毕业设计(论文)-基于labview的离线电参数采集分析程序

重庆理工大学毕业论文基于LabVIEW的离线电参数采集分析程序设计PAGEPAGE45编号毕业设计（论文）题目基于Labview的离线电参数采集数据分析程序设计二级学院计算机科学与工程专业计算机科学与技术班级107030703学生姓名***学号107030703$$指导教师职称时间目录摘要 IAbstract II1绪论 11.1引言 11.2本课题研究的目的和意义 11.3虚拟仪器技术综述 31.3.1虚拟仪器技术的优势 31.3.2虚拟仪器产生的背景 41.3.3虚拟仪器的概念 41.3.4虚拟仪器的组成 51.4电能质量参数分析方法 61.4.1国内外衡量电能质量的指标 61.4.2电能质量参数的分析方法 61.5本文的研究思路和主要内容 82电能质量指标综述 92.1供电电压允许偏差 92.1.1概念 92.1.2电压偏差产生的原因和对电力系统的危害 92.1.3电压偏差标准（GB12325-1990） 102.2电力系统的频率偏差 102.3电压谐波分析 112.3.1谐波的含义和性质 112.3.2谐波产生的原因和影响 122.3.3谐波限值标准（GB/T14549——1993） 122.3.4谐波畸变的指标 122.3.5谐波测量中的采样问题 132.4三相电压不平衡度 142.4.1含有零序分量的三相系统 142.4.2没有零序分量的三相系统 152.4.3三相电压不平衡度的限值 153系统软件开发平台LabVIEW 163.1LabVIEW简介 163.2LabVIEW中的常用数据类型 173.3采用LabVIEW编制虚拟仪器程序的步骤 183.4采用LabVIEW实现数据处理分析 193.5LabVIEW的仪器驱动 204基于LabVIEW的离线电参数采集分析系统的工作原理 214.1系统的总体结构 214.1.1系统的软件部分 214.2系统的功能模块 214.3各电能质量参数的数字化实现 224.3.1基本参数的数字化测量 234.3.2频率测量 244.3.3谐波分析 244.4本章小结 255离线电参数采集分析系统各功能模块的软件实现 265.1系统的总体设计思路 265.2离线电参数采集分析系统的软件实现 265.2.1登陆界面 275.2.2主界面 285.2.3电压电流有效值测量 315.2.4功率测量模块 325.2.5不平衡度及相角模块 355.2.6谐波分析模块 365.3本章小结 396系统软件测试 406.1软件测试方法的介绍 406.2系统软件的测试过程 407总结与展望 41致谢 43参考文献 44摘要近年来，计算机技术、通信技术以及测试测量技术的不断发展推动了虚拟仪器(VirtualInstrument，简称VI)技术的不断发展。虚拟仪器具有丰富的软件功能、简单的硬件结构、高度的智能化等特点。以虚拟仪器技术为平台建立的电能参数监测分析系统能够克服传统的监测系统功能单一、升级复杂、成本高等缺点。 因此，本论文提出并设计了基于当今测控领域的最新技术——虚拟仪器技术的电能质量参数分析系统，系统能够对电压、电流、功率、相位、频率、三相电压不平衡度、电网谐波等电力参数进行监测，并且具有一定的分析功能。本论文首先阐述了对电能质量参数监测与分析的必要性以及传统电能质量监测装置的缺陷，分析了利用虚拟仪器技术开发电能质量分析系统的可行性。然后将电压偏差、频率偏差、电网谐波及三相不平衡作为主要的研究对象，对电能质量指标的数学模型进行了研究和离散化处理。接着确定了系统总体设计方案，重点论述了利用LabVIEW开发本系统的各个功能模块。最后，就本系统在研究中存在的不足和需要加强的地方在文中做出了总结，并指出本课题的进一步研究工作展望与设想。关键词：虚拟仪器，数据分析处理，数据图像显示，LabVIEW

AbstractInrecentyears,thedevelopmentofcommunicationtechnology,Computertechnologyandmeasuringtechniqueimpulsevirtualinstrumenttechnicalprogressivedevelopment.Virtualinstrumentpossessperfectsoftwarefunction,simplehardwareconfigurationaswellashighintelligentetc.Thepowerqualityparametersmonitoringsystemmainlybasedonvirtualinstrumentisbettertraditionalmonitoringandanalysessystem,whichfunctioniscrudeandupdateiscomplicate.Sothispaperputforwardanddesignthepowerqualityparametersmonitoringandanalyzesystembasedthenewesttechnologyofthefieldofmeasurementandcontrolnow-thevirtualinstrumenttechnical，itcanmonitorelectricpowerparameterincludingvoltage,electricalcurrent,phase,frequency,three-phasevoltageunbalanceandharmonic,andcanalsoprovidethedetailedpowerqualitymonitoringanalysisandresults.Firstly,theshortcomingoftraditionalpowerparametersmonitoringanalysessystemandthenecessityofmonitoringtopowerparametersareoutlinedinthispaper,besidesthepaperanalyzethefeasibilityforusingthevirtualinstrumenttodevelopthepowerqualitymonitoringsystem.Subsequentlymypapermainlystudythealgorithmofmonitoringvoltagedeviation,frequencydeviation,harmonicsandthree-phasevoltageunbalance,anddisposedispersedlythealgorithmofthematthetime.Then,integrateddesignisascertained,besidesthispaperputemphasesonthedevelopmentofthefunctionalmoduleofpowerparametersmonitoringanalyzesystemusingLabVIEW.Finally,theconcludingremarkssummariesthedeficienciesandtheimprovementofthesystem,andoutlookthefurtherresearchtoo.Keywords:Virtualinstrument,Dataanalysis&processing,Data&Imagedisplay,LabVIEW1绪论1.1引言仪器是人类认识世界的基本工具，也是信息社会人们获取信息的主要手段之一。