畢業(yè)設計(論文)-基于labview的離線電參數(shù)采集分析程序

重慶理工大學畢業(yè)論文基于LabVIEW的離線電參數(shù)采集分析程序設計PAGEPAGE45編號畢業(yè)設計（論文）題目基于Labview的離線電參數(shù)采集數(shù)據(jù)分析程序設計二級學院計算機科學與工程專業(yè)計算機科學與技術班級107030703學生姓名***學號107030703$$指導教師職稱時間目錄摘要 IAbstract II1緒論 11.1引言 11.2本課題研究的目的和意義 11.3虛擬儀器技術綜述 31.3.1虛擬儀器技術的優(yōu)勢 31.3.2虛擬儀器產生的背景 41.3.3虛擬儀器的概念 41.3.4虛擬儀器的組成 51.4電能質量參數(shù)分析方法 61.4.1國內外衡量電能質量的指標 61.4.2電能質量參數(shù)的分析方法 61.5本文的研究思路和主要內容 82電能質量指標綜述 92.1供電電壓允許偏差 92.1.1概念 92.1.2電壓偏差產生的原因和對電力系統(tǒng)的危害 92.1.3電壓偏差標準（GB12325-1990） 102.2電力系統(tǒng)的頻率偏差 102.3電壓諧波分析 112.3.1諧波的含義和性質 112.3.2諧波產生的原因和影響 122.3.3諧波限值標準（GB/T14549——1993） 122.3.4諧波畸變的指標 122.3.5諧波測量中的采樣問題 132.4三相電壓不平衡度 142.4.1含有零序分量的三相系統(tǒng) 142.4.2沒有零序分量的三相系統(tǒng) 152.4.3三相電壓不平衡度的限值 153系統(tǒng)軟件開發(fā)平臺LabVIEW 163.1LabVIEW簡介 163.2LabVIEW中的常用數(shù)據(jù)類型 173.3采用LabVIEW編制虛擬儀器程序的步驟 183.4采用LabVIEW實現(xiàn)數(shù)據(jù)處理分析 193.5LabVIEW的儀器驅動 204基于LabVIEW的離線電參數(shù)采集分析系統(tǒng)的工作原理 214.1系統(tǒng)的總體結構 214.1.1系統(tǒng)的軟件部分 214.2系統(tǒng)的功能模塊 214.3各電能質量參數(shù)的數(shù)字化實現(xiàn) 224.3.1基本參數(shù)的數(shù)字化測量 234.3.2頻率測量 244.3.3諧波分析 244.4本章小結 255離線電參數(shù)采集分析系統(tǒng)各功能模塊的軟件實現(xiàn) 265.1系統(tǒng)的總體設計思路 265.2離線電參數(shù)采集分析系統(tǒng)的軟件實現(xiàn) 265.2.1登陸界面 275.2.2主界面 285.2.3電壓電流有效值測量 315.2.4功率測量模塊 325.2.5不平衡度及相角模塊 355.2.6諧波分析模塊 365.3本章小結 396系統(tǒng)軟件測試 406.1軟件測試方法的介紹 406.2系統(tǒng)軟件的測試過程 407總結與展望 41致謝 43參考文獻 44摘要近年來，計算機技術、通信技術以及測試測量技術的不斷發(fā)展推動了虛擬儀器(VirtualInstrument，簡稱VI)技術的不斷發(fā)展。虛擬儀器具有豐富的軟件功能、簡單的硬件結構、高度的智能化等特點。以虛擬儀器技術為平臺建立的電能參數(shù)監(jiān)測分析系統(tǒng)能夠克服傳統(tǒng)的監(jiān)測系統(tǒng)功能單一、升級復雜、成本高等缺點。 因此，本論文提出并設計了基于當今測控領域的最新技術——虛擬儀器技術的電能質量參數(shù)分析系統(tǒng)，系統(tǒng)能夠對電壓、電流、功率、相位、頻率、三相電壓不平衡度、電網諧波等電力參數(shù)進行監(jiān)測，并且具有一定的分析功能。本論文首先闡述了對電能質量參數(shù)監(jiān)測與分析的必要性以及傳統(tǒng)電能質量監(jiān)測裝置的缺陷，分析了利用虛擬儀器技術開發(fā)電能質量分析系統(tǒng)的可行性。然后將電壓偏差、頻率偏差、電網諧波及三相不平衡作為主要的研究對象，對電能質量指標的數(shù)學模型進行了研究和離散化處理。接著確定了系統(tǒng)總體設計方案，重點論述了利用LabVIEW開發(fā)本系統(tǒng)的各個功能模塊。最后，就本系統(tǒng)在研究中存在的不足和需要加強的地方在文中做出了總結，并指出本課題的進一步研究工作展望與設想。關鍵詞：虛擬儀器，數(shù)據(jù)分析處理，數(shù)據(jù)圖像顯示，LabVIEW

AbstractInrecentyears,thedevelopmentofcommunicationtechnology,Computertechnologyandmeasuringtechniqueimpulsevirtualinstrumenttechnicalprogressivedevelopment.Virtualinstrumentpossessperfectsoftwarefunction,simplehardwareconfigurationaswellashighintelligentetc.Thepowerqualityparametersmonitoringsystemmainlybasedonvirtualinstrumentisbettertraditionalmonitoringandanalysessystem,whichfunctioniscrudeandupdateiscomplicate.Sothispaperputforwardanddesignthepowerqualityparametersmonitoringandanalyzesystembasedthenewesttechnologyofthefieldofmeasurementandcontrolnow-thevirtualinstrumenttechnical，itcanmonitorelectricpowerparameterincludingvoltage,electricalcurrent,phase,frequency,three-phasevoltageunbalanceandharmonic,andcanalsoprovidethedetailedpowerqualitymonitoringanalysisandresults.Firstly,theshortcomingoftraditionalpowerparametersmonitoringanalysessystemandthenecessityofmonitoringtopowerparametersareoutlinedinthispaper,besidesthepaperanalyzethefeasibilityforusingthevirtualinstrumenttodevelopthepowerqualitymonitoringsystem.Subsequentlymypapermainlystudythealgorithmofmonitoringvoltagedeviation,frequencydeviation,harmonicsandthree-phasevoltageunbalance,anddisposedispersedlythealgorithmofthematthetime.Then,integrateddesignisascertained,besidesthispaperputemphasesonthedevelopmentofthefunctionalmoduleofpowerparametersmonitoringanalyzesystemusingLabVIEW.Finally,theconcludingremarkssummariesthedeficienciesandtheimprovementofthesystem,andoutlookthefurtherresearchtoo.Keywords:Virtualinstrument,Dataanalysis&processing,Data&Imagedisplay,LabVIEW1緒論1.1引言儀器是人類認識世界的基本工具，也是信息社會人們獲取信息的主要手段之一。隨著信息時代和網絡時代的來臨，傳統(tǒng)儀器已不能滿足科技以及社會生產的需要。儀器已不再是簡單的機械或電子設備，而是融合了機械、電子、光學、計算機、材料化學、物理學、化學、生物學、系統(tǒng)工程等學科和先進制造技術的一門綜合性技術?