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西北工业大学 硕士学位论文 基于虚拟仪器的电力参数测量系统 姓名：易清华 申请学位级别：硕士 专业：电路与系统 指导教师：段哲民 20070301 摘要 传统的电力参数测量系统以硬件为核心集成各种测试测量仪器，体积庞大、 功能模块固定、维护成本高，逐渐无法满足臼益复杂的、实时性、多参数的要求。 近2 0 年来，随着电子技术、计算机技术、网络技术的飞速发展及其在电子测量 技术和仪器上的应用，使得新的测试理论和方法、新的仪器结构不断出现，测量 仪器的功能和使用发生了质的变化。其中最显著的一点就是虚拟仪器概念的出现 与发展。它是计算机技术与仪器技术相结合的产物，具有编程灵活、可自定义、 数据处理和分析功能强大、开发周期短等优点，在电力系统测量、控制方面有广 阔的应用前景。因此，本论文提出并设计了基于虚拟仪器技术的电力参数测量系 统，此系统能够实时地监测和分析电压、电流、频率、相位、电网谐波、电压波 动和闪变等电力参数。 论文首先概况地介绍了虚拟仪器的基本概念、结构及发展，并对虚拟仪器开 发平台L a b V I E W 及其编程语言作了简要介绍，论述电压电流等电力参数的定义， 并进行测量方法研究。在电压闪变信号分析模块中，本论文提出了同步检测与小 波变换相结合的电压闪变测量方法，利用小波变换的子频带滤波功能代替传统的 带通滤波器，仿真结果表明此方法适用于电压闪变信号的检测和分析，不仅可以 准确测量信号突变时间和奇异程度，还可以准确测量调幅波电压的频率和幅值。 其次详细阐述了系统信号调理部分的构成及实现，设计了传感器模块、多路 复用模块、程控增益放大器、有源低通滤波器、信号隔离电路等。然后详细阐述 了系统软件设计，包括整体框架及各功能模块的实现过程，并给出了本系统的调 试方法和仿真结果。 最后，总结了本系统在研究中存在的不足和需要加强的地方。 本论文提出的电力参数测量系统克服了传统的测量系统功能单一、升级复 杂、成本高等缺点，操作简单、分析功能强大，实现了实时监测和分析、历史数 据管理和图形化显示等功能。 关键词：虚拟仪器技术测量系统信号调理L a b V l E W 小波分析 A b s t r a c t T h et r a d i t i o n a lp o w e rm e a s u r i n gs y s t e mi sa ni n t e g r a t i o no fv a r i o u sk i n d so f m e a s u r i n gi n s t r u m e n t sw i t hh u g ev o l u m e ，s o l i df u n c t i o nm o d u L e ，w h i c hc a n tm e e t c o m p l i c a t e d ，r e a l - t i m e ，m a n y - p a r a m e t e rr e q u i r e m e n t sg r a d u a l l y W i t hr a p i dp r o g r e s s o fe l e c t r o n i ct e c h n o l o g y , c o m p u t e rt e c h n o l o g ya n dn e t w o r kt e c h n o l o g y , n e wt e s t i n g t h e o r ya n dm e t h o d n e wi n s t r u m e n ts t r u c t u r ei sa p p e a r i n g F u n c t i o na n da p p l i c a t i o no f m e a s u r i n gi n s t r u m e n t sh a sc h a n g e dal o t O n em a r k e dc h a r a c t e r i s t i ci sa p p e a r a n c ea n d d e v e l o p m e n to fV L r t u a lI n s t r u m e n tw i t ht h ea d v a n t a g eo ff l e x i b l ep r o g r a m m i n g ， u s e f - d e f i n e d ，p o w e r f u ld a t ap r o c e s s i n ga n da n a l y s i sf u n c t i o n , s h o r td e v e l o p m e n t p e r i o da n ds oo n ，w h i c hi s ag r e a tn e wp r o d u c t i o no fc o m p u t e rt e c h n o l o g ya n d i n s t r u m e n t a t i o nt e c h n o l o g y I th a sw i d ca p p l