基于虛擬儀器技術的諧波分析系統

武劍

（內蒙古工業大學理學院，內蒙古呼和浩特 010051）

近年來，電力電子元器件的使用帶來的電網諧波污染日益嚴重，對電能質量要求的不斷提高使得諧波的綜合治理受到了廣泛重視。虛擬儀器技術是在計算機技術的基礎上發展起來的，它結合了計算機總線技術、微電子技術和測量技術，是計算機技術和儀器技術相結合的新技術。虛擬儀器技術利用計算機系統和模塊化硬件的功能，結合高效靈活的軟件來完成各種測試測量和自動化應用，有效克服了傳統儀器在測試的靈活性、測量精度、后期維護和擴展等方面的局限性。虛擬儀器以其諸多優點被廣泛應用在測量測試領域。

文中重點介紹了虛擬儀器LabVIEW 開發平臺中對非Ni 公司數據采集卡的驅動控制，通過驅動程序來控制數據采集卡采集測量信號的數據，在LabVIEW 中設計實現電能質量部分主要指標的軟件測量算法。在主要的系統諧波分析部分，對穩態諧波采用快速傅里葉變換（Fast Fourier Transform,FFT）進行實時分析，對突變信號通過小波變換算法進行識別和定位，實現了基于虛擬儀器技術的諧波分析功能。

1 系統設計

系統采用北京優采測控技術公司的UA301A 型A/D 數據采集卡，該采集卡在LabVIEW 中不能直接被驅動，但它提供了一個動態鏈接庫（Dynamic Link Library，DLL），其中的采集和控制函數可以支持實現UA301A 采集器的各種功能，LabVIEW 提供了調用庫函數節點（Call Library Function Node，CLFN）和代碼接口節點（Code Interface Node，CIN）的功能，在以上節點中指定LabVIEW 與動態鏈接庫進行數據交換的驅動函數，對動態鏈接庫合理配置就可以實現DLL 的調用。驅動程序流程圖如圖1 所示。

由LabVIEW 驅動程序結合上述采集卡完成數據采集過程。圖2 為數據采集驅動程序。在采集前首先設置采樣通道、頻率、采樣點數、增益等參數，采樣后的數據被存入UA301A 的FIFO 中，最終通過USB 總線經驅動程序的緩沖區讀入上位機。

在系統測量功能的軟件設計部分，完成電壓電流信號的頻率、幅值譜、諧波參數、功率參數等電能參數的測量，歷史波形數據保存等功能，以及上述各參數測試的顯示界面設計。例如對于諧波分析，參考諧波測試與分析的主要依據和相關標準，需要顯示各相電壓諧波含量、各次諧波的含有率和總諧波畸變率等參數來進行諧波分析模塊控制面板的布局設計。程序采用模塊化設計的思路，各個模塊可以獨立運行，同時也可以被系統當作子程序調用，這樣既有利于各部分的單獨調試，也方便后期對系統功能進行修改，使系統具有較強的升級和移植能力。在前期確定整體功能的基礎上進行程序設計和調試，先實現各子程序的單獨調試，當所有功能模塊都調試完成后，最終進行測試分析系統整合。系統總體分為數據采集、數據分析與處理、數據存儲三個基本模塊和用戶管理、參數設置等一些輔助模塊。各部分實現各自功能，并且可以通過數據流在程序內部聯系，由此實現系統的整體功能。系統總體結構如圖3所示。

系統主界面如圖4 所示。主界面包括系統控制功能和采樣參數設置，可以設置采樣通道、采樣頻率等參數，界面實時顯示測量結果，通過標簽選項按鈕的切換能夠詳細顯示各項數據和圖表的結果。

頻譜測量部分調用LabVIEW 中的FFT 節點。在前面板輸入要分析的諧波次數后，可以由快速傅里葉變換計算得到相應頻率下諧波的幅值參數以及所選取采樣通道的有效值。信號采樣序列經FFT 節點可獲得該序列的快速傅里葉變換結果，然后經過模角變換等處理得到測量信號幅頻特性。頻譜測量程序如圖5 所示。

諧波分析部分主要測量各次諧波的含有率、總諧波畸變率THD 和諧波含量。諧波參數測量前面板可顯示采樣信號波形和各次諧波含有率柱狀圖以及總諧波畸變率變化趨勢圖。根據諧波參數測量原理，由快速傅里葉變換得到的各次諧波幅值可計算得到各次諧波含有率、總諧波畸變率THD 和諧波含量。

暫態信號分析部分利用LabVIEW 提供的對Matlab 進行調用的方法，通過Matlab Script 節點方式實現數據傳遞。但需要注意的是，LabVIEW 和Matlab 對數據類型的定義是不同的，調用時需特別注意腳本節點內外數據類型的匹配，若不匹配則會出現運行錯誤。利用Matlab 小波工具箱的函數通過選擇合適的小波，正交小波分解算法能有效識別信號突變點的位置。暫態信號分析界面如圖7 所示。

2 仿真實驗

為了驗證系統性能，采用信號發生器對含有豐富諧波的方波信號進行采集測量，同時對諧波測試結果進行分析。

方波的傅里葉級數表達式如下所示：

由上式可以看出，方波信號的幅值只含有基波和奇次諧波分量，無直流分量和偶次諧波，其頻譜具有離散性和收斂性。方波信號頻譜如圖8 所示。

在諧波參數測量部分，根據測量結果，方波信號各次諧波含有率最高相對誤差為13 次諧波的1.36%，總諧波畸變率相對誤差為4.3%，諧波含量相對誤差為2.8%。方波信號的諧波含有率直方圖如圖9 所示。系統測量模塊基本實現了對諧波的準確測量，但通過與理論值比較可知，測量結果存在一定誤差，主要有采集卡的A/D 轉換精度、算法引起的誤差以及系統的隨機誤差等，這些因素都會影響測量結果的準確性。

3 結論

文中以虛擬儀器技術為核心，在LabVIEW 平臺下開發了一種諧波分析系統，通過仿真驗證了其可實現電壓穩態諧波的測量分析以及對信號突變點的檢測識別。與傳統測量手段相比，該系統充分利用了軟件的優勢，為虛擬儀器技術在諧波檢測與分析領域的廣泛使用提供了一種具有參考價值的方法。