基于labview的諧波測試儀

1、石家莊鐵道大學(xué)四方學(xué)院畢業(yè)設(shè)計電氣化鐵路牽引供電系統(tǒng)諧波測試儀設(shè)計 The design of electrified railway traction power supply system harmonic tester 2012 屆 電氣工程 系專 業(yè) 自動化 學(xué) 號 學(xué)生姓名 指導(dǎo)教師 劉寧寧 完成日期 2012年 5月 15日畢業(yè)設(shè)計成績單學(xué)生姓名學(xué)號2009班級0853-5專業(yè)自動化畢業(yè)設(shè)計題目電氣化鐵路牽引供電系統(tǒng)諧波測試儀設(shè)計指導(dǎo)教師姓名劉寧寧指導(dǎo)教師職稱講師評 定 成 績指導(dǎo)教師得分評閱人得分答辯小組組長得分成績：院長(主任) 簽字：年 月 日畢業(yè)設(shè)計任務(wù)書題目電氣化鐵路牽引

2、供電系統(tǒng)諧波測試儀設(shè)計學(xué)生姓名學(xué)號2009班級方0853-5專業(yè)自動化承擔(dān)指導(dǎo)任務(wù)單位電氣工程系導(dǎo)師姓名劉寧寧導(dǎo)師職稱講師一、設(shè)計內(nèi)容 電氣化鐵路牽引供電系統(tǒng)采用110Kv獨立雙電源供電，電力機車在運行中會產(chǎn)生大量電力諧波，對電網(wǎng)危害極大，分析系統(tǒng)中諧波產(chǎn)生的原因及危害，以及諧波污染防治的有效措施，得出最佳解決方案。重點分析小波分析算法和頻譜分析算法，實現(xiàn)對電鐵諧波實時檢測，最終在虛擬儀器的平臺上顯示諧波檢測結(jié)果，完成電鐵諧波測試儀的設(shè)計。二、基本要求 1分析電氣化鐵路牽引供電系統(tǒng)中諧波產(chǎn)生的原因和危害2目前國內(nèi)外對電氣化鐵路牽引供電系統(tǒng)中諧波污染治理的方法3比較電力系統(tǒng)中諧波檢測和分析的方法

3、,得出最佳解決方案4用小波分析算法和頻譜分析算法完成諧波檢測5用虛擬儀器完成諧波分析顯示6設(shè)計計算說明書一份，要求條目清楚、計算正確、文本整潔。7提供有關(guān)課題的英文資料原文和譯文各一套。 8提交開題報告一份三、設(shè)計的主要技術(shù)指標及要求1分析電氣化鐵路牽引供電系統(tǒng)中諧波產(chǎn)生的原因和危害2. 目前國內(nèi)外對電氣化鐵路牽引供電系統(tǒng)中諧波污染治理的方法3. 比較電力系統(tǒng)中諧波檢測和分析的方法,得出最佳解決方案4. 對電氣化鐵路牽引供電系統(tǒng)的諧波建立數(shù)學(xué)模型5完成硬件系統(tǒng)設(shè)計，信號調(diào)理電路，保護電路，數(shù)據(jù)采集卡的選擇，確定各元件參數(shù)及型號6用小波分析算法和頻譜分析算法完成諧波檢測7用虛擬儀器完成諧波分析的

4、軟件部分，包括登錄界面設(shè)計；數(shù)據(jù)采集模塊設(shè)計；有效值測量設(shè)計；功率測量設(shè)計；諧波測試模塊（頻譜分析圖及數(shù)據(jù)，諧波總畸變率等）；數(shù)據(jù)的存儲模塊四、應(yīng)收集的資料及參考文獻1任震.小波分析及其在電力系統(tǒng)中的應(yīng)用. 北京：中國電力出版社，2003：1-30 105-1092 冉啟文、譚麗英.小波分析與分數(shù)傅立葉變換及應(yīng)用.北京：國防工業(yè)出版社，2003： 1-133. 姜建國、樸曉光、趙長和、黃真、趙冬梅.電力系統(tǒng)的諧波檢測與分析方法. 大慶石油學(xué)院學(xué)報，2002年3月，第26卷第1期2002年3月4畢會靜，電力系統(tǒng)諧波測量方法電氣時代，2005，10：63665羅輝. 廣元 電力系統(tǒng)諧波檢測方案研究

5、. 重慶大學(xué)工程碩士學(xué)位論文.2002年3月6. 吳競昌主編. 供電系統(tǒng)諧波中國電力出版社五、進度計劃 1-3周 課題調(diào)研、收集、學(xué)習(xí)參考資料，查閱外文資料4周 整理參考資料, 制定畢業(yè)設(shè)計方案，作開題報告5周 對電氣化鐵路牽引供電系統(tǒng)的諧波建立數(shù)學(xué)模型67周 完成硬件系統(tǒng)設(shè)計8-10周 完成小波分析算法和頻譜分析算法11-12周 完成軟件系統(tǒng)設(shè)計13周 系統(tǒng)調(diào)試，給出分析結(jié)果1415周 整理并撰寫畢業(yè)設(shè)計論文，提交論文給指導(dǎo)老師16周 答辯教研組主任簽字時間 年 月 日畢業(yè)設(shè)計開題報告題目電氣化鐵路牽引供電系統(tǒng)諧波測試儀設(shè)計學(xué)生姓名學(xué)號2009班級方0853-5專業(yè)自動化1、 研究背景隨著電

