基于Labview的諧波檢測分析儀

何曉波+劉建業

摘 要：因為電力系統大規模接入非線性負荷設備，例如電弧爐、整流器以及變頻器等，非線性負荷設備的廣泛性會產生大量的諧波，對電網安全產生不利的影響。通過準確、及時的檢測電網諧波含量，并以此為依據強化對諧波控制，能夠有效保證電網安全。Labview是一種功能完善、應用廣泛的虛擬儀器技術開發平臺，通過諧波分析子模塊可以準確檢測是否存在畸變信號，以此對諧波以及基波的情況進行準確的反映，并采用加窗函數進行計算，能夠顯著提升諧波檢測準確性和精確性，對諧波實現可靠的分析和處理。

關鍵詞：LabVIEW；虛擬儀器；諧波分析儀

中圖分類號：TH89 文獻標志碼：A 文章編號：2095-2945（2017）34-0019-02

現如今諧波檢測應用最廣泛的方法就是利用采樣轉化的方式，實現模擬信號和離散化數字序列信號之間的轉換，在計算機中輸入離散化數字序列信號，實現傅里葉變換，這樣能夠準確計算出諧波與基波的相位以及幅值。諧波檢測分析儀是用來檢測和分析被測信號中諧波成分的幅值、相角和頻率等參數的儀器。本文說明了諧波的危害，描述了基于Labview的諧波分析的方法、思路和主要功能，并對檢測結果作了簡要分析。

1 諧波概述

非線性負載是電力系統中諧波出現的本質原因。當電流通過負載，和所施加的電壓不呈線性關系時，就產生了非正弦電流，其中就含有諧波分量。因此利用傅里葉分解周期性非正弦電量，可以得到與供電基波相同頻率的分量以及諧波分量，諧波次數的計算公式表示為：

公式中n表示諧波次數，fn表示諧波頻率，f1表示基波頻率，諧波電壓和諧波電流會對用電設備周圍的通信系統和設備產生損害。

2 諧波檢測分析儀的硬件結構

諧波檢測分析儀的硬件結構由五部分組成，分別為計算機、數據采集卡、信號調理電路、電流霍爾傳感器以及電壓。

3 諧波檢測分析儀的軟件設計

Labview軟件開發平臺：

Labview是具有可擴展函數庫和子程序庫的通用程序設計系統，在本文提出的諧波檢測分析系統中，Labview主要實現的功能有數據實時采集、存儲、顯示和諧波分析等。具體實現時分為以下幾大模塊。

（1）主程序模塊。系統初始化程序，設置數據采集卡的初始狀態。（2）模擬數據采集模塊。對模擬信號進行實時采集，將采集的模擬數據生成文件依次保存，并對數據及其波形曲線進行實時顯示。（3）諧波分析模塊。本文采用了Labview軟件自帶的諧波失真檢測函數。此函數能夠有效檢測輸入信號的諧波失真程度，檢測出基波和諧波，統計總的諧波畸變率。

4 諧波的基本分析算法和諧波的度量

4.1 傅里葉變換

實現對畸變波形各種分量分析需要用到傅里葉分解。傅里葉級數的展開式為：

4.2 離散傅里葉變換

通過選擇f（t）在時域離散點值對傅里葉變換進行計算，離散傅里葉變換的概念表示為：選擇復或者實離散時間序列，采用x0，x1，…，xn-1進行表示，假設離散時間序列絕對可和，能

4.3 快速傅里葉變換

離散傅里葉變換的計算量較大，為了能夠達到快速計算的目標，需要對離散傅式變換的相關特性進行分析，如虛實以及奇偶特性等，通過對離散傅里葉變化的算法進行優化，能夠實現快速傅里葉變換。快速傅里葉變換的出現使離散傅里葉變換的運算迅速簡化，計算時間甚至可縮短一、二個數量級之多。

4.4 諧波的度量

在頻域分析中，使畸變的周期性電壓進行傅里葉分解

式中，M表示諧波最高次數，通常取M≤50；？琢n表示第n次諧波電壓初相角；Un表示第n次諧波電壓的方均根值；n表示諧波次數；ω表示工頻（即基波）的角頻率。

THD為總諧波畸變率，表示畸變波形因諧波引起的偏離正弦波形的程度。

5 基于Labview平臺的諧波失真分析

5.1 窗平滑技術

采用矩形窗截斷信號，能夠實現信號的有限時間采樣。值得注意的是，如果窗長不等于信號周期的整倍數，將會導致信號在離散頻譜中出現泄漏的問題。當矩形窗邊界發生突變時，很容易導致泄漏問題的產生，當泄漏發生后將會導致在頻域內產生許多高頻分量。由于泄漏問題的發生，導致頻譜形成一定的畸變，會導致計算結果產生一定的誤差，影響結果的真實性和準確性。用窗函數對采樣數據進行處理，是為了抑制泄漏誤差。窗函數作用于信號的過程用表示為：

5.2 基于Labview的后面板框圖程序設計

使用Labview進行編程時，后面板是程序的圖形化源代碼。框圖程序如圖1所示。本系統使用Sine pattern.vi產生3個初相角為0°的正弦波，采用疊加的方式對其進行處理，并將其形成的信號在海寧窗進行加工。在進行時域信號頻譜計算時，可以采用快速傅里葉變換，這樣能夠實現對時域信號的全面、合理分析，在諧波頻率以及幅值的輸出時，采用數組的方式。在進行總諧波畸變率計算時，需要按照公式5進行計算。本文計算了加窗前以及加窗后的總諧波畸變率，結果如圖1和圖2所示。

5.3 實驗結果及分析

由圖2可知，當輸入頻率不同的三種正弦波，其采樣頻率相同。同時，通過對加窗前后的時域信號圖進行觀察，當兩信號進行疊加之后，其波形發生了一定的變化，即波形不再是正弦波，輸出信號中各諧波的頻率以及幅值，能夠通過該頻譜圖進行觀察。

由表1中可得加窗前和加窗后的諧波總的畸變率THD的檢測結果，并在表2中給出了這兩種檢測方法的誤差比較。

誤差分析：

由表2可知，加了窗函數實際測量THD的誤差更小。

分析諧波失真：非整周期采樣引起的頻譜泄漏是沒加窗實際測量產生誤差的主要原因。因為采樣頻率并不是被測信號頻率的整數倍，進而產生對周期信號的非整周期采樣，從而出現頻譜泄漏，對各次諧波在頻譜上的分布產生了影響，使諧波失真度檢測中產生誤差。加窗函數之后，減少了頻譜泄漏，因此諧波檢測精度大大提升。

6 結束語

Labview是一種功能強大、操作便捷的測試編程軟件，可以利用自身的諧波分析模塊，對電網設備、電流、電壓的基波以及諧波的總畸變、相位以及幅值等進行準確的檢測和計算，對諧波的變化狀況和趨勢進行全面的統計，為諧波的消除和電網的安全運行奠定堅實的基礎。

參考文獻：

[1]周求湛，錢志鴻，等.虛擬儀器與LabVIEWTM Express程序設計[M].北京：北京航空航天大學出版社，2004.

[2]黃純，江亞群，孫梓華.基于虛擬儀器技術的電力諧波測試儀[J].電力自動化設備，2001.

[3]劉兆妍，雷振山.基于虛擬儀器的諧波測量技術[J].電測與儀表， 2001.

[4]侯國屏.LabVIEW7.1編程與虛擬儀器設計[M].北京：清華大學出版社，2005.

[5]George J. Wakileh. 電力系統諧波——基本原理、分析方法和濾波器設計[M].徐政，譯.北京：機械工業出版社，2003.endprint