基于labview的諧波分析儀的設(shè)計綜述

1、基于LabVIEW的諧波分析儀的設(shè)計摘要：由于大量變頻器、整流器和電弧爐等非線性負(fù)荷的接入，電網(wǎng)中諧波污染情況日益嚴(yán)重，對電網(wǎng)諧波含量進行實時準(zhǔn)確地測量是分析和控制電網(wǎng)諧波含量的依據(jù)。虛擬儀器技術(shù)在電力系統(tǒng)中具有極其廣闊的應(yīng)用前景，其在數(shù)據(jù)采集、信號處理、網(wǎng)絡(luò)通信等方面的巨大優(yōu)勢為監(jiān)測工作注 入了新的活力，它代表著目前測試儀器領(lǐng)域的發(fā)展方向。虛擬儀器的實質(zhì)是利用計算機來模擬傳統(tǒng)計算機的各項功能，LabVIEW是一種功能強大的虛擬儀器開發(fā)平臺，它將高速發(fā)展起來的計算機 技術(shù)、電子技術(shù)、通信技術(shù)和測試技術(shù)有機地結(jié)合起來，為儀器的發(fā)展提供了一條嶄新的道路。傳 統(tǒng)的諧波分析儀器技術(shù)更新周期長，價格較高

2、，與傳統(tǒng)儀器相比，利用虛擬儀器技術(shù)開發(fā)了一種新的諧波分析儀，其在智能化程度、處理能力、性能價格比、可操作性等方面具有明顯的優(yōu)勢。LabVIEW為設(shè)計諧波分析儀提供了一個可靠而有效的途徑。利用諧波分析子模塊對畸變信號進行分析,較直觀地得出基波和諧波情況。通過加窗函數(shù)的方法使諧波測量精度大大提高，從而可以對諧波進行有效的分析、處理和預(yù)防。關(guān)鍵詞:LabVIEW ;虛擬儀器；諧波分析儀Design of harmonic analyzer based on LabVIEWAbstract : due to a large number of frequency converters, Rectifi

3、er and nonlinear loads such as electric arc furnace of access, power grid harm onic polluti on in creas ing, the harm onic content in real time and accurate measureme nt is the basis for an alysis and con trol of harm onic content.Virtual instruments technique and its application in power systems, w

4、ith an extremely broad prospects,its data acquisiti on, sig nalprocess ing,n etwork com muni cati ons,eno rmousadvantages in such areas as monitoring has injected new vitality, it represents the current developme nt direct ion in the areas of test i nstrume nts. Esse nee of virtual in strume nts is

5、the use of computers to simulate the fun cti ons of the traditi onal computer, virtual in strume nt LabVIEW is a powerful developme nt platform, it developed high-speed computer tech no logy, electr onics tech no logy, com muni cati on tech no logy and orga nic comb in ati on of measuri ng and testi

6、 ng tech niq ues, for the developme nt of in strume nts to provide a new road. Harm on ic an alysis of the traditi onal long in strume nt tech no logy refresh cycle, higher prices, compared with traditi onal in strume nts, the use of virtual in strume nt tech no logy to develop a new harm onic An al

7、yzer, the in tellige nt, process ing power, price-performa nee ratio, operability,and so has obviousadvantages. LabVIEW for design of harmonic Analyzer provides a reliable and efficient way. Using harmonic analysis modules to analyze the distortion signals, more intuitive that the fun dame ntaland h

8、arm onic situati on. By addi ng Win dows function method of harm onicmeasureme nt accuracy greatly in crease, so you can effectively harm onic an alysis, treatme nt and preve nti on.Keywords: LabVIEW ； virtual instrument ； harmonic analyzer前言：隨著計算機和微電子技術(shù)的發(fā)展，基于傅里葉變換的諧波測量是當(dāng)今應(yīng)用最多 也是最廣泛的一種方法，它的核心理論是建立在傅

