基于LabVIEW的電能質(zhì)量分析系統(tǒng)設(shè)計

1、編號： （ ）字 號本科生畢業(yè)設(shè)計題目： 姓名： 學(xué)號： 班級： 二八年六月基于 LabVIEW 的電能質(zhì)量分析系統(tǒng)設(shè)計李俊強(qiáng) 21040316電氣工程及其自動化 2004-1 班中 國 礦 業(yè) 大 學(xué)本科生畢業(yè)設(shè) 計姓 名： 李俊強(qiáng) 學(xué) 號： 21040316 學(xué) 院： 應(yīng)用技術(shù)學(xué)院 專 業(yè)： 電氣工程及其自動化 設(shè)計題目： 基于 LabVIEW 的電能質(zhì)量分析系統(tǒng)設(shè)計 專 題： 指導(dǎo)教師： 王崇林 職 稱： 教授 指導(dǎo)教師： 李國欣 職 稱： 講師 2008 年 6 月 徐州中國礦業(yè)大學(xué)畢業(yè)設(shè)計任務(wù)書學(xué)院 應(yīng)用技術(shù)學(xué)院 專業(yè)年級 電氣工程及其自動化 學(xué)生姓名 李俊強(qiáng) 任任務(wù)務(wù)下下達(dá)達(dá)日日期

2、期：2008 年年 3 月月 20 日日畢業(yè)設(shè)計日期：畢業(yè)設(shè)計日期： 2008 年年 3 月月 20 日日 至至 2008 年年 6 月月 10 日日畢業(yè)設(shè)計題目：畢業(yè)設(shè)計題目：基于 LabVIEW 的電能質(zhì)量分析系統(tǒng)設(shè)計畢業(yè)設(shè)計專題題目：畢業(yè)設(shè)計專題題目：畢業(yè)設(shè)計主要內(nèi)容和要求：畢業(yè)設(shè)計主要內(nèi)容和要求：現(xiàn)今社會對電能質(zhì)量要求日益提高，而電網(wǎng)電能污染卻日趨嚴(yán)重，考慮到傳統(tǒng)電能質(zhì)量分析系統(tǒng)存在很多缺陷，本設(shè)計研究了采用虛擬儀器思想的電能質(zhì)量分析系統(tǒng)，具體內(nèi)容和要求如下：1.了解國內(nèi)外電能質(zhì)量分析的現(xiàn)狀及研究本課題的意義，確立研究思路。2.熟悉各電能質(zhì)量指標(biāo)的概念和計算方法；3.充分認(rèn)識 LabV

3、IEW，掌握其中各函數(shù)的功能和用法，練習(xí)基本操作；4.設(shè)計系統(tǒng)主題結(jié)構(gòu)，研究系統(tǒng)應(yīng)實(shí)現(xiàn)的功能，分析各電能質(zhì)量參數(shù)的數(shù)字化實(shí)現(xiàn)方法；5.構(gòu)思系統(tǒng)軟件部分的整體結(jié)構(gòu)，規(guī)劃系統(tǒng)軟件的前面板和程序框架，詳細(xì)設(shè)計各功能模塊；6.調(diào)試系統(tǒng)軟件。院長簽字： 指導(dǎo)教師簽字：中國礦業(yè)大學(xué)畢業(yè)設(shè)計指導(dǎo)教師評閱書指導(dǎo)教師評語（基礎(chǔ)理論及基本技能的掌握；獨(dú)立解決實(shí)際問題的能力；研究內(nèi)容的理論依據(jù)和技術(shù)方法；取得的主要成果及創(chuàng)新點(diǎn)；工作態(tài)度及工作量；總體評價及建議成績；存在問題；是否同意答辯等）：成 績： 指導(dǎo)教師簽字： 年 月 日中國礦業(yè)大學(xué)畢業(yè)設(shè)計評閱教師評閱書評閱教師評語（選題的意義；基礎(chǔ)理論及基本技能的掌握；綜

4、合運(yùn)用所學(xué)知識解決實(shí)際問題的能力；工作量的大小；取得的主要成果及創(chuàng)新點(diǎn)；寫作的規(guī)范程度；總體評價及建議成績；存在問題；是否同意答辯等）：成 績： 評閱教師簽字： 年 月 日中國礦業(yè)大學(xué)畢業(yè)設(shè)計評閱教師評閱書評閱教師評語（選題的意義；基礎(chǔ)理論及基本技能的掌握；綜合運(yùn)用所學(xué)知識解決實(shí)際問題的能力；工作量的大??；取得的主要成果及創(chuàng)新點(diǎn)；寫作的規(guī)范程度；總體評價及建議成績；存在問題；是否同意答辯等）：成 績： 評閱教師簽字： 年 月 日中國礦業(yè)大學(xué)畢業(yè)設(shè)計答辯及綜合成績答 辯 情 況回 答 問 題提 出 問 題正 確基本正確有一般性錯誤有原則性錯誤沒有回答答辯委員會評語及建議成績：答辯委員會主任簽字：

5、 年 月 日學(xué)院領(lǐng)導(dǎo)小組綜合評定成績：學(xué)院領(lǐng)導(dǎo)小組負(fù)責(zé)人： 年 月 日摘要摘要近年來，計算機(jī)技術(shù)、通信技術(shù)以及測試測量技術(shù)的不斷發(fā)展推動了虛擬儀器(Virtual Instrument，簡稱 VI)技術(shù)的不斷發(fā)展。虛擬儀器具有豐富的軟件功能、簡單的硬件結(jié)構(gòu)、高度的智能化等特點(diǎn)。以虛擬儀器技術(shù)為平臺建立的電能參數(shù)監(jiān)測分析系統(tǒng)能夠克服傳統(tǒng)的監(jiān)測系統(tǒng)功能單一、升級復(fù)雜、成本高等缺點(diǎn)。 因此，本論文提出并設(shè)計了基于當(dāng)今測控領(lǐng)域的最新技術(shù)虛擬儀器技術(shù)的電能質(zhì)量參數(shù)分析系統(tǒng)，系統(tǒng)能夠?qū)﹄妷?、電流、功率、相位、頻率、三相電壓不平衡度、電網(wǎng)諧波等電力參數(shù)進(jìn)行監(jiān)測，并且具有一定的分析功能。本論文首先闡述了對電能

6、質(zhì)量參數(shù)監(jiān)測與分析的必要性以及傳統(tǒng)電能質(zhì)量監(jiān)測裝置的缺陷，分析了利用虛擬儀器技術(shù)開發(fā)電能質(zhì)量分析系統(tǒng)的可行性。然后將電壓偏差、頻率偏差、電網(wǎng)諧波及三相不平衡作為主要的研究對象，對電能質(zhì)量指標(biāo)的數(shù)學(xué)模型進(jìn)行了研究和離散化處理。接著確定了系統(tǒng)總體設(shè)計方案，重點(diǎn)論述了利用 LabVIEW 開發(fā)本系統(tǒng)的各個功能模塊。 最后，就本系統(tǒng)在研究中存在的不足和需要加強(qiáng)的地方在文中做出了總結(jié)，并指出本課題的進(jìn)一步研究工作展望與設(shè)想。關(guān)鍵詞關(guān)鍵詞:電能質(zhì)量;電能質(zhì)量分析系統(tǒng);虛擬儀器;LabVIEWABSTRACT In recent years, the development of communication

