武劍

（內(nèi)蒙古工業(yè)大學(xué)理學(xué)院，內(nèi)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(wǎng)諧波污染日益嚴重，對電能質(zhì)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(shù)是在計算機技術(shù)的基礎(chǔ)上發(fā)展起來的，它結(jié)合了計算機總線技術(shù)、微電子技術(shù)和測量技術(shù)，是計算機技術(shù)和儀器技術(shù)相結(jié)合的新技術(shù)。虛擬儀器技術(shù)利用計算機系統(tǒng)和模塊化硬件的功能，結(jié)合高效靈活的軟件來完成各種測試測量和自動化應(yīng)用，有效克服了傳統(tǒng)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(yōu)點被廣泛應(yīng)用在測量測試領(lǐng)域。

文中重點介紹了虛擬儀器LabVIEW 開發(fā)平臺中對非Ni 公司數(shù)據(jù)采集卡的驅(qū)動控制，通過驅(qū)動程序來控制數(shù)據(jù)采集卡采集測量信號的數(shù)據(jù)，在LabVIEW 中設(shè)計實現(xiàn)電能質(zhì)量部分主要指標的軟件測量算法。在主要的系統(tǒng)諧波分析部分，對穩(wěn)態(tài)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(xiàn)了基于虛擬儀器技術(shù)的諧波分析功能。

1 系統(tǒng)設(shè)計

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

由LabVIEW 驅(qū)動程序結(jié)合上述采集卡完成數(shù)據(jù)采集過程。圖2 為數(shù)據(jù)采集驅(qū)動程序。在采集前首先設(shè)置采樣通道、頻率、采樣點數(shù)、增益等參數(shù)，采樣后的數(shù)據(jù)被存入UA301A 的FIFO 中，最終通過USB 總線經(jīng)驅(qū)動程序的緩沖區(qū)讀入上位機。

在系統(tǒng)測量功能的軟件設(shè)計部分，完成電壓電流信號的頻率、幅值譜、諧波參數(shù)、功率參數(shù)等電能參數(shù)的測量，歷史波形數(shù)據(jù)保存等功能，以及上述各參數(shù)測試的顯示界面設(shè)計。例如對于諧波分析，參考諧波測試與分析的主要依據(jù)和相關(guān)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(shù)來進行諧波分析模塊控制面板的布局設(shè)計。程序采用模塊化設(shè)計的思路，各個模塊可以獨立運行，同時也可以被系統(tǒng)當作子程序調(diào)用，這樣既有利于各部分的單獨調(diào)試，也方便后期對系統(tǒng)功能進行修改，使系統(tǒng)具有較強的升級和移植能力。在前期確定整體功能的基礎(chǔ)上進行程序設(shè)計和調(diào)試，先實現(xiàn)各子程序的單獨調(diào)試，當所有功能模塊都調(diào)試完成后，最終進行測試分析系統(tǒng)整合。系統(tǒng)總體分為數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)分析與處理、數(shù)據(jù)存儲三個基本模塊和用戶管理、參數(shù)設(shè)置等一些輔助模塊。各部分實現(xiàn)各自功能，并且可以通過數(shù)據(jù)流在程序內(nèi)部聯(lián)系，由此實現(xiàn)系統(tǒng)的整體功能。系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)如圖3所示。

系統(tǒng)主界面如圖4 所示。主界面包括系統(tǒng)控制功能和采樣參數(shù)設(shè)置，可以設(shè)置采樣通道、采樣頻率等參數(shù)，界面實時顯示測量結(jié)果，通過標簽選項按鈕的切換能夠詳細顯示各項數(shù)據(jù)和圖表的結(jié)果。

頻譜測量部分調(diào)用LabVIEW 中的FFT 節(jié)點。在前面板輸入要分析的諧波次數(shù)后，可以由快速傅里葉變換計算得到相應(yīng)頻率下諧波的幅值參數(shù)以及所選取采樣通道的有效值。信號采樣序列經(jīng)FFT 節(jié)點可獲得該序列的快速傅里葉變換結(jié)果，然后經(jīng)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(shù)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(jù)諧波參數(shù)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(tài)信號分析部分利用LabVIEW 提供的對Matlab 進行調(diào)用的方法，通過Matlab Script 節(jié)點方式實現(xiàn)數(shù)據(jù)傳遞。但需要注意的是，LabVIEW 和Matlab 對數(shù)據(jù)類型的定義是不同的，調(diào)用時需特別注意腳本節(jié)點內(nèi)外數(shù)據(jù)類型的匹配，若不匹配則會出現(xiàn)運行錯誤。利用Matlab 小波工具箱的函數(shù)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(tài)信號分析界面如圖7 所示。

2 仿真實驗

為了驗證系統(tǒng)性能，采用信號發(fā)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(jié)果進行分析。

方波的傅里葉級數(shù)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(shù)測量部分，根據(jù)測量結(jié)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(tǒng)測量模塊基本實現(xiàn)了對諧波的準確測量，但通過與理論值比較可知，測量結(jié)果存在一定誤差，主要有采集卡的A/D 轉(zhuǎn)換精度、算法引起的誤差以及系統(tǒng)的隨機誤差等，這些因素都會影響測量結(jié)果的準確性。

3 結(jié)論

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