谐波测量

电子测量技术ＥＬＥｃＴＲＯＮＩＣＭＥＡｓＵＲＥＭＥＮＴＴＢＣＨＮＯＬＯＧＹ第３０卷第１０期

２００７年１０月

基于ＬａｂＶＩＥＷ的电谐波测量系统设计。

李森１１２李迪１

（Ｌ华南理工大学机械工程学院广州５１０６４０；２．电子科技大学中山学院中山５２８４９３）

摘要：本文采用ＬａｂⅥＥｗ图形化软件编程实现了原来用硬件实现的ＦＦｒ变换、滤波，信号的缩放等一系列功能。

硬件方面采用具于ｐｃＩ总线的Ｐｌｃ和传感器电路。谐波是电能质量问题的重要方面，本文重点对谐波进行分析，并给

出了相应的实现方法。关键词：虚拟仪器，谐渡｝数字信号处理

中图分类号：ＴＰ２７３文献标识码：Ｂ

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０引言

电能质量关系重大，已引起世界各国的广泛重视，其

中美、日等发达国家已进行了多年的研究，取得了许多重

要的理论和应用成果。一方面采取种种可能的技术措施．

抑制电能质量的恶化，使其尽量得到改善；另一方面在系

统中的特殊位置装设专门的电能监视装置，准确及时地检

测出电能质量方面存在的问题。到目前为止，国内对电能

质量的检测分析手段比较落后，大部分产品还停留在用单

片机制作监控设备，只能进行简单检测分析的阶段，国外

同类产品相对国内产品进步一些。功能也相对齐全，但这

些产品一方面价格昂贵，另一方面功能模块固定，升级维

护复杂，不能满足用户多方面的需要。鉴于这种情况，很

有必要引入新技术开发出一种全新的电能质量监测装置，

能够对电力系统电能质量进行实时准确的检测分析，基于

这个想法，把当前测控领域最先进的技术——虚拟仪器技

术引入到电力系统中来，用它作为主要工具，来研制电能

质量检测装置。虚拟仪器技术是诞生于２９世纪９０年代的

新一代测控技术，该技术具有强大的用户自定义功能、开

发周期短、成本低廉以及实用范围广、维护升级方便等众

－基金项目：广东省科技规划资助项目（２００５１２１００４４）多优点被迅速推广应用到众多行业中，电力行业当然也不

例外。大量案例表明，采用虚拟仪器技术，具有开发迅速、

成本低廉、使用简单、功能强大且随时可扩展等特点，利用

它来开发电能质量检测装置，能够在技术上和经济上都能

较好地满足现场实际需要。

１电谐波分析方法

工作在正弦稳态情况下，电力网电压可表示为：“（ｆ）＝凰ｉｎ∞ｆ＋口）（１）

式中：ｕ为电压的有效值，其幅值为以ｕ；ａ为初相角，且

ｏｏ∞；２丌，一等ｆ甜、，、Ｔ分别为角频率、频率、周期。幅值、初

相角和角频率是确定正弦波的３个特征量，通常称为正弦

波的３个要素。

近年来，随着工业的迅速发展，工业部门大量使用电

力电子设备和应用电力整流和换流技术，产生了大量谐波

注入电网。国际公认的谐波定义为，谐波是一个周期电气

量的正弦波分量，其频率为基波频率的整倍数。这一定义

明确界定谐波次数ｎ必须是正整数，这与电磁兼容标准的

问谐波、次谐渡和分数谐波等概念不同。谐波注入后产生

・６９・

万方数据的畸变波形如图１所示。

４００３∞２００ｌ∞蓍ｏ‘ｌ∞

ｏｏｏ。３００

０００２５００５００７５Ｏｌ时间

图１谐波注入后产生的畸变波形

由于电力系统谐波具有很强的随机性，工程上大多是

以实际测量结果作为处理问题的依据。目前，电谐波测量

按实现方法区分为频域测量法和时域测量法两大类。

频域测量法的基本原理是使用模拟滤波器将输人信

号的各次谐波分量分离出来，滤波器的输出实际上是输入

信号和滤波器脉冲响应的卷积，在频域中它相当于两个频

率响应的乘积，因此从滤波器得到的信号为频谱。

时域测量方法的基本原理是对信号进行离散化处理

后变成数量序列，由离散傅里叶变换（Ⅸ叮）或快速傅里叶

（盯Ｔ）计算各次谐波的幅值及相位等参数。

ＦＦＴ变换方法作为经典的信号分析方法，已十分成

熟，ＦＦｒ是离散傅里叶变换（Ⅸ叮）的一种快速算法，在信

号处理领域得到了广泛的应用。近年来国内外生产的各种谐波分析装置大都采用Ｆ兀’方法进行。运用Ｆｎ’方

法必须满足２个条件：

（１）满足采样定理，即采样频率必须大于信号最高频

率的两倍，即香农采样定理；

（２）被分析的波形必须是稳态的、随时间周期性变化。

２系统硬件设计

基于虚拟仪器构建的数据采集系统中，数据采集卡为

最重要的硬件设备，它提供了真实信号与软件之间的连接

作用。本设计采用ＮＩ公司基于ＰＣＩ总线的Ｍ系列数据

采集板卡ＰｃＩ＿６２２１，其基本参数如表１所示。

衰ｌＭ系列数据采集板卡Ｐｃｌ《２２１基本参数

电能质量检测要充分考虑采集数据的连续性和实时

性，因此数据采集卡的高速率非常重要，Ｍ系列数据采集

板卡具备ＦＩＦ０电路作为ＡＤＣ的输入缓存，以保证连续数

据采集时不丢失数据，另外，为了保证高速数据吞吐，Ｍ系

