（机械电子工程专业论文）基于虚拟仪器的谐波检测系统.pdf

：乙二i ：i 独创性声明 本人声明所呈交的论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研 究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他 人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得北京工业大学或其它教育机构 的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均 已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 关于论文使用授权的说明 本人完全了解北京工业大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权 保留送交论文的复印件，允许论文被查阅和借阅；学校可以公布论文的全部或部 分内容，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。 ( 保密的论文在解密后应遵守此规定) 签名：协 一导师签名：日期：塑! ! ：堑：! 摘要 摘要 随着电力系统非线性负载的不断增加，电网中的谐波污染也越来越严重。 谐波造成电能质量恶化，并对设备的正常运行造成了有害影响，会严重影响电网 安全运行。谐波治理势在必行，而首要解决的问题就是谐波检测和分析，确切掌 握电网中谐波的实际情况。因此，本文针对电力系统检测实时性强、高运算精度 和大数据量运算等要求，设计了基于虚拟仪器的谐波检测系统，实现对电力系统 谐波的实时检测。 本论文主要内容是虚拟谐波检测仪的设计开发。论文首先论述了国内外谐 波研究的现状以及谐波检测技术的发展，说明研制谐波检测装置的必要性，其次 对谐波检测所依据的理论进行了研究，针对快速傅立叶变换算法存在的频谱泄漏 等问题进行了改进，采用加窗插值的f f t 算法进行谐波分析。为更好的应用虚 拟仪器技术完成谐波测试仪的开发，本文还将谐波测试仪的总体设计方案和各模 块程序设计做了具体介绍。最终使用通用计算机、开发软件l a b v i e w 和n i 公 司的u s b 6 2 1 0 采集卡，成功的研究开发出虚拟谐波测试仪。该仪器可完成实时 数据采集、显示、存储及数据的进一步的处理，实现了系统参数测量、结果分析、 数据保存等功能。 实验结果表明，本系统能够有效地检测电力系统中的电压、电流波形以及 谐波分量等，具有较高的精度和很好的实时性，能够满足谐波检测的实际要求， 具有一定的实用价值。此外本文还对系统的误差来源和影响做出了详细分析。 关键词虚拟仪器；谐波检测；数据采集；f f t 北京工业大学t 学硕士学位论文 a b s t r a c t w i t ht h ew i d ea p p l i c a t i o no fv a r i o u sk i n d so fn o n l i n e rl o a d s ，t h eh a r m o n i c p o l l u t i o ni sm o r ea n dm o r es e r i o u s n eq u a l i t yo fe l e c t r i ce n e r g yi sb a d l yi n f l u e n c e d b yt h eh a r m o n i c s ，w h i c hi sa l s oh a r m f u lt ot h ep o w e re q u i p m e n to p e r a t i o n i ft h e h a r m o n i cc a nn o tb ec o n t r o l l e d i tw i l la f f e c tt h ew h o l ee l e c t r i cn e tr u n n i n gs a f e t h e h a r m o n i cp o l l u t i o nc o n t r o li si n e v i t a b l e i no r d e rt od e t e c ta c c u r a t eh a r m o n i cc o n t e n t o ft h ep o w e rs y s t e m ，t h em o s ti m p o r t a n tp r o b l e mt os o l v ei sh a r m o n i cd e t e c ta n d a n a l y s i s s oa c c o r d i n gt oe l e c t r i c a ls y s t e mr e q u i r e m e n to f r e a l - t i m