【正文】 濾波電路的功能在于濾除信號中的冗余部分，如高頻信號、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。 ADC 采集一個通道后，轉(zhuǎn)換到另一個通道并進(jìn)行采集，然后再轉(zhuǎn)換到下一個通道，如此往復(fù)。 (3)多路復(fù)用功能 多路復(fù)用是使用單個測量設(shè)備 來測量多個信號的常用技術(shù)。 當(dāng)數(shù)據(jù)采集設(shè)備輸入和所采集的信號使用不同的參考地線 時(shí) ， 一旦這兩個參考地線有電勢差，就會帶來麻煩， 這種電勢差會產(chǎn)生所謂的接地回路，這樣就將使所采集信號的讀數(shù)不準(zhǔn)確 ； 或者如果電勢差太大，它也會對測量系統(tǒng)造成損害。被監(jiān)測的系統(tǒng)可能產(chǎn)生瞬態(tài)的高壓，如果不使用 隔離 ，這種高壓會對計(jì)算機(jī)造成損害。在臨近傳感器的信號調(diào)理機(jī)箱內(nèi)對低電壓信號進(jìn)行放大，然后把放大后的高電壓信號傳送到 PC，從而最大限度地降低噪聲對讀數(shù)的影響。為了得到最高的分辨率，要對信號放大以使調(diào)理后信號的最大電壓范圍和 模數(shù)轉(zhuǎn)換（ A/D） 的最大輸入范圍相等。 (1)信號放大 放大是最為普遍的信號調(diào)理功能。一個信號調(diào)理系統(tǒng)通常包括一個或者多個堅(jiān)固的機(jī)箱，機(jī)箱中可以安裝各種不同的信號調(diào)理模塊以滿足系統(tǒng)對I/O 的需求。具有精度高、線性好、頻帶寬、響應(yīng)快、過載能力強(qiáng)和不損失測量電路能量等傳感器 信號調(diào)理電路 數(shù)據(jù)采集卡 計(jì)算機(jī) 原始電壓信號 原始電流信號 傳感器 信號調(diào)理（多路電氣量隔離、放大、濾波、線性化變換） 信號采集卡 裝有虛擬儀器軟件的計(jì)算機(jī) 數(shù) 據(jù) 處理分 析 數(shù)據(jù)通信 數(shù)據(jù)存儲 報(bào)表打印 結(jié)果顯示 中國礦業(yè)大學(xué) 2020 屆本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 第 20 頁 優(yōu)點(diǎn) 。為了方便測量，在這一環(huán)節(jié)中，傳感器的選擇是至 關(guān) 重要的，如果選取的傳感器精度不夠，線性度不好，無論是信號轉(zhuǎn)換或信息處理，或者最佳數(shù)據(jù)的顯示和控制都無法實(shí)現(xiàn)， 相 應(yīng)的后續(xù)分析工作 也就 變得毫無意義。 〔 19〕 中國礦業(yè)大學(xué) 2020 屆本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 第 19 頁 圖 41 總體結(jié)構(gòu)圖 圖 42 硬件結(jié)構(gòu)圖 1. 傳感器 模擬信號在進(jìn)入數(shù)據(jù)采集卡之前應(yīng)先通過傳感器變換成符合采集卡量程要求的電壓、電流信號。這并不是說明系統(tǒng)不需硬件支持，軟件畢竟要建立在硬件基礎(chǔ)之上。 系 統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)如圖 41 所示。 對于本論文所研究的電能質(zhì)量參數(shù)監(jiān)測 分析 系統(tǒng)，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(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。 系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu) 基于虛擬儀器的電能質(zhì)量參數(shù) 分析 系統(tǒng)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。 