電氣化鐵路牽引供電系統(tǒng)諧波測(cè)試儀設(shè)計(jì)畢業(yè)設(shè)計(jì)

1、石家莊鐵道大學(xué)四方學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)電氣化鐵路牽引供電系統(tǒng)諧波測(cè)試儀設(shè)計(jì) the design of electrified railway traction power supply system harmonic tester畢業(yè)設(shè)計(jì)成績(jī)單學(xué)生姓名學(xué)號(hào)班級(jí)專業(yè)自動(dòng)化畢業(yè)設(shè)計(jì)題目電氣化鐵路牽引供電系統(tǒng)諧波測(cè)試儀設(shè)計(jì)指導(dǎo)教師姓名指導(dǎo)教師職稱講師評(píng) 定 成 績(jī)指導(dǎo)教師得分評(píng)閱人得分答辯小組組長(zhǎng)得分成績(jī)：院長(zhǎng)(主任) 簽字：年 月 日畢業(yè)設(shè)計(jì)任務(wù)書題目電氣化鐵路牽引供電系統(tǒng)諧波測(cè)試儀設(shè)計(jì)學(xué)生姓名李向川學(xué)號(hào)20087199班級(jí)方0853-5專業(yè)自動(dòng)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、

2、設(shè)計(jì)內(nèi)容 電氣化鐵路牽引供電系統(tǒng)采用110kv獨(dú)立雙電源供電，電力機(jī)車在運(yùn)行中會(huì)產(chǎn)生大量電力諧波，對(duì)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(diǎn)分析小波分析算法和頻譜分析算法，實(shí)現(xiàn)對(duì)電鐵諧波實(shí)時(shí)檢測(cè)，最終在虛擬儀器的平臺(tái)上顯示諧波檢測(cè)結(jié)果，完成電鐵諧波測(cè)試儀的設(shè)計(jì)。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(guó)內(nèi)外對(duì)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(cè)和分析的方法,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(cè)5用虛擬儀器完成諧波分析顯示6設(shè)計(jì)計(jì)算說明書一份，要求條目清楚、計(jì)

3、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(bào)告一份三、設(shè)計(jì)的主要技術(shù)指標(biāo)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(guó)內(nèi)外對(duì)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(cè)和分析的方法,得出最佳解決方案4. 對(duì)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(jì)，信號(hào)調(diào)理電路，保護(hù)電路，數(shù)據(jù)采集卡的選擇，確定各元件參數(shù)及型號(hào)6用小波分析算法和頻譜分析算法完成諧波檢測(cè)7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(jì)；數(shù)據(jù)采集模塊設(shè)計(jì)；有效值測(cè)量設(shè)計(jì)；功率測(cè)量設(shè)計(jì)；諧波測(cè)試模塊（頻譜分析圖及數(shù)據(jù)，諧波總畸變率等）；

4、數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)模塊四、應(yīng)收集的資料及參考文獻(xiàn)1任震.小波分析及其在電力系統(tǒng)中的應(yīng)用. 北京：中國(guó)電力出版社，2003：1-30 105-1092 冉啟文、譚麗英.小波分析與分?jǐn)?shù)傅立葉變換及應(yīng)用.北京：國(guó)防工業(yè)出版社，2003： 1-133. 姜建國(guó)、樸曉光、趙長(zhǎng)和、黃真、趙冬梅.電力系統(tǒng)的諧波檢測(cè)與分析方法. 大慶石油學(xué)院學(xué)報(bào)，2002年3月，第26卷第1期2002年3月4畢會(huì)靜，電力系統(tǒng)諧波測(cè)量方法電氣時(shí)代，2005，10：63665羅輝. 廣元 電力系統(tǒng)諧波檢測(cè)方案研究. 重慶大學(xué)工程碩士學(xué)位論文.2002年3月6. 吳競(jìng)昌主編. 供電系統(tǒng)諧波中國(guó)電力出版社五、進(jìn)度計(jì)劃 1-3周 課題調(diào)研、收

5、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(jì)方案，作開題報(bào)告5周 對(duì)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(jì)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(jì)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(jì)論文，提交論文給指導(dǎo)老師16周 答辯教研組主任簽字時(shí)間 年 月 日畢業(yè)設(shè)計(jì)開題報(bào)告題目電氣化鐵路牽引供電系統(tǒng)諧波測(cè)試儀設(shè)計(jì)學(xué)生姓名李向川學(xué)號(hào)20087199班級(jí)方0853-5專業(yè)自動(dòng)化1、 研究背景隨著電力電子技術(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

6、同時(shí)電力電子裝置帶來諧波問題對(duì)電力系統(tǒng)安全、穩(wěn)定、經(jīng)濟(jì)運(yùn)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(yán)重惡化，給周圍電氣環(huán)境帶來極大影響，對(duì)電力設(shè)備危害尤其嚴(yán)重。因此，對(duì)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(cè)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(jì)算、諧波檢測(cè)、有諧波時(shí)各種電流量的測(cè)量方法及手段、諧波補(bǔ)償和抑制、諧波限制標(biāo)準(zhǔn)等問題圖。諧波檢測(cè)是諧波問題的一個(gè)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(diǎn)。諧波檢測(cè)的主要作用有:鑒定實(shí)際電力系統(tǒng)及諧

