電能質(zhì)量監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計方案畢業(yè)論文

1、電能質(zhì)量監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計方案目 錄工程概況11電能質(zhì)量參數(shù)11.1電能質(zhì)量概念11.2電能質(zhì)量的特點21.3電能質(zhì)量指標(biāo)21.4影響電能質(zhì)量的因素31.5電能質(zhì)量低下的危害32電能質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)32.1 電壓允許偏差42.2 公用電網(wǎng)諧波42.3 電壓波動和閃變42.4 三相電壓不平衡52.5 電網(wǎng)頻率52.6 暫時過電壓和瞬態(tài)過電壓53諧波危害與治理53.1 諧波的定義53.2 諧波源63.3 用于諧波分析的DFT和FFT算法73.4諧波治理的基本方法124 LABVIEW虛擬儀器技術(shù)144.1 概述144.2 LabVIEW的特點154.3 LabVIEW各部分功能164.4 LABVIEW參數(shù)的監(jiān)

2、測技術(shù)164.5 頻率跟蹤技術(shù)175電能質(zhì)量監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計方案185.1 硬件部分185.2 軟件部分195.3總體結(jié)構(gòu)圖206結(jié)論21致22參考文獻(xiàn)23工程概況電能質(zhì)量與國民經(jīng)濟(jì)的各個部門和人民日常生活有著密切的關(guān)系和重要意義。電能作為一種商品, 具有它本身的特殊性, 電能的生產(chǎn)和消費必須同時進(jìn)行, 且電能的生產(chǎn)、傳輸和使用設(shè)備必須緊密地連接在同一電網(wǎng)上。因此, 作為電力部門的產(chǎn)品質(zhì)量電能的質(zhì)量, 不僅與電力部門有關(guān), 而且與成千上萬的電力用戶有關(guān)。隨著現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)的發(fā)展, 電能質(zhì)量監(jiān)控的新技術(shù)使電能質(zhì)量監(jiān)測的意義賦予了新的容。通過全部時間連續(xù)的跟蹤監(jiān)控, 建立起表征電能質(zhì)量的, 真正有用的數(shù)

3、據(jù)庫, 在供配電系統(tǒng)和用電設(shè)備運行失效之前, 捕獲到其早期的故障信息, 以便在毀滅性打擊之前, 提醒人們對供、用電設(shè)備的運行狀態(tài)進(jìn)行調(diào)整和預(yù)防檢修。電能的質(zhì)量, 通常以供電電壓的頻率、偏移、波動、閃變、間斷、塌陷、尖峰、諧波畸變、三相不平衡度和高頻干擾等項指標(biāo)來表征。電能的質(zhì)量, 不僅取決于發(fā)電、輸電和供電系統(tǒng)本身, 現(xiàn)代工業(yè)化的迅速發(fā)展, 接入公用電網(wǎng)的半導(dǎo)體換流器和非線性負(fù)荷, 也會明顯地干擾或降低配電網(wǎng)中的電能質(zhì)量。要保證公用電網(wǎng)中電能的質(zhì)量，必須由電力生產(chǎn)部門和接入電網(wǎng)中的廣大電力用戶來共同努力。進(jìn)入20世紀(jì)90年代以來、隨著半導(dǎo)體、計算機(jī)技術(shù)的迅速發(fā)展，一批高新技術(shù)企業(yè)應(yīng)運而生，出現(xiàn)

4、大量的微機(jī)控制裝置和生產(chǎn)線.對電能質(zhì)量提出了新的要求；而電力市場的發(fā)展，使供電企業(yè)進(jìn)一步認(rèn)識到：保證電能質(zhì)量是用戶的需要也是自身的需要。在這樣的背景下，因電能質(zhì)量不良而使用戶設(shè)備停機(jī)或出次品的情況。仍應(yīng)看作電能質(zhì)量不合格。當(dāng)然，電能質(zhì)量不良有多種情況，用戶對電能質(zhì)量的敏感程度也各不一樣。一船來說，供電企業(yè)可對不同的電能質(zhì)量劃分等級、分別定價、用戶可以自由選擇。但由于我國目前還未能實現(xiàn)優(yōu)質(zhì)優(yōu)價。因此，進(jìn)一步改善電能質(zhì)量的工作基本上要求在用戶側(cè)解決。隨著各種用電設(shè)備對電能質(zhì)量敏感度的變化，電能質(zhì)量的圍進(jìn)一步擴(kuò)大。分類更細(xì)要求更高。在新的電力市場環(huán)境下，電能質(zhì)量已成為電能這種商品的消費特性，很大程度

5、上體現(xiàn)了供電部門服務(wù)品質(zhì)。所以有關(guān)部門正在加大對電能質(zhì)量的監(jiān)管和治理。 為了保障供用電雙方的合法權(quán)益, 保證電網(wǎng)的安全運行, 維護(hù)電氣安全使用環(huán)境, 必須加強(qiáng)電能質(zhì)量的監(jiān)控管理。隨著電力電子與信息技術(shù)在社會各個領(lǐng)域的滲透應(yīng)用，一些新型電力負(fù)荷對電能質(zhì)量的要求不斷提高，電能質(zhì)量已成為電力企業(yè)和用戶共同關(guān)心的課題。當(dāng)今威脅電力質(zhì)量的主要干擾除了諧波、電壓波動外，更多為人們所關(guān)注的將是電壓暫降和短時斷電、電壓閃變等動態(tài)電能質(zhì)量問題；我們應(yīng)因地制宜，對癥下藥，在深入調(diào)研、現(xiàn)場實測、試驗研究的基礎(chǔ)上，運用FACS和電力新技術(shù)對電能質(zhì)量進(jìn)行系統(tǒng)化地綜合補(bǔ)償，這將是今后解決電能質(zhì)量問題的最根本途徑

6、。隨著科技的進(jìn)步，現(xiàn)代電力系統(tǒng)中用電負(fù)荷結(jié)構(gòu)發(fā)生了重大變化，諸如半導(dǎo)體整流器、晶閘管調(diào)壓與變頻調(diào)整裝置、煉鋼電弧爐、電氣化鐵路和家用電器等負(fù)荷迅速發(fā)展，由于其非線性、沖擊性以與不平衡的用電特性，使電網(wǎng)的電壓波形發(fā)生畸變引起電壓波動和閃變以與三相不平衡，甚至引起系統(tǒng)頻率波動等，對供電電能質(zhì)量造成嚴(yán)重的干擾或“污染”。電網(wǎng)中正面對越來越多的電能質(zhì)量問題，這使得電能質(zhì)量的研究十分緊迫。另一方面 ，電能質(zhì)量正逐步受到供電企業(yè)和電力用戶的共同關(guān)注。因此，本次設(shè)計旨在明確影響電能質(zhì)量的主要因素、諧波的基本概念與分析方法；詳細(xì)介紹和分析諧波的危害與處理諧波的方法；了解LABVIEW虛擬儀器技術(shù)，掌

7、握提高電能質(zhì)量的措施；確定電能質(zhì)量在線監(jiān)測與分析系統(tǒng)總體設(shè)計方案、完成電能質(zhì)量在線監(jiān)控系統(tǒng)的硬件設(shè)計和軟件設(shè)計。1電能質(zhì)量參數(shù)1.1電能質(zhì)量概念    電能質(zhì)量包括四個方面的相關(guān)術(shù)語和概念：電壓質(zhì)量(Voltage quality)即用實際電壓與額定電壓間的偏差(偏差含電壓幅值，波形和相位的偏差)，反映供電企業(yè)向用戶供給的電力是否合格；電流質(zhì)量(Current quality)即對用戶取用電流提出恒定頻率、正弦波形要求，并使電流波形與供電電壓同相位，以保證系統(tǒng)以高功率因數(shù)運行，這個定義有助于電網(wǎng)電能質(zhì)量的改善，并降低網(wǎng)損；供電質(zhì)量(quality of suppl