i c a t i o ni nt h em e a s u r ea n dc o n t r o lo f p o w e rs y s t e m T h e r e f o r e ，am e a s u r i n gs y s t e mo fp o w e rb a s e d o nv i r t u a li n s t r u m e n ti s d e s i g n e di nt h i sp a p e f I tc a nm e a s u r ea n da n a l y z ep o w e rp a r a m e t e r , s u c ha sv o l t a g e ， c u r r e n t , f r e q u e n c y ，p h a s ed i f f e r e n c e ，h a r m o n i ca n dv o l t a g ef l i c k e rs i g n a l F i r s t l y , b a s i cc o n c e p t i o n ，s t r u c t u r ea n dd e v e l o p m e n to fV m u a lI n s t r u m e n t , a l s o d e v e l o p m e n tp l a t f o r mL a b V I E Wa n dp r o g r a m m i n gl a n g u a g ea r ei n t r o d u c e dg e n e r a l l y D e f i n i t i o no fp o w e r p a r a m e t e r sa r ei n t r o d u c e d , w h i c hm e a s u r i n gm e t h o d sa r es t u d i e d I nv o l t a g ef l i c k e rs i g n a la n a l y s i s ，m e a s u r e m e n to fv o l t a g ef l i c k e ru s i n gw a v e l e t t r a n s f o r mw i t hs y n c h r o n o u sd e t e c t i o ni sp r o p o s e d I th a sb e e np r o v e dt h a tt h i sm e t h o d c a nd e t e c tv o l t a g ef l i c k e re x a c t l y b yw h i c hn o to n l yb r e a kt i m ea n dd e g r e e ，b u ta l s o f r e q u e n c ya n da m p l i t u d eo fm o d u l a t e dw a v ei sd e t e c t e de x a c t l yb ys i m u l a t i o n S e c o n d l y , t h es t r u c t u r eo fs i g n a lc o n d i t i o n i n gi se x p o u n d e dp a r t i c u l a r l y T h e n , t h ew h o l ef r a m ea n df u n c t i o nm o d u l e so fs o f t w a r ed e s i g n ，t h ed e b u gm e t h o da n d s i m u l a t i o nr e s u l to ft h es y s l e mi sg i v e n A tl a s t ，t h es h o r t a g eo f t h es y s t e mi sg i v e n T h es y s t e mc a nm e a s u r ea n da n a l y z es i g n a li nr e a lt i m e m a n a g eh i s t o r yd a t aa n d d i s p l a yw a v e f o r mw i t hs i m p l eo p e r a t i o na n ds t r o n ga n a l y z i n gf u n c t i o n K e y w o r d s ：V i r t u a lI n s t r u m e n t ，m e a s u r i n gs y s t e m , s i g n a lc o n d i t i o n i n g , L a b V I E W , W a v e l e t t r a n s f o r m 西北工业大学业 学位论文知识产权声明书 本人完全了解学校有关保护知识产权的规定，即：研究生在校攻读学位期闻论文工作 的知识产权单位属于西北工业大学。