7、波源的諧波水平是否符合標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定，包括對(duì)所有諧波源設(shè)備投運(yùn)時(shí)的檢測(cè)。電氣設(shè)備調(diào)試、投運(yùn)時(shí)諧波檢測(cè)，以確保設(shè)備投運(yùn)后電力系統(tǒng)和設(shè)備的安全及經(jīng)濟(jì)運(yùn)行。諧波故障或異常原因的測(cè)量。諧波 專題測(cè)試，如諧波阻抗、諧波潮流、諧波諧振和放大等。2、 國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀 諧波檢測(cè)是諧波問題中的一個(gè)重要分支，準(zhǔn)確、實(shí)時(shí)檢測(cè)出電網(wǎng)中瞬態(tài)變化的畸變電流、電壓，對(duì)抑制諧波有著重要的指導(dǎo)作用，是進(jìn)行繼電保護(hù)、判斷故障點(diǎn)和故障類型等工作的重要前提。目前，電力系統(tǒng)諧波檢測(cè)主要是通過諧波電流的測(cè)量來實(shí)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(cè) (2)基于瞬時(shí)無(wú)功功率的諧波檢 (3)基于傅立葉變傅立葉變換的方法 (

8、4)自適應(yīng)諧波電流檢測(cè)法 (5)基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的諧波檢測(cè) (6)基于小波變換的諧波檢測(cè) 綜上所述，帶通濾波是早期模擬式諧波檢測(cè)裝置的基本原理；瞬時(shí)無(wú)功功率理論可用于諧波的瞬時(shí)檢測(cè)和無(wú)功補(bǔ)償?shù)戎C波治理領(lǐng)域；傅立葉變換是目前諧波檢測(cè)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(cè)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(cè)量的實(shí)時(shí)性和精度。 根據(jù)不同情況合理選擇諧波檢測(cè)方法，為諧波分析提供詳細(xì)、準(zhǔn)確、實(shí)時(shí)的數(shù)據(jù)和信號(hào)，是提高檢測(cè)效果、改善電能質(zhì)量的重要一步。國(guó)內(nèi)外對(duì)這方面的研究都比較重視，在線諧波檢測(cè)的理論和應(yīng)用正在不斷發(fā)展。隨著各種先進(jìn)技術(shù)和理論的應(yīng)用，特別是

9、計(jì)算機(jī)在諧波檢測(cè)中的具體使用，諧波檢測(cè)的實(shí)時(shí)性和精度要求一旦解決，相信電網(wǎng)諧波檢測(cè)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(duì)電氣化鐵路牽引供電系統(tǒng)中諧波污染治理的方法. 2.對(duì)多種電氣化鐵路牽引供電系統(tǒng)諧波測(cè)試方法進(jìn)行分析和比較總結(jié)各個(gè)方法的特點(diǎn)3.綜合電氣化鐵路牽引供電系統(tǒng)諧波測(cè)試的實(shí)際問題和各種測(cè)量方法的優(yōu)缺點(diǎn)確定測(cè)試儀的基本測(cè)量方法及設(shè)計(jì)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(cè)，虛擬儀器完成諧波分析顯示。5.對(duì)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(cè)并且用虛擬儀器

10、完成諧波分析的軟件部分，包括登錄界面設(shè)計(jì)；數(shù)據(jù)采集模塊設(shè)計(jì)；有效值測(cè)量設(shè)計(jì)；功率測(cè)量設(shè)計(jì)；諧波測(cè)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(chǔ)模塊。 指導(dǎo)教師簽字時(shí)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(shí)電力電子裝置帶來諧波問題對(duì)電力系統(tǒng)安全、穩(wěn)定、經(jīng)濟(jì)運(yùn)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(yán)重惡化，給周圍電氣環(huán)境帶來極大影響，對(duì)電力設(shè)備危害尤其嚴(yán)重。因此，對(duì)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，

11、簡(jiǎn)稱vi)是計(jì)算機(jī)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(shí)質(zhì)是以通用計(jì)算機(jī)為硬件平臺(tái)，由用戶設(shè)計(jì)定義其測(cè)試功能，由軟件實(shí)現(xiàn)其測(cè)試功能的一種計(jì)算機(jī)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(wú)法比擬的優(yōu)勢(shì)。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(cè)試儀的設(shè)計(jì)。論文首先論述了國(guó)內(nèi)外諧波研究的現(xiàn)狀以及諧波檢測(cè)技術(shù)的發(fā)展，說明研制諧波檢測(cè)裝置的必要性，其次對(duì)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(jiǎn)要介紹。為更好的應(yīng)用虛擬儀器技術(shù)完成諧波測(cè)試儀的開發(fā)。最終使用通用計(jì)算機(jī)、開發(fā)軟件labview，成功的研究開發(fā)出虛擬諧波測(cè)試儀。關(guān)鍵詞：虛擬儀