6、力電子技術(shù)的飛速發(fā)展，各種電力電子變流裝置在電力系統(tǒng)、工業(yè)及家庭中的應(yīng)用日益廣泛，給人們帶來了極大的方便。但與此同時電力電子裝置帶來諧波問題對電力系統(tǒng)安全、穩(wěn)定、經(jīng)濟運行構(gòu)成潛在威脅，尤其是電氣化鐵路的貫通,使電網(wǎng)中產(chǎn)生了大量的高次諧波,造成電能質(zhì)量嚴重惡化，給周圍電氣環(huán)境帶來極大影響，對電力設(shè)備危害尤其嚴重。因此，對電力系統(tǒng)諧波問題研究已被人們逐漸重視。在諧波存在的情況下如何測量功率和諧波電流等有關(guān)電氣量就顯得非常重要。諧波問題包括畸變波形的分析方法、諧波源分析、諧波的影響及危害、電網(wǎng)諧波潮流計算、諧波檢測、有諧波時各種電流量的測量方法及手段、諧波補償和抑制、諧波限制標準等問題圖。諧波檢測是

7、諧波問題的一個重要組成部分，也是研究和分析諧波問題的主要依據(jù)和出發(fā)點。諧波檢測的主要作用有:鑒定實際電力系統(tǒng)及諧波源的諧波水平是否符合標準規(guī)定，包括對所有諧波源設(shè)備投運時的檢測。電氣設(shè)備調(diào)試、投運時諧波檢測，以確保設(shè)備投運后電力系統(tǒng)和設(shè)備的安全及經(jīng)濟運行。諧波故障或異常原因的測量。諧波 專題測試，如諧波阻抗、諧波潮流、諧波諧振和放大等。2、 國內(nèi)外研究現(xiàn)狀 諧波檢測是諧波問題中的一個重要分支，準確、實時檢測出電網(wǎng)中瞬態(tài)變化的畸變電流、電壓，對抑制諧波有著重要的指導(dǎo)作用，是進行繼電保護、判斷故障點和故障類型等工作的重要前提。目前，電力系統(tǒng)諧波檢測主要是通過諧波電流的測量來實現(xiàn)，它主要有以下幾種方

8、法： (1)采用模擬帶通或帶阻濾波器檢測 (2)基于瞬時無功功率的諧波檢 (3)基于傅立葉變傅立葉變換的方法 (4)自適應(yīng)諧波電流檢測法 (5)基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的諧波檢測 (6)基于小波變換的諧波檢測 綜上所述，帶通濾波是早期模擬式諧波檢測裝置的基本原理；瞬時無功功率理論可用于諧波的瞬時檢測和無功補償?shù)戎C波治理領(lǐng)域；傅立葉變換是目前諧波檢測中應(yīng)用最多、應(yīng)用最廣泛的基本理論依據(jù)；神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)理論和小波分析方法應(yīng)用于諧波測量是目前正在致力研究的新方法和新理論，它可以提高諧波測量的實時性和精度。 根據(jù)不同情況合理選擇諧波檢測方法，為諧波分析提供詳細、準確、實時的數(shù)據(jù)和信號，是提高檢測效果、改善電能質(zhì)量的重要

9、一步。國內(nèi)外對這方面的研究都比較重視，在線諧波檢測的理論和應(yīng)用正在不斷發(fā)展。隨著各種先進技術(shù)和理論的應(yīng)用，特別是計算機在諧波檢測中的具體使用，諧波檢測的實時性和精度要求一旦解決，相信電網(wǎng)諧波檢測技術(shù)將逐漸得到發(fā)展和完善。3、 研究方案1.分析電氣化鐵路牽引供電系統(tǒng)中諧波產(chǎn)生的原因和危害及對電氣化鐵路牽引供電系統(tǒng)中諧波污染治理的方法. 2.對多種電氣化鐵路牽引供電系統(tǒng)諧波測試方法進行分析和比較總結(jié)各個方法的特點3.綜合電氣化鐵路牽引供電系統(tǒng)諧波測試的實際問題和各種測量方法的優(yōu)缺點確定測試儀的基本測量方法及設(shè)計的最佳方案。 4.用小波分析算法和頻譜分析算法完成諧波檢測，虛擬儀器完成諧波分析顯示。5

10、.對電氣化鐵路牽引供電系統(tǒng)的諧波建立數(shù)學(xué)模型4、 預(yù)期結(jié)果用小波分析算法和頻譜分析算法完成諧波檢測并且用虛擬儀器完成諧波分析的軟件部分，包括登錄界面設(shè)計；數(shù)據(jù)采集模塊設(shè)計；有效值測量設(shè)計；功率測量設(shè)計；諧波測試模塊（頻譜分析圖及數(shù)據(jù)，諧波總畸變率等）；數(shù)據(jù)的存儲模塊。 指導(dǎo)教師簽字時間 年月日摘 要隨著電力電子技術(shù)的飛速發(fā)展，各種電力電子變流裝置在電力系統(tǒng)、工業(yè)及家庭中的應(yīng)用日益廣泛，給人們帶來了極大的方便。但與此同時電力電子裝置帶來諧波問題對電力系統(tǒng)安全、穩(wěn)定、經(jīng)濟運行構(gòu)成潛在威脅，尤其是電氣化鐵路的貫通,使電網(wǎng)中產(chǎn)生了大量的高次諧波,造成電能質(zhì)量嚴重惡化，給周圍電氣環(huán)境帶來極大影響，對電力

11、設(shè)備危害尤其嚴重。因此，對電力系統(tǒng)諧波問題研究已被人們逐漸重視。 虛擬儀器(Vimlal Instrument，簡稱VI)是計算機技術(shù)與電子儀器相結(jié)合而產(chǎn)生的一種新的儀器設(shè)備。其實質(zhì)是以通用計算機為硬件平臺，由用戶設(shè)計定義其測試功能，由軟件實現(xiàn)其測試功能的一種計算機儀器系統(tǒng)。它從根本上更新了儀器的概念，具有傳統(tǒng)儀器無法比擬的優(yōu)勢。它的出現(xiàn)代表著儀器發(fā)展的最新的潮流和方向。本論文主要內(nèi)容是虛擬諧波測試儀的設(shè)計。論文首先論述了國內(nèi)外諧波研究的現(xiàn)狀以及諧波檢測技術(shù)的發(fā)展，說明研制諧波檢測裝置的必要性，其次對虛擬諧波分析儀所依據(jù)的虛擬儀器的概念、虛擬儀器軟硬件系統(tǒng)做了簡要介紹。為更好的應(yīng)用虛擬儀器技術(shù)