7、 technology, Computer technology and measuring technique impulse virtual instrument technical progressive development. Virtual instrument possess perfect software function, simple hardware configuration as well as high intelligent etc. The power quality parameters monitoring system mainly based on v

8、irtual instrument is better traditional monitoring and analyses system, which function is crude and update is complicate. So this paper put forward and design the power quality parameters monitoring and analyze system based the newest technology of the field of measurement and control now-the virtua

9、l instrument technical，it can monitor electric power parameter including voltage, electrical current, phase, frequency, three-phase voltage unbalance and harmonic, and can also provide the detailed power quality monitoring analysis and results . Firstly, the shortcoming of traditional power paramete

10、rs monitoring analyses system and the necessity of monitoring to power parameters are outlined in this paper, besides the paper analyze the feasibility for using the virtual instrument to develop the power quality monitoring system. Subsequently my paper mainly study the algorithm of monitoring volt

11、age deviation, frequency deviation, harmonics and three-phase voltage unbalance, and dispose dispersedly the algorithm of them at the time. Then, integrated design is ascertained, besides this paper put emphases on the development of the functional module of power parameters monitoring analyze syste

12、m using LabVIEW.Finally, the concluding remarks summaries the deficiencies and the improvement of the system, and outlook the further research too.Key words: Power quality; Power parameters monitoring and analyze system; Virtual Instrument; LabVIEW目目 錄錄摘要第一章 緒論 -11.1 引言-11.2 本課題提出的背景和研究意義-11.3 電能質(zhì)量參

13、數(shù)分析方法-21.3.1 國內(nèi)外衡量電能質(zhì)量的指標(biāo) -21.3.2 電能質(zhì)量參數(shù)的分析方法 -31.4 論文的研究思路和主要內(nèi)容-4第二章 電能質(zhì)量指標(biāo)綜述-52.1 供電電壓允許偏差-52.1.1 概念 -52.1.2 電壓偏差產(chǎn)生的原因和對電力系統(tǒng)的危害 -52.1.3 電壓偏差標(biāo)準(zhǔn) -62.2 電力系統(tǒng)的頻率偏差-62.3 三相電壓不平衡度-62.3.1 含有零序分量的的三相系統(tǒng)-72.3.2 沒有零序分量的三相系統(tǒng) -72.3.3 三相電壓不平衡度的限值 -82.4 電網(wǎng)諧波分析-82.4.1 諧波的含義和性質(zhì) -82.4.2 諧波產(chǎn)生的原因和影響 -82.4.3 諧波限值標(biāo)準(zhǔn) -92

14、.4.4 諧波畸變的指標(biāo) -92.4.5 諧波測量中的采樣問題-102.5 電壓波動和閃變-102.5.1 電壓波動和閃變的定義-102.5.2 電壓波動與閃變的限值標(biāo)準(zhǔn)-112.5.3 電壓波動和閃變的 IEC 測量-112.6 本章小結(jié)-13第三章 虛擬儀器設(shè)計平臺 LABVIEW -143.1 LABVIEW 簡介-143.2 LABVIEW 的特點(diǎn)-143.3 LABVIEW 中的常用數(shù)據(jù)類型-153.3 采用 LABVIEW 編制虛擬儀器程序的步驟-163.4 采用 LABVIEW 實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)分析處理-173.5 LABVIEW 的儀器驅(qū)動-17第四章 基于虛擬儀器的電能質(zhì)量分析系統(tǒng)的

15、工作原理-184.1 系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)-184.1.1 系統(tǒng)的硬件部分-184.1.2 系統(tǒng)的軟件部分-214.2 系統(tǒng)的功能模塊-214.3 各電能質(zhì)量參數(shù)的數(shù)字化實(shí)現(xiàn)-224.3.1 基本參數(shù)的數(shù)字化測量-234.3.2 頻率追蹤測量-244.3.3 三相不平衡度的測量-244.3.4 相位測量-244.3.5 諧波分析-254.4 本章小結(jié)-25第五章 電能質(zhì)量分析系統(tǒng)各功能模塊的軟件實(shí)現(xiàn)-265.1 系統(tǒng)的總體設(shè)計思路-265.2 電能質(zhì)量參數(shù)分析系統(tǒng)的軟件實(shí)現(xiàn)-275.2.1 登錄界面-275.2.2 主界面-285.2.3 伏安測量-315.2.4 功率測量模塊-325.2.5 不平

16、衡度及相角模塊-345.2.6 諧波分析模塊-355.3 本章小結(jié)-39第六章 系統(tǒng)軟件測試-406.1 軟件測試方法的介紹-406.2 系統(tǒng)軟件的測試過程-40結(jié)論和展望-4141參考文獻(xiàn)-4242英文原文-4343中文譯文-5454致謝-6161第一章第一章 緒論緒論1.1 引言現(xiàn)代社會中，電能是一種最為廣泛使用的能源，其應(yīng)用程度通常作為一個國家發(fā)展水平的主要標(biāo)志之一。隨著科學(xué)技術(shù)和國民經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，對電能質(zhì)量的要求越來越高，電能質(zhì)量的好壞直接關(guān)系到國民經(jīng)濟(jì)的總體效益。因此，建立和實(shí)施電能質(zhì)量的監(jiān)測與分析是提高電能質(zhì)量的一個重要技術(shù)手段。傳統(tǒng)的電能參數(shù)監(jiān)測系統(tǒng)以硬件為核心，功能單一，已經(jīng)逐漸

17、無法滿足日益復(fù)雜的、實(shí)時性、多參數(shù)測試要求。近年來，計算機(jī)技術(shù)、通信技術(shù)以及測試測量技術(shù)的不斷發(fā)展推動了虛擬儀器(Virtual Instrument，簡稱 VI )技術(shù)的不斷發(fā)展。虛擬儀器具有豐富的軟件功能、簡單的硬件結(jié)構(gòu)、智能化程度高等特點(diǎn)，以虛擬儀器技術(shù)為平臺建立的電能參數(shù)監(jiān)測系統(tǒng)能夠克服傳統(tǒng)的測試測量系統(tǒng)功能單一、升級復(fù)雜等缺點(diǎn)，并且可以使功能更強(qiáng)、精度更高、速度更快、自動化程度更高、靈活性更強(qiáng)。目前在開發(fā)虛擬儀器的應(yīng)用程序中，美國 NI 公司的LabVIEW 是應(yīng)用最為廣泛的。1.2 本課題提出的背景和研究意義 對供電質(zhì)量及可靠性的要求日益提高是和國民經(jīng)濟(jì)發(fā)展與科學(xué)技術(shù)進(jìn)步相聯(lián)系的。

18、在電力發(fā)展的初期，電力供應(yīng)比較緊張，人們把關(guān)注的焦點(diǎn)放在電力供應(yīng)的量上，對電能質(zhì)量的關(guān)注程度不多。從 20 世紀(jì) 80 年代末以來，隨著電力供應(yīng)的緊張局面逐步緩解以及電力電子技術(shù)的蓬勃發(fā)展給電力系統(tǒng)自動化帶來了很大的變革。但是，電力電子技術(shù)的發(fā)展同時也給電力系統(tǒng)帶來許多不穩(wěn)定因素，致使電能質(zhì)量(Power Quality)日益惡化，電力系統(tǒng)的污染日趨嚴(yán)重，由此引起了電力部門、工業(yè)生產(chǎn)、人們生活多方面的關(guān)注。由于在供電系統(tǒng)中應(yīng)用了大量的變頻器、整流設(shè)備、電弧爐等非線性負(fù)載，使得電網(wǎng)中的諧波污染情況日趨嚴(yán)重，諧波含量不斷增加；由于個別超高壓輸電線路不循環(huán)換位和電力機(jī)車等大容量非對稱負(fù)載的接入，局部

