【正文】 如圖 52 所示，高級(jí)測量部分給出了三個(gè)項(xiàng)目：功率測量、諧波分析、不平衡度和相。這種調(diào)用關(guān)系，反映到用戶界面上，表現(xiàn)為菜單的功能。面對(duì)如此繁多的任務(wù)，無法用一個(gè)用戶界面(又稱為人機(jī)界面)來實(shí)現(xiàn)，這時(shí)將一個(gè)完整的測試系統(tǒng)按完成的具體任務(wù)不同分成幾個(gè)功能模塊，每個(gè)功能模塊分別設(shè)計(jì)成為不同的子程序(在 LabVIEW 中稱作子 vi }，并且每個(gè)子程序都有自己的用戶界面。圖 55 頻譜分析程序框圖（2）諧波含量柱狀圖 可參考“ 諧波分析模塊”所述。函數(shù)“FFT 頻譜（幅度相位）.vi”可將時(shí)間信號(hào)從時(shí)域形式轉(zhuǎn)換到頻域形式。3. 頻譜和諧波含量柱狀圖 中國礦業(yè)大學(xué) 2022 屆本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 第 32 頁 (1)頻譜 由于采集數(shù)據(jù)有限，形不成動(dòng)態(tài)信號(hào)，故本部分只就仿真信號(hào)做分析和設(shè)計(jì)。上述幾項(xiàng)參數(shù)均可由前面板上的“仿真信號(hào)配置”框中的控件進(jìn)行調(diào)節(jié)。采集數(shù)據(jù)通過“讀取電子表格文件.vi”和條件結(jié)構(gòu)的“假”幀中的 6 個(gè)“”逐行讀出。采集的三相電壓、電流的原始數(shù)據(jù)存儲(chǔ)在數(shù)據(jù)文件“”中，按列存儲(chǔ)，依次為 A 相電壓、B 相電壓、C 相電壓、A 相電流、B 相電流和 C 相電流。圖 52 主界面前面板 中國礦業(yè)大學(xué) 2022 屆本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 第 31 頁圖 53 讀數(shù)據(jù)和信號(hào)仿真轉(zhuǎn)換程序本系統(tǒng)提供了兩個(gè)數(shù)據(jù)源，采集數(shù)據(jù)和仿真信號(hào)，可通過前面板上“讀數(shù)據(jù)/仿真信號(hào)”布爾按鈕進(jìn)行切換。當(dāng)輸入正確密碼時(shí)，事件結(jié)構(gòu)輸出 False 值，在條件結(jié)構(gòu) False 幀中，利用順序結(jié)構(gòu)，采用引用的方法先將“”打開，之后關(guān)閉登錄界面的前面板；當(dāng)輸入錯(cuò)誤密碼是，條件結(jié)構(gòu)執(zhí)行 True 幀中的程序，提示用戶重新輸入密碼。如圖 51（b） ，使用了事件結(jié)構(gòu)和條件結(jié)構(gòu)，事件結(jié)構(gòu)輸出結(jié)果作為條件結(jié)構(gòu)的執(zhí)行條件。圖 51（a） 登錄界面的前面板圖 51（b） 登錄界面的程序框圖為阻止非法用戶登錄，本系統(tǒng)設(shè)計(jì)了以上登錄界面。系統(tǒng)各 vi 之間的層次結(jié)構(gòu)如下圖： 中國礦業(yè)大學(xué) 2022 屆本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 第 29 頁圖 51 系統(tǒng)各 vi 之間層次結(jié)構(gòu) 電能質(zhì)量參數(shù)分析系統(tǒng)的軟件實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的功能是對(duì)電力參數(shù)進(jìn)行監(jiān)測和分析，設(shè)計(jì)內(nèi)容包括以下幾個(gè)方面：（1）登錄界面的設(shè)計(jì),包括密碼的設(shè)置；（2）主界面規(guī)劃設(shè)計(jì)；（3）功率測量模塊設(shè)計(jì)；（4）諧波分析模塊；（5）三相不平衡度和各基本參數(shù)初始相角測量。這樣既便于各模塊的單獨(dú)調(diào)試，又便于系統(tǒng)功能的修改，使系統(tǒng)具有更強(qiáng)的移植和升級(jí)能力。 (3)規(guī)劃每一個(gè)功能模塊需要顯示的內(nèi)容和顯示方式，進(jìn)而設(shè)計(jì)每一功能模塊的前面板。 (2)設(shè)計(jì)每一個(gè)電能參數(shù)的數(shù)字化實(shí)現(xiàn)方案。對(duì)于本系統(tǒng)，詳細(xì)的設(shè)計(jì)方案如下: (1)列出系統(tǒng)需要實(shí)現(xiàn)的功能。 系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì)思路 基于虛擬儀器的電能質(zhì)量分析系統(tǒng)要實(shí)現(xiàn)對(duì)電能參數(shù)的監(jiān)測分析，由于要實(shí)現(xiàn)的功能不是單一的，因此需要不同的功能模塊支持，每一個(gè)功能模塊完成相應(yīng)的功能，最后通過整合，才能夠完成系統(tǒng)同時(shí)對(duì)各項(xiàng)電能參數(shù)的測量和分析。 中國礦業(yè)大學(xué) 2022 屆本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 第 28 頁第五章 電能質(zhì)量分析系統(tǒng)各功能模塊的軟件實(shí)現(xiàn) 本論文所述系統(tǒng)主要實(shí)現(xiàn)對(duì)從電網(wǎng)采集的電壓電流信號(hào)進(jìn)行頻率測量、頻譜分析、功率測量、諧波分析、三相不平衡度和相角的測量等，并進(jìn)行仿真。