【正文】 全交給軟件來處理。 系統(tǒng)的總體結構如圖 41 所示 : 圖 41 系統(tǒng)總體結構圖 上海海事大學本科生畢業(yè)設計 (論文 ) 16 系統(tǒng)的硬件構成 雖然采用虛擬儀器技術的監(jiān)測系統(tǒng)軟件是核心，但硬件也是必需的，軟件畢竟 要建立在硬件基礎之上 。 根據(jù)各部分的功能特點綜合起來，系統(tǒng)的硬件即由傳感器、信號調(diào)理電路、數(shù)據(jù)采集卡、計算機系統(tǒng)四大部分構成，如圖 42 所示。 圖 42 系統(tǒng)硬件構成 傳感器 模擬信號在進入數(shù)據(jù)采集卡之前應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。這里就要把被測的強電信號轉換成弱電信號，出于對系統(tǒng)的可靠性及安全性方面的考慮，儀器與各種強電信號在電氣上必須是隔離的，不能把電壓和電流信號直接送到數(shù)據(jù)采集卡，因此使用了電壓互感器和電流互感器。為了方便測量，在這一環(huán)節(jié)中，傳感器的選擇是至關重要的，如果選取的傳感器 精度不夠，線性度不好，無論是信號轉換或信息處理，或者最佳數(shù)據(jù)的顯示和控制都無法實現(xiàn)，相應的后續(xù)分析工作也就變得毫無意義。 本設計中用的是 基于霍爾原理的 LV25P 電壓互感器和 LA55P 電流互感器，電壓傳感器的測量范圍為 10500V，它把原邊 的電流以 1 ： 的比例變換為副邊的電流，在通過一個接地電阻即可獲取電壓值 ，圖 43為其使用圖 。 電流傳感器 的原邊測量范圍是177。 70A，它把原邊的電流以 1000： 1的比例變換到副邊，圖 44 為其使用圖。 圖 43 電壓傳感器使用圖 上海海事大學本科生畢業(yè)設計 (論文 ) 17 圖 44 電流傳感器使用圖 信號調(diào)理電路 如圖 45 所示為電壓信號調(diào)理電路圖， 將電網(wǎng)單相電壓信號由 JPLN 口輸入，經(jīng)電壓互感器原邊兩個 25K 的電阻輸入傳感器，然后電壓互感器將電流信號成比例轉換， 通過一個接地電阻就獲得了電壓信號；由于 在傳感器獲得的測量信號中，往往含有許多與被測量無關的頻率成分， 因此為了減少 高頻信號、傳輸線引進的干擾 ，接著信號通過一個 RC 低通濾波電路，已達到測量精度的目的；最后信號通過 用作電壓跟隨器的運放，電壓跟隨器由于 輸入阻抗高，而輸出阻抗低 ，所以起到了 緩沖、隔離、提高帶載能力的作用 。 圖 45 電壓信號調(diào)理 電路 如圖 46 所示為電流信號調(diào)理電路， 本設計在電流傳感器的原邊將線繞了 4 圈，在通上電流之后電流傳感器將原邊電流按比例輸出，通過一個接地電產(chǎn)生電壓信號，然后通過一低通濾波電路和電壓跟隨器將信號輸出。 圖 47 為電壓電流信號調(diào)理電路板，其中電壓和電流傳感器為177。 15V 供電，電網(wǎng)數(shù)據(jù)經(jīng)過此調(diào)理電路后就可以直接傳到數(shù)據(jù)采集卡，繼而傳到計算機進行數(shù)據(jù)分析。 上海海事大學本科生畢業(yè)設計 (論文 ) 18 圖 46 電流 信號 調(diào)理電路 圖 47 電壓電流信號調(diào)理電路 數(shù)據(jù)采集卡介紹 數(shù)據(jù)采集卡選用的是 NI 公司的 PXI6143 S 系列 數(shù)據(jù)采集卡進行 數(shù)據(jù)采集。 該 系列的 多功能數(shù)據(jù)采集 (DAQ)模塊結合了最新的低價位 PC 技術，可為高通道數(shù)的數(shù)據(jù)采集上海海事大學本科生畢業(yè)設計 (論文 ) 19 及控制系統(tǒng)提供同步采樣。每通道專用的模數(shù)轉換器 (ADC)，可獲得最強的設備處理能力和更高的多通道精度。 NI PXI6143 最大電壓范圍 177。 5 V， 具有每通道 250 kS/s 的采樣速率、 2 個 24 位計數(shù)器 /定時器和 8 條數(shù)字 I/O 線，適合各種應用，其中包括：高速、連續(xù)的數(shù)據(jù)記錄 ； 瞬態(tài)和彈道學測量 ； 雷達、聲納、超聲 ； 高能物理學 ； 中頻數(shù)字化 。 圖 48 使用 DAQ Assistant 進行數(shù)據(jù)采集端口及采樣配置 在本 設計中 用的是 NI PXI6143 數(shù)據(jù)采集卡模擬輸入的 AI0 和 AI1 兩個端口，電流數(shù)據(jù)從 AI0 口輸入，電壓數(shù)據(jù)從 AI1 口輸入進行兩通道同步采樣。