王千文

(海南省瓊州學(xué)院電子信息工程學(xué)院,海南五指山 572022)

基于LabWindow s/CV I軟件的虛擬諧波分析儀的設(shè)計(jì)

王千文

(海南省瓊州學(xué)院電子信息工程學(xué)院,海南五指山 572022)

本文簡(jiǎn)單闡述了虛擬諧波分儀器的工作原理與軟件設(shè)計(jì)要點(diǎn),并利用LabWindow s/CV I軟件,采用了高精度的加窗插值FFT的處理方法,實(shí)現(xiàn)了虛擬諧波分析儀的各個(gè)功能。該分析儀具有精確度高、工作穩(wěn)定、抗干擾能力強(qiáng)的特點(diǎn).

虛擬儀器;諧波分析;LabWindow s/CV I＊

0 引言

近年來(lái),隨著電力電子技術(shù)的廣泛應(yīng)用,半導(dǎo)體器件等非線(xiàn)性負(fù)荷在電力系統(tǒng)中的使用也越來(lái)越多,這樣就不可避免地使相關(guān)的電流和電壓波形產(chǎn)生較大程度的畸變,即所謂的諧波污染,對(duì)電力系統(tǒng)的安全、經(jīng)濟(jì)運(yùn)行產(chǎn)生了極大的影響.電能質(zhì)量越來(lái)越引起人們的重視,測(cè)量電能質(zhì)量的儀器因此產(chǎn)生.但是用戶(hù)在普查電能質(zhì)量時(shí)要攜帶多種儀器,給數(shù)據(jù)處理帶來(lái)諸多不便,很多用戶(hù)還希望增加捕捉瞬態(tài)信號(hào)等動(dòng)態(tài)測(cè)試功能.這樣便要求測(cè)試系統(tǒng)更便于攜帶、有更短的開(kāi)發(fā)周期、更低的成本和更高的質(zhì)量.虛擬儀器V I的興起給電能質(zhì)量測(cè)量與分析提供了新的研究途徑[1,2].周珍良等人研究了實(shí)時(shí)電能質(zhì)量分析儀中采樣控制電路的優(yōu)化設(shè)計(jì)和非同步采樣的同步化算法,他們提出了基于CPLD和D SP構(gòu)架的實(shí)時(shí)電能質(zhì)量分析儀的設(shè)計(jì),著重討論了CPLD在實(shí)時(shí)電能質(zhì)量分析儀采樣控制電路優(yōu)化設(shè)計(jì)中的應(yīng)用,并討論了非同步采樣的同步化算法.樣機(jī)測(cè)試結(jié)果表明,該電能質(zhì)量分析儀可以按半個(gè)電網(wǎng)周期的滑動(dòng)速度,對(duì)電能質(zhì)量進(jìn)行實(shí)時(shí)分析,分析結(jié)果達(dá)到了國(guó)家對(duì)電能質(zhì)量測(cè)試的要求[3].周義明等人研究了基于LABV IEW的電能質(zhì)量分析儀,該分析儀具有精確度高、工作穩(wěn)定、抗干擾能力強(qiáng)的特點(diǎn)[4].為了保證電網(wǎng)和供電設(shè)備安全、經(jīng)濟(jì)、可靠運(yùn)行,提高供電質(zhì)量,我們采用N I公司的文本式編程語(yǔ)言LabWindow s/CV I作為電能測(cè)試系統(tǒng)的軟件開(kāi)發(fā)工具,正是基于LabWindow s/CV I虛擬儀器的特點(diǎn),把V I技術(shù)用于諧波分析儀實(shí)驗(yàn)研究方面,對(duì)電能質(zhì)量指標(biāo)中的電力系統(tǒng)諧波測(cè)量和分析計(jì)算,進(jìn)行軟件編程.

該系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示,它是基于計(jì)算機(jī)的便攜式電能質(zhì)量分析儀,利用美國(guó)N I公司的LabWindow s/CV I虛擬儀器開(kāi)發(fā)平臺(tái),來(lái)完成電力系統(tǒng)運(yùn)行中幾個(gè)重要參數(shù)的測(cè)試分析,這些參數(shù)包括電壓及其偏差、頻率及其偏差、波形、畸變、三相不平衡度、基波與諧波功率及其流向、功率因數(shù)、電壓波動(dòng)與閃變等,但本文主要研究諧波.隔離模塊及抗混疊濾波器組成數(shù)據(jù)采集器,測(cè)試時(shí),從電壓互感器和電流互感器的次級(jí)引入輸入信號(hào),通過(guò)數(shù)據(jù)采集器將電壓和電流信號(hào)送入采集卡DAQCa rd1200.進(jìn)行采樣,變成有限長(zhǎng)的離散數(shù)字量,最終由計(jì)算機(jī)完成計(jì)算分析、顯示、存貯及打印等功能[5,6].