9、里葉變換的基礎(chǔ)上。根據(jù)傅里葉變 換理論，將模擬信號采信變成離散化數(shù)字序列信號后，輸入微型計算機進行傅里葉變 換，計算得到基波和頻率為基波頻率整數(shù)倍的多次諧波的幅值和相位。使用此方法測 量諧波精度較高功能較多使用方便。虛擬儀器技術(shù)是儀器儀表技術(shù)發(fā)展的最新階段， 代表了現(xiàn)代測量技術(shù)的發(fā)展方向，本文采用NI公司推出的LabVIEV虛擬儀器軟件開發(fā)平 臺。由于今年來諧波對電網(wǎng)的干擾日益嚴(yán)重，對電網(wǎng)中的諧波含量進行實時測量，掌 握電網(wǎng)中諧波的實際狀況，對維護電網(wǎng)的安全運行具有重要意義。諧波分析儀就是測 量和分析被測信號中諧波成分的幅值、相角、頻率等參數(shù)的儀器。本文介紹了虛擬儀 器的特點和功能，說明了諧波

10、的危害，描述了基于 LabVIEW勺諧波分析的方法、思路和 主要功能，并對測量結(jié)果作了簡要的分析。一虛擬儀器的概述虛擬儀器(Virtual Instrument簡稱VI)的概念是1986年由美國國家儀器公司(Nati onal In strume nt NI)首先提出的。虛擬儀器是指通過應(yīng)用程序?qū)⑼ㄓ糜嬎銠C與功能化模塊硬件結(jié)合起來，用戶可以通過友好的圖形界面來操作這臺計算機，就像 在操作自己定義自己設(shè)計的一臺單個儀器一樣，從而完成對被測試量的采集、分析、 判斷、顯示、數(shù)據(jù)存儲等。虛擬儀器的出現(xiàn)是測控領(lǐng)域的一次技術(shù)革命，它借助于計算機的軟硬件平臺，配以特殊設(shè)計的硬件和專用軟件，形成既具有普通儀器

11、的基本功能， 又有自己特殊功能的新型儀器。用戶可以通過鼠標(biāo)或鍵盤操作虛擬儀器面板上的輸入 控件、設(shè)置各種工作參數(shù)、啟動或停止設(shè)備 ，測量的結(jié)果可以直觀地在面板上顯示，測 量數(shù)據(jù)可以方便地存儲與進一步處理。虛擬儀器的應(yīng)用提出了“軟件即儀器”的概念 ，“軟件+采集卡=儀器”就是虛擬儀器的模型。虛擬儀器正在繼續(xù)迅速發(fā)展，它可以取 代測量技術(shù)傳統(tǒng)領(lǐng)域的各類儀器，虛擬儀器相比于傳統(tǒng)儀器具有諸多優(yōu)勢，而這些優(yōu) 勢使得虛擬儀器技術(shù)非常適用于電網(wǎng)諧波測量方面的應(yīng)用。LabVIEW是目前應(yīng)用最廣、發(fā)展最快、功能最強的虛擬儀器開發(fā)環(huán)境丄abVIEW開發(fā)的程序由兩部分組成：前面板和 程序框圖。LabVIEW編寫的程

12、序稱為Vl(虛擬儀器),LabVIEW中提供了許多子VI供編程 者直接調(diào)用，特別是信號處理部分，有許多功能強大的子VI,如常用的窗函數(shù)、快速傅里 葉變換、功率譜、頻率譜、小波變換等。利用LabVIEW模塊化和層次遞歸的編程方法,可以在很短的時間里設(shè)計、構(gòu)建和修改自己的虛擬儀器系統(tǒng)。二諧波概述在電力系統(tǒng)中諧波產(chǎn)生的根本原因是由于非線性負(fù)載所致。當(dāng)電流流經(jīng)負(fù)載時， 與所加的電壓不呈線性關(guān)系，就形成非正弦電流，即電路中有諧波產(chǎn)生。所以對輸入 周期性非正弦電量進行傅里葉分解，除了得到與供電基波頻率相同的分量，還得到一 系列大于供電基波頻率的分量，后者電量即稱為諧波，諧波頻率與基波頻率的比值（n = f

