基于LabVIEW电磁兼容小信号分析系统的设计

南京国电南自自动化有限公司 冯晓华 吴 焱 吴 凯

随着智能电厂和电网以及分布式能源和新能源的迅猛发展，电力系统二次设备日益自动化和复杂化使得电磁兼容对于电力系统安全可靠运行越来越重要。电磁兼容作为一门综合性交叉学科正在我国迅速发展，目前已成为衡量电力设备性能的重要指标之一，开展电磁兼容试验，判断电力设备的电磁兼容性是否符合电力系统的电磁兼容要求，已成为电力设备开发和测试的非常重要工作之一。

在继电保护领域，为了提高系统的抗干扰性和可靠性，通常要求继电保护装置满足相关的电磁兼容标准。继电保护装置对一次侧电压电流的采集，以及对保护对象信号量的采集通常都可以归结为模拟量采样，模拟量采集是继电保护装置安全可靠运行极为重要的组成部分，直接影响继电保护装置是否能够正确判断故障的发生，可能会直接带来保护装置误动或拒动的风险，因此对模拟量的可靠采集和处理将成为继电保护装置开发的重要关注之一，特别是在电磁兼容干扰下能否对模拟量正确的采集和补偿将变得尤为重要。

继电保护装置CPU 类的插件通常是采集模拟量的关键插件，所采集的模拟量通常为电压电流信号，该类信号都属于小信号范畴，在电磁兼容试验过程中所需要采集的小信号易受所施加干扰信号影响，导致所采集的小信号发生畸变从而影响继电保护装置的算法判据和装置动作的正确性。在某些特殊的电磁兼容试验要求下，电磁兼容试验的过程中对继电保护装置所采集模拟量小信号的精度也有很高的要求，因此在电磁兼容环境下对采集的模拟量小信号进行测量分析，对信号的补偿起着至关重要的作用，从而保证继电保护装置满足相关电磁兼容测试标准，从而提高继电保护装置现场运行的稳定性和可靠性[1-3]。

LabVIEW 作为目前应用较为广泛的虚拟仪器软件，在数据采集、信号处理、仪器控制等领域都发挥着重要应用[4-5]。本文基于LabVIEW 平台开发了一种在电磁兼容试验环境下对小信号进行测量分析系统，该系统将小信号检测分析和电磁兼容试验结合在一起，实现基于LabVIEW 图形编程软件对电磁兼容实验下小信号的测量分析，可实时对所采集的小信号进行分析处理，该系统对在电磁兼容试验下小信号的补偿和滤波处理有较好的指导意义，简化和缩短了继电保护装置的开发周期。

1 系统总体设计

基于LabVIEW 平台开发的一种电磁兼容小信号分析系统，该系统可以在电磁兼容试验环境下对模拟量小信号进行测量分析，主要包括硬件设计和软件设计两个部分，该系统结构框图如图1所示。其中，硬件设计主要包括信号待测模块、信号采集模块和硬件参数调整模块；软件设计主要包括信号分析显示模块以及软件算法调整模块。此外还包括电磁兼容激励模块，该模块为满足继电保护产品电磁兼容标准的试验仪器所产生的激励，用于模拟继电保护装置现场运行电磁环境中的电磁干扰。

图1 系统框图

图2 信号采集模块框图

2 硬件设计

2.1 信号待测模块

信号待测模块通常为交流插件和直接插件，交流插件用于采集一次侧电压电流信号，直流插件通常采集4-20mA 直流量，也可是特定应用场景下的交流量或直流量，该类模拟量通常是经电压电流互感器或隔离运放等隔离器件输出的小信号，信号的幅值和频率满足后级CPU 插件的ADC 采集范围，该模块还包括一些常见的电磁兼容防护电路和滤波电路，用于抑制电磁兼容试验时所施加的电磁干扰，常见的措施如采用压敏电阻和安规电容组成的钳位和泄放电路；电阻电容和电感组成的滤波电路，实际参数的选取和验证根据后级信号分析显示模块分析的结果为依据。

2.2 信号采集模块

信号采集模块通常为继电保护装置CPU 类插件，该插件主要完成模拟量小信号的采集和保护算法故障的判定，以及插件之间的信息交互，CPU 插件通常包括用于模拟量采集的ADC 芯片、用于保护算法实现和通信交互的CPU 芯片、用于整板供电的电源芯片、用于硬件系统故障检测的看门狗芯片、用于实现以太网通信的以太网收发器芯片和其他辅助器件。ADC 芯片与电源芯片、CPU 芯片连接，完成模拟量小信号的同步采集和采集数据的处理，同时还实现后级经信号采集模块和显示分析模块分析的补偿算法。

