基于labview的諧波分析儀的設計

1、基于LabVIEW的諧波分析儀的設計摘要：由于大量變頻器、整流器和電弧爐等非線性負荷的接入，電網中諧波污染情況日益嚴重，對電網諧波含量進行實時準確地測量是分析和控制電網諧波含量的依據。虛擬儀器技術在電力系統中具有極其廣闊的應用前景，其在數據采集、信號處理、網絡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域的發(fā)展方向。虛擬儀器的實質是利用計算機來模擬傳統計算機的各項功能，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、電子技術、通信技術和測試技術有機地結合起來，為儀器的發(fā)展提供了一條嶄新的道路。傳統的諧波分析儀器技術更新周期長，價格較高，與傳

2、統儀器相比，利用虛擬儀器技術開發(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、處理和預防。關鍵詞：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, Rectifier a

3、nd nonlinear loads such as electric arc furnace of access, power grid harmonic pollution increasing, the harmonic content in real time and accurate measurement is the basis for analysis and control of harmonic content. Virtual instruments technique and its application in power systems, with an extre

4、mely broad prospects, its data acquisition, signal processing, network communications, enormous advantages in such areas as monitoring has injected new vitality, it represents the current development direction in the areas of test instruments. Essence of virtual instruments is the use of computers t

5、o simulate the functions of the traditional computer, virtual instrument LabVIEW is a powerful development platform, it developed high-speed computer technology, electronics technology, communication technology and organic combination of measuring and testing techniques, for the development of instr

6、uments to provide a new road. Harmonic analysis of the traditional long instrument technology refresh cycle, higher prices, compared with traditional instruments, the use of virtual instrument technology to develop a new harmonic Analyzer, the intelligent, processing power, price-performance ratio,

7、operability, and so has obvious advantages. 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 fundamental and harmonic situation. By adding Windows function method of harmonic meas

8、urement accuracy greatly increase, so you can effectively harmonic analysis, treatment and prevention.Keywords: LabVIEW ；virtual instrument ；harmonic analyzer 前言：隨著計算機和微電子技術的發(fā)展，基于傅里葉變換的諧波測量是當今應用最多也是最廣泛的一種方法，它的核心理論是建立在傅里葉變換的基礎上。根據傅里葉變換理論，將模擬信號采信變成離散化數字序列信號后，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倍的多次諧波的幅值和相位

9、。使用此方法測量諧波精度較高功能較多使用方便。虛擬儀器技術是儀器儀表技術發(fā)展的最新階段，代表了現代測量技術的發(fā)展方向，本文采用NI公司推出的LabVIEW虛擬儀器軟件開發(fā)平臺。由于今年來諧波對電網的干擾日益嚴重，對電網中的諧波含量進行實時測量，掌握電網中諧波的實際狀況，對維護電網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、頻率等參數的儀器。本文介紹了虛擬儀器的特點和功能，說明了諧波的危害，描述了基于LabVIEW的諧波分析的方法、思路和主要功能，并對測量結果作了簡要的分析。一 虛擬儀器的概述虛擬儀器(Virtual Instrument 簡稱VI)的概念是1

10、986年由美國國家儀器公司（National Instrument NI）首先提出的。虛擬儀器是指通過應用程序將通用計算機與功能化模塊硬件結合起來，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、數據存儲等。虛擬儀器的出現是測控領域的一次技術革命,它借助于計算機的軟硬件平臺，配以特殊設計的硬件和專用軟件,形成既具有普通儀器的基本功能,又有自己特殊功能的新型儀器。用戶可以通過鼠標或鍵盤操作虛擬儀器面板上的輸入控件、設置各種工作參數、啟動或停止設備,測量的結果可以直觀地在面板上顯示,測量數據可以方便地存儲與進一步

11、處理。虛擬儀器的應用提出了“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傳統領域的各類儀器，虛擬儀器相比于傳統儀器具有諸多優(yōu)勢，而這些優(yōu)勢使得虛擬儀器技術非常適用于電網諧波測量方面的應用。LabVIEW是目前應用最廣、發(fā)展最快、功能最強的虛擬儀器開發(fā)環(huán)境,LabVIEW開發(fā)的程序由兩部分組成:前面板和程序框圖。LabVIEW編寫的程序稱為VI(虛擬儀器),LabVIEW中提供了許多子VI供編程者直接調用,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、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

