劉含露 林綠浩

（湖北咸寧供電公司，湖北 咸寧 437100）

伴隨著現(xiàn)代工業(yè)化的快速發(fā)展，各種非線(xiàn)性負(fù)荷例如變頻裝置、換流設(shè)備、電氣化鐵道、電弧爐以及節(jié)能燈和電視機(jī)等在電網(wǎng)中越來(lái)越廣泛地被采用。由于非線(xiàn)性負(fù)荷引起的諧波和間諧波反饋到電網(wǎng)中，導(dǎo)致公用電網(wǎng)中的電壓/電流波形產(chǎn)生畸變，嚴(yán)重的污染以至于影響電網(wǎng)環(huán)境。間諧波會(huì)產(chǎn)生閃變，導(dǎo)致屏幕閃爍，造成濾波器諧振、過(guò)負(fù)荷，引起感應(yīng)線(xiàn)圈噪聲，干擾電力載波通信以及引起過(guò)零點(diǎn)檢測(cè)誤差等，對(duì)電網(wǎng)中的電力設(shè)備的安全運(yùn)行造成巨大危害。國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)諧波已經(jīng)進(jìn)行了大量研究，間諧波由于其本身頻率是基波的非整數(shù)倍，幅值又遠(yuǎn)小于基波和諧波的幅值的特點(diǎn)，檢測(cè)的難度也遠(yuǎn)大于諧波。隨著對(duì)諧波研究的深入，間諧波引起的危害也越來(lái)越受到人們的關(guān)注。我國(guó)于 2009年頒布了《公用電網(wǎng)間諧波 GB/T 24337-2009》[1]，并于2010年開(kāi)始實(shí)施。新標(biāo)準(zhǔn)的頒布可以看出電力部門(mén)越來(lái)越重視間諧波對(duì)電網(wǎng)危害，因此，對(duì)間諧波進(jìn)行測(cè)量和治理具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。

1 間諧波檢測(cè)方法

在理論研究和實(shí)際應(yīng)用方面，現(xiàn)有的間諧波檢測(cè)算法主要有：加窗FFT算法[2]、參數(shù)化譜估計(jì)[3]、小波變換[4]、人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)等[5]。文獻(xiàn)[6]中提出一種新的離散傅里葉變換和迭代算法的計(jì)算方法來(lái)檢測(cè)間諧波，并稱(chēng)之為迭代傅里葉（IDFT）算法。

IDFT算法是一種基于離散傅里葉變換和迭代算法的頻譜分析方法，該算法的原理是，首先對(duì)信號(hào)選取矩形窗內(nèi)信號(hào)基于核函數(shù)的變換，再取該變換同無(wú)窮時(shí)間區(qū)間上信號(hào)的傅里葉變換偏差的平方為目標(biāo)函數(shù)，通過(guò)解這個(gè)目標(biāo)函數(shù)最小的微分方程來(lái)得到一個(gè)核函數(shù)表達(dá)式，然后根據(jù)求得的矩形窗內(nèi)信號(hào)的基于該核函數(shù)的變換，通過(guò)迭代求解出信號(hào)中各分量的頻率，最后根據(jù)間諧波的特點(diǎn)，推導(dǎo)出求解間諧波參數(shù)（主要是幅值和相位）的表達(dá)式。

2 LabView實(shí)現(xiàn)IDFT算法

LabView利用控件圖標(biāo)和連線(xiàn)將復(fù)雜、籠統(tǒng)的語(yǔ)言編程簡(jiǎn)化為簡(jiǎn)單的圖形化編程[7]，將用戶(hù)從復(fù)雜的編程工作中解放出來(lái)。但是當(dāng)所編寫(xiě)的程序較為復(fù)雜的時(shí)候，程序框圖里面的控件和數(shù)據(jù)的連線(xiàn)分布很密，程序的可讀性較差，并且影響程序的修改和編輯。

