虛擬儀器技術(shù)在諧波檢測(cè)系統(tǒng)中的應(yīng)用研究

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

　　1 引 言

　　一般而言，理想電力系統(tǒng)應(yīng)具有單一頻率、單一波形、若干電壓等級(jí)的電能屬性。當(dāng)電壓、電流為同樣波形、同頻、同相位時(shí)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(zhuǎn)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(duì)不大，因而危害并不明顯。但是，隨著電力電子技術(shù)的飛速發(fā)展，各種電力電子裝置得到廣泛應(yīng)用的同時(shí)也給電力系統(tǒng)帶來(lái)了嚴(yán)重的污染；而現(xiàn)代工商業(yè)的用電設(shè)備也對(duì)電能質(zhì)量提出了更高的要求。因此，如何正確檢測(cè)諧波，進(jìn)而抑制電網(wǎng)諧波，提高電能質(zhì)量已成為當(dāng)今電工學(xué)科研究的熱點(diǎn)問(wèn)題之一。
　　
　　2 電力系統(tǒng)諧波的檢測(cè)

　　電力系統(tǒng)諧波檢測(cè)問(wèn)題是目前電工學(xué)科急需解決的難題之一?，F(xiàn)有諧波檢測(cè)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(cè)法、基于瞬時(shí)無(wú)功功率理論的檢測(cè)法、基于傅里葉變換的檢測(cè)方法、基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的檢測(cè)法、基于自適應(yīng)對(duì)消原理的檢測(cè)法、基于小波分析的檢測(cè)法。

　　2.1 常用諧波檢測(cè)方法

　　2.1.1模擬濾波器法

　　模擬濾波器有兩種，一是通過(guò)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(cè)電流相減后得到諧波電流分量，其原理和電路結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，造價(jià)低，能濾除一些固有頻率的諧波；缺點(diǎn)是：誤差大，實(shí)時(shí)性差，電網(wǎng)頻率變化時(shí)尤其明顯；對(duì)電路元件參數(shù)十分敏感，參數(shù)變化時(shí)檢測(cè)效果明顯變差。

　　2.1.2基于無(wú)功功率的方法

　　1984年日本學(xué)者赤木泰文等人提出了基于瞬時(shí)無(wú)功功率的理論，并在此基礎(chǔ)上提出了兩種諧波電流的檢測(cè)方法：p-g法和ip-iq法，它是目前有源濾波器(Active Power Filter簡(jiǎn)稱APF)中應(yīng)用最廣的檢測(cè)諧波電流方法，對(duì)于諧波和無(wú)功補(bǔ)償裝置的研究和開發(fā)起了極大的推動(dòng)作用。這兩種方法都能準(zhǔn)確地測(cè)量對(duì)稱的三相三線制電路的諧波值。

　　近幾年，國(guó)內(nèi)外許多學(xué)者對(duì)瞬時(shí)無(wú)功功率理論進(jìn)行了研究和發(fā)展，并提出廣義瞬時(shí)無(wú)功功率理論，在此基礎(chǔ)上提出基于廣義瞬時(shí)無(wú)功功率理論的諧波檢測(cè)方法，已初步應(yīng)用與工程實(shí)踐?；趶V義瞬時(shí)無(wú)功功率理論與瞬時(shí)無(wú)功功率理論一樣，在解決諧波總量實(shí)時(shí)檢測(cè)方面比較方便，而對(duì)各次諧波檢測(cè)則達(dá)不到要求。
　　
　　2.1.3基于傅里葉變換的方法

　　1822年法國(guó)數(shù)學(xué)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(jí)數(shù)的原理，從而奠定了傅里葉級(jí)數(shù)(Fourier Progression，F(xiàn)P)與傅里葉變換(Fourier Transformation，F(xiàn)T)的理論基礎(chǔ)。二者后來(lái)被統(tǒng)稱為傅里葉分析(Fourier Analysis。FA)。1965年美國(guó)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?qū)嵺`，成為大家愛不釋手的一種數(shù)學(xué)工具。FFT是當(dāng)今諧波檢測(cè)中應(yīng)用最廣泛的一種諧波檢測(cè)方法，相關(guān)的研究文獻(xiàn)不計(jì)其數(shù)。目前，在電力系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)諧波檢測(cè)中大多數(shù)采用快速傅里葉變換及其改進(jìn)算法。