随着信息时代和网络时代的来临，传统仪器已不能满足科技以及社会生产的需要。仪器已不再是简单的机械或电子设备，而是融合了机械、电子、光学、计算机、材料化学、物理学、化学、生物学、系统工程等学科和先进制造技术的一门综合性技术。现代社会中，电能是一种最为广泛使用的能源，其应用程度通常作为一个国家发展水平的主要标志之一。随着科学技术和国民经济的发展，对电能质量的要求越来越高，电能质量的好坏直接关系到国民经济的总体效益。因此，建立和实施电能质量的监测与分析是提高电能质量的一个重要技术手段。传统的电能参数监测系统以硬件为核心，功能单一，已经逐渐无法满足日益复杂的、实时性、多参数测试要求。近年来，计算机技术、通信技术以及测试测量技术的不断发展推动了虚拟仪器(VirtualInstrument，简称VI)技术的不断发展。虚拟仪器具有丰富的软件功能、简单的硬件结构、智能化程度高等特点，以虚拟仪器技术为平台建立的电能参数监测系统能够克服传统的测试测量系统功能单一、升级复杂等缺点，并且可以使功能更强、精度更高、速度更快、自动化程度更高、灵活性更强。目前在开发虚拟仪器的应用程序中，美国NI公司的LabVIEW是应用最为广泛的。1.2本课题研究的目的和意义测量是人类认识自然、改造自然的一种手段，通过测量人们可以对客观世界取得定量的信息，仪器是测量中必不可少的工具。电子测量是利用电子学的理论和技术对电量和非电量进行观察和测量的装置和系统。随着电子技术的发展及其在各方面的广泛应用，对于测量和仪器提出了更高的要求，测试项目和范围与日俱增，测试精度和测试速度要求急剧提高。七十年代以来，是电子测量和仪器领域发生飞跃变化的年代，微计算机的问世和大规模集成电路的发展对这一领域产生了革命性的影响。在测试系统中，对仪器的“智能”要求越来越高，仪器中微机的任务不断加重，仪器在很多方面逐渐向微计算机靠拢。此外，随着微计算机和智能仪器的普及，测试系统中包含的重复部件越来越多，而冗余的部件往往不能容错。因此需要统筹地考虑仪器与计算机之间的系统结构。在这种背景下，1982年出现了一种与PC机配合使用的模块式仪器，自动测试系统结构也从传统的机架层迭式结构发展成为模块式结构。对供电质量及可靠性的要求日益提高是和国民经济发展与科学技术进步相联系的。在电力发展的初期，电力供应比较紧张，人们把关注的焦点放在电力供应的量上，对电能质量的关注程度不多。从20世纪80年代末以来，随着电力供应的紧张局面逐步缓解以及电力电子技术的蓬勃发展给电力系统自动化带来了很大的变革。但是，电力电子技术的发展同时也给电力系统带来许多不稳定因素，致使电能质量(PowerQuality)日益恶化，电力系统的污染日趋严重，由此引起了电力部门、工业生产、人们生活多方面的关注。由于在供电系统中应用了大量的变频器、整流设备、电弧炉等非线性负载，使得电网中的谐波污染情况日趋严重，谐波含量不断增加；由于个别超高压输电线路不循环换位和电力机车等大容量非对称负载的接入，局部电网的不对称度非常严重；由于大容量轧钢机等冲击性负载的接入，部分电网的暂态干扰较大，电压闪变的现象时常发生；此外，由于电网中的自动调压、无功自动补偿装置正确动作率不高等原因，造成用户端电压严重的不稳定，用电高峰时电压过低，而在用电低谷时电压偏高，电网的频率有时也会受到电网负载过重的影响。以上这些现象都属于电能质量方面的问题，它们对电网的安全、稳定运行极为不利，严重地威胁电力系统的正常运行，甚至还会对电能质量要求较高的电力用户造成严重的经济损失。为保护电力系统安全和用户的用电安全，更为了减少损耗，提高用电效率，改善电气环境，就必须解决电能质量的问题。通常通过以下两条措施对电能质量的问题进行治理[5]:一方面利用现有的技术条件，采用各种可行的技术措施抑制电能质量的恶化或进行负荷调整、电网改造来保证电能质量的正常;另一方面，我们通常在电力系统的特殊点处装设电能质量参数监测系统来监测电能质量的各种参数。只有对电能质量的各种参数进行实时地监测，对监测的结果进行统计分析处理，才能够正确评估电能质量的好坏，及时地找出引起电能质量恶化的原因，从而提出电能质量问题整改的方案，为有关部门采取有效措施隔离或降低电能质量恶化的危害提供决策支持。因此，利用先进的技术手段，采用精确合理的计算算法，研制功能齐全、性能优良、安装简单、使用方便的电能质量监测系统是很有必要的。目前电力运行设备品种繁多，相应的电能参数监测设备种类齐全，然而常规的监测系统在下列几个方面比较欠缺[6,7]:1)功能单一性问题。常规的电能参数监测系统由于受到硬件条件的限制，每一个系统只能实现一个或者少数几个电能质量参数的检测。2)生产调试率低下问题。常规的电力参数监测设备在生产调试过程中，由于不同功能的设备在硬件、材料等方面差别很大，因此调试的工作量大，对调试人员的要求较高，需要掌握不同的硬件原理、不同的器件特性等，因此调试率低下。3)开发周期和开发费用问题。常规的单功能参数监测设备在开发的过程中，要经过一个硬件设计、调试的过程，不同仪器间的资源不能互相利用，造成研发成本高，开发周期长。鉴于以上原因，本课题在研究新型的电能参数监测装置时采用了先进的虚拟仪器技术思想，通过软件将计算机硬件资源和仪器硬件有机地结合起来，从而把计算机强大的计算处理能力和仪器硬件的测量、控制能力结合在一起，使得开发的基于虚拟仪器技术的电能参数监测系统具有功能灵活、操作方便等优点，这对于克服目前电能质量参数监测系统的局限性、采取措施提高供电质量都具有重要的意义。1.3虚拟仪器技术综述1.3.1虚拟仪器技术的优势虚拟仪器技术主要的优势主要表现在以下几个方面：性能高虚拟仪器技术是在PC技术的基础上发展起来的，所以完全“继承”了以现成即用的PC技术为主导的最新商业技术的优点，包括功能超卓的处理器和文件I/O，使您在数据高速导入磁盘的同时就能实时地进行复杂的分析。此外，不断发展的因特网和越来越快的计算机网络使得虚拟仪器技术展现其更强大的优势。扩展性强这些软硬件工具使得工程师和科学家们不再圈囿于当前的技术中。得益于软件的灵活性，只需更新您的计算机或测量硬件，就能以最少的硬件投资和极少的、甚至无需软件上的升级即可改进您的整个系统。在利用最新科技的时候，您可以把它们集成到现有的测量设备，最终以较少的成本加速产品上市的时间。开发时间少在驱动和应用两个层面上，NI高效的软件构架能与计算机、仪器仪表和通讯方面的最新技术结合在一起。设计这一软件构架的初衷就是为了方便用户的操作，同时还提供了灵活性和强大的功能，使您轻松地配置、创建、发布、维护和修改高性能、低成本的测量和控制解决方案。无缝集成虚拟仪器技术从本质上说是一个集成的软硬件概念。随着产品在功能上不断地趋于复杂，工程师们通常需要集成多个测量设备来满足完整的测试需求，而连接和集成这些不同设备总是要耗费大量的时间。虚拟仪器软件平台为所有的I/O设备提供了标准的接口，帮助用户轻松地将多个测量设备集成到单个系统，减少了任务的复杂性。1.3.2虚拟仪器产生的背景 现代科技的进步以计算机的进步为代表，不断创新的计算机技术，从各个层面上影响着各行各业的技术进步，今天的测量和控制仪器行业同样经历着一场翻天覆地的变革。一方面，计算机技术的进步为新型的测量仪器产生提供了现实基础，主要表现在：微处理器和DSP

