虛擬儀器技術在諧波檢測系統(tǒng)中的應用研究

1．新疆產(chǎn)品質量監(jiān)督檢驗研究院，新疆 烏魯木齊 830017；
2．新疆特種設備檢驗研究院，新疆 烏魯木齊 830000；
3．新疆工業(yè)高等?？茖W校，新疆 烏魯木齊 830091；

　　1 引 言

　　一般而言，理想電力系統(tǒng)應具有單一頻率、單一波形、若干電壓等級的電能屬性。當電壓、電流為同樣波形、同頻、同相位時為電能傳輸?shù)淖罡咝誓Ｊ?。這同樣也是電力產(chǎn)品生產(chǎn)、輸送、轉換力求保證的最佳電能形式。雖然，在以往的電力系統(tǒng)中正弦波形被畸變的現(xiàn)象就已存在，但由于其功率相對不大，因而危害并不明顯。但是，隨著電力電子技術的飛速發(fā)展，各種電力電子裝置得到廣泛應用的同時也給電力系統(tǒng)帶來了嚴重的污染；而現(xiàn)代工商業(yè)的用電設備也對電能質量提出了更高的要求。因此，如何正確檢測諧波，進而抑制電網(wǎng)諧波，提高電能質量已成為當今電工學科研究的熱點問題之一。
　　
　　2 電力系統(tǒng)諧波的檢測

　　電力系統(tǒng)諧波檢測問題是目前電工學科急需解決的難題之一?，F(xiàn)有諧波檢測方法按照原理可分為模擬濾波器法、基于傳統(tǒng)功率定義檢測法、基于瞬時無功功率理論的檢測法、基于傅里葉變換的檢測方法、基于神經(jīng)網(wǎng)絡的檢測法、基于自適應對消原理的檢測法、基于小波分析的檢測法。

　　2.1 常用諧波檢測方法

　　2.1.1模擬濾波器法

　　模擬濾波器有兩種，一是通過濾波器濾除基波電流分量，得到諧波電流分量；二是用帶通濾波器得出基波分量，再與被檢測電流相減后得到諧波電流分量，其原理和電路結構簡單，造價低，能濾除一些固有頻率的諧波；缺點是：誤差大，實時性差，電網(wǎng)頻率變化時尤其明顯；對電路元件參數(shù)十分敏感，參數(shù)變化時檢測效果明顯變差。

　　2.1.2基于無功功率的方法

　　1984年日本學者赤木泰文等人提出了基于瞬時無功功率的理論，并在此基礎上提出了兩種諧波電流的檢測方法：p-g法和ip-iq法，它是目前有源濾波器(Active Power Filter簡稱APF)中應用最廣的檢測諧波電流方法，對于諧波和無功補償裝置的研究和開發(fā)起了極大的推動作用。這兩種方法都能準確地測量對稱的三相三線制電路的諧波值。

　　近幾年，國內外許多學者對瞬時無功功率理論進行了研究和發(fā)展，并提出廣義瞬時無功功率理論，在此基礎上提出基于廣義瞬時無功功率理論的諧波檢測方法，已初步應用與工程實踐?；趶V義瞬時無功功率理論與瞬時無功功率理論一樣，在解決諧波總量實時檢測方面比較方便，而對各次諧波檢測則達不到要求。
　　
　　2.1.3基于傅里葉變換的方法

　　1822年法國數(shù)學家傅里葉(J.Fourier)首次提出并證明了將周期函數(shù)展開為正弦級數(shù)的原理，從而奠定了傅里葉級數(shù)(Fourier Progression，F(xiàn)P)與傅里葉變換(Fourier Transformation，F(xiàn)T)的理論基礎。二者后來被統(tǒng)稱為傅里葉分析(Fourier Analysis。FA)。1965年美國Cooly和Tukey兩人提出快速傅里葉變換(Fast Fourier Transformation，F(xiàn)FT)之后，F(xiàn)A才真正從理論走向實踐，成為大家愛不釋手的一種數(shù)學工具。FFT是當今諧波檢測中應用最廣泛的一種諧波檢測方法，相關的研究文獻不計其數(shù)。目前，在電力系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)諧波檢測中大多數(shù)采用快速傅里葉變換及其改進算法。

　　2.1.4基于智能控制的方法

　　近年來，隨著智能控制的不斷成熟，智能控制方法在諧波的檢測和分析方面取得了長足的進步。智能控制的方法比如神經(jīng)網(wǎng)絡方法、遺傳算法、模糊控制算法等方法在提高計算能力、對任意連續(xù)函數(shù)的逼近能力、學習理論及動態(tài)網(wǎng)絡的穩(wěn)定性分析等方面都取得了豐碩的理論成果，在許多領域還得到實際應用，如模式識別與圖像處理、控制與優(yōu)化、預測與管理、通信等。