，F(xiàn)代社會中，電能是一種最為廣泛使用的能源，其應用程度通常作為一個國家發(fā)展水平的主要標志之一。隨著科學技術和國民經濟的發(fā)展，對電能質量的要求越來越高，電能質量的好壞直接關系到國民經濟的總體效益。因此，建立和實施電能質量的監(jiān)測與分析是提高電能質量的一個重要技術手段。傳統(tǒng)的電能參數(shù)監(jiān)測系統(tǒng)以硬件為核心，功能單一，已經逐漸無法滿足日益復雜的、實時性、多參數(shù)測試要求。近年來，計算機技術、通信技術以及測試測量技術的不斷發(fā)展推動了虛擬儀器(VirtualInstrument，簡稱VI)技術的不斷發(fā)展。虛擬儀器具有豐富的軟件功能、簡單的硬件結構、智能化程度高等特點，以虛擬儀器技術為平臺建立的電能參數(shù)監(jiān)測系統(tǒng)能夠克服傳統(tǒng)的測試測量系統(tǒng)功能單一、升級復雜等缺點，并且可以使功能更強、精度更高、速度更快、自動化程度更高、靈活性更強。目前在開發(fā)虛擬儀器的應用程序中，美國NI公司的LabVIEW是應用最為廣泛的。1.2本課題研究的目的和意義測量是人類認識自然、改造自然的一種手段，通過測量人們可以對客觀世界取得定量的信息，儀器是測量中必不可少的工具。電子測量是利用電子學的理論和技術對電量和非電量進行觀察和測量的裝置和系統(tǒng)。隨著電子技術的發(fā)展及其在各方面的廣泛應用，對于測量和儀器提出了更高的要求，測試項目和范圍與日俱增，測試精度和測試速度要求急劇提高。七十年代以來，是電子測量和儀器領域發(fā)生飛躍變化的年代，微計算機的問世和大規(guī)模集成電路的發(fā)展對這一領域產生了革命性的影響。在測試系統(tǒng)中，對儀器的“智能”要求越來越高，儀器中微機的任務不斷加重，儀器在很多方面逐漸向微計算機靠攏。此外，隨著微計算機和智能儀器的普及，測試系統(tǒng)中包含的重復部件越來越多，而冗余的部件往往不能容錯。因此需要統(tǒng)籌地考慮儀器與計算機之間的系統(tǒng)結構。在這種背景下，1982年出現(xiàn)了一種與PC機配合使用的模塊式儀器，自動測試系統(tǒng)結構也從傳統(tǒng)的機架層迭式結構發(fā)展成為模塊式結構。對供電質量及可靠性的要求日益提高是和國民經濟發(fā)展與科學技術進步相聯(lián)系的。在電力發(fā)展的初期，電力供應比較緊張，人們把關注的焦點放在電力供應的量上，對電能質量的關注程度不多。從20世紀80年代末以來，隨著電力供應的緊張局面逐步緩解以及電力電子技術的蓬勃發(fā)展給電力系統(tǒng)自動化帶來了很大的變革。但是，電力電子技術的發(fā)展同時也給電力系統(tǒng)帶來許多不穩(wěn)定因素，致使電能質量(PowerQuality)日益惡化，電力系統(tǒng)的污染日趨嚴重，由此引起了電力部門、工業(yè)生產、人們生活多方面的關注。由于在供電系統(tǒng)中應用了大量的變頻器、整流設備、電弧爐等非線性負載，使得電網中的諧波污染情況日趨嚴重，諧波含量不斷增加；由于個別超高壓輸電線路不循環(huán)換位和電力機車等大容量非對稱負載的接入，局部電網的不對稱度非常嚴重；由于大容量軋鋼機等沖擊性負載的接入，部分電網的暫態(tài)干擾較大，電壓閃變的現(xiàn)象時常發(fā)生；此外，由于電網中的自動調壓、無功自動補償裝置正確動作率不高等原因，造成用戶端電壓嚴重的不穩(wěn)定，用電高峰時電壓過低，而在用電低谷時電壓偏高，電網的頻率有時也會受到電網負載過重的影響。以上這些現(xiàn)象都屬于電能質量方面的問題，它們對電網的安全、穩(wěn)定運行極為不利，嚴重地威脅電力系統(tǒng)的正常運行，甚至還會對電能質量要求較高的電力用戶造成嚴重的經濟損失。為保護電力系統(tǒng)安全和用戶的用電安全，更為了減少損耗，提高用電效率，改善電氣環(huán)境，就必須解決電能質量的問題。通常通過以下兩條措施對電能質量的問題進行治理[5]:一方面利用現(xiàn)有的技術條件，采用各種可行的技術措施抑制電能質量的惡化或進行負荷調整、電網改造來保證電能質量的正常;另一方面，我們通常在電力系統(tǒng)的特殊點處裝設電能質量參數(shù)監(jiān)測系統(tǒng)來監(jiān)測電能質量的各種參數(shù)。只有對電能質量的各種參數(shù)進行實時地監(jiān)測，對監(jiān)測的結果進行統(tǒng)計分析處理，才能夠正確評估電能質量的好壞，及時地找出引起電能質量惡化的原因，從而提出電能質量問題整改的方案，為有關部門采取有效措施隔離或降低電能質量惡化的危害提供決策支持。因此，利用先進的技術手段，采用精確合理的計算算法，研制功能齊全、性能優(yōu)良、安裝簡單、使用方便的電能質量監(jiān)測系統(tǒng)是很有必要的。目前電力運行設備品種繁多，相應的電能參數(shù)監(jiān)測設備種類齊全，然而常規(guī)的監(jiān)測系統(tǒng)在下列幾個方面比較欠缺[6,7]:1)功能單一性問題。常規(guī)的電能參數(shù)監(jiān)測系統(tǒng)由于受到硬件條件的限制，每一個系統(tǒng)只能實現(xiàn)一個或者少數(shù)幾個電能質量參數(shù)的檢測。2)生產調試率低下問題。常規(guī)的電力參數(shù)監(jiān)測設備在生產調試過程中，由于不同功能的設備在硬件、材料等方面差別很大，因此調試的工作量大，對調試人員的要求較高，需要掌握不同的硬件原理、不同的器件特性等，因此調試率低下。3)開發(fā)周期和開發(fā)費用問題。常規(guī)的單功能參數(shù)監(jiān)測設備在開發(fā)的過程中，要經過一個硬件設計、調試的過程，不同儀器間的資源不能互相利用，造成研發(fā)成本高，開發(fā)周期長。鑒于以上原因，本課題在研究新型的電能參數(shù)監(jiān)測裝置時采用了先進的虛擬儀器技術思想，通過軟件將計算機硬件資源和儀器硬件有機地結合起來，從而把計算機強大的計算處理能力和儀器硬件的測量、控制能力結合在一起，使得開發(fā)的基于虛擬儀器技術的電能參數(shù)監(jiān)測系統(tǒng)具有功能靈活、操作方便等優(yōu)點，這對于克服目前電能質量參數(shù)監(jiān)測系統(tǒng)的局限性、采取措施提高供電質量都具有重要的意義。1.3虛擬儀器技術綜述1.3.1虛擬儀器技術的優(yōu)勢虛擬儀器技術主要的優(yōu)勢主要表現(xiàn)在以下幾個方面：性能高虛擬儀器技術是在PC技術的基礎上發(fā)展起來的，所以完全“繼承”了以現(xiàn)成即用的PC技術為主導的最新商業(yè)技術的優(yōu)點，包括功能超卓的處理器和文件I/O，使您在數(shù)據(jù)高速導入磁盤的同時就能實時地進行復雜的分析。此外，不斷發(fā)展的因特網和越來越快的計算機網絡使得虛擬儀器技術展現(xiàn)其更強大的優(yōu)勢。擴展性強這些軟硬件工具使得工程師和科學家們不再圈囿于當前的技術中。得益于軟件的靈活性，只需更新您的計算機或測量硬件，就能以最少的硬件投資和極少的、甚至無需軟件上的升級即可改進您的整個系統(tǒng)。在利用最新科技的時候，您可以把它們集成到現(xiàn)有的測量設備，最終以較少的成本加速產品上市的時間。開發(fā)時間少在驅動和應用兩個層面上，NI高效的軟件構架能與計算機、儀器儀表和通訊方面的最新技術結合在一起。設計這一軟件構架的初衷就是為了方便用戶的操作，同時還提供了靈活性和強大的功能，使您輕松地配置、創(chuàng)建、發(fā)布、維護和修改高性能、低成本的測量和控制解決方案。無縫集成虛擬儀器技術從本質上說是一個集成的軟硬件概念。隨著產品在功能上不斷地趨于復雜，工程師們通常需要集成多個測量設備來滿足完整的測試需求，而連接和集成這些不同設備總是要耗費大量的時間。虛擬儀器軟件平臺為所有的I/O設備提供了標準的接口，幫助用戶輕松地將多個測量設備集成到單個系統(tǒng)，減少了任務的復雜性。1.3.2虛擬儀器產生的背景 現(xiàn)代科技的進步以計算機的進步為代表，不斷創(chuàng)新的計算機技術，從各個層面上影響著各行各業(yè)的技術進步，今天的測量和控制儀器行業(yè)同樣經歷著一場翻天覆地的變革。一方面，計算機技術的進步為新型的測量儀器產生提供了現(xiàn)實基礎，主要表現(xiàn)在：微處理器和DSP