学校有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复 印件和电子版。本人允许论文被查阅和借阅。学校可以将本学位论文的全部或部分内容编 入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。 同时本人保证，毕业后结合学位论文研究课题再撰写的文章一律注明作者单位为西北工业 大学。 保密论文待解密后适用本声明。 学位论文作者签名：易蕴竺指导教师签名：邑! 鱼3 舷 卅年；月刁日 训7 年；月哆日 西北工业大学 学位论文原创性声明 秉承学校严谨的学风和优良的科学道德，本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本 人在导师的指导下进行研究工作所取得的成果。尽我所知，除文中已经注明引用的内容 和致谢的地方外，本论文不包含任何其他个人或集体已经公开发表或撰写过的研究成 果，不包含本人或其他已申请学位或其他用途使用过的成果。对本文的研究做出重要贡 献的个人和集体，均已在文中以明确方式表明。 本人学位论文与资料若有不实，愿意承担一切相关的法律责任。 学位论文作者签名：盘煎兰 2 田陴弓成j 日 两北工业大学硕十学位论文第一章绪论 1 1 虚拟仪器的概念 第一章绪论 美国N I 公司于2 0 实际8 0 年代中期首先提出了“软件就是仪器”这一基于 计算机技术的虚拟仪器概念。这个概念为用户定义、构造自己的仪器系统提供了 完美的解决途径。虚拟仪器通过软件将计算机硬件资源与仪器硬件有机的融合为 一体，从而把计算机强大的计算处理能力和仪器硬件的测量、控制能力结合在一 起，大大缩小了仪器硬件的成本和体积，并通过软件实现对数据的显示、存储以 及分析处理。当硬件平台F O 接口设备与计算机确定后，通过编制某种测量功能 的软件计算机就成为该种功能的测试仪器。因为虚拟仪器与计算机技术同步发 展，与网络及其他周边设备互联，所以用户只需改变软件程序就可以不断的赋予 它或扩展增强它的测量功能。这就是说，仪器的设计制造不再是厂家的专利。虚 拟仪器开创了仪器使用者可以成为仪器设计者的时代，这给仪器使用者带来了无 尽的收益l ”。 虚拟仪器的实质是利用计算机显示器的显示功能来模拟传统仪器的控制面 板，以多种形式表达输出检测结果；利用计算机强大的软件功能实现信号数据的 运算、分析和处理；利用I O 接口设备完成信号的采集、测量和调理，从而完 成各种测试功能的一种计算机仪器系统。使用鼠标或键盘操作虚拟仪器面板，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”二字主要包含两方面的含义： 第一、虚拟仪器的面板是虚拟的。 虚拟仪器面板上的各种“图标”与传统仪器面板上的各种“器件”所完成的 功能时相同的。如由各种开关、按键、显示器等实现仪器电源的“通”、“断”； 被测信号的“输入通道”、“放大倍数”等参数设置；测量结果的“数值显示”、 “波形显示”等。 传统仪器面板上的器件都是实物，而且是用手动和触摸进行操作的，而虚拟 仪器面板控件是外形与实物相像的“图标”，每个图标的“通”、“断”、“放大” 西北丁业大学硕七学位论文第一章绪论 等动作通过用户操作计算机鼠标或键盘来完成。因此，设计虚拟面板的过程就是 在面板设计窗口中摆放所需的控件，然后对图标的属性进行设置。大多数初学者 可以利用虚拟仪器的软件开发工具L a b w i n d o w s C V I ，L a b V I E W 等编程语言，在 短时间内轻松完成美观而又实用的虚拟仪器前面板的设计。 第二、虚拟仪器测量功能是由软件编程来实现的。 在以P C 计算机为核心组成的硬件平台支持下，通过软件编程设计来实现仪 器的测试功能，而且可以通过不同测试功能的软件模块的组合来实现多种测试功 能，因此有在硬件平台确定后“软件就是仪器”的说法。它体现了测试技术与计 算机深层次的结合1 2 卅。 1 2 虚拟仪器的构成 虚拟仪器由通用仪器硬件平台( 简称硬件平台) 和应用软件两大部分构成【4 1 。 1 2 1 通用仪器硬件平台 构成虚拟仪器的硬件平台有两部分： ( 1 ) 计算机：一般为一台P c 机或者工作站，它是硬件平台的核心。 ( 2 ) I O 接口设备：主要完成被测输入信号的采集、放大、模数转换。 可根据实际情况采用不同的I O 接口硬件设备，如数据采集卡板( D A Q ) ， G P I B 总线仪器、V X I 总线仪器、串口仪器等。虚拟仪器的构成主要有五种类型， 如图1 1 所示。 图1 - 1 虚拟仪器的构成方式 1 ) P C D A Q 插卡式V I 这种方式用数据采集卡配以计算机平台和虚拟仪器软件，便可构成各种数据 采集和虚拟仪器系统。它充分利用了计算机的总线、机箱、电源以及软件的便利， 西北T 业大学硕十学伊论文第一章绪论 其关键在于A D 转换技术。这种方式受P C 机机箱、总线限制，存在电源功率不 足，机箱内噪声电平较高、无屏蔽，插槽数目不多、尺寸较小等缺点。随着基于 P C 的工业控制计算机技术的发展，P C - D A Q 方式存在的缺点已经和正在被克服。 因个人计算机数量非常庞大，插卡式仪器价格最便宜，因此其用途广泛，特 别适合于工业测控现场、各种实验室和教学部门使用。 