基于labview的谐波测试仪

石家庄铁道大学四方学院毕业设计电气化铁路牵引供电系统谐波测试仪设计THEDESIGNOFELECTRIFIEDRAILWAYTRACTIONPOWERSUPPLYSYSTEMHARMONICTESTER2012届电气工程系专业自动化学号学生姓名指导教师刘宁宁完成日期2012年5月15日毕业设计成绩单学生姓名学号2009班级08535专业自动化毕业设计题目电气化铁路牵引供电系统谐波测试仪设计指导教师姓名刘宁宁指导教师职称讲师评定成绩指导教师得分评阅人得分答辩小组组长得分成绩院长主任签字年月日毕业设计任务书题目电气化铁路牵引供电系统谐波测试仪设计学生姓名学号2009班级方08535专业自动化承担指导任务单位电气工程系导师姓名刘宁宁导师职称讲师一、设计内容电气化铁路牵引供电系统采用110KV独立双电源供电，电力机车在运行中会产生大量电力谐波，对电网危害极大，分析系统中谐波产生的原因及危害，以及谐波污染防治的有效措施，得出最佳解决方案。重点分析小波分析算法和频谱分析算法，实现对电铁谐波实时检测，最终在虚拟仪器的平台上显示谐波检测结果，完成电铁谐波测试仪的设计。二、基本要求1分析电气化铁路牵引供电系统中谐波产生的原因和危害2目前国内外对电气化铁路牵引供电系统中谐波污染治理的方法3比较电力系统中谐波检测和分析的方法,得出最佳解决方案4用小波分析算法和频谱分析算法完成谐波检测5用虚拟仪器完成谐波分析显示6设计计算说明书一份，要求条目清楚、计算正确、文本整洁。7提供有关课题的英文资料原文和译文各一套。8提交开题报告一份三、设计的主要技术指标及要求1分析电气化铁路牵引供电系统中谐波产生的原因和危害2目前国内外对电气化铁路牵引供电系统中谐波污染治理的方法3比较电力系统中谐波检测和分析的方法,得出最佳解决方案4对电气化铁路牵引供电系统的谐波建立数学模型5完成硬件系统设计，信号调理电路，保护电路，数据采集卡的选择，确定各元件参数及型号6用小波分析算法和频谱分析算法完成谐波检测7用虚拟仪器完成谐波分析的软件部分，包括登录界面设计；数据采集模块设计；有效值测量设计；功率测量设计；谐波测试模块（频谱分析图及数据，谐波总畸变率等）；数据的存储模块四、应收集的资料及参考文献1任震小波分析及其在电力系统中的应用北京中国电力出版社，20031301051092冉启文、谭丽英小波分析与分数傅立叶变换及应用北京国防工业出版社，20031133姜建国、朴晓光、赵长和、黄真、赵冬梅电力系统的谐波检测与分析方法大庆石油学院学报，2002年3月，第26卷第1期2002年3月4毕会静，电力系统谐波测量方法电气时代，2005，1063665罗辉广元电力系统谐波检测方案研究重庆大学工程硕士学位论文2002年3月6吴竞昌主编供电系统谐波中国电力出版社五、进度计划13周课题调研、收集、学习参考资料，查阅外文资料4周整理参考资料,制定毕业设计方案，作开题报告5周对电气化铁路牵引供电系统的谐波建立数学模型67周完成硬件系统设计810周完成小波分析算法和频谱分析算法1112周完成软件系统设计13周系统调试，给出分析结果1415周整理并撰写毕业设计论文，提交论文给指导老师16周答辩教研组主任签字时间年月日毕业设计开题报告题目电气化铁路牵引供电系统谐波测试仪设计学生姓名学号2009班级方08535专业自动化1、研究背景随着电力电子技术的飞速发展，各种电力电子变流装置在电力系统、工业及家庭中的应用日益广泛，给人们带来了极大的方便。但与此同时电力电子装置带来谐波问题对电力系统安全、稳定、经济运行构成潜在威胁，尤其是电气化铁路的贯通,使电网中产生了大量的高次谐波,造成电能质量严重恶化，给周围电气环境带来极大影响，对电力设备危害尤其严重。因此，对电力系统谐波问题研究已被人们逐渐重视。在谐波存在的情况下如何测量功率和谐波电流等有关电气量就显得非常重要。谐波问题包括畸变波形的分析方法、谐波源分析、谐波的影响及危害、电网谐波潮流计算、谐波检测、有谐波时各种电流量的测量方法及手段、谐波补偿和抑制、谐波限制标准等问题图。谐波检测是谐波问题的一个重要组成部分，也是研究和分析谐波问题的主要依据和出发点。谐波检测的主要作用有鉴定实际电力系统及谐波源的谐波水平是否符合标准规定，包括对所有谐波源设备投运时的检测。电气设备调试、投运时谐波检测，以确保设备投运后电力系统和设备的安全及经济运行。谐波故障或异常原因的测量。谐波专题测试，如谐波阻抗、谐波潮流、谐波谐振和放大等。2、国内外研究现状谐波检测是谐波问题中的一个重要分支，准确、实时检测出电网中瞬态变化的畸变电流、电压，对抑制谐波有着重要的指导作用，是进行继电保护、判断故障点和故障类型等工作的重要前提。目前，电力系统谐波检测主要是通过谐波电流的测量来实现，它主要有以下几种方法1采用模拟带通或带阻滤波器检测2基于瞬时无功功率的谐波检3基于傅立叶变傅立叶变换的方法4自适应谐波电流检测法5基于神经网络的谐波检测6基于小波变换的谐波检测综上所述，带通滤波是早期模拟式谐波检测装置的基本原理；瞬时无功功率理论可用于谐波的瞬时检测和无功补偿等谐波治理领域；傅立叶变换是目前谐波检测中应用最多、应用最广泛的基本理论依据；神经网络理论和小波分析方法应用于谐波测量是目前正在致力研究的新方法和新理论，它可以提高谐波测量的实时性和精度。