虛擬儀器在電能質(zhì)量檢測(cè)中的應(yīng)用

1、虛擬儀器在電能質(zhì)量檢測(cè)中的應(yīng)用摘要 傳統(tǒng)的電能質(zhì)量參數(shù)測(cè)量系統(tǒng)以硬件為核心，功能單一、成本高，已經(jīng)無(wú)法滿足日益復(fù)雜的、多參數(shù)的測(cè)試要求。近年來(lái)，隨著電子技術(shù)和計(jì)算機(jī)技術(shù)的飛速發(fā)展及其在測(cè)量技術(shù)和儀器上的應(yīng)用，新的測(cè)試?yán)碚摵头椒ā⑿碌膬x器結(jié)構(gòu)不斷出現(xiàn)，測(cè)量?jī)x器的功能和使用發(fā)生了質(zhì)的變化,其中最顯著的一點(diǎn)就是虛擬儀器（Virtual Instrument，簡(jiǎn)稱VI）的出現(xiàn)與發(fā)展。虛擬儀器是計(jì)算機(jī)技術(shù)與測(cè)試測(cè)量?jī)x器技術(shù)相結(jié)合的產(chǎn)物，具有硬件結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、可自定義儀器功能、數(shù)據(jù)處理和分析功能強(qiáng)大的優(yōu)點(diǎn)，同時(shí)可以實(shí)現(xiàn)歷史數(shù)據(jù)管理和圖形化顯示等功能，在電力系統(tǒng)測(cè)量和控制方面具有極其廣闊的應(yīng)用前景。虛擬儀器的概

2、述 1. 虛擬儀器的概念及其優(yōu)點(diǎn) 到目前為止，虛擬儀器還沒有一個(gè)明確的國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)和定義。一般認(rèn)為，虛擬儀器就是在以通用計(jì)算機(jī)為核心的硬件平臺(tái)上，由用戶設(shè)計(jì)定義，具有虛擬前面板，數(shù)據(jù)處理、顯示和存儲(chǔ)由軟件實(shí)現(xiàn)的一種計(jì)算機(jī)儀器系統(tǒng)。其基本思想就是在測(cè)試系統(tǒng)或儀器設(shè)計(jì)中盡可能地用軟件代替硬件，即“軟件就是儀器”。測(cè)試儀器都有數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)分析和處理、結(jié)果輸出顯示三大功能。虛擬儀器的數(shù)據(jù)分析和結(jié)果輸出完全可由基于計(jì)算機(jī)的軟件系統(tǒng)來(lái)完成，因此只要提供一定的數(shù)據(jù)采集硬件，結(jié)合計(jì)算機(jī)，就可以構(gòu)成一套電子測(cè)量測(cè)試儀器，即虛擬儀器。虛擬儀器的出現(xiàn)，徹底打破了傳統(tǒng)儀器僅由生產(chǎn)廠家自己定義、用戶無(wú)法改變的模式，而給了

3、用戶一個(gè)充分發(fā)揮自己能力和想象力的空間。 虛擬儀器在發(fā)展的過(guò)程中，不斷吸收了最新的 PC 技術(shù)、測(cè)試技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、軟件技術(shù)和傳統(tǒng)儀器的優(yōu)點(diǎn)，因此，虛擬儀器與傳統(tǒng)儀器的應(yīng)用領(lǐng)域既有交叉又有補(bǔ)充。雖然在對(duì)速度和帶寬要求較高的專業(yè)測(cè)試領(lǐng)域，傳統(tǒng)儀器具有較大的優(yōu)勢(shì)，但虛擬儀器具有強(qiáng)大的運(yùn)算和數(shù)據(jù)處理能力，既能適應(yīng)復(fù)雜環(huán)境下的測(cè)試，也能完成對(duì)復(fù)雜過(guò)程的測(cè)試。與傳統(tǒng)儀器相比，其特點(diǎn)在于： 1、突破了傳統(tǒng)儀器的概念，將信號(hào)的分析、顯示、存儲(chǔ)和其它管理功能集中起來(lái)交由計(jì)算機(jī)來(lái)處理。虛擬儀器具有圖形化用戶界面，體現(xiàn)“所見即所得”的思想，傳統(tǒng)儀器的控制面板在各種虛擬儀器中都可被相應(yīng)設(shè)置選項(xiàng)和結(jié)果輸出控制的軟面板