系統(tǒng)的軟件是實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)功能的核心部分，只要采集硬件部分將監(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。將虛擬儀器軟件和基本的儀器硬件(電壓、電流傳感器、信號(hào)調(diào)理單元、數(shù)據(jù)采集卡等)通過合理的方式結(jié)合起來，就可以構(gòu)建基于虛擬儀器技術(shù)的電能質(zhì)量參數(shù)監(jiān)測系統(tǒng)。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。三相不平衡度計(jì)算流程圖： 從數(shù)據(jù)庫獲取數(shù)據(jù)通過濾波獲取基波電壓、電流分量檢測相位、幅值不平衡度計(jì)算 圖 45 不平衡度計(jì)算流程圖 中國礦業(yè)大學(xué) 2022 屆本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 第 26 頁 相位測量根據(jù)圖 45，在計(jì)算三相不平度時(shí)，可以得到三相電壓或電流基波的相角。 三相不平衡度的測量基于 LabVIEW 的電壓三相不平衡度的實(shí)現(xiàn)方法如圖 45 所示。原始信號(hào)通過 FFT 變換，檢測出幅值最大的信號(hào)，此信號(hào)對(duì)應(yīng)的頻率就是基波頻率。對(duì)隨時(shí)間變化的電壓信號(hào) u(t)、電流信號(hào) i(t)，相電壓的有效值定義為: (41)??TAdtuU021相電流有效值的定義為: (42)??TAdtiI021功率： (43)???TAtituP0對(duì) u(t)、i(t)進(jìn)行離散化采樣，得到離散化序列{ }、{ }，若 為相鄰kukikT?的兩次采樣時(shí)間間隔， 為第 k 個(gè)時(shí)間間隔電壓采樣的瞬時(shí)值，N 為一周期內(nèi)的u采樣點(diǎn)數(shù)，則離散情況下的電壓的有效值可以表示為: (44)????102kkATuU電流有效值可表示為： （45）??102NkkAiTI采樣時(shí)采用了頻率跟蹤技術(shù)，使得一個(gè)周期內(nèi)采樣點(diǎn)點(diǎn)數(shù)為 N 個(gè)，相鄰兩次采樣的時(shí)間間隔相等，及 C 為時(shí)間常數(shù) , N=T/ 則:?T 。因此，本節(jié)主要對(duì)電能質(zhì)量參數(shù)的數(shù)學(xué)模型進(jìn)行離散化處理。在出現(xiàn)電壓閃變的情況下，對(duì)閃變的性質(zhì)進(jìn)行分析，并記錄閃變暫態(tài)過程中的電壓波形、三相電壓不平衡系數(shù)等。雖然電能質(zhì)量國標(biāo)中僅規(guī)定了五個(gè)指標(biāo)，但是需要計(jì)算的量卻很多。 系統(tǒng)的功能模塊系統(tǒng)首先利用基于霍爾原理的電壓和電流傳感器將原始高電壓、大電流信號(hào)變?yōu)榻涣餍⌒盘?hào)，接著利用信號(hào)調(diào)理器對(duì)小信號(hào)進(jìn)行調(diào)理，然后送入計(jì)算機(jī)后臺(tái)進(jìn)行處理，顯示電流、電壓、相位、頻率、諧波、功率因數(shù)、功率(有功、無功、視在功率和總功率)、電能、三相電壓不平衡度、三相電流不平衡度、閃變、諧波等電能質(zhì)量參數(shù)的處理結(jié)果，并同時(shí)對(duì)部分的參數(shù)監(jiān)測結(jié)果進(jìn)行分析。儀器驅(qū)動(dòng)程序把儀器的功能封裝成一套標(biāo)準(zhǔn)的的虛擬儀器包，每一個(gè)虛擬儀器可對(duì)程序設(shè)計(jì)的操作如調(diào)整、讀寫數(shù)據(jù)、觸發(fā)儀器等作出響應(yīng)。 在本系統(tǒng)中，所利用的虛擬儀器軟件平臺(tái) LabVIEW 內(nèi)置了 650 多種世界各地主要廠家生產(chǎn)的儀器的驅(qū)動(dòng)程序。 系統(tǒng)的軟件部分 虛擬儀器軟件由接口驅(qū)動(dòng)程序和應(yīng)用程序兩大部分構(gòu)成。 計(jì)算機(jī)系統(tǒng)應(yīng)裝有虛擬儀器開發(fā)系統(tǒng)、網(wǎng)絡(luò)通信、數(shù)據(jù)庫等軟件，通過虛擬儀器開發(fā)平臺(tái)，可以對(duì)采集的數(shù)字信號(hào)進(jìn)行分析處理，完成電能質(zhì)量參數(shù)的顯示、分析與打印、維護(hù)、遠(yuǎn)傳等。具有兩個(gè)輸出通道，輸出范圍10～ +10V，分辨率 12bits,單通道最高采樣頻率為 200 千次/ 秒，12 位精度，三種信號(hào)輸入方式，通過卡內(nèi)置的 12 位精度的逐次逼近型 AD 轉(zhuǎn)換器，將轉(zhuǎn)換的結(jié)果送往卡上的 FIFO 存儲(chǔ)器，它可以保存 2048 次 A/D 轉(zhuǎn)換的結(jié)果。本論文以 NI 公司的 PCI6024E 數(shù)據(jù)采集卡做一下參考。線性特性不僅有利于后續(xù)電路的設(shè)計(jì)，而且傳感器的標(biāo)定工作也可大大的簡化，但實(shí)際上，現(xiàn)實(shí)中大量的傳感器的特性從原理上是非線性的，利用硬件方法對(duì)傳感器的特性進(jìn)行線性 中國礦業(yè)大學(xué) 2022 屆本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 第 22 頁化，在實(shí)時(shí)性、簡便、經(jīng)濟(jì)等方面具有軟件方法難以替代的優(yōu)勢，在應(yīng)用中，對(duì)傳感器的輸出進(jìn)行線性化是最佳的。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的測量誤差，達(dá)到提高測量精度的目的。