根据不同情况合理选择谐波检测方法，为谐波分析提供详细、准确、实时的数据和信号，是提高检测效果、改善电能质量的重要一步。国内外对这方面的研究都比较重视，在线谐波检测的理论和应用正在不断发展。随着各种先进技术和理论的应用，特别是计算机在谐波检测中的具体使用，谐波检测的实时性和精度要求一旦解决，相信电网谐波检测技术将逐渐得到发展和完善。3、研究方案1分析电气化铁路牵引供电系统中谐波产生的原因和危害及对电气化铁路牵引供电系统中谐波污染治理的方法2对多种电气化铁路牵引供电系统谐波测试方法进行分析和比较总结各个方法的特点3综合电气化铁路牵引供电系统谐波测试的实际问题和各种测量方法的优缺点确定测试仪的基本测量方法及设计的最佳方案。4用小波分析算法和频谱分析算法完成谐波检测，虚拟仪器完成谐波分析显示。5对电气化铁路牵引供电系统的谐波建立数学模型4、预期结果用小波分析算法和频谱分析算法完成谐波检测并且用虚拟仪器完成谐波分析的软件部分，包括登录界面设计；数据采集模块设计；有效值测量设计；功率测量设计；谐波测试模块（频谱分析图及数据，谐波总畸变率等）；数据的存储模块。指导教师签字时间年月日摘要随着电力电子技术的飞速发展，各种电力电子变流装置在电力系统、工业及家庭中的应用日益广泛，给人们带来了极大的方便。但与此同时电力电子装置带来谐波问题对电力系统安全、稳定、经济运行构成潜在威胁，尤其是电气化铁路的贯通,使电网中产生了大量的高次谐波,造成电能质量严重恶化，给周围电气环境带来极大影响，对电力设备危害尤其严重。因此，对电力系统谐波问题研究已被人们逐渐重视。虚拟仪器VIMLALINSTRUMENT，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。本论文主要内容是虚拟谐波测试仪的设计。论文首先论述了国内外谐波研究的现状以及谐波检测技术的发展，说明研制谐波检测装置的必要性，其次对虚拟谐波分析仪所依据的虚拟仪器的概念、虚拟仪器软硬件系统做了简要介绍。为更好的应用虚拟仪器技术完成谐波测试仪的开发。最终使用通用计算机、开发软件LABVIEW，成功的研究开发出虚拟谐波测试仪。关键词虚拟仪器数据采集谐波分析ABSTRACTWITHTHERAPIDDEVELOPMENTOFPOWERELECTRONICSTECHNOLOGY,THEINCREASINGLYWIDESPREADAPPLICATIONOFAVARIETYOFPOWERELECTRONICCONVERTERSINSTALLEDINELECTRICPOWERSYSTEMS,INDUSTRIALANDHOUSEHOLD,HASBROUGHTGREATCONVENIENCETOTHEPEOPLEBUTATTHESAMETIMEPOWERELECTRONICDEVICESTOBRINGTHEHARMONICPROBLEMSPOSEAPOTENTIALTHREATTOPOWERSYSTEMSECURITY,STABILITY,ECONOMICOPERATION,ESPECIALLYTHROUGHTHEELECTRIFIEDRAILWAY,ALARGENUMBEROFHIGHORDERHARMONICINTHEGRID,RESULTINGINASERIOUSDETERIORATIONINPOWERQUALITY,ATREMENDOUSIMPACTTOTHESURROUNDINGELECTRICALENVIRONMENTISPARTICULARLYSERIOUSFORELECTRICALEQUIPMENTHAZARDSTHEREFORE,POWERSYSTEMHARMONICSHASBEENINCREASINGEMPHASISVIRTUALINSTRUMENTVIMLALINSTRUMENT,REFERREDTOASVI,COMPUTERTECHNOLOGYANDELECTRONICEQUIPMENTISACOMBINATIONOFNEWEQUIPMENTITSESSENCEISAGENERALPURPOSECOMPUTERASTHEHARDWAREPLATFORM,THETESTFUNCTIONISDEFINEDBYTHEUSERDESIGNTOTESTTHEFUNCTIONOFACOMPUTERINSTRUMENTATIONSYSTEMSOFTWAREFUNDAMENTALLY,ITUPDATEDTHECONCEPTOFTHEINSTRUMENT,WITHTHEINCOMPARABLEADVANTAGESOFTRADITIONALINSTRUMENTSITREPRESENTSTHELATESTTRENDSANDDIRECTIONOFTHEINSTRUMENTDEVELOPMENTTHEMAINCONTENTOFTHISPAPERISTHEDESIGNOFTHEVIRTUALHARMONICTESTERTHEPAPERFIRSTDISCUSSESTHECURRENTSITUATIONANDDEVELOPMENTOFTHEHARMONICDETECTIONTECHNIQUEOFHARMONICSTUDIESATHOMEANDABROAD,THENEEDFORTHEDEVELOPMENTOFTHEHARMONICDETECTIONDEVICE,FOLLOWEDBYTHECONCEPTOFVIRTUALINSTRUMENTBASEDONTHEVIRTUALHARMONICANALYZER,VIRTUALINSTRUMENTATIONSOFTWAREANDHARDWARESYSTEMSTODOABRIEFINTRODUCTIONBETTERAPPLICATIONOFVIRTUALINSTRUMENTTECHNOLOGYTOCOMPLETETHEHARMONICDEVELOPMENTOFTHETESTERENDUSEGENERALPURPOSECOMPUTERS,DEVELOPMENTSOFTWARE,THELABVIEWSUCCESSFULRESEARCHANDDEVELOPMENTOFAVIRTUALHARMONICTESTERKEYWORDSVIRTUALINSTRUMENTDATAACQUISITIONHARMONICANALYSIS目录第1章绪论111研究背景112课题研究的目的意义113国内外研究状况214研究内容及方法2第2章谐波测试仪总体方案设计4第3章虚拟仪器概述和谐波分析理论方法531虚拟仪器概念532虚拟仪器开发语言LABVIEW简介5321LABVIEW程序设计原理5322LABVIEW的应用633数据采集理论基础734谐波分析理论8341谐波定义8342谐波分析方法835小波理论简介9351连续小波变换10352离散小波变换1136几种常用的小波11第4章谐波测试仪的硬件设计1441传感器1442信号调理器1543信号采集卡16第5章谐波测试仪的软件设计1751系统软件框图设计1752基于LABVIEW的虚拟谐波分析仪的设计1853登陆界面的设计2154谐波信号的产生2255谐波分析程序2356各次谐波的时域分析2457频谱分析2658功率谱分析和有效值测量2759数据存储模块28510主要功能及技术指标295101主要功能295102技术指标29第6章结论与展望3061结论3062展望30参考文献31致谢32附录33附录A外文资料34附录B小波分析程序49第1章绪论11研究背景近年来，由于电力电子技术的飞速发展，各种电力电子装置在电力系统、工业、交通及家庭中的应用日益广泛，各种电力电子装置的应用日益广泛，谐波造成的危害也日趋严重。公用电网中的谐波电压和谐波电流是电网环境最严重的一种污染，谐波已成为影响电能质量的公害。近些年来公用电网的谐波污染日益严重，谐波危害的严重性才引起人们的关注。为解决电力电子装置和其他谐波源的谐波污染问题，对谐波的检测就显得尤为重要。12课题研究的目的意义随着全球工业化进程的不断加快，对地球环境的污染和破坏也空前加剧。为此，在全世界范围内掀起了环境保护的热潮。电力系统也是一种“环境”，也面临着污染，公用电网中的谐波电流和谐波电压就是对电网环境最严重的一种污染。谐波对公用电网和其它系统的危害大致可以归纳如下（1）使电网中的元器件产生附加的谐波损耗，如使电动机引起附加损耗、发热增加，过载能力、使用寿命和效率降低，产生脉动矩阵。另外降低了发电、输电及用电设备的效率，大量的3次谐波电流流过中性线会导致中线过热甚至发生火灾。（2）谐波电流在输电线路上的压降会使用户端的电压波形产生严重的畸变，影响电气设备的正常工作。谐波使电容器、电缆等设备过热、绝缘老化，寿命缩短，一直损坏。（3）容易使电网与用于补偿电网无功功率的并联电容器发生局部并联或串联谐振，造成过压或过电流，使电容器绝缘老化，甚至引起严重事故。据统计，由于谐波问题引起的电容故障占电容总故障的71一83。（4）导致继电保护和自动装置误动作，并使电气测量仪表计量不准，影响计量精度。（5）谐波一般通过电容耦合、电磁感应及电气传导三种对临近的通信系统产生干扰，载频低的信号受影响更大。轻者产生噪声，降低通信质量，重者导致信息丢失，使通信系统无法正常工作，甚至会发生危及设备和人身安全的事故。因此，谐波研究对于减轻直至消除这些危害，对于供电和用电设备的节能，乃至于对整个社会能源利用率的提高，都具有极其重要的意义。13国内外研究状况谐波检测是谐波问题中的一个重要分支，准确、实时检测出电网中瞬态变化的畸变电流、电压，对抑制谐波有着重要的指导作用，是进行继电保护、判断故障点和故障类型等工作的重要前提。目前，电力系统谐波检测主要是通过谐波电流的测量来实现，它主要有以下几种方法1采用模拟带通或带阻滤波器检测2基于瞬时无功功率的谐波检3基于傅立叶变傅立叶变换的方法4自适应谐波电流检测法5基于神经网络的谐波检测6基于小波变换的谐波检测综上所述，带通滤波是早期模拟式谐波检测装置的基本原理；瞬时无功功率理论可用于谐波的瞬时检测和无功补偿等谐波治理领域；傅立叶变换是目前谐波检测中应用最多、应用最广泛的基本理论依据；神经网络理论和小波分析方法应用于谐波测量是目前正在致力研究的新方法和新理论，它可以提高谐波测量的实时性和精度。根据不同情况合理选择谐波检测方法，为谐波分析提供详细、准确、实时的数据和信号，是提高检测效果、改善电能质量的重要一步。国内外对这方面的研究都比较重视，在线谐波检测的理论和应用正在不断发展。