【正文】 至引起嚴(yán)重事故。 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 ]64[? ： 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。所以，進(jìn)行基于虛擬儀器的諧波分析儀乃至多功能諧波測試設(shè)備的研制和開發(fā)是非常必要的。同時(shí)一旦廠家出現(xiàn)更新產(chǎn)品，一般也無法對用戶設(shè)備進(jìn)行升級，要么重新購買，要么進(jìn)行更換，造成不必要的資源浪費(fèi)。常規(guī)單功能測試儀器在出現(xiàn)這種現(xiàn)象時(shí)，檢定或使用人員一般無法對儀器進(jìn)行校準(zhǔn)，必須通過廠家才能解決。雖然目前市場上的諧波測試儀器種類繁多，但是都存在以下幾方面不足 ]2[ ： 1．功能單一性問題 當(dāng)前諧波參數(shù)的測試設(shè)備大多功 能單一，因此每次試驗(yàn)均需攜帶大量的測試設(shè)備?；?LabVIEW 虛擬儀器的諧波測試儀設(shè)計(jì) 第 1 頁 共 27 頁 1 緒論 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。最終使用通用計(jì)算機(jī)、開發(fā)軟件 LabVIEW，成功的研究開發(fā)出虛擬諧波測 試儀。開發(fā)研究虛擬諧波測試儀，可以顯著提高電力測試儀器的測試質(zhì)量與效率，具有顯著的社會(huì)效益和經(jīng)濟(jì)效益。它從根本上更新了儀器的概念，具有傳統(tǒng)儀器無法比擬的優(yōu)勢。長江師范學(xué)院本科畢業(yè)設(shè)計(jì)它的出現(xiàn)代表著儀器發(fā)展的最新的潮流和方向。 本論文主要內(nèi)容是虛擬諧波測試儀的設(shè)計(jì)開發(fā)。該儀器實(shí)現(xiàn)了系統(tǒng)參數(shù)測定、結(jié)果分析等功能。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 ]1[ 。同時(shí)，在現(xiàn)場試驗(yàn)過程中需要記錄大量的數(shù)據(jù)，為設(shè)備的運(yùn)行情況分析也帶來了諸多不便，工作效率較低。 3．開發(fā)周期與開發(fā)費(fèi)用問題 開發(fā)周期與開發(fā)費(fèi)用問題常規(guī)儀器在開發(fā)過程必須經(jīng)歷硬件設(shè)計(jì)和調(diào)試這兩個(gè)過程，儀器一旦調(diào)試好，不同儀器間的資源一般無法相互利用， 造成開發(fā)周期長、成本高。 5．生產(chǎn)調(diào)試問題 常規(guī)的諧波參數(shù)測試儀器，不同功能的設(shè)備在硬件、結(jié)構(gòu)等方面差異很 大，因此生產(chǎn)調(diào)試的工作量很大，而且對調(diào)試人員的專業(yè)理論知識要求也高，需要調(diào)試人員掌握專門的理論知識，以及儀器原理，不同器件的特性等。進(jìn)行虛擬諧波測試的的開發(fā)具有以下諸多社會(huì)經(jīng)濟(jì)意義 ]3[ ： 1．測試成本的降低 2．測試效率的提高 3．測試系統(tǒng)更加緊湊 4．遠(yuǎn) 程測試 5．儀器可以定制或自制 1． 2 諧波問題的提出 近年來，隨著全球工業(yè)化進(jìn)程的不斷加快，對地球環(huán)境的污染和破壞也空前加劇。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)。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％。 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(gè)社會(huì)能源利用率的提高，都具有極其重要的意義。 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，是提高檢測效果、改善電能質(zhì)量的重要一步。