基于LabVIEW的市电谐波检测系统设计

满高华 宁存岱

【摘 要】文章设计了一种基于LabVIEW开发平台的谐波检测系统，运用LabVIEW平台和FFT算法开发谐波检测系统软件，利用互感器、信号调理电路采集和处理电网谐波信号，通过数据采集卡将信号传输到个人计算机上的软件进行分析检测，实验结果证明了该系统的可行性。

【关键词】虚拟仪器；谐波；快速傅里叶变换

【中图分类号】TP274 【文献标识码】A 【文章编号】1674-0688（2016）02-0045-04

0 引言

工业生产及日常生活中大量非线性负载的使用，易造成谐波污染，这可能导致经济损失，甚至会产生更严重的后果。要对谐波污染进行有效地治理，就必须对电力系统的各次谐波含量进行准确地测量，因此对电力谐波的检测分析具有重要意义[1-2]。

利用虚拟仪器强大的软件功能，实现谐波的采集、处理及分析等工作，使用户可以方便地对其进行维护、扩展和升级，使分析及控制更加灵活，只需要投入很少的硬件即可开发出功能丰富的系统[3]。本系统采用以互感器、滤波器和数据采集卡组成的数据采集模块对电力信号进行采样，并以LabVIEW为开发平台，利用快速傅里叶理论计算分析各次谐波分量。实验结果表明，该系统运行稳定可靠，检测结果精度高。

1 系统整体设计

谐波检测系统整体结构如图1所示，硬件部分主要由互感器、滤波电路、数据采集卡和个人计算机组成。软件部分是核心，软件部分使用LabVIEW开发平台来编写FFT算法（加窗、插值）程序，软件系统具有谐波测量、显示、存储及回放等功能，还可以实现参数设置、数据远传及显示打印等功能。

监测点电压、电流信号经过电压、电流互感器转换后送入信号调理电路进行滤波、放大和线性化补偿，将该传感信号转换为适于高速数据采集卡的离散数字信号。PC机上的谐波检测VI程序读取并存储数据采集卡采集的谐波信号，选用合适的窗函数对采样信号进行加窗处理，再利用双谱线插值算法将傅里叶变换后的计算结果进行修正，并将分析结果显示、存储和传输。

2 硬件选型

本系统硬件主要由互感器、滤波器和数据采集卡组成，选择合适型号的硬件是进行谐波检测的前提。

电压互感器采用北京新创四方电子有限公司的TVA1421-01小型精密电流电压通用互感器。该互感器具有以下特点。

（1）既可作电压互感器，又可作电流互感器使用。

（2）立式穿芯，印刷线路板直接焊接安装。

（3）精度高，采样范围宽，应用灵活。

（4）全封闭，机械和耐环境性能好，电压隔离能力强，外形美观。

（5）相移≤5%，非线性度≤0.1%，线性范围2倍额定，输入电压≤1 kV，耐压≥6 kV，额定输入电流9 A，输出电流6 mA。

为了消除频谱混叠现象，需将经互感器转换而来的交流小电压信号送入有源低通滤波器，除去高频分量的噪声信号。有源低通滤波器采用可调四阶巴特沃斯低通滤波器，频率截止范围为0.1 Hz～30 kHz，设计采用的截止频率为3 kHz，因此本系统可实现60次以内的谐波检测。

数据采集卡选用凌华科技的PCI-9113A数据采集卡，该卡主要技术参数如下：12位A/D分辨率，32通道单端或者16通道差分输入，板载1k采样点A/D FIFO，采样速率高达100 kS/s，单极性或双极性模拟输入，提供了LabVIEW驱动程序。

3 软件设计

3.1 虚拟仪器与LabVIEW平台

虚拟仪器（Virtual instrument，简称VI）是计算机技术与电子仪器相结合而产生的一种新的仪器设备。其实质是以通用计算机为硬件平台，由用户设计定义其测试功能，由软件实现其测试功能的一种计算机仪器系统。它从根本上更新了仪器的概念，具有传统仪器无法比拟的优势。它的出现代表着仪器发展的最新的潮流和方向[4]。

LabVIEW是一种采用易于编程的图形化语言G语言的功能强大的软件平台。它采用的是数据流编程模式，按模块之间的数据流来决定程序执行的顺序，简化了科学计算、过程监控和测试软件的开发，具有强大的信号分析和数学运算功能，提供了丰富的函数和子程序，被公认为标准的数据采集和仪器控制软件。

3.2 程序设计及各模块简介[5-6]

本谐波检测程序用LabVIEW软件特有的G语言进行开發设计，其主要的程序模块有数据采集模块、波形存储及回放模块、谐波分析模块、数据传输模块、报表显示模块等。

3.2.1 数据采集模块

为了精确地测量市电信号的波形，通常使用其最高频率成分5～10倍的采样频率进行信号采集。过低的采样率会导致波形精确度不够，而使用过高的采样率虽然保证了波形精确度，但是也会增加系统处理信号所用的时间，造成系统实时性较差。

本系统采用了公式节点产生所需要的波形，设置基波频率为50 Hz，产生的波形叠加上均匀白噪声后用于仿真实际的电压信号，叠加的信号经过巴特沃斯低通滤波器进行滤波，以消除频谱混叠后得到所需要的仿真采样信号。