19、電網(wǎng)的不對稱度非常嚴(yán)重；由于大容量軋鋼機(jī)等沖擊性負(fù)載的接入，部分電網(wǎng)的暫態(tài)干擾較大，電壓閃變的現(xiàn)象時常發(fā)生；此外，由于電網(wǎng)中的自動調(diào)壓、無功自動補(bǔ)償裝置正確動作率不高等原因，造成用戶端電壓嚴(yán)重的不穩(wěn)定，用電高峰時電壓過低，而在用電低谷時電壓偏高，電網(wǎng)的頻率有時也會受到電網(wǎng)負(fù)載過重的影響。以上這些現(xiàn)象都屬于電能質(zhì)量方面的問題，它們對電網(wǎng)的安全、穩(wěn)定運(yùn)行極為不利，嚴(yán)重地威脅電力系統(tǒng)的正常運(yùn)行，甚至還會對電能質(zhì)量要求較高的電力用戶造成嚴(yán)重的經(jīng)濟(jì)損失。為保護(hù)電力系統(tǒng)安全和用戶的用電安全，更為了減少損耗，提高用電效率，改善電氣環(huán)境，就必須解決電能質(zhì)量的問題。通常通過以下兩條措施對電能質(zhì)量的問題進(jìn)行治理5

20、:一方面利用現(xiàn)有的技術(shù)條件，采用各種可行的技術(shù)措施抑制電能質(zhì)量的惡化或進(jìn)行負(fù)荷調(diào)整、電網(wǎng)改造來保證電能質(zhì)量的正常;另一方面，我們通常在電力系統(tǒng)的特殊點(diǎn)處裝設(shè)電能質(zhì)量參數(shù)監(jiān)測系統(tǒng)來監(jiān)測電能質(zhì)量的各種參數(shù)。只有對電能質(zhì)量的各種參數(shù)進(jìn)行實(shí)時地監(jiān)測，對監(jiān)測的結(jié)果進(jìn)行統(tǒng)計分析處理，才能夠正確評估電能質(zhì)量的好壞，及時地找出引起電能質(zhì)量惡化的原因，從而提出電能質(zhì)量問題整改的方案，為有關(guān)部門采取有效措施隔離或降低電能質(zhì)量惡化的危害提供決策支持。 因此，利用先進(jìn)的技術(shù)手段，采用精確合理的計算算法，研制功能齊全、性能優(yōu)良、安裝簡單、使用方便的電能質(zhì)量監(jiān)測系統(tǒng)是很有必要的。目前電力運(yùn)行設(shè)備品種繁多，相應(yīng)的電能參數(shù)監(jiān)

21、測設(shè)備種類齊全，然而常規(guī)的監(jiān)測系統(tǒng)在下列幾個方面比較欠缺: 1)功能單一性問題。常規(guī)的電能參數(shù)監(jiān)測系統(tǒng)由于受到硬件條件的限制，每一個系統(tǒng)只能實(shí)現(xiàn)一個或者少數(shù)幾個電能質(zhì)量參數(shù)的檢測。 2)生產(chǎn)調(diào)試率低下問題。常規(guī)的電力參數(shù)監(jiān)測設(shè)備在生產(chǎn)調(diào)試過程中，由于不同功能的設(shè)備在硬件、材料等方面差別很大，因此調(diào)試的工作量大，對調(diào)試人員的要求較高，需要掌握不同的硬件原理、不同的器件特性等，因此調(diào)試率低下。 3)開發(fā)周期和開發(fā)費(fèi)用問題。常規(guī)的單功能參數(shù)監(jiān)測設(shè)備在開發(fā)的過程中，要經(jīng)過一個硬件設(shè)計、調(diào)試的過程，不同儀器間的資源不能互相利用，造成研發(fā)成本高，開發(fā)周期長。鑒于以上原因，本課題在研究新型的電能參數(shù)監(jiān)測裝置

22、時采用了先進(jìn)的虛擬儀器技術(shù)思想，通過軟件將計算機(jī)硬件資源和儀器硬件有機(jī)地結(jié)合起來，從而把計算機(jī)強(qiáng)大的計算處理能力和儀器硬件的測量、控制能力結(jié)合在一起，使得開發(fā)的基于虛擬儀器技術(shù)的電能參數(shù)監(jiān)測系統(tǒng)具有功能靈活、操作方便等優(yōu)點(diǎn)，這對于克服目前電能質(zhì)量參數(shù)監(jiān)測系統(tǒng)的局限性、采取措施提高供電質(zhì)量都具有重要的意義。1.3 電能質(zhì)量參數(shù)分析方法1.3.1 國內(nèi)外衡量電能質(zhì)量的指標(biāo)國內(nèi)外衡量電能質(zhì)量的指標(biāo)國際上，IEEE 第 22 屆標(biāo)準(zhǔn)協(xié)調(diào)委員會和其它國際委員會最新采用 11 種指標(biāo)來衡量電能質(zhì)量，大致可以分為兩大類:電壓幅值(斷電、電壓下跌、電壓上沖、瞬時脈沖、電壓波動與閃變、電壓切痕、過電壓、欠電壓)

23、和電壓波形(諧波、間諧波、頻率偏差)8。在我國，結(jié)合本國的實(shí)際情況，自 1990 年以來，我國相繼發(fā)布了五項(xiàng)電能質(zhì)量國家標(biāo)準(zhǔn)，分別為:GB 12325-1990電能質(zhì)量供電電壓允許偏差 、GB/T 14549-1993電能質(zhì)量公用電網(wǎng)諧波 、GB/T 15543-1995電能質(zhì)量三相電壓允許不平衡度 、GB/T 15945-1995電能質(zhì)量電力系統(tǒng)頻率允許偏差 、GB 12326-2000電能質(zhì)量電壓波動和閃變)14, 16。1.3.2 電能質(zhì)量參數(shù)的分析方法電能質(zhì)量參數(shù)的分析方法對電能質(zhì)量問題的分析是關(guān)系到電能質(zhì)量問題解決的一個重要環(huán)節(jié)。近年來，基于數(shù)字技術(shù)的的各種分析方法己經(jīng)在以下的電能質(zhì)

24、量領(lǐng)域中得到廣泛地應(yīng)用：分析諧波在網(wǎng)絡(luò)中的傳播、分析各種擾動源引起的波形畸變、開發(fā)各種電能質(zhì)量控制裝置等。按照所采用的不同分析方法，電能質(zhì)量參數(shù)分析有時域、頻域、變換域三種1,15。(1)時域仿真方法對于電能質(zhì)量中的暫態(tài)事件由于其持續(xù)的時間短、發(fā)生的時間不確定，對頻譜分析提出了較高的要求，通常采用時域仿真方法。在三種分析方法中，時域仿真分析方法在電能質(zhì)量分析中的應(yīng)用最為廣泛。目前較通用的時域仿真程序主要有 EMTP, EMTDC, NETOMAC 等系統(tǒng)暫態(tài)仿真程序和 SPICE, PSPICE, SABER 等電力電子仿真程序兩大類。由于電力系統(tǒng)主要由 R, L, C 等元件組成，這些程序在