2 ) 并行口式的V I 最新发展的可连接到计算机并行口的测试装置，其硬件集成在一个采集盒里 或探头上，软件装在计算机上，可以完成各种v I 功能。它的最大好处是可以与 笔记本计算机相连，方便野外作业，又可与台式P C 相连，实现台式和便携式两 用，非常方便。 3 ) G P I B 总线方式的V l G P I B 技术是I E E E 4 8 8 标准的早期的发展阶段。它的出现使电子测量由 独立的单台手工操作向大规模自动测试系统发展。典型的G P I B 系统由一台P C 机，一块G P I B 接口卡和若干台G P I B 仪器通过G P I B 电缆连接而成。在标准情 况下，一块G P I B 接口卡可带多达1 4 台的仪器，电缆长度可达2 0 m 。 G P I B 技术可以用计算机实现对仪器的操作和控制，代替传统的人工操作方 式，很方便地把多台仪器组合起来，形成大的自动测试系统。G P m 测试系统的 结构和命令简单，造价较低，主要市场在台式仪器市场。适用于精确度要求高， 但对计算机速率要求和总线控制实时性要求不高的传输场合应用。 4 ) V X I 总线方式的V I V X I 总线是高速计算机总线v M 巳在领域的扩展，具有稳定的电源、强 有力的冷却能力和严格的R F I E M I 屏蔽。由于它的标准开放，且具有结构紧凑、 数据吞吐能力强、定时和同步精确、模块可重复利用、众多仪器厂家支持的优点， 得到了广泛的应用。 经过多年的发展，V X I 系统的组建和使用越来越方便，有其他仪器无法比拟 的优势，适用于组建大、中规模自动测量系统以及对速度、精度要求高的场合， 但V X I 总线要求有机箱、零槽管理器及嵌入式控制器，造价比较高。 5 ) P X I 总线方式的 P X I 这种新型模块化仪器系统是在P C I 总线内核技术上增加了成熟的技术规 范和要求形成的，具有多板同步触发、精确定时的星形触发、相邻模块间高速通 讯的局部总线以及高度的可扩展性等优点，适用于大型高精度集成系统。 由上可知，无论哪种v I 系统都是将硬件设备搭载到台式P C 、工作站或笔记 本电脑等各种计算机平台上，加上应用软件而构成的，实现了用计算机的全数字 西北T 业大学硕十学位论文第一章绪论 化的采集测试分析。因此v I 的发展完全跟计算机的发展步伐同步，显示出V I 的灵活性和强大的生命力。 1 2 2 虚拟仪器软件 虚拟仪器的核心思想就是利用计算机的软件，使本来需要硬件或电路实现 的技术进行软件化和虚拟化，最大限度地降低系统成本，增强系统的功能与灵活 性。软件在虚拟仪器系统中起着重要的作用，从低层到顶层，虚拟仪器的软件系 统框架包括三个部分：V I S A 库、仪器驱动程序、应用软件。 应用软件 驱动程序 V I S A 库 图l - 2 虚拟仪器的软件结构 应用程序包含两个方面的程序： ( 1 ) 实现虚拟面板功能的前面板软件程序。 即测试管理层，是用户与仪器之间交流信息的纽带。虚拟仪器在工作时利用 前面板去控制系统。与传统仪器前面板相比，虚拟仪器软面板的最大特点就是软 面板由用户自己定义。因此，不同用户可以根据自己的需要组成灵活多样的虚拟 仪器控制面板。 ( 2 ) 定义测试功能的流程图软件程序。 利用计算机强大的计算能力和虚拟仪器开发软件功能强大的函数库极大提 高了虚拟仪器的数据分析处理能力。如H P V E E 可提供2 0 0 种以上的数学运算和 分析功能，从基本的数学运算到微积分、数字信号处理和回归分析。L a b V I E W 的内置分析能力能对采集到的信号进行平滑、数字滤波、频域转换等分析处理。 I O 接口仪器驱动程序用来完成特定外部硬件设备的扩展、驱动与通信。 虚拟仪器应用程序的开发环境主要有两种：一种是文本式编程语言，常用的 有L a b W i n d o w s C V I 、V i s u a lB a s i c 、V i s u a lC + + 等，用这些工具开发具有成本低， 不需再进行专业软件培训等特点；一种是图形化编程语言，常用的有N I 公司推 4 、囱。囱自 西A t - l - 业大学硕士学位论文第一章绪论 出的L a b V l E W 和惠普公司的H P V E E 等，这些软件一般都带有专业性很强的组 件、模块以及设备驱动程序，用工程人员所熟悉的术语和图形化符号代替常规的 文本语言编程，界面友好，操作简便，可大大缩短系统开发周期，深受专业人员 的青睐。 在本系统中选择的应用软件是N I 公司的虚拟仪器软件平台L a b V I E W 。 1 3 虚拟仪器的发展 测量仪器发展至今，大体经历了四代发展历程，即模拟仪器、分立元件式仪 器、数字化仪器和智能仪器。8 0 年代末，随着微电子技术与计算机技术的飞速 发展，测试技术与计算机深层次的结合引起测试仪器领域里一场新的革命，一种 全新的仪器结构概念导致新一代仪器虚拟仪器( V i r t u a lI n s t r u m e n t ) 的出现。 