8、y)包含技術(shù)含義和非技術(shù)含義兩個方面：技術(shù)含義有電壓質(zhì)量和供電可靠性；非技術(shù)含義是指服務(wù)質(zhì)量(quality of service)包括供電企業(yè)對用戶投訴的反應(yīng)速度和電力價格等；用電質(zhì)量(quality of consumption)包括電流質(zhì)量和非技術(shù)含義，如用戶是否按時、如數(shù)繳納電費等，它反映供用雙方相互作用與影響用電方的責(zé)任和義務(wù)。 一般地，電能質(zhì)量的定義：導(dǎo)致用戶設(shè)備故障或不能正常工作的電壓、電流或頻率偏差。這個定義簡單明晰，概括了電能質(zhì)量問題的成因和后果。隨著基于計算機(jī)系統(tǒng)的控制設(shè)備與電子裝置的廣泛應(yīng)用，電力系統(tǒng)中用電負(fù)荷結(jié)構(gòu)發(fā)生改變，即變頻裝置、電弧爐煉鋼、電氣化鐵道等非線性、沖擊

9、性負(fù)荷造成對電能質(zhì)量的污染與破壞，而電能作為商品，人們會對電能質(zhì)量提出更高的要求，電能質(zhì)量已逐漸成為全社會共同關(guān)注的問題，有關(guān)電能質(zhì)量的問題已經(jīng)成為電工領(lǐng)域的前沿性課題，有必要對其相關(guān)指標(biāo)與改善措施作討論和分析。在電能輸送過程中，電力系統(tǒng)將受到各種因素的影響，到達(dá)用戶的電能波形往往發(fā)生畸變。隨著不對稱負(fù)荷、沖擊性負(fù)荷的容量和數(shù)量的不斷增大，電網(wǎng)受到嚴(yán)重干擾，電能質(zhì)量不斷惡化。另外,電能質(zhì)量不僅取決于發(fā)電、輸電和供電系統(tǒng)本身，接入公用電網(wǎng)的半導(dǎo)體換流器和非線性負(fù)荷也將對電網(wǎng)產(chǎn)生明顯的干擾，降低了配電網(wǎng)中的電能質(zhì)量。電能質(zhì)量的惡化將會給電力系統(tǒng)和用電設(shè)備帶來嚴(yán)重危害。諧波問題是電能質(zhì)量中的一個重要

10、問題。一直以來 ,電能質(zhì)量研究也主要集中在與諧波相關(guān)的穩(wěn)態(tài)電能質(zhì)量研究上。在電力系統(tǒng)、電力電子、電動機(jī)、供配電等專業(yè)和所有涉與電力電子應(yīng)用的工業(yè)部門中，都把諧波干擾與其分析處理作為重要技術(shù)課題。以前,由于受各種條件的限制，對電壓驟降和驟升、暫態(tài)擾動等各種暫態(tài)電能質(zhì)量研究較少。暫態(tài)信號具有突變、非平穩(wěn)、持續(xù)時間短等特性，只了解它們在時域或頻域中的全局特性是不夠的。暫態(tài)信號中的奇異點和不規(guī)則突變通常與系統(tǒng)的電氣參數(shù)有著重要的聯(lián)系。奇異點檢測的目的就是對故障進(jìn)行定位，抓住故障特征，進(jìn)而采取適當(dāng)?shù)谋Ｗo(hù)或控制措施。因此，暫態(tài)電能質(zhì)量分析已成為研究熱點。1.2電能質(zhì)量的特點電能質(zhì)量具有以下幾個特點：(1)

11、動態(tài)性。電能從發(fā)電生產(chǎn)到用戶消耗是一個整體，其流動始終處于動態(tài)平衡中，并且隨著電網(wǎng)結(jié)構(gòu)和負(fù)荷的改變而不斷變換。(2)相關(guān)性。電能不易大量存儲,其生產(chǎn)、輸送、分配和轉(zhuǎn)換過程直至消耗幾乎是同時進(jìn)行的。當(dāng)系統(tǒng)處在各種運行狀態(tài)時，電能質(zhì)量一旦不達(dá)標(biāo)，相關(guān)的設(shè)備就會受到不同程度的影響。(3)傳播性。電力系統(tǒng)是一個復(fù)雜的網(wǎng)絡(luò)，為電能提供了最好的傳輸途徑。電能傳播速度快，電氣污染波與面大，會大大降低相連系統(tǒng)的電能質(zhì)量。(4)潛在性。電能質(zhì)量擾動復(fù)雜多變，事故誘發(fā)條件復(fù)雜，其質(zhì)量的下降造成對系統(tǒng)用電設(shè)備的損害有時并不立即顯現(xiàn)，為安全運行留下了隱患。(5)復(fù)雜性。電能質(zhì)量的多個指標(biāo)作用于同一個系統(tǒng)時，綜合給出電

12、能質(zhì)量的評判標(biāo)準(zhǔn)是非常困難的。目前尚沒有一個準(zhǔn)確和普遍認(rèn)可的定量評估計算方法。(6)整體性。保證電能質(zhì)量要靠多方努力。要求電力供應(yīng)方、電力使用方、設(shè)備制造商等共同協(xié)作，制定統(tǒng)一和可操作的合適質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)或單獨的供電質(zhì)量協(xié)議，或者按電力用戶對電能質(zhì)量的不同要行分級控制和管理。1.3電能質(zhì)量指標(biāo)電能質(zhì)量指標(biāo)是電能質(zhì)量各個方面的具體描述，不同的指標(biāo)有不同的定義，參考IEC標(biāo)準(zhǔn)、 從電磁現(xiàn)象與相互作用和影響角度考慮給出的引起干擾的基本現(xiàn)象分類如下：(1) 低頻傳導(dǎo)現(xiàn)象：諧波、間諧波、電壓波動、電壓與電流不平衡，電壓暫降與短時斷電 ，電網(wǎng)頻率變化，低頻感應(yīng)電壓，交流網(wǎng)絡(luò)中的直流； (2) 低頻輻射現(xiàn)象：磁場

13、、電場； (3) 高頻傳導(dǎo)現(xiàn)象：感應(yīng)連續(xù)波電壓與電流，單向瞬態(tài)、振蕩瞬態(tài)； (4) 高頻輻射現(xiàn)象：磁場、電場、電磁場(連續(xù)波、瞬態(tài))； (5) 靜電放電現(xiàn)象。 對于以上電力系統(tǒng)中的電磁現(xiàn)象，穩(wěn)態(tài)現(xiàn)象可以利用幅值、頻率、頻譜、調(diào)制、缺口深度和面積來描述，非穩(wěn)態(tài)現(xiàn)象可利用上升率、幅值、相位移、持續(xù)時間、頻譜、頻率、發(fā)生率、能量強(qiáng)度等描述。保障電能質(zhì)量既是電力企業(yè)的責(zé)任，供電企業(yè)應(yīng)保證供給用戶的供電質(zhì)量符合國家標(biāo)準(zhǔn)；同時也是用戶應(yīng)盡的義務(wù)，即用戶用電不得危害供電；安全用電；對各種電能質(zhì)量問題應(yīng)采取有效的措施加以抑制。電能質(zhì)量指標(biāo)國外大多取95%概率值作為衡量依據(jù)，并需指明監(jiān)測點，這些指標(biāo)特點也對用電

