基于LabVIEW與FPGA的電力諧波實時在線檢測系統

李欣蔓，張永明

（上海大學 機電工程與自動化學院，上海 200444）

電網中存在大量具有非線性負載的電子設備，使電網中電力諧波問題日益突出。諧波會增加用電設備的能耗，縮短其壽命，影響整個電網的用電質量[1]。因此，需要消除諧波污染，將諧波含量維持在一定范圍內。對諧波進行精確檢測是解決諧波問題的重要前提。故在此提出基于LabVIEW與現場可編程門陣列FPGA的電力諧波實時在線檢測系統。

FPGA是一種主流的數字系統實現平臺。其運算速度快，接口電路簡便，可靠性高；與DSP相比較，能夠進行并行計算，適用于大量重復性數據處理場合；在程序運行過程中，可以極大提高系統運算速度，提升實時性。LabVIEW是一種程序開發語言，使用圖形化程序框圖進行編程；其環境簡潔，開發簡單，人機交互界面簡便，且能夠支持FPGA產品，有助于大幅縮短開發周期[1-2]。

所提出的檢測系統采用LabVIEW開發上位機，CompactRIO平臺上的FPGA作為下位機[3]。采用美國國家儀器（NI）公司的LabVIEW編輯上位機程序，通過串口通信控制下位機進行信號采集、調理、分析和數據交換，并將結果傳送并顯示至上位機。

1 諧波檢測系統總體設計

基于LabVIEW與FPGA的電力諧波實時檢測系統的總體結構如圖1所示。傳感器采集高電壓大電流電源信號，進入調理電路經屏蔽、變換、放大后，得到數據采集卡允許輸入范圍內的電信號。CompactRIO平臺上的NI9220進行數據采集與A/D轉換，將轉換后的數據發送至RIO-9035的實時控制器進行處理，借助以太網將數據傳送至上位機。上位機使用LabVIEW設計框圖程序，在前面板顯示用戶操作界面，設置信號參數，顯示波形和輸出結果，并通過串口實現上位機與下位機的信息交互。

圖1 系統總體結構Fig.1 System general structure

諧波檢測系統由信號測量轉換、模數轉換、數據分析與管理4個模塊組成。其中，信號測量轉換模塊包含電壓電流互感器及信號調理電路，將電網信號轉變為符合ADC輸入要求的小幅值信號；模數轉換模塊將小幅值電信號轉為數字信號，并將其傳送至數據處理模塊；數據分析模塊以FPGA為運算核心，對ADC的采樣信號進行處理；數據管理模塊對各項電能質量參數進行數據管理，完成顯示、存儲及通信及人機交互功能。

2 系統硬件設計

系統硬件設計包含電壓傳感器、電流傳感器、信號調理電路及CompactRIO系統。

在含諧波源的電網中，電壓傳感器和電流傳感器分別將高電壓（690 V）、大電流信號（800 A）轉換成低電壓（±10 V）、小電流信號并傳輸至調理模塊。經過調理電路，輸出信號轉換為0～10 V電壓信號，滿足數據采集模塊的采樣要求，并消除可能由高頻信號引起的頻譜混疊現象。

2.1 調理電路

信號調理電路包括HS-DRB模塊、HS-SCB模塊、HS-IPM-DV模塊及IPM模塊。其中，HS-DRB模塊完成電機側與電網側的交流電壓、母線電壓采樣電阻限流；HS-SCB模塊實現電機側電壓電流與電網側電壓電流等模擬采樣信號調理、電機側與電網側PWM信號轉接及開關信號控制轉接等；HS-IPMDV模塊作為電機側電壓與電網側PWM信號隔離驅動，并提供IPM模塊故障保護信號。電路的電機側與電網側的電能參數調理設計分別如圖2、3所示。