4、所取代，由于充分地利用了計(jì)算機(jī)技術(shù)，完善了數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)、交換等性能，使得組建的系統(tǒng)變的更加靈活、簡(jiǎn)單。 2、它是一種功能意義上而非物理意義上的儀器。VI 通過(guò)硬件接口和儀器驅(qū)動(dòng)實(shí)現(xiàn)了與測(cè)控設(shè)備的硬件通信，將信號(hào)采集、分析與處理結(jié)合成一體；虛擬儀器體現(xiàn)了“軟件就是儀器”的現(xiàn)代儀表發(fā)展觀念，軟件在儀器中充當(dāng)了以往硬件現(xiàn)的角色。 3、儀器由用戶自己定義。用戶可通過(guò)軟件模塊的增減，自行定義儀器的功能，并可以方便地同外設(shè)、網(wǎng)絡(luò)及其它應(yīng)用進(jìn)行連接，而不像傳統(tǒng)儀器那樣受到儀器廠商的限制，出現(xiàn)廠商提供的儀器功能與用戶要求不符的情況。 4、基于計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)和接口技術(shù)，廣泛支持各種工業(yè)總線標(biāo)準(zhǔn)，可方便地構(gòu)建自動(dòng)測(cè)

5、試系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)測(cè)量、控制過(guò)程的網(wǎng)絡(luò)化和基于計(jì)算機(jī)的開放式標(biāo)準(zhǔn)體系結(jié)構(gòu)。 5、儀器的軟硬件都具有開放性、模塊化、可重復(fù)使用及互換性等特點(diǎn)。在一定的通用硬件模塊和軟件環(huán)境的支持下，用戶可以根據(jù)實(shí)際情況構(gòu)建自己的測(cè)試系統(tǒng)，以完成不同的測(cè)試任務(wù)。 6、由于虛擬儀器技術(shù)是建立在當(dāng)今最新的計(jì)算機(jī)技術(shù)和測(cè)試技術(shù)基礎(chǔ)之上，因此儀器的升級(jí)和更新快，成本低。 綜上所述，虛擬儀器在智能化程度、處理能力、性價(jià)比、可操作性等方面均具有明顯的技術(shù)優(yōu)勢(shì)。虛擬儀器的構(gòu)成 虛擬儀器由通用儀器硬件平臺(tái)和應(yīng)用軟件兩部分組成，其中通用儀器硬件平臺(tái)又包括計(jì)算機(jī)和 I/O 接口設(shè)備。其基本構(gòu)成如圖 1l 所示。圖1 虛擬儀器結(jié)構(gòu)圖1、虛擬

6、儀器的硬件結(jié)構(gòu) 前面已經(jīng)提到虛擬儀器硬件平臺(tái)包括計(jì)算機(jī)和 I/O 接口設(shè)備兩部分，其中，計(jì)算機(jī)一般為一臺(tái) PC 機(jī)或者工控機(jī)，它管理著虛擬儀器的軟、硬件資源，是虛擬儀器的硬件基礎(chǔ)；I/O 接口設(shè)備則主要完成被測(cè)信號(hào)的采集、放大和模數(shù)轉(zhuǎn)換。 根據(jù)采用的 I/O 接口設(shè)備的不同，可以將虛擬儀器分為以下五種類型： （1）PC-DAQ（Data Acquisition）插卡式 VI 這種方式是由數(shù)據(jù)采集卡配以一定的信號(hào)調(diào)理電路、計(jì)算機(jī)平臺(tái)和虛擬儀器應(yīng)用軟件構(gòu)成的虛擬儀器系統(tǒng)。對(duì)大多數(shù)用戶來(lái)說(shuō)，這種方案不但實(shí)用，而且具有很高的性價(jià)比，特別適合于工業(yè)測(cè)控現(xiàn)場(chǎng)、各種實(shí)驗(yàn)室和教學(xué)部門使用。因此，本課題的研究就

