（控制理论与控制工程专业论文）基于虚拟仪器的谐波检测系统的设计与实现.pdf

1一 关知识产权属广西大学所有。除已注明部分外，论文中不包含其他人已经发表过的研究 成果，也不包含本人为获得其它学位而使用过的内容。对本文的研究工作提供过重要帮 助的个人和集体，均已在论文中明确说明并致谢。 论文作者签名：习廿笮沥年多月垆日 学位论文使用授权说明 本人完全了解广西大学关于收集、保存、使用学位论文的规定，即： 本人保证不以其它单位为第一署名单位发表或使用本论文的研究内容； 按照学校要求提交学位论文的印刷本和电子版本； 学校有权保存学位论文的印刷本和电子版，并提供目录检索与阅览服务； 学校可以采用影印、缩印、数字化或其它复制手段保存论文： 在不以赢利为目的的前提下，学校可以公布论文的部分或全部内容。 请选择发布时间： 口即时发布口解密后发布 ( 保密论文需注明，并在解密后遵守此规定) 论文作者签名：涿哥肇 导师签，o 年占月娥日 基于虚拟仪器的谐波检测系统的设计与实现 摘要 随着我国经济的发展，电力系统中谐波的含量正在不断上升，谐波已 严重危及到变电站、用电器等设备和系统的运行可靠性，被认为是电力系 统的一大公害。要对谐波污染进行有效治理，首先就必须对其进行精确的 检测。以软件为核心的虚拟仪器正逐步取代传统的电子仪器成为现代电子 测量仪器发展的新方向。本设计采用将谐波检测与虚拟仪器相结合的方法， 只需要投入很少的硬件即可开发出功能丰富的系统。 本文论述了电力系统中谐波的来源、特点及危害，并对当前国内外有 关于谐波检测的方法、发展现状、存在问题和技术难点等进行了综述，并 对公用电网谐波标准、虚拟仪器等基本概念做了简要的介绍。根据系统需 要实现的功能，确定了以互感器、信号调理电路、数据采集卡和个人计算 机组成的整个系统的硬件构架，并利用n i 公司开发的虚拟仪器软件 l a b v i e w 8 6 编制了虚拟谐波检测仪的系统欢迎界面、数据采集及仿真、数 据存储及回放、数据处理、数据传输和报表显示等软件功能模块，详细描 述了硬件电路和软件功能模块的具体设计过程。 本设计利用抗混叠滤波、加窗和双谱线插值修正f f t 相结合的算法来 进行谐波检测。为了验证设计的正确性和精确性，论文分别利用仿真信号 和实测信号完成了谐波检测系统的测试。实验结果表明该系统对谐波的检 测具有非常高的精度，可以满足电力系统对谐波检测的要求。 关键词：谐波检测虚拟仪器信号调理f f t l a b v i e w d e s i g na n di m p l e m e n t a t i o no f ah a r m o n i c d e t e c t i o ns y s t e mb a s e do nv i r t u a li n s t r u m e n t s a b s t r a c t w i t ht h ed e v e l o p m e n to ft h ee c o n o m yi no u rc o u n t r y , t h eh a r m o n i cc o n t e n t i s r i s i n gu n c e a s i n g l yi nt h ee l e c t r i cp o w e rs y s t e m ，a n dt h eh a r m o n i c sh a s s e v e r e l ye n d a n g e r e de q u i p m e n t sa n dt h er e l i a b i l i t yo ft h es y s t e m s t h e yh a v e a c q u i s i t i o nc a r da n dp e r s o n a lc o m p u t e r , a n dt h ep r o g r a m m i n go ft h es o f t w a r e f u n c t i o n a lm o d u l e ss u c ha st h es y s t e mw e l c o m ei n t e r f a c e ，d a t aa c q u i s i t i o na n d s i m u l a t