CPU 芯片与ADC 芯片、电源芯片、看门狗芯片以及以太网收发器连接，完成采集数据的整理、组包以及发送，该部分功能主要是通过以太网将模拟量小信号采集信息上传到上位机，再由在上位机基于LabVIEW 软件开发的信号采集模块和显示分析模块对接收到的采集信息分析处理；电源芯片与ADC 芯片、CPU 芯片、看门狗芯片连接，完成CPU 插件的整板供电；看门狗芯片与CPU 芯片、电源芯片连接，用于检测CPU 芯片程序运行错误时系统复位；以太网收发器与电源芯片、CPU 芯片连接实现CPU 插件与上位机通信，完成网络报文的收发，信号采集模块的框图如2所示。

2.3 硬件参数调整模块

硬件参数调整模块主要调整电磁兼容器件的参数和滤波参数，常见的措施有调整压敏电阻的阻值、调整泄放电容的容值、调整滤波器的类型和参数等，调整的依据是由后级信号采集模块和显示分析模块平台分析而来，同时调整完的硬件参数再经过信号采集模块和显示分析模块进行数据分析，可充分验证硬件参数调整的有效性，从而为电磁兼容性硬件参数的改进提供有效依据。

3 软件设计

3.1 信号分析显示模块

信号分析显示模块是基于LabVIEW 技术开发运行在上位机的应用程序，该模块包括通讯处理模块、数据处理模块、数据显示模块以及数据存储模块。通讯处理模块与数据处理模块连接，以以太网报文接收形式进行数据的分包发送，所传递的数据来自信号采集模块所采集的模拟小信号数据（包括经硬件参数调整和软件算法补偿的采集数据），从而形成通道采集数据，并将该数据传递至数据处理模块。

数据处理模块与数据显示模块、通讯处理模块以及数据存储模块连接，接收通讯处理模块传输的数据流，利用Lab VIEW 强大的数据分析和处理功能完成采集信号幅值和相位的计算、验证硬件参数调整和数字滤波算法的有效性，同时也可实现数据线性度计算与比较等，最后将分析的数据传递至数据显示模块和数据存储模块，该部分数据处理可以充分验证模拟小信号补偿措施的有效性，对软件补偿算法的实现和验证起着至关重要的作用，可简化数据的分析过程；显示模块与数据处理模块连接，可以实现数据处理结果显示，可直观显示数据处理的结果；数据存储模块与数据处理模块连接，完成数据处理结果存储，可以将保存的数据做离线分析，信号分析显示模块框图如图3所示。

图3 信号分析显示模块框图

3.2 软件算法调整模块

软件算法调整模块包括常用的滤波算法和补偿措施，通常对所采集数据进行平滑处理、滤波处理和数据补偿处理等，算法和补偿措施由软件算法调整模块中CPU 插件实现，其有效性可通过信号分析显示模件充分验证并将结果直观显示出来，具体的算法和补偿措施根据信号分析显示模块分析结果而定，经滤波和补偿的数据由信号采集模块实现后再传递到信号分析显示模块进行数据分析，实现数据分析到数据补偿再到数据分析的一个闭环过程，可充分验证在电磁兼容试验下对模拟小信号滤波和补偿的有效性，有效缩短了电磁兼容改善的过程。

4 系统检测分析流程图

该系统实现了模拟量小信号的采集分析—硬件参数整改—软件算法补偿—采集分析一个闭环分析的系统，有效提高了数据分析处理的效率，从而简化了电磁兼容故障分析和处理过程，为电磁兼容改进提供有效的处理方法，其系统检测分析流程图如图4所示。流程说明流程如下。

图4 信号检测分析流程图

一是施加电磁干扰的待测信号，电磁兼容测试仪电磁干扰激励施加在待测信号插件。

二是信号采集分析，由CPU 插件实现采样和采样信息的传递，采样信息传递至基于LabVIEW开发的分析软件。

三是硬件参数调整，调整硬件器件参数后再到信号采集分析模块，可反复验证硬件参数调整的有效性。

四是软件算法调整，软件滤波和补偿算法由CPU 模件实现后经信号分析模块判定软件算法调整的有效性。

五是最终经硬件参数调整和软件算法调整得到符合需求的小信号输出。

5 结论

本文介绍了一种基于LabVIEW 开发的电磁兼容小信号分析系统，实现基于LabVIEW 图形编程软件对电磁兼容试验下小信号的测量分析，为电磁兼容问题的验证和解决提供有效的依据。该系统简单可靠，特别适合在复杂的电磁环境中工作，可实时对所采集的小信号进行分析处理，并将分析结果直观地显示出来，同时也可将采集数据存储做离线分析，该分析系统对在电磁兼容试验下小信号的补偿和滤波处理有较好的指导意义。

该系统可在复杂电磁环境下对小信号采集分析，为电磁兼容改进提供有效的处理方法，从而保证继电保护装置满足相关电磁兼容测试标准，提高继电保护装置现场运行的稳定性和可靠性。