7、是基于 PC-DAQ 插卡式的數(shù)據(jù)采集板卡進(jìn)行的。 （2）GPIB(General Purpose Interface Bus)總線式 VI GPIB 技術(shù)是 IEEE488 標(biāo)準(zhǔn)的 VI 早期的發(fā)展階段。典型的 GPIB 系統(tǒng)由一臺(tái) PC 機(jī)，一塊 GPIB 接口卡和若干臺(tái) GPIB 儀器通過(guò) GPIB 電纜連接而成，GPIB 測(cè)試系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和命令簡(jiǎn)單，造價(jià)較低，適用于精確度要求高，但對(duì)計(jì)算機(jī)速率要求和總線控制實(shí)時(shí)性要求不高的傳輸場(chǎng)合。 （3）串口式 VI 串口儀器是以 Serial 標(biāo)準(zhǔn)總線儀器與計(jì)算機(jī)為儀器硬件平臺(tái)組成的虛擬儀器測(cè)試系統(tǒng)。 （4）VXI（VMEbus Extension

8、for Instrumentation）總線式 VI 基于 VXI 總線式的虛擬儀器主要由主機(jī)箱、“零槽”控制器、具有多種功能的模塊儀器和驅(qū)動(dòng)軟件、系統(tǒng)應(yīng)用軟件等組成，系統(tǒng)的各功能模塊可隨意更換、即插即用。主要適用于組建大、中規(guī)模自動(dòng)測(cè)量系統(tǒng)以及對(duì)速度、精度要求高的場(chǎng)合，造價(jià)比較高。 （5）PXI（PCI Extension for Instrumentation）總線式 VI PXI 儀器系統(tǒng)是在 PCI 總線內(nèi)核技術(shù)上增加了成熟的技術(shù)規(guī)范和要求形成的一種儀器。它主要適用于大型高精度集成系統(tǒng)。 由上可知，無(wú)論哪種 VI 都是將硬件設(shè)備搭載到 PC 或工控機(jī)等計(jì)算機(jī)平臺(tái)上，加上應(yīng)用軟件而構(gòu)成的

9、。2、虛擬儀器軟件結(jié)構(gòu) 軟件是虛擬儀器的關(guān)鍵，虛擬儀器的基本硬件確定后，就可通過(guò)不同的軟件實(shí)現(xiàn)不同功能。虛擬儀器系統(tǒng)的軟件構(gòu)成包含兩個(gè)部分： （1）虛擬儀器驅(qū)動(dòng)程序。 儀器驅(qū)動(dòng)程序是連接上層應(yīng)用程序與底層 I/O 接口軟件的紐帶，它為用戶提供了用于儀器操作的操作函數(shù)集，對(duì)于應(yīng)用程序來(lái)說(shuō)，它對(duì)儀器的操作是通過(guò)儀器驅(qū)動(dòng)程序來(lái)實(shí)現(xiàn)的。 （2）儀器應(yīng)用軟件。 應(yīng)用軟件是虛擬儀器的“主心骨”，可以根據(jù)不同的測(cè)試任務(wù)，開發(fā)不同的應(yīng)用軟件，來(lái)實(shí)現(xiàn)復(fù)雜的測(cè)量和分析。使用者可以通過(guò)操作界面友好的虛擬儀器前面板完成對(duì)儀器的使用。系統(tǒng)測(cè)量硬件平臺(tái)在應(yīng)用軟件的調(diào)控下，進(jìn)行信號(hào)的采集、處理，并得到最終的測(cè)量結(jié)果，最后以