ep e r f o r m a n c e ，h i g h p r o c e s s i n gp r e c i s i o na n dh u g ea m o u n to fd a t at ob ep r o c e s s e d ，as y s t e mb a s e do n v i r t u a li n s t r u m e n t ，w h i c hi su s e dt om e a s u r ep o w e rp a r a m e t e r sa n dh a r m o n i c ，i s p r o p o s e di nt h i sp a p e r t h em a i nc o n t e n t so ft h i sp a p e ri sav i r t u a lh a r m o n i cd e t e c t i o nd e v i c e sd e s i g n a n dd e v e l o p m e n t f i r s t l y , p a p e rs e t so u tt h es t u d yo ft h es t a t u sa th o m ea n da b r o a d ， a n dt h ed e v e l o p m e n to ft h eh a r m o n i cd e t e c t i o nt e c h n o l o g y 1 1 1 i st e s t st h en e c e s s a r yo f s t u d y i n gt h eh a r m o n i cd e t e c t i o nd e v i c e s s e c o n d l y , t h et h e o r yo fh a r m o n i cd e t e c t i o n a l g o r i t h mi si n t r o d u c e di n t h i sp a p e r , s o m ec u r r e n tm e t h o d su s i n gi nh a r m o n i c a n a l y s i sa r ec o m p a r e d a c c o r d i n gt ot h em e t h o db a s e do nf a s tf o u r i e rt r a n s f o r m ( f f t ) i nc o n i n 1 0 nu s e dt od e a lw i mt h eh a r m o n i cm e a s u r e m e n th a v et h ef r e q u e n c y s p e c t r u ml e a ka n do t h e rp r o b l e m s u s i n gw i n d o wf u n c t i o n sa n di n t e r p o l a t e df f t a l g o r i t h mf o rh a r m o n i ca n a l y s i s i n o r d e rt o g e tb e t t e ra p p l i c a t i o no fv i r t u a l i n s t r u m e n tt e c h n o l o g yt oc o m p l e t et h ed e v e l o p m e n to fh a r m o n i cd e t e c t o r , t h eo v e r a l l d e s i g ns c h e m eo fh a r m o n i cd e t e c t o ri si n t r o d u c e da n dt h ep r o g r a mo fe a c hm o d u l ei s d e s i g n e di nt h i sa r t i c l e t h ev i r t u a lh a r m o n i cd e t e c t i o ns y s t e mi s s u c c e s s f u ll y r e s e a r c h e da n dd e v e l o p e db yu s i n gc o m m o nc o m p u t e r , l a b v i e ws o f t w a r ea n dn i s u s b 6 210 c a p t u r ec a r d t h ev i r t u a lh a r m o n i cd e t e c t o rc a nb ec o m p l e t e di nr e a l - t i m e d a t aa c q u i s