　　2.1.4基于智能控制的方法

　　近年來(lái)，隨著智能控制的不斷成熟，智能控制方法在諧波的檢測(cè)和分析方面取得了長(zhǎng)足的進(jìn)步。智能控制的方法比如神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)方法、遺傳算法、模糊控制算法等方法在提高計(jì)算能力、對(duì)任意連續(xù)函數(shù)的逼近能力、學(xué)習(xí)理論及動(dòng)態(tài)網(wǎng)絡(luò)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(lǐng)域還得到實(shí)際應(yīng)用，如模式識(shí)別與圖像處理、控制與優(yōu)化、預(yù)測(cè)與管理、通信等。

　　其中神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用于電力系統(tǒng)諧波檢測(cè)尚屬起步階段，它主要有三方面的應(yīng)用：(1)諧波源辨識(shí)；(2)電力系統(tǒng)諧波預(yù)測(cè)；(3)諧波檢測(cè)。將神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用于諧波檢測(cè)，主要涉及網(wǎng)絡(luò)構(gòu)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(yīng)用

　　如上所述，現(xiàn)在使用的諧波檢測(cè)方法種類很多。比較而言，隨著計(jì)算機(jī)硬件、軟件技術(shù)和軟件功能、能力的不斷提升，對(duì)于傅里葉變換法來(lái)說(shuō)，大量的計(jì)算已經(jīng)不是太大的問(wèn)題，所以我們有可能拋棄復(fù)雜的算法，使用計(jì)算機(jī)軟硬件結(jié)合系統(tǒng)來(lái)實(shí)現(xiàn)過(guò)去認(rèn)為不適用的想法和做法。比如，隨著虛擬儀器技術(shù)的發(fā)展我們可以使用虛擬儀器軟件編寫程序來(lái)完成所需要的功能，同時(shí)使用軟件包所提供的函數(shù)可以較為容易的實(shí)現(xiàn)過(guò)去認(rèn)為非常復(fù)雜的函數(shù)功能和計(jì)算步驟。

　　基于傅里葉變換的諧波測(cè)量是當(dāng)今應(yīng)用最多也是最廣泛的一種方法。它由離散傅里葉變換過(guò)渡到快速傅里葉變換的基本原理構(gòu)成，這種方法根據(jù)采集到的1個(gè)周期的電流值或電壓值進(jìn)行計(jì)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(guò)傅里葉變換器得出所需的誤差信號(hào)，再將該誤差進(jìn)行Fourier反變換，即可得補(bǔ)償信號(hào)。

　　2.2.1諧波的傅里葉級(jí)數(shù)表示法

　　傅里葉變換方法的核心是使用傅里葉級(jí)數(shù)對(duì)信號(hào)進(jìn)行分析和處理，以期望得到信號(hào)的時(shí)間-頻率特性圖。一般來(lái)說(shuō)，任何周期波形都可以被展開為傅里葉級(jí)數(shù)，如下式所示：

　　對(duì)于待測(cè)的電流電壓波形來(lái)說(shuō)，可以將發(fā)生畸變后的波形展開成傅里葉級(jí)數(shù)，可用下式來(lái)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(shù)
　　虛擬儀器(Virtual Instrument)是由計(jì)算機(jī)、儀用輔助電路及相應(yīng)的軟件組成，是計(jì)算機(jī)技術(shù)與儀器技術(shù)相結(jié)合的產(chǎn)物。在儀器設(shè)計(jì)中，通常利用專用虛擬儀器開發(fā)平臺(tái)，組建圖形化虛擬儀器面板，完成對(duì)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(hào)的調(diào)理、輸入和輸出功能，軟件才是整個(gè)儀器的核心。

　　3.1與傳統(tǒng)儀器比較

　　虛擬儀器是計(jì)算機(jī)技術(shù)在儀器儀表領(lǐng)域的應(yīng)用所形成的一種全新的儀器設(shè)計(jì)概念，它與傳統(tǒng)儀器比較，顯示出眾多的優(yōu)點(diǎn)：(1)"測(cè)試集成"和虛擬儀器庫(kù)；(2)用戶有更高的參與性；(3)可充分利用計(jì)算機(jī)技術(shù)的成果。虛擬儀器的上述優(yōu)點(diǎn)可以使建立測(cè)試實(shí)驗(yàn)室的難度和成本大大降低；還能加快系統(tǒng)開發(fā)速度；因?yàn)樘摂M儀器有豐富的外部接口?？梢猿浞掷脙?yōu)秀的計(jì)算機(jī)軟件成果(如MATLAB的數(shù)據(jù)處理功能)組建功能強(qiáng)大的測(cè)試系統(tǒng)。而且還可把專家設(shè)計(jì)思想融于設(shè)計(jì)中，使沒(méi)有經(jīng)驗(yàn)的儀器設(shè)計(jì)師也能在很短的時(shí)間內(nèi)完成復(fù)雜的測(cè)試系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。