i o n ，d a t as t o r a g ea n dp l a y b a c k ，d a t ap r o c e s s i n g ，d a t at r a n s m i s s i o na n d r e p o r td i s p l a y i sm a d eb yu s i n gv i r t u a li n s t r u m e n ts o f t w a r el a b v i e w 8 6 d e v e l o p e db yn ic o m p a n y t h ed e s i g np r o c e s so fs o m eh a r d w a r ec i r c u i t sa n d t h ed e v e l o p m e n to fs o f t w a r ef u n c t i o n a lm o d u l e sa r ed e t a i l e d i nt h e s y s t e m ，t h e u t i l i z a t i o no fa r i t h m e t i cw i t h a n t i a l i a s i n gf i l t e r , h a n n i n g w i n d o wa n dt w o - l i n ei n t e r p o l a t e df f tc o m b i n e di sm a d et od e t e c t h a r m o n i c s i no r d e rt ov e r i f yt h ec o r r e c t n e s sa n da c c u r a c yo ft h ed e t e c t o r , e m u l a t i o n a ls i g n a l sa n dm e a s u r e ds i g n a l si su s e dt ot e s th a r m o n i cd e t e c t o ri nt h e s y s t e m t h er e s u l t so b t a i n e ds h o wt h a tt h es y s t e mi so fv e r yh i g hp r e c i s i o na n d c a ns a t i s f yt h er e q u i r e m e n t so ft h eh a r m o n i cd e t e c t i o ni ne l e c t r i cp o w e rs y s t e m s k e yw o r d s ：v i r t u a li n s t r u m e n t s ，h a r m o n i c ，s i g n a lc o n d i t i o n ，f a s tf o u r i e r t r a n s f o r m ( f f t ) ，l a b v l e w i l l j m j j 卫j 石9 p 9 n b m坫侈扒幻如砣舛”弱弘仉舵轮铊钳钉铝 王k 一 一 一 一 一 一 _ _ ， i _ - ； i l r h k 山俐 一 一 广西大掌司n b 掌位沦文基于1 f f - l r , t l - i l l 的谐波检测系统的设孛卜号囊柏磊 1 1 课题的背景及意义 第一章绪论 “谐波一这一名词起源于声学，代表的是一个空气柱或一根弦以基波频率的整数倍 频率进行振动。电气学中定义的谐波为一电信号，与声学类似，该电信号的频率是基波 频率的整数倍。在1 9 8 1 年颁布的i e e e 标准中，谐波被定义为周期波或量的正弦波分 量，其频率为基波频率的整数倍。 电力系统的谐波问题早在上个世纪2 0 年代就引起了人们的关注。在当时的德国， 研究者使用静止汞弧变流器时发现了由其引起的波形畸变，于是提出了电力系统谐波的 概念。5 0 年代至6 0 年代期间，由于高压直流输电方面推进了有关变流器谐波的研究， 在这一时期发表了大量的有关电力谐波方面的论文。7 0 年代之后，国际上曾召开过多次 有关于谐波问题的学术会议。