i t i o n ，d i s p l a y , s t o r a g ea n df u r t h e rp r o c e s s i n g 1 1 1 ed e t e c t o ra l s oc a i lb e r e a l i z e dt h ed e t e r m i n a t i o no fs y s t e mp a r a m e t e r s ，t h er e s u l t so fa n a l y s i s ，d a t ar e t e n t i o n a n do t h e rf u n c t i o n s f i n a l l y , t h ee x p e r i m e n tr e s u l th a sb e e np r o v e dt h a tt h ev i r t u a lh a r m o n i cd e t e c t i o n s y s t e mh a sf u l f i l l e dt h et e c h n i c a lr e q u i r e m e n t so fr e a l t i m ec h a r a c t e ra n da c c u r a c y ，s o t h ep r o j e c th a ss o m ep r a c t i c a lv a l u e m o r e o v e r , d e t a i l e de r r o ra n a l y s i so ft h e e x p e r i m e n t a lr e s u l t si sa l s og i v e n k e y w o r d s v i r t u a li n s t r u m e n t ；h a r m o n i cd e t e c t ；d a t aa c q u i s i t i o n ；f f t i i 目录 目录 摘要i a b s t r a c t i i 目录i i i 第1 章绪论1 1 1 课题背景。1 1 2 谐波相关知识1 1 2 1 谐波的产生1 1 2 2 谐波的危害2 1 3 课题研究现状3 1 3 1 谐波研究现状3 1 - 3 2 谐波检测仪器的发展3 1 4 虚拟仪器简介5 1 4 1 虚拟仪器的特点6 1 4 2 虚拟仪器的系统构成7 1 5 课题研究意义与内容9 1 5 1 课题研究意义9 1 5 2 课题研究内容1o 第2 章谐波检测的理论依据1 l 2 n 皆波定义及相关参数1 l 2 2 谐波检测常用方法1 4 2 3 谐波分析算法研究1 6 2 3 1 离散傅立叶变换( d f t ) 计算原理1 7 2 3 2 快速傅立叶变换( f f t ) 计算原理1 8 2 3 3f f t 算法中存在的问题及解决方案2 0 2 4 加窗插值的f f t 算法2 1 2 5 本章小结2 4 第3 章系统总体设计方案2 5 3 1 系统的技术要求2 5 3 1 1 谐波测量标准2 5 3 1 2 系统的功能要求。2 6 3 1 3 系统设计构思2 7 3 2 系统硬件平台研究2 7 3 2 1 数据采集原理2 8 3 2 2 采集卡的选择及介绍3 0 i 北京t 业大学工学硕十学位论文 3 3 软件总体设计方案3 3 3 4 本章小结3 4 第4 章谐波检测系统的软件设计3 5 4 1 系统主界面设计3 5 4 2 数据采集程序设计3 6 4 3 频谱分析程序设计3 7 4 4 数据分析程序设计3 8 4 5 本章小结4 0 第5 章实验结果及误差分析4 1 5 1 仿真4 1 5 2 实验电路构建4 2 5 2 1 传感器的选择4 3 5 2 2 信号调理电路4 4 5 - 3 参数测量与分析4 6 5 3 1 谐波频谱测量4 6 5 3 2 实验结果验证。4 7 5 4 误差分析4 7 5 5 本章小结4 8 结论4 9 参考文献5 l 攻读硕士学位期间所发表的学术论文5 4 致谢5 5 i v 第1 章绪论 1 1 课题背景 第1 章绪论 随着科学技术和国民经济的发展，各行各业对电力系统的供电质量的要求越 来越高n 1 ，电力供应的理想状态是用户端能够得到固定频率和幅值的电压与电 流。而实际上，自从交流电投入应用以来，这样的理想状态从来就没有实现过。 尤其是2 0 世纪8 0 年代末以来，随着现代电力电子技术的广泛应用，由电力电子 开关的强制开合，电弧炉以及大容量电机的启动与停机，电力系统负载不平衡所 引起的谐波污染日趋严重乜1 。而现代工业技术中广泛采用精密的仪器设备、复杂 的控制系统，加上电子设备的普遍应用，使得电力负荷对电能质量的要求越来越 高1 ，电能质量已成为电力部门及其用户日益关注的问题州。 