基于虚拟仪器技术的电力谐波失真分析.pdf
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1、总第4 7 卷第5 3 1 期 2 0 l 0 年第 o 3 期 电测 与仪表 El e c t r i c a l M e a s ur e m e nt I n s t r ume n t at i o n V o l 。 4 7 No 3 1 r - 2 0 1 0 基于虚拟仪器技术的电力谐波失真分析 水 唐俊龙, 陈连举, 文勇军 f 长沙理工大学 物理与电子科学学院, 长沙 4 1 0 0 0 4 ) 摘要: 利用 L a b V I E W设计了一款具有信号仿真设计、 数据处理、 波形显示与存取等功能的谐波分析仪。对电力 系统方面存在的谐波失真信号进行仿真分析, 数据处理模块实现了
2、频谱测量、 谐波分析和功率谱分析的功能。 谐波分析采用了F F rI 算法, 对信号不加窗和加窗经过参数测量后分析, 加入窗函数可减少频谱泄漏, 提高测量 精度 , 从而验证了谐波分析仪设计的合理性和可行性 。 关键词 : L a b V I E W; 谐波分析; 虚拟仪器 ; F F T 中图分类号: T M 9 3 3 文献标识码 : B 文章编号 : 1 0 0 1 - 1 3 9 0 ( 2 0 1 0 ) 0 3 0 0 4 2 - 0 5 An a l y s i s o f Ha r m o n i c Di s t o r t i o n Si g na l o f Po we
3、 r S y s t e m t h Vi r t u a l I ns t r u m e nt T A N G J u n l o n g , C HE N L i a n - j u , WE N Y o n g - j U B ( C o l l e g e o f P h y s i c s a n d E l e c t r o n i c s S c i e n c e , C h a n g s h a U n i v e r s i t y o f S c i e n c e a n d T e c h n o l o g y , C h a n g s h a 4 1 0
4、0 7 6 , C h i n a ) Ab s t r a c t : A h a r mo n i c an a l y z e r h a v i n g f u n c t i o n s s u c h a s s i g n a l s i mu l a t i o n ,d a t a p r o c e s s i n g ,w a v e i t i s p l a y i n g an d a c c e s s i n g i s d e s i g n e d w i t h L a b VI E W Ha r mo n i c d i s t o r t i o n
5、s i g n a l o f p o we r s y s t e m i s a n a l y z e d o n s i mu l a t i o n Da t a p r o c e s s i n g mo d u l e r e ali z e s t h e f u nc t i o n s o f s p e c t r u m me a s u r e me n t h a r mo ni c a n a l y s i s a n d p o we r s pe c t r a l a n a l y s i s F Fr alg o r i t h m i s a d
6、o p t e d t o d o h a r mo n i c a n a l y s i s , a n d t h e p a r a me t e r s o f s i g n a l w i t h o r w i t h o u t w i n d o w f u n c ti o n i s me a s u r e d a n d a n aly z e d T he r e i s a c o n c l us i o n t h a t i t c a n r e d u c e t he l e a k a g e o f t h e s p e c t ru m a
7、nd i mp r o v e t h e me a s u r e me n t a c c u r a c y w h e n h a r mo n i c d i s t o r t i o n s i gna l wa s a d d e d w i n d o w f u n c t i o n ,wh i c h v e r i f i e s t h a t d e s i gn o f t h e h a r mo n i c a n aly z e r i s r a t i o n ali t y a nd f e a s i b i l i t y Ke y wo r d
8、 s : L a b VI EW, h a r mo n i c a n a l y s i s , v i rt u a I i n s t r u me n t , F F T 0引 言 随着科学技术的迅猛发展 ,设备和技术 向集成 化 、 数字化和高速化方向发展 , 但是也伴随着一个重 要的问题谐波失真, 它带给工业生产的巨大危害 是不能忽视的, 公用电网中的谐波电压和谐波电流就 是对电网环境最严重的一种污染 , 已成为影响电能质 量的公害 , 对用电设备 、 周 围的通信系统和公用 电网 以外的设备带来危害。 理想的公用电网所提供的电压 应该是单一而固定的频率以及规定的电压幅值, 在电
9、 力电子设备广泛应用之前, 人们对谐波及其危害就进 行了一些研究 , 有了一定的认识 , 近些年来 , 公用电网 的谐波污染 日益严重 , 谐波危害的严重性更加引起人 们的关注。 谐波电压和谐波电流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课题 。 湖南省教育资助科研项 目( 0 8 C1 1 1 ) 长沙市科技计划项目( k 0 8 0 3 0 8 1 1 1 ) : 长沙理工大学重点学科建设项 目 资助 一 4 2一 F F T的计算量大 , 谐波具有 固有 的非线性 、 随机性、 分 布性 、 非平稳性和影响 因素的复杂性等特征, 本文基 于L a b V I E W开
