武劍
(內(nèi)蒙古工業(yè)大學(xué)理學(xué)院,內(nèi)蒙古呼和浩特 010051)
近年來(lái),電力電子元器件的使用帶來(lái)的電網(wǎng)諧波污染日益嚴(yán)重,對(duì)電能質(zhì)量要求的不斷提高使得諧波的綜合治理受到了廣泛重視。虛擬儀器技術(shù)是在計(jì)算機(jī)技術(shù)的基礎(chǔ)上發(fā)展起來(lái)的,它結(jié)合了計(jì)算機(jī)總線技術(shù)、微電子技術(shù)和測(cè)量技術(shù),是計(jì)算機(jī)技術(shù)和儀器技術(shù)相結(jié)合的新技術(shù)。虛擬儀器技術(shù)利用計(jì)算機(jī)系統(tǒng)和模塊化硬件的功能,結(jié)合高效靈活的軟件來(lái)完成各種測(cè)試測(cè)量和自動(dòng)化應(yīng)用,有效克服了傳統(tǒng)儀器在測(cè)試的靈活性、測(cè)量精度、后期維護(hù)和擴(kuò)展等方面的局限性。虛擬儀器以其諸多優(yōu)點(diǎn)被廣泛應(yīng)用在測(cè)量測(cè)試領(lǐng)域。
文中重點(diǎn)介紹了虛擬儀器LabVIEW 開(kāi)發(fā)平臺(tái)中對(duì)非Ni 公司數(shù)據(jù)采集卡的驅(qū)動(dòng)控制,通過(guò)驅(qū)動(dòng)程序來(lái)控制數(shù)據(jù)采集卡采集測(cè)量信號(hào)的數(shù)據(jù),在LabVIEW 中設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)電能質(zhì)量部分主要指標(biāo)的軟件測(cè)量算法。在主要的系統(tǒng)諧波分析部分,對(duì)穩(wěn)態(tài)諧波采用快速傅里葉變換(Fast Fourier Transform,FFT)進(jìn)行實(shí)時(shí)分析,對(duì)突變信號(hào)通過(guò)小波變換算法進(jìn)行識(shí)別和定位,實(shí)現(xiàn)了基于虛擬儀器技術(shù)的諧波分析功能。
系統(tǒng)采用北京優(yōu)采測(cè)控技術(shù)公司的UA301A 型A/D 數(shù)據(jù)采集卡,該采集卡在LabVIEW 中不能直接被驅(qū)動(dòng),但它提供了一個(gè)動(dòng)態(tài)鏈接庫(kù)(Dynamic Link Library,DLL),其中的采集和控制函數(shù)可以支持實(shí)現(xiàn)UA301A 采集器的各種功能,LabVIEW 提供了調(diào)用庫(kù)函數(shù)節(jié)點(diǎn)(Call Library Function Node,CLFN)和代碼接口節(jié)點(diǎn)(Code Interface Node,CIN)的功能,在以上節(jié)點(diǎn)中指定LabVIEW 與動(dòng)態(tài)鏈接庫(kù)進(jìn)行數(shù)據(jù)交換的驅(qū)動(dòng)函數(shù),對(duì)動(dòng)態(tài)鏈接庫(kù)合理配置就可以實(shí)現(xiàn)DLL 的調(diào)用。驅(qū)動(dòng)程序流程圖如圖1 所示。
由LabVIEW 驅(qū)動(dòng)程序結(jié)合上述采集卡完成數(shù)據(jù)采集過(guò)程。圖2 為數(shù)據(jù)采集驅(qū)動(dòng)程序。在采集前首先設(shè)置采樣通道、頻率、采樣點(diǎn)數(shù)、增益等參數(shù),采樣后的數(shù)據(jù)被存入U(xiǎn)A301A 的FIFO 中,最終通過(guò)USB 總線經(jīng)驅(qū)動(dòng)程序的緩沖區(qū)讀入上位機(jī)。
在系統(tǒng)測(cè)量功能的軟件設(shè)計(jì)部分,完成電壓電流信號(hào)的頻率、幅值譜、諧波參數(shù)、功率參數(shù)等電能參數(shù)的測(cè)量,歷史波形數(shù)據(jù)保存等功能,以及上述各參數(shù)測(cè)試的顯示界面設(shè)計(jì)。例如對(duì)于諧波分析,參考諧波測(cè)試與分析的主要依據(jù)和相關(guān)標(biāo)準(zhǔn),需要顯示各相電壓諧波含量、各次諧波的含有率和總諧波畸變率等參數(shù)來(lái)進(jìn)行諧波分析模塊控制面板的布局設(shè)計(jì)。程序采用模塊化設(shè)計(jì)的思路,各個(gè)模塊可以獨(dú)立運(yùn)行,同時(shí)也可以被系統(tǒng)當(dāng)作子程序調(diào)用,這樣既有利于各部分的單獨(dú)調(diào)試,也方便后期對(duì)系統(tǒng)功能進(jìn)行修改,使系統(tǒng)具有較強(qiáng)的升級(jí)和移植能力。在前期確定整體功能的基礎(chǔ)上進(jìn)行程序設(shè)計(jì)和調(diào)試,先實(shí)現(xiàn)各子程序的單獨(dú)調(diào)試,當(dāng)所有功能模塊都調(diào)試完成后,最終進(jìn)行測(cè)試分析系統(tǒng)整合。