12、完成諧波測試儀的開發(fā)。最終使用通用計算機、開發(fā)軟件LabVIEW，成功的研究開發(fā)出虛擬諧波測試儀。關(guān)鍵詞：虛擬儀器 數(shù)據(jù)采集 諧波分析Abstract With the rapid development of power electronics technology, the increasingly widespread application of a variety of power electronic converters installed in electric power systems, industrial and household, has brought great

13、 convenience to the people.But at the same time power electronic devices to bring the harmonic problems pose a potential threat to power system security, stability, economic operation, especiallythrough the electrified railway, a large number of high-order harmonic in the grid, resultingin a serious

14、 deterioration in power quality, a tremendous impact to the surroundingelectrical environment is particularly serious for electrical equipment hazards. Therefore,power system harmonics has been increasing emphasis. Virtual instrument (Vimlal Instrument, referred to as VI), computer technology andele

15、ctronic equipment is a combination of new equipment. Its essence is a general purpose computer as the hardware platform, the test function is defined by the userdesign to test the function of a computer instrumentation system software.Fundamentally, it updated the concept of the instrument, with the

16、 incomparable advantages of traditional instruments. It represents the latest trends and direction of theinstrument development. The main content of this paper is the design of the virtualharmonic tester. The paper first discusses the current situation and development of theharmonic detection techni

17、que of harmonic studies at home and abroad, the need for the development of the harmonic detection device, followed by the concept of virtual instrument based on the virtual harmonic analyzer, virtual instrumentation software and hardware systems to do a brief introduction. Better application of vir

18、tual instrument technology to complete the harmonic development of the tester. End-use general-purpose computers, development software, the LabVIEW successful research and development of a virtual harmonic tester.Keywords: virtual instrument data acquisition harmonic analysis目 錄第1章緒論11.1研究背景11.2課題研究

19、的目的意義11.3國內(nèi)外研究狀況21.4研究內(nèi)容及方法2第2章 諧波測試儀總體方案設(shè)計4第3章 虛擬儀器概述和諧波分析理論方法53.1虛擬儀器概念53.2 虛擬儀器開發(fā)語言LabVIEW簡介53.2.1 LabVIEW程序設(shè)計原理53.2.2 LabVIEW的應(yīng)用63.3數(shù)據(jù)采集理論基礎(chǔ)73.4諧波分析理論83.4.1諧波定義83.4.2諧波分析方法83.5小波理論簡介93.5.1連續(xù)小波變換103.5.2離散小波變換113.6幾種常用的小波11第4章 諧波測試儀的硬件設(shè)計144.1傳感器144.2 信號調(diào)理器154.3信號采集卡16第5章 諧波測試儀的軟件設(shè)計175.1系統(tǒng)軟件框圖設(shè)計175

20、.2基于LabVIEW的虛擬諧波分析儀的設(shè)計185.3登陸界面的設(shè)計215.4諧波信號的產(chǎn)生225.5諧波分析程序235.6 各次諧波的時域分析245.7 頻譜分析265.8功率譜分析和有效值測量275.9數(shù)據(jù)存儲模塊285.10主要功能及技術(shù)指標295.10.1 主要功能295.10.2 技術(shù)指標29第6章 結(jié)論與展望306.1結(jié)論306.2展望30參考文獻31致 謝32附 錄33附錄A外文資料34附錄B 小波分析程序49第1章 緒 論1.1 研究背景近年來，由于電力電子技術(shù)的飛速發(fā)展，各種電力電子裝置在電力系統(tǒng)、工業(yè)、交通及家庭中的應(yīng)用日益廣泛，各種電力電子裝置的應(yīng)用日益廣泛，諧波造成的危

21、害也日趨嚴重。公用電網(wǎng)中的諧波電壓和諧波電流是電網(wǎng)環(huán)境最嚴重的一種污染，諧波已成為影響電能質(zhì)量的公害。近些年來公用電網(wǎng)的諧波污染日益嚴重，諧波危害的嚴重性才引起人們的關(guān)注。為解決電力電子裝置和其他諧波源的諧波污染問題，對諧波的檢測就顯得尤為重要。 1.2 課題研究的目的意義隨著全球工業(yè)化進程的不斷加快，對地球環(huán)境的污染和破壞也空前加劇。為此，在全世界范圍內(nèi)掀起了環(huán)境保護的熱潮。電力系統(tǒng)也是一種“環(huán)境”，也面臨著污染，公用電網(wǎng)中的諧波電流和諧波電壓就是對電網(wǎng)環(huán)境最嚴重的一種污染。諧波對公用電網(wǎng)和其它系統(tǒng)的危害大致可以歸納如下： （1）使電網(wǎng)中的元器件產(chǎn)生附加的諧波損耗，如使電動機引起附加損耗、發(fā)

22、熱增加，過載能力、使用壽命和效率降低，產(chǎn)生脈動矩陣。另外降低了發(fā)電、輸電及用電設(shè)備的效率，大量的3次諧波電流流過中性線會導(dǎo)致中線過熱甚至發(fā)生火災(zāi)。 （2）諧波電流在輸電線路上的壓降會使用戶端的電壓波形產(chǎn)生嚴重的畸變，影響電氣設(shè)備的正常工作。諧波使電容器、電纜等設(shè)備過熱、絕緣老化，壽命縮短，一直損壞。 （3）容易使電網(wǎng)與用于補償電網(wǎng)無功功率的并聯(lián)電容器發(fā)生局部并聯(lián)或串聯(lián)諧振，造成過壓或過電流，使電容器絕緣老化，甚至引起嚴重事故。據(jù)統(tǒng)計，由于諧波問題引起的電容故障占電容總故障的71一83。 （4）導(dǎo)致繼電保護和自動裝置誤動作，并使電氣測量儀表計量不準，影響計量精度。 （5）諧波一般通過電容耦合、電