(digitalsignalprocessing)技术的快速进步以及其性能价格比不断上升大大改变了传统电子行业的设计思想和观念，原来许多由硬件完成的功能今天能够依靠软件实现；面向对象技术、可视化程序开发语言在软件领域为更多易于使用、功能强大的软件开发提供了可能性。另一方面，传统的测量仪器越来越满足不了科技进步的要求，主要表现在：现代测量控制要求仪器不仅仅能单独测量到某个量，而更希望它们之间能够相互通信，实现信息共享，从而完成对被测系统的综合分析、评估，得出准确判断。传统仪器在这方面显然存在严重不足，甚至根本不可能实现；对于复杂的被测系统，面对各个厂家的不同测试设备，使用者需要的知识很多。这样的仪器不仅使用频率和利用率低，而且硬件存在着冗余。鉴于上述原因，基于计算机的测试仪器逐渐变成现实，其出现和广泛使用对测控仪器产生较为深刻的影响。1.3.3虚拟仪器的概念与传统仪器一样，虚拟仪器同样可以划分为数据采集、数据分析处理、现实结果三大功能块，ini仪器以透明的方式把计算机资源和仪器硬件的测控能力相结合，实现仪器的功能运作。应用程序将可选硬件(如GPIB、VXI、PCI、USB等总线I/O设备)和可重复使用源码库函数等软件集合起来实现模块间的通信，源码库函数为用户构造自己的虚拟仪器系统提供了几本的软件模块。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系统的测试要求。虚拟仪器与传统仪器的比较见表1-1。表1-1虚拟仪器与传统仪器的比较传统仪器虚拟仪器关键是硬件，系统升级成本高，而且要上门进行升级服务，开发周期长关键是软件，系统升级方便，可通过网络下载升级程序，开发周期短开发与维护的费用高开发与维护的费用低技术更新周期长（周期一般为5-10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，并且可重用性喝可配置性强；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，固定系统开放，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1.3.4虚拟仪器的组成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题的模式，用具有测试软件的计算机实现传统电子仪器的功能。虚拟仪器的构成框图如图1.1所示。测控对象测控对象信号调理电路GPIB接口数据采集卡GPIB接口VXI/PXI仪器串行口仪器/PLC现场总线控制计算机虚拟仪器软件工作平台图1.1虚拟仪器系统组成框图虚拟仪器的硬件是计算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。NI公司在提出虚拟仪器概念时用“软件就是仪器（SoftwareisInstrument）”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。虚拟仪器的软件包括：虚拟仪器的前面板、信号采集模块、信号处理模块和数据存储模块等。因此测量信号在软件的控制下，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电能质量参数分析方法1.4.1国内外衡量电能质量的指标 国际上，IEEE第22届标准协调委员会和其它国际委员会最新采用11种指标来衡量电能质量，大致可以分为两大类:电压幅值(断电、电压下跌、电压上冲、瞬时脉冲、电压波动与闪变、电压切痕、过电压、欠电压)和电压波形(谐波、间谐波、频率偏差)[8]。在我国，结合本国的实际情况，自1990年以来，我国相继发布了五项电能质量国家标准，分别为:GB12325-1990《电能质量供电电压允许偏差》、GB/T14549-1993《电能质量公用电网谐波》、GB/T15543-1995《电能质量三相电压允许不平衡度》、GB/T15945-1995《电能质量电力系统频率允许偏差》、GB12326-2000《电能质量电压波动和闪变))[14,16]。1.4.2电能质量参数的分析方法 对电能质量问题的分析是关系到电能质量问题解决的一个重要环节。近年来，基于数字技术的的各种分析方法己经在以下的电能质量领域中得到广泛地应用：分析谐波在网络中的传播、分析各种扰动源引起的波形畸变、开发各种电能质量控制装置等。按照所采用的不同分析方法，电能质量参数分析有时域、频域、变换域三种〔1,15〕。(1)时域仿真方法对于电能质量中的暂态事件由于其持续的时间短、发生的时间不确定，对频谱分析提出了较高的要求，通常采用时域仿真方法。在三种分析方法中，时域仿真分析方法在电能质量分析中的应用最为广泛。目前较通用的时域仿真程序主要有EMTP,EMTDC,NETOMAC等系统暂态仿真程序和SPICE,PSPICE,SABER等电力电子仿真程序两大类。由于电力系统主要由R,L,C等元件组成，这些程序在求解用微分方程描述的电力元件方程时，通常采用简单易行的变阶、变步长、隐式梯形积分法。利用隐式可保证求解过程中的数值稳定，采用变阶、变步长技术可缩短迭代计算的时间。采用时域仿真计算的缺点是仿真步长的选取决定了可模仿的最大频率范围，因此必须事先知道暂态过程的频率覆盖范围。此外，在模仿开关的开合过程时，还会引起数值振荡。因此，要采用相应技术抑制发生数值振荡。(2)频域仿真分析频域分析方法主要用于电能质量中谐波问题的分析，包括频率扫描、谐波潮流计算等。(3)基于变换的方法基于变换的方法常用在实时、在线的电能质量分析方法中。由于分析数据必须以足够高的采用速率进行采样并存储，而且长期在线进行，所以存储的数据非常的大。为了合理的利用好这些数据，可采用基于变换的方法进行扰动信号的分析。基于变换的方法主要指Fourier变换方法、短时Fourier变换方法以及近年来出现的小波变换方法Fourier变换方法是经典的频谱分析和信号处理方法。它具有正交、完备等许多优点，但其对含有短时间高频分量和长时间低频分量的电能质量信号分析具有一定的局限性。目前经过改进的快速傅里叶变换((FFT)和短时傅里叶变换(STET)己经成为电能质量分析的基础。小波变换的分析方法是近年来兴起的一种算法。由于具有时——频局部化的特点，克服了以上FFT和STET的缺点，特别适合于突变信号和不平稳信号的分析。小波变换作为一种新的数字技术被引入工程界后，已在图象处理、数据压缩和信号分析等领域得到广泛应用。由于小波函数本身衰减很快，也属一种暂态波形，将其用于电能质量分析领域，尤其是暂态过程分析领域将具有FFT,STFT所无法比拟的优点。此外，国内外对于电能质量问题也越来越多地采用了模糊数学、神经网络、人工智能等方法以及各种方法的结合，极大地丰富了处理电能质量问题的算法[8]。1.5本文的研究思路和主要内容本论文研究的重点在于利用LabVIEW平台开发基于虚拟仪器的离线电参数采集分析系统，将电压偏差、频率偏差、电压波动和闪变、电压谐波、三相电压不平衡度作为主要的研究对象，同时对电能质量参数的测试算法进行了研究，通过对电压信号的采集、计算和分析，实现对上述五种稳态电能质量参数的监测和分析。