12、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 convenience to the people.but at the same time power el

13、ectronic 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 deterioration in power quality, a tremendous impact to

14、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 andelectronic equipment is a combination of new equipment. its

15、 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 incomparable advantages of traditional instruments. it

16、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 technique of harmonic studies at home and abroad, the need for

17、 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 virtual instrument technology to complete the harmonic deve

18、lopment 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課題研究的目的意義11.3國(guó)內(nèi)外研究狀況21.4研究?jī)?nèi)容及方法2第2章 諧波測(cè)試儀總體方案設(shè)計(jì)4第3章 虛擬儀器概述和諧

19、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(yǔ)言labview簡(jiǎn)介53.2.1 labview程序設(shè)計(jì)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(jiǎn)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(cè)試儀的硬件設(shè)計(jì)144.1傳感器144.2 信號(hào)調(diào)理器154.3信號(hào)采集卡16第5章 諧波測(cè)試儀的軟件設(shè)計(jì)175.1系統(tǒng)軟件框圖設(shè)計(jì)175.2基于labview的虛擬諧波分析儀的設(shè)計(jì)185.3登陸界面的設(shè)計(jì)215.4諧波信號(hào)的產(chǎn)生225.5諧波分析程

20、序235.6 各次諧波的時(shí)域分析245.7 頻譜分析265.8功率譜分析和有效值測(cè)量275.9數(shù)據(jù)存儲(chǔ)模塊285.10主要功能及技術(shù)指標(biāo)295.10.1 主要功能295.10.2 技術(shù)指標(biāo)29第6章 結(jié)論與展望306.1結(jié)論306.2展望30參考文獻(xiàn)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，諧波造成的危害也日趨嚴(yán)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(yán)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

21、用電網(wǎng)的諧波污染日益嚴(yán)重，諧波危害的嚴(yán)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(duì)諧波的檢測(cè)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(jìn)程的不斷加快，對(duì)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(hù)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(duì)電網(wǎng)環(huán)境最嚴(yán)重的一種污染。諧波對(duì)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(dòng)機(jī)引起附加損耗、發(fā)熱增加，過載能力、使用壽命和效率降低，產(chǎn)生脈動(dòng)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

22、中性線會(huì)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(huì)使用戶端的電壓波形產(chǎn)生嚴(yán)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(bǔ)償電網(wǎng)無(wú)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(yán)重事故。據(jù)統(tǒng)計(jì)，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(hù)和自動(dòng)裝置誤動(dòng)作，并使電氣測(cè)量?jī)x表計(jì)量不準(zhǔn)，影響計(jì)量精度。 （5）諧波一般通過電容耦合、電磁感應(yīng)及電氣傳導(dǎo)三種對(duì)臨近的通信系統(tǒng)產(chǎn)生干擾，載頻低的信號(hào)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

23、失，使通信系統(tǒng)無(wú)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(duì)于減輕直至消除這些危害，對(duì)于供電和用電設(shè)備的節(jié)能，乃至于對(duì)整個(gè)社會(huì)能源利用率的提高，都具有極其重要的意義。1.3 國(guó)內(nèi)外研究狀況諧波檢測(cè)是諧波問題中的一個(gè)重要分支，準(zhǔn)確、實(shí)時(shí)檢測(cè)出電網(wǎng)中瞬態(tài)變化的畸變電流、電壓，對(duì)抑制諧波有著重要的指導(dǎo)作用，是進(jìn)行繼電保護(hù)、判斷故障點(diǎn)和故障類型等工作的重要前提。目前，電力系統(tǒng)諧波檢測(cè)主要是通過諧波電流的測(cè)量來實(shí)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(cè)(2)基于瞬時(shí)無(wú)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(cè)法(5)基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的諧波

24、檢測(cè)(6)基于小波變換的諧波檢測(cè)綜上所述，帶通濾波是早期模擬式諧波檢測(cè)裝置的基本原理；瞬時(shí)無(wú)功功率理論可用于諧波的瞬時(shí)檢測(cè)和無(wú)功補(bǔ)償?shù)戎C波治理領(lǐng)域；傅立葉變換是目前諧波檢測(cè)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(cè)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(cè)量的實(shí)時(shí)性和精度。根據(jù)不同情況合理選擇諧波檢測(cè)方法，為諧波分析提供詳細(xì)、準(zhǔn)確、實(shí)時(shí)的數(shù)據(jù)和信號(hào)，是提高檢測(cè)效果、改善電能質(zhì)量的重要一步。國(guó)內(nèi)外對(duì)這方面的研究都比較重視，在線諧波檢測(cè)的理論和應(yīng)用正在不斷發(fā)展。隨著各種先進(jìn)技術(shù)和理論的應(yīng)用，特別是計(jì)算機(jī)在諧波檢測(cè)中的具體使用，諧波檢測(cè)的實(shí)時(shí)性和精度要求