随着各种先进技术和理论的应用，特别是计算机在谐波检测中的具体使用，谐波检测的实时性和精度要求一旦解决，相信电网谐波检测技术将逐渐得到发展和完善。14研究内容及方法谐波问题包括畸变波形的分析方法、谐波源分析、谐波的影响及危害、电网谐波潮流计算、谐波检测、有谐波时各种电流量的测量方法及手段、谐波补偿和抑制、谐波限制标准等问题图。谐波检测是谐波问题的一个重要组成部分，也是研究和分析谐波问题的主要依据和出发点。由于电力系统谐波具有很强的随机性，工程上大多是以实际测量结果作为处理问题的依据。目前，谐波测量按实现方法区分为频域测量法和时域测量法两大类。（1）频域测量法此方法的基本原理是使用模拟滤波器将输入信号的各次谐波分量分离出来，滤波器的输出实际上是输入信号和滤波器脉冲响应的卷积，在频域中它相当于两个频率响应的乘积，因此从滤波器得到的信号为频谱。（2）时域测量法此方法基本原理是对信号进行离散化处理后变成数量序列，由离散傅立叶变换（DFT）或快速傅立叶（FFT）计算各次谐波的幅值及相位等参数。按照信号分析原理划分，谐波测量又可分为FFT、KALMAN滤波以及近些年兴起的小波分析法。其中FFT傅立叶变换方法作为经典的信号分析方法，已十分成熟，FFT是离散傅立叶变换（DFT）的一种快速算法，在信号处理领域得到了广泛的应用。近年来国内外生产的各种谐波分析装置大都采用FFT方法进行。运用FFT方法必须满足两个条件（1）满足采样定理，即采样频率必须大于信号最高频率的两倍。（2）被分析的波形必须是稳态的、随时间周期性变化。小波变换在时域和频域同时具有良好的局部性，特别适合于突变信号和不平稳信号的分析。由于电力系统中的负载大多是动态的，特别是大型的工业负载如轧钢机、电弧炉的启停使得电网电压和电流的波形是时变的。前人常用KALMAN滤波的方法检测时变的谐波，但该方法一般适用于跟踪变化缓慢的信号。而小波变换谐波检测方法的突出优点是可以实时的跟踪谐波的变化，具有实时性。小波变换本身对信号的奇异点非常敏感，这个特点可以跟踪那些突变的信号。但小波变换方法在电能质量研究领域的应用还处于起步阶段，现有的小波变换均无法实现谐波的精确测量，必须构造分频严格、能量集中的小波函数来改善检测的精度。本文研究的谐波测试各项指标参数的计算，具体地讲，是在离散采样的基础上将电压、电流模拟信号经过数据采集卡DAQ采样得到的数字信号中各次谐波在频域中分离，求出各次谐波频率，并得到各次谐波下电压电流的幅值、频率和有效值，然后计算出谐波畸变率。另外，如果考虑时间因素，还可计算出各次谐波的有功功率、无功功率。这样就实现了对谐波的各项指标参数的测量分析。通过对谐波分析仪研究现状的分析可以得出传统的谐波分析仪的成本高，装置体积庞大，自动化程度低，数据不集中，有的无法存入计算机，难以进行相关分析，且大量的信号采集工作重复化的问题；并且其采集的数据不能够代表各次谐波真正的幅值等。所以针对以上问题，本文选择以LABVIEW开发平台来设计一个虚拟谐波分析仪，采用LABVIEW所自带的图形化编程功能和函数模块对谐波进行相关分析，使其能够对谐波信号进行频谱分析、功率谱分析及频谱分析图及数据，谐波总畸变率等。第2章谐波测试仪总体方案设计本谐波测试仪的主体设计是基于美国国家仪器公司NATIONALINSTRUMENTSCORPORATION，简称NI生产的LABVIEW虚拟仪器软件。基于虚拟仪器的谐波测试仪同样必须具备传统监测分析系统的三大功能模块数据采集模块、数据分析处理模块和结果显示模块。数据采集模块还是由传统的采集硬件来完成，不同的是数据分析处理模块和结果显示模块完全由计算机软件实现，这部分功能不受硬件限制，可以根据用户的需求可以随时增加修改模块，这一优势是传统仪器所无法比拟的。对于本论文所研究的谐波测试仪，软件部分是核心，只要硬件部分将监测点的电压和电流信号经信号调理器和数据采集卡以最小失真度转换成数字信号，其余的任务如滤波、加窗、数据处理和统计分析、数据远传以及显示打印等完全交给软件来处理。总体来说，基于虚拟仪器思想所建立的谐波测试仪由两大部分组成硬件部分和软件部分。系统总体设计方案框图如图21所示。图21系统总体方案设计框图电压互感器电流互感器LABVIEW平台信号调理数据采集模块数据存储模块数据采集卡数据处理模块第3章虚拟仪器概述和谐波分析理论方法31虚拟仪器概念虚拟仪器概念最先由美国国家仪器公司NATIONALINSTRUMENTSCORPORATION，简称NI在20世纪80年代年提出。所谓虚拟仪器，就是以计算机为硬件平台，由用户定义设计其功能，由测试软件来实现其测试功能，用计算机显示器的显示功能来模拟传统仪器的控制面板的一种计算机系统。使用者用鼠标或键盘操作虚拟面板，7就如同使用一台专用测量仪器一样。因此虚拟仪器的出现，使测量仪器与计算机的界限模糊了。虚拟仪器实质是把计算机资源和仪器硬件的测控能力相结合来实现仪器的功能运作。在其主导产品LABVIEW中将图形化语言加以实现，较完善地结合了图形的美观易用和文本语言的强大灵活。虚拟仪器技术已被越来越多的科学工作者所认同，它在许多方面已经突破传统仪器的概念，仪器的功能和作用已经发生了质的变化。