同传统仪器相比较，虚拟仪器具有以下特点嘲： 表1 虚拟仪器与传统仪器的对比 虚拟仪器传统仪器 开发和维护费用低开发和维护费用高 技术更新周期短( 0 5 1 年)技术更新周期长( 5 1 0 年) 软件是关键 硬件是关键 价格低价格昂贵 开放、灵活，可重复用和重复配置固定 可用网络联络周边各仪器只口J 琏伺限阴傲备 自动化、智能化、多功能、远距离传输功能单一，操作不便 由于虚拟仪器本身是以计算机为平台，具有方便、灵活的互联能力，随着通 信技术、总线技术和网络技术的发展与应用，虚拟仪器向网络方向发展，网络化 虚拟仪器的出现是一种必然。它除了必要的硬件接口支持，虚拟仪器软件开发平 台使用户可以借助于W i n d o w s 系统的远程桌面、L a b v m w 的网络通信功能、网 络协议等，用户能很快在W e b 上发布虚拟仪器的面板，直接在本地打开并操控虚 拟仪器，以实现远程测试、诊断和维修。利用D a t a S o c k e t 技术，用户可以和其他 有I n t e m e t 功能的程序迅速建立连接并共享数据，而无需担心网络协议和数据格式 等问题【6 】。 网络化虚拟仪器突破了早期虚拟仪器将仪器的三大功能模块( 信号采集、信 号分析处理和显示模块) 都集中在单一的计算机上的限制，将分解到不同的计算 机上的虚拟仪器、昂贵的外围设备、被测试点以及数据库等功能模块纳入网络， 西北下业大学硕十学位论文第一章绪论 利用网络将各个模块灵活地连接起来，实现资源共享，共同完成测试任务。利用 网络化虚拟仪器，不仅可以在任意时刻从任何地点获取测量信息，而且可以进行 异地或远程控制、故障监测、报警，这为测控领域提供了很大的方便【7 J 。 与以P C 技术为核心的虚拟仪器相比，网络化将对虚拟仪器的发展产生一次 革命，网络化虚拟仪器必将在新世纪推动仪器界新的革命。“网络即仪器”将成 为新的概念。 1 4 本文研究内容 本文研究的重点在于利用L a b V I E W 平台开发基于虚拟仪器的电力参数测量 系统，实现了三相交流电压、电流有效值、功率、功率因数等常见电力参数的测 量，并实现了示波器功能，具有信号波形显示功能、相位差测量功能、谐波分析 以及数据存取等高级分析功能。 本人主要完成如下工作： ( 1 ) 测量系统总体方案设计。 ( 2 ) 信号调理电路的设计及仿真。 ( 3 ) 研究电力参数的测试算法，在电压闪变信号分析模块中，本文提出了同 步检测与小波变换相结合的电压闪变测量方法。 ( 4 ) 利用L a b V I E W 进行模块化编程及仿真，实现多个参数的测试。 6 西北工业大学硕士学位论文第二章系统工作原理 2 1 系统总体结构 第二章系统工作原理 划燕恒 图2 - 1 系统总体结构 翮4 型 仪器程序l i _ 叫数据存储 丝盐簋熟卜、赢 系统首先利用精密电压和电流传感器将原始高电压、大电流信号变为交流小 信号，接着对小信号进行通道选择、自动增益控制，隔离、滤波等，然后送入计 算机后台进行处理，显示电流、电压、相位差、频率、谐波、功率因数、功率f 有 功、视在功率和总功率) 、谐波等电力参数的处理结果，并同时对部分的参数测 量结果进行图形化显示。 2 2 系统参数测量原理 2 2 1 基本电气量测量 电力系统基本电气量的测量主要包括：电流有效值、电压有效值、有功功率、 无功功率、视在功率、功率因别3 】。 对随时间变化的电压信u ( t ) 、电流信号i ( t ) J 差S T 离散化采样，得到离散化 序列 ) 、 t ) ，相电压的有效值定义为： 乩= 相电流有效值的定义为： 7 两北丁业大学硕十学 市论文 第二章系统丁作原理 = j = 2 = = e = j = _ = = = = ! = = ! = ! = - _ E I _ l _ _ l - _ I _ _ - - | _ _ ，_ - _ _ _ _ - 日- 目_ _ j - E j 目_ E = = = = j - = = = 一I l ； 有功功率定义为： 只= 专p 船 系统在被测交流信号的一个周期内对其进行N 次采样， 雌，可得交流电压、电流有效值为 = 后善N - 1 L = 居薹 单相有功功率为： 只。专荟t 式中，N = T A t ，A t 为采样时间间隔。 三相总的有功功率为： P = 寺( 【么k + u k k + 【么如) V k - Ok - - Ok - O 三相总的视在功率为： S = U l 4 - U B I B4 - U c I c 三相总的功率因数： P 鲫妒2 i 2 。2 2 相位差测量 测得离散的采样值 ( 2 一1 ) ( 2 2 ) ( 2 - 3 ) 随着科学技术和生产的发展，相位测量方法也在不断的完善和发展。相位测 量目前常用的方案有：矢量法、基于硬件电路的过零检测法、基于软件判断的过 零检测法【9 】。 ( 1 ) 矢量法 设两个同频等幅的正弦信号目、易，其矢量和矿为： V = E l E 2 = E e 扣+ E e - 月= E ( 1 + c o s o j s i n 9 矢量和的模： 盛 西北丁业大学硕士学位论文第二章系统- 丁作原理 I 矿户万i ：i ；F 丽= E i 干面= 2 E c o s 妒- 于是可得到相位差的计算公式： I 矿I 妒= 2 a r c c o s 并( 2 - 5 ) 二凸 由式( 2 5 ) 可以看出只要测出| V I 即可求出相位差。