12、層次遞歸的編程方法,可以在很短的時間里設計、構建和修改自己的虛擬儀器系統。二 諧波概述在電力系統中諧波產生的根本原因是由于非線性負載所致。當電流流經負載時，與所加的電壓不呈線性關系，就形成非正弦電流，即電路中有諧波產生。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=/）稱為諧波次數。諧波是一種干擾量，使電網受到污染，所以我們要盡可能的準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，電力系統也面臨著污染。公用電網中

13、的諧波電壓和諧波電流就是對電網環(huán)境最嚴重的一種污染，這種污染已成為影響電能質量的公害。理想的公用電網所提供的電壓應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對于公用電網是一種污染，對用電設備周圍的通信系統和公用電網以外的設備帶來危害。諧波對電力系統和其它用電設備危害主要表現在以下幾個方面：(一)諧波引起諧振和諧波電流放大對電容器和與之串聯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生脈動轉矩。(三)對變壓器的影響變壓器在高次諧波電壓的作用下將產生集膚效應和鄰近效應在繞組中引起附加銅耗同時也使鐵耗相應增

14、加。(四)對輸電系統的影響在電纜輸電的情況下，介質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的噪聲降低通話的清晰度，干擾嚴重時會引起信號的丟失，甚至會發(fā)生危及設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計的，但有諧波時將會產生測量誤差。三 諧波分析儀的硬件結構諧波分析儀的硬件結構主要包括以下幾個方面：電壓傳感器(pt)、電流傳感器（ct）、信號調理電路、數據采集卡（DAQ）與電子計算機，其框圖構成如圖1所示：圖1 諧波分析儀的硬件結構四 諧波分析儀的軟件設計（一）LABWI

15、EW軟件開發(fā)平臺LabVIEW是虛擬儀器領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用最廣的數據采集和控制開發(fā)環(huán)境之一。LabVIEW是一個完全的、開放式的虛擬儀器開發(fā)系統應用軟件，利用它組建儀器測試系統和數據采集系統可以大大簡化程序的設計。LabVIEW與傳統的基于文本語言的編程語言不同，它用框圖代替了傳統的程序代碼，包含有專門用于設計數據采集程序和儀器控制程序的函數庫和開發(fā)工具庫。在計算機顯示屏幕上利用函數庫和開發(fā)工具庫產生一個前面板（Front Panel）,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儀器相類似的界面，可接受用戶的鼠

16、標和鍵盤指令。LabVIEW是帶有可擴展函數庫和子程序庫的通用程序設計系統，它提供了用于GPIB設備控制、VXI 總線控制、串行口設備控制以及數據分析、顯示和存儲的應用程序模塊。我們研制的諧波測試分析系統軟件部分主要完成數據實時采集、存儲、顯示和諧波分析等功能。在軟件的具體實現時分為以下幾大模塊來處理。1、主程序模塊主要完成系統初始化,包括用戶和產品信息的輸入,對數據采集卡進行初始狀態(tài)設置等。2、模擬數據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據依次保存在此文件中,并對其中一些數據及其波形曲線進行實時顯示。LabVIEW軟件的模擬數據連續(xù)采集函數給數據采集提供了方便,使

17、用循環(huán)緩存區(qū)設置,實現連續(xù)采集信號,進行實時分析,使用這種數據采集方式應注意采樣率、緩存區(qū)大小與每次讀取數據量三個參數之間的匹配, 避免讀取數據時數據采集尚未完成, 或讀取數據不及時, 緩存區(qū)中的數據被覆蓋等。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。該VI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是研究和分析諧波畸變的有效方法。通過傅里葉分解能夠對畸變波形的各種分量分別進行分析。交流電氣量的傅里葉級數的展開式為:X(t)= (1)式中,為直流分量,為

18、余弦分量幅值,;為正弦分量幅值,;為角頻率,;為各頻率分量幅值,;為各頻率分量的相位,;n為諧波次數.（二）離散傅里葉變換為了計算傅立葉變換,需要用到數值積分,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:給定實的或復的離散時間序列,設該序列絕對可和，即滿足,則X(k)=Fx(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字計算機上實現離散傅里葉變換計算工作量是龐大的?？焖俑道锶~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,它是根據離散傅氏變換的奇、偶、虛、實等

