【正文】 析 24 頻譜分析 26 27 28 29 主要功能 29 技術(shù)指標(biāo) 29第6章 結(jié)論與展望 30 30 30參考文獻(xiàn) 31致 謝 32附 錄 33附錄A　外文資料 34附錄B 小波分析程序 49石家莊鐵道大學(xué)四方學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)第1章 緒 論 研究背景近年來，由于電力電子技術(shù)的飛速發(fā)展，各種電力電子裝置在電力系統(tǒng)、工業(yè)、交通及家庭中的應(yīng)用日益廣泛，各種電力電子裝置的應(yīng)用日益廣泛，諧波造成的危害也日趨嚴(yán)重。公用電網(wǎng)中的諧波電壓和諧波電流是電網(wǎng)環(huán)境最嚴(yán)重的一種污染，諧波已成為影響電能質(zhì)量的公害。近些年來公用電網(wǎng)的諧波污染日益嚴(yán)重，諧波危害的嚴(yán)重性才引起人們的關(guān)注。為解決電力電子裝置和其他諧波源的諧波污染問題，對(duì)諧波的檢測就顯得尤為重要。 課題研究的目的意義隨著全球工業(yè)化進(jìn)程的不斷加快，對(duì)地球環(huán)境的污染和破壞也空前加劇。為此，在全世界范圍內(nèi)掀起了環(huán)境保護(hù)的熱潮。電力系統(tǒng)也是一種“環(huán)境”，也面臨著污染，公用電網(wǎng)中的諧波電流和諧波電壓就是對(duì)電網(wǎng)環(huán)境最嚴(yán)重的一種污染。諧波對(duì)公用電網(wǎng)和其它系統(tǒng)的危害大致可以歸納如下： （1）使電網(wǎng)中的元器件產(chǎn)生附加的諧波損耗，如使電動(dòng)機(jī)引起附加損耗、發(fā)熱增加，過載能力、使用壽命和效率降低，產(chǎn)生脈動(dòng)矩陣。另外降低了發(fā)電、輸電及用電設(shè)備的效率，大量的3次諧波電流流過中性線會(huì)導(dǎo)致中線過熱甚至發(fā)生火災(zāi)。 （2）諧波電流在輸電線路上的壓降會(huì)使用戶端的電壓波形產(chǎn)生嚴(yán)重的畸變，影響電氣設(shè)備的正常工作。諧波使電容器、電纜等設(shè)備過熱、絕緣老化，壽命縮短，一直損壞。 （3）容易使電網(wǎng)與用于補(bǔ)償電網(wǎng)無功功率的并聯(lián)電容器發(fā)生局部并聯(lián)或串聯(lián)諧振，造成過壓或過電流，使電容器絕緣老化，甚至引起嚴(yán)重事故。據(jù)統(tǒng)計(jì)，由于諧波問題引起的電容故障占電容總故障的71％一83％。 （4）導(dǎo)致繼電保護(hù)和自動(dòng)裝置誤動(dòng)作，并使電氣測量儀表計(jì)量不準(zhǔn)，影響計(jì)量精度。 （5）諧波一般通過電容耦合、電磁感應(yīng)及電氣傳導(dǎo)三種對(duì)臨近的通信系統(tǒng)產(chǎn)生干擾，載頻低的信號(hào)受影響更大。輕者產(chǎn)生噪聲，降低通信質(zhì)量，重者導(dǎo)致信息丟失，使通信系統(tǒng)無法正常工作，甚至?xí)l(fā)生危及設(shè)備和人身安全的事故。因此，諧波研究對(duì)于減輕直至消除這些危害，對(duì)于供電和用電設(shè)備的節(jié)能，乃至于對(duì)整個(gè)社會(huì)能源利用率的提高，都具有極其重要的意義。 國內(nèi)外研究狀況諧波檢測是諧波問題中的一個(gè)重要分支，準(zhǔn)確、實(shí)時(shí)檢測出電網(wǎng)中瞬態(tài)變化的畸變電流、電壓，對(duì)抑制諧波有著重要的指導(dǎo)作用，是進(jìn)行繼電保護(hù)、判斷故障點(diǎn)和故障類型等工作的重要前提。