【正文】 程序如圖53所示和諧波分析儀前面板如圖54所示。列出每個(gè)功能模塊需要顯示的內(nèi)容，根據(jù)所要顯示的內(nèi)容設(shè)計(jì)各個(gè)功能模塊的前面板。它具有模擬量輸入輸出、數(shù)字量輸入輸出以及定時(shí)器等功能，能夠完成信號(hào)采集、A/D轉(zhuǎn)換、16通道單端模擬輸入(或8路差分輸入)，最大輸入范圍10～+10V,最小輸入范圍50～+50mV。模擬信號(hào)的信號(hào)調(diào)理硬件常對(duì)緩慢變化的信號(hào)使用多路復(fù)用方式。同時(shí)，信號(hào)調(diào)理系統(tǒng)有多種信號(hào)調(diào)理模塊可以放大輸入信號(hào)。具有精度高、線性好、頻帶寬、響應(yīng)快、過(guò)載能力強(qiáng)和不損失測(cè)量電路能量等優(yōu)點(diǎn)。 （8）Meyer函數(shù)Meyer小波函數(shù)和尺度函數(shù)都是在頻率域中進(jìn)行定義的，是具有緊支撐的正交小波。：Nr=1 Nd=1，3，5Nr=2 Nd=2，4，6，8Nr=3 Nd=1，3，5，7，9Nr=4 Nd=4Nr=5 Nd=5Nr=6 Nd=8其中，r表示重構(gòu)，d表示分解。 （1）Haar小波,定義如下：（35） 這是一種最簡(jiǎn)單的正交小波，即（36） … （2）Daubechies（dbN）小波系該小波是Daubechies從兩尺度方程系數(shù)出發(fā)設(shè)計(jì)出來(lái)的離散正交小波。具體的計(jì)算方法如下:首先采用64點(diǎn)FFT算法，計(jì)算出基波和各次諧波的實(shí)部和虛部，進(jìn)而求得其幅值和相位，幅值求出后，就可以求出各次諧波的含有量和諧波總含量。圖32 信號(hào)正常采樣和欠采樣 諧波分析理論 諧波定義國(guó)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。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。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(chē)、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(jiǎn)單的儀器控制、數(shù)據(jù)采集到尖端的測(cè)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(kāi)發(fā)產(chǎn)品。 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)。 虛擬儀器開(kāi)發(fā)語(yǔ)言LabVIEW簡(jiǎn)介L(zhǎng)abVIEW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(xiě)，是美國(guó)國(guó)家儀器公司(National Instruments)在1986年推出的一種革命性的圖形編程語(yǔ)言一G語(yǔ)言(Graphical Programming Language)，它采用的是數(shù)據(jù)流編程模式。系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)方案框圖如圖21所示。這樣就實(shí)現(xiàn)了對(duì)諧波的各項(xiàng)指標(biāo)參數(shù)的測(cè)量分析。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。目前，諧波測(cè)量按實(shí)現(xiàn)方法區(qū)分為頻域測(cè)量法和時(shí)域測(cè)量法兩大類(lèi)。 國(guó)內(nèi)外研究狀況諧波檢測(cè)是諧波問(wèn)題中的一個(gè)重要分支，準(zhǔn)確、實(shí)時(shí)檢測(cè)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(lèi)型等工作的重要前提。 （2）諧波電流在輸電線路上的壓降會(huì)使用戶(hù)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。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。其實(shí)質(zhì)是以通用計(jì)算機(jī)為硬件平臺(tái)，由用戶(hù)設(shè)計(jì)定義其測(cè)試功能，由軟件實(shí)現(xiàn)其測(cè)試功能的一種計(jì)算機(jī)儀器系統(tǒng)。