ADC 采集一個(gè)通道后，轉(zhuǎn)換到另一個(gè)通道并進(jìn)行采集，然后再轉(zhuǎn)換到下一個(gè)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(gè)測量設(shè)備來測量多個(gè)信號(hào)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(hào)使用不同的參考地線時(shí)，一旦這兩個(gè)參考地線有電勢差，就會(huì)帶來麻煩，這種電勢差會(huì)產(chǎn)生所謂的接地回路，這樣就將使所采集信號(hào)的讀數(shù)不準(zhǔn)確；或者如果電勢差太大，它也會(huì)對(duì)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(huì)對(duì)計(jì)算機(jī)造成損害。在臨近傳感器的信號(hào)調(diào)理機(jī)箱內(nèi)對(duì)低電壓信號(hào)進(jìn)行放大，然后把放大后的高電壓信號(hào)傳送到 PC，從而最大限度地降低噪聲對(duì)讀數(shù)的影響。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。 (1)信號(hào)放大 放大是最為普遍的信號(hào)調(diào)理功能。一個(gè)信號(hào)調(diào)理系統(tǒng)通常包括一個(gè)或者多個(gè)堅(jiān)固的機(jī)箱，機(jī)箱中可以安裝各種不同的信號(hào)調(diào)理模塊以滿足系統(tǒng)對(duì) 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 中國礦業(yè)大學(xué) 2022 屆本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 第 21 頁量等優(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(hào)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) 2022 屆本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 第 20 頁原始電壓信號(hào)原始電流信號(hào)傳感器信號(hào)調(diào)理（多路電氣量隔離、放大、濾波、線性化變換）信號(hào)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(chǔ)報(bào)表打印結(jié)果顯示圖 41 總體結(jié)構(gòu)圖傳感器 信號(hào)調(diào)理電路 數(shù)據(jù)采集卡 計(jì)算機(jī)圖 42 硬件結(jié)構(gòu)圖1. 傳感器 模擬信號(hào)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(hào)。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(duì)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(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。 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) 2022 屆本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 第 19 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(chǔ)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(chǔ)、分析以及遠(yuǎn)程傳輸?shù)?，此外虛擬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) 中國礦業(yè)大學(xué) 2022 屆本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 第 18 頁動(dòng)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(huì)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(hào)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(duì)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(duì)程序進(jìn)行調(diào)試分析， 中國礦業(yè)大學(xué) 2022 屆本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 第 17 頁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(tái)流程圖與前面板控制顯示對(duì)象對(duì)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(duì)象經(jīng)過處理傳送到輸出對(duì)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?？刂贫丝趫D標(biāo)的邊框?yàn)榇謱?shí)線，端口右側(cè)有一個(gè)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(gè)向左的箭頭，表