25、求解用微分方程描述的電力元件方程時，通常采用簡單易行的變階、變步長、隱式梯形積分法。利用隱式可保證求解過程中的數(shù)值穩(wěn)定，采用變階、變步長技術(shù)可縮短迭代計算的時間。采用時域仿真計算的缺點(diǎn)是仿真步長的選取決定了可模仿的最大頻率范圍，因此必須事先知道暫態(tài)過程的頻率覆蓋范圍。此外，在模仿開關(guān)的開合過程時，還會引起數(shù)值振蕩。因此，要采用相應(yīng)技術(shù)抑制發(fā)生數(shù)值振蕩。 (2)頻域仿真分析 頻域分析方法主要用于電能質(zhì)量中諧波問題的分析，包括頻率掃描、諧波潮流計算等。 (3)基于變換的方法 基于變換的方法常用在實(shí)時、在線的電能質(zhì)量分析方法中。由于分析數(shù)據(jù)必須以足夠高的采用速率進(jìn)行采樣并存儲，而且長期在線進(jìn)行，所以

26、存儲的數(shù)據(jù)非常的大。為了合理的利用好這些數(shù)據(jù)，可采用基于變換的方法進(jìn)行擾動信號的分析?；谧儞Q的方法主要指 Fourier 變換方法、短時 Fourier 變換方法以及近年來出現(xiàn)的小波變換方法Fourier 變換方法是經(jīng)典的頻譜分析和信號處理方法。它具有正交、完備等許多優(yōu)點(diǎn)，但其對含有短時間高頻分量和長時間低頻分量的電能質(zhì)量信號分析具有一定的局限性。目前經(jīng)過改進(jìn)的快速傅里葉變換(FFT)和短時傅里葉變換(STET)己經(jīng)成為電能質(zhì)量分析的基礎(chǔ)。 小波變換的分析方法是近年來興起的一種算法。由于具有時頻局部化的特點(diǎn)，克服了以上 FFT 和 STET 的缺點(diǎn)，特別適合于突變信號和不平穩(wěn)信號的分析。小波

27、變換作為一種新的數(shù)字技術(shù)被引入工程界后，已在圖象處理、數(shù)據(jù)壓縮和信號分析等領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。由于小波函數(shù)本身衰減很快，也屬一種暫態(tài)波形，將其用于電能質(zhì)量分析領(lǐng)域，尤其是暫態(tài)過程分析領(lǐng)域?qū)⒕哂?FFT, STFT 所無法比擬的優(yōu)點(diǎn)。此外，國內(nèi)外對于電能質(zhì)量問題也越來越多地采用了模糊數(shù)學(xué)、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、人工智能等方法以及各種方法的結(jié)合，極大地豐富了處理電能質(zhì)量問題的算法8。1.4 論文的研究思路和主要內(nèi)容本論文研究的重點(diǎn)在于利用 LabVIEW 平臺開發(fā)基于虛擬儀器的電能質(zhì)量參數(shù)分析系統(tǒng)，將電壓偏差、頻率偏差、電壓波動和閃變、電網(wǎng)諧波、三相電壓不平衡度作為主要的研究對象，同時對電能質(zhì)量參數(shù)的測試算法進(jìn)

28、行了研究，通過對電網(wǎng)信號的采集、計算和分析，實(shí)現(xiàn)對上述五種穩(wěn)態(tài)電能質(zhì)量參數(shù)的監(jiān)測和分析。論文的主要內(nèi)容有:(1)簡要介紹課題研究的背景和研究意義，詳細(xì)論述了電能質(zhì)量分析系統(tǒng)存在的實(shí)際問題以及對虛擬儀器技術(shù)優(yōu)勢的分析，提出了研究基于虛擬儀器的電能質(zhì)量參數(shù)監(jiān)測系統(tǒng)的必要性和可行性。(2)詳細(xì)闡述了電能質(zhì)量指標(biāo)的定義并對電能質(zhì)量參數(shù)的數(shù)學(xué)模型進(jìn)行了深入的研究。(3)通過對基于虛擬儀器監(jiān)測系統(tǒng)的簡要分析，提出了本課題所要研究的系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)，并簡要的介紹了課題研究的系統(tǒng)硬件的構(gòu)成方案。由于本課題所研究重點(diǎn)是基于虛擬儀器的電能質(zhì)量參數(shù)分析系統(tǒng)軟件功能部分，因此本論文的重點(diǎn)主要是對系統(tǒng)所要實(shí)現(xiàn)的各個功能模

29、塊的數(shù)學(xué)模型離散化設(shè)計進(jìn)行了研究。(4)簡要的介紹了虛擬儀器技術(shù)的概念及軟件開發(fā)平臺 LabVIEW，利用LabVIEW 以及前面所研究的各個功能模塊的數(shù)學(xué)模型的離散化設(shè)計，對系統(tǒng)的軟件部分進(jìn)行了設(shè)計，將系統(tǒng)按所要實(shí)現(xiàn)的監(jiān)測參數(shù)主要分為五大功能模塊:伏安測量模塊(電壓與電流有效值、頻率測量、三相不平衡度)、相位測量、功率測量模塊、諧波測量模塊、波動和閃變測量模塊，并且詳細(xì)的給出了功能模塊的軟件設(shè)計。(5)利用仿真的方法對系統(tǒng)的各個功能模塊進(jìn)行了試驗(yàn)，并給出了試驗(yàn)結(jié)果。第二章第二章 電能質(zhì)量指標(biāo)綜述電能質(zhì)量指標(biāo)綜述 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)有不同的定義和規(guī)定。從總體上

30、講，電能質(zhì)量指標(biāo)越接近標(biāo)稱值表明電能質(zhì)量越好。然而，電能從生產(chǎn)到消耗是一個整體，電力系統(tǒng)的發(fā)、輸、配、變、用始終處于動態(tài)平衡之中，其中任何一環(huán)節(jié)都會對電能質(zhì)量產(chǎn)生影響。而電能質(zhì)量指標(biāo)的控制又需要相當(dāng)?shù)耐度?電網(wǎng)結(jié)構(gòu)的改進(jìn)、有功功率和無功功率的平衡、各種調(diào)頻、調(diào)壓、濾波和無功補(bǔ)償裝置的使用以及調(diào)度和運(yùn)行技術(shù)的管理等)。因此，電能質(zhì)量指標(biāo)的偏差時刻存在，而偏差是否能夠滿足規(guī)定的限值是我們進(jìn)行電能質(zhì)量指標(biāo)監(jiān)測分析的依據(jù)。8,14在本章中，簡述了電能質(zhì)量指標(biāo)的定義，對電能質(zhì)量五項(xiàng)指標(biāo)的數(shù)學(xué)模型進(jìn)行了一定的研究，為后續(xù)章節(jié)的數(shù)學(xué)模型的離散化設(shè)計奠定了基礎(chǔ)。2.1 供電電壓允許偏差2.1.1 概念概念 用

31、電設(shè)備的運(yùn)行指標(biāo)和額定壽命是對其額定電壓而言的。當(dāng)其電壓輸入端子出現(xiàn)電壓偏差時，其運(yùn)行參數(shù)和壽命將會受到影響，影響程度視偏差的大小、持續(xù)的時間和設(shè)備狀況而異。 測試電壓的允許偏差比較簡單。電壓允許偏差是指電力系統(tǒng)的電壓緩慢變化時，實(shí)際電壓與系統(tǒng)標(biāo)稱電壓之差。使用符合標(biāo)準(zhǔn)的電壓表測出系統(tǒng)的實(shí)際電壓，然后用下式求出電壓偏差： （2-1）100%額定電壓額定電壓實(shí)際電壓）電壓偏差（式中實(shí)際電壓為實(shí)際測量電壓，額定電壓為系統(tǒng)標(biāo)稱電壓 220V、380V、6kV等。2.1.2 電壓偏差產(chǎn)生的原因和對電力系統(tǒng)的危害電壓偏差產(chǎn)生的原因和對電力系統(tǒng)的危害電力系統(tǒng)中的負(fù)荷以及發(fā)電機(jī)組的出力隨時發(fā)生變化，網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)