目前，電力系統(tǒng)諧波檢測主要是通過諧波電流的測量來實(shí)現(xiàn)，它主要有以下幾種方法：(1)采用模擬帶通或帶阻濾波器檢測(2)基于瞬時(shí)無功功率的諧波檢(3)基于傅立葉變傅立葉變換的方法(4)自適應(yīng)諧波電流檢測法(5)基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的諧波檢測(6)基于小波變換的諧波檢測綜上所述，帶通濾波是早期模擬式諧波檢測裝置的基本原理；瞬時(shí)無功功率理論可用于諧波的瞬時(shí)檢測和無功補(bǔ)償?shù)戎C波治理領(lǐng)域；傅立葉變換是目前諧波檢測中應(yīng)用最多、應(yīng)用最廣泛的基本理論依據(jù)；神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)理論和小波分析方法應(yīng)用于諧波測量是目前正在致力研究的新方法和新理論，它可以提高諧波測量的實(shí)時(shí)性和精度。根據(jù)不同情況合理選擇諧波檢測方法，為諧波分析提供詳細(xì)、準(zhǔn)確、實(shí)時(shí)的數(shù)據(jù)和信號(hào)，是提高檢測效果、改善電能質(zhì)量的重要一步。國內(nèi)外對(duì)這方面的研究都比較重視，在線諧波檢測的理論和應(yīng)用正在不斷發(fā)展。隨著各種先進(jìn)技術(shù)和理論的應(yīng)用，特別是計(jì)算機(jī)在諧波檢測中的具體使用，諧波檢測的實(shí)時(shí)性和精度要求一旦解決，相信電網(wǎng)諧波檢測技術(shù)將逐漸得到發(fā)展和完善。 研究內(nèi)容及方法諧波問題包括畸變波形的分析方法、諧波源分析、諧波的影響及危害、電網(wǎng)諧波潮流計(jì)算、諧波檢測、有諧波時(shí)各種電流量的測量方法及手段、諧波補(bǔ)償和抑制、諧波限制標(biāo)準(zhǔn)等問題圖。諧波檢測是諧波問題的一個(gè)重要組成部分，也是研究和分析諧波問題的主要依據(jù)和出發(fā)點(diǎn)。由于電力系統(tǒng)諧波具有很強(qiáng)的隨機(jī)性，工程上大多是以實(shí)際測量結(jié)果作為處理問題的依據(jù)。目前，諧波測量按實(shí)現(xiàn)方法區(qū)分為頻域測量法和時(shí)域測量法兩大類。 （1）頻域測量法此方法的基本原理是使用模擬濾波器將輸入信號(hào)的各次諧波分量分離出來，濾波器的輸出實(shí)際上是輸入信號(hào)和濾波器脈沖響應(yīng)的卷積，在頻域中它相當(dāng)于兩個(gè)頻率響應(yīng)的乘積，因此從濾波器得到的信號(hào)為頻譜。（2）時(shí)域測量法此方法基本原理是對(duì)信號(hào)進(jìn)行離散化處理后變成數(shù)量序列，由離散傅立葉變換（DFT）或快速傅立葉（FFT）計(jì)算各次諧波的幅值及相位等參數(shù)。按照信號(hào)分析原理劃分，諧波測量又可分為FFT、KalMan濾波以及近些年興起的小波分析法。其中FFT傅立葉變換方法作為經(jīng)典的信號(hào)分析方法，已十分成熟，F(xiàn)FT是離散傅立葉變換（DFT）的一種快速算法，在信號(hào)處理領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用。近年來國內(nèi)外生產(chǎn)的各種諧波分析裝置大都采用FFT方法進(jìn)行。運(yùn)用FFT方法必須滿足兩個(gè)條件：（1）滿足采樣定理，即采樣頻率必須大于信號(hào)最高頻率的兩倍。（2）被分析的波形必須是穩(wěn)態(tài)的、隨時(shí)間周期性變化。小波變換在時(shí)域和頻域同時(shí)具有良好的局部性，特別適合于突變信號(hào)和不平穩(wěn)信號(hào)的分析。由于電力系統(tǒng)中的負(fù)載大多是動(dòng)態(tài)的，特別是大型的工業(yè)負(fù)載如軋鋼機(jī)、電弧爐的啟停使得電網(wǎng)電壓和電流的波形是時(shí)變的。前人常用Kalman濾波的方法檢測時(shí)變的諧波，但該方法一般適用于跟蹤變化緩慢的信號(hào)。而小波變換諧波檢測方法的突出優(yōu)點(diǎn)是可以實(shí)時(shí)的跟蹤諧波的變化，具有實(shí)時(shí)性。小波變換本身對(duì)信號(hào)的奇異點(diǎn)非常敏感，這個(gè)特點(diǎn)可以跟蹤那些突變的信號(hào)。但小波變換方法在電能質(zhì)量研究領(lǐng)域的應(yīng)用還處于起步階段，現(xiàn)有的小波變換均無法實(shí)現(xiàn)諧波的精確測量，必須構(gòu)造分頻嚴(yán)格、能量集中的小波函數(shù)來改善檢測的精度。 