23、磁感應(yīng)及電氣傳導(dǎo)三種對臨近的通信系統(tǒng)產(chǎn)生干擾，載頻低的信號受影響更大。輕者產(chǎn)生噪聲，降低通信質(zhì)量，重者導(dǎo)致信息丟失，使通信系統(tǒng)無法正常工作，甚至?xí)l(fā)生危及設(shè)備和人身安全的事故。因此，諧波研究對于減輕直至消除這些危害，對于供電和用電設(shè)備的節(jié)能，乃至于對整個社會能源利用率的提高，都具有極其重要的意義。1.3 國內(nèi)外研究狀況諧波檢測是諧波問題中的一個重要分支，準確、實時檢測出電網(wǎng)中瞬態(tài)變化的畸變電流、電壓，對抑制諧波有著重要的指導(dǎo)作用，是進行繼電保護、判斷故障點和故障類型等工作的重要前提。目前，電力系統(tǒng)諧波檢測主要是通過諧波電流的測量來實現(xiàn)，它主要有以下幾種方法：(1)采用模擬帶通或帶阻濾波器檢測(

24、2)基于瞬時無功功率的諧波檢(3)基于傅立葉變傅立葉變換的方法(4)自適應(yīng)諧波電流檢測法(5)基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的諧波檢測(6)基于小波變換的諧波檢測綜上所述，帶通濾波是早期模擬式諧波檢測裝置的基本原理；瞬時無功功率理論可用于諧波的瞬時檢測和無功補償?shù)戎C波治理領(lǐng)域；傅立葉變換是目前諧波檢測中應(yīng)用最多、應(yīng)用最廣泛的基本理論依據(jù)；神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)理論和小波分析方法應(yīng)用于諧波測量是目前正在致力研究的新方法和新理論，它可以提高諧波測量的實時性和精度。根據(jù)不同情況合理選擇諧波檢測方法，為諧波分析提供詳細、準確、實時的數(shù)據(jù)和信號，是提高檢測效果、改善電能質(zhì)量的重要一步。國內(nèi)外對這方面的研究都比較重視，在線諧波檢測的理論

25、和應(yīng)用正在不斷發(fā)展。隨著各種先進技術(shù)和理論的應(yīng)用，特別是計算機在諧波檢測中的具體使用，諧波檢測的實時性和精度要求一旦解決，相信電網(wǎng)諧波檢測技術(shù)將逐漸得到發(fā)展和完善。1.4 研究內(nèi)容及方法諧波問題包括畸變波形的分析方法、諧波源分析、諧波的影響及危害、電網(wǎng)諧波潮流計算、諧波檢測、有諧波時各種電流量的測量方法及手段、諧波補償和抑制、諧波限制標準等問題圖。諧波檢測是諧波問題的一個重要組成部分，也是研究和分析諧波問題的主要依據(jù)和出發(fā)點。由于電力系統(tǒng)諧波具有很強的隨機性，工程上大多是以實際測量結(jié)果作為處理問題的依據(jù)。目前，諧波測量按實現(xiàn)方法區(qū)分為頻域測量法和時域測量法兩大類。 （1）頻域測量法此方法的基本

26、原理是使用模擬濾波器將輸入信號的各次諧波分量分離出來，濾波器的輸出實際上是輸入信號和濾波器脈沖響應(yīng)的卷積，在頻域中它相當于兩個頻率響應(yīng)的乘積，因此從濾波器得到的信號為頻譜。（2）時域測量法此方法基本原理是對信號進行離散化處理后變成數(shù)量序列，由離散傅立葉變換（DFT）或快速傅立葉（FFT）計算各次諧波的幅值及相位等參數(shù)。按照信號分析原理劃分，諧波測量又可分為FFT、KalMan濾波以及近些年興起的小波分析法。其中FFT傅立葉變換方法作為經(jīng)典的信號分析方法，已十分成熟，F(xiàn)FT是離散傅立葉變換（DFT）的一種快速算法，在信號處理領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用。近年來國內(nèi)外生產(chǎn)的各種諧波分析裝置大都采用FFT方

27、法進行。運用FFT方法必須滿足兩個條件：（1）滿足采樣定理，即采樣頻率必須大于信號最高頻率的兩倍。（2）被分析的波形必須是穩(wěn)態(tài)的、隨時間周期性變化。小波變換在時域和頻域同時具有良好的局部性，特別適合于突變信號和不平穩(wěn)信號的分析。由于電力系統(tǒng)中的負載大多是動態(tài)的，特別是大型的工業(yè)負載如軋鋼機、電弧爐的啟停使得電網(wǎng)電壓和電流的波形是時變的。前人常用Kalman濾波的方法檢測時變的諧波，但該方法一般適用于跟蹤變化緩慢的信號。而小波變換諧波檢測方法的突出優(yōu)點是可以實時的跟蹤諧波的變化，具有實時性。小波變換本身對信號的奇異點非常敏感，這個特點可以跟蹤那些突變的信號。但小波變換方法在電能質(zhì)量研究領(lǐng)域的應(yīng)用