论文的主要内容有:(1)简要介绍课题研究的目的和研究意义，详细论述了电能质量分析系统存在的实际问题以及对虚拟仪器技术优势的分析，提出了研究基于虚拟仪器的电能质量参数监测系统的必要性和可行性。(2)详细阐述了电能质量指标的定义并对电能质量参数的数学模型进行了深入的研究。(3)通过对基于虚拟仪器监测系统的简要分析，提出了本课题所要研究的系统的总体结构，并简要的介绍了课题研究的系统硬件的构成方案。由于本课题所研究重点是基于虚拟仪器的离线电参数采集分析系统软件功能部分，因此本论文的重点主要是对系统所要实现的各个功能模块的数学模型离散化设计进行了研究。(4)简要的介绍了虚拟仪器技术的概念及软件开发平台LabVIEW，利用LabVIEW以及前面所研究的各个功能模块的数学模型的离散化设计，对系统的软件部分进行了设计，将系统按所要实现的监测参数主要分为五大功能模块:伏安测量模块(电压与电流有效值、频率测量、三相不平衡度)、相位测量、功率测量模块、谐波测量模块、波动和闪变测量模块，并且详细的给出了功能模块的软件设计。(5)利用仿真的方法对系统的各个功能模块进行了试验，并给出了试验结果。

2电能质量指标综述电能质量指标是电能质量各个方面的具体描述，不同的指标有不同的定义和规定。从总体上讲，电能质量指标越接近标称值表明电能质量越好。然而，电能从生产到消耗是一个整体，电力系统的发、输、配、变、用始终处于动态平衡之中，其中任何一环节都会对电能质量产生影响。而电能质量指标的控制又需要相当的投入(电网结构的改进、有功功率和无功功率的平衡、各种调频、调压、滤波和无功补偿装置的使用以及调度和运行技术的管理等)。因此，电能质量指标的偏差时刻存在，而偏差是否能够满足规定的限值是我们进行电能质量指标监测分析的依据。〔8,14〕在本章中，简述了电能质量指标的定义，对电能质量五项指标的数学模型进行了一定的研究，为后续章节的数学模型的离散化设计奠定了基础。2.1供电电压允许偏差2.1.1概念用电设备的运行指标和额定寿命是对其额定电压而言的。当其电压输入端子出现电压偏差时，其运行参数和寿命将会受到影响，影响程度视偏差的大小、持续的时间和设备状况而异。测试电压的允许偏差比较简单。电压允许偏差是指电力系统的电压缓慢变化时，实际电压与系统标称电压之差。使用符合标准的电压表测出系统的实际电压，然后用下式求出电压偏差：（2-1）式中实际电压为实际测量电压，额定电压为系统标称电压220V、380V、6kV等。2.1.2电压偏差产生的原因和对电力系统的危害电力系统中的负荷以及发电机组的出力随时发生变化，网络结构随着运行方式的改变而改变，系统故障等因素都将引起电力系统功率的不平衡。系统无功功率不平衡是引起系统电压偏差的根本原因。[9]电压偏差对电力系统的危害主要表现在以下几个方面:(1)对用电设备的危害用电设备设计在额定电压时性能最好、效率最高，电压偏离额定值时，其性能和效率都会降低，有的还会减少使用寿命。电压偏差超过一定值时，会引起设备的损坏。(2)对电网稳定运行的危害交流输电有个同步运行稳定问题，输电线的输送功率受稳定极限的限制，特别是小扰动下的静态稳定功率极限与电网运行电压有很大的关系，电压越低，功率极限越低，越容易发生不稳定现象。(3)对电网经济运行的影响输电线路和变压器在输送相同功率的条件下，其电流的大小和运行的电压成反比。电网在低电压状况下运行，会使线路和变压器的电流增大，线路和变压器绕组的有功功率与电流平方成正比。低电压运行会使电网有功功率损耗和无功功率损耗大大增加，增大了供电成本。2.1.3电压偏差标准（GB12325-1990）允许限制:1）35kV及以上为正负偏差绝对值之和不超过10%； 2）10kV及以下三相供电为±7%。 3）220V单相供电为+7%，-10%。2.2电力系统的频率偏差 电力系统在正常工况下应在标称频率下运行，系统中的用电设备在设计时都是优先按照标称频率设计。但是，由于电力系统负荷不断变动，电源出力及其调节系统追随负荷变化又有一定的惯性，致使系统频率总是一直处于变动的动态之中，不可避免地偏离标称值，即产生频率偏差。因此，必须划出频率允许的偏差范围确保系统运行的可靠性和经济性。〔13〕电力系统频率是指单位时间内电信号周期性运动的次数，所谓频率偏差是指系统频率的实际值和标称值(工频)之差，〔16〕其表达式为：(2-2)式中指实际供电频率，Hz供电网额定频率，Hz国标中对系统频率的规定如下:1)电力系统正常频率偏差范围为-0.2Hz～+0.2HZ。当系统容量较小时，偏差值可以放宽到-0.5Hz～+0.5Hz。2)用户冲击负荷引起的系统频率变动一般不得超过0.2Hz，根据冲击负荷的性质和大小以及系统的条件也可以适当变动限值，但应保证近区电力网、发电机组和用户的安全、稳定运行以及正常供电。2.3电压谐波分析2.3.1谐波的含义和性质谐波含义为:谐波是一个周期性电量的正弦波分量，其频率为基波频率的整数倍。由于谐波的频率是基波频率的整数倍数，常常也称之为高次谐波。[12]在国际电工标准中(IEC555-2,1982)、国际大电网会议(CIGRE)的文献中对谐波也有了明确的定义:谐波分量为周期量的傅里叶级数中大于1的n次分量;IEEE标准中的定义为:谐波为一周期波或量的正弦波分量，其频率为基波频率的整数倍。以上定义明确了有关谐波性质的下列几个问题:(1)谐波次数n必须是一个正整数。例如，我国的电力系统额定频率为50Hz，则其基波为50Hz，二次谐波为100Hz，三次谐波为150Hz。n不能为非整数，因此也不能有非整数谐波。(2)必须严格区别谐波现象和暂态现象。为了区分谐波和暂态现象，根据傅立叶级数的基本理论，被变换的波形必须是周期性的。虽然实际上很难完全做到，因为电力系统负荷是变动的，而负荷的变动会影响系统中谐波含量，但在实际分析中只要被分析的现象或情况持续一段适当的时间，就可以应用傅里叶变换。因此，需要区分清楚什么是谐波现象(波形保持不变)和什么是暂态现象。2.3.2谐波产生的原因和影响谐波产生的根本原因是系统中非线性负载的应用，如高压直流输电系统、变频器、可控整流器、电弧炉、电动机车等的应用，造成电网中的谐波污染、三相电压的不对称性以及电压波动和闪变日趋严重。同时，由于上述负荷的存在，使得电力系统中的供电电压即便是正弦波形，其电流波形也将偏离正弦波形而发生畸变。非正弦波形的电流在供电系统中传输时将迫使沿途电压下降，其电压波形也将受其影响而产生不同程度的畸变。这种电能质量的下降会给电力系统和用电设备带来严重的危害。电网中谐波含量的增加，将导致电气设备的寿命缩短，网损加大，系统发生谐波谐振的可能性增加，严重时会造成危险的过电压、过电流，同时还可能引起继电保护和自动装置误动作、仪表指示和电度计量不准，使通信系统受干扰等一系列问题。〔5〕2.3.3谐波限值标准（GB/T14549——1993）表2.1电压谐波限制电压（kV）THD奇次偶次0.3854.02.06.1043.21.635.6632.41.2110、22021.60.82.3.4谐波畸变的指标谐波分析的方法有很多种，如傅立叶变换、卡尔曼滤波、小波分析等。傅里叶变换作为经典的信号分析方法己经比较成熟。特别是快速傅里叶变换(FFT)的应用，有效地提高了信号处理的实时性。电流和电压信号通过傅立叶变换来进行谐波分析，根据电压、电流谐波的幅值和相位可以计算出各次谐波的功率因数角，进而计算出有功、无功、视在功率。