1 虛擬儀器及LabWindow s/CV I軟件

虛擬儀器的概念是20世紀(jì)80年代美國(guó)N I公司(National Instruments Company)首先提出的.虛擬儀器概念是對(duì)傳統(tǒng)儀器概念的重大突破,是計(jì)算機(jī)系統(tǒng)與儀器系統(tǒng)技術(shù)相結(jié)合的產(chǎn)物.虛擬儀器是以計(jì)算機(jī)為基礎(chǔ),結(jié)合了特定的硬件接口設(shè)備和為實(shí)現(xiàn)特定功能而編制的軟件.虛擬儀器中硬件的主要功能是獲取真實(shí)世界中的被測(cè)信號(hào),而軟件的作用是控制實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)采集、分析、處理、顯示等功能,并將其集成為儀器操作與運(yùn)行的命令環(huán)境[1,2,5,6].

美國(guó)N I公司的文本式編程語(yǔ)言LabWindow s/CV I是當(dāng)前最流行的虛擬儀器開(kāi)發(fā)工具.LabWindow s/CV l是基于C/C++的專(zhuān)門(mén)用于虛擬儀器的可視化編程語(yǔ)言,用Lab-W indow s/CV I提供的控件庫(kù)(包括開(kāi)關(guān)、旋鈕、圖表等)可以容易地設(shè)計(jì)符合實(shí)際要求、新穎直觀的操作界面.另外,LabWindow s/CV I提供了豐富的庫(kù)函數(shù),如高級(jí)數(shù)據(jù)分析庫(kù)函數(shù)、GP IB數(shù)據(jù)采集、VX I和RS-232硬件驅(qū)動(dòng)函數(shù)庫(kù),用于數(shù)據(jù)獲取、數(shù)據(jù)處理和顯示等功能.

2 電能質(zhì)量諧波分析方法

在電能質(zhì)量分析領(lǐng)域中廣泛應(yīng)用的基于變換的方法主要有Fou rie r變換和小波變換[7,8,9].電力系統(tǒng)的諧波分析,通常采用快速傅里葉算法(FFT),由于實(shí)際信號(hào)在進(jìn)行數(shù)據(jù)采集時(shí),即使采樣頻率滿(mǎn)足了奈奎斯特定理,也不可能實(shí)現(xiàn)嚴(yán)格同步采樣,所產(chǎn)生的泄漏效應(yīng)及柵欄效應(yīng)必將影響所測(cè)電氣參數(shù)(頻率、幅值和相位)的準(zhǔn)確度.如使用B lackmart—Harris窗函數(shù),既簡(jiǎn)化了頻域的卷積運(yùn)算,提高了FFT算法的精度;同時(shí)也有利于插值公式的推導(dǎo)和改進(jìn).這是因?yàn)楫?dāng)某個(gè)弱信號(hào)的附近仍存在一個(gè)很強(qiáng)的信號(hào)時(shí),其運(yùn)算結(jié)果將存在較大的相位誤差,對(duì)插值公式作適當(dāng)?shù)母倪M(jìn)可以減少這種誤差.

設(shè)一采樣信號(hào)的序列

這里fm是信號(hào)頻率,Δt為采樣間隔.為簡(jiǎn)便起見(jiàn),在以下的分析中假設(shè)Δt=1,則D FT的頻率分辨率為Δf=l/(Δt·N)=I/N,這時(shí)x(n)的傅里葉變換表達(dá)式為

x(n)經(jīng)過(guò)加B lackman-Harris窗后,其D FT表達(dá)式可以表示為狄利克來(lái)核的代數(shù)和

這里取a0=0.35875,a1=0.48829,a2=0.14128,a3=0.01168.如果采樣頻率不是工頻的整數(shù)倍,在頻譜中就會(huì)產(chǎn)生柵欄效應(yīng),即實(shí)際信號(hào)的各次諧波分量并未正好落在頻率分辨點(diǎn)上,而是落在某兩個(gè)頻率分辨點(diǎn)之間.假設(shè)fm在Δl f和(l+1)Δf之間,l為整數(shù),即這樣,中必有一峰值點(diǎn).當(dāng)λ<0.5時(shí),達(dá)到最大值;當(dāng)λ> 0.5時(shí)為最大值.