公网供电质量的日益恶化，甚至发生因谐波干扰而引发的安全事故，严重的 威胁着电力系统的安全与稳定运行，同时对用户用电设备的正常工作和工农业生 产的持续高效产生十分不利的影响畸3 。在工业应用场合，电动机在额定功率下电 源电压的偏差不超过5 时才能维持额定出力，频率降低会使汽轮机的叶片承 受压力加大，严重时会发生机械共振，使叶片断裂。电网谐波含量增加，将导致 电气设备寿命缩短，电网损耗增大，同时可能引起继电保护和自动装置误动作等 一系列问题。在电力传输过程中，负载功率因数降低会使输电线、变压器和发电 机的附加电能损失增大。三相电压不平衡( 即存在负序分量) 会引起电机附加振动 力矩和发热，一些保护也会因负序的干扰而误动作晦喝1 。目前谐波问题以及如何 使它们处于控制之下的方法是常规的电力系统分析的主要课题。 谐波测量是谐波问题中的一个重要分支，也是研究分析谐波问题的出发点和 主要依据。谐波测量的主要作用有：鉴定实际电力系统及谐波源用户的谐波水 平是否符合标准的规定，包括对所有谐波源用户的设备投运时的测量。电气设 备调试、投运时的谐波测量，以确保设备投运后电力系统和设备的安全及经济运 行。谐波故障或异常原因的测量。谐波专题测试，如谐波阻抗、谐波潮流、 谐波谐振和放大等旧1 。 1 2 谐波相关知识 1 2 1 谐波的产生 在电力系统中，产生波形畸变的元件或设备就是“谐波源”。而我国国家标 北京工业大学工学硕十学位论文 准电能质量公用电网谐波( g b t 1 4 5 4 9 9 3 ) 把谐波源定义为：“向公用电网注 入谐波电流或在公用电网中产生谐波电压的电气设备 1 2 o 具体来说，电网谐波 主要来自三个方面n 3 14 j ：一是发电源质量不高产生谐波；二是输配电系统产生谐 波；三是用电设备产生谐波。主要原因有以下两个方面： ( 1 ) 发电机由于三相绕组在制作上很难做到绝对对称，铁心也很难做到绝对 均匀一致和其它的一些原因，发电源会产生谐波，但一般很少。输配电系统中主 要是电力变压器产生谐波，它的大小与磁路的结构形式、铁心的饱和程度有关。 ( 2 ) 电力系统负荷端大量的大功率换流设备和调压装置的广泛应用产生的谐 波，如荧光灯、电弧炉、变频设备、家用电器等。这些用电设备具有非线性特性， 即使供给的是标准的正弦波电压，也会产生谐波电流注入系统，给电网造成大量 的谐波，甚至会因为参数配置问题使得局部区域产生放大，由用电设备产生的谐 波所占比例很大，是电网主要的谐波源。 1 2 2 谐波的危害 目前，谐波对电力系统电磁环境的污染不仅危害系统本身的安全，而且对广 大电力用户的危害面也是十分广泛。归纳起来其主要危害有n 5 。1 6 1 ： ( 1 ) 消耗无功，增加线路损耗，增加设备温度； ( 2 ) 引起设备过载，恶化绝缘条件，缩短设备寿命； ( 3 ) 降低负载工作性能( 如可能引起电机的机械振动) ； ( 4 ) 无功补偿电容器组可能引起谐波电流的放大，甚至造成谐振； ( 5 ) 对继电保护、自动控制装置和计算机系统产生干扰和造成误动作； ( 6 ) 影响测量仪表的精度，造成电能计量的误差； ( 7 ) 对通信系统和计算机网络产生电磁干扰( e m i ) 等。 除此之外，对自然环境的污染问题早已引起世界各国的重视并且都制定了相 应的环境保护法，对各种污染源排放的容许量加以限制并进行监测和管理。在电 力系统中，各种谐波源产生的谐波也对电力系统环境造成污染，影响到整个电力 系统的电气环境，包括电力系统本身和广大用户，而且其污染影响的范围大，距 离远，可能比一个工厂对大气环境的污染距离还要远，范围还要大。 由于存在上述危害，对于谐波的管理、检测和研究势在必行。电力系统中谐 波的实际测量结果是谐波问题研究的主要依据，也常常是研究分析问题的出发 点。因此，谐波研究对于减轻直至消除这些危害，对于供电和用电设备的节能， 乃至于对整个社会能源利用率的提高，都具有极其重要的意义。 第1 章绪论 1 3 课题研究现状 1 3 1 谐波研究现状 电力系统谐波不是一种新出现的现象，它的历史几乎与电力系统一样久远。 在1 8 9 3 年，美国电工学家、发明家斯坦梅茨，在研究引起电动机过热的原因时， 对与此电动机相连的整个电力网络的多种电气量波形进行分析。他利用傅立叶分 析理论，最终发现电动机过热是由输电线路的谐振引起。这次发现在工程同行业 中引起了对这类问题的关注n 7 。培1 。 二十世纪2 0 年代和3 0 年代初，在德国提出了静态整流器产生的波形畸变问 题。当时在德国，由于使用静止汞弧变流器而造成了电压、电流波形的畸变。各 国电力专家开始认识到了谐波的重要性。1 9 4 5 年j c r e d a 发表的有关变流器谐 波的论文是最早的有关谐波研究的经典论文。 5 0 年代和6 0 年代，由于高压直流输电技术的发展，发表了有关变流器引起 电力系统谐波问题的大量论文。 7 0 年代以来，由于电力电子技术的飞速发展，各种电力电子装置在电力系 统、工业、交通及家庭中的应用日益广泛，谐波所造成的危害也日趋严重。