28、還處于起步階段，現(xiàn)有的小波變換均無法實現(xiàn)諧波的精確測量，必須構(gòu)造分頻嚴格、能量集中的小波函數(shù)來改善檢測的精度。 本文研究的諧波測試各項指標參數(shù)的計算，具體地講，是在離散采樣的基礎(chǔ)上將電壓、電流模擬信號經(jīng)過數(shù)據(jù)采集卡(DAQ)采樣得到的數(shù)字信號中各次諧波在頻域中分離，求出各次諧波頻率，并得到各次諧波下電壓電流的幅值、頻率和有效值，然后計算出諧波畸變率。另外，如果考慮時間因素，還可計算出各次諧波的有功功率、無功功率。這樣就實現(xiàn)了對諧波的各項指標參數(shù)的測量分析。 通過對諧波分析儀研究現(xiàn)狀的分析可以得出傳統(tǒng)的諧波分析儀的成本高，裝置體積龐大，自動化程度低，數(shù)據(jù)不集中，有的無法存入計算機，難以進行相關(guān)分

29、析，且大量的信號采集工作重復(fù)化的問題；并且其采集的數(shù)據(jù)不能夠代表各次諧波真正的幅值等。所以針對以上問題，本文選擇以LabVIEW開發(fā)平臺來設(shè)計一個虛擬諧波分析儀，采用LabVIEW所自帶的圖形化編程功能和函數(shù)模塊對諧波進行相關(guān)分析，使其能夠?qū)χC波信號進行頻譜分析、功率譜分析及頻譜分析圖及數(shù)據(jù)，諧波總畸變率等。第2章 諧波測試儀總體方案設(shè)計本諧波測試儀的主體設(shè)計是基于美國國家儀器公司(National Instruments Corporation，簡稱NI)生產(chǎn)的labview虛擬儀器軟件。基于虛擬儀器的諧波測試儀同樣必須具備傳統(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

30、顯示模塊。數(shù)據(jù)采集模塊還是由傳統(tǒng)的采集硬件來完成，不同的是數(shù)據(jù)分析處理模塊和結(jié)果顯示模塊完全由計算機軟件實現(xiàn)，這部分功能不受硬件限制，可以根據(jù)用戶的需求可以隨時增加修改模塊，這一優(yōu)勢是傳統(tǒng)儀器所無法比擬的。對于本論文所研究的諧波測試儀，軟件部分是核心，只要硬件部分將監(jiān)測點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)計分析、數(shù)據(jù)遠傳以及顯示打印等完全交給軟件來處理?？傮w來說，基于虛擬儀器思想所建立的諧波測試儀由兩大部分組成：硬件部分和軟件部分。系統(tǒng)總體設(shè)計方案框圖如圖2-1所示。電壓互感器電流互感器labview平臺信號調(diào)理數(shù)據(jù)采集模塊

31、數(shù)據(jù)存儲模塊數(shù)據(jù)采集卡數(shù)據(jù)處理模塊圖2-1系統(tǒng)總體方案設(shè)計框圖第3章 虛擬儀器概述和諧波分析理論方法3.1 虛擬儀器概念虛擬儀器概念最先由美國國家儀器公司(National Instruments Corporation，簡稱NI)在20世紀80年代年提出。所謂虛擬儀器，就是以計算機為硬件平臺，由用戶定義設(shè)計其功能，由測試軟件來實現(xiàn)其測試功能，用計算機顯示器的顯示功能來模擬傳統(tǒng)儀器的控制面板的一種計算機系統(tǒng)。使用者用鼠標或鍵盤操作虛擬面板，就如同使用一臺專用測量儀器一樣。因此虛擬儀器的出現(xiàn)，使測量儀器與計算機的界限模糊了。虛擬儀器實質(zhì)是把計算機資源和儀器硬件的測控能力相結(jié)合來實現(xiàn)儀器的功能運作

32、。在其主導(dǎo)產(chǎn)品LabVIEW中將圖形化語言加以實現(xiàn)，較完善地結(jié)合了圖形的美觀易用和文本語言的強大靈活。虛擬儀器技術(shù)已被越來越多的科學(xué)工作者所認同，它在許多方面已經(jīng)突破傳統(tǒng)儀器的概念，儀器的功能和作用已經(jīng)發(fā)生了質(zhì)的變化。3.2 虛擬儀器開發(fā)語言LabVIEW簡介LabVIEW是實驗室虛擬儀器工程工作平臺(Laboratory Virtual Instrument Engineering Workbench)的縮寫，是美國國家儀器公司(National Instruments)在1986年推出的一種革命性的圖形編程語言一G語言(Graphical Programming Language)，它采用

33、的是數(shù)據(jù)流編程模式。是一種所見即所得的編程方式，它有別于基于文本語言的線性結(jié)構(gòu)，不像C和basic等語言受眾多的語法規(guī)則所限制，簡單直觀，極大節(jié)省程序開發(fā)時間。在LabVIEW中執(zhí)行程序的順序是由模塊之間的數(shù)據(jù)流決定的，而不是傳統(tǒng)文本語言的按命令行次序連續(xù)執(zhí)行的方式。簡言之，LabVIEW功能強大、靈活方便。它與傳統(tǒng)編程語言又有著諸多相似之處，如相似的數(shù)據(jù)類型、數(shù)據(jù)流控制機構(gòu)、程序調(diào)試工具等。但二者最大的區(qū)別在于：傳統(tǒng)編程語言是用文本語言編程，而LabVIEW用圖形語言(即，各種圖標、圖形符號、連線等)編程。LabVIEW也提供傳統(tǒng)程序語言(如C語言)的接口，對于其自身不易或不擅長完成的任務(wù)，

