【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 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)化進程的不斷加快，對地球環(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電網(wǎng)環(huán)境最嚴(yán)重的一種污染。諧波對公用電網(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，如使電動機引起附加損耗、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，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)致繼電保護和自動裝置誤動作，并使電氣測量儀表計量不準(zhǔn)，影響計量精度。 （5）諧波一般通過電容耦合、電磁感應(yīng)及電氣傳導(dǎo)三種對臨近的通信系統(tǒng)產(chǎn)生干擾，載頻低的信號受影響更大。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，諧波研究對于減輕直至消除這些危害，對于供電和用電設(shè)備的節(jié)能，乃至于對整個社會能源利用率的提高，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重要分支，準(zhǔn)確、實時檢測出電網(wǎng)中瞬態(tài)變化的畸變電流、電壓，對抑制諧波有著重要的指導(dǎo)作用，是進行繼電保護、判斷故障點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；瞬時無功功率理論可用于諧波的瞬時檢測和無功補償?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時性和精度。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、準(zhǔn)確、實時的數(shù)據(jù)和信號，是提高檢測效果、改善電能質(zhì)量的重要一步。國內(nèi)外對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。隨著各種先進技術(shù)和理論的應(yīng)用，特別是計算機在諧波檢測中的具體使用，諧波檢測的實時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)諧波潮流計算、諧波檢測、有諧波時各種電流量的測量方法及手段、諧波補償和抑制、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。由于電力系統(tǒng)諧波具有很強的隨機性，工程上大多是以實際測量結(jié)果作為處理問題的依據(jù)。目前，諧波測量按實現(xiàn)方法區(qū)分為頻域測量法和時域測量法兩大類。 （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的各次諧波分量分離出來，濾波器的輸出實際上是輸入信號和濾波器脈沖響應(yīng)的卷積，在頻域中它相當(dāng)于兩個頻率響應(yīng)的乘積，因此從濾波器得到的信號為頻譜。（2）時域測量法此方法基本原理是對信號進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）計算各次諧波的幅值及相位等參數(shù)。按照信號分析原理劃分，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方法進行。運用FFT方法必須滿足兩個條件：（1）滿足采樣定理，即采樣頻率必須大于信號最高頻率的兩倍。（2）被分析的波形必須是穩(wěn)態(tài)的、隨時間周期性變化。小波變換在時域和頻域同時具有良好的局部性，特別適合于突變信號和不平穩(wěn)信號的分析。由于電力系統(tǒng)中的負載大多是動態(tài)的，特別是大型的工業(yè)負載如軋鋼機、電弧爐的啟停使得電網(wǎng)電壓和電流的波形是時變的。前人常用Kalman濾波的方法檢測時變的諧波，但該方法一般適用于跟蹤變化緩慢的信號。而小波變換諧波檢測方法的突出優(yōu)點是可以實時的跟蹤諧波的變化，具有實時性。小波變換本身對信號的奇異點非常敏感，這個特點可以跟蹤那些突變的信號。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指標(biāo)參數(shù)的計算，具體地講，是在離散采樣的基礎(chǔ)上將電壓、電流模擬信號經(jīng)過數(shù)據(jù)采集卡(DAQ)采樣得到的數(shù)字信號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，然后計算出諧波畸變率。另外，如果考慮時間因素，還可計算出各次諧波的有功功率、無功功率。這樣就實現(xiàn)了對諧波的各項指標(biāo)參數(shù)的測量分析。 通過對諧波分析儀研究現(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，自動化程度低，數(shù)據(jù)不集中，有的無法存入計算機，難以進行相關(guān)分析，且大量的信號采集工作重復(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。所以針對以上問題，本文選擇以LabVIEW開發(fā)平臺來設(shè)計一個虛擬諧波分析儀，采用LabVIEW所自帶的圖形化編程功能和函數(shù)模塊對諧波進行相關(guān)分析，使其能夠?qū)χC波信號進行頻譜分析、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)計本諧波測試儀的主體設(shè)計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?