32、隨著運(yùn)行方式的改變而改變，系統(tǒng)故障等因素都將引起電力系統(tǒng)功率的不平衡。系統(tǒng)無功功率不平衡是引起系統(tǒng)電壓偏差的根本原因。9電壓偏差對電力系統(tǒng)的危害主要表現(xiàn)在以下幾個方面:(1)對用電設(shè)備的危害 用電設(shè)備設(shè)計在額定電壓時性能最好、效率最高，電壓偏離額定值時，其性能和效率都會降低，有的還會減少使用壽命。電壓偏差超過一定值時，會引起設(shè)備的損壞。(2)對電網(wǎng)穩(wěn)定運(yùn)行的危害 交流輸電有個同步運(yùn)行穩(wěn)定問題，輸電線的輸送功率受穩(wěn)定極限的限制，特別是小擾動下的靜態(tài)穩(wěn)定功率極限與電網(wǎng)運(yùn)行電壓有很大的關(guān)系，電壓越低，功率極限越低，越容易發(fā)生不穩(wěn)定現(xiàn)象。 (3)對電網(wǎng)經(jīng)濟(jì)運(yùn)行的影響輸電線路和變壓器在輸送相同功率的條件

33、下，其電流的大小和運(yùn)行的電壓成反比。電網(wǎng)在低電壓狀況下運(yùn)行，會使線路和變壓器的電流增大，線路和變壓器繞組的有功功率與電流平方成正比。低電壓運(yùn)行會使電網(wǎng)有功功率損耗和無功功率損耗大大增加，增大了供電成本。2.1.3 電壓偏差標(biāo)準(zhǔn)電壓偏差標(biāo)準(zhǔn)（GB 12325-1990） 允許限制: 1）35kV 及以上為正負(fù)偏差絕對值之和不超過 10%；2）10kV 及以下三相供電為7%。3）220V 單相供電為+7%，-10%。2.2 電力系統(tǒng)的頻率偏差 電力系統(tǒng)在正常工況下應(yīng)在標(biāo)稱頻率下運(yùn)行，系統(tǒng)中的用電設(shè)備在設(shè)計時都是優(yōu)先按照標(biāo)稱頻率設(shè)計。但是，由于電力系統(tǒng)負(fù)荷不斷變動，電源出力及其調(diào)節(jié)系統(tǒng)追隨負(fù)荷變化又

34、有一定的慣性，致使系統(tǒng)頻率總是一直處于變動的動態(tài)之中，不可避免地偏離標(biāo)稱值，即產(chǎn)生頻率偏差。因此，必須劃出頻率允許的偏差范圍確保系統(tǒng)運(yùn)行的可靠性和經(jīng)濟(jì)性。13 電力系統(tǒng)頻率是指單位時間內(nèi)電信號周期性運(yùn)動的次數(shù)，所謂頻率偏差是指系統(tǒng)頻率的實(shí)際值和標(biāo)稱值(工頻)之差，16其表達(dá)式為： (2-2)Nfff式中 指實(shí)際供電頻率，Hzf 供電網(wǎng)額定頻率，HzNf 國標(biāo)中對系統(tǒng)頻率的規(guī)定如下: 1)電力系統(tǒng)正常頻率偏差范圍為-0.2Hz+0. 2HZ。當(dāng)系統(tǒng)容量較小時，偏差值可以放寬到-0.5Hz+0.5Hz。2)用戶沖擊負(fù)荷引起的系統(tǒng)頻率變動一般不得超過 0.2 Hz，根據(jù)沖擊負(fù)荷的性質(zhì)和大小以及系統(tǒng)的

35、條件也可以適當(dāng)變動限值，但應(yīng)保證近區(qū)電力網(wǎng)、發(fā)電機(jī)組和用戶的安全、穩(wěn)定運(yùn)行以及正常供電。2.3 三相電壓不平衡度在理想的三相交流電力系統(tǒng)中，三相電壓應(yīng)有同樣的數(shù)值，且按 A,B,C 順序互成 2/3 角，這樣的系統(tǒng)叫做三相平衡系統(tǒng)。然而由于存在各種不平衡因素，實(shí)際上電力系統(tǒng)并不是完全平衡的。不平衡的因素可以歸結(jié)為事故性和正常性兩大類。事故性的不平衡是由于三相系統(tǒng)中某一相或兩相出現(xiàn)故障所致，這種不平衡工況是系統(tǒng)運(yùn)行不允許的，一般由繼電保護(hù)、自動裝置動作切除故障元件后在短期內(nèi)使系統(tǒng)恢復(fù)正常運(yùn)行。正常性的不平衡則是由于系統(tǒng)三相元件或負(fù)荷不對稱所致，作為電能質(zhì)量指標(biāo)之一的“三相電壓允許不平衡度”是針對

36、正常不平衡工況制定的. 當(dāng)三相電源電壓畸變不對稱時，對于三相四線制電路，電壓中除含有諧波分量外，還含有正序、負(fù)序、零序分量。對于三相三線制電路，只含有正、負(fù)序分量。三相電壓的不平衡度通常以負(fù)序分量的均方根值與正序分量的均方根值的比值來表示: 10 (2-3)100%UU12 式中 為三相電壓正序分量的均方根值1U 為三相電壓負(fù)序分量的均方根值2U如果將式中的電壓符號換為電流符號，就可以求出電流的三相不平衡度。2.3.1 含有零序分量的的三相系統(tǒng)含有零序分量的的三相系統(tǒng)對于含有零序分量的三相系統(tǒng)中，應(yīng)用對稱分量法，分別先利用(2-4)式求出正序分量和負(fù)序分量，然后利用(2-3)式求出不平衡度。

37、(2-4)cbaaaaaUUU1111131UUU22021式中 是正序分量 是負(fù)序分量 是零序分量1U2U0U為 a 相基波電壓 Ub 為 b 相基波電壓 Uc 為 c 相基波電壓aU是旋轉(zhuǎn)因子a 2321120jeaj23212402jeaj2.3.2 沒有零序分量的三相系統(tǒng)沒有零序分量的三相系統(tǒng)當(dāng)三相電量中不含零序分量時(例如三相線電壓、無中線的三相線電流)，當(dāng)已知三相電壓時，可以用下式求三相電壓不平衡度: （2-5）100%6316-3-1其中 2222444cbacbaUUUUUU與此類似，三相電流不平衡度也可以用其相應(yīng)的公式計算，只需將其中的電壓符號換為相對應(yīng)的電流符號。2.3.3