14、設(shè)備性能提出了相應(yīng)的要求。即電氣設(shè)備不僅應(yīng)能在規(guī)定的標(biāo)準(zhǔn)值之正常運行，而且應(yīng)具備承受短時超標(biāo)運行的能力。1.4影響電能質(zhì)量的因素電能質(zhì)量直接關(guān)系到電力系統(tǒng)的供電安全和供電質(zhì)量，從技術(shù)上講，影響電能質(zhì)量的因素主要包括三個方面：(1)自然現(xiàn)象的因素，如雷擊、風(fēng)暴、雨雪等對電能質(zhì)量的影響，使電網(wǎng)發(fā)生事故，造成供電可靠性降低。(2)電力設(shè)備與裝置的自動保護(hù)與正常運行的因素，如大型電力設(shè)備的啟動和停運、自動開關(guān)的跳閘與重合等對電能質(zhì)量的影響，使額定電壓暫時降低、產(chǎn)生波動與閃變等。(3)電力用戶的非線性負(fù)荷、沖擊性負(fù)荷等大量投運的因素，如煉鋼電弧爐、電氣化機(jī)車運行等對電能質(zhì)量的影響，使公用電網(wǎng)產(chǎn)生大量的諧

15、波干擾、產(chǎn)生電壓擾動、產(chǎn)生電壓波動與閃變等。1.5電能質(zhì)量低下的危害 電能質(zhì)量低下的危害有以下一些表現(xiàn): (1)諧波由諧波源(非線性設(shè)備和負(fù)荷) 注入系統(tǒng), 會損壞系統(tǒng)設(shè)備(如電容器、電纜、電動機(jī)、電壓互感器等), 威脅系統(tǒng)的安全運行(如繼電保護(hù)與自動裝置誤動), 增加系統(tǒng)的功率損耗(如線損), 增大測量儀表的誤差(如電能表), 干擾通信等。(2)三相不平衡會使發(fā)電機(jī)工作不正常, 增加變壓器的附加損耗造成其局部過熱, 繼電保護(hù)與自動我國正在積極采用國際標(biāo)準(zhǔn)和國外先進(jìn)標(biāo)準(zhǔn), 特別是IEC 制定的EMC 標(biāo)準(zhǔn)。我國現(xiàn)行的關(guān)于電能質(zhì)量方面的國家標(biāo)準(zhǔn)有五個, 其中電能質(zhì)量電壓允許裝置誤動, 變流器產(chǎn)生

16、非特征諧波, 增加中性線電流產(chǎn)生電噪聲干擾, 增加輸電線損耗, 干擾通信等。(3)電壓偏差超標(biāo)會使用電設(shè)備的損耗增加、壽命縮短、工作不正常, 會破壞電力系統(tǒng)同步運行的穩(wěn)定性、電壓的穩(wěn)定性以與電網(wǎng)的經(jīng)濟(jì)運行。 (4)電壓的波動和閃變主要由波動性負(fù)荷(如電弧爐) 引起, 其超標(biāo)會危害與其連接在公共供電點的其他用戶的設(shè)備, 如使照明燈閃爍、電機(jī)轉(zhuǎn)速不均勻和計算機(jī)與電子設(shè)備工作不正常等。(5)電力系統(tǒng)穩(wěn)定運行時, 全系統(tǒng)有一樣的頻率。在允許的頻率偏差圍, 主要是引起設(shè)備的效率問題; 當(dāng)偏差超過圍, 則會危與設(shè)備的安全, 嚴(yán)重時甚至造成系統(tǒng)瓦解崩潰。(6)暫時過電壓和瞬態(tài)過電壓以與電壓跌落和短時供電中斷

17、的問題, 一般由系統(tǒng)或用戶部的短路故障引起, 會直接影響甚至中斷用戶正常的用電, 造成嚴(yán)重的經(jīng)濟(jì)損失。2電能質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)綜合新頒布的電磁兼容國家標(biāo)準(zhǔn)和發(fā)達(dá)國家的相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，中低壓電能質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)分5大 類13個指標(biāo)。(1) 頻率偏差：包括在互聯(lián)電網(wǎng)和孤立電網(wǎng)中的兩種；(2) 電壓幅值：慢速電壓變化(即電壓偏差)；快速電壓變化(電壓波動和閃變)；電壓暫降( 是由于系統(tǒng)故障或干擾造成用戶電壓短時間(10ms1min)下降到90%的額定值以下，然后 又恢復(fù)到正常水平，會使用戶的次品率增大或生產(chǎn)停頓)；短時斷電(又稱電壓中斷，是由于系統(tǒng)故障跳閘后造成用戶電壓完全喪失(<1%Un),持續(xù)時間>3min

18、，電壓中斷使用戶生產(chǎn)停頓，甚至混亂)；長時斷電；暫時工頻過電壓；瞬態(tài)過電壓；(3) 電壓不平衡；(4) 電壓波形：諧波電壓；間諧波電壓；(由較大的波動或沖擊性非線性負(fù)荷引起，如大功率的交一交變頻，間諧波的頻率不是工頻的整數(shù)倍，但其危害等同于整數(shù)次諧波) ；(5) 信號電壓(在電力傳輸線上的高頻信號，用于通信和控制) 。2.1 電壓允許偏差用電設(shè)備的運行指標(biāo)和額定壽命是對其額定電壓而言的。當(dāng)其端子上出現(xiàn)電壓偏差時，其運行參數(shù)和壽命將受到影響，影響程度視偏差的大小、持續(xù)的時間和設(shè)備狀況而異，電壓偏差計算式如下： 電壓偏差(%) =(實際電壓-額定電壓)/額定電壓×100% &#

19、160; 電能質(zhì)量供電電壓允許偏差(GB12325-1990)規(guī)定電力系統(tǒng)在正常運行條件下，用戶受 電端供電電壓的允許偏差為： (1)35kV與以上供電和對電壓質(zhì)量有特殊要求的用戶為額定電壓的正負(fù)偏差絕對值之 和不超過10%； (2)10kV與以下高壓供電和低壓三相用戶為額定電壓的+7%-7%；(3)220V低壓單相用戶為額定電壓的+7%-10%。衡量點為供用電產(chǎn)權(quán)分界處或電能計量點。為了保證用電設(shè)備的正常運行，在綜合考慮了設(shè)備制造和電網(wǎng)建設(shè)的經(jīng)濟(jì)合理性后，對各類用戶設(shè)備規(guī)定了如上的允許偏差值，此值為工業(yè)企業(yè)供配電系統(tǒng)設(shè)計提供了依據(jù)。在工業(yè)企業(yè)中，改善電壓偏差的主要措施有三： (1)就地進(jìn)行無

20、功功率補(bǔ)償，與時調(diào)整補(bǔ)償量，無功負(fù)荷的變化在電網(wǎng)各級系統(tǒng)中均產(chǎn)生電壓偏差，它是產(chǎn)生電壓偏差的源，因此，就地進(jìn)行無功功率補(bǔ)償，與時調(diào)整補(bǔ)償量，從源上解決問題，是最有效的措施。(2)調(diào)整同步電動機(jī)的勵磁電流。在銘牌規(guī)定值的圍適當(dāng)調(diào)整同步電動機(jī)的勵磁電流 ，使其超前或滯后運行，就能產(chǎn)生超前或滯后的無功功率，從而達(dá)到改善網(wǎng)絡(luò)負(fù)荷的功率因數(shù)和調(diào)整電壓偏差的目的。(3)采用有載調(diào)壓變壓器。從總體上考慮無功負(fù)荷只宜補(bǔ)償?shù)焦β室驍?shù)為0.900.95，仍然有一部分變化無功負(fù)荷要電網(wǎng)供給而產(chǎn)生電壓偏差，這就需要分區(qū)采用一些有效的辦法來解決，采用有載調(diào)壓變壓器就是有效而經(jīng)濟(jì)的辦法之一。2.2 公用電網(wǎng)諧波 諧波(a