中國礦業(yè)大學(xué) 2020 屆本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 第 18 頁 第四章 基于虛擬儀器的電能質(zhì)量分析系統(tǒng)的工作原理 虛擬儀器技術(shù)是一種基于計(jì)算機(jī)的實(shí)時(shí)測控技術(shù)，它使現(xiàn)代測試儀器不但具有傳統(tǒng)儀器、 儀表的全部功能，同時(shí)還可以充分地利用計(jì)算機(jī)強(qiáng)大的信息處理能力、存儲容量和網(wǎng)絡(luò)功能，解決電能質(zhì)量參數(shù)監(jiān)測中的數(shù)據(jù)讀取、存儲、分析以及遠(yuǎn)程傳輸?shù)龋送馓摂M儀器具有功能豐富的面板，使得測量結(jié)果更加直觀清晰。儀器驅(qū)動程序是提高虛擬儀器程序運(yùn)行效率的關(guān)鍵。 LabVIEW 內(nèi)置了這些變換必須的函數(shù)模塊，典型的如 FFT，在虛擬儀器程序中，用戶直接調(diào)用即 可，非常方便，見圖（ 32）。 LabVIEW 軟件有三種類型的濾波器， IIR 濾波器、 FIR 濾波器以及非線性響應(yīng)濾波器。傅立葉 變換方法的基本假設(shè)會在頻域內(nèi)的數(shù)據(jù)產(chǎn)生意外尖峰和頻譜泄漏，而利用 合適的平滑窗口能夠消除頻譜泄漏。 可以說，正是因?yàn)椴捎昧诉@些由軟件實(shí)現(xiàn)的功能模塊，替代了原來必須用硬件完成的數(shù)字信號處理分析功能，才出現(xiàn)了“軟件就是儀器”的概念，開發(fā)出的儀器才被稱為虛擬儀器。另外，用戶還可以利用內(nèi)置的繪圖器對程序代碼部分進(jìn)行分析和優(yōu)化。 和傳統(tǒng)程序一樣，在編制虛擬儀器程序時(shí)，需要不斷對程序進(jìn)行調(diào)試分析，LabVIEW 程序調(diào)試功能十分強(qiáng)大易用，可以靈活設(shè)定程序斷點(diǎn)，進(jìn)行帶數(shù)據(jù)探針的單步運(yùn)行，加 亮 執(zhí)行程序進(jìn)行數(shù)據(jù)流追蹤判斷。 圖 31 LabVIEW 中的主要結(jié)構(gòu)函數(shù) 這些結(jié)構(gòu)被描述成圖形化的邊界結(jié)構(gòu)，開發(fā)人員不必注意傳統(tǒng)程序設(shè)計(jì)所需的語法細(xì)節(jié)，只需直接將它們連接起來就可完成數(shù)據(jù)傳遞。 在 LabVIEW 開發(fā)環(huán)境中，后臺流程圖與前 面板控制顯示對象對應(yīng)，開發(fā)人員的任務(wù)是通過連接不同功能的函數(shù)模塊使數(shù)據(jù)流從輸入對象經(jīng)過處理傳送到輸出對象。二是確定程序的層次關(guān)系，如主程序和子程序之間的關(guān)系、虛擬儀器程序與硬件的連接關(guān)系等。控制端口圖標(biāo)的邊框?yàn)榇謱?shí)線，端口右側(cè)有一個享有的箭頭，表示輸出數(shù)據(jù)，指 示端口的圖標(biāo)的邊框?yàn)榧?xì)實(shí)線，端口左側(cè)有一個向左的箭頭，表示輸入數(shù)據(jù)。 表 31列出了 LabVIEW中常用的幾種數(shù)據(jù)類型及其相對應(yīng)的前面板對象的默認(rèn)值、端口圖標(biāo)和連線形式。 6)LabVIEW 提供對 TCP/IP, UDP 等網(wǎng)絡(luò)協(xié)議的支持，可以實(shí)現(xiàn)儀器測量網(wǎng)絡(luò)化。這些功能使程序的開發(fā)調(diào)試變得更為容易。 3) LabVIEW 支持的數(shù)據(jù)類型于其他高級語言 (如 C 語言 )相同，包括 :數(shù)值型，文本型，布爾型，串和簇 (相當(dāng)于 C語言中的結(jié)構(gòu) )，同時(shí)它和 C語言一樣支持順序、循環(huán)、選擇等結(jié)構(gòu)，具有自動報(bào)錯和處理功能。 LabVIEW 平臺內(nèi)部集成了大量功能強(qiáng)大的函數(shù)庫供用戶直接調(diào)用，從底層 VXI, GPIB、串口及數(shù)據(jù)采集板的控制子程序到大量的儀器驅(qū)動程序，從基本的功能函數(shù)到高級分析庫、涵蓋了儀器設(shè)計(jì)中所需要的幾乎所有函數(shù)。 