32虚拟仪器开发语言LABVIEW简介LABVIEW是实验室虚拟仪器工程工作平台LABORATORYVIRTUALINSTRUMENTENGINEERINGWORKBENCH的缩写，是美国国家仪器公司NATIONALINSTRUMENTS在1986年推出的一种革命性的图形编程语言一G语言GRAPHICALPROGRAMMINGLANGUAGE，它采用的是数据流编程模式。是一种所见即所得的编程方式，它有别于基于文本语言的线性结构，不像C和BASIC等语言受众多的语法规则所限制，简单直观，极大节省程序开发时间。在LABVIEW中执行程序的顺序是由模块之间的数据流决定的，而不是传统文本语言的按命令行次序连续执行的方式。简言之，LABVIEW功能强大、灵活方便。它与传统编程语言又有着诸多相似之处，如相似的数据类型、数据流控制机构、程序调试工具等。但二者最大的区别在于传统编程语言是用文本语言编程，而LABVIEW用图形语言即，各种图标、图形符号、连线等编程。LABVIEW也提供传统程序语言如C语言的接口，对于其自身不易或不擅长完成的任务，可通过利用其它编程语言来实现。从而最终增强了LABVIEW的整体功能。321LABVIEW程序设计原理LABVLEW的基本程序单位是虚拟仪器VIRTUALINSTRUMENTS或者VI。可以通过图形编程的方法，建立一系列的VI，来完成用户指定的测试任务。对于简单的测试任务，可以由一个VI完成。对于一项复杂的测试任务，则可按照模块设计的概念，把测试任务分解为一系列的任务，每一项的任务还可以分解为多项小任务，直至把一项复杂的测试任务变成一系列的子任务。设计时，先设计各种VI，以完成每项子任务，然后把这些VI组合起来以完成更大的任务，最后建成的顶层虚拟仪器就成为一个包括所有子功能虚拟仪器的集合。LABVIEW可以调用，把自己创建的VI程序当作一个VI子程序节点，以创建更复杂的程序，且这种调用是无限制的。LABVIEW中各VI之间的层次调用结构如图31所示。可见，LABVIEW中每一个VI相当于常规程序中的一个子程序。顶层V1中间层V1底层V1底层V1底层V1底层V1中间层V1中间层V1图31LABVIEW层次调用结构322LABVIEW的应用LABVIEW在包括航空、航天、通信、汽车、半导体和生物医学等世界范围的众多领域内得到了广泛应用，从简单的仪器控制、数据采集到尖端的测试和工业自动化，从大学实验室到工厂，从探索研究到技术集成，都可以发现应用LABVIEW的成果和开发产品。（1）LABVIEW应用于测试与测量LABVIEW已成为测试与测量领域的工业标准，它提供了工业界最大的仪器驱动程序库，同时还支持通过INTERNET、ACTIVEX、DDE和SQL等交互式通信方式实现数据共享，它提供的众多开发工具使复杂的测试与测量任务变得简单易行。（2）LABVIEW应用于过程控制和工业自动化LABVIEW强大的硬件驱动、图形显示功能和便捷的快速程序设计，为过程控制和工业自动化应用提供了优秀的解决方案。（3）LABVIEW应用于实验室研究与自动化LABVIEW为科学家和工程师提供了功能强大的高级数学分析库，包括统计、估计、回归分析、线性代数、信号生成算法、时域和频域算法等众多科学领域，可满足各种计算和分析需要。33数据采集理论基础众所周知，在数据采集系统中，信息总是用离散的信号来表示的，而在生产和科学研究中经常遇到的各种信息，如温度、压力、流量等都是连续的信号，这就遇到了模拟信号如何转换为数字信号的问题。把模拟信号转换成数字信号的过程称为模数转换，它主要包括采样、量化、编码三个过程（1）采样采样是指用每隔一定时间的信号样值序列来代替原来在时间上连续的信号XT，也就是在时间上将模拟信号离散化。采样即在时间轴上对信号数字化；经过采样后的模拟信号，简称为采样信号。NTXS（2）量化量化是用有限个幅度值近似原来连续变化的幅度值，即把模拟信号的连NTXS续幅度变为有限数量的、有一定间隔的离散值。即在幅度轴上对信号数字化NTXSQ（3）编码则是按照一定的规律，把量化后的值用二进制数字表示。即按SQS一定格式记录采样和量化后的数字数据。在实际工作中，信号的抽样是通过模数转换器AD来实现的。通过AD，将连续信号XT变成数字信号XT。AD转换原理如图31所示XTSNTSQNTSNTX图31A/D转换原理图采样量化编码为保证采样后信号不失真。采样频率必须大于信号中最高频率的两倍，这称之为采样定理。如图32所示，由于不满足采样定理信号产生了混叠。信号的采样定理是连结离散信号和连续信号的桥梁，是进行离散信号处理与离散系统设计的基础。图32信号正常采样和欠采样34谐波分析理论341谐波定义国际上公认的谐波含义为谐波是一个周期性电器量的正弦波分量，其频率为基波频率的整数倍。由于谐波的频率是基波频率的整数倍数，我们也常称之为高次谐波。在国际电工标准中IEC5552，1982、国际大电网会议CIGI冱的文献中对谐波也有了明确的定义谐波分量为周期量的傅里叶级数中大于1的N次分量；IEEE标准中的定义为谐波为一周期波形量的正弦波分量，其频率为基波频率的整数倍以上定义明确了有关谐波性质的下列几个问题（1）谐波次数N必须是一个正整数。例如，我国的电力系统额定频率为50HZ，则其基波为50HZ，二次谐波为100HZ，三次谐波为150HZ。N不能为非整数，因此也不能有非整数谐波（2）必须严格区别谐波现象和暂态现象为了区分谐波和暂态现象，根据傅立叶级数的基本理论，被变换的波形必须是周期性的。