25、一旦解決，相信電網(wǎng)諧波檢測(cè)技術(shù)將逐漸得到發(fā)展和完善。1.4 研究?jī)?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(jì)算、諧波檢測(cè)、有諧波時(shí)各種電流量的測(cè)量方法及手段、諧波補(bǔ)償和抑制、諧波限制標(biāo)準(zhǔn)等問題圖。諧波檢測(cè)是諧波問題的一個(gè)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(diǎn)。由于電力系統(tǒng)諧波具有很強(qiáng)的隨機(jī)性，工程上大多是以實(shí)際測(cè)量結(jié)果作為處理問題的依據(jù)。目前，諧波測(cè)量按實(shí)現(xiàn)方法區(qū)分為頻域測(cè)量法和時(shí)域測(cè)量法兩大類。 （1）頻域測(cè)量法此方法的基本原理是使用模擬濾波器將輸入信號(hào)的各次諧波分量分離出來，濾波器的輸出實(shí)際上是輸入信號(hào)和濾波器脈沖響應(yīng)的卷積，在頻域

26、中它相當(dāng)于兩個(gè)頻率響應(yīng)的乘積，因此從濾波器得到的信號(hào)為頻譜。（2）時(shí)域測(cè)量法此方法基本原理是對(duì)信號(hào)進(jìn)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(jì)算各次諧波的幅值及相位等參數(shù)。按照信號(hào)分析原理劃分，諧波測(cè)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(hào)分析方法，已十分成熟，fft是離散傅立葉變換（dft）的一種快速算法，在信號(hào)處理領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用。近年來國(guó)內(nèi)外生產(chǎn)的各種諧波分析裝置大都采用fft方法進(jìn)行。運(yùn)用fft方法必須滿足兩個(gè)條件：（1）滿足采樣定理，即采樣頻率必須大于信號(hào)最高頻率的兩倍。（2）被分析的

27、波形必須是穩(wěn)態(tài)的、隨時(shí)間周期性變化。小波變換在時(shí)域和頻域同時(shí)具有良好的局部性，特別適合于突變信號(hào)和不平穩(wěn)信號(hào)的分析。由于電力系統(tǒng)中的負(fù)載大多是動(dòng)態(tài)的，特別是大型的工業(yè)負(fù)載如軋鋼機(jī)、電弧爐的啟停使得電網(wǎng)電壓和電流的波形是時(shí)變的。前人常用kalman濾波的方法檢測(cè)時(shí)變的諧波，但該方法一般適用于跟蹤變化緩慢的信號(hào)。而小波變換諧波檢測(cè)方法的突出優(yōu)點(diǎn)是可以實(shí)時(shí)的跟蹤諧波的變化，具有實(shí)時(shí)性。小波變換本身對(duì)信號(hào)的奇異點(diǎn)非常敏感，這個(gè)特點(diǎn)可以跟蹤那些突變的信號(hào)。但小波變換方法在電能質(zhì)量研究領(lǐng)域的應(yīng)用還處于起步階段，現(xiàn)有的小波變換均無(wú)法實(shí)現(xiàn)諧波的精確測(cè)量，必須構(gòu)造分頻嚴(yán)格、能量集中的小波函數(shù)來改善檢測(cè)的精度。

28、本文研究的諧波測(cè)試各項(xiàng)指標(biāo)參數(shù)的計(jì)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(hào)經(jīng)過數(shù)據(jù)采集卡(daq)采樣得到的數(shù)字信號(hào)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(jì)算出諧波畸變率。另外，如果考慮時(shí)間因素，還可計(jì)算出各次諧波的有功功率、無(wú)功功率。這樣就實(shí)現(xiàn)了對(duì)諧波的各項(xiàng)指標(biāo)參數(shù)的測(cè)量分析。 通過對(duì)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(dòng)化程度低，數(shù)據(jù)不集中，有的無(wú)法存入計(jì)算機(jī)，難以進(jìn)行相關(guān)分析，且大量的信號(hào)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(duì)以上問題，本文選擇

29、以labview開發(fā)平臺(tái)來設(shè)計(jì)一個(gè)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(duì)諧波進(jìn)行相關(guān)分析，使其能夠?qū)χC波信號(hào)進(jìn)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(cè)試儀總體方案設(shè)計(jì)本諧波測(cè)試儀的主體設(shè)計(jì)是基于美國(guó)國(guó)家儀器公司(national instruments corporation，簡(jiǎn)稱ni)生產(chǎn)的labview虛擬儀器軟件。基于虛擬儀器的諧波測(cè)試儀同樣必須具備傳統(tǒng)監(jiān)測(cè)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(jì)算機(jī)軟件實(shí)現(xiàn)，這