世界 各国都对谐波问题给予很大的关注。国际上召开了多次有关谐波问题的学术会 议，不少国家和国际学术组织都制定了限制电力系统谐波和用电设备谐波的标准 和规定。 1 9 8 2 年，英国的f j j c l a r k e 和j r s t o c k t o n 对同步采样功率测量方法进行了 较深入的研究，对于被测信号含有谐波时，给出了谐波对测量误差的影响。 从八十代起，我国也开始了对交流数字采样技术的研究。1 9 8 8 年清华大学 的戴先中博士提出了准同步采样法，在理论上可使功率测量准确度达到近似理想 同步采样的程度。九十年代初东南大学潘文提出了一种加窗函数法，采用这种方 法可使测量准确度大大提高。 从1 9 8 4 年开始，每两年召开一次的电力系统谐波国际会议( i c h p s ) ，为这 个领域的国际交流提供了直接的渠道，正推动着谐波研究工作的深入开展。 九十年代中期以来，国内重庆大学、哈尔滨工业大学、西安交大等单位及中 科泛华公司等在研究开发虚拟仪器产品，在引进、消化美国n i 公司和h p 公司 产品方面作了一系列有益的工作，并取得了一些较好的成果。 1 3 2 谐波检测仪器的发展 谐波检测仪器的主要功能都是由数据采集、数据分析和数据显示等三大部分 北京工业大学t 学硕士学位论文 组成，发展至今可大体分为：模拟仪器、数字仪器、智能仪器和虚拟仪器口引。 ( 1 ) 模拟仪器模拟仪器主要是以模拟技术来检测信号。这一阶段仪器的基 本结构是电磁机械式的，主要功能是借助指针来显示测量结果。如指针式万用表、 晶体管电压表等都属于模拟仪器。模拟化检测系统特点是功能单一，仪器的结构 复杂，测量精度低，自动化程度低。 ( 2 ) 数字仪器数字仪器将模拟信号的测量转化为数字信号测量，并以数字 方式输出最终结果。这类仪器目前相当普及，如数字电压表、数字频率计等。数 字化检测特点是：响应时间短、测量精度高、读取数据简单快捷、容易与计算机 技术结合。但是它和模拟化检测存在着相同的缺陷。 ( 3 ) 以计算机为核心的智能仪器仪器内置微处理器，既能进行自动检测又 具有一定的数据处理能力，可以取代部分的脑力劳动，习惯上称之为智能仪器。 其功能模块以硬件或固化软件的形式存在。近年来，智能化测量控制仪器的发展 尤为迅速。国内市场上已经出现了多种多样智能化测量仪器，例如，能够自动进 行差压补偿的智能节流式流量计，能够进行程序控温的智能多段温度控制仪，能 够实现数字p i d 和各种复杂控制规律的智能式调节器，以及能够对各种谱图进行 分析和数据处理的智能色谱仪等。但相对虚拟仪器而言，无论是开发还是应用， 都缺乏灵活性。 ( 4 ) 以软件为核心的虚拟仪器虚拟仪器是由计算机硬件资源、模块化仪器 硬件和用于数据分析、过程通讯及图形用户界面的软件组成的检测系统，是一种 通过软件来实现仪器的部分或全部功能。虚拟仪器是传统测量观念的一次巨大变 革，也是谐波参数监测发展的一个重要方向。在虚拟仪器系统中，数据分析和显 示完全用p c 机的软件来完成。因此，使用同一个硬件系统，只要应用不同的软 件编程，就可得到功能完全不同的测量仪器。可见，软件系统是虚拟仪器的核心， “软件就是仪器 。图1 - 1 表明了仪器的发展形态。 模拟仪器 熬扣唆墨纛 函掣一莎戮 图1 - 1 仪器的发展形态 f i g 1 1m o r p h o l o g i c a ld e v e l o p m e n to fi n s t r u m e n t s 虚拟仪器与智能仪器的区别：传统的智能仪器主要是在仪器技术中用了某种 计算机技术，而虚拟仪器是智能仪器发展的新阶段，它则强调在通用的计算机技 术中吸收仪器技术。作为虚拟仪器核心的软件系统具有通用性、通俗性、可视性、 可扩展性和升级性，能为用户带来极大的利益，因此，具有传统的智能仪器所无 第l 章绪论 法比拟的应用前景和市场。 目前在国内外，对谐波进行检测与分析时，绝大部分采用第三代测试仪器一 智能仪器，这种仪器的设计需要花费大量的时间和精力在程序代码的编写上。其 设备主要利用数字技术和硬件来实现。其功能固定，在检测不同指标时，需要更 换相应硬件，大大增加了体积和成本，而且给仪器的升级带来不便，与其它设备 的连接也受限，而且价格昂贵，技术更新慢，开发和维护费用高。 虚拟仪器的出现，改变了这一现状。虚拟仪器是2 0 世纪9 0 年代以来随着计 算机技术、测量仪器技术和软件技术的进步而逐渐发展起来的新的仪器概念。它 是一种具有图形化的逼真面板和必要的仪器硬件以及通信功能的测量系统n 钔。 虚拟仪器通过计算机完成对仪器的控制、数据采集、数据分析及显示等，它 具有结构简单、一机多用、高智能化及精度高等特点。它利用计算机系统的强大 功能，结合相应的硬件，大大突破了传统仪器在数据处理、显示、传送等方面的 限制，使用户可以方便地对其进行维护、扩展和升级，利用强大的计算机软件来 实现原来需要大量硬件才能实现的测试功能，既节省了成本又便于以后升级。