为了定量表示电力系统正弦波形的畸变程度，采用以各次谐波含量和谐波总量大小来表示下列波形畸变指标。(1)谐波含有率(HarmonicRatioHR):k次谐波分量的有效值(或幅值)与基波分量的有效值(或幅值)的比值。第k次谐波电压的含有率:（2-3）第k次谐波电流的含有率：（2-4）(2)总谐波畸变率(TotalHarmonicDistortion;THD):谐波总量的有效值与基波分量的有效值之比。谐波电压总量:(2-5)电压总谐波畸变率：（2-6）同理，用（2-5）式和（2-6）式亦可得出电流总谐波畸变率。提高电能质量，防止谐波的危害，限制电力系统的谐波，就是要把上述指标限制在国标规定的允许范围之内。2.3.5谐波测量中的采样问题对周期为T的连续信号做等间隔的N点采样时，采样周期为T/N，对应的采样频率为为周期信号频率的N倍，分析其频谱可知，其频谱为以采样频率为周期的周期性离散谱，所得的最高谐波频率次数为N/2-1。设原信号的最高谐波频率为fc，则采样频率必须满足fs>2fc,才能正确的表示原信号的信息，这就是采样定理。通常将采样频率的一半称为奈奎斯特频率。当采样频率低于2倍的奈奎斯特频率()时，原信号中高于的频谱分量将会在低于频谱中再现，即会出现频谱混叠，会使频谱分析出现误差。为了防止频谱混叠造成的谐波误差，除提高采样频率外，还可使原信号在采样前预先设置低通滤波器，除去高于一半采样频率以上频率的谐波，使被采样信号中仅有fs/2以下谐波分量，对这样的信号采样做离散傅里叶变换，所得到的频谱就不会发生频谱的混叠，这样就能够准确表达原信号的信息。〔11〕2.4三相电压不平衡度在理想的三相交流电力系统中，三相电压应有同样的数值，且按A,B,C顺序互成2/3角，这样的系统叫做三相平衡系统。然而由于存在各种不平衡因素，实际上电力系统并不是完全平衡的。不平衡的因素可以归结为事故性和正常性两大类。事故性的不平衡是由于三相系统中某一相或两相出现故障所致，这种不平衡工况是系统运行不允许的，一般由继电保护、自动装置动作切除故障元件后在短期内使系统恢复正常运行。正常性的不平衡则是由于系统三相元件或负荷不对称所致，作为电能质量指标之一的“三相电压允许不平衡度”是针对正常不平衡工况制定的.当三相电源电压畸变不对称时，对于三相四线制电路，电压中除含有谐波分量外，还含有正序、负序、零序分量。对于三相三线制电路，只含有正、负序分量。三相电压的不平衡度通常以负序分量的均方根值与正序分量的均方根值的比值来表示:〔10〕(2-7)式中为三相电压正序分量的均方根值为三相电压负序分量的均方根值如果将式中的电压符号换为电流符号，就可以求出电流的三相不平衡度。2.4.1含有零序分量的三相系统对于含有零序分量的三相系统中，应用对称分量法，分别先利用(2-8)式求出正序分量和负序分量，然后利用(2-7)式求出不平衡度。(2-8)式中是正序分量是负序分量是零序分量为a相基波电压Ub为b相基波电压Uc为c相基波电压是旋转因子2.4.2没有零序分量的三相系统当三相电量中不含零序分量时(例如三相线电压、无中线的三相线电流)，当已知三相电压时，可以用下式求三相电压不平衡度:（2-9）其中与此类似，三相电流不平衡度也可以用其相应的公式计算，只需将其中的电压符号换为相对应的电流符号。2.4.3三相电压不平衡度的限值国国家标准GB/T15543—1995《电能质量三相电压允许不平衡度》规定：电力系统公共连接点正常电压不平衡度允许值为2%，短时不得超过4%；接于公共连接点的每个用户，引起该点正常电压不平衡度允许值一般为1.3%。

3系统软件开发平台LabVIEW目前，开发虚拟仪器软件一般有两种方法:一是用通用高级编程语言编写，主要有Microsoft公司的VisualBasic、VisualC++,Borland公司的Delphi,NI公司的LabWindows/CVI等；二是用专业图形化编程平台开发。如NI公司的LabVIEW，HP公司的HPVEE等。其中美国NI公司的图形化编程平台LabVIEW最为科研学者和工程师们推崇，本离线电参数采集分析系统就是用LabVIEW开发的。3.1LabVIEW简介 目前，市场上可用的虚拟仪器开发环境较多，有通用的和专用的两种。通用语言环境有Microsoft的VisualC++、VisualBasic等，专用的虚拟仪器开发环境有NI公司的LabWindows/CVI，LabVIEW、HP公司的ITG、HPVEE等。上述开发环境又可分为两类，一类是传统的程序语言编程环境，如LabWindows/CVI；另一类是图形化编程语言，如NI的LabVIEW、HP的HPVEE。 为了让使用者能够快速开发出面向各种应用的测试软件，NI公司推出了面向科学家和工程技术人员（而不是计算机编程人员）的LabVIEW和面向熟悉C语言的开发人员的、Windows环境下标准ANSIC开发环境LabWindows/CVI这两个虚拟仪器开发平台软件。这些软件以简单直观的编程方式、众多源码级的设备驱动程序、丰富实用的分析表达功能和支持功能，令使用者能快速地构建自己的测量仪器或测量仪器系统。 与传统编程语言相比，图形化编程语言的主要特点包括： eq\o\ac(○,1)系统提供各种测试、控制和数据分析功能模块； eq\o\ac(○,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； eq\o\ac(○,3)继承了传统编程语言中结构化和模块化的变成优点； eq\o\ac(○,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； eq\o\ac(○,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。 本课题采用LabVIEW作为开发虚拟数据采集分析仪的软件开发环境。但是在初始阶段拟采用的是VC++6.0。后来经过比较和权衡后最终采用了LabVIEW。LabVIEW与VC++两种工具用来开发虚拟仪器用户程序的区别： eq\o\ac(○,1)VC++使用文本语言编程，前面板布局和设计不是很直观；而LabVIEW使用图形语言（即各种图标、图形符号和连线等）编程。界面非常直观形象，而且使用的都是测试工程师们熟悉的旋钮、开关、波形图等，用户比较容易上手。 eq\o\ac(○,2)在VC++下编写菜单等界面工作比较简单，但在VC++下编写动态曲线显示程序比较困难，编程量较大。LabVIEW的动态曲线显示功能非常强大，且非常方便。 eq\o\ac(○,3)VC++下的控制特点使编程灵活，执行速度快，尤其使控制算法较复杂时，更能体现出VC++的优点。LabVIEW的特点时采用图形化编程，对于简单的控制算法，实现起来很方便，但对于复杂的算法，如模糊控制等，实现就比较困难，且不便于阅读和调试。 eq\o\ac(○,4)使用VC++需要拥有比较丰富的编程经验，开发时间比较长；而用LabVIEW编程无需太多编程经验，这对于没有丰富编程经验的测试工程师们来说无疑是个极好的选择，开发周期较短。 LabVIEW程序由三个部分组成：前面板、框图程序、图标和连接端口。前面板是虚拟仪器图形化的用户界面，主要用来操作仪器、提供主要的测试及测量功能、输入设备参数、输出数据结果等等。