21、rmonic)即對周期性的變流量進(jìn)行傅里葉級數(shù)分解，得到頻率為大于1的整數(shù)倍基波頻率的分量，它是由電網(wǎng)中非線性負(fù)荷而產(chǎn)生的。電能質(zhì)量公用電網(wǎng)諧波(GB/14529-1993)中規(guī)定了各電壓等級的總諧波畸變率，各單次奇次電壓含有率和各單次偶次電壓含有率的限制值。該標(biāo)準(zhǔn)還規(guī)定了電網(wǎng)公共連接點的諧波電流(225次)注入的允許值；而且同一公共連接點的每個用戶向電網(wǎng)注入的諧波電流允許值按此用戶在該點的協(xié)議容量與其公共連接點的供電設(shè)備容量之比進(jìn)行分配，以體現(xiàn)供配電的公正性。2.3 電壓波動和閃變電壓波動(Fluctuation)即電壓方均根值一系列的變動或連續(xù)的改變；閃變(Flick) 即燈光照度不穩(wěn)定造

22、成的視感，是由波動負(fù)荷，如電弧爐、軋機(jī)、電弧焊機(jī)等引起的。  電能質(zhì)量電壓波動和閃變(GB12326-2000)是在原來標(biāo)準(zhǔn)（GB12326-1990）的基礎(chǔ)上，參考了IEC電磁兼容(EMC)標(biāo)準(zhǔn)IEC6100-3-7等修訂而成的，適用于由波 動負(fù)荷引起的公共連接點電壓的快速變動與由此可能人對燈閃明顯感覺的場合，該標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定 了各級電壓下的閃變限制值。上述的數(shù)值僅適用于公共連接點(PCC)連接的所有用戶為同電壓等級的用戶場合，Pst為短時閃變值，即衡量短時間(若干分鐘)閃變強(qiáng)弱的一個統(tǒng)計量值；Plt為長時閃變值，它由Pst推算出，反映出長時間(若干小時)閃變強(qiáng)弱的一個統(tǒng)計量值

23、。2.4 三相電壓不平衡電能質(zhì)量三相電壓允許不平衡度(GB/15543-1995)適用于交流額定頻率為50z電力系統(tǒng)正常運行方式下由于負(fù)序分量而引起的PCC連接點的電壓不平衡，該標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定： 電力系統(tǒng)公共連接點正常運行方式下不平衡度允許值為2%，短時不得超過4%，每個用戶不得超過1.3%。而且該標(biāo)準(zhǔn)還解釋：不平衡度允許值指的是在電力系統(tǒng)正常運行的最小方式下負(fù)荷所引 起的電壓不平衡度為最大的生產(chǎn)(運行)周期中的實測值，例如煉鋼電弧爐應(yīng)在熔化期測量等。在確定三相電壓允許不平衡指標(biāo)時，該標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定用95%概率值作為衡量值。即正常運行方式下不平衡度允許值，對于波動性較小的場合，應(yīng)和實際測量的五次接近數(shù)值的

24、算術(shù)平均值對比；對于波動性較大的場合，應(yīng)和實際測量的95%的概率值對比；以判斷是否合格。其短時允許值是指任何時刻均不能超過的限制值，以保證保護(hù)和自動裝置的正確動作。2.5 電網(wǎng)頻率電能質(zhì)量電力系統(tǒng)頻率允許偏差(GB/15945-1995)中規(guī)定：電力系統(tǒng)頻率偏差允許 值為0.2z，當(dāng)系統(tǒng)容量較大時，偏差值可放寬到+0.5z-0.5z，標(biāo)準(zhǔn)中并沒有說明系統(tǒng)容 量大小的界限，而在全國供用電規(guī)則中有規(guī)定：“供電局供電頻率的允許偏差：電網(wǎng)容量在3GW與以下者為0.2z；電網(wǎng)容量在3GW以上者為0.5z”。實際運行中，我國各跨省電力系統(tǒng)頻率都保持在+0.1z-0.1z的圍，這點在電網(wǎng)質(zhì)量中最有保障。 2

25、.6 暫時過電壓和瞬態(tài)過電壓由于開關(guān)操作或雷擊等原因引起，暫時過電壓與瞬態(tài)過電壓是直接危與電力設(shè)備安全運行的重要原因之一，以往只是對電器設(shè)備的耐壓水平進(jìn)行考核，而對電網(wǎng)中實際產(chǎn)生的過電壓水平則無限制。電網(wǎng)的過電壓水平也是電能質(zhì)量的一個重要指標(biāo)。電能質(zhì)量暫時過電壓和瞬態(tài)過電壓GB/18481-2001標(biāo)準(zhǔn)主要根據(jù)GB311.1，按過電壓的波形特點分為兩大類，因為是過電壓波形，幅值和持續(xù)時間決定了對設(shè)備絕緣和保護(hù)裝置的影響?！皶簳r過電壓”是指其頻率為工頻或某諧波頻率，且在其持續(xù)時間圍無衰減或衰減慢的過電壓；“瞬態(tài)過電壓”為振蕩的或非振蕩的，通常衰減很快，持續(xù)時間只有幾毫秒且為緩波前的(例如一些操作

26、過電壓)或幾十個微秒且為快波前的(如雷電過電壓)的過電壓。雖然“操作過電壓”，“雷電過電壓”通常分別由操作(或故障)與雷電放電所引起，但其波形特征未必總是如此。例如：當(dāng)變壓器一側(cè)有雷電波作用時，經(jīng)繞組間耦合的電感性傳遞過電壓，會有接近于操作過電壓的緩波前；而當(dāng)單相接地時，依照相間的電磁耦合，可在正常相上產(chǎn)生接近于雷電過電壓的的快波前。因此，本標(biāo)準(zhǔn)中所謂的“操作”、“雷電 ”過電壓是指可分別用緩波前的操作沖擊和快波前的雷電沖擊來代表的過電壓。3諧波危害與治理3.1 諧波的定義諧波是一個周期電氣量的正弦波分量，其頻率是基波頻率的整數(shù)倍數(shù)。理論上看，非線性負(fù)荷是配電網(wǎng)諧波的主要產(chǎn)生因素。非線性負(fù)荷吸

27、收電流和外加端電壓為非線性關(guān)系，這類負(fù)荷的電流不是正弦波，且引起電壓波形畸變。周期性的畸變波形經(jīng)過傅立葉級數(shù)分解后，那些大于基頻的分量被稱作諧波。非線性負(fù)荷除了產(chǎn)生基頻整次諧波外，還可能產(chǎn)生低于基頻的次諧波，或高于基波的非整數(shù)倍諧波。電力系統(tǒng)中出現(xiàn)系統(tǒng)短路、開路等事故，而導(dǎo)致系統(tǒng)進(jìn)入暫態(tài)過程引起的諧波，將不歸屬諧波治理的疇。要治理諧波改善供電品質(zhì)，需要了解諧波類型。諧波按其性質(zhì)和波動的快慢可分成四類：準(zhǔn)穩(wěn)態(tài)諧波、波動諧波、快速變化的諧波和間諧波四類。3.2 諧波源電力系統(tǒng)中的諧波來自電氣設(shè)備，也就是說來自發(fā)電設(shè)備和用電設(shè)備。由于發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)子產(chǎn)生的磁場不可能是完善的正弦波，因此發(fā)電機(jī)發(fā)出的電壓波