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(cè)中的具體使用，諧波檢測(cè)的實(shí)時(shí)性和精度要求一旦解決，相信電網(wǎng)諧波檢測(cè)技術(shù)將逐漸得到發(fā)展和完善。諧波檢測(cè)的主要作用有:①鑒定實(shí)際電力系統(tǒng)及諧波源的諧波水平是否符合標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定，包括對(duì)所有諧波源設(shè)備投運(yùn)時(shí)的檢測(cè)。二、基本要求 1．分析電氣化鐵路牽引供電系統(tǒng)中諧波產(chǎn)生的原因和危害2．目前國(guó)內(nèi)外對(duì)電氣化鐵路牽引供電系統(tǒng)中諧波污染治理的方法3．比較電力系統(tǒng)中諧波檢測(cè)和分析的方法,得出最佳解決方案4．用小波分析算法和頻譜分析算法完成諧波檢測(cè)5．用虛擬儀器完成諧波分析顯示6．設(shè)計(jì)計(jì)算說(shuō)明書(shū)一份，要求條目清楚、計(jì)算正確、文本整潔。但與此同時(shí)電力電子裝置帶來(lái)諧波問(wèn)題對(duì)電力系統(tǒng)安全、穩(wěn)定、經(jīng)濟(jì)運(yùn)行構(gòu)成潛在威脅，尤其是電氣化鐵路的貫通,使電網(wǎng)中產(chǎn)生了大量的高次諧波,造成電能質(zhì)量嚴(yán)重惡化，給周?chē)姎猸h(huán)境帶來(lái)極大影響，對(duì)電力設(shè)備危害尤其嚴(yán)重。④諧波 專(zhuān)題測(cè)試，如諧波阻抗、諧波潮流、諧波諧振和放大等。 預(yù)期結(jié)果用小波分析算法和頻譜分析算法完成諧波檢測(cè)并且用虛擬儀器完成諧波分析的軟件部分，包括登錄界面設(shè)計(jì)；數(shù)據(jù)采集模塊設(shè)計(jì)；有效值測(cè)量設(shè)計(jì)；功率測(cè)量設(shè)計(jì)；諧波測(cè)試模塊（頻譜分析圖及數(shù)據(jù)，諧波總畸變率等）；數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)模塊。本論文主要內(nèi)容是虛擬諧波測(cè)試儀的設(shè)計(jì)。 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。據(jù)統(tǒng)計(jì)，由于諧波問(wèn)題引起的電容故障占電容總故障的71％一83％。國(guó)內(nèi)外對(duì)這方面的研究都比較重視，在線諧波檢測(cè)的理論和應(yīng)用正在不斷發(fā)展。按照信號(hào)分析原理劃分，諧波測(cè)量又可分為FFT、KalMan濾波以及近些年興起的小波分析法。而小波變換諧波檢測(cè)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。第2章 諧波測(cè)試儀總體方案設(shè)計(jì)本諧波測(cè)試儀的主體設(shè)計(jì)是基于美國(guó)國(guó)家儀器公司(National Instruments Corporation，簡(jiǎn)稱(chēng)NI)生產(chǎn)的labview虛擬儀器軟件。使用者用鼠標(biāo)或鍵盤(pán)操作虛擬面板，就如同使用一臺(tái)專(zhuān)用測(cè)量?jī)x器一樣。簡(jiǎn)言之，LabVIEW功能強(qiáng)大、靈活方便。對(duì)于一項(xiàng)復(fù)雜的測(cè)試任務(wù)，則可按照模塊設(shè)計(jì)的概念，把測(cè)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(cè)試任務(wù)變成一系列的子任務(wù)。 （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(kù)，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(mǎn)足各種計(jì)算和分析需要。通過(guò)A／D，將連續(xù)信號(hào)x(t)變成數(shù)字信號(hào)x(t)。例如，我國(guó)的電力系統(tǒng)額定頻率為50Hz，則其基波為50Hz，二次諧波為100Hz，三次諧波為150Hz。對(duì)于瞬態(tài)信號(hào)或高度局部化的信號(hào)（例如邊緣），由于這些成分并不類(lèi)似于任何一個(gè)傅立葉基函數(shù)，它們的變換系數(shù)（頻譜）不是緊湊的，頻譜上呈現(xiàn)出一幅相當(dāng)混亂的構(gòu)成。的消失矩為N。 （5）SymletsA（symN）小波系Symlets函數(shù)系是由Daubechies提出的近似對(duì)稱(chēng)的小波函數(shù)，它是對(duì)db函數(shù)的一種改進(jìn)。