(digitalsignalprocessing)技術的快速進步以及其性能價格比不斷上升大大改變了傳統(tǒng)電子行業(yè)的設計思想和觀念，原來許多由硬件完成的功能今天能夠依靠軟件實現(xiàn)；面向對象技術、可視化程序開發(fā)語言在軟件領域為更多易于使用、功能強大的軟件開發(fā)提供了可能性。另一方面，傳統(tǒng)的測量儀器越來越滿足不了科技進步的要求，主要表現(xiàn)在：現(xiàn)代測量控制要求儀器不僅僅能單獨測量到某個量，而更希望它們之間能夠相互通信，實現(xiàn)信息共享，從而完成對被測系統(tǒng)的綜合分析、評估，得出準確判斷。傳統(tǒng)儀器在這方面顯然存在嚴重不足，甚至根本不可能實現(xiàn)；對于復雜的被測系統(tǒng)，面對各個廠家的不同測試設備，使用者需要的知識很多。這樣的儀器不僅使用頻率和利用率低，而且硬件存在著冗余。鑒于上述原因，基于計算機的測試儀器逐漸變成現(xiàn)實，其出現(xiàn)和廣泛使用對測控儀器產生較為深刻的影響。1.3.3虛擬儀器的概念與傳統(tǒng)儀器一樣，虛擬儀器同樣可以劃分為數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)分析處理、現(xiàn)實結果三大功能塊，ini儀器以透明的方式把計算機資源和儀器硬件的測控能力相結合，實現(xiàn)儀器的功能運作。應用程序將可選硬件(如GPIB、VXI、PCI、USB等總線I/O設備)和可重復使用源碼庫函數(shù)等軟件集合起來實現(xiàn)模塊間的通信，源碼庫函數(shù)為用戶構造自己的虛擬儀器系統(tǒng)提供了幾本的軟件模塊。當用戶的測試要求變化時，可以方便地由用戶自己來增減硬軟件模塊，或重新配置現(xiàn)有系統(tǒng)以滿足系統(tǒng)的測試要求。虛擬儀器與傳統(tǒng)儀器的比較見表1-1。表1-1虛擬儀器與傳統(tǒng)儀器的比較傳統(tǒng)儀器虛擬儀器關鍵是硬件，系統(tǒng)升級成本高，而且要上門進行升級服務，開發(fā)周期長關鍵是軟件，系統(tǒng)升級方便，可通過網絡下載升級程序，開發(fā)周期短開發(fā)與維護的費用高開發(fā)與維護的費用低技術更新周期長（周期一般為5-10年）技術更新周期短（周期一般為1-2年）價格高、體積較大價格低，并且可重用性喝可配置性強；體積較小，便于攜帶和野外工作廠商定義儀器功能用戶定義儀器功能系統(tǒng)封閉，固定系統(tǒng)開放，靈活，與計算機的進步同步不易與其它設備連接極易與其它設備連接1.3.4虛擬儀器的組成虛擬儀器由軟件和硬件兩部分組成，突破了傳統(tǒng)電子儀器以硬件為主題的模式，用具有測試軟件的計算機實現(xiàn)傳統(tǒng)電子儀器的功能。虛擬儀器的構成框圖如圖1.1所示。測控對象測控對象信號調理電路GPIB接口數(shù)據(jù)采集卡GPIB接口VXI/PXI儀器串行口儀器/PLC現(xiàn)場總線控制計算機虛擬儀器軟件工作平臺圖1.1虛擬儀器系統(tǒng)組成框圖虛擬儀器的硬件是計算機和為其配置的各種傳感器（互感器）、信號調理器、數(shù)據(jù)采集器等。計算機及其配置的電子測量儀器硬件模塊組成了虛擬儀器測試硬件平臺的基礎。軟件是虛擬儀器的靈魂。NI公司在提出虛擬儀器概念時用“軟件就是儀器（SoftwareisInstrument）”的口號來表達虛擬儀器的特征，強調了軟件在虛擬儀器中極為重要的位置。虛擬儀器的軟件包括：虛擬儀器的前面板、信號采集模塊、信號處理模塊和數(shù)據(jù)存儲模塊等。因此測量信號在軟件的控制下，經由電子測量硬件平臺的采集，再經電子計算機的處理，得到最終的測試結果，并以數(shù)據(jù)、曲線、圖形等顯示在電子計算機的終端顯示屏上。1.4電能質量參數(shù)分析方法1.4.1國內外衡量電能質量的指標 國際上，IEEE第22屆標準協(xié)調委員會和其它國際委員會最新采用11種指標來衡量電能質量，大致可以分為兩大類:電壓幅值(斷電、電壓下跌、電壓上沖、瞬時脈沖、電壓波動與閃變、電壓切痕、過電壓、欠電壓)和電壓波形(諧波、間諧波、頻率偏差)[8]。在我國，結合本國的實際情況，自1990年以來，我國相繼發(fā)布了五項電能質量國家標準，分別為:GB12325-1990《電能質量供電電壓允許偏差》、GB/T14549-1993《電能質量公用電網諧波》、GB/T15543-1995《電能質量三相電壓允許不平衡度》、GB/T15945-1995《電能質量電力系統(tǒng)頻率允許偏差》、GB12326-2000《電能質量電壓波動和閃變))[14,16]。1.4.2電能質量參數(shù)的分析方法 對電能質量問題的分析是關系到電能質量問題解決的一個重要環(huán)節(jié)。近年來，基于數(shù)字技術的的各種分析方法己經在以下的電能質量領域中得到廣泛地應用：分析諧波在網絡中的傳播、分析各種擾動源引起的波形畸變、開發(fā)各種電能質量控制裝置等。按照所采用的不同分析方法，電能質量參數(shù)分析有時域、頻域、變換域三種〔1,15〕。(1)時域仿真方法對于電能質量中的暫態(tài)事件由于其持續(xù)的時間短、發(fā)生的時間不確定，對頻譜分析提出了較高的要求，通常采用時域仿真方法。在三種分析方法中，時域仿真分析方法在電能質量分析中的應用最為廣泛。目前較通用的時域仿真程序主要有EMTP,EMTDC,NETOMAC等系統(tǒng)暫態(tài)仿真程序和SPICE,PSPICE,SABER等電力電子仿真程序兩大類。由于電力系統(tǒng)主要由R,L,C等元件組成，這些程序在求解用微分方程描述的電力元件方程時，通常采用簡單易行的變階、變步長、隱式梯形積分法。利用隱式可保證求解過程中的數(shù)值穩(wěn)定，采用變階、變步長技術可縮短迭代計算的時間。采用時域仿真計算的缺點是仿真步長的選取決定了可模仿的最大頻率范圍，因此必須事先知道暫態(tài)過程的頻率覆蓋范圍。此外，在模仿開關的開合過程時，還會引起數(shù)值振蕩。因此，要采用相應技術抑制發(fā)生數(shù)值振蕩。(2)頻域仿真分析頻域分析方法主要用于電能質量中諧波問題的分析，包括頻率掃描、諧波潮流計算等。(3)基于變換的方法基于變換的方法常用在實時、在線的電能質量分析方法中。由于分析數(shù)據(jù)必須以足夠高的采用速率進行采樣并存儲，而且長期在線進行，所以存儲的數(shù)據(jù)非常的大。為了合理的利用好這些數(shù)據(jù)，可采用基于變換的方法進行擾動信號的分析。基于變換的方法主要指Fourier變換方法、短時Fourier變換方法以及近年來出現(xiàn)的小波變換方法Fourier變換方法是經典的頻譜分析和信號處理方法。它具有正交、完備等許多優(yōu)點，但其對含有短時間高頻分量和長時間低頻分量的電能質量信號分析具有一定的局限性。目前經過改進的快速傅里葉變換((FFT)和短時傅里葉變換(STET)己經成為電能質量分析的基礎。小波變換的分析方法是近年來興起的一種算法。由于具有時——頻局部化的特點，克服了以上FFT和STET的缺點，特別適合于突變信號和不平穩(wěn)信號的分析。小波變換作為一種新的數(shù)字技術被引入工程界后，已在圖象處理、數(shù)據(jù)壓縮和信號分析等領域得到廣泛應用。由于小波函數(shù)本身衰減很快，也屬一種暫態(tài)波形，將其用于電能質量分析領域，尤其是暫態(tài)過程分析領域將具有FFT,STFT所無法比擬的優(yōu)點。此外，國內外對于電能質量問題也越來越多地采用了模糊數(shù)學、神經網絡、人工智能等方法以及各種方法的結合，極大地豐富了處理電能質量問題的算法[8]。1.5本文的研究思路和主要內容本論文研究的重點在于利用LabVIEW平臺開發(fā)基于虛擬儀器的離線電參數(shù)采集分析系統(tǒng)，將電壓偏差、頻率偏差、電壓波動和閃變、電壓諧波、三相電壓不平衡度作為主要的研究對象，同時對電能質量參數(shù)的測試算法進行了研究，通過對電壓信號的采集、計算和分析，實現(xiàn)對上述五種穩(wěn)態(tài)電能質量參數(shù)的監(jiān)測和分析。論文的主要內容有:(1)簡要介紹課題研究的目的和研究意義，詳細論述了電能質量分析系統(tǒng)存在的實際問題以及對虛擬儀器技術優(yōu)勢的分析，提出了研究基于虛擬儀器的電能質量參數(shù)監(jiān)測系統(tǒng)的必要性和可行性。(2)詳細闡述了電能質量指標的定義并對電能質量參數(shù)的數(shù)學模型進行了深入的研究。(3)通過對基于虛擬儀器監(jiān)測系統(tǒng)的簡要分析，提出了本課題所要研究的系統(tǒng)的總體結構，并簡要的介紹了課題研究的系統(tǒng)硬件的構成方案。由于本課題所研究重點是基于虛擬儀器的離線電參數(shù)采集分析系統(tǒng)軟件功能部分，因此本論文的重點主要是對系統(tǒng)所要實現(xiàn)的各個功能模塊的數(shù)學模型離散化設計進行了研究。(4)簡要的介紹了虛擬儀器技術的概念及軟件開發(fā)平臺LabVIEW，利用LabVIEW以及前面所研究的各個功能模塊的數(shù)學模型的離散化設計，對系統(tǒng)的軟件部分進行了設計，將系統(tǒng)按所要實現(xiàn)的監(jiān)測參數(shù)主要分為五大功能模塊:伏安測量模塊(電壓與電流有效值、頻率測量、三相不平衡度)、相位測量、功率測量模塊、諧波測量模塊、波動和閃變測量模塊，并且詳細的給出了功能模塊的軟件設計。(5)利用仿真的方法對系統(tǒng)的各個功能模塊進行了試驗，并給出了試驗結果。