10、數(shù)據(jù)、曲線、圖形等方式顯示在軟件圖形界面上。 應(yīng)用軟件開發(fā)環(huán)境的選擇，可因開發(fā)人員的喜好不同而不同。一般的軟件開發(fā)工具都可以用于開發(fā)虛擬儀器應(yīng)用程序，如 Visual c+、Visual Basic、Delphi 等。同時(shí)，世界各國(guó)的儀器公司發(fā)布了許多虛擬儀器開發(fā)平臺(tái)軟件，其中以 NI 公司的 Lab windows/CVI 和 LabVIEW 開發(fā)軟件最具影響力。 Lab windows/CVI 是在 Windows 環(huán)境下的標(biāo)準(zhǔn) ANSIC 開發(fā)環(huán)境，為熟悉 C 語(yǔ)言的開發(fā)人員而準(zhǔn)備；LabVIEW 采用圖形化編程方式，目前被認(rèn)為是世界上最優(yōu)秀的虛擬儀器軟件開發(fā)平臺(tái)。除此之外，國(guó)際上公認(rèn)的

11、優(yōu)秀虛擬儀器開發(fā)平臺(tái)軟件還有美國(guó) HP 公司的 HP-VEE 和 HPITG 平臺(tái)軟件、美國(guó)Tektronis 公司的 Ez-Test 和 Tek-NTS 軟件、以及美國(guó) HEM Data 公司的 snap-Marter 平臺(tái)軟件等等。 電能質(zhì)量指標(biāo)的測(cè)量方法 為了有效監(jiān)測(cè)供電質(zhì)量,電能質(zhì)量測(cè)試過(guò)程中出現(xiàn)了各種類型的電能質(zhì)量分析儀。傳統(tǒng)的電能質(zhì)量測(cè)量是由功能分立的儀器完成的,如功率測(cè)量裝置、波形監(jiān)測(cè)裝置、諧波分析裝置等。這種測(cè)量方式的弊是成本高、自動(dòng)化程度低、數(shù)據(jù)不集中、難以進(jìn)行綜合分析,且大量的信號(hào)采集工作重復(fù)化。隨著國(guó)民經(jīng)濟(jì)和科學(xué)技術(shù)的發(fā)展,電能質(zhì)量監(jiān)測(cè)表現(xiàn)出虛擬化、網(wǎng)絡(luò)化監(jiān)測(cè)的發(fā)展趨勢(shì)。

12、虛擬儀器是建立在標(biāo)準(zhǔn)化、系列化、模塊化的硬件和軟件平臺(tái)上的測(cè)控系統(tǒng),虛擬儀器的開發(fā)以軟件為核心,有著開發(fā)簡(jiǎn)捷、升級(jí)擴(kuò)展方便等優(yōu)點(diǎn)。選擇什么樣的軟件開發(fā)平臺(tái)對(duì)虛擬儀器的開發(fā)是十分重要的。最常用的設(shè)計(jì)開發(fā)的電能質(zhì)量綜合測(cè)試儀,其全部軟件開發(fā)工作是在Labview軟件平臺(tái)上完成的。Labview是專用的虛擬儀器開發(fā)軟件,其強(qiáng)大的功能使儀器的開發(fā)快捷高效?；贒FT的電氣參數(shù)測(cè)量算法對(duì)于一臺(tái)多功能的電能質(zhì)量參數(shù)綜合測(cè)試裝置,必須綜合考慮其基本電參量算法的選擇?；倦妳⒘恐凶钪匾氖请妷?、電流基波和諧波的頻率、幅值和相位,其他參數(shù)如功率、功率因數(shù)、諧波含有率等可通過(guò)上述參數(shù)間接求取。由于閃變的測(cè)量比較特