虽然实际上很难完全做到，因为电力系统负荷是变动的，而负荷的变动会影响系统中谐波含量，但在实际分析中只要被分析的现象或情况持续一段适当的时间，就可以应用傅里叶变换。因此，需要区分清楚什么是谐波现象波形保持不变和什么是暂态现象每周的波形都发生变化。342谐波分析方法谐波分析通常是先将信号的各次谐波电压或电流的幅值和相角求出，然后由相应的公式可以方便的求出总谐波畸变率THD、谐波含量等值。具体的计算方法如下首先采用64点FFT算法，计算出基波和各次谐波的实部和虚部，进而求得其幅值和相位，幅值求出后，就可以求出各次谐波的含有量和谐波总含量。以电压量为例，若用FFT算法求出的第KK2,332次谐波的实部和虚部分别是，则第K次谐波电压的均方根值UKIR,31IUKR22第K次谐波电压的相角为32KARCTGKRI可以利用某次谐波均方根值相对于基波均方根值的百分数来反应该次谐波的含量，第K次谐波的含量为3310UKHR总的谐波畸变率THD反映谐波总含量，可以通过下式求得341032KTD35小波理论简介小波变换是近年来在图象处理中受到十分重视的新技术，面向图象压缩、特征检测以及纹理分析的许多新方法，如多分辨率分析、时频域分析、金字塔算法等，都最终归于小波变换（WAVELETTRANSFORMS）的范畴中。线性系统理论中的傅立叶变换是以在两个方向上都无限伸展的正弦曲线波作为正交基函数的。对于瞬态信号或高度局部化的信号（例如边缘），由于这些成分并不类似于任何一个傅立叶基函数，它们的变换系数（频谱）不是紧凑的，频谱上呈现出一幅相当混乱的构成。这种情况下，傅立叶变换是通过复杂的安排，以抵消一些正弦波的方式构造出在大部分区间都为零的函数而实现的。为了克服上述缺陷，使用有限宽度基函数的变换方法逐步发展起来了。这些基函数不仅在频率上而且在位置上是变化的，它们是有限宽度的波并被称为小波（WAVELET）。基于它们的变换就是小波变换。36几种常用的小波（1）HAAR小波AHAAR于1990年提出一种正交函数系,定义如下01H其它12/0X这是一种最简单的正交小波，即DXNT,（2）DAUBECHIES（DBN）小波系该小波是DAUBECHIES从两尺度方程系数出发设计出来的离散正交小波。一KH般简写为DBN，N是小波的阶数。小波和尺度函数吁中的支撑区为2N1。的消失矩为N。除N1外HAAR小波，DBN不具对称性即非线性相位；DBN没有显式表达式除N1外。但的传递函数的模的平方有显式表达式。假设KH，其中，为二项式的系数，则有0KKYCYPKNC12SINCO20PMN其中1200NKIKEHM（3）BIORTHOGONAL（BIORNRND）小波系BIORTHOGONAL函数系的主要特征体现在具有线性相位性，它主要应用在信号与图像的重构中。通常的用法是采用一个函数进行分解，用另外一个小波函数进行重构。BIORTHOGONAL函数系通常表示为BIORNRND的形式NR1ND1，3，5NR2ND2，4，6，8NR3ND1，3，5，7，9NR4ND4NR5ND5NR6ND8其中，R表示重构，D表示分解。（4）COIFLET（COIFN）小波系COIFLET函数也是由DAUBECHIES构造的一个小波函数，它具有COIFN（N1，2，3，4，5）这一系列，COIFLET具有比DBN更好的对称性。从支撑长（37）（35）（36）度的角度看，COIFN具有和DB3N及SYM3N相同的支撑长度；从消失矩的数目来看，COIFN具有和DB2N及SYM2N相同的消失矩数目。（5）SYMLETSA（SYMN）小波系SYMLETS函数系是由DAUBECHIES提出的近似对称的小波函数，它是对DB函数的一种改进。SYMLETS函数系通常表示为SYMN（N2，3，8）的形式。（6）MORLET（MORL）小波MORLET函数定义为，它的尺度函数不存在，且不具有正交XCEXX5COS2/性。（7）MEXICANHAT（MEXH）小波MEXICANHAT函数为2/4/132XEX它是GAUSS函数的二阶导数，因为它像墨西哥帽的截面，所以有时称这个函数为墨西哥帽函数。墨西哥帽函数在时间域与频率域都有很好的局部化，并且满足0DX由于它的尺度函数不存在，所以不具有正交性。（8）MEYER函数MEYER小波函数和尺度函数都是在频率域中进行定义的，是具有紧支撑的正交小波。0123COS2IN2/1/JJE38,2432其中，为构造MEYER小波的辅助函数，且有A0123COS2/1/3423（38）（39）（310）第4章谐波测试仪的硬件设计本系统采用了虚拟仪器技术，该技术的核心是使用软件代替传统测试仪中关于数据分析处理的硬件模块。这并不是说明系统不需硬件支持，软件毕竟要建立在硬件基础之上。在本论文所研究的基于虚拟仪器技术的谐波测试仪中，基本的硬件部分包括传感器、信号调理器、信号采集卡、计算机系统，硬件结构如图41所示。传感器信号调理电路数据采集卡计算机图41硬件总体结构图41传感器模拟信号在进入数据采集卡之前应先通过传感器变换成符合采集卡量程要求的电压、电流信号。这里就要把被测的强电信号转换成弱电信号，出于对系统的可靠性及安全性方面的考虑，仪器与各种强电信号在电气上必须是隔离的，不能把电压和电流信号直接送到数据采集卡，因此使用了电压互感器PT和电流互感器CT。