28、形不可能是一點不失真的正弦波。目前我國應(yīng)用的發(fā)電機(jī)有兩大類：隱極機(jī)和凸極機(jī)。隱極機(jī)多用于汽輪發(fā)電機(jī)，凸極機(jī)多用于水輪發(fā)電機(jī)。對于諧波分量而言，隱極機(jī)優(yōu)于凸極機(jī)，但隨著科技進(jìn)步，可控硅、IGBT等電子勵磁裝置的投入，使發(fā)電機(jī)的諧波分量有所上升。當(dāng)發(fā)電機(jī)的端電壓高于額定電壓的10以上時，由于電機(jī)的磁飽和，會使電壓的三次諧波明顯增加。同樣在變壓器的電源側(cè)電壓超過額定電壓10%以上時，也會使二次側(cè)電壓的三次諧波明顯增加。由于電網(wǎng)電壓偏移在±7以下，所以發(fā)電、變電設(shè)備產(chǎn)生的諧波分量都比較小，比國家的考核標(biāo)準(zhǔn)低的多，因此發(fā)電、變電設(shè)備不是影響電網(wǎng)電壓波形方面質(zhì)量的主要矛盾。為此，影響電網(wǎng)電壓波形

29、質(zhì)量的主要矛盾是非線性用電設(shè)備，也就是說非線性用電設(shè)備是主要的諧波源，非線性用電設(shè)備主要有以下四大類：（1）電弧加熱設(shè)備：如電弧爐、電焊機(jī)等。 （2）交流整流的直流用電設(shè)備：如電力機(jī)車、電解、電鍍等。 （3）交流整流再逆變用電設(shè)備：如變頻調(diào)速、變頻空調(diào)等。 （4）開關(guān)電源設(shè)備：如中頻爐、彩色電視機(jī)、電腦、電子整流器等。 這些用電設(shè)備都是非線性用電設(shè)備，但它們產(chǎn)生的諧波各不一樣，具體舉例分析如下：電弧加熱設(shè)備是由于電弧在70伏以上才會起弧，才會有弧電流，并且滅弧電壓略低于起弧電壓，造成弧電流與弧電壓的非線性（如圖3-1所示）。圖3-1弧電流與弧電壓的非線性波形此外，弧電流的波形還有一定的非對稱性

30、。正是由于弧電流是非正弦波，造成電弧加熱設(shè)備對電網(wǎng)的諧波污染比較大，而且多為18次以下的低次諧波污染。其實電焊機(jī)在上世紀(jì)四、五十年代已廣泛應(yīng)用。由于當(dāng)時電弧加熱設(shè)備量少，電焊機(jī)應(yīng)用的同時率就更小了，對整個電網(wǎng)的影響比較小，但在當(dāng)時已發(fā)現(xiàn)在燒電焊時，局部低壓電網(wǎng)的電壓和電流變化很大，有較大的諧波影響。圖 3-2局部低壓電網(wǎng)的電壓和電流變化波形交流整流直流用電設(shè)備的諧波產(chǎn)生的原因是由于整流設(shè)備有一個閥電壓，在小于閥電壓時，電流為零(如圖3-2所示)。這類用電設(shè)備為了提供平穩(wěn)的直流電源，在整流設(shè)備中加入了儲能元件（濾波電容和濾波電感），從而使閥電壓提高，加激了諧波的產(chǎn)生量。為了控制直流用電設(shè)備的電壓

31、和電流，在整流設(shè)備中應(yīng)用了可控硅，這使得該類設(shè)備的諧波污染更嚴(yán)重，而且諧波的次數(shù)比較低。交流整流再逆變用電設(shè)備，在交流變直流過程中產(chǎn)生的諧波與上述的交流整流直流用電設(shè)備一樣，它在直流逆變成交流時又有逆變波形反射到交流電流，這類設(shè)備產(chǎn)生的諧波分量不僅有低次諧波，也有高次諧波(如圖3-3所示)。圖 3-3設(shè)備示意圖雖然這類設(shè)備單臺容量比上述兩類設(shè)備容量要小，但它的分布面廣，數(shù)量多，是目前推廣使用的技術(shù)手段，因此它的諧波污染應(yīng)引起足夠關(guān)注。開關(guān)電源設(shè)備目前應(yīng)用很廣，它的工作原理是先把交流整流成直流，通過開關(guān)管控制變壓器初級電流的開通和關(guān)閉，從而在變壓器二次側(cè)感應(yīng)出電流，供給用電設(shè)備。此外，開關(guān)電源的

32、頻率比較高一般在40kHz左右，不僅在整流時產(chǎn)生諧波，而且在開關(guān)管開閉時，反射40kHz左右的波至電源。這類用電設(shè)備同樣是單臺容量不大，但它是應(yīng)用面最廣、量最大的非線性用電設(shè)備，它還有一定量的三次諧波，造成配變的中心線電流居高不下，而且三次諧波還會通過配變污染到10kV電網(wǎng)。3.3 用于諧波分析的DFT和FFT算法對電力系統(tǒng)諧波的分析方法通常采用頻域分析法，即將畸變波形分解成傅立葉級數(shù)，從而在頻域中計算出包含在畸變波形中的高次諧波分量幅值和相角。本設(shè)計是在離散采樣的基礎(chǔ)上，采用快速傅立葉變換（FFT）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

33、諧波頻率與諧波畸變率THD。由于快速傅立葉算法（FFT）是離散傅立葉（DFT）的一種快速算法，因此，先介紹DFT然后介紹FFT。離散傅立葉變換（DFT）:設(shè)為N點的有限長序列，則其正變換DFT 為：逆變換IDFT為：其中，快速傅立葉變換（FFT）:在傅立葉變換的基礎(chǔ)上,利用指數(shù)函數(shù)的周期性、對稱性和正交性,提出一種將離散傅立葉變換的計算量顯著減少的計算技術(shù),這就是快速傅立葉變換(FFT) 。它的基本思想就是利用的周期性和對稱性，使長序列的DFT分解為更小點數(shù)的DFT，從而大大減少了運算工作量。一般來說，一個N點的離散傅立葉變換是一個N維的復(fù)線性運算，其計算量為 次復(fù)數(shù)乘法和N(N一l)次復(fù)數(shù)加

34、法，直接計算DFT，乘法次數(shù)和加法次數(shù)都是和 成正比的，當(dāng)N很大的時候，運算量是十分可觀的。(例如:當(dāng)N=8時，DFT需要64次復(fù)數(shù)乘法;而當(dāng)N=1 204時，DFT所需復(fù)數(shù)乘法為1，048，576次，即一百多萬次復(fù)乘運算)。對實時性很強(qiáng)的信號處理來說，對計算速度的要在是太高了，甚至根本無法實現(xiàn)。如果將N點的DFT分解為兩組 點的DFT，然后把他們加起來，其計算量減少到 次復(fù)數(shù)乘法和 次復(fù)數(shù)加法。因此，通過這樣的分解后，運算工作量差不多減少了一半，如此繼續(xù)分解下去，使得計算量最小，這就是實現(xiàn)快速傅立葉變換(FFT)的一種基本技術(shù)途徑按時間抽取(DIT)(Decimation-In-Time)，

