基于虚拟仪器技术的谐波分析系统

武剑

（内蒙古工业大学理学院，内蒙古呼和浩特 010051）

近年来，电力电子元器件的使用带来的电网谐波污染日益严重，对电能质量要求的不断提高使得谐波的综合治理受到了广泛重视。虚拟仪器技术是在计算机技术的基础上发展起来的，它结合了计算机总线技术、微电子技术和测量技术，是计算机技术和仪器技术相结合的新技术。虚拟仪器技术利用计算机系统和模块化硬件的功能，结合高效灵活的软件来完成各种测试测量和自动化应用，有效克服了传统仪器在测试的灵活性、测量精度、后期维护和扩展等方面的局限性。虚拟仪器以其诸多优点被广泛应用在测量测试领域。

文中重点介绍了虚拟仪器LabVIEW 开发平台中对非Ni 公司数据采集卡的驱动控制，通过驱动程序来控制数据采集卡采集测量信号的数据，在LabVIEW 中设计实现电能质量部分主要指标的软件测量算法。在主要的系统谐波分析部分，对稳态谐波采用快速傅里叶变换（Fast Fourier Transform,FFT）进行实时分析，对突变信号通过小波变换算法进行识别和定位，实现了基于虚拟仪器技术的谐波分析功能。

1 系统设计

系统采用北京优采测控技术公司的UA301A 型A/D 数据采集卡，该采集卡在LabVIEW 中不能直接被驱动，但它提供了一个动态链接库（Dynamic Link Library，DLL），其中的采集和控制函数可以支持实现UA301A 采集器的各种功能，LabVIEW 提供了调用库函数节点（Call Library Function Node，CLFN）和代码接口节点（Code Interface Node，CIN）的功能，在以上节点中指定LabVIEW 与动态链接库进行数据交换的驱动函数，对动态链接库合理配置就可以实现DLL 的调用。驱动程序流程图如图1 所示。

由LabVIEW 驱动程序结合上述采集卡完成数据采集过程。图2 为数据采集驱动程序。在采集前首先设置采样通道、频率、采样点数、增益等参数，采样后的数据被存入UA301A 的FIFO 中，最终通过USB 总线经驱动程序的缓冲区读入上位机。

在系统测量功能的软件设计部分，完成电压电流信号的频率、幅值谱、谐波参数、功率参数等电能参数的测量，历史波形数据保存等功能，以及上述各参数测试的显示界面设计。例如对于谐波分析，参考谐波测试与分析的主要依据和相关标准，需要显示各相电压谐波含量、各次谐波的含有率和总谐波畸变率等参数来进行谐波分析模块控制面板的布局设计。程序采用模块化设计的思路，各个模块可以独立运行，同时也可以被系统当作子程序调用，这样既有利于各部分的单独调试，也方便后期对系统功能进行修改，使系统具有较强的升级和移植能力。在前期确定整体功能的基础上进行程序设计和调试，先实现各子程序的单独调试，当所有功能模块都调试完成后，最终进行测试分析系统整合。系统总体分为数据采集、数据分析与处理、数据存储三个基本模块和用户管理、参数设置等一些辅助模块。各部分实现各自功能，并且可以通过数据流在程序内部联系，由此实现系统的整体功能。系统总体结构如图3所示。

系统主界面如图4 所示。主界面包括系统控制功能和采样参数设置，可以设置采样通道、采样频率等参数，界面实时显示测量结果，通过标签选项按钮的切换能够详细显示各项数据和图表的结果。

频谱测量部分调用LabVIEW 中的FFT 节点。在前面板输入要分析的谐波次数后，可以由快速傅里叶变换计算得到相应频率下谐波的幅值参数以及所选取采样通道的有效值。信号采样序列经FFT 节点可获得该序列的快速傅里叶变换结果，然后经过模角变换等处理得到测量信号幅频特性。频谱测量程序如图5 所示。

谐波分析部分主要测量各次谐波的含有率、总谐波畸变率THD 和谐波含量。谐波参数测量前面板可显示采样信号波形和各次谐波含有率柱状图以及总谐波畸变率变化趋势图。根据谐波参数测量原理，由快速傅里叶变换得到的各次谐波幅值可计算得到各次谐波含有率、总谐波畸变率THD 和谐波含量。

暂态信号分析部分利用LabVIEW 提供的对Matlab 进行调用的方法，通过Matlab Script 节点方式实现数据传递。但需要注意的是，LabVIEW 和Matlab 对数据类型的定义是不同的，调用时需特别注意脚本节点内外数据类型的匹配，若不匹配则会出现运行错误。利用Matlab 小波工具箱的函数通过选择合适的小波，正交小波分解算法能有效识别信号突变点的位置。暂态信号分析界面如图7 所示。

2 仿真实验

为了验证系统性能，采用信号发生器对含有丰富谐波的方波信号进行采集测量，同时对谐波测试结果进行分析。

方波的傅里叶级数表达式如下所示：

由上式可以看出，方波信号的幅值只含有基波和奇次谐波分量，无直流分量和偶次谐波，其频谱具有离散性和收敛性。方波信号频谱如图8 所示。

在谐波参数测量部分，根据测量结果，方波信号各次谐波含有率最高相对误差为13 次谐波的1.36%，总谐波畸变率相对误差为4.3%，谐波含量相对误差为2.8%。方波信号的谐波含有率直方图如图9 所示。系统测量模块基本实现了对谐波的准确测量，但通过与理论值比较可知，测量结果存在一定误差，主要有采集卡的A/D 转换精度、算法引起的误差以及系统的随机误差等，这些因素都会影响测量结果的准确性。

3 结论

文中以虚拟仪器技术为核心，在LabVIEW 平台下开发了一种谐波分析系统，通过仿真验证了其可实现电压稳态谐波的测量分析以及对信号突变点的检测识别。与传统测量手段相比，该系统充分利用了软件的优势，为虚拟仪器技术在谐波检测与分析领域的广泛使用提供了一种具有参考价值的方法。