2電能質量指標綜述電能質量指標是電能質量各個方面的具體描述，不同的指標有不同的定義和規(guī)定。從總體上講，電能質量指標越接近標稱值表明電能質量越好。然而，電能從生產到消耗是一個整體，電力系統(tǒng)的發(fā)、輸、配、變、用始終處于動態(tài)平衡之中，其中任何一環(huán)節(jié)都會對電能質量產生影響。而電能質量指標的控制又需要相當?shù)耐度?電網結構的改進、有功功率和無功功率的平衡、各種調頻、調壓、濾波和無功補償裝置的使用以及調度和運行技術的管理等)。因此，電能質量指標的偏差時刻存在，而偏差是否能夠滿足規(guī)定的限值是我們進行電能質量指標監(jiān)測分析的依據(jù)。〔8,14〕在本章中，簡述了電能質量指標的定義，對電能質量五項指標的數(shù)學模型進行了一定的研究，為后續(xù)章節(jié)的數(shù)學模型的離散化設計奠定了基礎。2.1供電電壓允許偏差2.1.1概念用電設備的運行指標和額定壽命是對其額定電壓而言的。當其電壓輸入端子出現(xiàn)電壓偏差時，其運行參數(shù)和壽命將會受到影響，影響程度視偏差的大小、持續(xù)的時間和設備狀況而異。測試電壓的允許偏差比較簡單。電壓允許偏差是指電力系統(tǒng)的電壓緩慢變化時，實際電壓與系統(tǒng)標稱電壓之差。使用符合標準的電壓表測出系統(tǒng)的實際電壓，然后用下式求出電壓偏差：（2-1）式中實際電壓為實際測量電壓，額定電壓為系統(tǒng)標稱電壓220V、380V、6kV等。2.1.2電壓偏差產生的原因和對電力系統(tǒng)的危害電力系統(tǒng)中的負荷以及發(fā)電機組的出力隨時發(fā)生變化，網絡結構隨著運行方式的改變而改變，系統(tǒng)故障等因素都將引起電力系統(tǒng)功率的不平衡。系統(tǒng)無功功率不平衡是引起系統(tǒng)電壓偏差的根本原因。[9]電壓偏差對電力系統(tǒng)的危害主要表現(xiàn)在以下幾個方面:(1)對用電設備的危害用電設備設計在額定電壓時性能最好、效率最高，電壓偏離額定值時，其性能和效率都會降低，有的還會減少使用壽命。電壓偏差超過一定值時，會引起設備的損壞。(2)對電網穩(wěn)定運行的危害交流輸電有個同步運行穩(wěn)定問題，輸電線的輸送功率受穩(wěn)定極限的限制，特別是小擾動下的靜態(tài)穩(wěn)定功率極限與電網運行電壓有很大的關系，電壓越低，功率極限越低，越容易發(fā)生不穩(wěn)定現(xiàn)象。(3)對電網經濟運行的影響輸電線路和變壓器在輸送相同功率的條件下，其電流的大小和運行的電壓成反比。電網在低電壓狀況下運行，會使線路和變壓器的電流增大，線路和變壓器繞組的有功功率與電流平方成正比。低電壓運行會使電網有功功率損耗和無功功率損耗大大增加，增大了供電成本。2.1.3電壓偏差標準（GB12325-1990）允許限制:1）35kV及以上為正負偏差絕對值之和不超過10%； 2）10kV及以下三相供電為±7%。 3）220V單相供電為+7%，-10%。2.2電力系統(tǒng)的頻率偏差 電力系統(tǒng)在正常工況下應在標稱頻率下運行，系統(tǒng)中的用電設備在設計時都是優(yōu)先按照標稱頻率設計。但是，由于電力系統(tǒng)負荷不斷變動，電源出力及其調節(jié)系統(tǒng)追隨負荷變化又有一定的慣性，致使系統(tǒng)頻率總是一直處于變動的動態(tài)之中，不可避免地偏離標稱值，即產生頻率偏差。因此，必須劃出頻率允許的偏差范圍確保系統(tǒng)運行的可靠性和經濟性?！?3〕電力系統(tǒng)頻率是指單位時間內電信號周期性運動的次數(shù)，所謂頻率偏差是指系統(tǒng)頻率的實際值和標稱值(工頻)之差，〔16〕其表達式為：(2-2)式中指實際供電頻率，Hz供電網額定頻率，Hz國標中對系統(tǒng)頻率的規(guī)定如下:1)電力系統(tǒng)正常頻率偏差范圍為-0.2Hz～+0.2HZ。當系統(tǒng)容量較小時，偏差值可以放寬到-0.5Hz～+0.5Hz。2)用戶沖擊負荷引起的系統(tǒng)頻率變動一般不得超過0.2Hz，根據(jù)沖擊負荷的性質和大小以及系統(tǒng)的條件也可以適當變動限值，但應保證近區(qū)電力網、發(fā)電機組和用戶的安全、穩(wěn)定運行以及正常供電。2.3電壓諧波分析2.3.1諧波的含義和性質諧波含義為:諧波是一個周期性電量的正弦波分量，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。[12]在國際電工標準中(IEC555-2,1982)、國際大電網會議(CIGRE)的文獻中對諧波也有了明確的定義:諧波分量為周期量的傅里葉級數(shù)中大于1的n次分量;IEEE標準中的定義為: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。以上定義明確了有關諧波性質的下列幾個問題:(1)諧波次數(shù)n必須是一個正整數(shù)。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。n不能為非整數(shù)，因此也不能有非整數(shù)諧波。(2)必須嚴格區(qū)別諧波現(xiàn)象和暫態(tài)現(xiàn)象。為了區(qū)分諧波和暫態(tài)現(xiàn)象，根據(jù)傅立葉級數(shù)的基本理論，被變換的波形必須是周期性的。雖然實際上很難完全做到，因為電力系統(tǒng)負荷是變動的，而負荷的變動會影響系統(tǒng)中諧波含量，但在實際分析中只要被分析的現(xiàn)象或情況持續(xù)一段適當?shù)臅r間，就可以應用傅里葉變換。因此，需要區(qū)分清楚什么是諧波現(xiàn)象(波形保持不變)和什么是暫態(tài)現(xiàn)象。2.3.2諧波產生的原因和影響諧波產生的根本原因是系統(tǒng)中非線性負載的應用，如高壓直流輸電系統(tǒng)、變頻器、可控整流器、電弧爐、電動機車等的應用，造成電網中的諧波污染、三相電壓的不對稱性以及電壓波動和閃變日趨嚴重。同時，由于上述負荷的存在，使得電力系統(tǒng)中的供電電壓即便是正弦波形，其電流波形也將偏離正弦波形而發(fā)生畸變。非正弦波形的電流在供電系統(tǒng)中傳輸時將迫使沿途電壓下降，其電壓波形也將受其影響而產生不同程度的畸變。這種電能質量的下降會給電力系統(tǒng)和用電設備帶來嚴重的危害。電網中諧波含量的增加，將導致電氣設備的壽命縮短，網損加大，系統(tǒng)發(fā)生諧波諧振的可能性增加，嚴重時會造成危險的過電壓、過電流，同時還可能引起繼電保護和自動裝置誤動作、儀表指示和電度計量不準，使通信系統(tǒng)受干擾等一系列問題?！?〕2.3.3諧波限值標準（GB/T14549——1993）表2.1電壓諧波限制電壓（kV）THD奇次偶次0.3854.02.06.1043.21.635.6632.41.2110、22021.60.82.3.4諧波畸變的指標諧波分析的方法有很多種，如傅立葉變換、卡爾曼濾波、小波分析等。傅里葉變換作為經典的信號分析方法己經比較成熟。特別是快速傅里葉變換(FFT)的應用，有效地提高了信號處理的實時性。電流和電壓信號通過傅立葉變換來進行諧波分析，根據(jù)電壓、電流諧波的幅值和相位可以計算出各次諧波的功率因數(shù)角，進而計算出有功、無功、視在功率。為了定量表示電力系統(tǒng)正弦波形的畸變程度，采用以各次諧波含量和諧波總量大小來表示下列波形畸變指標。(1)諧波含有率(HarmonicRatioHR):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。