35、另外一種技術(shù)途徑按頻域抽取充分利用旋轉(zhuǎn)因子的周期性，對稱性和正交性而有效地減少計算量。FFT的算法有20多種，在這里以時間抽取(DIT)基-2FFT算法為例來說明：這種算法是將輸入序列在時域上的次序按偶數(shù)和奇數(shù)來抽取，對于任意一個點長序列的DFT運算，可以采用M次分解，最后分解成2點的DFT運算的組合，從而降低了運算量。設(shè)x(n)的序列長度為(L為整數(shù))。這序列按n的奇偶分為兩組:（3-1）則可將DFT化為如下形式，其中X(k)是x(n)的離散傅立葉變換系數(shù)， （3-2）又由于有則上式可以表示成式子中的和分別是與的 點的DFT： （3-3）由該式可以看出，一個N點的DFT已經(jīng)分解成兩個 點的D

36、FT，它們按（3-2）式又組合成一個N點DFT。但是和以與和都是點的序列，即r, k滿足r，k=0， -1。而X(k)卻是N點的，而用（3-2）式計算得到的只是X(k)的前一半項數(shù)的結(jié)果，要用和 來表達(dá)全部的X(k)值，還必須應(yīng)用系數(shù)的周期性，即這樣可以得到： （3-4）同理可得： （3-5）式(4-4)和(4-5)說明了后半部分k值（ ）所對應(yīng)的和 分別等于前半部分k值所對應(yīng)的和 。再考慮到的對稱性： （3-6） 這樣，把(4-4)，(4-5)和(4-6)式代入到(4-2)式，就可以將x(k)的表達(dá)為前后兩部分前半部分后半部分 其中 （3-7）這樣，只要求出到(-1)區(qū)間的所有和值，即可求出

37、0到(N-1)區(qū)間的所有X(k)值，這就大大節(jié)省了運算。 既然如此，由于N=（L為整數(shù)），因而仍是偶數(shù)，可進(jìn)一步把每個點的子序列再按奇偶數(shù)部分分解為兩個點的子序列。 （3-8）又由于有 則上式可表示成 并且 其中也可進(jìn)行同樣的分解：其中 （3-9）根據(jù)上面同樣的分析知道，利用上式的DFT與兩級蝶形組合運算來計算N點的DFT，比只用一次分解蝶形組合方式的計算量又減少了大約一半。以此類推，對于N= (L為整數(shù))點的FFT，最多可以經(jīng)過 級運算，其每級(每列)計算都由若干個蝶形運算單元構(gòu)成，每一個蝶形結(jié)構(gòu)完成下述基本迭代運算:式中m表示第m級迭代，p，q為對偶結(jié)點的下標(biāo)。蝶形運算如圖3-4所示，由一

38、次復(fù)乘和兩次復(fù)加(減)組成。圖3-4 時間抽取法基本蝶形運算結(jié)構(gòu) 由圖3-4的流圖可以看出，某一列(級)的任何兩點p和q的節(jié)點變量進(jìn)行蝶形運算后，得到的結(jié)果為下一列p和q兩個節(jié)點的節(jié)點變量，而和其它節(jié)點變量無關(guān)。圖3-5 N=8點的按時間抽取法FFT的運算流圖由圖可見，8點的按時間抽取法FFT要經(jīng)過三級運算，每一級有4個蝶形運算單元，總共有12個蝶形運算單元。以此類推，對于N=（L為整數(shù)）點的FFT，要經(jīng)過級運算，每一級有N個蝶形單元，總共有N個運算單元，經(jīng)過N()次復(fù)數(shù)乘法和2N()次復(fù)數(shù)加法實現(xiàn)DFT運算。與直接計算的DFT要做的次復(fù)數(shù)乘法和N（N-1）次復(fù)數(shù)加法相比較，N越大，算法與直接

39、DFT算法差距越大。3.4諧波治理的基本方法目前諧波治理的基本方法有以下三種，在治理過程中又可以采用變電所集中治理和非線性用電設(shè)備處分散治理兩種方法。按誰污染誰治理的原則，應(yīng)該在非線性用電設(shè)備處分散治理。但對于電腦，彩電，節(jié)能燈等民用設(shè)備，則只能進(jìn)行集中治理。(1)減少非線性用電設(shè)備與電源間的電氣距離。也就是減少系統(tǒng)阻抗，換句話說就是提高供電電壓等級。(2)諧波的隔離。非線性用電設(shè)備產(chǎn)生的諧波，它不僅直接影響到本級電網(wǎng)，而且經(jīng)過變壓器后，還會影響到上幾級電網(wǎng)。如何把這些非線性用電設(shè)備產(chǎn)生的諧波不影響或少影響其他幾級電網(wǎng)，這也是諧波治理的一個基本方法。這一方法在電網(wǎng)中廣泛采用，發(fā)電機(jī)發(fā)出的電能經(jīng)

40、過Y/、Y0/、Y0/Y等接線組別的變壓器，把發(fā)電機(jī)產(chǎn)生的三次、九次等零序分量的諧波與上級電網(wǎng)隔離開來，因此在110kV以上高壓電網(wǎng)上，三、九次諧波分量很小，幾乎是零。而10kV由于大多數(shù)配變?yōu)閅/Y0接線，35kV也有少量Y/Y0接線的直配變，因此在10kV和35kV系統(tǒng)中三、九次諧波分量會比高壓電網(wǎng)大。為了減少低壓對10kV電網(wǎng)的影響，我局現(xiàn)在10kV配電系統(tǒng)中推廣使用了D，yn11接線組別的配電變壓器，有效的減少了三、九次諧波的影響。(3)安裝濾波器。目前對變電所側(cè)和用戶側(cè)諧波治理的方法，多采用安裝濾波器來減少諧波分量。濾波器分為有源濾波器和無源濾波器兩大類。有源濾波器的基本工作原理是把

41、電源側(cè)的電流波型與正弦波相比較，差額部分由有源濾波器進(jìn)行補(bǔ)償，這是諧波治理的發(fā)展方向。目前由于功率電子元件容量做不大、電壓做不高，而且成本很高，因此在現(xiàn)階段不可能大量推廣應(yīng)用。隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，功率電子元件的成本下降，這一技術(shù)一定會在諧波治理上占主導(dǎo)地位的。無源濾波器是通過L、C串聯(lián)或并聯(lián)，使其在某次諧波產(chǎn)生諧振，當(dāng)發(fā)生串聯(lián)諧振時，使濾波器兩端該次諧波的電壓很小，幾乎接近零，這類濾波器往往接在變壓器的二次側(cè)出口處，從而使變壓器的一次側(cè)該次諧波的分量也很小，達(dá)到對該次諧波治理的目的。串聯(lián)無源濾波器多用于對五、七、十一次諧波治理中，而且往往同時采用兩組以上濾波器，諧振在五、七次，同時起補(bǔ)償電容器

42、組的作用。目前，在電力行業(yè)中，它多用于35kV和110kV變電所的10kV母線上，兩組濾波器中的電容器容量大于變電所無功補(bǔ)償容量，串聯(lián)電感后，諧振在五、七次諧波頻率中，使無源濾波器一物二用，具體計算公式如下：圖3-6無源濾波器接線圖當(dāng)無源濾波器中，L、C串聯(lián)諧振在n次諧波頻率時，電容器和電感在工頻時的參數(shù)：Xcn2XL得，當(dāng)n5時，Xc52XL25XLUc1.04U，Qc1.04QLC當(dāng)n7時，Xc72XL49XL，Uc1.02U，Qc1.02QLC一般在電容器無串聯(lián)電感時，電網(wǎng)額定電壓為10kV，變壓所母線電壓在10.5kV以上，電容器額定電壓多選用11kV/。因此，用整治五次諧波的濾波器電