19、特性,對離散傅里葉變換的算法進行改進獲得的。FFT 出現后使DFT的運算大大簡化,運算時間一般可縮短一二個數量級之多,從而使DFT的運算在實際中真正得到了廣泛的應用。對于在計算機系統或者說數字系統中應用離散傅立葉變換,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u(t)= (2)式中,為工頻(即基波)的角頻率,rad/s；n為諧波次數;為第n次諧波電壓的均方根值,為第n次諧波電壓初相角,rad；M為所考慮的諧波最高次數,由波形的畸變程度和分析的準確度要求來決定,通常取M50?；儾ㄐ我蛑C波引起的偏離正弦波形的程度用總諧波畸變率THD表示。電壓

20、諧波總的畸變率為 (3)由于各次諧波的均方根值Un與其幅度An存在2的比例關系,所以諧波總的畸變率也可寫為%THD= (4)式中,A1為基波幅值,為n次諧波幅值,n為諧波次數。六 基于LabVIEW平臺的諧波失真分析（一）窗平滑技術對信號進行有限時間內的采樣就是就是相當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倍不相等，離散頻譜中就會有泄漏效應產生。泄漏的產生主要是矩形窗的邊界的突變特性產生的，它的急劇變化將在頻域內引入許多高頻分量，對應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有的畸變，給分析結果帶來誤差。為了抑制泄漏誤差，對采樣數據用窗函數

21、處理。窗函數作用于信號的過程可以用下式表示：Y(t)=x(t)(t) (5)式中x(t)為加窗前的信號，Y(t)為加窗后的信號，(t)為窗函數。窗函數的實質是對信號進行加權處理。若窗函數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，海寧窗是一種余弦窗，其表達式為： (n)=0.5-0.5cos() (6)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，因此是經常使用的窗函數。這種窗函數的特點是：只要選取的觀測時間是信號周期的整數倍，其頻譜在各次整數倍諧波頻率處幅值

22、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計算量較小。同時本文也選取了其他的窗函數作了比較。（二）基于LabVIEW的后面板框圖程序設計LabVIEW具有強大的信號分析與數學運算功能，它提供豐富的庫函數和子程序能為我們很好的完成計算任務。在利用LabVIEW進行編程時，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、結構、代表前面板上的控制對象和顯示對象的端子連線等。當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

23、了旋鈕、開關等用戶輸入（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部程序是如何運作的?？驁D程序如圖2所示。本系統使用Sine pattern.vi產生三個初相角為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，另外本文還選擇了不同的窗函數。用來實現數據分析前的預處理,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。將轉換后的頻域信號進行分析,它將以數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

24、。圖2 后面板框圖程序圖3 前面板演示窗口（三）實驗結果及分析如圖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準的正弦波，已經發(fā)生嚴重的畸變，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%THD的測量結果,并在表2中給出了兩種測量方法的誤差比較。表1 THD測量結果所含諧波次數理論%THD實際測量%THD加海寧窗測量%THD10001 2500000000000

25、0000004999999999999997335000000000000000891 2 3666表2 兩種方法的誤差比較實際測量%THD誤差加海寧窗實際測量%THD誤差00000000000000000267000000000000000089000000000000000448000000000000000359000000000000000014000000000000000006誤差分析：由表2可以看出，加了窗函數實際測量%THD的誤差比沒有加窗函數測量%THD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倍。引起

26、對周期信號的非整周期采樣,導致頻譜泄漏,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。加窗函數之后,頻譜泄漏的情況得到了改善。諧波精度大大提高。結論：基于LabVIEW的諧波失真分析功能已經實現，當然還有待進一步完善。LabVIEW是一種功能強大的易學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對諧波失真進行測量研究，能對受試設備及電壓、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，其再電力系統中的應用會越來越廣泛。參考文獻：1周求湛,錢志鴻,等 .虛擬儀器與LabVIEWTM Express 程序設計M.北京: 北京航空航天大學出版社, 2004.2黃純,江亞群,孫梓華 .基于虛擬儀器技術的電力諧波測試儀J.電力自動化設備，2001.3劉兆妍,雷振山 . 基于虛擬儀器的諧波測量技術