34、可通過利用其它編程語言來實現(xiàn)。從而最終增強了LabVIEW的整體功能。3.2.1 LabVIEW程序設(shè)計原理LabVlEW的基本程序單位是虛擬儀器(Virtual Instruments或者VI)。可以通過圖形編程的方法，建立一系列的VI，來完成用戶指定的測試任務(wù)。對于簡單的測試任務(wù)，可以由一個VI完成。對于一項復(fù)雜的測試任務(wù)，則可按照模塊設(shè)計的概念，把測試任務(wù)分解為一系列的任務(wù)，每一項的任務(wù)還可以分解為多項小任務(wù)，直至把一項復(fù)雜的測試任務(wù)變成一系列的子任務(wù)。設(shè)計時，先設(shè)計各種VI，以完成每項子任務(wù)，然后把這些VI組合起來以完成更大的任務(wù)，最后建成的頂層虛擬儀器就成為一個包括所有子功能虛擬儀器

35、的集合。LabVIEW可以調(diào)用，把自己創(chuàng)建的VI程序當作一個VI子程序節(jié)點，以創(chuàng)建更復(fù)雜的程序，且這種調(diào)用是無限制的。LabVIEW中各VI之間的層次調(diào)用結(jié)構(gòu)如圖3-1所示?？梢姡琇abVIEW中每一個VI相當于常規(guī)程序中的一個子程序。頂層V1中間層V1底層V1底層V1底層V1底層V1中間層V1中間層V1圖3-1 LabVIEW層次調(diào)用結(jié)構(gòu)3.2.2 LabVIEW的應(yīng)用LabVIEW在包括航空、航天、通信、汽車、半導(dǎo)體和生物醫(yī)學(xué)等世界范圍的眾多領(lǐng)域內(nèi)得到了廣泛應(yīng)用，從簡單的儀器控制、數(shù)據(jù)采集到尖端的測試和工業(yè)自動化，從大學(xué)實驗室到工廠，從探索研究到技術(shù)集成，都可以發(fā)現(xiàn)應(yīng)用LabVIEW的成果

36、和開發(fā)產(chǎn)品。 （1）LabVIEW應(yīng)用于測試與測量LabVIEW已成為測試與測量領(lǐng)域的工業(yè)標準，它提供了工業(yè)界最大的儀器驅(qū)動程序庫，同時還支持通過Internet、ActiveX、DDE和SQL等交互式通信方式實現(xiàn)數(shù)據(jù)共享，它提供的眾多開發(fā)工具使復(fù)雜的測試與測量任務(wù)變得簡單易行。 （2）LabVIEW應(yīng)用于過程控制和工業(yè)自動化LabVIEW強大的硬件驅(qū)動、圖形顯示功能和便捷的快速程序設(shè)計，為過程控制和工業(yè)自動化應(yīng)用提供了優(yōu)秀的解決方案。 （3）LabVIEW應(yīng)用于實驗室研究與自動化LabVIEW為科學(xué)家和工程師提供了功能強大的高級數(shù)學(xué)分析庫，包括統(tǒng)計、估計、回歸分析、線性代數(shù)、信號生成算法、時

37、域和頻域算法等眾多科學(xué)領(lǐng)域，可滿足各種計算和分析需要。3.3 數(shù)據(jù)采集理論基礎(chǔ)眾所周知，在數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)中，信息總是用離散的信號來表示的，而在生產(chǎn)和科學(xué)研究中經(jīng)常遇到的各種信息，如溫度、壓力、流量等都是連續(xù)的信號，這就遇到了模擬信號如何轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號的問題。把模擬信號轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號的過程稱為模數(shù)轉(zhuǎn)換，它主要包括：采樣、量化、編碼三個過程： （1）采樣 采樣是指用每隔一定時間的信號樣值序列來代替原來在時間上連續(xù)的信號x(t)，也就是在時間上將模擬信號離散化。采樣即在時間軸上對信號數(shù)字化；經(jīng)過采樣后的模擬信號，簡稱為采樣信號。 （2）量化量化是用有限個幅度值近似原來連續(xù)變化的幅度值，即把模擬信號的連

38、續(xù)幅度變?yōu)橛邢迶?shù)量的、有一定間隔的離散值。即在幅度軸上對信號數(shù)字化 （3）編碼則是按照一定的規(guī)律，把量化后的值用二進制數(shù)字表示。即按一定格式記錄采樣和量化后的數(shù)字數(shù)據(jù)。 在實際工作中，信號的抽樣是通過模數(shù)轉(zhuǎn)換器(AD)來實現(xiàn)的。通過AD，將連續(xù)信號x(t)變成數(shù)字信號x(t)。AD轉(zhuǎn)換原理如圖3-1所示采樣量化編碼 x(t) 圖3-1 A/D轉(zhuǎn)換原理圖為保證采樣后信號不失真。采樣頻率必須大于信號中最高頻率的兩倍，這稱之為采樣定理。如圖3-2所示，由于不滿足采樣定理信號產(chǎn)生了混疊。信號的采樣定理是連結(jié)離散信號和連續(xù)信號的橋梁，是進行離散信號處理與離散系統(tǒng)設(shè)計的基礎(chǔ)。圖3-2 信號正常采樣和欠采樣

39、3.4 諧波分析理論3.4.1 諧波定義國際上公認的諧波含義為：諧波是一個周期性電器量的正弦波分量，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)，我們也常稱之為高次諧波。在國際電工標準中(IEC555-2，1982)、國際大電網(wǎng)會議(CIGI冱)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：諧波為一周期波形量的正弦波分量，其頻率為基波頻率的整數(shù)倍以上定義明確了有關(guān)諧波性質(zhì)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150H

40、z。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(yīng)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(每周的波形都發(fā)生變化)。3.4.2 諧波分析方法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(yīng)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F

41、FT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。以電壓量為例，若用FFT算法求出的第k(k=2,332)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： (3-1)第K次諧波電壓的相角為: (3-2)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(yīng)該次諧波的含量，第K次諧波的含量為: (3-3)總的諧波畸變率(THD)反映諧波總含量，可以通過下式求得: (3-4)3.5 小波理論簡介小波變換是近年來在圖象處理中受到十分重視的新技術(shù)，面向圖象壓縮、特征檢測以及紋理分析的許多新方法，如多分辨率分析、時頻域分析、金字