43、容額定電壓就常選取11.5kV/或12kV/，用來整治七次諧波的濾波器電容額定電壓就常選取11kV/。圖3-7主線圖但是由于計算精度和電容器、電感器的制造精度等原因，若按計算結(jié)果數(shù)據(jù)來配備，在標(biāo)準(zhǔn)化審查時就通不過，為了保證串聯(lián)濾波器能在五、七次諧波頻率時諧振，我們要求電感有一定的調(diào)節(jié)圍，從而確保濾波器能正常工作。具體調(diào)試方法如下圖，調(diào)節(jié)電感,在諧波分析儀中該次諧波值最小時，則認(rèn)為濾波器已調(diào)試成功。在電力系統(tǒng)中，供電電壓波型是中心對稱的，因此基本上不含有偶次諧波，主要存在奇次諧波，而三、九次諧波可以通過Y0/、Y0/Y、Y/接線組別進(jìn)行隔離。而11、13次以上諧波由于其頻率比較高，而且輸電線路有

44、一定電感量，對地又有一定電容量，相間與線間也有一定電容量。因此，高次諧波在線路傳輸過程中衰減比較快，同時高次諧波在電網(wǎng)中所占的比重也不大，故在電力行業(yè)中不作為主要整治對象。在10kV配電系統(tǒng)中，配變多采用Y/Y0接線，Y0（400V）側(cè)由于有非線性用電設(shè)備，會產(chǎn)生三、五、七次諧波，五、七次諧波可以用串聯(lián)LC濾波器進(jìn)行治理，而對三次諧波往往采用并聯(lián)諧振使三次諧波在主變一次側(cè)和二次側(cè)之間進(jìn)線隔離，其原理如下：當(dāng)L、C并聯(lián)諧振在三次諧波頻率時，三次諧波電流不過主變二次側(cè)線圈，從而使主變一次側(cè)感應(yīng)不出三次諧波的電壓分量，同時使中性線三次諧波電流大大下降。綜上所述，對于電力行業(yè)的諧波治理方法有以下四種基

45、本方法：(1)采用Y0/、Y0/Y、Y/接線組別的變壓器，隔離三、九次諧波；(2)采用L、C串聯(lián)無源濾波器，對五、七次諧波進(jìn)行治理；(3)采用L、C并聯(lián)無源濾波器，對三次諧波電流進(jìn)行阻塞；(4)加強(qiáng)電網(wǎng)建設(shè)，擴(kuò)大電網(wǎng)容量，增加旋轉(zhuǎn)備用容量。圖3-8三次諧波原理圖4 LABVIEW虛擬儀器技術(shù)4.1概述LabVIEW語言是虛擬儀器集成環(huán)境（Laboratory Virtual Instrument Engineering Workbench）的簡稱，是美國國家公司（NATIONAL INSTRUMENT，簡稱NI）的創(chuàng)新軟件產(chǎn)品， 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

46、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,主要應(yīng)用于儀器控制、數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)分析、數(shù)據(jù)顯示等領(lǐng)域,并適用于多種不同的操作系統(tǒng)平臺。與傳統(tǒng)程序語言不同，LabVIEW 采用強(qiáng)大的圖形化語言( G語言) 編程,面向測試工程師而非專業(yè)程序員，編程非常方便，人機(jī)交互界面直觀友好,具有強(qiáng)大的數(shù)據(jù)可視化分析和儀器控制能力等特點。使用LabVIEW 開發(fā)環(huán)境，用戶可以創(chuàng)建32 位的編譯程序，從而為常規(guī)的數(shù)據(jù)采集、測試、測量等任務(wù)提供了更快的運行速度。LabVIEW 是真正的編譯器，用戶可以創(chuàng)建獨立的可執(zhí)行文件，能夠脫離開發(fā)環(huán)境而單獨運行。虛擬儀器是由用戶利用一些基本硬件與軟件編程技術(shù)組成的各種各樣的儀器系統(tǒng)

47、。它最本質(zhì)的特點就是：軟件是虛擬儀器的核心。即虛擬儀器的硬件確立后，它的功能如應(yīng)用于諧波的分析方法等主要是通過軟件來實現(xiàn)的，軟件在虛擬儀器中具有重要的地位。所謂虛擬儀器技術(shù)，就是用戶在通用計算機(jī)平臺上，根據(jù)測試任務(wù)的需要來定義和設(shè)計儀器的測試功能，其實質(zhì)是充分利用計算機(jī)來實現(xiàn)和擴(kuò)展傳統(tǒng)儀器功能。虛擬儀器技術(shù)綜合運用了計算機(jī)技術(shù)，數(shù)字信號處理，標(biāo)準(zhǔn)總線技術(shù)和軟件工程方法，代表了測量儀器與自動測試系統(tǒng)未來的發(fā)展方向。美國國家公司（NI）就曾經(jīng)提出一個重要的口號：軟件就是儀器。軟件在虛擬儀器中的地位如此重要，它肩負(fù)著對數(shù)據(jù)進(jìn)行分析處理的重任，因此，虛擬儀器系統(tǒng)能否成功地運行，就取決于虛擬儀器的軟件。

48、虛擬儀器的軟件可以分為幾個層次，其中包括儀器驅(qū)動程序，應(yīng)用程序和軟面板程序。(1)儀器驅(qū)動程序主要用來初始化虛擬儀器，設(shè)置特定的參數(shù)和工作方式，是虛擬儀器保持正常的工作狀態(tài)。(2)應(yīng)用程序主要用來對計算機(jī)的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析和處理擁護(hù)就是通過編制應(yīng)用程序來定義虛擬儀器的功能。(3)軟面板程序用來提供虛擬儀器與用戶的借口，它可以在計算機(jī)屏幕上生成一個與傳統(tǒng)儀器面板相似的圖形界面，用于顯示測量的結(jié)果等，同時，用戶還可以通過軟面板上的開關(guān)和按鈕，模擬傳統(tǒng)儀器的各種操作，通過鍵盤或鼠標(biāo)實現(xiàn)對虛擬儀器的操作。軟件是虛擬儀器系統(tǒng)的關(guān)鍵，沒有軟件，也就無從談起虛擬儀器了。目前應(yīng)用廣泛的測控軟件均要求具有層次化結(jié)構(gòu)

49、，一般分為驅(qū)動層軟件和應(yīng)用層軟件。驅(qū)動層軟件大致有兩種，一種是模塊生產(chǎn)廠家提供的現(xiàn)成的硬件驅(qū)動程序，通過它用戶可以方便的調(diào)用硬件，而不用對低層的存、中斷等進(jìn)行操作，用戶只需要調(diào)用函數(shù)就可以控制硬件。同時，硬件廠家有時提供面向高級可視化編程語言的API（應(yīng)用程序接口）函數(shù)，為在應(yīng)用程序中實現(xiàn)各種功能創(chuàng)造了良好的環(huán)境。另外一種驅(qū)動軟件是用戶自制的面向低層的驅(qū)動軟件，它往往是用戶在自制的硬件模塊基礎(chǔ)之上編寫的程序，因此這種程序通常不具備通用性。在開發(fā)應(yīng)用程序時，編程人員要詳細(xì)的了解程序接口信息，不過，同時因為用戶只會對想用的功能模塊創(chuàng)建接口，這種自制的程序還具備高效的特點。應(yīng)用軟件是用戶實現(xiàn)對數(shù)據(jù)采