第k次諧波電壓的含有率:（2-3）第k次諧波電流的含有率：（2-4）(2)總諧波畸變率(TotalHarmonicDistortion;THD):諧波總量的有效值與基波分量的有效值之比。諧波電壓總量:(2-5)電壓總諧波畸變率：（2-6）同理，用（2-5）式和（2-6）式亦可得出電流總諧波畸變率。提高電能質量，防止諧波的危害，限制電力系統(tǒng)的諧波，就是要把上述指標限制在國標規(guī)定的允許范圍之內。2.3.5諧波測量中的采樣問題對周期為T的連續(xù)信號做等間隔的N點采樣時，采樣周期為T/N，對應的采樣頻率為為周期信號頻率的N倍，分析其頻譜可知，其頻譜為以采樣頻率為周期的周期性離散譜，所得的最高諧波頻率次數(shù)為N/2-1。設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。通常將采樣頻率的一半稱為奈奎斯特頻率。當采樣頻率低于2倍的奈奎斯特頻率()時，原信號中高于的頻譜分量將會在低于頻譜中再現(xiàn)，即會出現(xiàn)頻譜混疊，會使頻譜分析出現(xiàn)誤差。為了防止頻譜混疊造成的諧波誤差，除提高采樣頻率外，還可使原信號在采樣前預先設置低通濾波器，除去高于一半采樣頻率以上頻率的諧波，使被采樣信號中僅有fs/2以下諧波分量，對這樣的信號采樣做離散傅里葉變換，所得到的頻譜就不會發(fā)生頻譜的混疊，這樣就能夠準確表達原信號的信息?！?1〕2.4三相電壓不平衡度在理想的三相交流電力系統(tǒng)中，三相電壓應有同樣的數(shù)值，且按A,B,C順序互成2/3角，這樣的系統(tǒng)叫做三相平衡系統(tǒng)。然而由于存在各種不平衡因素，實際上電力系統(tǒng)并不是完全平衡的。不平衡的因素可以歸結為事故性和正常性兩大類。事故性的不平衡是由于三相系統(tǒng)中某一相或兩相出現(xiàn)故障所致，這種不平衡工況是系統(tǒng)運行不允許的，一般由繼電保護、自動裝置動作切除故障元件后在短期內使系統(tǒng)恢復正常運行。正常性的不平衡則是由于系統(tǒng)三相元件或負荷不對稱所致，作為電能質量指標之一的“三相電壓允許不平衡度”是針對正常不平衡工況制定的.當三相電源電壓畸變不對稱時，對于三相四線制電路，電壓中除含有諧波分量外，還含有正序、負序、零序分量。對于三相三線制電路，只含有正、負序分量。三相電壓的不平衡度通常以負序分量的均方根值與正序分量的均方根值的比值來表示:〔10〕(2-7)式中為三相電壓正序分量的均方根值為三相電壓負序分量的均方根值如果將式中的電壓符號換為電流符號，就可以求出電流的三相不平衡度。2.4.1含有零序分量的三相系統(tǒng)對于含有零序分量的三相系統(tǒng)中，應用對稱分量法，分別先利用(2-8)式求出正序分量和負序分量，然后利用(2-7)式求出不平衡度。(2-8)式中是正序分量是負序分量是零序分量為a相基波電壓Ub為b相基波電壓Uc為c相基波電壓是旋轉因子2.4.2沒有零序分量的三相系統(tǒng)當三相電量中不含零序分量時(例如三相線電壓、無中線的三相線電流)，當已知三相電壓時，可以用下式求三相電壓不平衡度:（2-9）其中與此類似，三相電流不平衡度也可以用其相應的公式計算，只需將其中的電壓符號換為相對應的電流符號。2.4.3三相電壓不平衡度的限值國國家標準GB/T15543—1995《電能質量三相電壓允許不平衡度》規(guī)定：電力系統(tǒng)公共連接點正常電壓不平衡度允許值為2%，短時不得超過4%；接于公共連接點的每個用戶，引起該點正常電壓不平衡度允許值一般為1.3%。

3系統(tǒng)軟件開發(fā)平臺LabVIEW目前，開發(fā)虛擬儀器軟件一般有兩種方法:一是用通用高級編程語言編寫，主要有Microsoft公司的VisualBasic、VisualC++,Borland公司的Delphi,NI公司的LabWindows/CVI等；二是用專業(yè)圖形化編程平臺開發(fā)。如NI公司的LabVIEW，HP公司的HPVEE等。其中美國NI公司的圖形化編程平臺LabVIEW最為科研學者和工程師們推崇，本離線電參數(shù)采集分析系統(tǒng)就是用LabVIEW開發(fā)的。3.1LabVIEW簡介 目前，市場上可用的虛擬儀器開發(fā)環(huán)境較多，有通用的和專用的兩種。通用語言環(huán)境有Microsoft的VisualC++、VisualBasic等，專用的虛擬儀器開發(fā)環(huán)境有NI公司的LabWindows/CVI，LabVIEW、HP公司的ITG、HPVEE等。上述開發(fā)環(huán)境又可分為兩類，一類是傳統(tǒng)的程序語言編程環(huán)境，如LabWindows/CVI；另一類是圖形化編程語言，如NI的LabVIEW、HP的HPVEE。 為了讓使用者能夠快速開發(fā)出面向各種應用的測試軟件，NI公司推出了面向科學家和工程技術人員（而不是計算機編程人員）的LabVIEW和面向熟悉C語言的開發(fā)人員的、Windows環(huán)境下標準ANSIC開發(fā)環(huán)境LabWindows/CVI這兩個虛擬儀器開發(fā)平臺軟件。這些軟件以簡單直觀的編程方式、眾多源碼級的設備驅動程序、豐富實用的分析表達功能和支持功能，令使用者能快速地構建自己的測量儀器或測量儀器系統(tǒng)。 與傳統(tǒng)編程語言相比，圖形化編程語言的主要特點包括： eq\o\ac(○,1)系統(tǒng)提供各種測試、控制和數(shù)據(jù)分析功能模塊； eq\o\ac(○,2)編程過程就是設計和定義程序流程圖，通過連接代表各種功能模塊的圖標來建立具體的應用程序； eq\o\ac(○,3)繼承了傳統(tǒng)編程語言中結構化和模塊化的變成優(yōu)點； eq\o\ac(○,4)為儀器模擬面板設計、數(shù)據(jù)可視化分析提供了許多專門工具或對象，簡化了系統(tǒng)開發(fā)，縮短了開發(fā)周期； eq\o\ac(○,5)通過成熟的計算機網絡技術，可將針對不同測控任務的儀器與設備連接成一個分布式虛擬儀器系統(tǒng)，從而避免了系統(tǒng)功能重復所造成的浪費。 本課題采用LabVIEW作為開發(fā)虛擬數(shù)據(jù)采集分析儀的軟件開發(fā)環(huán)境。但是在初始階段擬采用的是VC++6.0。后來經過比較和權衡后最終采用了LabVIEW。LabVIEW與VC++兩種工具用來開發(fā)虛擬儀器用戶程序的區(qū)別： eq\o\ac(○,1)VC++使用文本語言編程，前面板布局和設計不是很直觀；而LabVIEW使用圖形語言（即各種圖標、圖形符號和連線等）編程。界面非常直觀形象，而且使用的都是測試工程師們熟悉的旋鈕、開關、波形圖等，用戶比較容易上手。 eq\o\ac(○,2)在VC++下編寫菜單等界面工作比較簡單，但在VC++下編寫動態(tài)曲線顯示程序比較困難，編程量較大。LabVIEW的動態(tài)曲線顯示功能非常強大，且非常方便。 eq\o\ac(○,3)VC++下的控制特點使編程靈活，執(zhí)行速度快，尤其使控制算法較復雜時，更能體現(xiàn)出VC++的優(yōu)點。LabVIEW的特點時采用圖形化編程，對于簡單的控制算法，實現(xiàn)起來很方便，但對于復雜的算法，如模糊控制等，實現(xiàn)就比較困難，且不便于閱讀和調試。 eq\o\ac(○,4)使用VC++需要擁有比較豐富的編程經驗，開發(fā)時間比較長；而用LabVIEW編程無需太多編程經驗，這對于沒有豐富編程經驗的測試工程師們來說無疑是個極好的選擇，開發(fā)周期較短。 LabVIEW程序由三個部分組成：前面板、框圖程序、圖標和連接端口。前面板是虛擬儀器圖形化的用戶界面，主要用來操作儀器、提供主要的測試及測量功能、輸入設備參數(shù)、輸出數(shù)據(jù)結果等等。虛擬儀器系統(tǒng)的每一個前面板都對應著一個框圖程序，同樣，每一個前面板控件都有一個框圖圖標或功能模塊與之相對應。框圖程序其實就是LabVIEW的程序代碼，只不過它是用圖形化編程語言（G語言）編寫的。圖標和連接端口可以將一個虛擬儀器系統(tǒng)變成一個子系統(tǒng)(SubVI),然后被其它的虛擬儀器程序所調用。可以根據(jù)需要將某個虛擬儀器模塊建立成SubVI，從而設計出多層系統(tǒng)，并可以改變它的功能，以滿足同其它程序連接時不斷變化的應用需要。 總之，用LabVIEW進行測試比較方便，在測試領域有廣闊的發(fā)展空間。