基于LabVIEW 的諧波實時在線監測系統的設計

楚清河 聶貞 華北水利水電學院，河南 鄭州 450011

基于LabVIEW 的諧波實時在線監測系統的設計

楚清河 聶貞 華北水利水電學院，河南 鄭州 450011

基于LabVIEW的諧波實時在線監測系統的設計的基本思想是運用虛擬儀器技術取代傳統的諧波監測分析儀，使系統功能更加多樣化和靈活化。該系統的核心部件是數據采集電路,通過USB接口把采集到的信號發送給PC機,由PC端基于LabVIEW軟件編程實時在線顯示各次諧波電壓電流波形和各參數值。該系統可以在任何需要進行諧波分析的領域使用，使諧波分析的工作更加快捷和方便。實驗結果表明該系統具有分析效果好、檢測方便，易于功能擴展等優點。

諧波；實時監測；虛擬儀器；LabVIEW

引言

近年來隨著電力系統規模的飛速發展，整流設備和電力電子設備的迅速增長，非線性負荷的急劇增加，電網中的諧波含量越來越高。而諧波含量的增加，將直接影響電網的可靠性，電氣設備的效率和利用率，甚至造成電力系統事故。因而諧波已成為污染電網的公害,對供用電企業的安全運行和經濟效益帶來了巨大影響。為了避免和消除諧波的污染，必須采取措施對其加以限制，因此對諧波進行準確實時監測非常有必要。傳統儀器進行測量時,測試用的設備多、過程繁瑣、成本高、功能單一且實時性差。隨著現代計算機技術和網絡技術的飛速發展，將虛擬儀器技術引用到電力系統中,將它作為主要工具開發電網諧波檢測裝置。這類系統是通過軟件編程實現原本由硬件完成的功能，它的開發成本低，功能多樣，精度高，實時性強而且便于擴展。因此本文針對諧波測試的特點,結合虛擬儀器技術，設計實現了基于LabVIEW編程的諧波實時檢測系統,實驗結果表明該系統性能優異且運行穩定可靠。對實時綜合監測電網諧波、保證供電系統安全運行，具有重要的理論和實際意義。

1 LabVIEW軟件

LabVIEW是一種程序開發環境，由美國國家儀器（NI）公司研制開發的，是虛擬儀器領域中最具有代表性的圖形化編程開發平臺，是目前國際上應用最廣的數據采集和控制開發環境之一。本系統采用的LabVIEW2010是一種基于圖形編程語言(G語言)的功能強大的開發環境，它用各種圖標、圖形符號、連線等代替文本行創建應用程序。LabVIEW環境下開發的虛擬儀器的最大特點是與計算機技術保持同步發展，關鍵是軟件，系統升級方便，可通過網絡下載升級程序，開發與維護費用較低，技術更新周期短(1～2年)，用戶可以根據自己的需要定義各種儀器功能。

圖1 系統總體結構圖

2 系統整體設計方案

該系統是以LabVIEW為平臺設計了電網諧波的在線監測系統。該系統由硬件設計和軟件設計兩部分組成，在功能實現時采用硬件軟件化的虛擬儀器技術思想。系統裝置總體結構如圖1所示。將現場采集到的電壓電流信號通過互感器轉換為符合A/D輸入范圍的信號，通過信號調理電路和數據采集卡將采集到的信號進行預處理后送入PC機，利用PC機和Labview編程軟件實現各次諧波含量及相關參數的計算，電壓電流波形顯示等功能。

3 系統的硬件設計與功能

該系統的硬件由通用PC機，高速數據采集卡，電量傳感器和信號調理電路構成。系統硬件結構如圖2所示。

圖2 系統硬件結構圖

將電網中的高電壓、大電流信號接入轉換電路中，通過傳感器將其轉換成小電壓弱電流的弱電信號送入信號調理裝置。信號調理板由電量傳感器和有源低通濾波器等構成。由電量傳感器將電壓和電流信號變換為適合數據采集卡采樣的0～5 V的電壓信號，經抗混疊濾波器對信號進行低通濾波，以消除頻譜分析時通道外的噪聲和干擾引起的頻率混疊現象。數據采集卡選用NI公司的USB-6008多功能數據采集卡，該卡主要技術特性為：支持USB2.0，無需外部電源，8路模擬輸入，2路模擬輸出通道，采樣頻率可達10KS/s,分辨率為12位,集成了可編程的12位數字I/O端口, 以及1個32 位計數器。將數據采集卡直接插入計算機USB接口，在PC機控制下對調理板上多路信號進行交流采樣。