列数据采集板卡还具备ＤＭＡ（直接内存访问）的能力，即

采集到数据不通过ｃＰＵ，直接通过ＰｃＩ总线传输到ＲＡＭ

・７０・中，从而大大提高了ｃＰｕ的使用效率，实现了数据的高速

吞吐。其原理如图２所示。信一雷匪嚣

图２数据采集卡ＤＭＡ原理图

Ｍ系列数据采集板卡有３种不同的信号连接方式：差

分ＤＩＦＦ、参考单端ＲｓＥ和非参考单端ＮＲｓＥ。

２．１差分连接

在差分测试系统中信号的正负极分别接入两个通道，

所有输入信号各自有自己的参考点。通常差分测试系统

是一种比较理想的测试系统，因为它不仅可以抑制接地回

路感应误差，而且在一定程度上抑制拾取的环境噪声。当

输入信号有以下情况时，使用差分测试系统：

（１）低电平信号（例如小于１Ｖ）。

（２）信号电缆比较长或者没有屏蔽，环境噪声比较大。

（３）任何一个输入信号要求单独查考点。

接线方式具体如图３所示。

图３差分测试系统接线图

２．２参考单端连接

尽管差分测试系统足一种比较理想的选择，但是单端

测试系统可以使用两倍的测试通道。单端测试系统所有

的信号都参考一个公共参考点即仪器放大器的负极。当

输入信号符合以下条件时可以使用争端测试系统；

（１）高电平信号（通常大于５Ｖ）

（２）比较短或有台适屏蔽的电缆，环境无噪声。

（３）所有信号可以共享一个公共参考点。

接线方式具体如图４所示。

图４单端测试系统接线图

２．３非参考单端连接

非参考单端测试系统用于测试接地信号。与参考单

端测试系统不同的是因为所有输入信号都已经接地了，所

万方数据：奎壅量！叁主窒！堡！塑塞堡堡型重垒丝堡苎篁！！塑

以信号参考点不需要再接地。接线方式具体如图５所示。Ｆ葶

图５非参考单端测试系统接线图

由于本文的采集是针对互感器的信号，是浮动信号，

且输出的幅度太于５Ｖ。通过实验和实际测量的要求，本

文选择参考单端作为信号的连接方式，由于是针对３相电

能质量的参数采集，一共要占用３个测量通道，信号通过

数据采集卡内部高速的切换开关对信号进行切换，其连接

的示意图如图６所示。

多略复用

３软件设计图６数据采集卡内部接线图

软件的设计包括数据采集卡的配置、信号的分析处

理、数据的记录和软件的人机界面。基于ＬａｂｖＩＥｗ的电

能质量参数采集系统，信号处理在整个软件设计中占据非

常重要的地位。谐波的测量主要是通过傅里叶变换得出

不同频率下对应信号的幅值，也就是信号的幅频特性。信

号的时域显示（采样点的幅值）可以通过离散傅里叶变换（Ⅸ叮）的方法转换为频域显示。为了快速计算Ｄ兀’，通常

采用一种快速傅里叶变换（阡Ｔ）的方法。当信号的采样

点数是２的幂时，就可以采用这种方法。在设置数据采集

卡采样速率时设置了每次采样ｌ０２４个点，因此符合快速

傅里叶变换的要求。

计算机只能处理有限长度的信号，原信号ｚ（￡）要以Ｔ

（采样时间或采样长度）截断，即有限化。有限化也称为加

“矩形窗”或“不加窗”。矩形窗将信号突然截断，这在频域

造成很宽的附加频率成分，这些附加频率成分在原信号

ｚ（ｆ）中其实是不存在的。一般将这一问题称为有限化带来的泄漏问题。泄偏使得原来集中在，０上的能量分散到全

部频率轴上。泄漏带来许多问题如：

（１）使频率曲线产生许多。皱纹”（ｉｐｐｌｅ），较大的皱纹

可能与小的共振峰值混淆｝

（２）如信号为两幅值一大一小频率很接近的正弦波合

成，幅值较小的一个信号可能被淹没，（３），ｏ附近曲线过于平缓，无法准确确定，Ｄ的值。

泄漏现在之所以产生，主要是由于矩形窗函数的频谱

中除了主瓣外，还有许多旁瓣，从而造成能量部分集中在

确定频率处，而有部分能量泄漏到其他频率上，为了减少

泄漏来的误差，则应当选择旁瓣衰减较大的窗函数，将利

于减小频谱泄漏。

通过比较，在本设计中用ＦＦＴｅ印ｒ＊ｓⅥ作为分析主

模块，选择海宁窗对信号作加窗处理，算出信号的幅频特性，其程序配置框图如图７所示。

图７信号的幅频特性程序配置框图

信号在ＦＦＴ变换以后得到的是波形数据，可以在示渡

器上显示，但是不易准确地读出不同频率下所对应的谐波幅值。通过使用动态数据到数组的Ｅ印ｒｅｓｓⅥ进行转换。

可以得到不同频率下所对应谐波幅值的准确大小，然后由

数组索引得出，对于图１所示波形进行测试，其规一化结

果如表２所示。

表２实验结果

４结论

随着我国电力供应的日益充足和各种新型设备的投

入使用，电能质量问题受到广泛的重视，鉴于这一要求。

本文以虚拟仪器ＬａｂＶⅢｗ软件为核心，结合相应的硬件

构建了一套电谐波检测系统。在实验室经过测试，仪器的

各项功能正常，能够较好测得相应谐波数据，非常便于计

算机进行自动化配电控制所用。

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万方数据