由式(2)可以得到

令w=l+n,并將其代人(5)式,可得

而X(n)加B lackm an-H a rris窗后的頻譜在整數(shù)采樣點(diǎn)的數(shù)值為

利用公式(7)和(8)IN可求出準(zhǔn)確的λ值,從而可以得出準(zhǔn)確的幅值|Am|和相位φm. Fou rie r變換的優(yōu)點(diǎn)是算法快速簡(jiǎn)單.缺點(diǎn)是:(1)雖然能夠?qū)⑿盘?hào)的時(shí)域特征和頻域特征聯(lián)系起來(lái)觀察,但不能將二者有機(jī)地結(jié)合起來(lái).(2)只能適應(yīng)于確定性的平穩(wěn)信號(hào)(如諧波),對(duì)時(shí)變非平穩(wěn)信號(hào)難以充分描述.在LabWindow s/CV I軟件中實(shí)現(xiàn)該算法只需直接調(diào)用FFT函數(shù)[10,11,12].

在進(jìn)行功率測(cè)量時(shí),要考慮到存在諧波功率影響的問(wèn)題.目前諧波條件下的功率測(cè)量還沒(méi)有統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn),對(duì)于諧波功率的分析關(guān)鍵是要確定諧波源及其諧波功率的流向,對(duì)于單相和三相平衡系統(tǒng)比較容易測(cè)量分析.三相不平衡情況時(shí)則要復(fù)雜些,實(shí)際上,三相不平衡是與諧波畸變有關(guān)的,以諧波電壓為例,衡量畸變波形的數(shù)字特征量主要包含幾個(gè)方面.

式中Uk表示k次諧波電壓.

式中Ul表示基波電壓.

此公式的具體運(yùn)用見(jiàn)附錄顯示結(jié)果回調(diào)函數(shù)[1,13].

3 設(shè)計(jì)過(guò)程

圖1 程序基本框架圖

軟件設(shè)計(jì)的工作分為四步,首先是制定程序的基本框架,即根據(jù)測(cè)量任務(wù)確定程序的基本框架、儀器面板及程序中所需的函數(shù).本文中所設(shè)計(jì)的程序基本框架圖如圖1所示.其次是創(chuàng)建用戶(hù)界面,具體包括:(1)啟動(dòng)CV I打開(kāi)工程窗口并創(chuàng)建一個(gè)用戶(hù)界面文件,創(chuàng)建面板;(2)在儀器面板中加入控件;(3)修改用戶(hù)界面中各控件的屬性;(4)按順序設(shè)置所有控件.

第三步是編寫(xiě)程序源代碼.保存用戶(hù)界面后即得到源程序(＊.c)代碼框架,向其中添加函數(shù)代碼來(lái)完成代碼編寫(xiě).本設(shè)計(jì)中程序的編寫(xiě)主要有8個(gè)部分組成,分別為主函數(shù)(m ain()函數(shù))、產(chǎn)生波形(GenerateW ave()函數(shù))、諧波分析(A na lysis()函數(shù))、顯示結(jié)果(W a tch()函數(shù))、存盤(pán)(save()函數(shù))、清屏(c lea rca llback()函數(shù))、說(shuō)明(exp lainca llback()函數(shù))和退出(c lose()函數(shù)),

主函數(shù)如下:

in tmain(intargc,cha r＊a rgv[])

{

y if(In itCV IRTE(0,a rgv,0)==0)

retu rn-1;

if((pane lH and le=LoadPane l(0,“sam p le.u ir”,PAN EL))<0)

retu rn-1;

D isp layPane l(panel H and le);

R unU se r In te rface();

D iscardPane l(pane lH and le);

re tu rn0;

}

其他關(guān)鍵回調(diào)函數(shù)詳見(jiàn)本文附錄.

第四步是建立工程文件,并進(jìn)行調(diào)試.運(yùn)行后,將＊.u ir文件、＊.c文件和＊.h文件添加到工程文件＊.p rj中得到可執(zhí)行文件＊.exe

4 設(shè)計(jì)效果

通過(guò)調(diào)試程序,最終達(dá)到了預(yù)期的效果,實(shí)現(xiàn)了諧波分析的虛擬電腦平臺(tái),最后面板的設(shè)計(jì)如下圖2所示.

圖2 運(yùn)行設(shè)計(jì)程序的最初界面

該平臺(tái)實(shí)現(xiàn)了信號(hào)采集、諧波分析、結(jié)果顯示、存盤(pán)等功能.它的具體操作說(shuō)明,可以點(diǎn)擊“說(shuō)明”按鈕,顯示面板如下圖3所示.