38、2.3.3 三相電壓不平衡度的限值三相電壓不平衡度的限值我國國家標(biāo)準(zhǔn) GB/T 155431995電能質(zhì)量 三相電壓允許不平衡度規(guī)定：電力系統(tǒng)公共連接點(diǎn)正常電壓不平衡度允許值為 2%，短時不得超過 4%；接于公共連接點(diǎn)的每個用戶，引起該點(diǎn)正常電壓不平衡度允許值一般為 1.3%。2.4 電網(wǎng)諧波分析2.4.12.4.1 諧波的含義和性質(zhì)諧波的含義和性質(zhì)國際上公認(rèn)的諧波含義為:諧波是一個周期性電量的正弦波分量，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)，常常也稱之為高次諧波。12在國際電工標(biāo)準(zhǔn)中(IEC 555-2, 1982)、國際大電網(wǎng)會議(CIGRE)的文獻(xiàn)中對諧波也有了明

39、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(biāo)準(zhǔn)中的定義為:諧波為一周期波或量的正弦波分量，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 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(shí)際上很難完全做到，因?yàn)殡娏ο到y(tǒng)負(fù)荷是變動的，而負(fù)荷的變動會影響系統(tǒng)中諧波含量，但在實(shí)際分析中

40、只要被分析的現(xiàn)象或情況持續(xù)一段適當(dāng)?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)。2.4.2 諧波產(chǎn)生的原因和影響諧波產(chǎn)生的原因和影響諧波產(chǎn)生的根本原因是系統(tǒng)中非線性負(fù)載的應(yīng)用，如高壓直流輸電系統(tǒng)、變頻器、可控整流器、電弧爐、電動機(jī)車等的應(yīng)用，造成電網(wǎng)中的諧波污染、三相電壓的不對稱性以及電壓波動和閃變?nèi)遮厙?yán)重。同時，由于上述負(fù)荷的存在，使得電力系統(tǒng)中的供電電壓即便是正弦波形，其電流波形也將偏離正弦波形而發(fā)生畸變。非正弦波形的電流在供電系統(tǒng)中傳輸時將迫使沿途電壓下降，其電壓波形也將受其影響而產(chǎn)生不同程度的畸變。這種電能質(zhì)量的

41、下降會給電力系統(tǒng)和用電設(shè)備帶來嚴(yán)重的危害。電網(wǎng)中諧波含量的增加，將導(dǎo)致電氣設(shè)備的壽命縮短，網(wǎng)損加大，系統(tǒng)發(fā)生諧波諧振的可能性增加，嚴(yán)重時會造成危險的過電壓、過電流，同時還可能引起繼電保護(hù)和自動裝置誤動作、儀表指示和電度計量不準(zhǔn)，使通信系統(tǒng)受干擾等一系列問題。52.4.32.4.3 諧波限值標(biāo)準(zhǔn)諧波限值標(biāo)準(zhǔn)（GB/T 145491993）表 2-1 各級電網(wǎng)電壓諧波限制電壓（kV）THD奇次偶次0.3854.02.06.1043.21.635.6632.41.2110、22021.60.82.4.4 諧波畸變的指標(biāo)諧波畸變的指標(biāo)諧波分析的方法有很多種，如傅立葉變換、卡爾曼濾波、小波分析等。傅里葉

42、變換作為經(jīng)典的信號分析方法己經(jīng)比較成熟。特別是快速傅里葉變換(FFT)的應(yīng)用，有效地提高了信號處理的實(shí)時性。電流和電壓信號通過傅立葉變換來進(jìn)行諧波分析，根據(jù)電壓、電流諧波的幅值和相位可以計算出各次諧波的功率因數(shù)角，進(jìn)而計算出有功、無功、視在功率。為了定量表示電力系統(tǒng)正弦波形的畸變程度，采用以各次諧波含量和諧波總量大小來表示下列波形畸變指標(biāo)。(1)諧波含有率(Harmonic Ratio HR): k 次諧波分量的有效值(或幅值)與基波分量的有效值(或幅值)的比值。第 k 次諧波電壓的含有率: （2-6）100%1UUHRUkk第 k 次諧波電流的含有率： （2-7）100%1IIHRIkk(2

43、)總諧波畸變率(Total Harmonic Distortion ;THD):諧波總量的有效值與基波分量的有效值之比。 諧波電壓總量: (2-8)2222322kkkHUUUUU 電壓總諧波畸變率： （2-9）100%100221kkHuHRUUUTHD同理，用（2-8）式和（2-9）式亦可得出電流總諧波畸變率。提高電能質(zhì)量，防止諧波的危害，限制電力系統(tǒng)的諧波，就是要把上述指標(biāo)限制在國標(biāo)規(guī)定的允許范圍之內(nèi)。2.4.5 諧波測量中的采樣問題諧波測量中的采樣問題對周期為 T 的連續(xù)信號做等間隔的 N 點(diǎn)采樣時，采樣周期為 T/N，對應(yīng)的采樣頻率為為周期信號頻率的 N 倍，分析其頻譜可知，其頻譜為

44、以采樣NfTNfs/頻率為周期的周期性離散譜，所得的最高諧波頻率次數(shù)為 N/2-1。設(shè)原信號的最高諧波頻率為 fc，則采樣頻率必須滿足 fs 2fc,才能正確的表示原信號的信息，這就是采樣定理。通常將采樣頻率的一半稱為奈奎斯特頻率。當(dāng)采樣頻率低于 2 倍的奈奎斯特頻率()時，原信號中高于的頻譜分量將會在低于頻譜中再現(xiàn)，csff22/cf2/cf即會出現(xiàn)頻譜混疊，會使頻譜分析出現(xiàn)誤差。為了防止頻譜混疊造成的諧波誤差，除提高采樣頻率外，還可使原信號在采樣前預(yù)先設(shè)置低通濾波器，除去高于一半采樣頻率以上頻率的諧波，使被采樣信號中僅有 fs / 2 以下諧波分量，對這樣的信號采樣做離散傅里葉變換，所得到

45、的頻譜就不會發(fā)生頻譜的混疊，這樣就能夠準(zhǔn)確表達(dá)原信號的信息。11 2.5 電壓波動和閃變電力系統(tǒng)的電壓波動和閃變主要是由具有沖擊性(快速變動)功率的負(fù)荷引起的，例如煉鋼電弧爐、軋鋼機(jī)、電弧焊機(jī)等，這類負(fù)荷的特點(diǎn)是在生產(chǎn)過程中有功和無功功率隨機(jī)地或周期性地大幅度變動。隨著工業(yè)的發(fā)展，這類負(fù)荷的功率越來越大，使電網(wǎng)電壓很容易產(chǎn)生波動和閃變，嚴(yán)重影響了電網(wǎng)的電能質(zhì)量。因此，對電壓波動和閃變的研究顯得越來越重要。2.5.1 電壓波動和閃變的定義電壓波動和閃變的定義(1)電壓波動首先必須區(qū)分快速電壓變動和電壓波動概念。供電電壓在兩個相鄰的、持續(xù)時間在 1s 以上的電壓有效值 U1 和 U2 之間的差值，

46、稱為電壓變動23。在不超過30ms 的期間內(nèi)，同方向的二次或二次以上的電壓均方值的變動，只算做一次電壓變動。通常多以一次電壓變動值與標(biāo)稱電壓的比值的百分?jǐn)?shù)來表示電壓變動的相對百分值 d，即 (2-10)%100100%21NNUUUUUd電壓波動是指一系列電壓波動或工頻電壓包絡(luò)線的周期變化。電壓波動值為電壓均方根值的兩個極值的差值，通常用此差值與額定電壓之比的minmaxUU與NU百分?jǐn)?shù)表示其相對百分值16，即 （2-11）%100100%minmaxNNUUUUUd(2)電壓閃變17電壓閃變是指人眼對由電壓波動所引起的照明異常的視覺感受，它通常是以白熾燈的工況作為判斷依據(jù)。電壓閃變可分為周期