10、发平台设计谐波分析仪,它具有很好 的灵活性和可扩充性, 并且提供了强大的信号分析与 丰富的库函数和子程序使我们很好地完成 F F T的计 算任务, 进而解决谐波信号的分析问题 。 1 系统硬件设计 谐波分析仪的设计基于计算机技术和现代测试 技术 的虚拟仪器 ,系统设计硬件结构如图 1 所示 , 由 传感器、 信号调理模块、 数据采集卡、 计算机组成, 目 的是适用于单 、 三相电力负荷及变电站三相 电力谐波 失真分析。 传感器的选择考虑到系统的可靠性与安全性, 使 仪器与各种强电信号在电气上隔离 , 采用了电压互感 器( P T) 和电流互感器( c rI ) 的输出作为分析仪的输入 信号,
11、为增强仪器的通用性, 互感器选用了 L E M电流 电压互感器模块 , 它采用 L E M公司 “ 磁补偿原理” 的 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 总第 4 7卷第 5 3 1期 2 0 1 0年第 O 3期 电测 与仪表 El e c t r i c al M e a s u r e m e nt I n s t r ume n t at i o n Vo I I4 7 No 5 3 1 M a r 2 01 0 隔离模 块 抗混叠低 叫 数据采集卡 十 - 1 l电流互感器 f I ; 通滤波器 I ( ) l I 。 。 信号 调理 电路 图 l系统 的
12、硬 件 结构 F i g 1 S y s t e m h a r d w a r e s t r u c t u r e d i a g r a m 最新技术制作的霍尔元件, 具有较好的频率响应和较 大的输入范围 , 有 利于精确测量谐波成分 , 当然要提 高测量的方便性也可选其 它不 同规格的钳式 电流传 感器 。 信号调理装置为 自制电路 , 其 作用是降低 电压 电 流, 将被测的高电压和大电流降低至数据采集系统可 采集 的信号 ,例如 5 V或 1 0 V范 围内的电信号 。 信号调理电路包括隔离和滤波。 在数据采集的前端采 用 A D公司的专用 C MO S隔离放大器 A D 2 0
13、 4 , 具有体 积小 , 精度高 , 通带宽 , 输入灵活等特点的一种变压器 耦合 的双端 口隔离放大器 。可以实现电源 、 地线和信 号线 的三重隔离 , C MR R 1 3 0 d B,抗共模 干扰 3 0 0 V 以上 , 隔离 电压 1 0 0 0 V, 输入模拟量 电压量程 : D C 5 V、 1 0 V、 2 4 V、 其他用户指定的 AC 2 2 0 V、 3 8 0 V, 若其他交流值 , 经电压 、 电流互感器变换 即可。 隔离模 块可完成接地 ,放大器加上静电和电磁屏蔽浮置起 来 ,输入和输 出回路与 电源没有直接 的电路耦合关 系, 避免形成环流 , 提高安全性和抗
14、干扰能力。 抗混叠 滤波器是前 向通道的主要组成部分 , 采用 MA X I M公 司的专用芯片 MA X 2 7 5 , 组成 四阶低通 滤波器 , 滤掉 周期信号中 5 0次谐波f2 5 k I-I z ) 以上的高频成份, 输 人 的模数转换器的信号成为有限带宽信号 , 并且 以很 小的衰减让各个有效频率信号通过 , 而抑制这个频带 以外的频率信号 , 防止信号的频谱发生混叠及 高频干 扰 。 数据采集模块 中的数据采集 卡选用 N I 公 司生产 的 P C I 一 6 2 5 1 卡 , 具有测量灵敏度高 , 1 6位或 3 2位模 拟输入 , 1 6位输入时 ,采样率为 1 2 5
15、 Ms s ,在 1 6位 中, 高达 4位的模拟输出 2 8 Ms s , 每通道可编程输入 范 围是 1 0 0 m V到 1 0 V , 2路 l 6位模拟输出 ( 2 8 Ms s ) ; 2 4条 T T L的数字 I O线 ; 关联 D I O ( 8条 时钟 线, 1 0 MHz ) , 两路 3 2位计数器 定时器是一种基 于 P C I 总线的数据采集卡 ,可直接插在 I B M P C A T或 与之兼容的计算机 内的任一 P C I 插槽 中 ,构成实验 室 、 产 品质量检测 中心等各种领域 的数据采集 、 波形 分析和处理系统 。 2程序设计 虚拟仪器系统 以软件为核
16、心 , 依靠软件及硬件采 集器实现仪器功能 , 并利用计算机强大的运算、 显示 与扩展功能 ,使系统具有传统仪器无法 比拟的优越 性 。本系统采用 L a b V I E W8 2开发平台 , 使用结构化 和模块化的编程思想进行软件设计 , 包括设备仪器 的 驱动程序设计与面板程序设计。 面板程序设计分为四 个模块数据采集模块 、 数据处理模块 、 波形存取模块 和波形显示模块 。 在功能上 , 主要进行数据采集 , 传输 与存储 、 处理与显示 , 实现数字示波器 、 频率计和频谱 仪的功能 , 可以对采集的信号数据进行进一步时域和 频域处理 , 从而分析谐 波失真信号 。软件结构如图 2
17、所示 。数据采集模块完成测量信号参量的采集 , 软件 系统分时域模拟仿真与实时监控两种状态。 为了能够 更好地对谐波进行准确 的分析和对谐波有更深刻 的 理解 ,设计 中采用时域模拟仿真模块产生谐波信号 等 ; 实时监控时信号源由电压 、 电流传感器采集得到 , 经信号调理 电路 ( 包括隔离和滤波) 送至数据采集 系 统 , 两种状态的分析方法是一致的。数据处理模块是 本系统软件的核心部分, 主要对仿真信号和实时监控 信号进行处理, 分析频谱、 功率谱、 谐波参数等。波形 显示模块实现示波器功能显示测量到 的信号和处理 过后的信号 的波形 , 以便进行分析。波形存取模块包 括波形的数据与图形
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