LabVIEW 的特點(diǎn) 與其它編程語言相比， LabVIEW 具有以下特點(diǎn) : 1） LabVIEW 采用了 可 視化編程技術(shù)，在前面板上提供了工業(yè)領(lǐng)域多種顯示和控制對象，如開關(guān)、旋鈕、 LED 指示燈、儀表、圖形等。在前面板上，用戶的輸入是通過被稱為 Control 摸板 的輸入控件實(shí)現(xiàn)的，程序運(yùn)行的結(jié)果輸出則由 Control 模板的Indictor控件來實(shí)現(xiàn)。 [1] 在 LabVIEW 中，一個虛擬儀器 (VI)程序由兩部分組成 :前面板 (Front Panel)和流程圖 (Block Diagram)。 LabVIEW 簡介 LabVIEW 是英文 Laboratory Virtual Instrument Engineering Workbench 的簡寫，即實(shí)驗(yàn)室虛擬儀器工程平臺，它是世界上第一個采用圖形化編程技術(shù)的面向儀器的 32位編譯型程序開發(fā)系統(tǒng)，由 NI公司于 20 世紀(jì)九十年代推出并不斷更新。如 NI公司的 LabVIEW，HP 公司的 HPVEE 等。 中國礦業(yè)大學(xué) 2020 屆本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 第 13 頁 圖 21 IEC推薦的閃變儀原理框圖 本章小結(jié) 本章對電能質(zhì)量五項(xiàng)國家標(biāo)準(zhǔn)一一做了介紹，重點(diǎn)介紹了電網(wǎng)諧波、電壓波動和閃變指標(biāo)，同時(shí)深入的分析了電能質(zhì)量五項(xiàng)指標(biāo)的測量方 法。 1992 年 UIE 又作出詳細(xì)的論述，其框圖如圖 21所示?？紤]電壓波動分量，就是在基波電壓上疊加一系列的調(diào)幅波，為使分析簡化又不失一般性，將工頻電壓 u (t)的瞬時(shí)值解析式寫成 : ? ? ? ? ttmAtu ?c o sc o s1 ??? (212) 式中： A— 工頻載波電壓的幅值 ? — 工頻載波的角頻率 m— 調(diào)幅波電壓的幅值 ? — 調(diào)幅波電壓的角頻率 為求解出電壓波動只需解調(diào)出調(diào)幅波 tmv ?? cos ，將上面 (212)式進(jìn)行平方 : （ 213） 經(jīng)過 ～ 35Hz 的帶通濾波器濾去直流分量和工頻及以上的分量，便可檢測出調(diào)幅波即電壓波動分量，其輸出為 : （ 214） 由于 m 遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于 1，那么 (214)式中的第二項(xiàng)就非常的小，可以忽略不計(jì)，這樣就可以獲得電壓波動的分量。 目前常用的電壓波動檢測方法主要有三種 :平方解調(diào)檢波法、整流檢波法、有效值檢波法。 電壓波動和閃變的 IEC 測量 (1)電壓波動的測量 要對電壓波動與閃變進(jìn)行有效的抑制，首要的任務(wù)就是要準(zhǔn)確地提取出波動信號，通常將電壓波動看成以工頻額定電壓為載波，其電壓的幅值受頻 率范圍 ～ 中國礦業(yè)大學(xué) 2020 屆本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 第 12 頁 35Hz 的電壓波動分量的調(diào)制。 電壓波動與閃變的限值標(biāo)準(zhǔn) （ GB 12326— 2020） 電壓變動 d 的限值和變動頻度 r 有關(guān)：當(dāng) 11000 ?? hr 時(shí)，對于低壓 （ LV）和中壓（ MV）， d=%～ 4%；對于高壓（ HV）， d=1%～ 3%；對于隨機(jī)不規(guī)則的變動， d=2%（ LV， MV）和 d=%（ HV）。 電壓閃變可分為周期性和非周期性兩種， 前者主要是由于周期性的電壓波動引起的，如往復(fù)式壓縮機(jī)、電弧爐等 。通常多以 一次電壓變動值與 標(biāo)稱電壓的 比值的 百分?jǐn)?shù)來表示電壓變動的相對百分值 d，即 %100100%21 ??????NN UUU UUd (210) 電壓波動是指一系列電壓波動或工頻電壓包絡(luò) 線的周期變化。