在本論文所研究的基于虛擬儀器技術(shù)的諧波測(cè)試儀中，基本的硬件部分包括：傳感器、信號(hào)調(diào)理器、信號(hào)采集卡、計(jì)算機(jī)系統(tǒng)，硬件結(jié)構(gòu)如圖41所示。儀器信號(hào)調(diào)理模塊可以在系統(tǒng)中各種傳感器與信號(hào)間建立一個(gè)接口，借助高性能、低噪音的信號(hào)調(diào)理功能，來(lái)提高測(cè)試質(zhì)量與可靠性，這些信號(hào)調(diào)理功能包括：信號(hào)放大、隔離、多路復(fù)用、濾波、傳感器激勵(lì)、同步采樣與保持。被監(jiān)測(cè)的系統(tǒng)可能產(chǎn)生瞬態(tài)的高壓，如果不使用隔離，這種高壓會(huì)對(duì)計(jì)算機(jī)造成損害。濾波電路的功能在于濾除信號(hào)中的冗余部分，如高頻信號(hào)、傳輸線引進(jìn)的干擾等，減少由于傳感器內(nèi)阻或傳輸線阻抗等因素帶來(lái)的測(cè)量誤差，達(dá)到提高測(cè)量精度的目的。圖42 PCI6024E型數(shù)據(jù)采集卡第5章 諧波測(cè)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。這樣既便于獨(dú)立模塊的調(diào)試工作，又方便了整個(gè)系統(tǒng)在后續(xù)中的修改和完善，使系統(tǒng)具有更強(qiáng)的移植和升級(jí)能力。諧波分析儀前面板如圖54所示。當(dāng)點(diǎn)擊確定鍵之后程序會(huì)判斷用戶(hù)名是否存在，若存在則執(zhí)行下一個(gè)真條件結(jié)構(gòu)框中的程序，若輸入錯(cuò)誤則執(zhí)行假條件框中的程序，即提示信息“用戶(hù)名不存在”當(dāng)用戶(hù)名輸入正確時(shí)程序開(kāi)始執(zhí)行下一部分即判斷密碼是否正確。其中正弦信號(hào)（諧波）發(fā)生器中可以添加噪聲其幅值可以在前面板中根據(jù)需要輸入。圖59 諧波頻率顯示前面板 諧波小波分析用matlab中simulink仿真一諧波信號(hào)，此信號(hào)為方波信號(hào)與正弦信號(hào)疊加而成。然后信號(hào)通過(guò)通過(guò)FFT Power ，然后顯示出頻譜分析結(jié)果。For循環(huán)內(nèi)用一個(gè)公式節(jié)點(diǎn)實(shí)現(xiàn)電壓的平方（也可以用函數(shù)里面的平方子VI實(shí)現(xiàn)此功能）。默認(rèn)設(shè)置為%3f，小數(shù)點(diǎn)后保留3位有效數(shù)字。For循環(huán)的次數(shù)為10，程序在執(zhí)行完10次以后自動(dòng)跳出循環(huán)而停止執(zhí)行。對(duì)于虛擬諧波測(cè)試儀的設(shè)計(jì)，本文作者在初期準(zhǔn)備階段，認(rèn)真閱讀和參考了大量有關(guān)虛擬儀器技術(shù)、信號(hào)處理、數(shù)據(jù)采集、軟件算法、LabVIEW等相關(guān)書(shū)籍及文獻(xiàn)資料。參考文獻(xiàn)[1] . 北京：中國(guó)電力出版社，2003：130 105109[2] 冉啟文、：國(guó)防工業(yè)出版社，2003： 113[3] 姜建國(guó)、樸曉光、趙長(zhǎng)和、黃真、. 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Proceeding of the Ninth Internation Conference on Harmonics and Quality of Power, Orlando , Florida ,USA ,2000致 謝衷心感謝我的指導(dǎo)老師劉寧寧老師。在大學(xué)四年中，是他們?cè)谖沂鋾r(shí)為我鼓氣，在我成功時(shí)為我喝彩，感謝他們與我一起度過(guò)了四年豐富多彩的大學(xué)生活。在此，再次深深地感謝為我的論文制作而付出心血的劉寧寧老師。本設(shè)計(jì)由于經(jīng)費(fèi)問(wèn)題，采用了非LabVIEW兼容的數(shù)據(jù)采集板，在數(shù)據(jù)采集方面費(fèi)時(shí)頗多，因此影響了虛擬儀器面板的設(shè)計(jì)。 技術(shù)指標(biāo)（1）監(jiān)測(cè)的諧波次數(shù)：可監(jiān)測(cè)到1—50次諧波；（2）依據(jù)快速傅里葉算法的LabVIEW中的圖形化編程功能和函數(shù)模塊對(duì)諧波進(jìn)行測(cè)量分析；（3）測(cè)量精度：當(dāng)諧波次數(shù)時(shí)，%，當(dāng)諧波次數(shù)時(shí)，%。