，具有強(qiáng)大的數(shù)據(jù)分析、處理能力。

（3）可利用網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行數(shù)據(jù)遠(yuǎn)程傳輸，保證了數(shù)據(jù)傳輸?shù)膶?shí)時(shí)性。

（4）本系統(tǒng)只能檢測(cè)諧波含量的指標(biāo)，其他電能質(zhì)量指標(biāo)的檢測(cè)功能有待完善。

參 考 文 獻(xiàn)

[1]喬和，馮澤中.基于DSP和ARMg的電能質(zhì)量在線監(jiān)測(cè)儀的設(shè)計(jì)[J].儀表技術(shù)與傳感器，2011（2）：29-31.

[2]李國(guó)堯，馬吉恩，方枚同.基于DSP和aLbVIEW的電參數(shù)檢測(cè)系統(tǒng)[J].電測(cè)與儀表，2011（9）：14.

[3]佩青.數(shù)字信號(hào)處理教程[M].第3版.北京：清華大學(xué)出版社，2007：32-34.

[4]魏雯，趙展.一種諧波測(cè)試儀的設(shè)計(jì)[J].內(nèi)江科技，2014（11）：58-59.

[5]艾延廷，黃福幸，李杰.基于LabVIEW的虛擬信號(hào)分析儀軟件設(shè)計(jì)[J].微計(jì)算機(jī)信息，2005（5）.

[6]胡仁喜，王恒海，齊海東.LabVIEW8.2.1虛擬儀器實(shí)例指導(dǎo)教程[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2008.

[責(zé)任編輯：鐘聲賢]