但该方法不足之处是在 1 8 0 。附近，矢量和的模趋近于零，分辨率低。 ( 2 ) 基于硬件电路的过零检测法 基于硬件电路的过零检测法的原理见图，图中A ，C 为两相位相差一定角度 的同频正弦信号，将它们经过放大整形后，再经过零检测电路即可变为图2 2 中B ， D 所对应的方波信号。通过一些数字电路获得与相位差相对应的脉冲宽度f 。采 用标准脉冲填充的测量方法分别测出信号的周期T 和同相位差对应的时间差“， 再将T ，“代入下式： 伊：孚+ A t ( 2 - 6 ) 即可得到被测两信号的相位差。 这种方法应用较广。但该方法硬件开销较大，并且抗干扰能力较低。 图2 - 2 硬件电路过零检测法 ( 3 ) 基于软件判断过零检测法 该方法的测相原理如上法基本一致，但首先要对两个信号进行采样数字化处 理，然后运用软件的方法来判断过零点，最后再判断由两信号的过零点的间隔即 可得到相位差。 设仪器两路输入信号分别为A ，B ，如图2 。3 所示，其中f 为信号采样周期、 9 两北丁业大学硕十学伊论文 第二章系统1 = 作原理 T 为被测信号周期，“为信号A ，B 过零时I 日J 差，n 为信号A ，B 零点之间的采样 点数。这样A 、B 两信号之间的相位差可由下式计算。 p ：巡+ A t = 型仍( 2 7 ) 2 2 即在计算机中通过测量两零点之间的采样点数n 及采样周期f 来求解相位差 o 。 对信号过零点的判断过程是依据信号波形的特点，从左至右依次搜索零点或 正负跳变处。该方法可以减少硬件开销，但也存在零点误判的不足之处。如：设 被测信号为u = 砜s i n ( c o t + 咖，受A D 变换器分辨率的限制，在信号零点周围采 样值全为零。如图2 - 4 所示M 、他处，采样值均为零，而真正的零点在f o 处，明 显存在零点判断误差。而且由式( 2 7 ) 可以看出采样间隔直接关系到测量结果的精 度。 l 蕊仃I l 彳X 、I 阮I 一 巡罗鬯j 图2 - 3 软件判断过零检测法 L 一 7 、 I II “ll 。 12 3 一风 1 图2 - 4 零点的判断 ( 4 ) 虚拟相关法求相位差 在测试技术领域中，无论分析两个随机变量之间的关系，还是分析两个信号 或一个信号在一定时移前后之间的关系，都需要应用相关分析。相关分析技术被 广泛应用于信号分析及工程测试中。相关法测量技术以其测量准确、精度高、抗 干扰性能好等优点，在工程测试中得到广泛应用”O l 。目前基于虚拟仪器技术的相 关分析法在相位测量方面广泛应用。 1 1 原理 相关法利用两同频正弦信号的延时z - - O 时的互相关函数值与其相位差的余 弦值成正比的原理获得相位差。由于噪声信号通常与有效信号相关性很小，因此 该方法具有很好的噪声抑制能力J 。 假设有两个同频信号x ( O ，y ( t ) ，都被噪声污染，描述如下： x ( f ) = 爿s i n ( n 0 f + ) + 以( f ) ( 2 - 8 ) 1 0 西北丁业大学硕士学位论文第二章系统丁作原理 y O ) = 谬s i n ( t O o t + ) + 川，【f ) ( 2 - 9 ) 其中，A 、B 分别为x ( f ) 、y O ) 的幅值；M 、，分别为噪声信号。周期信 号互相关函数的表达式为： 如( r ) = 吾r x ( f ) y o + r ) 毋 ( 2 1 0 ) 其中，T 为信号周期，将式( 2 - 8 ) 、( 2 - 9 ) 代入式( 2 - l o ) ，可得： ( f ) = 彳1r 【4 s i n ( f + ) + M ( f ) B s i n ( o , o f + ) + M ( f ) 】魂 ( 2 - 1 1 ) 当f = 0 时，理想情况下，噪声和信号不相关，且噪声之间也不相关，积分 后得： ( o ) ：掣c o s ( 妒l - 9 0 ) ( 2 - 1 2 ) 相位差为： p h a s e d i f 种= 一s ( 警) 另外，信号的幅值和在延时f = 0 时的自相关函数值有下面的关系： A = 厕 曰= 厕 ( 2 1 3 ) ( 2 - 1 4 ) ( 2 - 1 5 ) 这样通过两信号的自相关、互相关就可以求得它们的相位差。 连续信号采样后得到离散点序列，则： 1k - I ( o ) = 圭x ( 托) y ( n ) ( 2 1 6 ) 7 0n = 0 1k - I 恐( o ) = ，( ，1 ) ( 2 1 7 ) n = 0 1k - I 乞( o ) = y 2 ) ( 2 1 8 ) “ 其中k 为采样点数。L a b V l E W 提供了互相关和自相关软件包。 设待测信号焉( 甩) 和是( 疗) 之间存在相位差。