3.2LabVIEW中的常用數(shù)據(jù)類型LabVIEW的數(shù)據(jù)類型與傳統(tǒng)編程語言中的數(shù)據(jù)類型基本類似，除了具有一般的數(shù)據(jù)類型之外，還有一些獨特的數(shù)據(jù)類型。表3-1列出了LabVIEW中常用的幾種數(shù)據(jù)類型及其相對應的前面板對象的默認值、端口圖標和連線形式。每種類型的端口圖標都有一種顏色，以示區(qū)別?？刂贫丝趫D標的邊框為粗實線，端口右側有一個享有的箭頭，表示輸出數(shù)據(jù)，指示端口的圖標的邊框為細實線，端口左側有一個向左的箭頭，表示輸入數(shù)據(jù)。表3.1LabVIEW中常用的數(shù)據(jù)類型數(shù)據(jù)類型默認值端口圖標連線形式雙精度浮點0.0枚舉——布爾False字符串空字符數(shù)組——簇——路徑空路徑動態(tài)數(shù)據(jù)——波形數(shù)據(jù)——3.3采用LabVIEW編制虛擬儀器程序的步驟eq\o\ac(○,1)確定程序設計總體方案在編制虛擬儀器程序前，必須首先對程序進行總體設計分析:一是確定程序要實現(xiàn)的功能、要顯示的圖形圖像、要輸出的報表;二是確定程序的層次關系，如主程序和子程序之間的關系、虛擬儀器程序與硬件的連接關系等。eq\o\ac(○,2)確定虛擬儀器程序前面板在完成虛擬儀器程序總體設計后，就可在前面板上布置實現(xiàn)所需功能的顯示對象，這些對象包括開關旋鈕控制、數(shù)據(jù)顯示、表頭、波形顯示、相量圖、頻譜圖顯示等，前面板布置好這些對象后，工程技術人員通過鼠標、鍵盤就可像操作傳統(tǒng)儀器一樣地操作虛擬儀器。eq\o\ac(○,3)構建圖形化流程圖在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，開發(fā)人員的任務是通過連接不同功能的函數(shù)模塊使數(shù)據(jù)流從輸入對象經過處理傳送到輸出對象。與傳統(tǒng)的文本式程序設計一樣，LabVIEW也有結構化數(shù)據(jù)流編程部分，包括順序（Sequence）、條件（case）、For循環(huán)、While循環(huán)、事件等結構，如圖3-1所示。圖3.1LabVIEW中的主要結構函數(shù)這些結構被描述成圖形化的邊界結構，開發(fā)人員不必注意傳統(tǒng)程序設計所需的語法細節(jié)，只需直接將它們連接起來就可完成數(shù)據(jù)傳遞。在編制大型復雜的虛擬儀器應用程序時，由于所用模塊很多，這時必須考慮程序的層次結構，這可以通過靈活編制子程序、采用更為簡單高效的計算原理等方式來實現(xiàn)。eq\o\ac(○,4)調試和優(yōu)化程序和傳統(tǒng)程序一樣，在編制虛擬儀器程序時，需要不斷對程序進行調試分析，LabVIEW程序調試功能十分強大易用，可以靈活設定程序斷點，進行帶數(shù)據(jù)探針的單步運行，加亮執(zhí)行程序進行數(shù)據(jù)流追蹤判斷。同時，LabVIEW是目前唯一帶有編輯器的圖形化編程環(huán)境，它可根據(jù)用戶編制程序自動產生最優(yōu)化代碼，加快程序運行速度。另外，用戶還可以利用內置的繪圖器對程序代碼部分進行分析和優(yōu)化。3.4采用LabVIEW實現(xiàn)數(shù)據(jù)處理分析LabVIEW之所以強大易用，很大程度上是因為LabVIEW內置了極其豐富的數(shù)據(jù)分析處理函數(shù)模塊?？梢哉f，正是因為采用了這些由軟件實現(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。eq\o\ac(○,1)與外界信號接口模塊這部分模塊與DAQ硬件系統(tǒng)結合，可以將已經過信號調理和A/D轉換的外界信號與流程圖進行接口，實現(xiàn)原始數(shù)據(jù)的輸入，eq\o\ac(○,2)平滑窗口模塊在頻譜分析中使用平滑窗口能夠減少在離散數(shù)據(jù)塊下使用FFT而產生的頻譜泄漏。傅立葉變換方法的基本假設會在頻域內的數(shù)據(jù)產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。eq\o\ac(○,3)數(shù)字濾波器模塊數(shù)字濾波器可以消除由電于元件產生的噪聲信號，或者由環(huán)境影響產生的噪聲。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濾波器。eq\o\ac(○,4)時頻域轉換模塊計算機進行數(shù)字信號處理時，需要對時域信號進行離散采樣，轉換到頻域進行頻譜分析，它反映的一些信息是時域分析中得不到的。LabVIEW內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，用戶直接調用即可，非常方便，見圖3.2。圖3.2時頻域轉換函數(shù)3.5LabVIEW的儀器驅動儀器驅動是一套高級、具有指導性的功能，它將硬件和軟件緊密結合起來，用來控制GPIB,VXI,RS232,RS485，或基于計算機的儀器I/0接口程序。儀器驅動程序是提高虛擬儀器程序運行效率的關鍵。一個儀器驅動程序功能包括儀器命令的語法、I/0接口協(xié)議、數(shù)據(jù)語法分析以及掃描等。4基于LabVIEW的離線電參數(shù)采集分析系統(tǒng)的工作原理虛擬儀器技術是一種基于計算機的實時測控技術，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，同時還可以充分地利用計算機強大的信息處理能力、存儲容量和網絡功能，解決電能質量參數(shù)監(jiān)測中的數(shù)據(jù)讀取、存儲、分析等，此外虛擬儀器具有功能豐富的面板，使得測量結果更加直觀清晰。本章首先介紹了系統(tǒng)的總體結構方案設計，然后詳細地闡述了系統(tǒng)軟件設計思路，最后介紹該系統(tǒng)中電能質量參數(shù)的監(jiān)測的數(shù)字化處理方法。4.1系統(tǒng)的總體結構4.1.1系統(tǒng)的軟件部分虛擬儀器軟件由接口驅動程序和應用程序兩大部分構成。I/O接口驅動程序完成特定外部硬件設備的擴展、驅動和通信，DAQ硬件是離不開相應驅動軟件的，大多數(shù)的DAQ應用都需要相應驅動軟件。在本系統(tǒng)中，所利用的虛擬儀器軟件平臺LabVIEW內置了650多種世界各地主要廠家生產的儀器的驅動程序。儀器驅動程序不但為用戶程序設計節(jié)約了時間和精力，而且為用戶提供了重要的模塊化代碼，使用戶很方便地進行設計。儀器驅動程序把儀器的功能封裝成一套標準的的虛擬儀器包，每一個虛擬儀器可對程序設計的操作如調整、讀寫數(shù)據(jù)、觸發(fā)儀器等作出響應。LabVIEW軟件以及儀器驅動程序減少了用戶自己開發(fā)應用程序的時間，由于不需要學習那些復雜、低級的程序設計協(xié)議、使得用戶對儀器的控制非常的簡單[6]。4.2系統(tǒng)的功能模塊系統(tǒng)將采集到的電壓和電流數(shù)據(jù)送入計算機后臺進行處理，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、諧波等電能質量參數(shù)的處理結果，并同時對部分的參數(shù)監(jiān)測結果進行分析。電壓信號采集電壓信號采集電流信號采集仿真信號信號參數(shù)配置系統(tǒng)主界面伏安測量頻率測量功率測量不平衡度計算諧波分析參數(shù)設置退出數(shù)據(jù)結果顯示、圖形化顯示、分析、存儲圖4.1系統(tǒng)的功能模塊4.3各電能質量參數(shù)的數(shù)字化實現(xiàn)電能質量的五個主要指標為:電壓允許偏差、電力系統(tǒng)頻率允許偏差、三相電壓允許不平衡度、電力系統(tǒng)諧波和電壓波動和閃變。雖然電能質量國標中僅規(guī)定了五個指標，但是需要計算的量卻很多。這些量主要包括:三相電壓有效值、三相電流的有效值、電網頻率、三相有功功率、三相無功功率、三相視在功率、功率因數(shù)、電壓與電流的各次諧波含有率及諧波總畸變率、電壓波動值等。在出現(xiàn)電壓閃變的情況下，對閃變的性質進行分析，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。電壓和電流的模擬信號經過系統(tǒng)的前置采集部分后，模擬的信號就會轉換為離散的數(shù)字信號。