30、部分功能不受硬件限制，可以根據(jù)用戶的需求可以隨時(shí)增加修改模塊，這一優(yōu)勢(shì)是傳統(tǒng)儀器所無(wú)法比擬的。對(duì)于本論文所研究的諧波測(cè)試儀，軟件部分是核心，只要硬件部分將監(jiān)測(cè)點(diǎn)的電壓和電流信號(hào)經(jīng)信號(hào)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(hào)，其余的任務(wù)如濾波、加窗、數(shù)據(jù)處理和統(tǒng)計(jì)分析、數(shù)據(jù)遠(yuǎn)傳以及顯示打印等完全交給軟件來處理。總體來說，基于虛擬儀器思想所建立的諧波測(cè)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(jì)方案框圖如圖2-1所示。電壓互感器電流互感器labview平臺(tái)信號(hào)調(diào)理數(shù)據(jù)采集模塊數(shù)據(jù)存儲(chǔ)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(jì)框圖第3章 虛擬儀器概述和諧波分析理論方法3.1 虛擬

31、儀器概念虛擬儀器概念最先由美國(guó)國(guó)家儀器公司(national instruments corporation，簡(jiǎn)稱ni)在20世紀(jì)80年代年提出。所謂虛擬儀器，就是以計(jì)算機(jī)為硬件平臺(tái)，由用戶定義設(shè)計(jì)其功能，由測(cè)試軟件來實(shí)現(xiàn)其測(cè)試功能，用計(jì)算機(jī)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(jì)算機(jī)系統(tǒng)。使用者用鼠標(biāo)或鍵盤操作虛擬面板，就如同使用一臺(tái)專用測(cè)量?jī)x器一樣。因此虛擬儀器的出現(xiàn)，使測(cè)量?jī)x器與計(jì)算機(jī)的界限模糊了。虛擬儀器實(shí)質(zhì)是把計(jì)算機(jī)資源和儀器硬件的測(cè)控能力相結(jié)合來實(shí)現(xiàn)儀器的功能運(yùn)作。在其主導(dǎo)產(chǎn)品labview中將圖形化語(yǔ)言加以實(shí)現(xiàn)，較完善地結(jié)合了圖形的美觀易用和文本語(yǔ)言的強(qiáng)大靈活。虛擬儀器技

32、術(shù)已被越來越多的科學(xué)工作者所認(rèn)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(yǔ)言labview簡(jiǎn)介labview是實(shí)驗(yàn)室虛擬儀器工程工作平臺(tái)(laboratory virtual instrument engineering workbench)的縮寫，是美國(guó)國(guó)家儀器公司(national instruments)在1986年推出的一種革命性的圖形編程語(yǔ)言一g語(yǔ)言(graphical programming language)，它采用的是數(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(yǔ)言的線性結(jié)構(gòu)，不像c和basic等語(yǔ)言受眾多的

33、語(yǔ)法規(guī)則所限制，簡(jiǎn)單直觀，極大節(jié)省程序開發(fā)時(shí)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(yǔ)言的按命令行次序連續(xù)執(zhí)行的方式。簡(jiǎn)言之，labview功能強(qiáng)大、靈活方便。它與傳統(tǒng)編程語(yǔ)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(jī)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(yǔ)言是用文本語(yǔ)言編程，而labview用圖形語(yǔ)言(即，各種圖標(biāo)、圖形符號(hào)、連線等)編程。labview也提供傳統(tǒng)程序語(yǔ)言(如c語(yǔ)言)的接口，對(duì)于其自身不易或不擅長(zhǎng)完成的任務(wù)，可通過利用其它編程語(yǔ)言來實(shí)現(xiàn)。從而最終增強(qiáng)了labview的整體功能。3.2.1 labview程序設(shè)計(jì)原理la

34、bvlew的基本程序單位是虛擬儀器(virtual instruments或者vi)?？梢酝ㄟ^圖形編程的方法，建立一系列的vi，來完成用戶指定的測(cè)試任務(wù)。對(duì)于簡(jiǎn)單的測(cè)試任務(wù)，可以由一個(gè)vi完成。對(duì)于一項(xiàng)復(fù)雜的測(cè)試任務(wù)，則可按照模塊設(shè)計(jì)的概念，把測(cè)試任務(wù)分解為一系列的任務(wù)，每一項(xiàng)的任務(wù)還可以分解為多項(xiàng)小任務(wù)，直至把一項(xiàng)復(fù)雜的測(cè)試任務(wù)變成一系列的子任務(wù)。設(shè)計(jì)時(shí)，先設(shè)計(jì)各種vi，以完成每項(xiàng)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(gè)包括所有子功能虛擬儀器的集合。labview可以調(diào)用，把自己創(chuàng)建的vi程序當(dāng)作一個(gè)vi子程序節(jié)點(diǎn)，以創(chuàng)建更復(fù)雜的程序，且這種調(diào)用是無(wú)限