　　其中神經(jīng)網(wǎng)絡應用于電力系統(tǒng)諧波檢測尚屬起步階段，它主要有三方面的應用：(1)諧波源辨識；(2)電力系統(tǒng)諧波預測；(3)諧波檢測。將神經(jīng)網(wǎng)絡應用于諧波檢測，主要涉及網(wǎng)絡構建、樣本的確定和算法的選擇。

　　2.2傅里葉變換法的原理和應用

　　如上所述，現(xiàn)在使用的諧波檢測方法種類很多。比較而言，隨著計算機硬件、軟件技術和軟件功能、能力的不斷提升，對于傅里葉變換法來說，大量的計算已經(jīng)不是太大的問題，所以我們有可能拋棄復雜的算法，使用計算機軟硬件結合系統(tǒng)來實現(xiàn)過去認為不適用的想法和做法。比如，隨著虛擬儀器技術的發(fā)展我們可以使用虛擬儀器軟件編寫程序來完成所需要的功能，同時使用軟件包所提供的函數(shù)可以較為容易的實現(xiàn)過去認為非常復雜的函數(shù)功能和計算步驟。

　　基于傅里葉變換的諧波測量是當今應用最多也是最廣泛的一種方法。它由離散傅里葉變換過渡到快速傅里葉變換的基本原理構成，這種方法根據(jù)采集到的1個周期的電流值或電壓值進行計算，得到該電流所包含的諧波次數(shù)以及各次諧波的幅值和相位系數(shù)，將擬抵消的諧波分量通過傅里葉變換器得出所需的誤差信號，再將該誤差進行Fourier反變換，即可得補償信號。

　　2.2.1諧波的傅里葉級數(shù)表示法

　　傅里葉變換方法的核心是使用傅里葉級數(shù)對信號進行分析和處理，以期望得到信號的時間-頻率特性圖。一般來說，任何周期波形都可以被展開為傅里葉級數(shù)，如下式所示：

　　對于待測的電流電壓波形來說，可以將發(fā)生畸變后的波形展開成傅里葉級數(shù)，可用下式來表示：
 

　　式中Ih表示第h次諧波峰值電流；Vh表示第h次諧波峰值電壓；φh表示第h次諧波電流相位；θh表示第h次諧波電壓相位；ω0表示基波角頻率。

　　2.2.2電壓和電流的畸變因數(shù)

　　電壓畸變因數(shù)VDF也稱為電壓總諧波畸變率THDV，定義為：

　　類似地，電流畸變因數(shù)CDF，也稱為電流諧波畸變率THDI，定義為：

　　3 虛擬儀器技術
　　虛擬儀器(Virtual Instrument)是由計算機、儀用輔助電路及相應的軟件組成，是計算機技術與儀器技術相結合的產(chǎn)物。在儀器設計中，通常利用專用虛擬儀器開發(fā)平臺，組建圖形化虛擬儀器面板，完成對儀器的控制、數(shù)據(jù)的采集、數(shù)據(jù)分析和顯示功能。在虛擬儀器中，儀器硬件僅起著信號的調理、輸入和輸出功能，軟件才是整個儀器的核心。

　　3.1與傳統(tǒng)儀器比較

　　虛擬儀器是計算機技術在儀器儀表領域的應用所形成的一種全新的儀器設計概念，它與傳統(tǒng)儀器比較，顯示出眾多的優(yōu)點：(1)"測試集成"和虛擬儀器庫；(2)用戶有更高的參與性；(3)可充分利用計算機技術的成果。虛擬儀器的上述優(yōu)點可以使建立測試實驗室的難度和成本大大降低；還能加快系統(tǒng)開發(fā)速度；因為虛擬儀器有豐富的外部接口?？梢猿浞掷脙?yōu)秀的計算機軟件成果(如MATLAB的數(shù)據(jù)處理功能)組建功能強大的測試系統(tǒng)。而且還可把專家設計思想融于設計中，使沒有經(jīng)驗的儀器設計師也能在很短的時間內完成復雜的測試系統(tǒng)的設計。

　　3.2常見的虛擬儀器系統(tǒng)

　　通常虛擬儀器的測試系統(tǒng)硬件組成包括被測部件、傳感器部件、信號調理及信號采集部件(如外置或內置數(shù)據(jù)采集卡、圖形圖像采集卡及攝像機及其用于輔助測量并能于計算機通訊的常規(guī)儀器等)和通用計算機。系統(tǒng)軟件部分通常用專用的虛擬儀器開發(fā)語言(如LabVIEW)編寫而成。圖1給出了通用虛擬儀器系統(tǒng)實現(xiàn)方案框圖。