13、殊,這里的基本電參量不包括閃變。為了方便儀器的開發(fā),簡(jiǎn)化編程,希望算法能同時(shí)求出電壓、電流基波和諧波的頻率、幅值及相位,DFT(FFT)類算法正符合這一條件。考慮到電力系統(tǒng)電壓、電流頻譜屬于頻率間隔大的多頻率成分離散頻譜,采用各種改進(jìn)DFT算法進(jìn)行頻譜校正,則在電參量測(cè)量領(lǐng)域可取得良好的效果。為此,提出適合電氣信號(hào)測(cè)量的、基于頻譜校正的新算法。新算法具有實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單、速度快、精度高、通用性強(qiáng)的優(yōu)點(diǎn)。DFT校正原理對(duì)單頻電氣信號(hào)(暫不考慮諧波分量):式中:A為振幅;f1為工業(yè)頻率;為初相位。以采樣周期Ts將之離散化得序列X(n),再用長(zhǎng)度為N的窗序列W(n)加權(quán)截?cái)?得到X(n)為: X(n)的頻譜

14、(DTFT)為: 式中:X(f)、W(f)分別為連續(xù)信號(hào)f(t)的FT和窗序列W()的DTFT。 分析上兩式得:用DFT對(duì)序列X(n)作譜分析,得到X(k),它是X(f)以f=fs/N的抽樣結(jié)果。假設(shè)采樣非同步,f1將處于兩根相鄰的離散譜線之間,設(shè)f1距第k根譜線的頻率k和f最近,即:式中:1為信號(hào)基波頻率(相對(duì))校正量。若已知1,則可求得X(t)的真實(shí)頻率f1、幅值A(chǔ)和相位,即:DFT頻譜校正就是通過(guò)求解頻率校正量1,來(lái)估計(jì)信號(hào)的真實(shí)幅值、頻率和相位的。根據(jù)求解1方法的不同,頻譜校正方法有很多種。針對(duì)電氣參數(shù)測(cè)量的頻譜校正法應(yīng)考慮電氣信號(hào)的特點(diǎn),從而有利于滿足實(shí)時(shí)測(cè)量的要求。電氣參數(shù)測(cè)量的頻

15、譜校正算法取時(shí)間窗Tw=mTe,其中m為正整數(shù),Te為工頻周期(0.02s),此時(shí),DFT分析的頻率分辨率為: 若在w內(nèi)采樣點(diǎn)數(shù)為,則采樣周期為:以這一采樣周期對(duì)信號(hào)采樣(N+L)點(diǎn),取前N點(diǎn)(第0至N-1點(diǎn))構(gòu)成時(shí)域序列X1(n),取后N點(diǎn)(第L至N+L-1點(diǎn))構(gòu)成序列X2(n),序列X2(n)比X1(n)滯后L點(diǎn),即在時(shí)域上滯后t=LTs。經(jīng)過(guò)分析可求出電氣信號(hào)基波的幅值和相角。誤差分析根據(jù)采樣定理,為精確測(cè)量高次諧波,必須選取較大的采樣頻率。仿真實(shí)驗(yàn)確定的采樣頻率為fs=6 400Hz,即每個(gè)工頻周期采樣128個(gè)數(shù)據(jù)點(diǎn),這樣理論上可以測(cè)量64次諧波。文中仿真選擇使用Bartlett窗函數(shù)

16、,且為獲得較高的測(cè)量精度,令時(shí)間窗長(zhǎng)度為四個(gè)工頻周期,即Tw=4Te,此時(shí)N=512,并取L=N/4-128。電能質(zhì)量綜合測(cè)量裝置需要同時(shí)測(cè)量多次諧波,考慮到實(shí)時(shí)計(jì)算的需要,采用FFT計(jì)算信號(hào)頻譜。頻率測(cè)量誤差當(dāng)f1在4555HZ變化時(shí),測(cè)量單頻校驗(yàn)信號(hào)X(t)=100COS(21 +/3)的頻率測(cè)量誤差曲線如圖所示。圖2 頻率測(cè)量誤差曲線由圖2可見,在相當(dāng)寬的頻率范圍內(nèi),頻率的測(cè)量精度很高,即使信號(hào)頻率為48HZ,測(cè)量誤差也遠(yuǎn)未超標(biāo);信號(hào)相位的變化會(huì)影響頻率測(cè)量誤差的值。當(dāng)信號(hào)初相角不同時(shí),在同樣的頻率點(diǎn)上頻率測(cè)量誤差不同,且在某一頻率點(diǎn)的頻率測(cè)量的誤差隨信號(hào)相位變化做正弦波動(dòng),其最大誤差即