自从1 9 8 4 年开始，每两年就召开一次的电力系统谐波国 际会议( i c h p s ) 极大地推动了谐波领域的研究与交流，很多国家都制定了用电设备的谐 波标准和规定，同时对谐波治理问题的研究也取得了重大进展。 我国对于谐波方面的研究起步相对较晚，始于8 0 年代，在9 0 年代有了长足的进展， 与国外研究水平的差距正在不断的缩小。近些年来，国内期刊和有关会议发表的与谐波 相关问题的研究论文也非常多，谐波问题已经成为电力系统研究的热点问题之一。 谐波主要是由于电力负荷的非线性造成的。随着电力电子装置在工业中的广泛应用 以及彩电、冰箱和空调等家用电器的普及，电力系统中谐波的含量正在不断增加。谐波 污染给周围电气环境带来非常大的影响，并对电力系统稳定、经济和安全运行构成潜在 的威胁。 谐波对电力系统和其它用电设备危害主要表现在以下几个方面：谐波引起谐振和谐 波电流放大；增加电机的附加损耗和噪音，并产生脉动转矩；使变压器的集肤效应和邻 近效应显著增加，从而引起变压器绕组中铁耗和附加铜耗相应增加；降低电缆的使用寿 命；影响通讯，引起通信系统的噪声，降低通话的清晰度，严重时会使得信号丢失，甚 至会危及设备和人身安全；引起继电器误动作，对电力测量产生影响。 谐波问题已经严重危及到用电设备、变电站等设备和系统运行的可靠性瞳1 。电能质 量的高低已经不能仅仅使用电压和频率这两个性能指标就能评价的了，谐波已成为衡量 电能质量的另一个重要指标。谐波含量、电磁干扰以及电网中功率因数的降低被视为电 力系统中的三大公害。对于电力系统中的谐波来说，解决这一问题的首要因素就是准确 的将其检测出来，意义在于口1 ：鉴别电力系统发生异常或故障的是否由谐波所引起；判 断电力系统中的谐波源设备所带来的谐波是否符合国家标准的规定；可以进行谐波潮 流、谐振和阻抗等多个方面的谐波专题测试。 因此，快速、准确的检测出电力系统中的谐波含量对治理谐波污染问题显得尤为重 广西大掣蝎页士掌位论文 墓于虚拟仪器的谐波检测系统的设计与实现 要。然而，传统的电能质量参数检测系统由于以硬件为核心，体积庞大，功能单一，已 无法满足日渐复杂的电力参数测试的需要。 虚拟仪器( v i r t u a li n s t r u m e n t s ，v i ) 技术是当今计算机辅助测试( c a t ) 领域的一项重要 的新技术，它利用计算机软件代替传统仪器的硬件来实现信号分析、数据处理、结果显 示、存储和传输等多种功能，突破了传统仪器的功能只能由厂家来定义、用户无法改变 的固定模式，具有组建灵活、成本低廉、研制周期短、软件资源丰富等优点。美国国家 仪器公司提出的“软件即是仪器 【4 l 的概念，刻画出了虚拟仪器最本质的特征。 随着现代计算机技术和网络技术的飞速发展，采用先进技术手段，结合虚拟仪器技 术，建立供电系统谐波质量的远程、集中监测和分析系统，对实时综合监测电能质量、 保证供电系统安全运行，具有重要的理论和现实意义。 1 2 国内外谐波检测研究的现状 人们对谐波测量问题进行了长期而广泛的研究，但是在电力系统中的谐波具有非线 性、随机性和复杂性等特征【5 1 ，难以对其进行准确的测量。伴随着交流电力系统发展的 同时，谐波检测方法的研究也得到了长足的进步，先后产生了多种用于谐波测量的方法， 可将它们大致分为两大谐波理论：频域理论和时域理论。现将国内外谐波检测方法的研 究总结如下： ( 1 ) 基于模拟滤波器的谐波测量方法【6 j 。 该方法是2 0 世纪早期用来检测谐波的最主要方法。用该方法进行谐波测量时有两 种形式，一种是在原电流信号中利用滤波器把其中的基波电流分量滤除掉，剩下的就是 谐波电流分量。另一种形式是先用带通滤波器从原电流信号中分离出基波电流分量，然 后再利用减法器将原电流信号与分离出来的基波电流分量相减从而获得谐波电流分量。 一般采用模拟并行滤波式谐波测量装置进行谐波检测，其方框图如图1 1 所示。利用滤 波器进行谐波检测的优点在于可以很容易的控制品质因素，实现的电路结构简单且整个 系统的成本低廉，对于某些固有频率的谐波能够很轻易的滤除。但随着电力系统的发展， 它也暴露出许多固有的缺陷：该电路难以做到实时测量，且电路元件参数受外界环境的 干扰较大，使得滤波器的中心频率容易发生移动，分离出来的谐波中含有较多的基波成 分，从而影响测量的精度，带来较大误差；若要设计同时检测多次谐波分量的电路时， 实现的方法将变得异常复杂。