王 琦

(東北電力大學(xué) 電氣工程學(xué)院,吉林 吉林 132012)

基于LabVIEW的船舶電力諧波檢測(cè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與研究

王 琦

(東北電力大學(xué) 電氣工程學(xué)院,吉林 吉林 132012)

設(shè)計(jì)了一套功能完整的船舶電力諧波數(shù)據(jù)采集以及模擬檢測(cè)系統(tǒng)平臺(tái),利用NI公司出產(chǎn)的LabVIEW軟件對(duì)下位機(jī)采集卡PXIe-6358進(jìn)行控制,實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)采集數(shù)據(jù);將數(shù)字信號(hào)轉(zhuǎn)化成模擬信號(hào),通過(guò)快速傅里葉加窗方法進(jìn)行諧波檢測(cè),確保精準(zhǔn)地檢測(cè)出電力諧波量。仿真實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明,該系統(tǒng)檢測(cè)方便,精度較高,運(yùn)行穩(wěn)定、可靠。

船舶電力諧波;檢測(cè)系統(tǒng);LabVIEW;PXIe-6358

隨著水上船舶電力系統(tǒng)的興起，現(xiàn)代船舶電力網(wǎng)絡(luò)容量不斷擴(kuò)增，繼而導(dǎo)致了一系列技術(shù)難題，所以提高船舶系統(tǒng)的電壓等級(jí)成為必然趨勢(shì)。伴隨著電壓等級(jí)的提高，電網(wǎng)結(jié)構(gòu)變得越來(lái)越復(fù)雜，當(dāng)船舶綜合全電力推進(jìn)系統(tǒng)[1]組成之后，設(shè)備負(fù)荷變高，擴(kuò)建大量電纜線路使得電容電流以及諧波大幅度增加，造成電力諧波污染問題日益明顯，嚴(yán)重影響船舶電能質(zhì)量和用戶設(shè)備的正常運(yùn)行。因此，進(jìn)行電力諧波成分的檢測(cè)與分析有利于整體性電能質(zhì)量的評(píng)估。

電力諧波問題的研究主要集中在換流器諧波源、測(cè)量技術(shù)、計(jì)量與分析技術(shù)三個(gè)方面[1-4]。換流器諧波源方面，提出采用空間矢量法降低PWM換流器的諧波含量，在AC/DC換流器不對(duì)稱觸發(fā)情況下，采用離散小波信號(hào)模型分析方法。測(cè)量技術(shù)方面，提出不同諧波情況下，提高諧波測(cè)量精度的方法，研制電能質(zhì)量檢測(cè)儀和多通道諧波分析儀。計(jì)量與分析技術(shù)方面，針對(duì)非穩(wěn)態(tài)波形畸變，根據(jù)電網(wǎng)參數(shù)實(shí)時(shí)變化以及模型與元件參數(shù)精度對(duì)諧波計(jì)算會(huì)造成一定影響，從而尋求新的數(shù)學(xué)方法。

目前,主要的諧波檢測(cè)方法有快速傅里葉變換法FFT、小波變換法、正交分解法、人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)法等[5-7]。其中FFT算法因計(jì)算效率高在諧波分析中得到廣泛的應(yīng)用;時(shí)變諧波與間諧波檢測(cè)主要使用小波變換法;正交變換法主要用于有源電力濾波器控制;神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)法尚處于理論探討階段,還不具備廣泛用于諧波與間諧波監(jiān)測(cè)的條件,原因是需要大量的樣本對(duì)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行訓(xùn)練。然而在利用FFT進(jìn)行間諧波測(cè)量時(shí),對(duì)于任意頻率的間諧波檢測(cè)無(wú)法實(shí)現(xiàn)信號(hào)同步采樣,會(huì)產(chǎn)生一定的頻譜泄漏和柵欄現(xiàn)象[8]。這些現(xiàn)象會(huì)使得對(duì)頻率測(cè)量的幅值有所偏差,而且會(huì)產(chǎn)生出其他頻率的諧波。通常在進(jìn)行傅里葉變換時(shí),對(duì)信號(hào)乘以一個(gè)合適的窗函數(shù),隨著窗函數(shù)幅度逐漸減小,頻譜泄漏也逐漸降低,使得測(cè)量更為準(zhǔn)確。