系統(tǒng)總體分為數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)分析與處理、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)三個(gè)基本模塊和用戶管理、參數(shù)設(shè)置等一些輔助模塊。各部分實(shí)現(xiàn)各自功能,并且可以通過(guò)數(shù)據(jù)流在程序內(nèi)部聯(lián)系,由此實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的整體功能。系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)如圖3所示。
系統(tǒng)主界面如圖4 所示。主界面包括系統(tǒng)控制功能和采樣參數(shù)設(shè)置,可以設(shè)置采樣通道、采樣頻率等參數(shù),界面實(shí)時(shí)顯示測(cè)量結(jié)果,通過(guò)標(biāo)簽選項(xiàng)按鈕的切換能夠詳細(xì)顯示各項(xiàng)數(shù)據(jù)和圖表的結(jié)果。
頻譜測(cè)量部分調(diào)用LabVIEW 中的FFT 節(jié)點(diǎn)。在前面板輸入要分析的諧波次數(shù)后,可以由快速傅里葉變換計(jì)算得到相應(yīng)頻率下諧波的幅值參數(shù)以及所選取采樣通道的有效值。信號(hào)采樣序列經(jīng)FFT 節(jié)點(diǎn)可獲得該序列的快速傅里葉變換結(jié)果,然后經(jīng)過(guò)模角變換等處理得到測(cè)量信號(hào)幅頻特性。頻譜測(cè)量程序如圖5 所示。
諧波分析部分主要測(cè)量各次諧波的含有率、總諧波畸變率THD 和諧波含量。諧波參數(shù)測(cè)量前面板可顯示采樣信號(hào)波形和各次諧波含有率柱狀圖以及總諧波畸變率變化趨勢(shì)圖。根據(jù)諧波參數(shù)測(cè)量原理,由快速傅里葉變換得到的各次諧波幅值可計(jì)算得到各次諧波含有率、總諧波畸變率THD 和諧波含量。
暫態(tài)信號(hào)分析部分利用LabVIEW 提供的對(duì)Matlab 進(jìn)行調(diào)用的方法,通過(guò)Matlab Script 節(jié)點(diǎn)方式實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)傳遞。但需要注意的是,LabVIEW 和Matlab 對(duì)數(shù)據(jù)類型的定義是不同的,調(diào)用時(shí)需特別注意腳本節(jié)點(diǎn)內(nèi)外數(shù)據(jù)類型的匹配,若不匹配則會(huì)出現(xiàn)運(yùn)行錯(cuò)誤。利用Matlab 小波工具箱的函數(shù)通過(guò)選擇合適的小波,正交小波分解算法能有效識(shí)別信號(hào)突變點(diǎn)的位置。暫態(tài)信號(hào)分析界面如圖7 所示。
為了驗(yàn)證系統(tǒng)性能,采用信號(hào)發(fā)生器對(duì)含有豐富諧波的方波信號(hào)進(jìn)行采集測(cè)量,同時(shí)對(duì)諧波測(cè)試結(jié)果進(jìn)行分析。
方波的傅里葉級(jí)數(shù)表達(dá)式如下所示:
由上式可以看出,方波信號(hào)的幅值只含有基波和奇次諧波分量,無(wú)直流分量和偶次諧波,其頻譜具有離散性和收斂性。方波信號(hào)頻譜如圖8 所示。
在諧波參數(shù)測(cè)量部分,根據(jù)測(cè)量結(jié)果,方波信號(hào)各次諧波含有率最高相對(duì)誤差為13 次諧波的1.36%,總諧波畸變率相對(duì)誤差為4.3%,諧波含量相對(duì)誤差為2.8%。方波信號(hào)的諧波含有率直方圖如圖9 所示。系統(tǒng)測(cè)量模塊基本實(shí)現(xiàn)了對(duì)諧波的準(zhǔn)確測(cè)量,但通過(guò)與理論值比較可知,測(cè)量結(jié)果存在一定誤差,主要有采集卡的A/D 轉(zhuǎn)換精度、算法引起的誤差以及系統(tǒng)的隨機(jī)誤差等,這些因素都會(huì)影響測(cè)量結(jié)果的準(zhǔn)確性。
文中以虛擬儀器技術(shù)為核心,在LabVIEW 平臺(tái)下開(kāi)發(fā)了一種諧波分析系統(tǒng),通過(guò)仿真驗(yàn)證了其可實(shí)現(xiàn)電壓穩(wěn)態(tài)諧波的測(cè)量分析以及對(duì)信號(hào)突變點(diǎn)的檢測(cè)識(shí)別。與傳統(tǒng)測(cè)量手段相比,該系統(tǒng)充分利用了軟件的優(yōu)勢(shì),為虛擬儀器技術(shù)在諧波檢測(cè)與分析領(lǐng)域的廣泛使用提供了一種具有參考價(jià)值的方法。