随着人们对电网中谐波检测精度要求的不断提高，以及各 种新兴谐波检测方法的成熟，这种利用模拟滤波器进行谐波检测的方法已很少被人们用 于现代谐波测量。 2 j - - 西大学硕士掌位论文 基于虚拟仪器的谐波检测系统的设计与实现 输 l 二二二：二：ji = = ：j 。 多 入 路 放 匦匝h 回 显 大 一 刁 器器 广= 1 厂= 图1 - 1 模拟并行滤波式谐波测量装置方框图 f i g 1 - 1t h eb l o c kd i a g r a mo f a n a l o gp a r a l l e lf i l t e r i n gh a r m o n i cm e a s u r e m e n td e v i c e ( 2 ) 基于傅里叶变换的谐波测量方法f 2 , 7 , 8 】。 在1 9 世纪2 0 年代初期，由法国数学家傅里叶首次提出将周期函数展开为正弦级数 的原理，从而奠定了被统称为傅里叶分析即傅里叶级数与傅里叶变换的理论基础。之后 为了能够使其应用于工程实践之中，人们将傅里叶分析进行离散化得到了离散傅里叶变 换，但离散傅里叶变化由于计算量大和计算时间长等原因而未能在工程中得到广泛的应 用。直到2 0 世纪5 0 年代中期由美国学者c o o l y 和t u k e y 两人提出的快速傅里叶变换之 后才大大缩短了它的计算量和计算时间，使其真正从理论走向实践。 基于傅里叶变换的谐波测量方法是由离散傅里叶变换过渡到快速傅里叶变换的原 理构成的，是当今进行谐波检测应用最多同时也是应用最广泛的一种检测方法。该方法 只需采集n 个周期的电信号进行分析即可得到这段时间内所包含的谐波次数、幅值以及 相位等信息，通常该方法用于检测基波和整数次谐波，它的优点是精度高、功能多、使 用方便，而且理论算法相当成熟；其缺点是需要进行二次变换，造成计算时间较长，实 时性相对较差。另外在采集信号的过程中容易产生“频谱泄漏 和“栅栏效应”，从而 引起较大的误差，因此需要对该算法进行改进以提高测量的精度。目前主要有以下三种 改进的方法： 修正理想采样频率法。该方法为了得到各自理想采样频率下的采样值需要对各 个采样点进行修正。其修正算法的原理是当采样点数与采样周期的乘积不等于被采样信 号周期的整数倍时需要将采样得到的离散时间序列进行自动调整，以使其最大程度的逼 近理想采样序列，若相等则不必进行调整。该算法不需增加任何硬件，且计算量不大， 能实现较好的实时性，比较适合谐波的在线测量，但该方法只能减少5 0 的由“频谱泄 漏 所带来的误差，检测精度还有待进一步提高。 数字式锁相环法。利用数字式锁相器能够使采样频率与信号频率保持同步。图 l 一2 为频率同步数字锁相装置框图。该装置的工作原理是利用数字式相位比较器将经编 程器编程后的锁相器输出的同步频率信号与经带通滤波器滤波后的原采集频率信号进 行相位比较，如果它们的差值不为零，将该差值转换为与相位差有关的电压信号，经环 路滤波器滤波后用来控制压控振荡器输出的频率信号，直到输出频率信号与输入频率信 号的相位差为零为止，此时数字式锁相坏输出的频率信号已锁定输入的频率信号，它将 一直保持二者的频率同步，用该同步信号可以方便的控制对信号的采样和加窗等。利用 这种方法可以实现较好的实时性，然而却需要增加电路的硬件部分，花费明显增加。 广西大d 昀炙士学位论文基于虚拟仪器的谐波描嚏嬲习0 晓的设爿- j ；，实现 刊涨忡蓁萨 l _ 1 竺堡兰卜一 图1 - 2 频率同步数字锁相装置框图 f i g 1 - 2t h eb l o c kd i a g r a mo ff r e q u e n c ys y n c h r o n o u sd i g i t a lp h a s e l o c k e dd e v i c e 加窗插值算法。利用傅里叶变换进行电力系统谐波分析时容易产生“频谱泄漏 和“栅栏效应”的主要原因在于对原信号进行采集时很难做到同步采样和整数周期截断， 若要减少它们对测量精度的影响可以在时域中选用性能优良的窗函数对采样数据进行 加窗处理，然后再利用适当的插值算法将傅里叶变换后的计算结果进行修正。