2.1 調(diào)用Mathscript節(jié)點(diǎn)實(shí)現(xiàn)IDFT算法測(cè)量間諧波

LabView中帶有各種功能不同的節(jié)點(diǎn)，MathScript節(jié)點(diǎn)是其中之一[8]。在程序框圖中選中控件選板，MathScript節(jié)點(diǎn)處于“函數(shù)—編程—結(jié)構(gòu)”模板中，MathScript節(jié)點(diǎn)的特殊性就在于它是LabView中唯一的一個(gè)與Matlab腳本語(yǔ)法兼容、可以運(yùn)行Matlab中 M文件的節(jié)點(diǎn)。并且在 LabView中使用MathScript節(jié)點(diǎn)進(jìn)行編程運(yùn)算時(shí)，我們無(wú)需安裝Matlab軟件就可以使用MathScript節(jié)點(diǎn)，進(jìn)行M文件的建立及執(zhí)行。

IDFT算法首先是用Matlab語(yǔ)言編寫(xiě)的，因此在實(shí)現(xiàn) IDFT算法時(shí)，我們首先考慮到的是利用Mathscript節(jié)點(diǎn)直接調(diào)用已經(jīng)寫(xiě)好的M文件。通過(guò)LabView數(shù)據(jù)采集卡采集數(shù)據(jù)，將采集到的數(shù)據(jù)由Matlab程序進(jìn)行處理計(jì)算，最后通過(guò)LabView前面板顯示間諧波的測(cè)量結(jié)果。

在文獻(xiàn)[8]中葉介紹了利用Mathscript節(jié)點(diǎn)進(jìn)行間諧波測(cè)量的方法。但是在對(duì)間諧波進(jìn)行實(shí)時(shí)測(cè)量時(shí)，隨著時(shí)間的增加數(shù)據(jù)量會(huì)不斷的增大。而計(jì)算機(jī)的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)容量有限，如果將數(shù)據(jù)以二進(jìn)制的形式保存則可以計(jì)算機(jī)的存儲(chǔ)節(jié)約空間，因此選擇先將測(cè)量的數(shù)據(jù)以二進(jìn)制的形式進(jìn)行保存，這樣數(shù)據(jù)內(nèi)存的占有空間就小得多。利用 Mathscript節(jié)點(diǎn)實(shí)現(xiàn) IDFT算法的程序框圖如圖 1所示，中間的Mathscript節(jié)點(diǎn)中的程序即為IDFT算法的M文件。程序用一個(gè) While循環(huán)來(lái)保證程序的連續(xù)運(yùn)行采集數(shù)據(jù)。點(diǎn)擊運(yùn)行程序后，首先創(chuàng)建一個(gè)名為Binaryfile.date的二進(jìn)制文件，并將其屬性選擇僅寫(xiě)入，并且由用戶(hù)選擇將二進(jìn)制文件保存的位置；其次數(shù)據(jù)采集卡進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，Mathscript節(jié)點(diǎn)里的程序?qū)⒉杉降男盘?hào)進(jìn)行分析計(jì)算處理，同時(shí)測(cè)量到的間諧波的幅值/頻率/相位以數(shù)組的形式不斷的寫(xiě)入二進(jìn)制文件，并且將幅值、相位和頻率通過(guò)創(chuàng)建XY圖的形式在前面板生成幅頻圖和相頻圖；最后程序停止運(yùn)行并且關(guān)閉二進(jìn)制文件。

圖1 Mathscript節(jié)點(diǎn)實(shí)現(xiàn)IDFT算法程序框圖

這樣測(cè)量得到的二進(jìn)制文件是不可讀的，需要轉(zhuǎn)化成可讀的文本文件。利用LabView編寫(xiě)讀取二進(jìn)制文件程序，程序通過(guò)順序結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)先讀取數(shù)據(jù)再寫(xiě)入Excel保存，間諧波測(cè)量結(jié)果寫(xiě)入Excel的程序圖如圖2所示。

圖2 間諧波測(cè)量結(jié)果寫(xiě)入Excel程序框圖

2.2 利用LabView自帶函數(shù)實(shí)現(xiàn)IDFT算法測(cè)量間諧波

在調(diào)用Matlab節(jié)點(diǎn)進(jìn)行間諧波測(cè)量時(shí)，由于軟件需要通過(guò)調(diào)用外部的節(jié)點(diǎn)來(lái)進(jìn)行間諧波的測(cè)量計(jì)算，這樣程序運(yùn)行的時(shí)間就不便于控制，也就是在采樣時(shí)間上不能得到精確地控制，調(diào)用Matlab節(jié)點(diǎn)會(huì)使程序運(yùn)行上面有延誤。LabView中自帶有相當(dāng)多的函數(shù)，IDFT算法從計(jì)算上來(lái)看主要是通過(guò)矩陣的計(jì)算，不斷的迭代來(lái)實(shí)現(xiàn)的，因此可以考慮完全利用LabView中自帶的函數(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)IDFT算法，以減小由于調(diào)用外部節(jié)點(diǎn)進(jìn)行計(jì)算而引起的時(shí)間上的延誤。運(yùn)用LabView自帶函數(shù)實(shí)現(xiàn)IDFT算法的程序框圖如圖3所示。