13、 / fi ）稱為諧波次數(shù)。諧波是一種干擾量，使電網(wǎng)受到污染，所以我們要盡可1能的準(zhǔn)確分析出諧波并對其進行處理，以減少諧波帶來的干擾。近年來隨著全球工業(yè) 化進程的不斷加快，對地球的污染和破壞空前加劇，電力系統(tǒng)也面臨著污染。公用電 網(wǎng)中的諧波電壓和諧波電流就是對電網(wǎng)環(huán)境最嚴(yán)重的一種污染，這種污染已成為影響 電能質(zhì)量的公害。理想的公用電網(wǎng)所提供的電壓應(yīng)該是單一而固定的頻率以及規(guī)定的 電壓幅值，諧波電壓和諧波電流的出現(xiàn)對于公用電網(wǎng)是一種污染，對用電設(shè)備周圍的 通信系統(tǒng)和公用電網(wǎng)以外的設(shè)備帶來危害。諧波對電力系統(tǒng)和其它用電設(shè)備危害主要表現(xiàn)在以下幾個方面：（一）諧波引起諧振和諧波電流放大對電容器和與之串

14、聯(lián)的電抗器形成很大的威脅常常使電容器和電抗器燒毀。（二）對電機的影響影響電機使之達不到額定功率，還會增加電機的噪音和產(chǎn)生脈動轉(zhuǎn)矩。（三）對變壓器的影響變壓器在高次諧波電壓的作用下將產(chǎn)生集膚效應(yīng)和鄰近效應(yīng)在繞組中引起附加銅 耗同時也使鐵耗相應(yīng)增加。（四）對輸電系統(tǒng)的影響在電纜輸電的情況下，介質(zhì)的電場強度隨著諧波電壓最大值的升高而增強這就影響了電纜的使用壽命。（五）對計算機和通訊的干擾及影響諧波干擾會引起通信系統(tǒng)的噪聲降低通話的清晰度，干擾嚴(yán)重時會引起信號的丟失，甚至?xí)l(fā)生危及設(shè)備和人身安全的事故。（六）對繼電保護和電力測量的影響電力測量儀表通常是按工頻正弦波形設(shè)計的，但有諧波時將會產(chǎn)生測量誤差。

15、三諧波分析儀的硬件結(jié)構(gòu)諧波分析儀的硬件結(jié)構(gòu)主要包括以下幾個方面：電壓傳感器（pt）、電流傳感器（ct）、信號調(diào)理電路、數(shù)據(jù)采集卡（DAQ與電子計算機，其框圖構(gòu)成如圖1所示:諧波II測 輸出測量結(jié)果 里裝I置圖1諧波分析儀的硬件結(jié)構(gòu)四諧波分析儀的軟件設(shè)計（一）LABWIE軟件開發(fā)平臺LabVIEW是虛擬儀器領(lǐng)域中最具有代表性的圖形化編程開發(fā)平臺，是目前國際上首推并應(yīng)用最廣的數(shù)據(jù)采集和控制開發(fā)環(huán)境之一。LabVIEW是 一個完全的、開放式的虛擬儀器開發(fā)系統(tǒng)應(yīng)用軟件，利用它組建儀器測試系統(tǒng)和數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)可以大大簡化程序 的設(shè)計。LabVIEW與傳統(tǒng)的基于文本語言的編程語言不同，它用框圖代替了傳統(tǒng)的程

16、序 代碼，包含有專門用于設(shè)計數(shù)據(jù)采集程序和儀器控制程序的函數(shù)庫和開發(fā)工具庫。在 計算機顯示屏幕上利用函數(shù)庫和開發(fā)工具庫產(chǎn)生一個前面板（Front Pan el）,在后臺則是利用圖形化的編程語言編制用于控制前面板的框圖程序，程序的前面板具有與傳 統(tǒng)儀器相類似的界面，可接受用戶的鼠標(biāo)和鍵盤指令。LabVIEW是帶有可擴展函數(shù)庫和子程序庫的通用程序設(shè)計系統(tǒng)，它提供了用于 GPIB設(shè)備控制、VXI總線控制、串行口 設(shè)備控制以及數(shù)據(jù)分析、顯示和存儲的應(yīng)用程序模塊。我們研制的諧波測試分析系統(tǒng) 軟件部分主要完成數(shù)據(jù)實時采集、存儲、顯示和諧波分析等功能。在軟件的具體實現(xiàn) 時分為以下幾大模塊來處理。1、主程序模