该方法能 够明显的降低“频谱泄漏 和“栅栏效应 带来的影响，也可以有效的抑制杂波和噪声 的干扰，从而大大提高了测量各次谐波幅值和相位的精确度。 ( 3 ) 基于瞬时无功功率的谐波测量方法 9 1 。 1 9 8 4 年，日本学者h a k a g i 等人提出了两种谐波电流的测量方法，分别是p q 法和 i d i q 法，这两种方法的理论基础都是建立在时域和非正弦条件下的瞬时无功功率理论。 它们对于对称的三相三线制电路中谐波含量的测量都具有很好的实时性和准确性，若电 网中三相电压对称且电信号没有畸变时，测量电流分量中各种参数的实现电路比较简 单，而且延时也较小。然而由于谐波本身将引起电路中电信号的畸变，因此在进行谐波 的测量时会引起较大的误差，且该理论主要针对三相三线制电路提出的，若要测量单相 电路中谐波含量时还要将三相电路进行分解，实现起来非常繁琐，电路的耗费也相当大。 基于瞬时无功功率谐波测量的这两种方法目前仍然停留在理论层面而已。 ( 4 ) 基于小波变换的测量方法l l o l 。 傅里叶分析法在分析非稳态信号时存在着一定的局限性：它在频域可以实现完全局 部化，但在时域却存在完全无局部性的缺点。小波变换主要针对以上缺点形成和发展起 来的，它是一种十分有效的时频分析工具，通过采用不同尺度的分析方法，能够对局部 频域进行精确的分析，其动态性和实时性较好，故该方法比较适合于快速变化的和波动 的非平稳谐波的检测与分析。然而它在实际应用于谐波检测时也存在一些固有的缺陷， 例如不能消除频率混叠现象，未能找到能量集中、分频严格的理想小波函数，没有一种 规范的选取最佳小波基的方法，而且在稳态谐波检测方面，利用傅里叶变换具有更大的 优势，因此可以考虑对小波变换和傅里叶变换这两种方法取长补短以便能够更精确的检 测电网中谐波的含量。 ( 5 ) 基于神经网络的谐波测量方法【6 i1 ，1 2 1 。 近年来，利用神经网络对谐波进行检测取得了一些工程应用成果，概括起来主要有 以下两个方面：通过构造具有良好逼近能力的特殊多层前馈神经网络来进行谐波检测； 4 广西大掌司n b 学位沦文童l 于虞拟仪器的谐波检测系统的设计与实现 利用自适应消嗓技术与a d a l i n e 神经网络技术相结合的方法来进行谐波检测。由于谐波 的非线性，利用神经网络对任意连续函数拥有良好的学习能力和逼近能力来进行谐波检 测，具有很好的应用前景，其突出的优点主要有：具有良好的自主学习能力、抗干扰性 好、检测精度高、计算量小、可以同时对任意整数次谐波进行检测，能很好的满足实时 性要求。但该方法在工程实际应用中仍存在许多亟待解决的问题：在进行实际应用前需 要用大量的样本对神经网络进行调练，且应用该方法进行谐波检测时的检测精度对样本 有很大的依赖性，同时在硬件实现上仍然是一个比较薄弱的环节，这也在很大程度上限 制了神经网络在谐波检测中的应用。 通过对前面各种谐波检测方法的分析可以看出，基于模拟滤波器的谐波测量方法由 于运行损耗大，实时性差，易受外界环境干扰，测量误差大，测量精度难以保证，已不 适合用于现代谐波的检测；基于瞬时无功功率的谐波测量方法花费相当大，硬件电路设 计复杂，实现繁琐，也不适用于进行谐波检测；而基于小波变换和基于神经网络的谐波 检测方法都不是很成熟，理论算法和实际实现过于复杂。本设计采用的是基于傅里叶变 换的谐波检测算法，虽然该方法存在频谱混叠、频谱泄露和“栅栏效应”等现象，具有 计算量大、计算时间长等缺点，但其算法成熟，具有精度高、功能多和使用方便等优点， 而且本设计将采用抗混叠滤波器来消除频谱混叠现象，选用适合的窗函数以减少频谱泄 漏，利用双谱线插值算法来降低“栅栏效应的影响，而且通过高配置的p c 机与专用 的快速傅里叶变换软件程序提高谐波测量的精度和实时性。 1 3 谐波标准 由于公用电网中的谐波电压和谐波电流对用电设备和电网本身都会造成很大的危 害，为了保证用电设备和电网的安全经济运行，目前世界上许多国家都发布了限制电网 谐波的国家标准，或由权威机构制定限制谐波的规定。我国于1 9 9 3 年完成了国际标准 ( g b t1 4 5 4 9 9 3 ) 电能质量公用电网谐波的制定并由国家技术监督局发布，于1 9 9 4 年3 月l 臼起正式执行1 5 1 。 