本文采用快速傅里葉加窗方法進(jìn)行諧波檢測(cè),并設(shè)計(jì)了一套功能完整的船舶電力諧波數(shù)據(jù)采集以及模擬檢測(cè)系統(tǒng)平臺(tái)。通過(guò)仿真軟件LabVIEW對(duì)下位機(jī)采集卡硬件PXIe-6358控制,實(shí)時(shí)采集諧波相關(guān)數(shù)據(jù),同時(shí)將數(shù)字信號(hào)轉(zhuǎn)化成模擬信號(hào)注入到軟件算法中,確保精準(zhǔn)地檢測(cè)出電力諧波量。

1 諧波檢測(cè)的算法理論

1.1 傅里葉變換法

傅里葉變換是一種數(shù)學(xué)變換方法,包括多種延伸的算法,例如連續(xù)傅立葉變換(Continuous Fourier transform,CFT)、離散傅立葉變換(Discrete Fourier Transform,DFT)、快速傅立葉變換(Fast Fourier Transformation,FFT)和加窗傅立葉變換(Windowed Fourier Transform,WFT)等。對(duì)于含有諧波的信號(hào),可以利用傅里葉變換法進(jìn)行頻率測(cè)量,設(shè)測(cè)量信號(hào)為

x(t)=Asin[2πf0ht+φh(t)]

(1)

式中:A為常數(shù);2πfh為周期函數(shù)的角頻率;φ(t)為頻率的初相角。

從式(1)中分離出信號(hào)的基波分量,再利用幅頻特性和相角特性進(jìn)行頻率測(cè)量。該方法主要是通過(guò)傅立葉變換將信號(hào)進(jìn)行分解,得到各次諧波的幅值和頻率。通常在測(cè)量整數(shù)次諧波中采用FFT,能在進(jìn)行長(zhǎng)序列運(yùn)算時(shí)大大提高運(yùn)算速度。設(shè)離散信號(hào)x(n)為n點(diǎn)序列,其DFT變換為

當(dāng)n為偶數(shù)時(shí),令n=2r;當(dāng)n為奇數(shù)時(shí),令n=2r+1,則x(n)可表示為

x(2r)=x(r)

x(2r+1)=x(r) (r=0,1,2,…,2/N-1)

在周期為T0的連續(xù)時(shí)間信號(hào)f(t)內(nèi)抽取N個(gè)等間隔的采樣點(diǎn),采樣間隔為Δt=T0/N,則采樣頻率fs=1/Δt。

FFT是目前諧波檢測(cè)的主要方法。當(dāng)測(cè)量時(shí)間是信號(hào)周期的整數(shù)倍,即同步采樣,并滿足時(shí)域采樣定理時(shí),可精確獲得信號(hào)的諧波參數(shù)。然而,由于電網(wǎng)信號(hào)的基波頻率不斷波動(dòng),測(cè)量時(shí)很難達(dá)到嚴(yán)格的同步采樣，存在頻譜泄漏和柵欄效應(yīng)現(xiàn)象[8]，使檢測(cè)結(jié)果誤差較大。因此在進(jìn)行傅里葉變換時(shí)需對(duì)信號(hào)乘以一個(gè)合適的窗函數(shù),隨著窗函數(shù)幅度逐漸減小,頻譜泄漏也逐漸降低,使得測(cè)量更為準(zhǔn)確。目前經(jīng)常用到的余弦窗有矩形窗、Hanning窗、Hamming窗、Blackman窗。

在頻域測(cè)量中,對(duì)于窗函數(shù)的選擇主要有以下要求:1)為了得到較陡的過(guò)渡區(qū),窗函數(shù)應(yīng)選取主瓣寬度較小的類型;2)旁邊高度應(yīng)盡量小,且隨頻率衰減的速度比較快。根據(jù)上面這兩個(gè)要求,本文運(yùn)用Hanning窗的效果會(huì)更好。