　　3.2常見的虛擬儀器系統(tǒng)

　　通常虛擬儀器的測(cè)試系統(tǒng)硬件組成包括被測(cè)部件、傳感器部件、信號(hào)調(diào)理及信號(hào)采集部件(如外置或內(nèi)置數(shù)據(jù)采集卡、圖形圖像采集卡及攝像機(jī)及其用于輔助測(cè)量并能于計(jì)算機(jī)通訊的常規(guī)儀器等)和通用計(jì)算機(jī)。系統(tǒng)軟件部分通常用專用的虛擬儀器開發(fā)語(yǔ)言(如LabVIEW)編寫而成。圖1給出了通用虛擬儀器系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)方案框圖。

　　4 使用虛擬儀器構(gòu)建電力系統(tǒng)諧波分析系統(tǒng)

　　LabVIEW是一個(gè)優(yōu)秀的虛擬儀器開發(fā)平臺(tái)，它基于圖形語(yǔ)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(lái)創(chuàng)建虛擬儀器的前面板；它使用圖標(biāo)、連線來(lái)編寫程序，而不是傳統(tǒng)編程語(yǔ)言的文本語(yǔ)句對(duì)于開發(fā)測(cè)量測(cè)試系統(tǒng)有重要的意義。LabVIEW以圖標(biāo)的形式提供了進(jìn)行經(jīng)典的信號(hào)分析和處理的很多函數(shù)，比如，數(shù)字濾波、窗函數(shù)、相關(guān)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(xué)工具另外它還提供聯(lián)合時(shí)頻分析，小波變換等信號(hào)處理工具包。技術(shù)人員只要進(jìn)入這個(gè)平臺(tái)，通過(guò)調(diào)用控件圖標(biāo)就可以輕松構(gòu)建高性能的測(cè)量?jī)x器。

　　4.1 系統(tǒng)的硬件組成

　　系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì)框圖如圖2所示，圖中信號(hào)轉(zhuǎn)換電路的作用是將被測(cè)的y電壓和大電流轉(zhuǎn)換為-5 V到+5 V的電信號(hào)，在信號(hào)轉(zhuǎn)換電路的內(nèi)部還包含有抗干擾、濾波等電路。信號(hào)調(diào)理模塊采用研華的ADAM5017模塊，采集卡采用美國(guó)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(diǎn)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(guò)壓保護(hù)：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(jié)構(gòu)

　　諧波測(cè)試系統(tǒng)軟件是一個(gè)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(jì)算程序。大體結(jié)構(gòu)框圖如圖3所示。

　　根據(jù)系統(tǒng)設(shè)計(jì)目的，結(jié)合以上程序模塊結(jié)構(gòu)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?qū)Σㄐ蔚恼{(diào)節(jié)；
　　(3)能夠?qū)χC波進(jìn)行計(jì)算、生成諧波的頻率-幅值曲線；
　　(4)能夠計(jì)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(jié)果

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

　　5 結(jié)束語(yǔ)

　　本文使用虛擬儀器軟件搭建了一個(gè)電力系統(tǒng)諧波檢測(cè)和分析系統(tǒng)，從所得程序和圖形可知基本完成了預(yù)計(jì)的功能。這個(gè)系統(tǒng)還在諧波總畸變率的計(jì)算方面做了一些工作，并且可以通過(guò)調(diào)整模擬信號(hào)的頻率和幅值得到不同的諧波畸變率。雖然實(shí)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(jì)算值，可以使用改進(jìn)的加窗傅里葉變換算法，而窗函數(shù)也是LabVIEW的一個(gè)強(qiáng)項(xiàng)，在隨后的工作中，計(jì)劃在現(xiàn)有基礎(chǔ)上進(jìn)一步比較窗函數(shù)的用法，并把它用在畸變率的計(jì)算上期望能夠得到更為滿意的結(jié)果。