圖2 電機側電能參數Fig.2 Power parameters at motor side

圖3 電網側電能參數Fig.3 Power parameters at grid side

2.2 CompactRIO系統

CompactRIO系統包含實時處理器、可重新配置的FPGA芯片及熱插拔工業I/O模塊。通信交互過程如圖4所示，上位機運行主機VI與下位機通信實現人機交互；實時處理器RIO-9035執行Lab-VIEW Real-Time VI與主機通信，實現數據采集、記錄、分析與控制；FPGA為運算核心，執行LabVIEW FPGA VI實現NI板卡的底層配置與采樣信號的數據處理；其中，I/O模塊采用NI-9220模擬輸入，每個通道提供±10 V的測量范圍，以及16位測量精度，采樣率可達100 kS/s/ch。

圖4 系統通信結構Fig.4 System communication structure

3 系統軟件設計

系統軟件采用美國國家儀器（NI）公司的Lab-VIEW軟件進行開發。LabVIEW運用圖形化編輯語言G組合多個功能模塊，在上位機實現系統啟停控制、波形及參數顯示保存、諧波分析與越限報警等功能。

3.1 諧波分析的基本原理

諧波是周期性交流信號進行傅里葉分解得到的頻率為基波的整數倍的分量。在滿足狄利赫里條件時，周期為T=2π/ω的非正弦波形可分解為式（1）中的傅里葉級數，即

式中：Ansin（nω0t+φn）為n 次諧波項；An為n 次諧波幅值。由此獲得與基波頻率及其整數倍相同的分量。

通過快速傅里葉變換FFT（fast Fourier transform）對電網諧波的連續時間信號進行采樣和A/D轉換，獲取離散的頻域信號。基于FFT加Hanning窗進行信號截斷，改善因信號頻率與采樣頻率不同步引起的頻譜泄漏。Hanning窗的表達式為

通過加Hanning窗FFT波形分析[4]，獲取各次諧波含有量、各諧波幅值與相位、總諧波畸變率及諧波功率等參數。

3.2 基于LabVIEW的諧波分析

諧波分析的軟件設計如圖5所示。供電箱提供測試信號源，經過調理電路，源電壓電流可轉換成數據采集模塊允許范圍內的值。FPGA VI中設置FPGA采樣頻率，采用NI9220輸入輸出模塊采集16通道的信號源，使用FIFO順序寫入數據緩存；Lab VIEW RT VI中設置RT讀寫頻率，使FIFO讀取FPGA VI數據至各通道，為各通道引入共享變量，該共享變量可用于HOST VI進行數據分析和處理。

波形畸變一般采用總諧波畸變率THD（total harmonics distortion）表示，即

式中：A1為基波幅值；An為n次諧波幅值；n為總諧波次數。國標規定的各級諧波源的電壓THD見表1。

圖5 LabVIEW平臺的諧波分析Fig.5 Harmonic analysis on the platform of LabVIEW

表1 各級諧波源的電壓總諧波畸變率Tab.1 Voltage THD of multiple harmonic sources

4 試驗測試及結果分析

試驗對信號源的諧波進行分析與測試。試驗電壓220 V，基波頻率50 Hz，在相同試驗條件下，同時選取專業諧波測試儀器和在線檢測系統進行測量。

試驗結果表明，與現有的試驗儀器比較，在相同試驗環境下，諧波在線檢測系統測量值能達到專業儀器的同等測量精度，且測得的諧波次數更高。現有的諧波測量儀器能測得40次諧波，在線檢測系統能達到50次及以上，且測得THD滿足國家標準。與專業測試儀器相比較，基于現有的電力諧波在線檢測系統，可進行更多檢測功能的拓展，包括電壓閃變模塊等，擴展性好，性價比高。

5 結語

文中提出的一種電力諧波實時檢測系統能夠在上位機直觀展示諧波分析過程，在線檢測諧波分析結果，且達到專業儀器測試同等精度水平。該實時檢測系統以上位機為載體通過LabVIEW設計諧波分析程序與圖形界面進行人機交互。下位機CompactRIO平臺上的FPGA通過調理電路、傳感器等與待測電網連接，完成數據轉換與測量，通過以太網及串口與上位機通信，實現數據交互計算。在線檢測系統設計靈活，簡便直觀，可塑性強，可根據測試需求進行功能更改和擴展。試驗結果驗證測量精度高，滿足測量需求。