42、塔算法等，都最終歸于小波變換（wavelet transforms）的范疇中。 線性系統(tǒng)理論中的傅立葉變換是以在兩個方向上都無限伸展的正弦曲線波作為正交基函數(shù)的。對于瞬態(tài)信號或高度局部化的信號（例如邊緣），由于這些成分并不類似于任何一個傅立葉基函數(shù)，它們的變換系數(shù)（頻譜）不是緊湊的，頻譜上呈現(xiàn)出一幅相當混亂的構(gòu)成。這種情況下，傅立葉變換是通過復(fù)雜的安排，以抵消一些正弦波的方式構(gòu)造出在大部分區(qū)間都為零的函數(shù)而實現(xiàn)的。為了克服上述缺陷，使用有限寬度基函數(shù)的變換方法逐步發(fā)展起來了。這些基函數(shù)不僅在頻率上而且在位置上是變化的，它們是有限寬度的波并被稱為小波（wavelet）。基于它們的變換就是小波變換

43、。3.6幾種常用的小波 （1）Haar小波A.Haar于1990年提出一種正交函數(shù)系,定義如下：（3-5） 這是一種最簡單的正交小波，即（3-6） （2）Daubechies（dbN）小波系該小波是Daubechies從兩尺度方程系數(shù)出發(fā)設(shè)計出來的離散正交小波。一般簡寫為dbN，N是小波的階數(shù)。小波和尺度函數(shù)吁中的支撐區(qū)為2N-1。的消失矩為N。除N1外(Haar小波)，dbN不具對稱性即非線性相位；dbN沒有顯式表達式(除N1外)。但的傳遞函數(shù)的模的平方有顯式表達式。假設(shè)，其中，為二項式的系數(shù)，則有（3-7）其中 （3）Biorthogonal（biorNr.Nd）小波系 Biorthogo

44、nal函數(shù)系的主要特征體現(xiàn)在具有線性相位性，它主要應(yīng)用在信號與圖像的重構(gòu)中。通常的用法是采用一個函數(shù)進行分解，用另外一個小波函數(shù)進行重構(gòu)。Biorthogonal函數(shù)系通常表示為biorNr.Nd的形式：Nr=1 Nd=1，3，5Nr=2 Nd=2，4，6，8Nr=3 Nd=1，3，5，7，9Nr=4 Nd=4Nr=5 Nd=5Nr=6 Nd=8其中，r表示重構(gòu)，d表示分解。 （4）Coiflet（coifN）小波系coiflet函數(shù)也是由Daubechies構(gòu)造的一個小波函數(shù)，它具有coifN（N=1，2，3，4，5）這一系列，coiflet具有比dbN更好的對稱性。從支撐長度的角度看，co

45、ifN具有和db3N及sym3N相同的支撐長度；從消失矩的數(shù)目來看，coifN具有和db2N及sym2N相同的消失矩數(shù)目。 （5）SymletsA（symN）小波系Symlets函數(shù)系是由Daubechies提出的近似對稱的小波函數(shù)，它是對db函數(shù)的一種改進。Symlets函數(shù)系通常表示為symN（N=2，3，8）的形式。 （6）Morlet（morl）小波Morlet函數(shù)定義為，它的尺度函數(shù)不存在，且不具有正交性。 （7）Mexican Hat（mexh）小波Mexican Hat函數(shù)為（3-8）它是Gauss函數(shù)的二階導(dǎo)數(shù)，因為它像墨西哥帽的截面，所以有時稱這個函數(shù)為墨西哥帽函數(shù)。墨西哥帽

46、函數(shù)在時間域與頻率域都有很好的局部化，并且滿足由于它的尺度函數(shù)不存在，所以不具有正交性。 （8）Meyer函數(shù)Meyer小波函數(shù)和尺度函數(shù)都是在頻率域中進行定義的，是具有緊支撐的正交小波。（3-9） 其中，為構(gòu)造Meyer小波的輔助函數(shù)，且有（3-10） 第4章諧波測試儀的硬件設(shè)計本系統(tǒng)采用了虛擬儀器技術(shù)，該技術(shù)的核心是使用軟件代替?zhèn)鹘y(tǒng)測試儀中關(guān)于數(shù)據(jù)分析處理的硬件模塊。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。在本論文所研究的基于虛擬儀器技術(shù)的諧波測試儀中，基本的硬件部分包括：傳感器、信號調(diào)理器、信號采集卡、計算機系統(tǒng)，硬件結(jié)構(gòu)如圖4-1所示。傳感器信號調(diào)理電路數(shù)據(jù)采集卡計

47、算機圖 4-1 硬件總體結(jié)構(gòu)圖4.1 傳感器模擬信號在進入數(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。這里就要把被測的強電信號轉(zhuǎn)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(PT)和電流互感器(CT)。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現(xiàn)，相應(yīng)的后續(xù)分析工作也就變得毫無意義。 在本系統(tǒng)中，傳感器采用的是基于霍爾原理的閉環(huán)補償電壓互感器和電流互感器v

48、sm025a型互感器。具有精度高、線性好、頻帶寬、響應(yīng)快、過載能力強和不損失測量電路能量等優(yōu)點。4.2 信號調(diào)理器儀器信號調(diào)理是一種高性能、多通道的信號調(diào)理與開關(guān)平臺，適用于E系列插入式測量設(shè)備和其它相關(guān)測量設(shè)備的前端信號調(diào)節(jié)。信號調(diào)理系統(tǒng)通常包括一個或者多個堅固的機箱，機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。儀器信號調(diào)理模塊可以在系統(tǒng)中各種傳感器與信號間建立一個接口，借助高性能、低噪音的信號調(diào)理功能，來提高測試質(zhì)量與可靠性，這些信號調(diào)理功能包括：信號放大、隔離、多路復(fù)用、濾波、傳感器激勵、同步采樣與保持。本次設(shè)計采用了lc0201型信號調(diào)理器，頻率上下限為0.01HZ和

