基于LabVIEW的諧波測量系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

摘要：隨著我國經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，各種工業(yè)生產(chǎn)對電能質(zhì)量的要求越來越高。諧波的產(chǎn)生使電能質(zhì)量惡化，諧波問題對電力系統(tǒng)安全、穩(wěn)定、經(jīng)濟(jì)運(yùn)行構(gòu)成潛在威脅，給周圍電氣環(huán)境帶來了極大影響，人們對諧波問題的關(guān)注也日益重視起來。在此基礎(chǔ)上，提出了一種基于虛擬儀器開發(fā)環(huán)境LabVIEW的諧波測量技術(shù)。本論文的目的就是基于當(dāng)今測控領(lǐng)域的最新技術(shù)——虛擬儀器技術(shù)能實(shí)時測量諧波的數(shù)字式裝置。

關(guān)鍵詞：諧波測量虛擬儀器LabVIEW

1 問題的提出

電能作為現(xiàn)代社會中使用最為廣泛的能源，其應(yīng)用程度是衡量一個國家發(fā)展水平的重要標(biāo)志之一。電力電子技術(shù)的廣泛使用，在帶來經(jīng)濟(jì)上的一系列效益的同時，也使電網(wǎng)中的諧波含量大為增加；電網(wǎng)中諧波污染的日益嚴(yán)重，導(dǎo)致了電氣設(shè)備壽命縮短，網(wǎng)損加大，增加了電網(wǎng)中發(fā)生諧波諧振的可能性，使繼電保護(hù)和自動裝置不能正常動作和操作，導(dǎo)致儀表指示和電能計(jì)量不準(zhǔn)等一系列重要問題。

2 諧波概述

2.1 諧波的定義 國際上公認(rèn)的諧波含義為：“諧波是一個周期電氣量的正弦波分量，其頻率為基波頻率的整數(shù)倍”。波形畸變是由電力系統(tǒng)中的非線性設(shè)備引起的，流過非線性設(shè)備的電流和加在其上的電壓不成比例關(guān)系。當(dāng)正弦基波電壓施加于非線性負(fù)荷時，負(fù)荷吸收的電流與施加的電壓波形不同，畸變的電流回流到系統(tǒng)中，將在阻抗上產(chǎn)生電壓降，因而產(chǎn)生畸變電壓，而畸變電壓將對所有負(fù)荷產(chǎn)生影響。

2.2 諧波的危害 在電力系統(tǒng)中，各種諧波源產(chǎn)生的諧波對電力系統(tǒng)環(huán)境造成污染，影響到整個電力系統(tǒng)的電氣環(huán)境，包括電力系統(tǒng)本身和廣大用戶。諧波的污染與危害主要表現(xiàn)在對電力與信號的干擾影響方面，可大致概括為：

2.2.1 在電力危害方面：①旋轉(zhuǎn)電機(jī)等的附加諧波損耗與發(fā)熱，縮短使用壽命。②諧波諧振過電壓，造成電氣元件以及設(shè)備的故障與損壞。③電能計(jì)量錯誤。

2.2.2 在信號干擾方面：①對通信系統(tǒng)產(chǎn)生電磁干擾，使電信質(zhì)量下降。②重要的和敏感的自控系統(tǒng)、保護(hù)裝置不正確動作。③危害到功率處理器自身的正常運(yùn)行。

3 諧波測量系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì)

諧波測量系統(tǒng)軟件在虛擬儀器開發(fā)平臺LabVIEW上開發(fā)完成，它以圖標(biāo)的形式提供了進(jìn)行經(jīng)典的信號分析和處理的很多函數(shù)。此次設(shè)計(jì)用到了正弦波發(fā)生器、波形顯示器、自功率譜函數(shù)、諧波分析函數(shù)等圖標(biāo)。經(jīng)過運(yùn)行檢驗(yàn)，最終完成其諧波分析的功能。

4諧波測量系統(tǒng)的設(shè)計(jì)步驟

①確定程序設(shè)計(jì)總體方案。②確定諧波測量程序前面板。③構(gòu)建圖形化流程圖。④調(diào)試和優(yōu)化程序。

4.1 諧波測量系統(tǒng)設(shè)計(jì)的主程序框圖（如圖2）

4.2 程序設(shè)計(jì)模塊 整個程序由以下幾個模塊組成：①輸入信號仿真模塊；②信號處理模塊；③自功率譜函數(shù)模塊；④諧波分析模塊；⑤測量結(jié)果顯示輸出模塊

4.2.1 輸入信號仿真模塊 我們對頻率和幅值進(jìn)行仿真，用戶通過前面板的窗口可以很方便的對頻率、幅值等參數(shù)進(jìn)行修改，然后以波形數(shù)據(jù)的方式送入信號處理模塊。

4.2.2 信號處理模塊 此模塊有被測信號顯示模塊和運(yùn)算模塊作成，可以對輸入的基波分量和諧波分量進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，直觀的監(jiān)視波形變化，并依據(jù)上文所述的算法進(jìn)行諧波相關(guān)量的計(jì)算。

4.2.3 自功率譜函數(shù)模塊 一個信號可以從時域描述，也可以從頻域來描述。這里需要一個自功率譜函數(shù)模塊，來將諧波信號轉(zhuǎn)化為可用的自功率譜。

4.2.4 諧波分析模塊 此模塊就是將自功率譜、采樣頻率、基波頻率等作為輸入，來完成諧波的測量。

4.2.5 測量結(jié)果顯示輸出模塊 此模塊由四部分組成：諧波比、諧波幅值、諧波頻率和諧波畸變率，基波分量和諧波分量的測量結(jié)果輸出也是通過這一模塊實(shí)現(xiàn)。它們以高精度的數(shù)值方式顯示在前面板中。

4.3 諧波測量前面板 顯示面板分為三個部分：基波分量、諧波分量輸入部分，用來模擬基波和諧波的輸入；被測信號波形顯示窗口，用來顯示基波和諧波的總體波形；輸出結(jié)果顯示部分，它包括諧波幅值、諧波頻率、諧波比和諧波畸變率。（如圖3）

圖3是本測試系統(tǒng)的前面板，顯示出來了各次諧波的幅值和所占的比例測試結(jié)果，用信號發(fā)生器產(chǎn)生的頻率50Hz的正弦波做輸入信號對系統(tǒng)進(jìn)行測試測試結(jié)果與理論計(jì)算相同。無誤差，系統(tǒng)很精確。

5 結(jié)論

本文的任務(wù)就是利用LabVIEW設(shè)計(jì)諧波測量系統(tǒng)。主要得到以下兩方面的結(jié)論：

5.1 虛擬儀器技術(shù)適合于諧波測量等高要求的工程測量，它用虛擬儀器技術(shù)構(gòu)建諧波測量儀器與傳統(tǒng)的測量儀器相比其開發(fā)效率、性價比及可操作性、可維護(hù)性等方面都具有明顯的優(yōu)勢。

5.2 利用LabVIEW編程設(shè)計(jì)了諧波測量系統(tǒng)，達(dá)到了傳統(tǒng)諧波測量所具有的基本功能。并通過了驗(yàn)證。

參考文獻(xiàn)：

[1]周學(xué)湛等.《虛擬儀器與LabVIEW 7Express程序設(shè)計(jì)》.北京：航空航天大學(xué)出版社.2003.

[2]楊樂平等.《LabVIEW程序設(shè)計(jì)與應(yīng)用》北京：電子工業(yè)出版社.2002.