其他各控件的具體功能為:電壓基波幅值:完成對(duì)電壓基波幅值的設(shè)置.電壓基波相位:完成對(duì)電壓基波相位的設(shè)置.電壓三次幅值:完成對(duì)電壓三次幅值的設(shè)置.電壓三次相位:完成對(duì)電壓三次相位的設(shè)置.

圖3 點(diǎn)擊“說(shuō)明”按鈕后彈出的對(duì)話(huà)框

以上四個(gè)控件均可在一定范圍內(nèi)設(shè)定其值,由于本設(shè)計(jì)只是虛擬電能質(zhì)量諧波分析儀的軟件設(shè)計(jì),沒(méi)有數(shù)據(jù)采集卡和外接檢測(cè)電源信號(hào),所以需要用這些控件設(shè)置信號(hào)初始值,至于電流的初始值則是在程序中設(shè)定了.其他所有數(shù)值型控件都用于顯示諧波分析后的相應(yīng)值.左邊的圖形控件用于顯示初始信號(hào)的波形,右邊圖形控件用于顯示諧波分析的波形.通過(guò)更改信號(hào)初始值可以在其他顯示控件上看到相應(yīng)的變化,如圖4和圖5所示.

圖4 步驟一:點(diǎn)擊控件“信號(hào)采集”

圖5 步驟二點(diǎn)擊控件“諧波分析”

在圖4中,該操作在左圖象框中將會(huì)顯示信號(hào)波,此信號(hào)是由GenerateW ave()函數(shù)產(chǎn)生,我們可以通過(guò)改變面板中相關(guān)控件(電壓基波幅值、電壓基波相位、電壓三次幅值和電壓三次相位)的數(shù)值來(lái)改變信號(hào)源的初值.在圖5中,此操作是利用快速傅立葉變換函數(shù)(FFT()函數(shù))將信號(hào)的電壓與電流進(jìn)行諧波分析后將結(jié)果顯示在右圖象框上,它調(diào)用的是A na lysis()函數(shù).

然后是對(duì)此操作過(guò)程進(jìn)行虛擬諧波分析儀的分析結(jié)果存盤(pán),它調(diào)用的是save()函數(shù),如圖6所示.將信號(hào)分析結(jié)果顯示在各相應(yīng)的控件上,調(diào)用的是Watch()函數(shù),如圖7所示.最后是清除波形及數(shù)據(jù),調(diào)用的是clearcall back()函數(shù).點(diǎn)擊“說(shuō)明”的圖已在上面列出,點(diǎn)擊“退出”可退出面板.

5 結(jié)論

基于計(jì)算機(jī)的便攜式諧波分析儀,利用虛擬儀器中LabWindow s/CV I軟件實(shí)現(xiàn)多通道數(shù)據(jù)采集虛擬儀器系統(tǒng),可以同時(shí)輸入多路工頻電網(wǎng)電壓和直流雙極性低壓全隔離的模擬信號(hào).它將盡可能地以軟件代替硬件,使儀器的硬件簡(jiǎn)單,可靠性高.可以通過(guò)修改或調(diào)用不同的虛擬儀器改作其他用途,從而向柔性化方向發(fā)展.因此虛擬儀器系統(tǒng)在電能測(cè)量中提高了測(cè)量?jī)x器的應(yīng)用范圍,并提高了測(cè)量的靈活性.

圖6 步驟三:點(diǎn)擊控件“存盤(pán)”

圖7 步驟四點(diǎn)擊控件“顯示結(jié)果”

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Abstract:This paper briefly discusses the work principle of the virtual harmonic instrument and the main point of the program design.The functions of the virtual harmonic instrument have been simulated by LabWindow s/CV I soft ware with windowed interpolation fast fourier algorithm(FFT).The analyzer has a high accuracy,stable,strong anti-interference characteristics.

Keywords:virtual instrument,harmonic analyzer,LabWindow s/CV I

Design of Virtual Harmonic Analyzer Based on Lab Window s/CV ISoftware

WANGQ ian-wen
(School of Electronic Information Engineering Qiongzhou University,Hainan 572200,China)

TP216

A

1004-7077(2010)02-0102-06

2010-03-16

海南省教育廳高等學(xué)校科學(xué)研究項(xiàng)目(HJKJ2010-41)

王千文(1972-),男,海南安定縣人,海南瓊州學(xué)院講師.

[責(zé)任編輯:陳慶朋]