47、性和非周期性兩種，前者主要是由于周期性的電壓波動引起的，如往復(fù)式壓縮機(jī)、電弧爐等;后者往往與隨機(jī)性電壓波動有關(guān)，如電焊機(jī)等。2.5.2 電壓波動與閃變的限值標(biāo)準(zhǔn)電壓波動與閃變的限值標(biāo)準(zhǔn)（GB 123262000）電壓變動 d 的限值和變動頻度 r 有關(guān)：當(dāng)時，對于低壓（LV）和11000hr中壓（MV） ，d=1.25%4%；對于高壓（HV） ，d=1%3%；對于隨機(jī)不規(guī)則的變動，d=2%（LV，MV）和 d=1.5%（HV） 。閃變限值：表-2-2 各級電網(wǎng)電壓閃變限值系統(tǒng)電壓等級LVMVHVPst1.00.9（1.0）0.8Plt0.80.7（0.8）0.6注：1.括號中的值僅適用于所有用

48、戶為同電壓等級場合； 2.Pst 是短時間閃變值，Plt 是長時間閃變值。2.5.3 電壓波動和閃變的電壓波動和閃變的 IEC 測量測量(1)電壓波動的測量要對電壓波動與閃變進(jìn)行有效的抑制，首要的任務(wù)就是要準(zhǔn)確地提取出波動信號，通常將電壓波動看成以工頻額定電壓為載波，其電壓的幅值受頻率范圍0.0535Hz 的電壓波動分量的調(diào)制。因此，電壓波動分量的檢出方法可采用通信理論中大功率載波調(diào)制信號解調(diào)方法，用與載波信號同頻同相的周期信號乘以被調(diào)信號，將電壓波動量與工頻載波電壓分離，通過帶通濾波器得到波動電壓分量。目前常用的電壓波動檢測方法主要有三種:平方解調(diào)檢波法、整流檢波法、有效值檢波法。18下面簡

49、單介紹平方檢波法的原理?？紤]電壓波動分量，就是在基波電壓上疊加一系列的調(diào)幅波，為使分析簡化又不失一般性，將工頻電壓 u (t)的瞬時值解析式寫成: (2-12)ttmAtucoscos1式中：A工頻載波電壓的幅值 工頻載波的角頻率m調(diào)幅波電壓的幅值 調(diào)幅波電壓的角頻率 為求解出電壓波動只需解調(diào)出調(diào)幅波，將上面(2-12)式進(jìn)行平方:tmvcos （2-13）經(jīng)過 0.0535Hz 的帶通濾波器濾去直流分量和工頻及以上的分量，便可檢測出調(diào)幅波即電壓波動分量，其輸出為: （2-14）由于 m 遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于 1，那么(2-14)式中的第二項(xiàng)就非常的小，可以忽略不計，這樣就可以獲得電壓波動的分量。(2)

50、IEC 的閃變測量14國際電工委員會(工 EC)依據(jù) 1982 年國際電熱協(xié)會(UIE)的推薦，于 1986 年給出了閃變儀的功能和實(shí)際規(guī)范。1992 年 UIE 又作出詳細(xì)的論述，其框圖如圖 2-1所示。按此原理和框圖制作的閃變儀，已在英、法、德、意和比等五國進(jìn)行聯(lián)合測試，并證明完全符合要求。輸入適配和自檢信號平方檢波濾波器0.050.35Hz 帶通濾波器、加權(quán)濾波器平方一階低通濾波器閃變統(tǒng)計評定U（t）PstPlt圖 2-1 IEC 推薦的閃變儀原理框圖2.6 本章小結(jié)本章對電能質(zhì)量五項(xiàng)國家標(biāo)準(zhǔn)一一做了介紹，重點(diǎn)介紹了電網(wǎng)諧波、電壓波動和閃變指標(biāo)，同時深入的分析了電能質(zhì)量五項(xiàng)指標(biāo)的測量方法

51、。第三章 虛擬儀器設(shè)計平臺 LabVIEW目前，開發(fā)虛擬儀器軟件一般有兩種方法:一是用通用高級編程語言編寫，主要有 Microsoft 公司的 Visual Basic、 Visual C+, Borland 公司的 Delphi, NI公司的 LabWindows/CVI 等；二是用專業(yè)圖形化編程平臺開發(fā)。如 NI 公司的LabVIEW，HP 公司的 HPVEE 等。其中美國 NI 公司的圖形化編程平臺 LabVIEW 最為科研學(xué)者和工程師們推崇，本電能質(zhì)量分析系統(tǒng)就是用 LabVIEW 開發(fā)的。3.1 LabVIEW 簡介 LabVIEW 是英文 Laboratory Virtual In

52、strument Engineering Workbench 的簡寫，即實(shí)驗(yàn)室虛擬儀器工程平臺，它是世界上第一個采用圖形化編程技術(shù)的面向儀器的 32 位編譯型程序開發(fā)系統(tǒng)，由 NI 公司于 20 世紀(jì)九十年代推出并不斷更新。LabVIEW 是基于圖形化編程語言(G 語言)的開發(fā)環(huán)境，它將直觀的前面板與流程圖式的編程方法結(jié)合起來，是開發(fā)虛擬儀器的強(qiáng)大和理想的工具。 1 在 LabVIEW 中，一個虛擬儀器(VI)程序由兩部分組成:前面板(Front Panel)和流程圖(Block Diagram)。前面板對應(yīng)于傳統(tǒng)電子儀器的控制面板，是圖形化的用戶界面，用戶可通過前面板對儀器進(jìn)行設(shè)置。在前面板

53、上，用戶的輸入是通過被稱為 Control 摸板的輸入控件實(shí)現(xiàn)的，程序運(yùn)行的結(jié)果輸出則由 Control 模板的 Indictor 控件來實(shí)現(xiàn)。虛擬儀器輸出結(jié)果非常豐富，既可以輸出數(shù)據(jù)，又可以輸出各種圖形，還可以保存為純文本、二進(jìn)制文件等多種文件格式。3.2 LabVIEW 的特點(diǎn) 與其它編程語言相比，LabVIEW 具有以下特點(diǎn): 1） LabVIEW 采用了可視化編程技術(shù)，在前面板上提供了工業(yè)領(lǐng)域多種顯示和控制對象，如開關(guān)、旋鈕、LED 指示燈、儀表、圖形等。同時，用戶還可以對這些對象進(jìn)行修改以適合不同需要。LabVIEW 平臺內(nèi)部集成了大量功能強(qiáng)大的函數(shù)庫供用戶直接調(diào)用，從底層 VXI,

54、 GPIB、串口及數(shù)據(jù)采集板的控制子程序到大量的儀器驅(qū)動程序，從基本的功能函數(shù)到高級分析庫、涵蓋了儀器設(shè)計中所需要的幾乎所有函數(shù)。 2）LabVIEW 內(nèi)置的程序編譯器采用編譯方式運(yùn)行 32 位應(yīng)用程序，解決了其它按解釋方式工作的圖形編程平臺速度慢的問題，其速度大體相當(dāng)于編譯 C 的速度，因此編制出的虛擬儀器程序執(zhí)行效率高。 3) LabVIEW 支持的數(shù)據(jù)類型于其他高級語言(如 C 語言)相同，包括:數(shù)值型，文本型，布爾型，串和簇(相當(dāng)于 C 語言中的結(jié)構(gòu))，同時它和 C 語言一樣支持順序、循環(huán)、選擇等結(jié)構(gòu)，具有自動報錯和處理功能。 4)在 LabVIEW 環(huán)境下也可以設(shè)定程序斷點(diǎn)，進(jìn)行帶數(shù)