4 系統的軟件設計與功能

系統的軟件設計是基于圖形化語言LabVIEW平臺開發，由若干個模塊組成的，主要完成數據采集、波形顯示、各次諧波占有率、總諧波畸變率、電壓偏差率、頻率偏差率、報表生成等功能。

4.1 電壓諧波分析功能

電力諧波分析通常是利用諧波分析的方法，求出信號的各次諧波的幅值和相角，并計算出總諧波畸變率THD、諧波含量等值。傅立葉變換(DFT)是一種常用到的分析方法，可以將時域信號轉換為頻域信號，其目的在于了解信號的頻率成分以及每種成分的強度大小。為了快速計算DFT，通常采用快速傅立葉變換(FFT)的方法。現以周期的非正弦信號作FFT分解,可得到除電網基頻以外的、各次頻率是基頻整數倍的信號分量(一般為2～20)。現以電壓U(t)為例分解如下:

其中，u(t)是交流電壓的瞬時值，經過變換后，可以把時域信號變為頻域信號，An是n次諧波的幅值，諧波頻率與基波頻率的比值()成為諧波次數。

模擬信號的連續時間頻譜可以表示為：

計算機接受的是離散數字信號,基于諧波分析核心算法是離散傅立葉變換。其數學表達式為:

計算離散FFT變換的工作量是巨大的,算法也是較復雜的,但美國NI公司Labview軟件開發平臺我們提供了專門用于諧波分析的軟件包。借助于這些軟件包,我們可以方便地設計自己所需的各種計算程序。LabVIEW的諧波失真分析VI(Harmonic Distortion Analyzer.vi)使用FFT的方法分析諧波，并結合“Hanning窗”函數有效地抑制柵欄效應和頻譜泄露問題。這個VI主要可以實現監測高次諧波的幅值、基波電壓頻率和總諧波畸變率。 “Hanning窗”的具體算法是：

計算畸變波形第n次諧波電壓和電流含有率為：

電壓、電流總畸變率為(TDH)：

4.2 Labview程序設計

利用通用PC機友好的人機交互界面和強大的在線數據記錄分析能力，這里設計了容易迅速掌握操作的面板，該面板能夠實時的反應電網波形以及各項數據，給運行人員提供了非常便捷的操作監視平臺。程序設計的前面板如圖3。

在Labview的平臺上將電網電壓接入硬件電路，編程(即后面板)如圖4所示。該模塊主要實現諧波分析算法，完成電壓的有效值，各次諧波占有率和幅值、以及總諧波畸變率等參數的計算。同時在頻域的波形圖5中可以清楚地看到畸變的正弦波。

圖3 程序前面板設計

圖4 部分主程序圖

表1

圖5 頻域波形圖

在頻譜圖中，將數據寫入電子表格文件，以便可以將數據保存到一個新的文件，然后就可以用一個電子表格程序打開該文件，從而可以準確地反映出頻譜圖相應的基波或各次諧波的頻率和幅值，得到準確的頻譜信息。如表1所示。

通過將該系統用于實際電網的測量，得到了用戶端電網中各次諧波的信息，由測得的數據可清楚地看到3～7次諧波含量最高，而且總諧波畸變率超過了國家標準，說明負荷末端的諧波含量還是相當高的，影響電壓質量。

5 結論

本套諧波綜合檢測系統，充分利用了LabVIEW強大信號分析與數學運算能力的特點，測量出了1～50次的諧波，監測出了各次諧波的幅值和各次諧波的占有率，以及總諧波畸變率（THD），并實時顯示測得的電壓波形和各次諧波的頻譜分布、電網頻率偏差和電壓偏差率。檢測結束后，系統可將監測到的數據以Excel格式存儲，做離線分析用，為電網諧波的治理提供可靠的理論依據。通過對軟件和硬件的略加修改和豐富，可實現多方面拓展，符合未來儀器儀表和自動控制的發展趨勢。把這套軟件用于供電系統中對電壓電流諧波進行實時綜合監測，具有極大的現實意義。

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10.3969/j.issn.1001-8972.2011.08.095

楚清河(1965-)，男，副教授，研究生導師，從事電能質量和電力系統分析與控制等領域的教學和科研工作。

聶貞(1986-),女，碩士研究生，主要從事電能質量分析等方面的研究。