虚拟仪器系统的每一个前面板都对应着一个框图程序，同样，每一个前面板控件都有一个框图图标或功能模块与之相对应。框图程序其实就是LabVIEW的程序代码，只不过它是用图形化编程语言（G语言）编写的。图标和连接端口可以将一个虚拟仪器系统变成一个子系统(SubVI),然后被其它的虚拟仪器程序所调用。可以根据需要将某个虚拟仪器模块建立成SubVI，从而设计出多层系统，并可以改变它的功能，以满足同其它程序连接时不断变化的应用需要。 总之，用LabVIEW进行测试比较方便，在测试领域有广阔的发展空间。3.2LabVIEW中的常用数据类型LabVIEW的数据类型与传统编程语言中的数据类型基本类似，除了具有一般的数据类型之外，还有一些独特的数据类型。表3-1列出了LabVIEW中常用的几种数据类型及其相对应的前面板对象的默认值、端口图标和连线形式。每种类型的端口图标都有一种颜色，以示区别。控制端口图标的边框为粗实线，端口右侧有一个享有的箭头，表示输出数据，指示端口的图标的边框为细实线，端口左侧有一个向左的箭头，表示输入数据。表3.1LabVIEW中常用的数据类型数据类型默认值端口图标连线形式双精度浮点0.0枚举——布尔False字符串空字符数组——簇——路径空路径动态数据——波形数据——3.3采用LabVIEW编制虚拟仪器程序的步骤eq\o\ac(○,1)确定程序设计总体方案在编制虚拟仪器程序前，必须首先对程序进行总体设计分析:一是确定程序要实现的功能、要显示的图形图像、要输出的报表;二是确定程序的层次关系，如主程序和子程序之间的关系、虚拟仪器程序与硬件的连接关系等。eq\o\ac(○,2)确定虚拟仪器程序前面板在完成虚拟仪器程序总体设计后，就可在前面板上布置实现所需功能的显示对象，这些对象包括开关旋钮控制、数据显示、表头、波形显示、相量图、频谱图显示等，前面板布置好这些对象后，工程技术人员通过鼠标、键盘就可像操作传统仪器一样地操作虚拟仪器。eq\o\ac(○,3)构建图形化流程图在LabVIEW开发环境中，后台流程图与前面板控制显示对象对应，开发人员的任务是通过连接不同功能的函数模块使数据流从输入对象经过处理传送到输出对象。与传统的文本式程序设计一样，LabVIEW也有结构化数据流编程部分，包括顺序（Sequence）、条件（case）、For循环、While循环、事件等结构，如图3-1所示。图3.1LabVIEW中的主要结构函数这些结构被描述成图形化的边界结构，开发人员不必注意传统程序设计所需的语法细节，只需直接将它们连接起来就可完成数据传递。在编制大型复杂的虚拟仪器应用程序时，由于所用模块很多，这时必须考虑程序的层次结构，这可以通过灵活编制子程序、采用更为简单高效的计算原理等方式来实现。eq\o\ac(○,4)调试和优化程序和传统程序一样，在编制虚拟仪器程序时，需要不断对程序进行调试分析，LabVIEW程序调试功能十分强大易用，可以灵活设定程序断点，进行带数据探针的单步运行，加亮执行程序进行数据流追踪判断。同时，LabVIEW是目前唯一带有编辑器的图形化编程环境，它可根据用户编制程序自动产生最优化代码，加快程序运行速度。另外，用户还可以利用内置的绘图器对程序代码部分进行分析和优化。3.4采用LabVIEW实现数据处理分析LabVIEW之所以强大易用，很大程度上是因为LabVIEW内置了极其丰富的数据分析处理函数模块。可以说，正是因为采用了这些由软件实现的功能模块，替代了原来必须用硬件完成的数字信号处理分析功能，才出现了“软件就是仪器”的概念，开发出的仪器才被称为虚拟仪器。eq\o\ac(○,1)与外界信号接口模块这部分模块与DAQ硬件系统结合，可以将已经过信号调理和A/D转换的外界信号与流程图进行接口，实现原始数据的输入，eq\o\ac(○,2)平滑窗口模块在频谱分析中使用平滑窗口能够减少在离散数据块下使用FFT而产生的频谱泄漏。傅立叶变换方法的基本假设会在频域内的数据产生意外尖峰和频谱泄漏，而利用合适的平滑窗口能够消除频谱泄漏。eq\o\ac(○,3)数字滤波器模块数字滤波器可以消除由电于元件产生的噪声信号，或者由环境影响产生的噪声。LabVIEW软件有三种类型的滤波器，IIR滤波器、FIR滤波器以及非线性响应滤波器。eq\o\ac(○,4)时频域转换模块计算机进行数字信号处理时，需要对时域信号进行离散采样，转换到频域进行频谱分析，它反映的一些信息是时域分析中得不到的。LabVIEW内置了这些变换必须的函数模块，典型的如FFT，在虚拟仪器程序中，用户直接调用即可，非常方便，见图3.2。图3.2时频域转换函数3.5LabVIEW的仪器驱动仪器驱动是一套高级、具有指导性的功能，它将硬件和软件紧密结合起来，用来控制GPIB,VXI,RS232,RS485，或基于计算机的仪器I/0接口程序。仪器驱动程序是提高虚拟仪器程序运行效率的关键。一个仪器驱动程序功能包括仪器命令的语法、I/0接口协议、数据语法分析以及扫描等。4基于LabVIEW的离线电参数采集分析系统的工作原理虚拟仪器技术是一种基于计算机的实时测控技术，它使现代测试仪器不但具有传统仪器、仪表的全部功能，同时还可以充分地利用计算机强大的信息处理能力、存储容量和网络功能，解决电能质量参数监测中的数据读取、存储、分析等，此外虚拟仪器具有功能丰富的面板，使得测量结果更加直观清晰。本章首先介绍了系统的总体结构方案设计，然后详细地阐述了系统软件设计思路，最后介绍该系统中电能质量参数的监测的数字化处理方法。4.1系统的总体结构4.1.1系统的软件部分虚拟仪器软件由接口驱动程序和应用程序两大部分构成。I/O接口驱动程序完成特定外部硬件设备的扩展、驱动和通信，DAQ硬件是离不开相应驱动软件的，大多数的DAQ应用都需要相应驱动软件。在本系统中，所利用的虚拟仪器软件平台LabVIEW内置了650多种世界各地主要厂家生产的仪器的驱动程序。仪器驱动程序不但为用户程序设计节约了时间和精力，而且为用户提供了重要的模块化代码，使用户很方便地进行设计。仪器驱动程序把仪器的功能封装成一套标准的的虚拟仪器包，每一个虚拟仪器可对程序设计的操作如调整、读写数据、触发仪器等作出响应。LabVIEW软件以及仪器驱动程序减少了用户自己开发应用程序的时间，由于不需要学习那些复杂、低级的程序设计协议、使得用户对仪器的控制非常的简单[6]。4.2系统的功能模块系统将采集到的电压和电流数据送入计算机后台进行处理，显示电流、电压、相位、频率、谐波、功率因数、功率(有功、无功、视在功率和总功率)、电能、三相电压不平衡度、三相电流不平衡度、闪变、谐波等电能质量参数的处理结果，并同时对部分的参数监测结果进行分析。电压信号采集电压信号采集电流信号采集仿真信号信号参数配置系统主界面伏安测量频率测量功率测量不平衡度计算谐波分析参数设置退出数据结果显示、图形化显示、分析、存储图4.1系统的功能模块4.3各电能质量参数的数字化实现电能质量的五个主要指标为:电压允许偏差、电力系统频率允许偏差、三相电压允许不平衡度、电力系统谐波和电压波动和闪变。虽然电能质量国标中仅规定了五个指标，但是需要计算的量却很多。这些量主要包括:三相电压有效值、三相电流的有效值、电网频率、三相有功功率、三相无功功率、三相视在功率、功率因数、电压与电流的各次谐波含有率及谐波总畸变率、电压波动值等。在出现电压闪变的情况下，对闪变的性质进行分析，并记录闪变暂态过程中的电压波形、三相电压不平衡系数等。