对于不同电压等级的公用电网，允许电压谐波畸变率也各不相同，一般来说电压的 等级越高，谐波限制越严格，而且对偶次谐波的限制也要严格于对奇次谐波的限制。表 1 1 给出了我国公用电网谐波电压限值。 其中，电压总谐波畸变率( t o t a lh a r m o n i cd i s t o r t i o n ，t h d ) 的定义由式( 1 1 ) 给出。 肿：型竺i 堕! 堕l o o ( 1 1 ) u l 式中，矾为基波电压的有效值；醍，奶，“为各次谐波分量的电压有效值。 各次谐波电压含有率( h a r m o n i cr a t i ou 。，h r u 。) 的定义由式( 1 2 ) 给出。 基于虚拟仪嚣的谐波检测系统的设计与实现 h r u n = 导x 1 0 0 ( 1 - 2 ) ，r、， u l 式中，明为基波电压的有效值；碥为第n 次谐波电压有效值。 表1 1 公用电网谐波电压( 相电压) 限值 电网标称电压电压总谐波畸变率 各次谐波电压含有率( ) ( k v ) ( ) 奇次偶次 0 3 8 5 o 4 o2 o 6 4 0 3 21 6 1 0 3 5 3 02 41 2 6 6 1 1 02 o 1 60 8 以上公用电网谐波标准所适用的范围是电压在1 1 0 k v 及以下的工频为5 0 h z 的公用 电网及电力用户。当然，对于更高电压供电的用户也有相应的谐波电压限值的限制。需 要指出的是，在该标准中谐波电压仍以相电压中含量为准。经过实际测量得出相电压谐 波含量往往要大于线电压谐波含量，尤其是在中性点绝缘的系统中，由于电压互感器特 性的影响，两者相差很大。 一般来说，国外电网的谐波标准都是用电压的谐波含有率( h r u ) 和总畸变率( t h d ) 来反映的，大体上可以分为下面的三种： 低压电网r l k v ) 4 5 中压电网( 2 4 - - - 7 2 k v ) 2 5 高压电网( 8 4 k v ) 1 2 1 4 虚拟仪器开发技术 美国国家仪器( n a t i o n a li n s t r u m e n t ，n i ) 公司于上个世纪8 0 年代中期首先提出了“软件 就是仪器 ( 1 ks o f t w a r ei st h ei n s t n 蚰e n t ) 这一基于计算机技术的虚拟仪器概刽1 6 1 。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( v i r t u a li n s t r u m e n t ，v i ) 的硬件平台是通用计算机，借助一个通用数据采集 模块作为数据的输入输出接口，再利用仪器的软件平台在计算机屏幕上模拟出由用户自 己定义的仪器前面板，如电压表、计数器、示波器或者频谱分析仪等，功能由后面板来 实现，之后就可以通过鼠标和键盘来对该仪器进行相应的操作【l7 1 。在虚拟仪器中软件成 了构造各种功能仪器的核心，而其前面板相当于传统仪器的外壳和各种按钮、旋钮等， 后面板就相当于传统仪器内部实现各种功能的电气特性的连接。 n i 公司的虚拟仪器平台- - - - l a b v i e w ( l a b o r a t o r yv i r t u a li n s t r u m e n te n g i n e e r i n g w o r k b e n c h ) 是一种图形化的编程语言通常称为“g 语言，是目前应用最广泛、发 6 墓于重拟仪器的谐波检测系统的设计哼实现 展最快、功能最强的图形化软件集成开发环境。使用这种语言编程时，基本上不需要写 程序代码，取而代之的是框图程序或流程图。它尽可能利用技术人员、科学家、工程师 所熟悉的术语、图表和概念，因此，l a b v i e w 是一个面向终端用户的工具。它既可以增 强用户构建工程系统的能力，又提供了实现仪器编程和数据采集的便捷途径。l a b v i e w 开发的程序称为虚拟仪器程序，简称v i ，它大大简化虚拟仪器系统的开发过程，缩短了 系统的开发和调试周期。 传统的电子测量仪器一般都是由专业厂家生产的，它们的功能和外观在仪器出厂时 就已被固定，用户很少能利用这台仪器完成多个不同项目的测试工作，主要是由于传统 的电子测量仪器的系统封闭、扩展性能差。