实际测量过程中，两路信号经过 放大或衰减电路后，必然携带了一定的噪声信号，这里分别设对应的噪声信号为 v l ( 刀) 、v 2 ( m ，用五( 胆) 、屯( 功分别表示两路实际采样得到的信号，则有 而( 吣= 毛( ”) + M ( 哟、x 2 ( n ) = s a n ) + v 2 ( n ) ，求而( H ) 和而( 吣的互相关函数，则有： ( ) = E x a ( n + k ) x 2 ( n ) 】 ( 2 1 9 ) = E ( 月+ _ | ) + v l ( 甩+ | ) 】【屯( 甩) + 1 t ( 玎) 】 西北工业大学硕十学伊论文 第二章系统T 作原理 2 筠搿p k ) 2 s 强搿铱缟】+ E 【h ( 挖+ 2 ( 玎) J + E 【v l ( 刀+ 后) v 2 ( 玎) J 因为不同通道的噪声信号同有用信号之间不相关，则式E 【丑伽+ J | ) v 2 ( 竹) 】和 式【v l + _ j ) 是) 】为零，且因为两通道中的噪声信号之间也是不相关的，所以式 E v 1 ( 疗+ | i ) 屹( 栉) 】也为零。故式( 2 1 9 ) 可为： 8 ( 玎) = EJ ( 胛+ J j ) ( 疗) 】 由此可见，基于相关原理的相位测量法可将信号从噪声中分离出来。故用该 方法进行相位差的测量时，具有较强的抗干扰能力。 2 1 虚拟相关法存在的问题 当信号中存在噪声干扰时，用时延f = 0 时的自相关函数值疋( O ) 求取信 号幅值会引入较大误差。 扎问题的提出：根据自相关函数的性质，噪声信号也在f = 0 时取得最大值， 因而，当有效信号中含有噪声信号时，信号的自相关最大值是有效信号和噪声信 号各自的自相关最大值叠加的结果，用式( 2 1 4 ) 求取有效信号幅值的结果不准确。 推导如下： 对信号x O 利s i l l ( n ，0 f + ) + 以( f ) ，其f = 0 时的自相关函数值为： 疋( o ) 2 r I k n7 - - n 彳s i l l ( f + ) + M ( f ) 】【彳s i I l ( 一f + ) + M ( 一t ) d t = 爿2 + R 虬( o ) = R 厂( o ) + 尺虬( o ) ( 2 - 2 0 ) 可见式( 2 1 4 ) 给出的信号幅值A 与足( 0 ) 问的关系式不再成立。 b 解决方法：在时延z 到达一定值之后，含噪信号的自相关函数完全等于 有效信号的自相关函数，这是由于噪声信号的自相关函数随着时延z 的增大迅速 衰减。因此，对于正弦信号含有噪声的情况，完全可以用含噪信号自相关函数的 次峰值来计算正弦波的幅值，此方法称为次峰值取代法。 周期信号的自相关函数的离散计算式在所取总点数不等于整周期时存在 计算误差。 相关法测量相位的关键在于整周期采样。当信号频率发生变化时，应及时调 整采样频率的值，这样才能使相关法的测量更为准确，适应性更好，并更充分发 挥相关相位测量法的优势。这个问题可以用频率跟踪法解决，即时测量信号的当 前频率，根据信号频率确定采样频率和采样总点数。其基本思路【1 3 1 是在分点采样 的同时，对被测信号的频率进行测量，并将测得的结果作为下一个周期采样频率 的预设值。即假设被测信号在第i 周期的频率为f ，则将第i + 1 周期的采样频率 设置为Nf ，这样就能较好地跟踪被测信号频率的变化，实现整周期采样。 西北工业大学硕十学伊论文 第二章系统T 作原理 相关法适用于对同频正弦信号求取相差，而对于含有多个频率分量的周 期信号不适用。 2 2 3 谐波分析 2 2 3 1 谐波分析原理 目前，谐波测量最常用的方法为离散傅里叶变换( D F T ) 和快速傅里叶变换 ( F F T ) 。离散傅里叶变换的计算量与变换区间的长度N 的平方成正比。谐波分 析时，为保证计算精度，N 取值较大，因此计算量很大。快速傅里叶变换是离散 傅里叶变换的快速算法，它能使D F T 的运算效率提高l 2 个数量级，因此在谐 波分析中广泛采用【1 4 1 。 具体的计算方法如下：首先采用F F T 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F F T 算法求出的第K 次谐波( 1 【- 2 ，3 4 0 ) 的 实部和虚部分别是以( 七) 和配( 七) ，第K 次谐波电压的幅值U ( D 为： 【，( 丘) = 酢( 七) + 彰( t ) 第K 次谐波电压的相角为： 瞰胁辔勰 相应的可以利用某次谐波幅值相对于基波幅值的百分数来反应该次谐波的 含量，第K 次谐波的含量为： H R U ( k ) ：塑1 0 0 u 0 ) 总的谐波畸变率( T i m ) 反映谐波总的含量，可以通过下式求得： 刀，D = 【，J 2 2 3 2 谐波测量中几个问题的处理f 1 日 ( 1 ) 采样定理 对周期为T 的连续信号做等间隔的N 点采样时，采样周期为T N ，对应的 采样频率为Z = r = j 矿为周期信号频率的N 倍。设原信号的最高谐波频率为 正，则采样频率必须满足Z 2 工才能正确的表示原信号的信息，这就是采样定 理。 两北T 业大学硕士学付论文第二章系统T 作原理 通常将采样频率的一半称为奈奎斯特频率。当采样频率低于2 倍的奈奎斯特 频率( Z 2 Z ) 时，原信号中高于Z 2 的频谱分量将会在低于Z 2 频率中再现， 即会出现频谱混叠，使频谱分析出现误差。 为了防止频谱混叠造成的谐波误差，除提高采样速度外，还可使原信号在采 样前预先设置低通滤波器，除去高于_ ，= 2 以上频率的谐波，使被采样信号中仅 有f , 2 以下谐波分量，对这样的信号采样做离散傅里叶变换，所得到的频谱就 不会发生频谱的混叠，能够准确表达原信号的信息。 ( 2 ) 测量误差产生的原因主要有两个方面： 1 1 非整周期采样引起的频谱泄漏。由于采样频率并非被测信号频率的整数 倍，引起对周期信号的非整周期采样，导致频谱泄漏，即影响各次谐波在频谱上 的分布，从而在谐波失真度测量中引入误差。设被测信号频率为厂，单位周期采 样点数为，进行频谱分析时截取的采样点数为= l m + r ，表示截断误差大小 的截断系数枷= r ，其中，脚为采样周期中所包含的整周期数，r 为采样周期 中非整周期部分的采样点数。当，= 0 时，不存在非整周期采样，频谱泄漏为零； 当，0 时，越大，则截断系数越大，由频谱泄漏引起的测量误差也就越大。因 此，减小，对提高谐波失真度分析精度是至关重要的。 2 ) 叠加在周期信号上的噪声干扰引起的误差。信号采集过程中引入的噪声 会使信号的幅度受到影响，从而导致频谱上各次谐波能量的分布发生变化，影响 谐波失真度的测量精度。噪声还会影响被测信号的过零点，使周期测量误差增大， 进一步影响测量精度。因此，减小噪声干扰对提高谐波失真度分析精度也很重要。 ( 3 ) 针对由非整周期采样和噪声干扰引起的误差，本文提出了频率跟踪和滤 波技术，分别用来减小来自非整周期采样和噪声干扰的误差，以提高谐波失真度 的测量精度。 2 2 4 频率跟踪 频率跟踪，使采样频率实时跟踪信号的基波频率，也就是根据采样时的基波 频率来确定采样间隔，它有两种实现方法【l ”： ( 1 ) 利用数字式锁相- 器( D P L L ) 使信号频率和采样频率同步。其原理利用反馈 理论控制测量，把取自系统的电压信号的相位和频率与锁相环输出的同步反馈信 号通过数字式相位比较器进行相位比较，当失步时，数字式相位比较器输出与二 者相位差和频率差有关的电压，经滤波后控制并改变压控振荡器的频率，直到输 入频率和反馈信号频率同步为止。输出的同步信号控制对信号的采样。这种方法 1 4 西北T 业大学硕十学竹论文第二章系统T 作原理 实时性较好，但增加硬件的复杂程度。 ( 2 ) 用软件的方式实现，实时性虽然较硬件方案稍差，但由于不增加硬件电 路，不增加更多的成本投资和电路复杂程度，因此便于仪器向微型化、便携化和 柔性化方向发展。 本系统中采用的是软件频率跟踪法【1 8 9 1 。由于电力系统的频率波动主要受 变化周期1 0 秒到3 分钟的脉动分量负荷及变化缓慢的持续分量的影响，所以采 用软跟踪的方法是可行的。系统的采样频率无法事先确定，但是电力系统惯性较 大，相邻两个或几个周波的频率变化却q 6 t 4 , ，因此可用要采样的周波相邻的前一 个( 或几个) 周波的频率来代替正在采样的周波的基波频率，进而确定采样采样信 号频率。 下面介绍一种基于修正采样序列的电力系统频率测量方法： 1 ) 算法原理跚 设含有谐波分量的信号为： M f ( f ) = L s i n ( n o J t + q ) n=l(2-22) M = ( 厶( 帕s i l l 纯c o s ，自研+ ( 帕c o s s i n n c o t ) n = l 令 ，蹦。) = ( 。) s i n c p , 屯。) = L ( 。) C O S 朐t 吖 则“f ) = k 。) C O S n C O t + l ? l m ( ) s i n n 国t ) 对上述信号进行采样，得各离散采样点数值表达式为 啦) ：兰严押孕i 栌i I I 拧孕纠 其中：Z 为采样频率；五为系统基波频率。 当采样频率为基波频率的整数倍，即整周期采样时 Z 1 f o = r o l r = 其中，乃、Z 分别为基波周期和采样周期，得 “七) = 善M 。s ( 以百2 1 七) + 矿i n 。等纠 其离散傅立叶变换为 佗一2 3 ) ( 2 - 2 4 ) ( 2 2 5 ) 西北T 业大学硕士学付论文 第二章系统下作原理 圹专驴咖o s ( 聍等枷( 2 - 2 6 ) 2 号酗枷i n ( 咒等纠 ( 2 之7 ) L ( 。) = 。) 2 + ，) 2 ( 2 。2 8 ) = a f c s i I l 挚业 ( 2 - 2 9 ) h n ( n ) 当式( 2 2 4 ) 不成立时，式( 2 2 6 ) 、( 2 2 7 ) 、( 2 2 8 ) 、( 2 - 2 9 ) 7 1 能严格成立，算出 的谐波参数不准，尤其是相位参数有较大的误差，从而影响基于傅氏滤波的测频 算法。 修正采样序列的主要思想是对原始采样序列f ( 七) 进行修正，得到新序列 i o ( k ) ，满足 Z o 石= t o r , o = N ( 2 3 0 ) 其中， 厶、分别为理想的采样频率和采样周期 记t - r , o = e ( 2 - 3 1 ) f ( J j ) = f ( i 正o ) = i ( k T , 一k e ) i ( k r , 一I c e ) “f ( 七) 一i ( 后I ) k e ，( 红) 。i ( k T , + N z e ) 一- i ( k T , ) i ( k r , + 7 毒) = i ( k T , + j + 正o ) = i ( k Z + 田) = (