17、塊主要完成系統(tǒng)初始化，包括用戶和產(chǎn)品信息的輸入，對數(shù)據(jù)采集卡進行初始狀態(tài)設(shè) 置等。2、模擬數(shù)據(jù)采集模塊對模擬信號進行實時采集，自動生成存儲文件并將采集的模擬數(shù)據(jù)依次保存在此 文件中,并對其中一些數(shù)據(jù)及其波形曲線進行實時顯示。LabVIEV軟件的模擬數(shù)據(jù)連續(xù)采集函數(shù)給數(shù)據(jù)采集提供了方便，使用循環(huán)緩存區(qū)設(shè)置，實現(xiàn)連續(xù)采集信號，進行實時 分析,使用這種數(shù)據(jù)采集方式應(yīng)注意采樣率、緩存區(qū)大小與每次讀取數(shù)據(jù)量三個參數(shù)之 間的匹配，避免讀取數(shù)據(jù)時數(shù)據(jù)采集尚未完成，或讀取數(shù)據(jù)不及時，緩存區(qū)中的數(shù)據(jù) 被覆蓋等。3、諧波分析模塊對信號進行諧波分析時，我們采用了 LabVIEW軟件本身提供的諧波失真測量函數(shù)。 該V

18、I可對輸入信號進行有效的諧波失真測量，測定了基波和諧波，返回總的諧波畸變 率。五諧波的基本分析算法和諧波的度量（一）傅里葉變換傅里葉級數(shù)是研究和分析諧波畸變的有效方法。通過傅里葉分解能夠?qū)儾ㄐ?2的各種分量分別進行分析。交流電氣量的傅里葉級數(shù)的展開式為X(t)二、n /n sin n t nanCOS n t 二ao2n(an cosncot +bn sin nt)=ao2亠/nsin(n t 亠尬 n) (1)2 tT式中，ao為直流分量，ao =T x(t)dt, an為余弦分量幅2 t書一2 t書值，an=T# x(t)cos( nt)dt; bn 為正弦分量幅值，bn = # x(

19、t)si n(n t)dt;co 為角 頻率，-牛；An為各頻率分量幅值,An - a： bn ；門n為各頻率分量的相 位,n =tan(an b ) ；n為諧波次數(shù).(二) 離散傅里葉變換為了計算傅立葉變換，需要用到數(shù)值積分，即取f(t)在實域上的離散點的值來計算 這個積分。由此,離散傅立葉變換(DFT)的定義為：N 1給定實的或復(fù)的離散時間序列Xo , Xi ,Xn，設(shè)該序列絕對可和，即滿足EVfN Jjn 2則X(k)=Fx(n)=送心x( n)e N (k=0,1 ,N-1)被稱為序列x(n)的離散傅立葉變 換(DFT)。(三) 快速傅里葉變換在數(shù)字計算機上實現(xiàn)離散傅里葉變換計算工作量

20、是龐大的。快速傅里葉變換巧妙 的解決了這個問題?？焖俑道锶~變換(FFT)是離散傅氏變換(DFT)的快速算法，它是根據(jù) 離散傅氏變換的奇、偶、虛、實等特性，對離散傅里葉變換的算法進行改進獲得的。FFT 出現(xiàn)后使DFT勺運算大大簡化，運算時間一般可縮短一二個數(shù)量級之多，從而使DFT勺運 算在實際中真正得到了廣泛的應(yīng)用。對于在計算機系統(tǒng)或者說數(shù)字系統(tǒng)中應(yīng)用離散傅 立葉變換,可以說是進了一大步。(四) 諧波的度量在頻域分析中，以電壓為例，將畸變的周期性電壓分解成傅里葉級數(shù)-Mu(t)=送心 J2UnSin(n磯 + J) (2)式中，3為工頻(即基波)的角頻率,rad/s ; n為諧波次數(shù)；U n為第