为了方便测量，在这一环节中，传感器的选择是至关重要的，如果选取的传感器精度不够，线性度不好，无论是信号转换或信息处理，或者最佳数据的显示和控制都无法实现，相应的后续分析工作也就变得毫无意义。在本系统中，传感器采用的是基于霍尔原理的闭环补偿电压互感器和电流互感器VSM025A型互感器。具有精度高、线性好、频带宽、响应快、过载能力强和不损失测量电路能量等优点。42信号调理器仪器信号调理是一种高性能、多通道的信号调理与开关平台，适用于E系列插入式测量设备和其它相关测量设备的前端信号调节。信号调理系统通常包括一个或者多个坚固的机箱，机箱中可以安装各种不同的信号调理模块以满足系统对I/O的需求。仪器信号调理模块可以在系统中各种传感器与信号间建立一个接口，借助高性能、低噪音的信号调理功能，来提高测试质量与可靠性，这些信号调理功能包括信号放大、隔离、多路复用、滤波、传感器激励、同步采样与保持。本次设计采用了LC0201型信号调理器，频率上下限为001HZ和3KHZ精度05，增益为1100。图41LC0201型信号调理箱1信号放大放大是最为普遍的信号调理功能。对信号进行放大可以提高分辨率和降低噪声。为了得到最高的分辨率，要对信号放大以使调理后信号的最大电压范围和模数转换（A/D）的最大输入范围相等。同时，信号调理系统有多种信号调理模块可以放大输入信号。在临近传感器的信号调理机箱内对低电压信号进行放大，然后把放大后的高电压信号传送到PC，从而最大限度地降低噪声对读数的影响。2隔离功能隔离功能是为了安全的目的把传感器的信号和计算机相隔离。被监测的系统可能产生瞬态的高压，如果不使用隔离，这种高压会对计算机造成损害。另外使用隔离可以确保插入式数据采集设备的读数不会受到接地电势差或共模电压的影响。当数据采集设备输入和所采集的信号使用不同的参考地线时，一旦这两个参考地线有电势差，就会带来麻烦，这种电势差会产生所谓的接地回路，这样就将使所采集信号的读数不准确；或者如果电势差太大，它也会对测量系统造成损害。使用隔离式信号调理能消除接地回路并确保信号可以被准确地采集。3多路复用功能多路复用是使用单个测量设备来测量多个信号的常用技术。模拟信号的信号调理硬件常对缓慢变化的信号使用多路复用方式。ADC采集一个通道后，转换到另一个通道并进行采集，然后再转换到下一个通道，如此往复。4滤波功能在传感器获得的测量信号中，往往含有许多与被测量无关的频率成分，需要通过信号滤波电路滤掉。滤波电路的功能在于滤除信号中的冗余部分，如高频信号、传输线引进的干扰等，减少由于传感器内阻或传输线阻抗等因素带来的测量误差，达到提高测量精度的目的。5线性化在测控系统中，希望传感器的输入输出特性是线性的。线性特性不仅有利于后续电路的设计，而且传感器的标定工作也可大大的简化，但实际上，现实中大量的传感器的特性从原理上是非线性的，利用硬件方法对传感器的特性进行线性化，在实时性、简便、经济等方面具有软件方法难以替代的优势，在应用中，对传感器的输出进行线性化是最佳的。43信号采集卡信号采集卡是外部硬件设备通向PC系统的桥梁。本论文以NI公司的PCI6024E数据采集卡做一下参考。它具有模拟量输入输出、数字量输入输出以及定时器等功能，能够完成信号采集、A/D转换、16通道单端模拟输入或8路差分输入，最大输入范围1010V,最小输入范围5050MV。具有两个输出通道，输出范围1010V，分辨率12BITS,单通道最高采样频率为200千次/秒，12位精度，三种信号输入方式，通过卡内置的12位精度的逐次逼近型AD转换器，将转换的结果送往卡上的FIFO存储器，它可以保存2048次A/D转换的结果。这种结构可以大大降低计算机对硬件的访问次数，可以在多次采样结束后再将所有转换后的数据一次性读走，提高软件执行的速度，也极大地方便了程序的编写。图42PCI6024E型数据采集卡第5章谐波测试仪的软件设计功能强大的软件是虚拟仪器的核心。LABVIEW是一种图形化编程软件，它具有多种开发工具，内置测量和控制函数，具有广泛的计算对象，也是目前发展最快的图形化软件开发集成环境。51系统软件框图设计系统软件框图如图51所示。对于本谐波测试仪的设计，具体的设计方案如下（1）列出系统需要测量的参数，包括基本的电压有效值、电流有效值、功率、频率、各次谐波的频率和幅值、总谐波畸变率等。（2）设计每个功能模块的前面板，前面板根据具体所要显示的内容来设计。列出每个功能模块需要显示的内容，根据所要显示的内容设计各个功能模块的前面板。（3）按照所测参数的具体测量方法设计每个功能模块的框图程序。每个功能模块设计时设计成子VI，既可以单独运行，又可以被其他程序调用。这样既便于独立模块的调试工作，又方便了整个系统在后续中的修改和完善，使系统具有更强的移植和升级能力。图51系统软件框图数据采集卡参数设置数据采集模块功率测量模块数据处理模块数据存储模块LABVIEW开发平台谐波分析模块频谱测量模块52基于LABVIEW的虚拟谐波分析仪的设计根据谐波仪的设计思路，可以得出整个谐波分析仪的系统流程图如下图所示。波形发生器产生信号信号参数设置读取信号信号预处理信号分析结束开始图52谐波分析仪的系统流程图从上图中可以看出，该系统通过波形发生器产生测试信号，并对信号进行预处理。