圖 48 為 DAQ Assistant配置端口及采樣頻率界面，這里采用了連續(xù)采樣方式，采樣頻率設為 1KHz，即每周期采樣 20 個點。 上海海事大學本科生畢業(yè)設計 (論文 ) 20 第五章 系統(tǒng) 軟件設計 軟件的總體設計方案概述 風力發(fā)電 電能質(zhì)量檢測系統(tǒng)主要是對電壓偏差、頻率偏差、電壓波動與 閃變、諧波和功率五個指標進行測量，在軟件的設計上，將系統(tǒng)程序分為如圖 51 的幾個模塊進行設計。 51 系統(tǒng)軟件結構 圖 在系統(tǒng)主界面可以選擇觀看不同的指標進行檢測，程序對經(jīng)傳感器、信號調(diào)理電路及數(shù)據(jù)采集卡轉化為程序所需要的數(shù)據(jù)形式的電壓、電流信號采用合適的算法進行運算、分析得到檢測結果，并以波形、數(shù)據(jù)等形式顯示出來以便觀察。 系統(tǒng)主用戶界面設計 用戶界面的設計，即前面板的設計。設計的原則是友好、簡單、可靠。 界面主要有以 下幾個板塊構成： 上海海事大學本科生畢業(yè)設計 (論文 ) 21 圖 52 界面功能模塊圖 功能 設置 模塊 功能設置模塊 ，包括數(shù)據(jù)讀取、結束 ， 如圖 53所示。 圖 53 功能顯示模塊 在程序運行前點擊“電壓電流數(shù)據(jù)庫”、“電流數(shù)據(jù) ” 和“電壓 數(shù)據(jù)” 的黃色文件夾就可以設置要讀取的數(shù)據(jù)庫 ，在程序運行時 點擊“停止”按鈕就可以停止正在運行的程序。 報警顯示模塊 該模板實現(xiàn)了電壓偏差、頻率偏差的報警顯示。呈紅色時，表示越限。 頻率偏差超過177。 報警，電壓偏差超出 7%～ 10%報警， 否則，表示正常 ，如圖 54所示 。 圖 54 報警顯示模塊 數(shù)據(jù)顯示模塊 該模塊實現(xiàn)了對檢測結果的顯示，包括電壓有效值（ V）、 電壓直流分量（ V） 、 電流有效值（ A） 、 電流直流分量（ A） 、 P（ W）、 S(W)、 Q(W)、功率因數(shù)等的顯示，如圖 55所示 。 上海海事大學本科生畢業(yè)設計 (論文 ) 22 圖 55 數(shù)據(jù)顯示模塊 波形顯示模塊 波形顯示包括了電壓、電流、電壓偏差、頻率偏差與時間的關系以及諧波柱狀圖。這可以讓用戶直觀的觀察到電能質(zhì)量的變化。波形顯示模板如圖 56 所示 。 圖 56 波形顯示模塊 用 LabVIEW 虛擬儀器軟件開發(fā) 實際檢測系統(tǒng)時，經(jīng)常會遇到這樣的情況：測試量龐大，要 將不同類型數(shù)據(jù)顯示在一個用戶界面時，就會顯得十分凌亂，對于用戶使用是比上海海事大學本科生畢業(yè)設計 (論文 ) 23 較困難的。鑒于此種情況，在設計主界面時我使用了 LabVIEW 自帶的選項卡控件，將不同種類的數(shù)據(jù)指標放置在不同的選項卡 中，這樣不僅 使界面顯得美觀，而且也方便用戶對數(shù)據(jù)的檢測，讓用忽悠一目了然的感覺。系統(tǒng)用戶界面如圖 57 所示，點擊上面不同的選項卡將顯示用戶需要查看那一類型的數(shù)據(jù)。 圖 57 系統(tǒng)用戶界面 數(shù)據(jù) 存儲 模塊設計 采集信號經(jīng)過傳感器、信號調(diào)理電路和數(shù)據(jù)采集卡后，在軟件這塊使用 DAQ Assistant Express VI 來配置測量任務及通道的圖形接口。 這里使用的是 PXI6143 模擬輸入的 ai0 和 ai1 口來分別采集電流與電壓信號，采樣頻率設置為 1KHz，電網(wǎng)頻率為50Hz，因此每周期采樣數(shù)位 20。 為了方便后面各模塊計算的需要，我們需要先將經(jīng) DAQ 采集的數(shù)據(jù)進行存儲，這里使 用了 LabVIEW 提供的“ Write To Spreadsheet ”函數(shù)，如圖 58 所示，將采集上海海事大學本科生畢業(yè)設計 (論文 ) 24 來的數(shù)組轉換為文本字符串形式保存。 添加至文件端子連接布爾型控件，默認為 False表示每次運行程序產(chǎn)生的新數(shù)據(jù)都會覆蓋原數(shù)據(jù)。設置為 Ture 時每次運行程序新創(chuàng)建的數(shù)據(jù)將添加到原表格中去，而不刪除原表格數(shù)據(jù)。