21、n次諧波電壓的均方根 值，：厶為第n次諧波電壓初相角,rad ； M為所考慮的諧波最高次數(shù)，由波形的畸變程度和 分析的準(zhǔn)確度要求來決定，通常取M 50。畸變波形因諧波引起的偏離正弦波形的程度用總諧波畸變率THDfe示。電壓諧波總的畸變率THDu 為THDuUi100% 由于各次諧波的均方根值Ur與其幅度An存在2的比例關(guān)系,所以諧波總的畸變率也可寫為%咖=00衣A2A2Ai式中,A1為基波幅值,An為n次諧波幅值,n為諧波次數(shù)。六基于LabVIEV平臺的諧波失真分析(一)窗平滑技術(shù)對信號進行有限時間內(nèi)的采樣就是就是相當(dāng)于利用矩形窗對信號進行有效截斷。但是如果窗長和信號周期的整數(shù)倍不相等，離散頻

22、譜中就會有泄漏效應(yīng)產(chǎn)生。泄漏的 產(chǎn)生主要是矩形窗的邊界的突變特性產(chǎn)生的，它的急劇變化將在頻域內(nèi)引入許多高頻 分量，對應(yīng)到矩形窗譜中的變化就是旁瓣的最大電平較大且衰減速度較小。泄漏使頻 譜造成不應(yīng)有的畸變，給分析結(jié)果帶來誤差。為了抑制泄漏誤差，對采樣數(shù)據(jù)用窗函 數(shù)處理。窗函數(shù)作用于信號的過程可以用下式表示：丫(t)=x(t)(t) (5)式中x(t)為加窗前的信號，丫(t)為加窗后的信號，(t)為窗函數(shù)。窗函數(shù)的實質(zhì)是對 信號進行加權(quán)處理。若窗函數(shù)的邊界變化較緩慢而漸進于零，則盡管原始信號采樣時 終端不相同，但與窗函數(shù)相乘后也可使其值相差減小而相同，從而減少頻譜的泄漏。本文推薦選用海寧窗函數(shù)，海

23、寧窗是一種余弦窗，其表達式為：，(n)=0.5-0.5cos() (6)N海寧窗的旁瓣峰值較小，衰減較快，但總泄漏比矩形窗小的多。由于海寧窗比較容易 獲得，因此是經(jīng)常使用的窗函數(shù)。這種窗函數(shù)的特點是：只要選取的觀測時間是信號 周期的整數(shù)倍，其頻譜在各次整數(shù)倍諧波頻率處幅值為零，因為各次諧波之間不會發(fā) 生相互泄漏。即使信號頻率作小范圍波動，泄漏誤差也較小，而且相比其他窗函數(shù)計 算量較小。同時本文也選取了其他的窗函數(shù)作了比較。(二) 基于LabVIEV的后面板框圖程序設(shè)計LabVIEV具有強大的信號分析與數(shù)學(xué)運算功能，它提供豐富的庫函數(shù)和子程序能為 我們很好的完成計算任務(wù)。在利用LabVIEV進行

24、編程時，編程的面板被稱為程序的后面 板，是程序的圖形化源代碼。它包括函數(shù)、結(jié)構(gòu)、代表前面板上的控制對象和顯示對 象的端子連線等。當(dāng)在后面板上用圖表和連線寫程序的時候，虛擬儀器的用戶界面同時在另一份面板上生成。這面板被稱為虛擬儀器的前面板，用于人機交互的程序圖形 用戶接口（ GUI），集成了旋鈕、開關(guān)等用戶輸入（控制）對象。通過用戶界面，使用者就可以很方便的操作虛擬儀器，而不用管這臺儀器的內(nèi)部程序是如何運作的。框圖 程序如圖2所示。本系統(tǒng)使用Sine pattern.vi產(chǎn)生三個初相角為0的正弦波,然后將三個正弦波疊加在一起。然后對疊加后的信號進行加窗處理，這里首先選用海寧窗，另 外本文還選擇了