3.2.2 波形存储及回放模块

数据的记录与回放是测试系统必须具备的基本功能，本系统采用数据记录文件进行存储，这种存储方式可以用来存储复杂结构的数据，具有简单快捷、容易实现和随机访问数据的特点。由于本系统准备存储的数据类型有系统采样时间、采样间隔和采样信号，它们属于不同的数据类型，因此使用数据记录文件可以满足要求。

3.2.3 谐波分析模块

可对输入信号进行谐波分析，包括测定基波和谐波，返回基波频率、所有的谐波幅值电平及总的谐波失真度（THD）；可计算出基波信号对谐波信号的均方值比例SINAD值及系统的标准频率，将标准频率乘以采样频率即可得到系统的基波频率；可对信号进行快速傅里叶变化，其输出是双边的，它同时显示了正负频率的信息。

根据《电能质量电力系统频率允许偏差》（GB/T 15945—2008）的规定：系统的标准频率为50 Hz，正常的允许偏差为±0.2 Hz，当系统容量较小时，允许偏差为±0.5 Hz。国内各大电力系统的实际偏差均小于±0.2 Hz的允许值。本系统设置了基波频率越限报警指示灯，如果基波频率超过（50±0.5）Hz，则显示红色灯报警。

3.2.4 数据传输模块

本系统的远程数据传输模块采用LabVIEW开发软件中提供的TCP/IP的开发工具包进行开发，服务器端主要发送系统采样时间、采样间隔和信号频谱，然后由横坐标初值、采样间隔和信号频谱捆绑攒成一个簇的频谱图，因横坐标初值x0都设定为0，可不进行数据发送，只发送采样间隔dx和信号频谱值即可。由于在TCP网络上是以字符串的形式来传输数据的，所以需要采用“强制类型转换”节点将原始数据转换为字符串的形式进行传输。在服务器端程序框图中分别采用了3组“写入TCP数据”节点来发送数据。与服务器端程序框图相对应，客户端程序框图也分别采用了3组“读取TCP数据”节点来读出由服務器端送来的数据。这种方法是TCP/IP通信中常用的方法，可以有效地发送、接收数据，并保证数据不丢失。

3.2.5 报表显示模块

实现将数据处理模块获得的实验结果以报表的形式显示在前面板上，以便操作人员查阅和进行分析。

谐波检测流程图和谐波检测系统程序框图分别如图2、图3所示。

4 实验结果

为了验证本谐波检测程序FFT算法计算谐波的准确度和精确度，先进行仿真信号检测实验，再进行实际信号检测实验，根据实验结果判断系统的有效性。

4.1 实验一：仿真信号测量

不经过数据采集卡直接使用公式节点产生仿真信号，该波形信号的表达式如下：

y=10*cos（2*pi*Fp*x/F+0.9）+0.2*cos（2*pi*2*Fp*x/F+0.8）

+3.2*cos（2*pi*3*Fp*x/F+0.7）+0.1*cos

（2*pi*4*Fp*x/F+0.6）

+2.3*cos（2*pi*5*Fp*x/F+0.5）+0.12*cos

（2*pi*6*Fp*x/F+0.4）

+1.1*cos（2*pi*7*Fp*x/F+0.3）+0.09*cos

（2*pi*8*Fp*x/F+0.2）

在系统中设置基波频率为50 Hz，每周期采样256个点，采样频率设置为12 800 Hz，采4个周期共1 024个数据点，可检测至少50次谐波。噪音幅值设置为0.25，巴特沃斯低通滤波器的截止频率设置为2 500 Hz，阶次为8次。实验结果（如图4所示）显示出理论计算结果与本系统测试结果相一致。

4.2 实验二：实际信号测量

对某段时间内的市电信号，利用互感器与数据采集卡进行数据的采集，然后进行谐波分析，获得的检测结果如图5所示。由图5可以看出，该电压信号的基波幅值最高，3次、5次和7次等奇次谐波的幅值依次降低，偶次谐波及9次之后的奇次谐波的含量都非常低，几乎为零。各奇次谐波含有率最高为3.1%（小于4%），偶次谐波含有率最高为0.3%（小于2%），因此该市电谐波含量符合国家标准要求。

5 结语

（1）基于虚拟仪器技术建立一种谐波检测系统，界面友好、多模块化、易于扩展，软件开发周期短。

（2）以LabVIEW图形化语言为基础构建软件分析平台，根据自己的喜好设计谐波分析仪界面，具有强大的数据分析、处理能力。

（3）可利用网络进行数据远程传输，保证了数据传输的实时性。

（4）本系统只能检测谐波含量的指标，其他电能质量指标的检测功能有待完善。

参 考 文 献

[1]乔和，冯泽中.基于DSP和ARMg的电能质量在线监测仪的设计[J].仪表技术与传感器，2011（2）：29-31.

[2]李国尧，马吉恩，方枚同.基于DSP和aLbVIEW的电参数检测系统[J].电测与仪表，2011（9）：14.

[3]佩青.数字信号处理教程[M].第3版.北京：清华大学出版社，2007：32-34.

[4]魏雯，赵展.一种谐波测试仪的设计[J].内江科技，2014（11）：58-59.

[5]艾延廷，黄福幸，李杰.基于LabVIEW的虚拟信号分析仪软件设计[J].微计算机信息，2005（5）.

[6]胡仁喜，王恒海，齐海东.LabVIEW8.2.1虚拟仪器实例指导教程[M].北京：机械工业出版社，2008.

[责任编辑：钟声贤]