35、制的。labview中各vi之間的層次調(diào)用結(jié)構(gòu)如圖3-1所示?？梢姡琹abview中每一個(gè)vi相當(dāng)于常規(guī)程序中的一個(gè)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(jiǎn)單的儀器控制、數(shù)據(jù)采集到尖端的測(cè)試和工業(yè)自動(dòng)化，從大學(xué)實(shí)驗(yàn)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的成果和開發(fā)產(chǎn)品。 （1）labview應(yīng)用于測(cè)試與測(cè)量labview已成為測(cè)試與測(cè)量領(lǐng)域的工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，它提供了工業(yè)界最

36、大的儀器驅(qū)動(dòng)程序庫(kù)，同時(shí)還支持通過internet、activex、dde和sql等交互式通信方式實(shí)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(cè)試與測(cè)量任務(wù)變得簡(jiǎn)單易行。 （2）labview應(yīng)用于過程控制和工業(yè)自動(dòng)化labview強(qiáng)大的硬件驅(qū)動(dòng)、圖形顯示功能和便捷的快速程序設(shè)計(jì)，為過程控制和工業(yè)自動(dòng)化應(yīng)用提供了優(yōu)秀的解決方案。 （3）labview應(yīng)用于實(shí)驗(yàn)室研究與自動(dòng)化labview為科學(xué)家和工程師提供了功能強(qiáng)大的高級(jí)數(shù)學(xué)分析庫(kù)，包括統(tǒng)計(jì)、估計(jì)、回歸分析、線性代數(shù)、信號(hào)生成算法、時(shí)域和頻域算法等眾多科學(xué)領(lǐng)域，可滿足各種計(jì)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

37、是用離散的信號(hào)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(hào)，這就遇到了模擬信號(hào)如何轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)的問題。把模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)的過程稱為模數(shù)轉(zhuǎn)換，它主要包括：采樣、量化、編碼三個(gè)過程： （1）采樣 采樣是指用每隔一定時(shí)間的信號(hào)樣值序列來代替原來在時(shí)間上連續(xù)的信號(hào)x(t)，也就是在時(shí)間上將模擬信號(hào)離散化。采樣即在時(shí)間軸上對(duì)信號(hào)數(shù)字化；經(jīng)過采樣后的模擬信號(hào)，簡(jiǎn)稱為采樣信號(hào)。 （2）量化量化是用有限個(gè)幅度值近似原來連續(xù)變化的幅度值，即把模擬信號(hào)的連續(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(duì)信號(hào)數(shù)字化 （3）編碼則是按照一定的規(guī)律，把量化后的值用

38、二進(jìn)制數(shù)字表示。即按一定格式記錄采樣和量化后的數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)。 在實(shí)際工作中，信號(hào)的抽樣是通過模數(shù)轉(zhuǎn)換器(ad)來實(shí)現(xiàn)的。通過ad，將連續(xù)信號(hào)x(t)變成數(shù)字信號(hào)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(hào)不失真。采樣頻率必須大于信號(hào)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(hào)產(chǎn)生了混疊。信號(hào)的采樣定理是連結(jié)離散信號(hào)和連續(xù)信號(hào)的橋梁，是進(jìn)行離散信號(hào)處理與離散系統(tǒng)設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)。圖3-2 信號(hào)正常采樣和欠采樣3.4 諧波分析理論3.4.1 諧波定義國(guó)際上公認(rèn)的諧波含義為：諧波是一個(gè)周期性電器量的正弦波分量，其頻率為基波

39、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(guó)際電工標(biāo)準(zhǔn)中(iec555-2，1982)、國(guó)際大電網(wǎng)會(huì)議(cigi冱)的文獻(xiàn)中對(duì)諧波也有了明確的定義：諧波分量為周期量的傅里葉級(jí)數(shù)中大于1的n次分量；ieee標(biāo)準(zhǔn)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(gè)問題： （1）諧波次數(shù)n必須是一個(gè)正整數(shù)。例如，我國(guó)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(yán)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

40、立葉級(jí)數(shù)的基本理論，被變換的波形必須是周期性的。雖然實(shí)際上很難完全做到，因?yàn)殡娏ο到y(tǒng)負(fù)荷是變動(dòng)的，而負(fù)荷的變動(dòng)會(huì)影響系統(tǒng)中諧波含量，但在實(shí)際分析中只要被分析的現(xiàn)象或情況持續(xù)一段適當(dāng)?shù)臅r(shí)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(hào)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(jì)算方法如下:首先采用64點(diǎn)fft算法，計(jì)算出基波和各次諧波的實(shí)部和虛部，進(jìn)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

41、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(shí)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(duì)于基波均方根值的百分?jǐn)?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(jiǎn)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(cè)以及紋理分析的許多新方法，如多分辨率分析、時(shí)頻域分析、金字塔算法等，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

42、兩個(gè)方向上都無(wú)限伸展的正弦曲線波作為正交基函數(shù)的。對(duì)于瞬態(tài)信號(hào)或高度局部化的信號(hào)（例如邊緣），由于這些成分并不類似于任何一個(gè)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(dāng)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(shí)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）?；谒鼈兊淖儞Q就是小波變換。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