25、不同的窗函數(shù)。用來實現(xiàn)數(shù)據(jù)分析前的預(yù)處理，以減少譜泄漏。可用快速傅里葉變換（FFT）求出時域信號的頻譜。將轉(zhuǎn)換后的頻域信號進行分析，它將以數(shù) 組形式輸出各個諧波的幅值和頻率。然后按式（4）計算總諧波畸變率%THD將結(jié)果輸出。這里分別計算了加窗前后加窗后的總諧波畸變率 THD加窗前的信號初阿加窗后的信號I200I_失其側(cè)呈nntuTHD圖2后面板框圖程序酣 KH加麗的倍號曲透0Al/KaiudnJDaWTHB3 95V1E-16 柯宙后TIB |32238HE-5加宙前的痔號時i日D 25 5Q 75 1GO 125190175 E000 2Q 40 M 60100gjg掾題：謂被另斬 作晉：葫

26、健 時間:20115月2Q日圖3 前面板演示窗口（三）實驗結(jié)果及分析如圖3所示輸入三個頻率不同的正弦波，采樣頻率均為128。運行程序后，可以得到 圖3所示顯示結(jié)果，在波形圖上分別顯示出加窗前和加窗后的時域信號圖，從圖上可以 看出兩信號疊加后的信號波形圖不再是標(biāo)準(zhǔn)的正弦波，已經(jīng)發(fā)生嚴(yán)重的畸變，但是仍 然具有一定的周期性。在頻譜圖上可以很直觀的看出輸出信號中所包含的各個諧波頻 率和對應(yīng)諧波幅值。由表1中得到加窗前與加窗后的諧波總的畸變率 TH的測量結(jié)果,并在表2中給出了兩 種測量方法的誤差比較。表1 TH測量結(jié)果所含諧波次數(shù)理論%THD實際測量%THD加海寧窗測量%THD10001 25. 000

27、000000000000004. 999999999999997335. 000000000000000891 2 36. 148754619013456736. 148754619013461216. 14875461901346032表2兩種方法的誤差比較實際測量TH誤差加海寧窗實際測量TH誤差000. 000000000000002670. 000000000000000890. 000000000000004480. 000000000000003590. 000000000000000140. 00000000000000006誤差分析：由表2可以看出，加了窗函數(shù)實際測量TH的誤差比

28、沒有加窗函數(shù)測量TH的誤差小的 多。分析諧波失真：沒加窗實測誤差的原因主要是非整周期采樣引起的頻譜泄漏。由于采 樣頻率并非被測信號頻率的整數(shù)倍。引起對周期信號的非整周期采樣，導(dǎo)致頻譜泄漏，即影響各次諧波在頻譜上的分布，從而在諧波失真度測量中引入誤差。加窗函數(shù)之后，頻譜泄漏的情況得到了改善。諧波精度大大提高。結(jié)論：基于LabVIEW勺諧波失真分析功能已經(jīng)實現(xiàn)，當(dāng)然還有待進一步完善。LabVIEW是一種功能強大的易學(xué)易用的操作簡單的測試編程軟件，可以通過本身自帶的諧波分 析子程序?qū)χC波失真進行測量研究，能對受試設(shè)備及電壓、電流的基波及各次諧波的 幅值、相位、諧波總畸變率等進行連續(xù)和定時測量，統(tǒng)計諧波和觀察變化趨勢。用虛 擬儀器開發(fā)的諧波分析儀與傳統(tǒng)的測量儀器相比，在開發(fā)周期、智能化程度、性能價 格比、可靠性、可操作性、可維護性等方面具有明顯的優(yōu)勢，可以省去購買硬件的費 用，給系統(tǒng)集成和開發(fā)呆來極大的益處。隨著虛擬儀器地方發(fā)展，其再電力系統(tǒng)中的 應(yīng)用會越來越廣泛。參考文獻：1 周求湛，錢志鴻，等.虛擬儀器與LabVIEWTM Express程序設(shè)計M.北京：北京航空航天大學(xué)出版社,2004.2 黃純,江亞群,孫梓華.基于虛擬儀器技術(shù)的電力諧波測試儀J.電力自動化設(shè)備，2001.3