电压和电流的模拟信号经过系统的前置采集部分后，模拟的信号就会转换为离散的数字信号。因此，本节主要对电能质量参数的数学模型进行离散化处理。4.3.1基本参数的数字化测量电力系统基本电气量的测量主要包括:电流有效值、电压有效值、有功功率、无功功率、视在功率、功率因数。对随时间变化的电压信号u(t)、电流信号i(t)，相电压的有效值定义为:(4-1)相电流有效值的定义为:(4-2)功率：(4-3)对u(t)、i(t)进行离散化采样，得到离散化序列{}、{}，若为相邻的两次采样时间间隔，为第k个时间间隔电压采样的瞬时值，N为一周期内的采样点数，则离散情况下的电压的有效值可以表示为:(4-4)电流有效值可表示为：（4-5）采样时采用了频率跟踪技术，使得一个周期内采样点点数为N个，相邻两次采样的时间间隔相等，及C为时间常数,N=T/则:;(4-6)单相有功功率为:(4-7)单相的功率因数：（4-8）三相总的有功功率为:(4-9)三相总的视在功率为:（4-10）三相总的功率因数:（4-11）4.3.2频率测量本文采用傅立叶变换的算法来测量频率。原始信号通过FFT变换，检测出幅值最大的信号，此信号对应的频率就是基波频率。该方法计算量小，速度快，易于实现实时处理，且精度较高。4.3.3谐波分析谐波分析通常是先将信号的各次谐波(电压或电流)的幅值和相角求出，然后由相应的公式可以方便的求出总谐波畸变率THD、谐波含量等值。具体的计算方法如下:首先采用64点FFT算法，计算出基波和各次谐波的实部和虚部，进而求得其幅值和相位，幅值求出后，就可以求出各次谐波的含有量和谐波总含量。[11]以电压量为例，若用FFT算法求出的第k(k=2,3……32)次谐波的实部和虚部分别是，则第k次谐波电压的均方根值：(4-12)第K次谐波电压的相角为:(4-13)可以利用某次谐波均方根值相对于基波均方根值的百分数来反应该次谐波的含量，第K次谐波的含量为:(4-14)总的谐波畸变率(THD)反映谐波总含量，可以通过下式求得:(4-15)4.4本章小结系统的软件是实现系统功能的核心部分，只要采集硬件部分将监测点的电压和电流信号经信号调理器和数据采集卡以最小失真度转换成数字信号，其余的任务如滤波、加窗、数据处理和统计分析、数据远传以及显示打印等完全交给软件来处理。由于系统软件部分处理的是数字信号，因此本章对系统所要监测的电能参数的数学模型进行了详细的离散数字化分析。

5离线电参数采集分析系统各功能模块的软件实现本论文所述系统主要实现对从采集的电压电流信号进行频率测量、频谱分析、功率测量、谐波分析、三相不平衡度和相角的测量等，并进行仿真。下面就详细的阐述系统软件各个功能模块的设计和实施。5.1系统的总体设计思路基于虚拟仪器的离线电参数采集分析系统要实现对电能参数的监测分析，由于要实现的功能不是单一的，因此需要不同的功能模块支持，每一个功能模块完成相应的功能，最后通过整合，才能够完成系统同时对各项电能参数的测量和分析。由于系统实现的功能比较多，因此在系统的设计之前，要详细的构思，写出详细的设计方案。对于本系统，详细的设计方案如下:eq\o\ac(○,1)列出系统需要实现的功能。本系统实现的功能主要包括伏安测量、相位测量、功率测量、频谱分析、谐波测量和分析等。eq\o\ac(○,2)设计每一个电能参数的数字化实现方案。eq\o\ac(○,3)规划每一个功能模块需要显示的内容和显示方式，进而设计每一功能模块的前面板。eq\o\ac(○,4)详细设计每一个功能模块的框图程序，保证各模块既可以单独运行，又可以被系统当作子程序调用。这样既便于各模块的单独调试，又便于系统功能的修改，使系统具有更强的移植和升级能力。eq\o\ac(○,5)先对各模块进行单独调试，当每一个功能模块都调试成功后，然后进行整合。5.2离线电参数采集分析系统的软件实现系统的功能是对电力参数进行监测和分析，设计内容包括以下几个方面：（1）登录界面的设计,包括密码的设置；（2）主界面规划设计；（3）功率测量模块设计；（4）谐波分析模块；（5）三相不平衡度和各基本参数初始相角测量。5.2.1登陆界面下图为本系统登陆界面。图5.1登录界面的前面板图5.2登陆界面的程序框图为阻止非法用户登录，本系统设计了以上登录界面。只有输入正确密码按登录键，才能进入主界面。如图5.2，使用了事件结构和条件结构，事件结构输出结果作为条件结构的执行条件。在程序框图的字符串常量中，设定了密码。当输入正确密码时，事件结构输出False值，在条件结构False帧中，利用顺序结构，采用引用的方法先将“主界面.vi”打开，之后关闭登录界面的前面板；当输入错误密码是，条件结构执行True帧中的程序，提示用户重新输入密码。5.2.2主界面系统的主界面如下图所示。图5.3主界面的前面板eq\o\ac(○,1)读数据和信号仿真图5.4读数据和信号仿真转换程序本系统提供了两个数据源，采集数据和仿真信号，可通过前面板上“读数据/仿真信号”布尔按钮进行切换。源程序如图5.4所示。采集的三相电压、电流的原始数据存储在数据文件“采集数据.xls”中，按列存储，依次为A相电压、B相电压、C相电压、A相电流、B相电流和C相电流。共采集5个周期，每个周期200个采样点。采集数据通过“读取电子表格文件.vi”和条件结构的“假”帧中的6个“索引数组.vi”逐行读出。图5.4中，是子程序“仿真信号.vi”，此vi可产生相位互差120度的三相动态电压、电流信号，各相电压电流之比例统一调节，频率一致，各相噪声水平统一控制。上述几项参数均可由前面板上的“仿真信号配置”框中的控件进行调节。eq\o\ac(○,2)电压和电流信号实时波形各相的电压电流波形由一个“波形图”控件来同时显示，“相”选择使用布尔选板中的一个“单选按钮”控制，程序图如下：图5.5“相”选择程序框图上图中，“测试波形”单选布尔按钮是条件结构的执行条件，其内含“A相”、“B相”和“C相”三个单选项。eq\o\ac(○,3)频谱和谐波含量柱状图频谱图5.6频谱分析程序框图谐波含量柱状图可参考“5.2.6谐波分析模块”所述。eq\o\ac(○,4)高级测量用LabVIEW虚拟仪器软件开发实际的测控系统时，经常会遇到这样的情况:测试量庞大，另外还要进行数据分析处理、报表的生成打印等任务。面对如此繁多的任务，无法用一个用户界面(又称为人机界面)来实现，这时将一个完整的测试系统按完成的具体任务不同分成几个功能模块，每个功能模块分别设计成为不同的子程序(在LabVIEW中称作子vi}，并且每个子程序都有自己的用户界面。在测控系统的应用程序中首先提供一个友好的用户界面，在此界面上把上述各功能模块组织起来供用户调用，利用菜单来驱动测控系统的各功能模块，以完成不同的测试任务。这种调用关系，反映到用户界面上，表现为菜单的功能。在本系统中利用事件结构来实现菜单与相对应功能模块的调用。如图5.3所示，高级测量部分给出了三个项目：功率测量、谐波分析、不平衡度和相角，分别用三个布尔按钮表示。三个按钮均使用“鼠标按下”事件形式(具体的事件形式可以选择，事件结构函数提供了十几种事件触发的形式)，一旦鼠标单击按钮，就会调用相应的功能模块。程序框图如下：图5.7高级测量部分程序图在系统实时监测的过程中或仿真时，有时需要将实时数据进行记录，以备以后检查和分析。本系统设计了写测量文件功能，在此只作仿真信号记录。