所以針對以上問題，本文選擇以 LabVIEW 開發(fā)平臺來設(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)模塊對諧波進(jìn)行相關(guān)分析， 使其能夠?qū)χC波信號進(jìn)行頻譜分析、功率譜分析及各次諧波的時(shí)域分析。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。 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。 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(shí)現(xiàn)。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)。 LabVIEW中各 VI之間的層次調(diào)用結(jié)構(gòu)如圖 。 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。 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(gè)過程 ]33[ ： 1．采樣 采樣是指用每隔一定時(shí)間的信號樣值序列來代替原來在時(shí)間上連續(xù)的信號 x(t)，也就是在時(shí)間上將模擬信號離散化 。即按一定 格式記錄采樣和量化后的數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)。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?；?LabVIEW 虛擬儀器的諧波測試儀設(shè)計(jì) 第 7 頁 共 27 頁 圖 信號正常采樣和欠采樣 DFT和 FFT計(jì)算原理 目前，對電力系統(tǒng)畸變波形的分析通常采用頻域分析法。 由于快速傅立葉變換 (FFT)是離散傅立葉 (DFT)的一種快速算法 ]9[ 。基于 LabVIEW 虛擬儀器的諧波測試儀設(shè)計(jì) 第 8 頁 共 27 頁 在式 (32)中取，NTnt?，則 nkTjkNTnTjktj eeenxNTnxtx ??? 22),()( ?? ?????????? () 由以上結(jié)論式 (33)可變?yōu)椋? nkNfNkNTnNjk enxTenxTkX ?? 2102 )(1)(1)( ????? ??? () 式中 k=0， 1， 2， 3? 又由于 ??? )(2 nknNjke ? ?? 22 fnkNjk ee ?? = nkNjke ?2? ，所以離散頻譜 x(足 )也是以 N個(gè)離散點(diǎn)為周期，由此可以引出離散傅立葉變換。 對于本分析儀，假設(shè)對信號進(jìn)行 N次采樣，采樣率是 fs ，采樣信號的時(shí)域表示為 x(n)其中 0≤ n≤N1， (注： x(n)代表電壓信號材 u(n)或電流信號 i (n)，為分析方便，一律用 x(n)表示?；?LabVIEW 虛擬儀器的諧波測試儀設(shè)計(jì) 第 9 頁 共 27 頁 它是頻域顯示的相鄰譜線之間的頻率間隔，也稱為分辨率。因此，采 樣率必須稍大于理想的最小值。本測試系統(tǒng)中，若 N=1000，則需要 1000， 000即一百萬次的復(fù)乘 運(yùn)算，顯然不滿足諧波在線監(jiān)測對時(shí)間的要求，因此，在本監(jiān)測系統(tǒng)中采用按時(shí)間抽取的 FFT算法。由 ()式定義，將輸入信號序列戈 (胛 )按 n的奇偶分成兩個(gè)子序列： )()12()()2(x 21 rxrxrxr ??? 和 r=0,1,2,3... 12?N () 則式 ()可化為 : X(k)=? ??????1N010 )()(kNkknNknN WnxWnx n為偶數(shù) n為奇數(shù) =???1202)2(NkrkNWrx +?????120)12()12(NkkrNWrx =???12021 ))((NkrkNWrx +???12022 ))((NkrkNWrx () 長江師范學(xué)院本科畢業(yè)設(shè)計(jì)基于 LabVIEW 虛擬儀器的諧波測試儀設(shè)計(jì) 第 11 頁 共 27 頁 由上述分析可見只要求出 (0到 N/21)區(qū)間內(nèi)的各個(gè)整數(shù) k值所對應(yīng)的 )(1kX 、 )(2 kX 值，即可求出（ 0到 N1)區(qū)間內(nèi)的全部 )(kX 值，這就是 FFT能 夠大量節(jié)省計(jì)算的關(guān)鍵所在。