利用“ Read From Spreadsheet ”函數(shù)，如圖 59 所示，通過設定讀取路徑可以方便的實現(xiàn) 存儲數(shù)據(jù)的讀取。 圖 58 Write To Spreadsheet 圖標及端口 圖 59 Read From Spreadsheet 圖標及端口 如圖 510 所示，數(shù)據(jù)存儲采用了 平鋪式順序結構和定時循環(huán)結構。平鋪式順序結構的數(shù)據(jù)流不同于 其它結構的數(shù)據(jù)流。所有連接至幀的數(shù)據(jù)都可用，平鋪式順序結構按照從左至右的順序執(zhí)行， 每幀執(zhí)行完 畢后會將數(shù)據(jù)傳遞至下一幀。 定時循環(huán)結構是在普通的 While 循環(huán)的基礎上添加了定時功能，可以根據(jù)外界輸入的定時器來周期性地進入循環(huán)體執(zhí)行程序。 平 鋪式順序結構和定時循環(huán)結構 其后面板框圖如圖 510 所示 圖 510 平鋪式順序結構和定時循環(huán)結構后面板 上海海事大學本科生畢業(yè)設計 (論文 ) 25 圖 511 為創(chuàng)建電壓電流數(shù)據(jù)庫的程序框圖，信號由 DAQ Assistant 采集到后，由一個拆分信號將采集到的電壓和電流數(shù)據(jù)存入定時循環(huán)結構的電子表格內(nèi)，在定時循環(huán)結構輸入節(jié)點設置周期為 100ms，即每隔 秒 存儲一組數(shù)據(jù)，由于采樣頻率為 1KHz，因此每周期采樣 20 個點，而 秒采樣了五個周期，即一組數(shù)據(jù)總共采集了 100 個點?！?Write To Spreadsheet ”函數(shù) 的添加至文件端子默認為 False，所以每次運行程序產(chǎn)生的新數(shù)據(jù)都會覆蓋原數(shù)據(jù)。然后在下一幀，用“ Read From Spreadsheet ”函數(shù) 讀取上一幀中產(chǎn)生的數(shù)據(jù)，接著在下一幀將電壓和電流數(shù)據(jù)創(chuàng)建為一個新的二維數(shù)組，寫入“電壓電流數(shù)據(jù)庫” ，這樣就實現(xiàn)了實時的存儲數(shù)據(jù)的功能，并且方便后面功率程序的編寫。 圖 511 數(shù)據(jù)存儲程序框圖 有效值測量模塊 有效值測量模塊設計的關鍵是電壓、電流有效值的設計，最終只要通過調(diào)用子 vi就能實現(xiàn)電壓偏差，功率模塊的設計。 利用公式（ 24）、（ 25）通過一系列的運算完成有效值計算的程序設計，圖 51513 即為有電壓和電流 有 效值計算的程序。 上海海事大學本科生畢業(yè)設計 (論文 ) 26 圖 512 電壓有效值計算程序框圖 圖 513 電流有效值計算程序框圖 電壓偏差模塊 電壓偏差的程序設計根據(jù)公式（ 210）進行，公式中需要實測電壓的有效值，因此，在這里我們使用軟件提供的 “ Averaged ”函數(shù)，將數(shù)據(jù)輸入后就可以直接可以得到電壓的實時有效值，如圖 514 所示。 圖 514 Averaged 圖標及端口 上海海事大學本科生畢業(yè)設計 (論文 ) 27 電壓偏差的程序框圖的設 計如圖 515 所示： 圖 515 電壓偏差程序框圖 頻率偏差模塊 頻率偏差的程序設計根據(jù)公式（ 211）進行，對于信號的頻率測量使用 LabVIEW提供的“ Extract Single Tone ”函數(shù)，如圖 516 所示； 檢測到的頻率為進過調(diào)理后的信號的頻率值， 由于采樣頻率 設置為 1KHz，每周期的采樣 數(shù)為 20 個點，因此根據(jù) f= /N 計算系統(tǒng)的頻率。因此頻率偏差的程序框圖和前面板如圖 517 所示。 圖 516 Extract Single Tone 圖標及端口 上海海事大學本科生畢業(yè)設計 (論文 ) 28 圖 517 頻率偏差程序框圖 諧波測量模塊 諧波測量模塊中，本文主要檢測 的是電流信號的 各次諧波的含有量、諧波的失真度（ THD） 、基波電流的頻率、基波電流分量、電流直流分量，檢測可以使用諧波分析的功能函數(shù) “ Harmonica Distortion ” 來實現(xiàn)，功能函數(shù)具體說明如圖 518 所示 。 圖 518 Harmonica Distortion 標志及端口 對采集的數(shù)據(jù)進行諧波 分析時，可以直接將 DAQ As