；谔摂M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算機軟件實現(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增加修改模塊，這一優(yōu)勢是傳統(tǒng)儀器所無法比擬的。對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)測點的電壓和電流信號經(jīng)信號調(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，其余的任務(wù)如濾波、加窗、數(shù)據(jù)處理和統(tǒng)計分析、數(shù)據(jù)遠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)計方案框圖如圖21所示。電壓互感器電流互感器labview平臺信號調(diào)理數(shù)據(jù)采集模塊數(shù)據(jù)存儲模塊數(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，就是以計算機為硬件平臺，由用戶定義設(shè)計其功能，由測試軟件來實現(xiàn)其測試功能，用計算機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算機系統(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)，使測量儀器與計算機的界限模糊了。虛擬儀器實質(zhì)是把計算機資源和儀器硬件的測控能力相結(jié)合來實現(xiàn)儀器的功能運作。在其主導(dǎo)產(chǎn)品LabVIEW中將圖形化語言加以實現(xiàn)，較完善地結(jié)合了圖形的美觀易用和文本語言的強大靈活。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是實驗室虛擬儀器工程工作平臺(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、連線等)編程。LabVIEW也提供傳統(tǒng)程序語言(如C語言)的接口，對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現(xiàn)。從而最終增強了LabVIEW的整體功能。 LabVIEW程序設(shè)計原理LabVlEW的基本程序單位是虛擬儀器(Virtual Instruments或者VI)?？梢酝ㄟ^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)。對于簡單的測試任務(wù)，可以由一個VI完成。對于一項復(fù)雜的測試任務(wù)，則可按照模塊設(shè)計的概念，把測試任務(wù)分解為一系列的任務(wù)，每一項的任務(wù)還可以分解為多項小任務(wù)，直至把一項復(fù)雜的測試任務(wù)變成一系列的子任務(wù)。設(shè)計時，先設(shè)計各種VI，以完成每項子任務(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VI子程序節(jié)點，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?？梢姡琇abVIEW中每一個VI相當(dāng)于常規(guī)程序中的一個子程序。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)自動化，從大學(xué)實驗室到工廠，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)動程序庫，同時還支持通過Internet、ActiveX、DDE和SQL等交互式通信方式實現(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)自動化LabVIEW強大的硬件驅(qū)動、圖形顯示功能和便捷的快速程序設(shè)計，為過程控制和工業(yè)自動化應(yīng)用提供了優(yōu)秀的解決方案。 （3）LabVIEW應(yīng)用于實驗室研究與自動化LabVIEW為科學(xué)家和工程師提供了功能強大的高級數(shù)學(xué)分析庫，包括統(tǒng)計、估計、回歸分析、線性代數(shù)、信號生成算法、時域和頻域算法等眾多科學(xué)領(lǐng)域，可滿足各種計算和分析需要。 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，這就遇到了模擬信號如何轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號的問題。把模擬信號轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號的過程稱為模／數(shù)轉(zhuǎn)換，它主要包括：采樣、量化、編碼三個過程： （1）采樣 采樣是指用每隔一定時間的信號樣值序列來代替原來在時間上連續(xù)的信號x(t)，也就是在時間上將模擬信號離散化。采樣即在時間軸上對信號數(shù)字化；經(jīng)過采樣后的模擬信號，簡稱為采樣信號。 （2）量化量化是用有限個幅度值近似原來連續(xù)變化的幅度值，即把模擬信號的連續(xù)幅度變?yōu)橛邢迶?shù)量的、有一定間隔的離散值。即在幅度軸上對信號數(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)。 在實際工作中，信號的抽樣是通過模數(shù)轉(zhuǎn)換器(A／D)來實現(xiàn)的。通過A／D，將連續(xù)信號x(t)變成數(shù)字信號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不失真。采樣頻率必須大于信號中最高頻率的兩倍，這稱之為采樣定理。如圖32所示，由于不滿足采樣定理信號產(chǎn)生了混疊。信號的采樣定理是連結(jié)離散信號和連續(xù)信號的橋梁，是進行離散信號處理與離散系統(tǒng)設(shè)計的基礎(chǔ)。圖32 信號正常采樣和欠采樣 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