在國際電工標(biāo)準(zhǔn)中 (IEC5552，1982)、國際大電網(wǎng)會(huì)議 (CIGI冱 )的文獻(xiàn)中對諧波也有了明確的定義：諧波分量為周期量的傅里葉級數(shù)中大于 1的 n次分量； IEEE標(biāo)準(zhǔn)中的定義為：諧波為一周期波形量的正弦波分量，其頻率為基波頻率的整數(shù)倍 ]14[ 以上定義明確了有關(guān)諧波性質(zhì)的下列幾個(gè)問題： 諧波次數(shù) n必須是一個(gè)正整數(shù)。因此，需要區(qū)分清楚什么是諧波現(xiàn)象 (波形保持不變 )和什么是暫態(tài)現(xiàn)象 (每周的波形都發(fā)生變化 )。諧波分析時(shí)，為保證計(jì)算精度 ， N取值較大，因此計(jì)算量很大。進(jìn)一步還可以包括有功功率、功功率、視在功率、功率因數(shù)。 電壓總諧波畸變率： ? ?%100%10012 21 ????? ??? UUUUT H Dn NNN () 電流總諧波畸變率： ? ?%100%10012 21 ????? ??? IIIIT H Dn NNN () 對隨時(shí)間變化的電壓信號 U(t)、電流信號 i (t)進(jìn)行離散化采樣，得到離散化序列 ??ku 、 ??ki 系統(tǒng)在被測交流信號的一個(gè)周期內(nèi)對其進(jìn)行 N次采樣，測得離散的采樣值 ku 、 ki ，可得交流電壓、電流有效值為： U ????1021 NK kA UT () I ????1021 NK kA IT () 單相有功功率為： kNk kA iuNP ????101 （ ） 式中， N= ttT ??,/ 為采樣時(shí)間間隔。為了簡化硬件設(shè)計(jì)，采用軟件二次采樣的方法，將非同步數(shù)據(jù)進(jìn)行二次采樣處理，得到近似同步采樣數(shù)據(jù)。設(shè)與采樣點(diǎn)序列為 0Q ， 1Q ， ? 1?mQ ，二次采樣點(diǎn)穴列為 0P , 1P … 1?nP 用坐標(biāo)的形式表示為，序列 ? ?? ?jjj ytQ (j=0,1,2… M1)和 ? ?? ?iii ytP (i =0,1,2… N1)．設(shè)二次采樣點(diǎn) iP 位于非同步采樣點(diǎn) jQ 和 1?jQ 之間，則 ???????? ???12iINTj (INT為取整函數(shù) ) （ ） 長江師范學(xué)院本科畢業(yè)設(shè)計(jì)設(shè)原信號的最高諧波頻率為 ef ，則采樣頻率必須滿足 sf ≥sf2 才能正確的表示原信號的信息，這就是采樣定理。鑒于本儀 器的頻率測量范圍要考慮最高分析 N50次諧波，所以抗混疊濾波器的高端截止頻率應(yīng)該為 50謇 502500HZ。 第四章諧波測試儀的軟件設(shè)計(jì) 功能強(qiáng)大的軟件是虛擬儀器的核心。 圖 系統(tǒng)軟件框圖 對于本諧波測試儀的設(shè)計(jì)，具體的設(shè)計(jì)方案如下： 1．列出系統(tǒng)需要測量的參數(shù)，包括基本的電壓有效值、電流有效值、功率、功率因素、頻率、各次諧波的頻率和幅值、總諧波畸變率等； 2．設(shè)計(jì)各個(gè)被測參數(shù)的具體測量方法，關(guān)于各個(gè)參數(shù)的測量方法可以參考本文的第三章； 3．設(shè)計(jì)每個(gè)功能模塊的前面板，前面板根據(jù)具體所要顯示的內(nèi)容來設(shè)計(jì)?；?LabVIEW 虛擬儀器的諧波測試儀設(shè)計(jì) 第 16 頁 共 27 頁 中的修改和完善，使系統(tǒng)具有更強(qiáng)的移植和升級能力。 在此基礎(chǔ)上將分別對 諧波信號的產(chǎn)生 、諧波分析程序、 各次諧波的時(shí)域 、 頻譜 和 功率譜進(jìn)行相關(guān)分析。其方波的基頻設(shè)為 20Hz，幅值為 1V。同