43、一種最簡(jiǎn)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(jì)出來的離散正交小波。一般簡(jiǎn)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(duì)稱性即非線性相位；dbn沒有顯式表達(dá)式(除n1外)。但的傳遞函數(shù)的模的平方有顯式表達(dá)式。假設(shè)，其中，為二項(xiàng)式的系數(shù)，則有（3-7）其中 （3）biorthogonal（biornr.nd）小波系 biorthogonal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(hào)與圖像的重構(gòu)中。通常的用法是采用一個(gè)函數(shù)進(jìn)行分解，用

44、另外一個(gè)小波函數(shù)進(jìn)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(gè)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(duì)稱性。從支撐長(zhǎng)度的角度看，coifn具有和db3n及sym3n相同的支撐長(zhǎng)度；從消失矩的數(shù)目來看，coifn具有和db2n及sym2n相同的消

45、失矩?cái)?shù)目。 （5）symletsa（symn）小波系symlets函數(shù)系是由daubechies提出的近似對(duì)稱的小波函數(shù)，它是對(duì)db函數(shù)的一種改進(jìn)。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?yàn)樗衲鞲缑钡慕孛?，所以有時(shí)稱這個(gè)函數(shù)為墨西哥帽函數(shù)。墨西哥帽函數(shù)在時(shí)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)m

46、eyer小波函數(shù)和尺度函數(shù)都是在頻率域中進(jìn)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(cè)試儀的硬件設(shè)計(jì)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(cè)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(cè)試儀中，基本的硬件部分包括：傳感器、信號(hào)調(diào)理器、信號(hào)采集卡、計(jì)算機(jī)系統(tǒng)，硬件結(jié)構(gòu)如圖4-1所示。傳感器信號(hào)調(diào)理電路數(shù)據(jù)采集卡計(jì)算機(jī)圖 4-1 硬件總體結(jié)構(gòu)圖4.1 傳感器模擬信號(hào)在進(jìn)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

47、電壓、電流信號(hào)。這里就要把被測(cè)的強(qiáng)電信號(hào)轉(zhuǎn)換成弱電信號(hào)，出于對(duì)系統(tǒng)的可靠性及安全性方面的考慮，儀器與各種強(qiáng)電信號(hào)在電氣上必須是隔離的，不能把電壓和電流信號(hào)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(cè)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(wú)論是信號(hào)轉(zhuǎn)換或信息處理，或者最佳數(shù)據(jù)的顯示和控制都無(wú)法實(shí)現(xiàn)，相應(yīng)的后續(xù)分析工作也就變得毫無(wú)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(bǔ)償電壓互感器和電流互感器vsm025a型互感器。具有精度高、線性好、頻帶寬、響應(yīng)快、過載能力強(qiáng)和不損失測(cè)量電路能量等優(yōu)點(diǎn)。4.2 信號(hào)調(diào)理

48、器儀器信號(hào)調(diào)理是一種高性能、多通道的信號(hào)調(diào)理與開關(guān)平臺(tái)，適用于e系列插入式測(cè)量設(shè)備和其它相關(guān)測(cè)量設(shè)備的前端信號(hào)調(diào)節(jié)。信號(hào)調(diào)理系統(tǒng)通常包括一個(gè)或者多個(gè)堅(jiān)固的機(jī)箱，機(jī)箱中可以安裝各種不同的信號(hào)調(diào)理模塊以滿足系統(tǒng)對(duì)i/o的需求。儀器信號(hào)調(diào)理模塊可以在系統(tǒng)中各種傳感器與信號(hào)間建立一個(gè)接口，借助高性能、低噪音的信號(hào)調(diào)理功能，來提高測(cè)試質(zhì)量與可靠性，這些信號(hào)調(diào)理功能包括：信號(hào)放大、隔離、多路復(fù)用、濾波、傳感器激勵(lì)、同步采樣與保持。本次設(shè)計(jì)采用了lc0201型信號(hào)調(diào)理器，頻率上下限為0.01hz和3khz 精度0.5%，增益為1100。 圖4-1 lc0201型信號(hào)調(diào)理箱 (1)信號(hào)放大 放大是最為普遍的信

49、號(hào)調(diào)理功能。對(duì)信號(hào)進(jìn)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(duì)信號(hào)放大以使調(diào)理后信號(hào)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(shí)，信號(hào)調(diào)理系統(tǒng)有多種信號(hào)調(diào)理模塊可以放大輸入信號(hào)。在臨近傳感器的信號(hào)調(diào)理機(jī)箱內(nèi)對(duì)低電壓信號(hào)進(jìn)行放大，然后把放大后的高電壓信號(hào)傳送到pc，從而最大限度地降低噪聲對(duì)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(hào)和計(jì)算機(jī)相隔離。被監(jiān)測(cè)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(huì)對(duì)計(jì)算機(jī)造成損害。另外使用隔離可以確保插入式數(shù)據(jù)采集設(shè)備的讀數(shù)不會(huì)受到接地電勢(shì)差或共模電壓的影響。當(dāng)數(shù)據(jù)采集設(shè)備輸入和所采集的信號(hào)使用不同的