因此，本節(jié)主要對電能質量參數(shù)的數(shù)學模型進行離散化處理。4.3.1基本參數(shù)的數(shù)字化測量電力系統(tǒng)基本電氣量的測量主要包括:電流有效值、電壓有效值、有功功率、無功功率、視在功率、功率因數(shù)。對隨時間變化的電壓信號u(t)、電流信號i(t)，相電壓的有效值定義為:(4-1)相電流有效值的定義為:(4-2)功率：(4-3)對u(t)、i(t)進行離散化采樣，得到離散化序列{}、{}，若為相鄰的兩次采樣時間間隔，為第k個時間間隔電壓采樣的瞬時值，N為一周期內的采樣點數(shù)，則離散情況下的電壓的有效值可以表示為:(4-4)電流有效值可表示為：（4-5）采樣時采用了頻率跟蹤技術，使得一個周期內采樣點點數(shù)為N個，相鄰兩次采樣的時間間隔相等，及C為時間常數(shù),N=T/則:;(4-6)單相有功功率為:(4-7)單相的功率因數(shù)：（4-8）三相總的有功功率為:(4-9)三相總的視在功率為:（4-10）三相總的功率因數(shù):（4-11）4.3.2頻率測量本文采用傅立葉變換的算法來測量頻率。原始信號通過FFT變換，檢測出幅值最大的信號，此信號對應的頻率就是基波頻率。該方法計算量小，速度快，易于實現(xiàn)實時處理，且精度較高。4.3.3諧波分析諧波分析通常是先將信號的各次諧波(電壓或電流)的幅值和相角求出，然后由相應的公式可以方便的求出總諧波畸變率THD、諧波含量等值。具體的計算方法如下:首先采用64點FFT算法，計算出基波和各次諧波的實部和虛部，進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。[11]以電壓量為例，若用FFT算法求出的第k(k=2,3……32)次諧波的實部和虛部分別是，則第k次諧波電壓的均方根值：(4-12)第K次諧波電壓的相角為:(4-13)可以利用某次諧波均方根值相對于基波均方根值的百分數(shù)來反應該次諧波的含量，第K次諧波的含量為:(4-14)總的諧波畸變率(THD)反映諧波總含量，可以通過下式求得:(4-15)4.4本章小結系統(tǒng)的軟件是實現(xiàn)系統(tǒng)功能的核心部分，只要采集硬件部分將監(jiān)測點的電壓和電流信號經信號調理器和數(shù)據(jù)采集卡以最小失真度轉換成數(shù)字信號，其余的任務如濾波、加窗、數(shù)據(jù)處理和統(tǒng)計分析、數(shù)據(jù)遠傳以及顯示打印等完全交給軟件來處理。由于系統(tǒng)軟件部分處理的是數(shù)字信號，因此本章對系統(tǒng)所要監(jiān)測的電能參數(shù)的數(shù)學模型進行了詳細的離散數(shù)字化分析。

5離線電參數(shù)采集分析系統(tǒng)各功能模塊的軟件實現(xiàn)本論文所述系統(tǒng)主要實現(xiàn)對從采集的電壓電流信號進行頻率測量、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，并進行仿真。下面就詳細的闡述系統(tǒng)軟件各個功能模塊的設計和實施。5.1系統(tǒng)的總體設計思路基于虛擬儀器的離線電參數(shù)采集分析系統(tǒng)要實現(xiàn)對電能參數(shù)的監(jiān)測分析，由于要實現(xiàn)的功能不是單一的，因此需要不同的功能模塊支持，每一個功能模塊完成相應的功能，最后通過整合，才能夠完成系統(tǒng)同時對各項電能參數(shù)的測量和分析。由于系統(tǒng)實現(xiàn)的功能比較多，因此在系統(tǒng)的設計之前，要詳細的構思，寫出詳細的設計方案。對于本系統(tǒng)，詳細的設計方案如下:eq\o\ac(○,1)列出系統(tǒng)需要實現(xiàn)的功能。本系統(tǒng)實現(xiàn)的功能主要包括伏安測量、相位測量、功率測量、頻譜分析、諧波測量和分析等。eq\o\ac(○,2)設計每一個電能參數(shù)的數(shù)字化實現(xiàn)方案。eq\o\ac(○,3)規(guī)劃每一個功能模塊需要顯示的內容和顯示方式，進而設計每一功能模塊的前面板。eq\o\ac(○,4)詳細設計每一個功能模塊的框圖程序，保證各模塊既可以單獨運行，又可以被系統(tǒng)當作子程序調用。這樣既便于各模塊的單獨調試，又便于系統(tǒng)功能的修改，使系統(tǒng)具有更強的移植和升級能力。eq\o\ac(○,5)先對各模塊進行單獨調試，當每一個功能模塊都調試成功后，然后進行整合。5.2離線電參數(shù)采集分析系統(tǒng)的軟件實現(xiàn)系統(tǒng)的功能是對電力參數(shù)進行監(jiān)測和分析，設計內容包括以下幾個方面：（1）登錄界面的設計,包括密碼的設置；（2）主界面規(guī)劃設計；（3）功率測量模塊設計；（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。5.2.1登陸界面下圖為本系統(tǒng)登陸界面。圖5.1登錄界面的前面板圖5.2登陸界面的程序框圖為阻止非法用戶登錄，本系統(tǒng)設計了以上登錄界面。只有輸入正確密碼按登錄鍵，才能進入主界面。如圖5.2，使用了事件結構和條件結構，事件結構輸出結果作為條件結構的執(zhí)行條件。在程序框圖的字符串常量中，設定了密碼。當輸入正確密碼時，事件結構輸出False值，在條件結構False幀中，利用順序結構，采用引用的方法先將“主界面.vi”打開，之后關閉登錄界面的前面板；當輸入錯誤密碼是，條件結構執(zhí)行True幀中的程序，提示用戶重新輸入密碼。5.2.2主界面系統(tǒng)的主界面如下圖所示。圖5.3主界面的前面板eq\o\ac(○,1)讀數(shù)據(jù)和信號仿真圖5.4讀數(shù)據(jù)和信號仿真轉換程序本系統(tǒng)提供了兩個數(shù)據(jù)源，采集數(shù)據(jù)和仿真信號，可通過前面板上“讀數(shù)據(jù)/仿真信號”布爾按鈕進行切換。源程序如圖5.4所示。采集的三相電壓、電流的原始數(shù)據(jù)存儲在數(shù)據(jù)文件“采集數(shù)據(jù).xls”中，按列存儲，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。共采集5個周期，每個周期200個采樣點。采集數(shù)據(jù)通過“讀取電子表格文件.vi”和條件結構的“假”幀中的6個“索引數(shù)組.vi”逐行讀出。圖5.4中，是子程序“仿真信號.vi”，此vi可產生相位互差120度的三相動態(tài)電壓、電流信號，各相電壓電流之比例統(tǒng)一調節(jié)，頻率一致，各相噪聲水平統(tǒng)一控制。上述幾項參數(shù)均可由前面板上的“仿真信號配置”框中的控件進行調節(jié)。eq\o\ac(○,2)電壓和電流信號實時波形各相的電壓電流波形由一個“波形圖”控件來同時顯示，“相”選擇使用布爾選板中的一個“單選按鈕”控制，程序圖如下：圖5.5“相”選擇程序框圖上圖中，“測試波形”單選布爾按鈕是條件結構的執(zhí)行條件，其內含“A相”、“B相”和“C相”三個單選項。eq\o\ac(○,3)頻譜和諧波含量柱狀圖頻譜圖5.6頻譜分析程序框圖諧波含量柱狀圖可參考“5.2.6諧波分析模塊”所述。eq\o\ac(○,4)高級測量用LabVIEW虛擬儀器軟件開發(fā)實際的測控系統(tǒng)時，經常會遇到這樣的情況:測試量龐大，另外還要進行數(shù)據(jù)分析處理、報表的生成打印等任務。面對如此繁多的任務，無法用一個用戶界面(又稱為人機界面)來實現(xiàn)，這時將一個完整的測試系統(tǒng)按完成的具體任務不同分成幾個功能模塊，每個功能模塊分別設計成為不同的子程序(在LabVIEW中稱作子vi}，并且每個子程序都有自己的用戶界面。在測控系統(tǒng)的應用程序中首先提供一個友好的用戶界面，在此界面上把上述各功能模塊組織起來供用戶調用，利用菜單來驅動測控系統(tǒng)的各功能模塊，以完成不同的測試任務。這種調用關系，反映到用戶界面上，表現(xiàn)為菜單的功能。在本系統(tǒng)中利用事件結構來實現(xiàn)菜單與相對應功能模塊的調用。如圖5.3所示，高級測量部分給出了三個項目：功率測量、諧波分析、不平衡度和相角，分別用三個布爾按鈕表示。三個按鈕均使用“鼠標按下”事件形式(具體的事件形式可以選擇，事件結構函數(shù)提供了十幾種事件觸發(fā)的形式)，一旦鼠標單擊按鈕，就會調用相應的功能模塊。