因 此，采用虚拟仪器技术开发研制谐波测试仪，是今后谐波测试仪的发展趋势。 1 4 虚拟仪器概述 虚拟仪器( v i r t u a li n s t r u m e n t ，简称v i ) 是1 9 8 6 年由美国国家仪器公司 ( n a t i n o a li n s t r m u n e t ，简称n i ) 首先提出的。所谓虚拟仪器，就是在以计算机为 核心的硬件平台上，其功能由用户设计和定义，具有虚拟面板，其测试功能由测 试软件实现的一种计算机仪器系统。 虚拟仪器的实质是利用计算机显示器的显示功能来模拟传统仪器的控制面 板，以多种形式表达输出检测结果；利用计算机强大的软件功能实现信号数据的 运算、分析和处理；利用i o 接口设备完成信号的采集测量与调理，从而完成各 种测试功能的一种计算机测试系统。使用者用鼠标或键盘操作虚拟面板，就如同 使用一台专用测量仪器一样。图1 2 反映了常见的虚拟仪器构成方案。 图1 - 2 虚拟仪器的构成方案 f i g 1 2c o n s t i t u t i o ns c h e m eo fv i r t u a li n s t r u m e n t 虚拟仪器由软件和硬件两部分组成，突破了传统电子仪器以硬件为主体的模 式，用具有测试软件的计算机实现传统电子仪器的功能。虚拟仪器的硬件是计算 北京工业大学t 学硕七学位论文 机和为其配置的各种传感器( 互感器) 、信号调理器、数据采集器等。计算机及其 配置的电子测量仪器硬件模块组成了虚拟仪器测试硬件平台的基础。软件是虚拟 仪器的灵魂。n i 公司在提出虚拟仪器概念时用“软件就是仪器( s o f t w a r ei s i n s t r u m e n t ) 的口号来表达虚拟仪器的特征，强调了软件在虚拟仪器中极为重要 的位置。 因此测量信号是在软件的控制下，经由电子测量硬件平台的采集，再经电子 计算机的处理，得到最终的测试结果，并以数据、曲线、图形等显示在电子计算 机的终端显示屏上。 1 4 1 虚拟仪器的特点 虚拟仪器是基于计算机的功能化硬件模块和计算机软件构成的电子测试仪 器，而软件是虚拟仪器的核心。其中软件的基础部分是设备驱动软件，而这些标 准的仪器驱动软件使得系统的开发与仪器的硬件变化无关。这是虚拟仪器最大的 优点之一，有了这一点，仪器的开发和换代时间将大为缩短。虚拟仪器中应用程 序将可选硬件( 如g p i b 、v x i 、r s 2 3 2 、d a q 板) 和可重复用库函数等软件结 合在一起，实现了仪器模块间的通信、定时与触发。原码库函数为用户构造自己 的虚拟仪器( v i ) 系统提供了基本的软件模块。由于v i 的模块化、开放性和灵 活性，以及软件是关键的特点，当用户的测试要求变化时可以方便地由用户自己 来增减硬、软件模块，或重新配置现有系统以满足新的测试要求。这样当用户从 一个项目转向另一个项目时，就能简单的构造出新的v i 系统而不丢失已有的硬 件和软件资源。 表1 1 虚拟仪器与传统仪器的比较 t a b 1 1v i r t u a li n s t r u m e n t sc o m p a r e dw i t ht r a d i t i o n a li m t r u m c n t s 传统仪器虚拟仪器 关键是硬件，系统升级成本高，而且要关键是软件，系统升级方便，可通过网 上门进行升级服务，开发周期长络下载升级程序，开发周期短 开发与维护的费用高开发与维护的费川低 技术更新周期长( 周期一般为5 - 1 0 年)技术更新周期短( 周期一般为1 - 2 年) 价格高、体积较大价格低，并且可重用性和可配置性强， 体积较小，便于携带和野外工作 厂商定义仪器功能用户定义仪器功能 系统封闭同定系统开放灵活与计算机的进步同步 不易与其它设备连接极易与其它设备连接 虚拟仪器的优势在于可由用户定义自己的专用仪器系统，且功能灵活，很容 第1 苹绪论 易构建，所以应用面极为广泛，尤其在科研、开发、测量、检测、计量、测控等 领域更是不可多得的好工具。与传统仪器相比的特点可见表1 1 乜。 决定虚拟仪器具有传统仪器不可能具备的特点的根本原因在于“虚拟仪器的 关键是软件 。 1 4 2 虚拟仪器的系统构成 虚拟仪器系统包括硬件和软件两大部分。虚拟仪器的硬件部分根据所采用总 线的不同而异，主要有g p i b 系统、数据采集系统、v x i 系统、p x i 系统和p c 端口式系统以及它们之间的任意组合。 ( 1 ) g p i b ( g e n e r a lp m r p o s ci n t e r f a c eb u s ) 通用接口总线，是计算机和仪器 问的标准通讯协议。典型的g p i b 测试系统包括一台计算机、一块g p i b 接口卡 和若干台g p i b 仪器。g p i b 的数据传输速度一般低于5 0 0 k b s ，不适合于对系统 速度要求较高的应用。