本文研究的諧波測試各項(xiàng)指標(biāo)參數(shù)的計(jì)算，具體地講，是在離散采樣的基礎(chǔ)上將電壓、電流模擬信號(hào)經(jīng)過數(shù)據(jù)采集卡(DAQ)采樣得到的數(shù)字信號(hào)中各次諧波在頻域中分離，求出各次諧波頻率，并得到各次諧波下電壓電流的幅值、頻率和有效值，然后計(jì)算出諧波畸變率。另外，如果考慮時(shí)間因素，還可計(jì)算出各次諧波的有功功率、無功功率。這樣就實(shí)現(xiàn)了對(duì)諧波的各項(xiàng)指標(biāo)參數(shù)的測量分析。 通過對(duì)諧波分析儀研究現(xiàn)狀的分析可以得出傳統(tǒng)的諧波分析儀的成本高，裝置體積龐大，自動(dòng)化程度低，數(shù)據(jù)不集中，有的無法存入計(jì)算機(jī)，難以進(jìn)行相關(guān)分析，且大量的信號(hào)采集工作重復(fù)化的問題；并且其采集的數(shù)據(jù)不能夠代表各次諧波真正的幅值等。所以針對(duì)以上問題，本文選擇以LabVIEW開發(fā)平臺(tái)來設(shè)計(jì)一個(gè)虛擬諧波分析儀，采用LabVIEW所自帶的圖形化編程功能和函數(shù)模塊對(duì)諧波進(jìn)行相關(guān)分析，使其能夠?qū)χC波信號(hào)進(jìn)行頻譜分析、功率譜分析及頻譜分析圖及數(shù)據(jù)，諧波總畸變率等。第2章 諧波測試儀總體方案設(shè)計(jì)本諧波測試儀的主體設(shè)計(jì)是基于美國國家儀器公司(National Instruments Corporation，簡稱NI)生產(chǎn)的labview虛擬儀器軟件。基于虛擬儀器的諧波測試儀同樣必須具備傳統(tǒng)監(jiān)測分析系統(tǒng)的三大功能模塊：數(shù)據(jù)采集模塊、數(shù)據(jù)分析處理模塊和結(jié)果顯示模塊。數(shù)據(jù)采集模塊還是由傳統(tǒng)的采集硬件來完成，不同的是數(shù)據(jù)分析處理模塊和結(jié)果顯示模塊完全由計(jì)算機(jī)軟件實(shí)現(xiàn)，這部分功能不受硬件限制，可以根據(jù)用戶的需求可以隨時(shí)增加修改模塊，這一優(yōu)勢(shì)是傳統(tǒng)儀器所無法比擬的。對(duì)于本論文所研究的諧波測試儀，軟件部分是核心，只要硬件部分將監(jiān)測點(diǎn)的電壓和電流信號(hào)經(jīng)信號(hào)調(diào)理器和數(shù)據(jù)采集卡以最小失真度轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)，其余的任務(wù)如濾波、加窗、數(shù)據(jù)處理和統(tǒng)計(jì)分析、數(shù)據(jù)遠(yuǎn)傳以及顯示打印等完全交給軟件來處理?？傮w來說，基于虛擬儀器思想所建立的諧波測試儀由兩大部分組成：硬件部分和軟件部分。系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)方案框圖如圖21所示。電壓互感器電流互感器labview平臺(tái)信號(hào)調(diào)理數(shù)據(jù)采集模塊數(shù)據(jù)存儲(chǔ)模塊數(shù)據(jù)采集卡數(shù)據(jù)處理模塊圖21系統(tǒng)總體方案設(shè)計(jì)框圖第3章 虛擬儀器概述和諧波分析理論方法 虛擬儀器概念虛擬儀器概念最先由美國國家儀器公司(National Instruments Corporation，簡稱NI)在20世紀(jì)80年代年提出。所謂虛擬儀器，就是以計(jì)算機(jī)為硬件平臺(tái)，由用戶定義設(shè)計(jì)其功能，由測試軟件來實(shí)現(xiàn)其測試功能，用計(jì)算機(jī)顯示器的顯示功能來模擬傳統(tǒng)儀器的控制面板的一種計(jì)算機(jī)系統(tǒng)。使用者用鼠標(biāo)或鍵盤操作虛擬面板，就如同使用一臺(tái)專用測量儀器一樣。因此虛擬儀器的出現(xiàn)，使測量儀器與計(jì)算機(jī)的界限模糊了。