程序框图如下：图5.8写测量文件程序图写测量文件的程序框图使用了条件结构，用“写测量文件”布尔按钮的真假作为条件。将原始电压电流信号合并，作为“写入电子表格文件.Vi”的输入。将字符串常量转换为路径作为“写入电子表格文件.Vi”的文件路径。eq\o\ac(○,5)获取系统时间在图5.2的右下角可以看出本系统运行时的日期和时间。5.2.3电压电流有效值测量图5.9是电压、电流有效值测量的框图程序。首先用“读取电子表格文件.vi”和“索引数组.vi”将数据按行读出。下图中用到了两个For循环，外For循环将读出的各相电压电流信号以周期为单位送入到内For循环，在内For循环中，逐个取出数据进行平方，然后累加一个周期的平方和，输出到外For循环，除以一个周期的采样点数，再求取平方根，即得出了一个周期内电压（电流）有效值。由于采集了多个周期的数据，为求精确，故在外For循环中又计算了多个周期的平均值。图5.9电压、电流有效值测量程序图5.2.4功率测量模块eq\o\ac(○,1)有功功率在本系统中，有功功率的计算通过一个子程序“有功功率.vi”来实现。下面是“有功功率.vi”的程序图。图5.10中，“读取电子表格文件.vi”和“索引数组.vi”将采集数据库中各相的电压和电流分别读出，根据有功功率的定义，首先对一个周期内同一时间采集的电压与电流的瞬时值的乘积进行求和，然后除以一个周期所采集的数据点的个数，所得到就是有功功率。由于每次采集了多个周期，因此取其平均值作为有功功率。图5.10有功功率程序框图eq\o\ac(○,2)视在功率、无功功率和功率因数的计算图5.11是功率测量模块的前面板，包括有功功率、视在功率、无功功率和功率因数四部分。图5.12是功率测量模块的框图程序。视在功率的计算相对比较简单，利用伏安测量模块已经计算得出的各相电压和电流的有效值进行相乘，所得到的值就是视在功率。功率因数的计算可以利用公式(4-11)进行计算。无功功率的计算有点繁琐。因为已求出功率因数，又知道，所以可以先利用“反余弦.vi”将求出，之后用“正弦.vi”算出，再乘以视在功率S就可得出无功功率Q。当功率测量模块被“主界面.vi”调用后，图5.12右下角的事件结构及其内程序便可用来返回主界面并关闭此vi前面板。图5.11功率测量模块的前面板图5.12视在功率、无功功率和功率因数的计算程序5.2.5不平衡度及相角模块不平衡度和相角模块的前面板如下图。图5.13不平衡度和相角模块的前面板图5.14不平衡度和相角模块的程序框图eq\o\ac(○,1)三相不平衡度利用“读取电子表格文件.vi”和“IndexArray.vi”分别将三相电压、电流数据按行读出，作为“提取单频信息.vi”的时间信号输入。“提取单频信息.vi”能检测出时间信号的频率、幅度和相位以及其它测量信息。在计算三相电压（电流）不平衡度时，要用到每相的基波电压（电流）有效值，而此vi检测出的幅度和相位信息是以极坐标的形式表现的，这需要用到“极坐标至复数转换.vi”，但“极坐标至复数转换.vi”的相位输入是弧度形式的，因此，需要首先将角度形式的相位信息转换为弧度形式，然后通过“极坐标至复数转换.vi”转换成复数形式并求其绝对值。之后，依据公式2-5，利用公式节点即可得出三相电压（电流）不平衡度。eq\o\ac(○,2)初始相角“提取单频信息.vi”输出的相位信息可直接作为各相电压电流的初始相角。eq\o\ac(○,3)此vi在被“主界面.vi”调用后，图5.13左下的事件结构执行时可用来关闭当前vi的前面板并返回主界面。5.2.6谐波分析模块在本模块中，使用了采集数据和仿真信号两种数据源，主要监测各次谐波的含有量（2～15次）、谐波的总失真度（THD）、基波幅值、直流分量等项目。本模块的核心是函数“谐波失真分析.vi”，如下所示：图5.15谐波失真分析eq\o\ac(○,1)前面板和程序框图图5.16谐波分析模块的前面板图5.17谐波分析模块的程序框图eq\o\ac(○,2)读数据和仿真这部分类似于主界面中的“读数据和信号仿真”，可参考5.2.2eq\o\ac(○,3)谐波输入仿真.vi图5.16和图5.17分别是“谐波输入仿真.vi”的前面板和程序框图。仿真信号的各相电压幅值可单独调节，各相电流依据对应相电压使用同一调节比例，各相的噪声水平和采样信息统一控制。相位重置时，三相相位互差120度。“谐波输入仿真.vi”作为子vi被“谐波分析模块.vi”调用时，有一些参数可以调整，包括频率、采样信息、噪声水平和相位重置。图5.18谐波输入仿真的前面板图5.19谐波输入仿真的程序框图eq\o\ac(○,4)信号选择“谐波分析模块.vi”是对三相电压、电流单独进行分析的，因此需要选择信号。用菜单下拉列表控件（含6个菜单项）控制条件结构的执行条件端口，即可实现，如图5.16左上。eq\o\ac(○,5)THD、直流分量和基波幅值谐波总畸变率（THD）可直接由“谐波失真分析.vi”输出的THD乘以100，以百分比的形式表示。“谐波失真分析.vi”输出的“谐波电平”中含有输入信号的直流成分，只需用“索引数组.vi”将其取出即可。基波幅值也一样。eq\o\ac(○,6)各次谐波含量及其柱状图检测各次谐波的含量，首先得通过“删除数组元素.vi”把基波分量滤除，然后与已测得到基波幅值相比，再将直流分量滤除，之后通过“索引数组.vi”就可以将各次谐波逐个得出。各次谐波含量柱状图的显示是这样实现的：先用“For循环”索引输出2～16的循环数组，然后和谐波含量数组捆绑成一个簇，用“XY图”进行显示。eq\o\ac(○,7)THD越限警告此处只适于电压信号。依据表2-1，用各级电网电压THD限值标准与相应等级电压的THD实测值比较，以布尔指示灯高亮警告。eq\o\ac(○,8)同样，当“谐波分析模块.vi”被“主界面.vi”调用后，图5.16下方的事件结构及其内程序执行时会关闭当前面板并返回主界面。5.3本章小结本章的内容主要是介绍系统软件的具体设计步骤，详细说明了各模块的前面板和程序框图，其中包括以下几个方面：（1）利用LabVIEW实现相位测量模块的设计;（2）利用LabVIEW实现功率测量模块的设计;（3）利用LabVIEW实现电压、电流三相不平衡度模块的设计;（4）利用LabVIEW实现了谐波分析模块的设计。6系统软件测试系统软件设计的再好，也不可能保证其程序完全没有差错。因此，为了验证和提高系统软件的可靠性，就必要对其进行测试。测试工作主要包括两个组成部分，首先是确定错误的准确位置，其次是找出错误发生的原因，并采取一定的措施来改正错误。本章首先简单介绍系统软件的一般测试方法，然后介绍离线电参数采集分析系统软件平台的具体测试方法和测试结果。6.1软件测试方法的介绍软件的调试是非常重要的一个环节，一个软件平台系统开发过程的最后一个重要坏节就是对软件的测试。程序测试就是要在计算机上以各种可能的数据和操作条件对程序进行测试，找出存在的问题并加以修改，使之完全符合设计要求。一般的测试方法有:(1)数据测试:即用大量的实际数据进行测试，观测结果对不对。(2)穷举测试:即程序运行的各个要求都应该测试。(3)操作测试:即对各种显示，输出应全面检查，看是否与设计要求相一致。(4)模型测试:即核算所有计算结果。(5)一般测试步骤:分调，即由程序设计者对各个模块进行测试；联调，即对各个子系统，各个模块