信号分析部分主要是进行谐波分析、频谱分析和功率谱分析，通过谐波分析可观察到各次谐波的幅值、频率和谐波的畸变率情况，频谱分析可观察信号的基波与各次谐波的分布情况，功率谱分析可观察信号在各个频率点上的功率分布。并对需要保存的数据写入到电子表格中进行保存。由此设计出谐波分析仪的框图程序如图53所示和谐波分析仪前面板如图54所示。在此基础上将分别对谐波信号的产生、谐波分析程序、频谱和功率谱进行相关分析。图53谐波分析仪框图程序根据需要设计出的谐波分析仪的框图程序如图53所示。谐波分析仪前面板如图54所示。在此程序中将对仿真信号发生器合成的谐波信号进行谐波分析、频谱分析和功率谱分析等。首先由两个仿真信号发生器根据需要仿真出两种不同波形然后通过合成形成需要的分析的谐波信号。信号又经过各个模块的分析和输出最终得到谐波的各个参数。图54谐波分析仪前面板53登陆界面的设计登陆界面的设计采用了LABVIEW中的条件执行结构，条件结构类似于文本编程语言中的SWITCH语句或IFELSE结构或CASE结构。其程序框图如图55所示。首先当程序运行时，用户首先根据自己用户名和密码输入到前面板的登陆界面中，前面板如图56所示。输入完毕后点击确定键。当点击确定键之后程序会判断用户名是否存在，若存在则执行下一个真条件结构框中的程序，若输入错误则执行假条件框中的程序，即提示信息“用户名不存在”当用户名输入正确时程序开始执行下一部分即判断密码是否正确。若密码输入错误则会弹出密码输入错误的提示信息。有且只有当用户名和密码都输入正确时程序才会提示登陆成功，同时提示登陆成功的一个提示灯将被点亮，之后程序才会执行谐波测试的部分。当谐波测试完成或者不需要程序执行时可以点击“退出LABVIEW”按钮，则退出软件。图55谐波分析仪登陆界面程序框图图56谐波分析仪登陆界面54谐波信号的产生信号生成由两个信号发生器组合而成其中一个为正弦信号发生器，另一个为正弦信号（谐波）发生器。其程序图如图53中所示。两者的采样频率均为1000，采样点为100。用户可根据自己需要在仿真信号属性中进行修改。其中正弦信号（谐波）发生器中可以添加噪声其幅值可以在前面板中根据需要输入。两个仿真信号发生器所产生的波形各项参数如频率，幅值，相位等等均可以根据需要在前面板的输入空间中设置。两种波形信号经过合成则作为被分析测量的信号进入程序下一部分进行分析。55谐波分析程序图57谐波分析框图程序1图58谐波分析框图程序2如图57和图58为谐波分析程序的框图，其中在图57中输入信号通过HARMONICANALYZERVI进行谐波分析检测出信号的基频频率和各次谐波的幅值并在前面板显示出来。其中显示的最高次谐波次数可以在前面板输入控件中进行调节。而对于各奇次谐波的频率和THD则在图58中的程序中通过失真测量VI做出了测量分析。各次谐波的频率只需通过对基频频率进行简单的乘法运算则可得到。谐波频率和THD在前面板中均有显示如图59所示。图59谐波频率显示前面板551谐波小波分析用MATLAB中SIMULINK仿真一谐波信号，此信号为方波信号与正弦信号叠加而成。将采集到的信号数据存储到文件中再利用MATLAB中的小波分析算法进行分析,信号波形和分析结果如图510所示。图510小波分析结果56各次谐波的时域分析在仿真中采用一方波信号进行相关分析，其方波的基频设为20HZ，幅值为1V。则可以求出其方波的傅里叶级数为TNTFN15,31SI4，（51）4021F即（52）405SIN40SI340SITTTTF如图410可以得出此谐波信号的各次谐波的幅值，基波幅值为12734V，二次谐波幅值为0，三次谐波幅值为04250V，四次谐波幅值为0等等。将设计的虚拟谐波分析仪测得的实验值与理论值进行比较。可以看出理论值与测量值相差较小，由此证明了所设计的虚拟谐波分析仪的精度较高。图511谐波幅度显示前面板57频谱分析图512谐波频谱分析的前面板设计图如图512所示，为谐波信号的频谱分析。此频谱分析程序首先将谐波信号采用汉宁窗函数加窗，加窗函数通过一个下拉列表进行变换。然后信号通过通过FFTPOWERSPECTRUMVI计算信号的频谱，然后显示出频谱分析结果。此系统线性显示了信号的频率与幅值的关系。从图中可以直接得出谐波的基频及所对应的基波幅值和各次谐波的频率，幅值关系。图513谐波频谱分析的框图程序由式（51）可以得到谐波的频谱函数为DTETNDTETFJFJNJ11SI145,358功率谱分析和有效值测量图514谐波功率谱分析前面板设计图图515谐波功率谱分析框图程序此谐波分析的功率谱分析程序非常简单，这也体现了LABVIEW图形化程序设计编程的简易性。从图513和图514可以看出程序仅将谐波信号通过从动态数据转到数组数据的VI和功率谱VI就可以得出谐波的功率谱。对信号进行等间隔采样，电压信号有效值可由计算公式得出。以电压有效值为例进行说明。一个周期采样128个点，形成一个数组，用一个FOR循环实现对数组内元素的相加。FOR循环内用一个公式节点实现电压的平方（也可以用函数里面的平方子VI实现此功能）。最后把相加得总数除以采样个数，再开方，得到电压有效值。如图516所示。电流有效值的测量与此类似。图516电压有效值的测量59数据存储模块数据存储模块