　　4 使用虛擬儀器構建電力系統(tǒng)諧波分析系統(tǒng)

　　LabVIEW是一個優(yōu)秀的虛擬儀器開發(fā)平臺，它基于圖形語言，編程界面形象直觀，提供各種旋鈕、波形圖等控制與顯示元件，用來創(chuàng)建虛擬儀器的前面板；它使用圖標、連線來編寫程序，而不是傳統(tǒng)編程語言的文本語句對于開發(fā)測量測試系統(tǒng)有重要的意義。LabVIEW以圖標的形式提供了進行經(jīng)典的信號分析和處理的很多函數(shù)，比如，數(shù)字濾波、窗函數(shù)、相關分析、頻譜分析等等；還有微分、積分、傅氏變換、拉氏變換等各種數(shù)學工具另外它還提供聯(lián)合時頻分析，小波變換等信號處理工具包。技術人員只要進入這個平臺，通過調用控件圖標就可以輕松構建高性能的測量儀器。

　　4.1 系統(tǒng)的硬件組成

　　系統(tǒng)的總體設計框圖如圖2所示，圖中信號轉換電路的作用是將被測的y電壓和大電流轉換為-5 V到+5 V的電信號，在信號轉換電路的內部還包含有抗干擾、濾波等電路。信號調理模塊采用研華的ADAM5017模塊，采集卡采用美國NI(National Instrument)公司的NI6023E板卡，該板卡有16通道單精度和8通道模擬量微分輸入兩種輸入方式；其主要特點有：16／8通道模擬量輸入；有效分辨率12位；通道：六路差分、兩路單端；輸入類型：mV、V、mA；輸入范圍：±500mV、±50mV、±5V、±10V、(4～20)mA、±20mA；隔離電壓：3000 VDC；故障和過壓保護：可抗±11V電壓；采樣速率：200kHz(一共)；輸入阻抗：電壓輸入阻抗100GΩ、電流輸入阻抗125Ω；精度：±0.1％或更好；電源要求：(+1～+20)VDC等。

 
　　4.2系統(tǒng)的軟件結構

　　諧波測試系統(tǒng)軟件是一個統(tǒng)一的整體，但大體上可以分為三塊程序：數(shù)據(jù)采集模塊、圖形界面顯示程序和諧波計算程序。大體結構框圖如圖3所示。

　　根據(jù)系統(tǒng)設計目的，結合以上程序模塊結構圖可知，系統(tǒng)能夠完成以下功能：

　　(1)能夠完成采集、顯示并記錄電壓和電流波形數(shù)據(jù)；
　　(2)能夠模擬電壓、電流波形數(shù)據(jù)，并在界面上能夠對波形的調節(jié)；
　　(3)能夠對諧波進行計算、生成諧波的頻率-幅值曲線；
　　(4)能夠計算出電壓、電流的THD值。

　　根據(jù)以上要求編寫一系列虛擬儀器程序框圖程序，其中諧波總畸變率程序模塊如圖4所示。

 
　　4.3分析結果

　　通過以上軟硬件系統(tǒng)的構建，以及對電流、電壓信號的采集，對諧波畸變現(xiàn)象的監(jiān)測和分析，特別是通過使用虛擬儀器軟件的組件和函數(shù)來完成系統(tǒng)，發(fā)現(xiàn)使用LabVIEW軟件中的函數(shù)來分析諧波問題有很多便利之處。如圖5所示，通過圖形界面可以非常直觀的看出，各個諧波份量所占的比重，以及各次諧波對總量的影響，還可以直接讀出總諧波畸變率。

　　5 結束語

　　本文使用虛擬儀器軟件搭建了一個電力系統(tǒng)諧波檢測和分析系統(tǒng)，從所得程序和圖形可知基本完成了預計的功能。這個系統(tǒng)還在諧波總畸變率的計算方面做了一些工作，并且可以通過調整模擬信號的頻率和幅值得到不同的諧波畸變率。雖然實現(xiàn)了這些功能，但是如前述分析可知，如想獲得更為精確的諧波計算值，可以使用改進的加窗傅里葉變換算法，而窗函數(shù)也是LabVIEW的一個強項，在隨后的工作中，計劃在現(xiàn)有基礎上進一步比較窗函數(shù)的用法，并把它用在畸變率的計算上期望能夠得到更為滿意的結果。