Append to file？：指定是否添加到現(xiàn)有文件或替換現(xiàn)有文件，輸入為真表示添加至新文件，為假表示替換原文件數(shù)據(jù)。圖516 電壓有效值的測(cè)量 數(shù)據(jù)存儲(chǔ)模塊數(shù)據(jù)存儲(chǔ)模塊是將測(cè)量到的各項(xiàng)參數(shù)值存儲(chǔ)到各種文件中。從圖513和圖514可以看出程序僅將諧波信號(hào)通過(guò)從動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)到數(shù)組數(shù)據(jù)的vi和功率譜vi就可以得出諧波的功率譜。將設(shè)計(jì)的虛擬諧波分析儀測(cè)得的實(shí)驗(yàn)值與理論值進(jìn)行比較。其中顯示的最高次諧波次數(shù)可以在前面板輸入控件中進(jìn)行調(diào)節(jié)。圖55 諧波分析儀登陸界面程序框圖圖56 諧波分析儀登陸界面 諧波信號(hào)的產(chǎn)生信號(hào)生成由兩個(gè)信號(hào)發(fā)生器組合而成其中一個(gè)為正弦信號(hào)發(fā)生器，另一個(gè)為正弦信號(hào)（諧波）發(fā)生器。圖54 諧波分析儀前面板 登陸界面的設(shè)計(jì) 登陸界面的設(shè)計(jì)采用了labview中的條件執(zhí)行結(jié)構(gòu)，條件結(jié)構(gòu)類(lèi)似于文本編程語(yǔ)言中的switch語(yǔ)句或if else結(jié)構(gòu)或case結(jié)構(gòu)。并對(duì)需要保存的數(shù)據(jù)寫(xiě)入到電子表格中進(jìn)行保存。 （2）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(lái)設(shè)計(jì)。本論文以NI公司的PCI6024E數(shù)據(jù)采集卡做一下參考。 (3)多路復(fù)用功能 多路復(fù)用是使用單個(gè)測(cè)量設(shè)備來(lái)測(cè)量多個(gè)信號(hào)的常用技術(shù)。為了得到最高的分辨率，要對(duì)信號(hào)放大以使調(diào)理后信號(hào)的最大電壓范圍和模數(shù)轉(zhuǎn)換（A/D）的最大輸入范圍相等。 在本系統(tǒng)中，傳感器采用的是基于霍爾原理的閉環(huán)補(bǔ)償電壓互感器和電流互感器vsm025a型互感器。墨西哥帽函數(shù)在時(shí)間域與頻率域都有很好的局部化，并且滿(mǎn)足由于它的尺度函數(shù)不存在，所以不具有正交性。通常的用法是采用一個(gè)函數(shù)進(jìn)行分解，用另外一個(gè)小波函數(shù)進(jìn)行重構(gòu)?；谒鼈兊淖儞Q就是小波變換。 諧波分析方法諧波分析通常是先將信號(hào)的各次諧波(電壓或電流)的幅值和相角求出，然后由相應(yīng)的公式可以方便的求出總諧波畸變率THD、諧波含量等值。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)。 （2）量化量化是用有限個(gè)幅度值近似原來(lái)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?？梢?jiàn)，LabVIEW中每一個(gè)VI相當(dāng)于常規(guī)程序中的一個(gè)子程序。從而最終增強(qiáng)了LabVIEW的整體功能。虛擬儀器技術(shù)已被越來(lái)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?？傮w來(lái)說(shuō)，基于虛擬儀器思想所建立的諧波測(cè)試儀由兩大部分組成：硬件部分和軟件部分。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(wú)功功率。（2）被分析的波形必須是穩(wěn)態(tài)的、隨時(shí)間周期性變化。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(cè)量結(jié)果作為處理問(wèn)題的依據(jù)。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。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(guò)中性線會(huì)導(dǎo)致中線過(guò)熱甚至發(fā)生火災(zāi)。關(guān)鍵詞：虛擬儀器 數(shù)據(jù)采集 諧波分析Abstract With the rapid development of power electronics techno