49、3KHZ 精度0.5%，增益為1100。 圖4-1 lc0201型信號調(diào)理箱 (1)信號放大 放大是最為普遍的信號調(diào)理功能。對信號進行放大可以提高分辨率和降低噪聲。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。同時，信號調(diào)理系統(tǒng)有多種信號調(diào)理模塊可以放大輸入信號。在臨近傳感器的信號調(diào)理機箱內(nèi)對低電壓信號進行放大，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。 (2)隔離功能 隔離功能是為了安全的目的把傳感器的信號和計算機相隔離。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，這種高壓會對計算機造成損害。另外使用隔

50、離可以確保插入式數(shù)據(jù)采集設(shè)備的讀數(shù)不會受到接地電勢差或共模電壓的影響。當數(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，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)不準確；或者如果電勢差太大，它也會對測量系統(tǒng)造成損害。使用隔離式信號調(diào)理能消除接地回路并確保信號可以被準確地采集。 (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)。模擬信號的信號調(diào)理硬件常對緩慢變化的信號使用多路復(fù)用方式。ADC采集一個通道后，轉(zhuǎn)換到另一個通道并進行采集，然后再轉(zhuǎn)換到下一個通道，如此往復(fù)。 (4)濾波功能 在傳感器獲得的測量信號中，往

51、往含有許多與被測量無關(guān)的頻率成分，需要通過信號濾波電路濾掉。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，達到提高測量精度的目的。 (5)線性化 在測控系統(tǒng)中，希望傳感器的輸入輸出特性是線性的。線性特性不僅有利于后續(xù)電路的設(shè)計，而且傳感器的標定工作也可大大的簡化，但實際上，現(xiàn)實中大量的傳感器的特性從原理上是非線性的，利用硬件方法對傳感器的特性進行線性化，在實時性、簡便、經(jīng)濟等方面具有軟件方法難以替代的優(yōu)勢，在應(yīng)用中，對傳感器的輸出進行線性化是最佳的。4.3信號采集卡信號采集卡是外部硬件設(shè)備通向PC系統(tǒng)的橋梁。本論文以

52、NI公司的PCI-6024E數(shù)據(jù)采集卡做一下參考。它具有模擬量輸入輸出、數(shù)字量輸入輸出以及定時器等功能，能夠完成信號采集、A/D轉(zhuǎn)換、16通道單端模擬輸入(或8路差分輸入)，最大輸入范圍-10+10V,最小輸入范圍-50+50mV。具有兩個輸出通道，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存儲器，它可以保存2048次A/D轉(zhuǎn)換的結(jié)果。這種結(jié)構(gòu)可以大大降低計算機對硬件的訪問次數(shù)，可以在多次采樣結(jié)束后再將所有轉(zhuǎn)換后的數(shù)據(jù)一次性讀走，提高軟件執(zhí)行的速度，也

53、極大地方便了程序的編寫。圖4-2 PCI-6024E型數(shù)據(jù)采集卡第5章 諧波測試儀的軟件設(shè)計功能強大的軟件是虛擬儀器的核心。LabVIEW是一種圖形化編程軟件，它具有多種開發(fā)工具，內(nèi)置測量和控制函數(shù)，具有廣泛的計算對象，也是目前發(fā)展最快的圖形化軟件開發(fā)集成環(huán)境。5.1 系統(tǒng)軟件框圖設(shè)計 系統(tǒng)軟件框圖如圖5-1所示。 對于本諧波測試儀的設(shè)計，具體的設(shè)計方案如下： （1）列出系統(tǒng)需要測量的參數(shù)，包括基本的電壓有效值、電流有效值、功率、頻率、各次諧波的頻率和幅值、總諧波畸變率等。 （2）設(shè)計每個功能模塊的前面板，前面板根據(jù)具體所要顯示的內(nèi)容來設(shè)計。列出每個功能模塊需要顯示的內(nèi)容，根據(jù)所要顯示的內(nèi)容設(shè)

54、計各個功能模塊的前面板。 （3）按照所測參數(shù)的具體測量方法設(shè)計每個功能模塊的框圖程序。每個功能模塊設(shè)計時設(shè)計成子VI，既可以單獨運行，又可以被其他程序調(diào)用。這樣既便于獨立模塊的調(diào)試工作，又方便了整個系統(tǒng)在后續(xù)中的修改和完善，使系統(tǒng)具有更強的移植和升級能力。數(shù)據(jù)采集卡參數(shù)設(shè)置數(shù)據(jù)采集模塊功率測量模塊數(shù)據(jù)處理模塊數(shù)據(jù)存儲模塊Labview開發(fā)平臺諧波分析模塊頻譜測量模塊 圖5-1 系統(tǒng)軟件框圖5.2 基于LabVIEW的虛擬諧波分析儀的設(shè)計根據(jù)諧波儀的設(shè)計思路，可以得出整個諧波分析儀的系統(tǒng)流程圖如下圖所示。 波形發(fā)生器產(chǎn)生信號信號參數(shù)設(shè)置讀取信號信號預(yù)處理信號分析結(jié)束開始圖5-2 諧波分析儀的系統(tǒng)流程圖從上圖中可以看出，該系統(tǒng)通過波形發(fā)生器產(chǎn)生測試信號，并對信號進行預(yù)處理。信號分析部分主要是進行諧波分析、頻譜分析和功率譜分析，通過諧波分析可觀察到各次諧波的幅值、頻率和諧波的畸變率情況，頻譜分析可觀察信號的基波與各次諧波的分布情況，功率譜分析可觀察信號在各個頻率點上的功率分布。并對需要保存的數(shù)據(jù)寫入到