虛擬儀器實(shí)質(zhì)是把計(jì)算機(jī)資源和儀器硬件的測控能力相結(jié)合來實(shí)現(xiàn)儀器的功能運(yùn)作。在其主導(dǎo)產(chǎn)品LabVIEW中將圖形化語言加以實(shí)現(xiàn)，較完善地結(jié)合了圖形的美觀易用和文本語言的強(qiáng)大靈活。虛擬儀器技術(shù)已被越來越多的科學(xué)工作者所認(rèn)同，它在許多方面已經(jīng)突破傳統(tǒng)儀器的概念，儀器的功能和作用已經(jīng)發(fā)生了質(zhì)的變化。 虛擬儀器開發(fā)語言LabVIEW簡介LabVIEW是實(shí)驗(yàn)室虛擬儀器工程工作平臺(tái)(Laboratory Virtual Instrument Engineering Workbench)的縮寫，是美國國家儀器公司(National Instruments)在1986年推出的一種革命性的圖形編程語言一G語言(Graphical Programming Language)，它采用的是數(shù)據(jù)流編程模式。是一種所見即所得的編程方式，它有別于基于文本語言的線性結(jié)構(gòu)，不像C和basic等語言受眾多的語法規(guī)則所限制，簡單直觀，極大節(jié)省程序開發(fā)時(shí)間。在LabVIEW中執(zhí)行程序的順序是由模塊之間的數(shù)據(jù)流決定的，而不是傳統(tǒng)文本語言的按命令行次序連續(xù)執(zhí)行的方式。簡言之，LabVIEW功能強(qiáng)大、靈活方便。它與傳統(tǒng)編程語言又有著諸多相似之處，如相似的數(shù)據(jù)類型、數(shù)據(jù)流控制機(jī)構(gòu)、程序調(diào)試工具等。但二者最大的區(qū)別在于：傳統(tǒng)編程語言是用文本語言編程，而LabVIEW用圖形語言(即，各種圖標(biāo)、圖形符號(hào)、連線等)編程。LabVIEW也提供傳統(tǒng)程序語言(如C語言)的接口，對(duì)于其自身不易或不擅長完成的任務(wù)，可通過利用其它編程語言來實(shí)現(xiàn)。從而最終增強(qiáng)了LabVIEW的整體功能。 LabVIEW程序設(shè)計(jì)原理LabVlEW的基本程序單位是虛擬儀器(Virtual Instruments或者VI)。可以通過圖形編程的方法，建立一系列的VI，來完成用戶指定的測試任務(wù)。對(duì)于簡單的測試任務(wù)，可以由一個(gè)VI完成。對(duì)于一項(xiàng)復(fù)雜的測試任務(wù)，則可按照模塊設(shè)計(jì)的概念，把測試任務(wù)分解為一系列的任務(wù)，每一項(xiàng)的任務(wù)還可以分解為多項(xiàng)小任務(wù)，直至把一項(xiàng)復(fù)雜的測試任務(wù)變成一系列的子任務(wù)。設(shè)計(jì)時(shí)，先設(shè)計(jì)各種VI，以完成每項(xiàng)子任務(wù)，然后把這些VI組合起來以完成更大的任務(wù)，最后建成的頂層虛擬儀器就成為一個(gè)包括所有子功能虛擬儀器的集合。LabVIEW可以調(diào)用，把自己創(chuàng)建的VI程序當(dāng)作一個(gè)VI子程序節(jié)點(diǎn)，以創(chuàng)建更復(fù)雜的程序，且這種調(diào)用是無限制的。LabVIEW中各VI之間的層次調(diào)用結(jié)構(gòu)如圖31所示。可見，LabVIEW中每一個(gè)VI相當(dāng)于常規(guī)程序中的一個(gè)子程序。頂層V1中間層V1底層V1底層V1底層V1底層V1中間層V1中間層V1圖31 LabVIEW層次調(diào)用結(jié)構(gòu) LabVIEW的應(yīng)用LabVIEW在包括航空、航天、通信、汽車、半導(dǎo)體和生物醫(yī)學(xué)等世界范圍的眾多領(lǐng)域內(nèi)得到了廣泛應(yīng)用，從簡單的儀器控制、數(shù)據(jù)采集到尖端的測試和工業(yè)自動(dòng)化，從大學(xué)實(shí)驗(yàn)室到工廠，從探索研究到技術(shù)集成，都可以發(fā)現(xiàn)應(yīng)用LabVIEW的成果和開發(fā)產(chǎn)品。 （1）LabVIEW應(yīng)用于測試與測量LabVIEW已成為測試與測量領(lǐng)域的工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，它提供了工業(yè)界最大的儀器驅(qū)動(dòng)程序庫，同時(shí)還支持通過Internet、ActiveX、DDE和SQL等交互式通信方式實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)共享，它提供的眾多開發(fā)工具使復(fù)雜的測試與測量任務(wù)變得簡單易行。 （2）LabVIEW應(yīng)用于過程控制和工業(yè)自動(dòng)化LabVIEW強(qiáng)大的硬件驅(qū)動(dòng)、圖形顯示功能和便捷的快速程序設(shè)計(jì)，為過程控制和工業(yè)自動(dòng)化應(yīng)用提供了優(yōu)秀的解決方案。 （3）LabVIEW應(yīng)用于實(shí)驗(yàn)室研究與自動(dòng)化LabVIEW為科學(xué)家和工程師提供了功能強(qiáng)大的高級(jí)數(shù)學(xué)分析庫，包括統(tǒng)計(jì)、估計(jì)、回歸分析、線性代數(shù)、信號(hào)生成算法、時(shí)域和頻域算法等眾多科學(xué)領(lǐng)域，可滿足各種計(jì)算和分析需要。 數(shù)據(jù)采集理論基礎(chǔ)眾所周知，在數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)中，信息總是用離散的信號(hào)來表示的，而在生產(chǎn)和科學(xué)研究中經(jīng)常遇到的各種信息，如溫度、壓力、流量等都是連續(xù)的信號(hào)，這就遇到了模擬信號(hào)如何轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)的問題。把模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)的過程稱為模／數(shù)轉(zhuǎn)換，它主要包括：采樣、量化、編碼三個(gè)過程： （1）采樣 采樣是指用每隔一定時(shí)間的信號(hào)樣值序列來代替原來在時(shí)間上連續(xù)的信號(hào)x(t)，也就是在時(shí)間上將模擬信號(hào)離散化。采樣即在時(shí)間軸上對(duì)信號(hào)數(shù)字化；經(jīng)過采樣后的模擬信號(hào)，簡稱為采樣信號(hào)。 （2）量化量化是用有限個(gè)幅度值近似原來連續(xù)變化的幅度值，即把模擬信號(hào)的連續(xù)幅度變?yōu)橛邢迶?shù)量的、有一定間隔的離散值。即在幅度軸上對(duì)信號(hào)數(shù)字化 （3）編碼則是按照一定的規(guī)律，把量化后的值用二進(jìn)制數(shù)字表示。即按一定格式記錄采樣和量化后的數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)。 在實(shí)際工作中，信號(hào)的抽樣是通過模數(shù)轉(zhuǎn)換器(A／D)來實(shí)現(xiàn)的。通過A／D，將連續(xù)信號(hào)x(t)變成數(shù)字信號(hào)x(t)。A／D轉(zhuǎn)換原理如圖31所示采樣量化編碼 x(t) 圖31 A/D轉(zhuǎn)換原理圖為保證采樣后信號(hào)不失真。采樣頻率必須大于信號(hào)中最高頻率的兩倍，這稱之為采樣定理。如圖32所示，由于不滿足采樣定理信號(hào)產(chǎn)生了混疊。信號(hào)的采樣定理是連結(jié)離散信號(hào)和連續(xù)信號(hào)的橋梁，是進(jìn)行離散信號(hào)處理與離散系統(tǒng)設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)。圖32 信號(hào)正常采樣和欠采樣 諧波分析理論 諧波定義國際上公認(rèn)的諧波含義為：諧波是一個(gè)周期性電器量的正弦波分量，其頻率為基波頻率的整數(shù)倍。由于諧波的頻率是基波頻率的