而虚拟仪器则是一个全新的概念，只要配备 相应测试功能的硬件和一台通用计算机，就可以利用软件由用户自己定义和构造各种功 能不同的仪器，能实现测试过程的自动化以及测量仪器的模块化、多样化和智能化等。 表1 2 为虚拟仪器和传统仪器的比较。 表1 - 2 虚拟仪器和传统仪器的比较 t a b l e1 - 2t h ec o m p a r i s o no fv i r t u a li n s t r u m e n t sa n dt r a d i t i o n a li n s t r u m e n t s 传统仪器 虚拟仪器 硬件是关键 开发与维护的费用偏高 技术更新一般在5 l o 年 生产厂商已将仪器的功能固定 只能使测试过程部分自动化 二次开发能力差 只含有部分时间记录和测试说明 有限连接其他仪器设备 软件是关键 开发与维护的费用教低 技术更新一般在o 扣1 年 用户可以方便的自己定义仪器的功能 测试过程可实现完全自动化 二次开发能力强 具有完整的时间记录和测试说明 网络连接方便 虚拟仪器的一种典型结构如图1 4 所示。 r 一薇；i 高i 1r i 葬芤一 | 口堕 牛咂雯塑乎耕匾塑墨。匝囹； ：一一一一一j：一一一一一一一一一一一一一。一一! 图1 - 4 虚拟仪器的典型结构 f i g 1 - 4t h et y p i c a ls t r u c t u r eo fv i r t u a li n s t r u m e n t 传感器首先将温度、压力、位移、电压或电流等被测对象统一转换为与被测对象有 一定关系的电信号；由于该电信号一般比较微弱，并且常常混有噪声，因此通常利用信 号调理器对电信号进行放大、滤波等预处理，然后使用数据采集卡将模拟的连续电信号 转换为计算机能够处理的离散的数字信号；最后利用虚拟仪器中的应用程序读取该数字 信号后进行显示、分析、存储和传输等各种操作。 1 5 本文的主要工作 本文主要从硬件和软件方面详细介绍了基于虚拟仪器的谐波检测系统的设计过程， 7 基于虚拟仪器的谐波检测习0 晓的设计与实现 研究重点在于如何改进直接f f t 算法的缺陷以提高谐波检测的精度和减小测量的误差。 现将本文各章节完成的主要工作总结如下： ( 1 ) 第一章对公用电网谐波的定义、谐波标准以及虚拟仪器等概念做了简要的介 绍，总结了电力系统中谐波的来源、特点和危害，并综述了当前国内外谐波检测的各种 方法。 ( 2 ) 第二章介绍了虚拟谐波检测分析仪的总体设计方案，确定了以电压电流互感 器、信号调理电路、a d v a n t e c h 公司的p c i 1 7 1 0 l 数据采集卡和个人计算机组成的整个 系统的硬件构架，并详细介绍了信号调理电路的设计过程和各硬件的选型原则。 ( 3 ) 第三章是本文的重点，利用n i 公司的虚拟仪器软件l a b v i e w 8 6 编制了虚拟谐 波检测仪的系统欢迎界面、数据采集及仿真、数据存储及回放、数据处理、数据传输和 报表显示等软件功能模块，详细介绍了各模块的设计过程以及数据处理模块的算法理论 基础。 ( 4 ) 第四章进行整个系统的测试并对实验误差进行分析，仿真和实验结果表明，本 设计采用的抗混叠滤波、加窗和双谱线插值修正f f t 算法相结合的谐波检测方法具有非 常高的测量精度。 ( 5 ) 第五章对整个系统的设计进行总结以及指明今后的工作方向。 8 广西大掌硕士掌位键吁基于虚拟仪器的谐波检涮系统的设计与实毳 第二章谐波检测系统的硬件组成 虚拟仪器技术的核心是软件即是仪器，但该技术仍需要相应硬件的支持，软件都是 需要建立在硬件的基础上的。对于本系统来说，硬件部分和传统仪器一样，主要是进行 原始信号的采集、滤波以及a d 转换，保证以最小误差率将原始信号转换成相应的数字 信号，而之后的信号处理部分则完全由软件来完成。本谐波检测系统的整个系统框图如 图2 1 所示，其中硬件部分有：互感器、信号调理电路、数据采集卡和p c 机，而软件部 分可实现参数设置、波形显示、网络传输和数据存储等各种功能，同时还需要提供对数 据采集卡的驱动程序。 电信 参数设置 压 互 号 驱 波形显示 电 +感斗 调 卜b u 疏r 动 流理 h a d 程 网络传输 信 器 电 l f ( f i f o ) 序 号路 数据存储 图2 1 谐波检测系统框图 f i g