主要用于实现对带有g p i b 接口的仪器的控制，组成自动 测试系统。多用在实验室或计量室内对测试速度要求不高的项目，也可用于数据 采集和过程控制昭2 。 ( 2 ) v x i ( v m e b u se x t e n s i o nf o ri n s t r u m e n t a t i o n ) 系统是一种模块化的仪 器系统平台，是v m e 总线在仪器领域的扩展。v x i 系统具有体积小、结构紧凑、 数据传输效率高( 4 0 m b y t e s s ) 、信息吞吐量大、系统可靠性强等特点。用v x i 组成的虚拟仪器，适用于测试工作量大、测试项目复杂、要求测试速度和精度高 且空间狭小环境比较恶劣的地方，多用在高科技和军工部门 2 3 o ( 3 ) p x i ( p c ie x t e n s i o nf o ri n s t r u m e n t a t i o n ) p c i 在仪器领域的扩展，是 n i 公司于1 9 9 7 年发布的一种新的开放性、模块化仪器总线规范。其核心是 c o m p a c t p c i 结构和m i c r o s o f tw i n d o w 软件。 p x i 主要面向广大中低档仪器用户，其价格要比v x i 便宜很多，能够满足 不同层次用户对测试、数据采集和工业自动化的应用需求。p x i 即插即用模块， 使用灵活方便，其数据传输速率高( 1 3 2 2 6 4 m b y t e s s ) 。p x i 与g p i b 、v x i 、 c o m p a c t p c i 具有兼容性，可以很方便的组成混合系统比4 | 。 ( 4 ) d a q ( d a t aa c q u i s i t i o n ) 数据采集，指的是基于计算机标准总线( 如 i s a 、p c i 、p c 1 0 4 等) 的内置功能插卡。它更加充分地利用计算机的资源，大 大增加了测试系统的灵活性和扩展性。利用d a q 可方便快速地组建基于计算机 的仪器，实现“一机多型”和“一机多用”。 在以p c 机为基础的虚拟仪器中，插入式数据采集卡是虚拟仪器系统中最常 用的接口形式之一，其功能是将现场数据采集到计算机，或将计算机数据输出给 受控对象。现代的数据采集卡品种繁多，功能齐全，d a q 的采样频率已达到 北京r 业大学1 = 学硕十学位论文 1 g h z ，精度高达2 4 位，通道数高达6 4 个，并能任意结合数字i o ，模拟i o 、 计数器定时器等通道。能保证仪器的性能、精度与可靠性。在p c 计算机上挂接 若干d a q 功能模块，配合相应的软件，就可以构成一台具有若干功能的p c 仪 器。 ( 5 ) p c 端d - - l p t 并行口式和u s b 口式系统，最新发展的一系列可 连接到p c 机的各种端口如l p t 并行口和u s b 口的测试装置，它们把硬件集 成在一个采集盒或一个探头上，软件装在p c 机上，通常可完成各种虚拟仪器的 功能。它们的最大好处是可以与笔记本计算机相连，方便野外作业。又可与台式 p c 机和工控机相连，实现台式和便携式两用，非常方便。特别是u s b 口由于 传输速度快、可以热拔插、联机使用方便，很有发展前途，将成为未来虚拟仪器 有巨大发展前景和广泛市场的主流平台。 给定计算机的运算能力和必要的仪器硬件之后，构造和使用虚拟仪器的关键 在于软件。这是因为应用软件为用户构造或使用虚拟仪器提供了集成开发环境、 高水平的仪器硬件接口和用户接口。虚拟仪器软件的层次结构如图1 3 所示哺1 。 磬 。7 。 i 虚拟仪器软件面槛 l 虚拟仪器软件开发平台 ；底层驱动程序 ?v i s a 库 图1 - 3 虚拟仪器层次结构 f i g 1 - 3h i b e r a r c h yo fv i r t u a li n s t r u m e n t 1 、v i s a ( v i r t u a li n s t r u m e n t a t i o ns o f t w a r ea r c h i t e c t u r e ) 库实质上就是 标准的i o 函数库及其相关规范的总称，它驻留在计算机系统之中执行仪器总线 的特殊功能，是计算机与仪器之间的软件层连接，以实现对仪器的程控。它对于 仪器驱动程序设计开发者来说是一个个可调用的操作函数集。 2 、驱动程序每个仪器模块都有自己的仪器驱动程序，仪器厂商以源代 码或动态连接库的形式提供给用户。 3 、软件开发平台虚拟仪器软件开发平台是虚拟仪器技术的重要组成部 分，软件- 丌发平台的水平在很大程度上代表了虚拟仪器的水平。随着计算机技术 和软件技术的飞速发展，各种专用仪器开发系统的功能也越来越强大和完善。