圖3 LabView自帶函數(shù)實(shí)現(xiàn)IDFT算法程序框圖

3 測(cè)量結(jié)果

為了驗(yàn)證 IDFT算法的準(zhǔn)確性，進(jìn)行了采用LabView自帶函數(shù)實(shí)現(xiàn) IDFT算法測(cè)量間諧波的仿真實(shí)驗(yàn)。設(shè)仿真信號(hào)為

式中，采樣時(shí)間分別為0.2s和0.12s，采樣的頻率為1000Hz。仿真結(jié)果如圖4和圖5所示。

圖4 采樣時(shí)間為0.2s時(shí)間諧波檢測(cè)圖

圖5 采樣時(shí)間為0.12s時(shí)間諧波檢測(cè)圖

從圖4、圖5可以看出，采用LabView自帶函數(shù)實(shí)現(xiàn) IDFT算法準(zhǔn)確的檢測(cè)出了間諧波。幅頻圖上波峰周?chē)姆笛杆傧陆?，說(shuō)明受頻譜泄漏的影響非常的小。當(dāng)ts=0.12s時(shí)，并沒(méi)有受到柵欄效應(yīng)的影響，測(cè)量出的間諧波的頻率、幅值和相位仍然準(zhǔn)確，一般都是采取更短的采樣時(shí)間來(lái)避免非同步采樣的影響，當(dāng)采樣時(shí)間更短時(shí)，IDFT仍然能夠準(zhǔn)確的檢測(cè)出間諧波，說(shuō)明 IDFT算法受非同步采樣的影響非常的小。

4 結(jié)論

文章介紹了兩種編程方法在LabView軟件上實(shí)現(xiàn)了 IDFT算法的間諧波檢測(cè)。一種通過(guò)調(diào)用MathScript節(jié)點(diǎn)實(shí)現(xiàn) IDFT算法，LabView中的MathScript節(jié)點(diǎn)在運(yùn)行時(shí)不需要安裝任何第三方軟件（Matalb等），在LabView環(huán)境中即可完成Matlab中 M 文件的創(chuàng)建和執(zhí)行。該方法通過(guò)直接調(diào)用Matlab中的M文件實(shí)現(xiàn)算法，缺點(diǎn)是由于外部調(diào)用節(jié)點(diǎn)程序的運(yùn)行時(shí)間難以控制；考慮到調(diào)用MathScript節(jié)點(diǎn)實(shí)現(xiàn)IDFT算法時(shí)，程序打開(kāi)和運(yùn)行時(shí)間都相對(duì)滯后，是否可以完全利用LabView軟件中自帶的函數(shù)及控件實(shí)現(xiàn) IDFT算法，這就是第二種實(shí)現(xiàn)方法：完全利用LabView軟件中自帶的函數(shù)及控件實(shí)現(xiàn) IDFT算法，無(wú)需調(diào)用其他軟件的文件來(lái)實(shí)現(xiàn)程序，程序運(yùn)行時(shí)間可以得到控制，進(jìn)行間諧波的測(cè)量，準(zhǔn)確的檢測(cè)出了間諧波的成分含量。其次考慮到間諧波檢測(cè)時(shí)的數(shù)據(jù)量較大，選擇將測(cè)量的數(shù)據(jù)通過(guò)寫(xiě)入二進(jìn)制文件保存，再通過(guò)讀取二進(jìn)制文件將測(cè)量到的間諧波的頻率/幅值/相位以及圖形在 Excel文件中顯示，便于測(cè)量人員直接觀察電網(wǎng)中的間諧波含量。兩種方法都準(zhǔn)確的檢測(cè)出了間諧波的成分含量，并且檢測(cè)結(jié)果受頻譜泄漏和非同步采樣的影響非常小，提高了測(cè)量的準(zhǔn)確性。

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