50、參考地線時(shí)，一旦這兩個(gè)參考地線有電勢(shì)差，就會(huì)帶來麻煩，這種電勢(shì)差會(huì)產(chǎn)生所謂的接地回路，這樣就將使所采集信號(hào)的讀數(shù)不準(zhǔn)確；或者如果電勢(shì)差太大，它也會(huì)對(duì)測(cè)量系統(tǒng)造成損害。使用隔離式信號(hào)調(diào)理能消除接地回路并確保信號(hào)可以被準(zhǔn)確地采集。 (3)多路復(fù)用功能 多路復(fù)用是使用單個(gè)測(cè)量設(shè)備來測(cè)量多個(gè)信號(hào)的常用技術(shù)。模擬信號(hào)的信號(hào)調(diào)理硬件常對(duì)緩慢變化的信號(hào)使用多路復(fù)用方式。adc采集一個(gè)通道后，轉(zhuǎn)換到另一個(gè)通道并進(jìn)行采集，然后再轉(zhuǎn)換到下一個(gè)通道，如此往復(fù)。 (4)濾波功能 在傳感器獲得的測(cè)量信號(hào)中，往往含有許多與被測(cè)量無(wú)關(guān)的頻率成分，需要通過信號(hào)濾波電路濾掉。濾波電路的功能在于濾除信號(hào)中的冗余部分，如高頻信號(hào)、

51、傳輸線引進(jìn)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(cè)量誤差，達(dá)到提高測(cè)量精度的目的。 (5)線性化 在測(cè)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(jì)，而且傳感器的標(biāo)定工作也可大大的簡(jiǎn)化，但實(shí)際上，現(xiàn)實(shí)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(duì)傳感器的特性進(jìn)行線性化，在實(shí)時(shí)性、簡(jiǎn)便、經(jīng)濟(jì)等方面具有軟件方法難以替代的優(yōu)勢(shì)，在應(yīng)用中，對(duì)傳感器的輸出進(jìn)行線性化是最佳的。4.3信號(hào)采集卡信號(hào)采集卡是外部硬件設(shè)備通向pc系統(tǒng)的橋梁。本論文以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(shí)器等功能，能夠完成

52、信號(hào)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(gè)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(hào)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(chǔ)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(jì)算機(jī)對(duì)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(cè)試儀的軟件設(shè)計(jì)功能強(qiáng)大的軟件是虛擬

53、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(cè)量和控制函數(shù)，具有廣泛的計(jì)算對(duì)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(jì) 系統(tǒng)軟件框圖如圖5-1所示。 對(duì)于本諧波測(cè)試儀的設(shè)計(jì)，具體的設(shè)計(jì)方案如下： （1）列出系統(tǒng)需要測(cè)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(jì)每個(gè)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(jì)。列出每個(gè)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)計(jì)各個(gè)功能模塊的前面板。 （3）按照所測(cè)參數(shù)的具體測(cè)量方法設(shè)計(jì)每個(gè)功能模塊的框圖程序。每個(gè)功能模塊設(shè)計(jì)時(shí)設(shè)計(jì)成子

54、vi，既可以單獨(dú)運(yùn)行，又可以被其他程序調(diào)用。這樣既便于獨(dú)立模塊的調(diào)試工作，又方便了整個(gè)系統(tǒng)在后續(xù)中的修改和完善，使系統(tǒng)具有更強(qiáng)的移植和升級(jí)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(cè)量模塊數(shù)據(jù)處理模塊數(shù)據(jù)存儲(chǔ)模塊labview開發(fā)平臺(tái)諧波分析模塊頻譜測(cè)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(jì)根據(jù)諧波儀的設(shè)計(jì)思路，可以得出整個(gè)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(hào)信號(hào)參數(shù)設(shè)置讀取信號(hào)信號(hào)預(yù)處理信號(hào)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(cè)試信號(hào)，并對(duì)信號(hào)進(jìn)行預(yù)處理。信號(hào)分析部分主要是進(jìn)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(hào)的基波與各次諧波的分布情況，功率譜分析可觀察信號(hào)在各個(gè)頻率點(diǎn)上的功率分布。并對(duì)需要保存的數(shù)據(jù)寫入到電子表格中進(jìn)行保存。由此設(shè)計(jì)出諧波分析儀的框圖程序如圖5-3所示和諧波分析儀前面板如圖5-4所示。在此基礎(chǔ)上將分別對(duì)諧波信號(hào)的產(chǎn)生、諧波分析程序、頻譜和功率譜進(jìn)行相關(guān)分析。 圖5-3 諧波分析儀框圖程序根據(jù)需要設(shè)計(jì)出的諧波分析儀的框圖程序如圖5-3