供電電壓在兩個相鄰的、持續(xù)時(shí) 中國礦業(yè)大學(xué) 2020 屆本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 第 11 頁 間在 1s以上的電壓有效值 U1 和 U2之間的差值，稱為電壓變動 [23]。因此，對電壓波動和閃變的研究顯得越來越重要。 〔 11〕 電壓波動和閃變 電力系統(tǒng)的電壓波 動和閃變主要是由具有沖擊性 (快速變動 )功率的負(fù)荷引起的，例如煉鋼電弧爐、軋鋼機(jī)、電弧焊機(jī)等，這類負(fù)荷的特點(diǎn)是在生產(chǎn)過程中有功和無功功率隨機(jī)地或周期性地大幅度變動。當(dāng)采樣頻率低于 2倍的奈奎斯特頻率 ( cs ff 2? )時(shí)，原信號中高于 2/cf 的頻譜分量將會在低于 2/cf 頻 譜 中再現(xiàn)，即會出現(xiàn)頻譜混疊，會使頻譜分析出現(xiàn)誤差。設(shè)原信號的最高諧波頻率為 fc，則采樣頻率必須滿足 fs 2fc,才能正確的表示原信號的信息，這就是采樣定理。 提高電能質(zhì)量，防止諧波的危害，限制電力系統(tǒng)的諧波，就是要把上述指標(biāo)限制在國標(biāo)規(guī)定的允許范圍之內(nèi)。THD):諧波總量的有效值與基波分量的有效值之比。 (1)諧波含有率 (Harmonic Ratio HR): k 次諧波分量的有效值 (或幅值 )與基波分量的有效值 (或幅值 )的比值。 電流和電壓 信號通過傅立葉變換 來進(jìn)行諧波分析，根據(jù)電壓、電流諧波的幅值和相位可以計(jì)算出各次諧波的功率因數(shù)角，進(jìn)而計(jì)算出有功、無功、視在功率。傅里葉變換作為經(jīng)典的信號分析方法己經(jīng)比較成熟。電網(wǎng)中諧波含量的增加，將導(dǎo)致電氣設(shè)備的壽命縮短，網(wǎng)損加大， 中國礦業(yè)大學(xué) 2020 屆本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 第 9 頁 系統(tǒng)發(fā)生諧波諧振的可能性增加，嚴(yán)重時(shí)會造成危險(xiǎn)的過電壓、過電流，同時(shí)還可能引起繼電保護(hù)和自動裝置誤動作、儀表指示和電度計(jì)量不準(zhǔn)，使通信系統(tǒng)受干擾等一系列問題 。 非正弦波形的電流在供電系統(tǒng)中傳輸時(shí)將迫使沿途電壓下降，其電壓波形也將受其影響而產(chǎn)生不同程度的 畸變。 諧波產(chǎn)生的原因和影響 諧波產(chǎn)生的根本原因是 系統(tǒng)中 非線 性負(fù)載 的應(yīng)用， 如高壓直流輸電系統(tǒng)、變頻器、可控整流器、電弧爐、電動機(jī)車等的應(yīng)用，造成電網(wǎng)中的諧波污染、三相電壓的不對稱性以及電壓波動和閃變?nèi)遮厙?yán)重。雖然實(shí)際上很難完全做到，因?yàn)殡娏ο到y(tǒng)負(fù)荷是變動的，而負(fù)荷的變動會影響系統(tǒng)中諧波含量，但在實(shí)際分析中只要被分析的現(xiàn)象或情況持續(xù)一段適當(dāng)?shù)臅r(shí)間，就可以應(yīng)用傅 里葉變換。 (2)必須嚴(yán)格區(qū)別諧波現(xiàn)象和暫態(tài)現(xiàn)象。例如，我國的電力系統(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。IEEE標(biāo)準(zhǔn)中的定義為 :諧波為一周期波或量的正弦波分量，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整數(shù)倍數(shù)，常常也稱之為高次諧波 。 三相電壓不平衡度的限值 我國國家標(biāo)準(zhǔn) GB/T 15543— 1995《電能質(zhì)量 三相電壓允許不平衡度》規(guī)定：電力系統(tǒng)公共連接點(diǎn)正常電壓不平衡度允許值為 2%，短時(shí)不得超 過 4%；接于公共連接點(diǎn)的每個用戶，引起該點(diǎn)正常電壓不平衡度允許值一般為 %。 含有零序分量的的三相系統(tǒng) 對于含有零序分量的三相系統(tǒng)中，應(yīng)用對稱分量法，分別先利用 (24)式 求出正序分量和負(fù)序分量，然