1.2 諧波參數(shù)測(cè)量原理

為了表示畸變波形偏離正弦波的程度,通常由諧波含量、各次諧波含有率和總諧波畸變率特征量表示。

1.2.1 諧波含量

式中:Uh和Ih分別為第h次諧波的電壓和電流;UH和IH分別為電壓、電流諧波含量,由h次諧波電壓、電流均方根得到。

具有周期性畸變波形電壓有效值U和電流有效值I等于各次諧波電壓、電流有效值的平方根值,即

1.2.2 各次諧波含有率

結(jié)合文獻(xiàn)[9]所述,工程上常常要求給出電壓或電流畸變波形中所含有的某次諧波含有率,這樣有利于對(duì)各次諧波進(jìn)行檢測(cè)和采取抑制措施。諧波含有率(Harmonic Ratio,HR)通常用來(lái)表示某次諧波分量的數(shù)值大小，即為該次諧波有效值與基波有效值的百分比，如第n次電壓諧波含有率HR為

式中:Un為第n次諧波電壓有效值;U1為基波電壓有效值。

類似對(duì)于諧波電流表示為

式中:In為第n次諧波電流有效值;I1為基波電流有效值。

1.2.3 波形總畸變率

由文獻(xiàn)[10]可知,諧波畸變率表示波形因諧波引起的偏離正弦波形的畸變程度。波形的總諧波畸變率 (Total Harmonic Distorition,THD)是指具有周期性交流諧波含量的方均根值與基波分量的方均根值之比(常用百分?jǐn)?shù)表示)。波形畸變的程度經(jīng)常用諧波總畸變THD來(lái)表示。電壓諧波總諧波畸變率為THDu和電流諧波總畸變率THDi分別定義為

2 LabVIEW軟件設(shè)計(jì)

LabVIEW不僅是一個(gè)功能較為完整的軟件開發(fā)環(huán)境,還具備編程語(yǔ)言的所有特性,是一種適合應(yīng)用于目前絕大部分編程任務(wù),具有擴(kuò)展函數(shù)庫(kù)的通用編程語(yǔ)言。LabVIEW與傳統(tǒng)高級(jí)編程語(yǔ)言最大差別在于編程方式,一般高級(jí)語(yǔ)言采用文本編程,而它采用的是圖形化編程方式。

本系統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)硬件選為NI-PXI系統(tǒng)(包括嵌入式控制器、牢固的機(jī)箱和插入式I/O模塊)。

首先,使用ETS[10]作為目標(biāo)平臺(tái)的LabVIEW實(shí)時(shí)模塊,把該應(yīng)用軟件程序及專用RTOS[11]下載至專用微處理器上,并將嵌入式控制器轉(zhuǎn)換為實(shí)時(shí)控制器。這樣嵌入式軟件就可以查看到所有NI-PXI系統(tǒng)中的I/O模塊。

然后,使用PXI高級(jí)同步定時(shí)功能以確保I/O觸發(fā)準(zhǔn)確性和多模塊間良好同步的效果,以及在進(jìn)行數(shù)據(jù)采集和數(shù)據(jù)處理過(guò)程中的實(shí)時(shí)性和有效性。實(shí)驗(yàn)所用到的PXIe-6358包括4路模擬輸出PCI采集卡,可滿足各種高性能測(cè)試和測(cè)量應(yīng)用的需求。PXIe-1082機(jī)箱如圖1所示,用到的為第5塊PXIe-6358中的采集卡;配套的數(shù)據(jù)接線板如圖2所示。

2.1 采集數(shù)據(jù)

LabVIEW提供了非常豐富的圖形界面來(lái)進(jìn)行前面板的設(shè)計(jì),波形圖表能非常清晰地實(shí)時(shí)顯示采集波形。

在該頁(yè)面中實(shí)現(xiàn)了多通道采集的波形以及所有通道采樣的波形實(shí)時(shí)顯示[12]。該面板能靈活運(yùn)用屬性節(jié)點(diǎn)編程,實(shí)現(xiàn)調(diào)節(jié)電壓幅值、采樣數(shù)、采樣率以及自己想要的采樣數(shù)據(jù)波形。其中前面板由通道、定時(shí)、記錄和采集4個(gè)模塊組成,能夠?qū)崟r(shí)采集到準(zhǔn)確的數(shù)字信號(hào)并通過(guò)波形圖表現(xiàn)在后面板,并且可以轉(zhuǎn)化成模擬信號(hào)進(jìn)行存儲(chǔ)記錄,如圖3所示。