50、集各項容的主要手段。通過應(yīng)用軟件，用戶不但可以對系統(tǒng)各個硬件進(jìn)行管理，同時還可以進(jìn)行數(shù)據(jù)的分析與管理。目前比較普遍使用的開發(fā)平臺有：Visual C+ , Visual Basic ,Delphi , Power Builder 等等，它們都可以作為應(yīng)用軟件的開發(fā)環(huán)境，而 HPVEE , DT VEE , LabVIEW , BridgeVIEW 等則是更高級的、可視的軟件開發(fā)平臺，特別適用于數(shù)據(jù)采集和控制方面的應(yīng)用。根據(jù)有關(guān)報道證明，采用 LabVIEW 語言開發(fā)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)要比用 C 語言開發(fā)提高生產(chǎn)效率 12 倍。通常在編制虛擬儀器的軟件時可采用兩種編程方法：一種是傳統(tǒng)的編程方法，如VC

51、+，VB等編寫虛擬儀器的軟件；另一種是采用現(xiàn)在流行的圖形化編程方法，如采用NI公司LabVIEW（Laboratory Virtual Instrument Engineering Workbench，實驗室虛擬儀器工作平臺）或HP公司的VEE等編程。采用圖形化編程的優(yōu)勢是軟件開發(fā)周期短，變成容易，特別適合不具有專業(yè)變成水平的工程技術(shù)人員使用。本設(shè)計就是選擇LABVIEW編程方法實現(xiàn)的虛擬儀器。LabVIEW是一個高效的圖形化程序設(shè)計環(huán)境, 是虛擬儀器開發(fā)平臺。它結(jié)合簡單易用的圖形開發(fā)環(huán)境與靈活強(qiáng)大的G 編程語言, 并利用其容易與C/C + + 和匯編語言接口的特點, 可迅速開發(fā)出有關(guān)數(shù)據(jù)采集

52、分析與顯示的方案。通過對稱之為虛擬儀器的軟件對象進(jìn)行圖形化組合操作, 利用LabVIEW置的TCP/IP 協(xié)議組和圖形化的通訊模型, 就可以利用多種設(shè)備, 包括GPIB、VXI、PXI、串口、PLC 以與插入式數(shù)據(jù)采集板等進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，經(jīng)濟(jì)方便地實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)通訊和程序通訊以與現(xiàn)場測控和遠(yuǎn)程測控。4.2 LabVIEW的特點 1.使用圖形編程方法來生成 VI 在LabVIEW中，一個VI 即是一個應(yīng)用程序，其表現(xiàn)形式就是一個由代表各種控制、顯示等功能或?qū)ο蟮膱D標(biāo)或圖形模塊與其間的連接線組成的圖。你可以迅速地創(chuàng)建前面板用戶界面，來為你的軟件系統(tǒng)提供交互式控制、你可以非常直觀地將所有方框匯集到一起。具體

53、編程步驟如下： （1）創(chuàng)建前面板：前面板就是LabVIEW 中應(yīng)用程序的人機(jī)界面。 在VI的前面板中，你可以用鼠標(biāo)選擇 controls 菜單中的對象，來為你的系統(tǒng)設(shè)置控制和數(shù)據(jù)顯示、量程表圖、餅圖、條狀圖、圖像等。當(dāng) VI 完成后，你可以全用前面板來控制系統(tǒng)，當(dāng)VI運行時，通過選擇開關(guān)，移動滾動條、放大和縮小圖像，或從鍵盤輸入數(shù)值。 （2）構(gòu)造圖形化的方框編寫 VI 構(gòu)造方框圖，不必考慮編程中的許多語法細(xì)節(jié)。從LabVIEW 的 Function 菜單中選擇對象（圖標(biāo)）、塊和下一塊間用線來連接，來傳遞數(shù)據(jù)。這些塊包括普通數(shù)學(xué)函數(shù)到高級的采集分析子程序，以與網(wǎng)絡(luò)和文件 I/O操作。(3)數(shù)據(jù)流

54、編程 LabVIEW使用獲得的數(shù)據(jù)流編程方法，從而使你從基于語言的徒工結(jié)構(gòu)編程中解脫出來。因為LabVIEW中的執(zhí)行，是由塊間的數(shù)據(jù)的流向決定的，而不是由的序列行決定的，你可以生成具有同步操作的圖（diagram）。(4)模塊化和層次化LabVIEW的 VI 設(shè)計成為模塊化，所以任何VI可以自己運行或作為其他 VI 的一部分，你甚至可以為你自己的 VI 創(chuàng)建圖標(biāo)，作為你自己的VI和 sub VI 的層次圖（hierarchy）。2.用于過程控制和工業(yè)自動化系統(tǒng)用監(jiān)控和數(shù)據(jù)采集的通用工具LabVIEW為用戶提供了用戶界面、I/O、數(shù)據(jù)分析駐到指定應(yīng)用程序的連接例如簡單的數(shù)據(jù)logging、監(jiān)控和

55、數(shù)據(jù)采集與對PID的直接控制。3.使用嵌庫來完善應(yīng)用程序(1)儀器控制LabVIEW 中的 GPIB,VXI和串口VI庫使用NI工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)設(shè)備驅(qū)動程序軟件來對儀器系統(tǒng)進(jìn)行全面的控制。你可以對連接到 NI 的 IEEE488.2 接口板的任何GIB 一起進(jìn)行控制。你可以使用 LabVIEW 的 VXI 開發(fā)系統(tǒng)來容易的為你的儀器編程，這種開發(fā)系統(tǒng)包括VISA(Virtual Instrument Software Architecture).(2)數(shù)據(jù)采集和分析DAQ 的 VI庫包含所有NI插入式和過程 DAQ 產(chǎn)品的采集和輸出數(shù)據(jù)的函數(shù)。插入式對高速和直接控制的應(yīng)用是非常理想的。因為價格低，它大

56、大降低了每通道的費用。LabVIEW 的分析庫功能強(qiáng)大、應(yīng)用圍廣，可以和那些專用的分析軟件包相媲美。 綜上所述，LabVIEW是一個高效的圖形化程序設(shè)計環(huán)境，它結(jié)合了簡單易用的圖形式開發(fā)環(huán)境與靈活強(qiáng)大的G編程語言。提供了一個直覺式的環(huán)境，與測量緊密結(jié)合，能讓工程師與科學(xué)家們迅速開發(fā)出有關(guān)數(shù)據(jù)采集、分析與顯示的解決方案?，F(xiàn)今數(shù)以百計的工程師，科學(xué)家以與技術(shù)人員在使用LabVIEW來構(gòu)建測量與自動化系統(tǒng).4.3 LabVIEW各部分功能LabVIEW提供了一些信號處理節(jié)點，這些節(jié)點位于功能模板Signal Processing子模板中。信號處理節(jié)點包括信號的產(chǎn)生，時域處理，頻域處理，信號測量，數(shù)字

57、濾波和窗函數(shù)等節(jié)點。用 LabVIEW 編寫的程序稱為虛擬儀器 VI（Virtual Instruments），因為它的界面和功能與真實儀器十分相像。一個 VI 由交互式用戶接口、數(shù)據(jù)流框圖和圖標(biāo)連接端口組成，各部分功能如下：（1）VI 的交互式用戶接口因為與真實物理儀器面板相似，又稱作前面板。前面板可以包含旋鈕、刻度盤、開關(guān)、圖表和其他界面工具，允許用戶通過鍵盤或鼠標(biāo)獲取數(shù)據(jù)并顯示結(jié)果。（2）VI 從數(shù)據(jù)流框圖接收指令?？驁D是一種解決編程問題的圖形化方法，實際上是 VI 的程序代碼。編制 VI 程序時，只要在功能模塊中選擇相應(yīng)的圖標(biāo)，并用線將它們連接起來，以實現(xiàn)相互之間的數(shù)據(jù)傳輸，即可構(gòu)建出完整的流程圖。（3）VI 模塊化特性。一個 VI 既可以作為上層獨立程序，