一 般而言，常用的可视化编程语言v c + + 、v b 等都可以用作虚拟仪器软件开发环 境，但是虚拟仪器软件开发环境主要是面向测试工程师而非专业程序员，因此首 先其编程必须简单、易于理解和修改；其次，它必须具有强大的人机交互界面设 计能力，易于实现各种复杂的仪器面板；另外，它还必须具有数据可视化分析能 力，提供丰富的仪器和总线接口硬件驱动程序。目前在这一领域内，使用较为广 第1 苹绪论 泛的计算机语言和开发环境是美国n i 公司的新一代图形化编程语言l a b v i e w 。 本课题采用的软件平台即为n i 公司的l a b v i e w 8 2 。与传统编程语言相比，图 形化编程语言的主要特点包括： ( 1 ) 系统提供各种测试、控制和数据分析功能模块； ( 2 ) 编程过程就是设计和定义程序流程图，通过连接代表各种功能模块的 图标来建立具体的应用程序； ( 3 ) 继承了传统编程语言中结构化和模块化的编程优点； ( 4 ) 为仪器模拟面板设计、数据可视化分析提供了许多专门工具或对象， 简化了系统开发，缩短了开发周期； ( 5 ) 通过成熟的计算机网络技术，可将针对不同测控任务的仪器与设备连 接成一个分布式虚拟仪器系统，从而避免了系统功能重复所造成的浪费。 综上所述，虚拟仪器是计算机技术、仪器技术、测量技术、软件等技术的完 美结合，它已被愈来愈多的技术人员所接受，成为当今测量测试领域中的一支重 要的力量。 1 5 课题研究意义与内容 1 5 1 课题研究意义 谐波测量是谐波问题管理的主要依据，实测电网谐波的干扰和分布状况，已 成为保证电网安全经济运行、高质量供电必不可少的措施之一。因此，采用谐波 检测仪对各种负载产生的谐波进行测量、分析，使运行人员及时掌握谐波产生的 时间、地点、原因及规律，并在生产运行中采取适当的措施，具有很大的实用价 值2 7 哪! 。 目前谐波问题己经逐渐引起关注，但国内对谐波测量和分析装置的研制与所 要求达到的水平还有一定的差距，而国外的谐波检测仪都很昂贵，对于国内用户 来说成本高，用户界面也不友好。对于实时性高、测试要求多样的电力系统测试 来说，将虚拟仪器的设计思想用于电力系统测试仪的开发具有重要意义，它使得 测试仪可以充分利用标准的硬件和软件资源，使用户通过种测试仪器完成大型 电力设备的多种项目测试。并且减少了由硬件电路工艺结构差异带来的误差，可 显著提高电力系统测试仪器的技术水平、测试质量和测试效率，同时又能提高电 力系统测试服务质量，具有显著的社会效益和经济效益。 基于上述原因，开发一种高精度、低成本，多测量参数、数据存储量大的集 在线测试和分析于一体的可扩展的谐波装置是非常必要也是非常有意义的，而这 也正是本论文所完成的基于虚拟仪器的谐波检测仪所要达到的目标。 北京t 业犬学工学硕十学位论文 1 5 2 课题研究内容 本论文围绕基于虚拟仪器技术的谐波检测仪的设计这一课题展开工作。针对 国内外谐波测试仪存在绪多问题的现状，在分析常用的谐波检测算法后，着重讨 论谐波检测的加窗插值f f t 算法；利用n i 公司的u s b 6 2 1 0 数据采集器对基于 实验系统的电网信号进行数据采集，提出基于虚拟仪器技术的谐波分析仪的设计 方案。研究和设计基于l a b v i e w 的电力谐波检测系统，实现对电压，电流的测 量并通过计算得出功率以及谐波等参数，以反映电力系统运行情况。具体安排如 下： ( 1 ) 介绍谐波检测的背景、研究意义、发展及现状以及本文所作的主要工 作等。 ( 2 ) 介绍电力谐波分析的常用算法，在此基础上，讨论基于f f t 的电力谐 波分析，针对频谱分析中的信号混叠、泄漏与栅栏效应问题，采用加窗插值算法 进行修正。 ( 3 ) 概要介绍整个系统的设计方案，包括系统所要完成的功能及技术指标， 以及各部分模块的划分，并详细阐述系统方案的具体硬件和软件实现。重点介绍 数据采集模块的原理和选择原则；简要说明系统软件设计的总体方案。 ( 4 ) 主要阐述谐波检测系统的软件设计。详细阐述本课题的软件设计与实 现，主要有数据采集模块的设计、频谱分析模块的设计、加窗插值算法模块的设 计与实现及时域和频域分析模块的设计等。 ( 5 ) 结合实际搭建实验电路，对所设计的谐波检测系统进行实验仿真和参 数测量，验证频谱和谐波测量的正确性和精度，并对误差进行分析，总结全文， 得出结论。 第2 章谐波枪测的理论依据 第2 章谐波检测的理论依据 本章阐述了谐波检测的基本原理，是本文的理论依据部分。对谐波相关概念 和参数进行了介绍，在对常用的谐波检测算法进行分析后，选择了目前最为成熟 的快速傅立叶变换法进行谐波提取，针对f f t 中存在的问题，本文采用加窗插 值的f f t 分析算法，用来减小频谱混叠和泄露以及栅栏效应所产生的误差，这 样不仅简化了硬件而且提高了谐波测量的精度。 2 1 谐波定义及相关参数 国际公认的谐波的含义口1 驯：谐波( h a r m o n i c s ) 是一个周期电气量的正弦波 分量，其频率为基波频率的整数倍。国际电工委员会标准( i e c 一5 1 9 ) 及i e e e 标准(