17、正弦波的幅值,遠(yuǎn)小于0.01HZ。在信號(hào)頻率偏離50HZ的較小范圍內(nèi),二次諧波對(duì)頻率測(cè)量誤差的影響完全可以忽略,而加入其他高次諧波,所得結(jié)論亦相同。綜上所述,算法測(cè)量頻率的精度非常高(信號(hào)頻率在4850HZ之間,測(cè)量誤差小于0.01HZ;信號(hào)頻率越靠近50HZ,精度越高),完全可以滿足測(cè)量的需要?；?、諧波的幅值測(cè)量誤差單頻信號(hào)的幅值測(cè)量誤差當(dāng)f1在4555HZ變化、測(cè)量單頻校驗(yàn)信號(hào)X(t)=100cos(21+/3)時(shí),幅值誤差情況如圖23(a)所示;當(dāng)信號(hào)頻率為49.5HZ、校驗(yàn)信號(hào)初相角在-180180之間變化時(shí),幅值測(cè)量的誤差情況如圖3(b)所示。圖3 基波幅值測(cè)量誤差曲線由圖3可以看

18、出,在不含諧波的情況下,此算法對(duì)基波幅值的測(cè)量較為精確,并且當(dāng)頻率越接近50HZ,幅值測(cè)量誤差越小;與頻率測(cè)量誤差一樣,基波相位的變化對(duì)幅值測(cè)量誤差影響很小,在固定頻率點(diǎn)上,由頻率測(cè)量帶來(lái)的最大誤差是一定的,并且遠(yuǎn)小于誤差的允許值。諧波的幅值測(cè)量誤差僅含單次諧波時(shí),令校驗(yàn)信號(hào)分別為:當(dāng)f1在4654HZ變化時(shí),測(cè)得諧波信號(hào)的幅值誤差分別如圖4所示。圖4 諧波幅值測(cè)量誤差曲線顯然,諧波(基波)的次數(shù)越靠近,相互之間的影響越大;諧波幅值相對(duì)越大,測(cè)量誤差受到其他次諧波(基波)的影響相對(duì)越小。相位測(cè)量誤差圖5為諧波相位測(cè)量誤差曲線,其采用的校驗(yàn)信號(hào)對(duì)應(yīng)于圖4。相位誤差還受基波、諧波的影響,在幅值相對(duì)較小的情況下,測(cè)量結(jié)果誤差較大。一般儀器相角測(cè)量的允許誤差為5,所以,本設(shè)計(jì)對(duì)相角的測(cè)量完全可以滿足標(biāo)準(zhǔn)。圖5 諧波相位測(cè)量誤差通過(guò)在LABVIEW平臺(tái)上對(duì)算法的實(shí)際仿真分析,證明了算法的可行性和精度。因此,確定測(cè)量基本電參量的方案如下。不考慮工頻頻率變化,采用等間隔采樣,采樣頻率f1=6400HZ,即每50HZ工頻周期采樣128個(gè)數(shù)據(jù)點(diǎn);采用電氣參數(shù)測(cè)量的頻譜校正算法,對(duì)信號(hào)加Barelett窗,取Tw=4Te、L=N/4=128,精確測(cè)量信號(hào)頻率、基波及各次諧波幅值、相位。得到系統(tǒng)頻率,各次諧波