55、據(jù)探針的單步運(yùn)行，加亮執(zhí)行程序進(jìn)行數(shù)據(jù)流追蹤。這些功能使程序的開發(fā)調(diào)試變得更為容易。 5 ) LabVIEW 是開放式的開發(fā)平臺，可以通過 DLL(動態(tài)鏈接庫)接口和 CIN(代碼接口節(jié)點(diǎn))，調(diào)用其它編程軟件(如 VC+, C)平臺編譯的模塊。6)LabVIEW 提供對 TCP/IP, UDP 等網(wǎng)絡(luò)協(xié)議的支持，可以實(shí)現(xiàn)儀器測量網(wǎng)絡(luò)化。3.3 LabVIEW 中的常用數(shù)據(jù)類型 LabVIEW 的數(shù)據(jù)類型與傳統(tǒng)編程語言中的數(shù)據(jù)類型基本類似，除了具有一般的數(shù)據(jù)類型之外，還有一些獨(dú)特的數(shù)據(jù)類型。表 3-1 列出了 LabVIEW 中常用的幾種數(shù)據(jù)類型及其相對應(yīng)的前面板對象的默認(rèn)值、端口圖標(biāo)和連線形式

56、。每種類型的端口圖標(biāo)都有一種顏色，以示區(qū)別。控制端口圖標(biāo)的邊框?yàn)榇謱?shí)線，端口右側(cè)有一個享有的箭頭，表示輸出數(shù)據(jù)，指示端口的圖標(biāo)的邊框?yàn)榧?xì)實(shí)線，端口左側(cè)有一個向左的箭頭，表示輸入數(shù)據(jù)。表 3-1 LabVIEW 中常用的幾種數(shù)據(jù)類型數(shù)據(jù)類型數(shù)據(jù)類型 默認(rèn)值默認(rèn)值端端 口口 圖圖 標(biāo)標(biāo)連線形式連線形式雙精度浮點(diǎn)0.0 枚舉布爾False字符串空字符數(shù)組簇路徑空路徑動態(tài)數(shù)據(jù)波形數(shù)據(jù) 3.3 采用 LabVIEW 編制虛擬儀器程序的步驟1.確定程序設(shè)計總體方案 在編制虛擬儀器程序前，必須首先對程序進(jìn)行總體設(shè)計分析:一是確定程序要實(shí)現(xiàn)的功能、要顯示的圖形圖像、要輸出的報表;二是確定程序的層次關(guān)系，如主程

57、序和子程序之間的關(guān)系、虛擬儀器程序與硬件的連接關(guān)系等。2.確定虛擬儀器程序前面板 在完成虛擬儀器程序總體設(shè)計后，就可在前面板上布置實(shí)現(xiàn)所需功能的顯示對象，這些對象包括開關(guān)旋鈕控制、數(shù)據(jù)顯示、表頭、波形顯示、相量圖、頻譜圖顯示等，前面板布置好這些對象后，工程技術(shù)人員通過鼠標(biāo)、鍵盤就可像操作傳統(tǒng)儀器一樣地操作虛擬儀器。3.構(gòu)建圖形化流程圖在 LabVIEW 開發(fā)環(huán)境中，后臺流程圖與前面板控制顯示對象對應(yīng)，開發(fā)人員的任務(wù)是通過連接不同功能的函數(shù)模塊使數(shù)據(jù)流從輸入對象經(jīng)過處理傳送到輸出對象。與傳統(tǒng)的文本式程序設(shè)計一樣，LabVIEW 也有結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)流編程部分，包括順序（Sequence） 、條件（ca

58、se） 、 For 循環(huán)、 While 循環(huán)、事件等結(jié)構(gòu)，如圖3-1 所示。圖 3-1 LabVIEW 中的主要結(jié)構(gòu)函數(shù)這些結(jié)構(gòu)被描述成圖形化的邊界結(jié)構(gòu)，開發(fā)人員不必注意傳統(tǒng)程序設(shè)計所需的語法細(xì)節(jié)，只需直接將它們連接起來就可完成數(shù)據(jù)傳遞。在編制大型復(fù)雜的虛擬儀器應(yīng)用程序時，由于所用模塊很多，這時必須考慮程序的層次結(jié)構(gòu)，這可以通過靈活編制子程序、采用更為簡單高效的計算原理等方式來實(shí)現(xiàn)。4.調(diào)試和優(yōu)化程序 和傳統(tǒng)程序一樣，在編制虛擬儀器程序時，需要不斷對程序進(jìn)行調(diào)試分析，LabVIEW 程序調(diào)試功能十分強(qiáng)大易用，可以靈活設(shè)定程序斷點(diǎn)，進(jìn)行帶數(shù)據(jù)探針的單步運(yùn)行，加亮執(zhí)行程序進(jìn)行數(shù)據(jù)流追蹤判斷。同時，

59、LabVIEW 是目前唯一帶有編輯器的圖形化編程環(huán)境，它可根據(jù)用戶編制程序自動產(chǎn)生最優(yōu)化代碼，加快程序運(yùn)行速度。另外，用戶還可以利用內(nèi)置的繪圖器對程序代碼部分進(jìn)行分析和優(yōu)化。3.4 采用 LabVIEW 實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)分析處理LabVIEW 之所以強(qiáng)大易用，很大程度上是因?yàn)?LabVIEW 內(nèi)置了極其豐富的數(shù)據(jù)分析處理函數(shù)模塊?？梢哉f，正是因?yàn)椴捎昧诉@些由軟件實(shí)現(xiàn)的功能模塊，替代了原來必須用硬件完成的數(shù)字信號處理分析功能，才出現(xiàn)了“軟件就是儀器”的概念，開發(fā)出的儀器才被稱為虛擬儀器。1.與外界信號接口模塊這部分模塊與 DAQ 硬件系統(tǒng)結(jié)合，可以將已經(jīng)過信號調(diào)理和 A/D 轉(zhuǎn)換的外界信號與流程圖進(jìn)行接

60、口，實(shí)現(xiàn)原始數(shù)據(jù)的輸入，2.平滑窗口模塊在頻譜分析中使用平滑窗口能夠減少在離散數(shù)據(jù)塊下使用 FFT 而產(chǎn)生的頻譜泄漏。傅立葉變換方法的基本假設(shè)會在頻域內(nèi)的數(shù)據(jù)產(chǎn)生意外尖峰和頻譜泄漏，而利用合適的平滑窗口能夠消除頻譜泄漏。3.數(shù)字濾波器模塊 數(shù)字濾波器可以消除由電于元件產(chǎn)生的噪聲信號，或者由環(huán)境影響產(chǎn)生的噪聲。LabVIEW 軟件有三種類型的濾波器，IIR 濾波器、FIR 濾波器以及非線性響應(yīng)濾波器。4.時頻域轉(zhuǎn)換模塊計算機(jī)進(jìn)行數(shù)字信號處理時，需要對時域信號進(jìn)行離散采樣，轉(zhuǎn)換到頻域進(jìn)行頻譜分析，它反映的一些信息是時域分析中得不到的。LabVIEW 內(nèi)置了這些變換必須的函數(shù)模塊，典型的如 FFT，