程序框圖如下：圖5.7高級測量部分程序圖在系統(tǒng)實時監(jiān)測的過程中或仿真時，有時需要將實時數(shù)據(jù)進行記錄，以備以后檢查和分析。本系統(tǒng)設計了寫測量文件功能，在此只作仿真信號記錄。程序框圖如下：圖5.8寫測量文件程序圖寫測量文件的程序框圖使用了條件結構，用“寫測量文件”布爾按鈕的真假作為條件。將原始電壓電流信號合并，作為“寫入電子表格文件.Vi”的輸入。將字符串常量轉換為路徑作為“寫入電子表格文件.Vi”的文件路徑。eq\o\ac(○,5)獲取系統(tǒng)時間在圖5.2的右下角可以看出本系統(tǒng)運行時的日期和時間。5.2.3電壓電流有效值測量圖5.9是電壓、電流有效值測量的框圖程序。首先用“讀取電子表格文件.vi”和“索引數(shù)組.vi”將數(shù)據(jù)按行讀出。下圖中用到了兩個For循環(huán)，外For循環(huán)將讀出的各相電壓電流信號以周期為單位送入到內For循環(huán)，在內For循環(huán)中，逐個取出數(shù)據(jù)進行平方，然后累加一個周期的平方和，輸出到外For循環(huán)，除以一個周期的采樣點數(shù)，再求取平方根，即得出了一個周期內電壓（電流）有效值。由于采集了多個周期的數(shù)據(jù)，為求精確，故在外For循環(huán)中又計算了多個周期的平均值。圖5.9電壓、電流有效值測量程序圖5.2.4功率測量模塊eq\o\ac(○,1)有功功率在本系統(tǒng)中，有功功率的計算通過一個子程序“有功功率.vi”來實現(xiàn)。下面是“有功功率.vi”的程序圖。圖5.10中，“讀取電子表格文件.vi”和“索引數(shù)組.vi”將采集數(shù)據(jù)庫中各相的電壓和電流分別讀出，根據(jù)有功功率的定義，首先對一個周期內同一時間采集的電壓與電流的瞬時值的乘積進行求和，然后除以一個周期所采集的數(shù)據(jù)點的個數(shù)，所得到就是有功功率。由于每次采集了多個周期，因此取其平均值作為有功功率。圖5.10有功功率程序框圖eq\o\ac(○,2)視在功率、無功功率和功率因數(shù)的計算圖5.11是功率測量模塊的前面板，包括有功功率、視在功率、無功功率和功率因數(shù)四部分。圖5.12是功率測量模塊的框圖程序。視在功率的計算相對比較簡單，利用伏安測量模塊已經計算得出的各相電壓和電流的有效值進行相乘，所得到的值就是視在功率。功率因數(shù)的計算可以利用公式(4-11)進行計算。無功功率的計算有點繁瑣。因為已求出功率因數(shù)，又知道，所以可以先利用“反余弦.vi”將求出，之后用“正弦.vi”算出，再乘以視在功率S就可得出無功功率Q。當功率測量模塊被“主界面.vi”調用后，圖5.12右下角的事件結構及其內程序便可用來返回主界面并關閉此vi前面板。圖5.11功率測量模塊的前面板圖5.12視在功率、無功功率和功率因數(shù)的計算程序5.2.5不平衡度及相角模塊不平衡度和相角模塊的前面板如下圖。圖5.13不平衡度和相角模塊的前面板圖5.14不平衡度和相角模塊的程序框圖eq\o\ac(○,1)三相不平衡度利用“讀取電子表格文件.vi”和“IndexArray.vi”分別將三相電壓、電流數(shù)據(jù)按行讀出，作為“提取單頻信息.vi”的時間信號輸入?！疤崛晤l信息.vi”能檢測出時間信號的頻率、幅度和相位以及其它測量信息。在計算三相電壓（電流）不平衡度時，要用到每相的基波電壓（電流）有效值，而此vi檢測出的幅度和相位信息是以極坐標的形式表現(xiàn)的，這需要用到“極坐標至復數(shù)轉換.vi”，但“極坐標至復數(shù)轉換.vi”的相位輸入是弧度形式的，因此，需要首先將角度形式的相位信息轉換為弧度形式，然后通過“極坐標至復數(shù)轉換.vi”轉換成復數(shù)形式并求其絕對值。之后，依據(jù)公式2-5，利用公式節(jié)點即可得出三相電壓（電流）不平衡度。eq\o\ac(○,2)初始相角“提取單頻信息.vi”輸出的相位信息可直接作為各相電壓電流的初始相角。eq\o\ac(○,3)此vi在被“主界面.vi”調用后，圖5.13左下的事件結構執(zhí)行時可用來關閉當前vi的前面板并返回主界面。5.2.6諧波分析模塊在本模塊中，使用了采集數(shù)據(jù)和仿真信號兩種數(shù)據(jù)源，主要監(jiān)測各次諧波的含有量（2～15次）、諧波的總失真度（THD）、基波幅值、直流分量等項目。本模塊的核心是函數(shù)“諧波失真分析.vi”，如下所示：圖5.15諧波失真分析eq\o\ac(○,1)前面板和程序框圖圖5.16諧波分析模塊的前面板圖5.17諧波分析模塊的程序框圖eq\o\ac(○,2)讀數(shù)據(jù)和仿真這部分類似于主界面中的“讀數(shù)據(jù)和信號仿真”，可參考5.2.2eq\o\ac(○,3)諧波輸入仿真.vi圖5.16和圖5.17分別是“諧波輸入仿真.vi”的前面板和程序框圖。仿真信號的各相電壓幅值可單獨調節(jié)，各相電流依據(jù)對應相電壓使用同一調節(jié)比例，各相的噪聲水平和采樣信息統(tǒng)一控制。相位重置時，三相相位互差120度。“諧波輸入仿真.vi”作為子vi被“諧波分析模塊.vi”調用時，有一些參數(shù)可以調整，包括頻率、采樣信息、噪聲水平和相位重置。圖5.18諧波輸入仿真的前面板圖5.19諧波輸入仿真的程序框圖eq\o\ac(○,4)信號選擇“諧波分析模塊.vi”是對三相電壓、電流單獨進行分析的，因此需要選擇信號。用菜單下拉列表控件（含6個菜單項）控制條件結構的執(zhí)行條件端口，即可實現(xiàn)，如圖5.16左上。eq\o\ac(○,5)THD、直流分量和基波幅值諧波總畸變率（THD）可直接由“諧波失真分析.vi”輸出的THD乘以100，以百分比的形式表示?！爸C波失真分析.vi”輸出的“諧波電平”中含有輸入信號的直流成分，只需用“索引數(shù)組.vi”將其取出即可?；ǚ狄惨粯印q\o\ac(○,6)各次諧波含量及其柱狀圖檢測各次諧波的含量，首先得通過“刪除數(shù)組元素.vi”把基波分量濾除，然后與已測得到基波幅值相比，再將直流分量濾除，之后通過“索引數(shù)組.vi”就可以將各次諧波逐個得出。各次諧波含量柱狀圖的顯示是這樣實現(xiàn)的：先用“For循環(huán)”索引輸出2～16的循環(huán)數(shù)組，然后和諧波含量數(shù)組捆綁成一個簇，用“XY圖”進行顯示。eq\o\ac(○,7)THD越限警告此處只適于電壓信號。依據(jù)表2-1，用各級電網電壓THD限值標準與相應等級電壓的THD實測值比較，以布爾指示燈高亮警告。eq\o\ac(○,8)同樣，當“諧波分析模塊.vi”被“主界面.vi”調用后，圖5.16下方的事件結構及其內程序執(zhí)行時會關閉當前面板并返回主界面。5.3本章小結本章的內容主要是介紹系統(tǒng)軟件的具體設計步驟，詳細說明了各模塊的前面板和程序框圖，其中包括以下幾個方面：（1）利用LabVIEW實現(xiàn)相位測量模塊的設計;（2）利用LabVIEW實現(xiàn)功率測量模塊的設計;（3）利用LabVIEW實現(xiàn)電壓、電流三相不平衡度模塊的設計;（4）利用LabVIEW實現(xiàn)了諧波分析模塊的設計。6系統(tǒng)軟件測試系統(tǒng)軟件設計的再好，也不可能保證其程序完全沒有差錯。因此，為了驗證和提高系統(tǒng)軟件的可靠性，就必要對其進行測試。測試工作主要包括兩個組成部分，首先是確定錯誤的準確位置，其次是找出錯誤發(fā)生的原因，并采取一定的措施來改正錯誤。本章首先簡單介紹系統(tǒng)軟件的一般測試方法，然后介紹離線電參數(shù)采集分析系統(tǒng)軟件平臺的具體測試方法和測試結果。6.1軟件測試方法的介紹軟件的調試是非常重要的一個環(huán)節(jié)，一個軟件平臺系統(tǒng)開發(fā)過程的最后一個重要壞節(jié)就是對軟件的測試。程序測試就是要在計算機上以各種可能的數(shù)據(jù)和操作條件對程序進行測試，找出存在的問題并加以修改，使之完全符合設計要求。一般的測試方法有:(1)數(shù)據(jù)測試:即用大量的實際數(shù)據(jù)進行測試，觀測結果對不對。(2)窮舉測試:即程序運行的各個要求都應該測試。(3)操作測試:即對各種顯示，輸出應全面檢查，看是否與設計要求相一致。(4)模型測試:即核算所有計算結果。(5)一般測試步驟:分調，即由程序設計者對各個模塊進行測試；聯(lián)調，即對各個子系統(tǒng)，各個模塊