圖1 PXIe機(jī)箱正面

圖2 SCB-68A接線板

2.2 諧波分析

2.2.1 前面板的主程序

為了更好地實(shí)現(xiàn)操作的便捷性和良好的可靠性,此改模塊應(yīng)用到了electric power suite應(yīng)用包。程序具體由7部分組成:FPGA的初始值配置;設(shè)置模擬波形讀取數(shù)據(jù);構(gòu)建輸入電壓、電流波形數(shù)據(jù),輸入采樣率數(shù)據(jù),并設(shè)置出了RT控制器時(shí)間;設(shè)置基于電壓靈敏度和電流傳感器的電壓和電流的閾值;計(jì)算電壓及電流THD,并繪制成光譜圖;指定以5HZ為一單位的諧波組譜;停止FPGA采集模擬信號(hào)。諧波檢測(cè)前面板程序如圖4所示。

2.2.2 后面板的功能模塊

該顯示模塊包括5部分,如圖5所示。初始值根據(jù)圖3采集數(shù)據(jù)得到,也可獨(dú)立設(shè)置。該程序物理通道既可指定成模擬通道進(jìn)行仿真檢測(cè),又可鏈接其采集模塊進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。

圖3 采集諧波數(shù)據(jù)程序

圖4 諧波檢測(cè)前面板程序

圖5 諧波檢測(cè)功能模塊

3 仿真測(cè)試

3.1 初始值設(shè)置

該程序通過(guò)模擬輸入量后可對(duì)檢測(cè)諧波進(jìn)行分析,將設(shè)備布線為三相四線制,頻率50 Hz,標(biāo)稱電壓為230 V,周期頻數(shù)為192,最大諧波數(shù)為50,如圖6所示。

圖6 初始值設(shè)置

3.2 測(cè)試結(jié)果

根據(jù)初始值設(shè)定,后面板顯示電壓、電流的THD波形和頻譜如圖7～10所示,將三相電壓、電流值的靈敏度都調(diào)成1。

圖8 三相電流波形

圖9 電壓頻譜圖

圖10 電壓組譜圖

從圖7可以看到,三相電壓幅值在320 V上下,換算成電壓有效值與處置設(shè)定值230 V相差不大。從圖8可以看到,電流波形圖顯示較為理想。將測(cè)試得到的電壓頻譜結(jié)果、組譜結(jié)果(見圖9、圖10)與理論值進(jìn)行比較,發(fā)現(xiàn)幅值、相位的檢測(cè)誤差很小。其中,設(shè)頻率(z軸)映射為線性,幅值(y軸)設(shè)為指數(shù)形式,利于觀察電壓幅值變化量,而檢測(cè)出的畸變率有效值和近似值相差不到1%,可以滿足船舶電能質(zhì)量檢測(cè)工程上的需要。

3 結(jié) 語(yǔ)

本文設(shè)計(jì)了一套功能完整的船舶電力諧波數(shù)據(jù)采集以及模擬檢測(cè)系統(tǒng)平臺(tái)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明,對(duì)于穩(wěn)態(tài)連續(xù)諧波檢測(cè)結(jié)果較為準(zhǔn)確,便于觀察分析,操作簡(jiǎn)單,可靠性高,適合運(yùn)用在船舶電力諧波的檢測(cè)工程上。

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(責(zé)任編輯 王小唯)

Design and research on shipboard power harmonic detection System Based on LabVIEW

WANG Qi

(School of Electrical Engineering,Northeast Dianli University,Jilin 132012,China)

A set of fully functional simulation platform on shipboard power harmonic data collection and detection was designed.Namely,lower acquisition card hardware PXIe-6358 was controlled in using LabVIEW made by NI company and data was collected in real time.Then,the digital signals were transformed into analog signals and harmonic was detected through Fast Fourier windowing method,ensuring accurately detection of the electric power harmonic content.The experimental results show that the system detection is of convenience,of high precision and of stable and reliable running.

shipboard power harmonic; harmonic analysis; LabVIEW; PXIe-6358

2016-05-10。

王 琦(1991—),男,碩士研究生,研究方向?yàn)殡娔苜|(zhì)量檢測(cè)。

U665.1

A

2095-6843(2016)06-0482-05