基于labview的谐波分析仪的设计综述

1、基于LabVIEW的谐波分析仪的设计摘要：由于大量变频器、整流器和电弧炉等非线性负荷的接入，电网中谐波污染情况日益严重，对电网谐波含量进行实时准确地测量是分析和控制电网谐波含量的依据。虚拟仪器技术在电力系统中具有极其广阔的应用前景，其在数据采集、信号处理、网络通信等方面的巨大优势为监测工作注 入了新的活力，它代表着目前测试仪器领域的发展方向。虚拟仪器的实质是利用计算机来模拟传统计算机的各项功能，LabVIEW是一种功能强大的虚拟仪器开发平台，它将高速发展起来的计算机 技术、电子技术、通信技术和测试技术有机地结合起来，为仪器的发展提供了一条崭新的道路。传 统的谐波分析仪器技术更新周期长，价格较高

2、，与传统仪器相比，利用虚拟仪器技术开发了一种新的谐波分析仪，其在智能化程度、处理能力、性能价格比、可操作性等方面具有明显的优势。LabVIEW为设计谐波分析仪提供了一个可靠而有效的途径。利用谐波分析子模块对畸变信号进行分析,较直观地得出基波和谐波情况。通过加窗函数的方法使谐波测量精度大大提高，从而可以对谐波进行有效的分析、处理和预防。关键词:LabVIEW ;虚拟仪器；谐波分析仪Design of harmonic analyzer based on LabVIEWAbstract : due to a large number of frequency converters, Rectifi

3、er and nonlinear loads such as electric arc furnace of access, power grid harm onic polluti on in creas ing, the harm onic content in real time and accurate measureme nt is the basis for an alysis and con trol of harm onic content.Virtual instruments technique and its application in power systems, w

4、ith an extremely broad prospects,its data acquisiti on, sig nalprocess ing,n etwork com muni cati ons,eno rmousadvantages in such areas as monitoring has injected new vitality, it represents the current developme nt direct ion in the areas of test i nstrume nts. Esse nee of virtual in strume nts is

5、the use of computers to simulate the fun cti ons of the traditi onal computer, virtual in strume nt LabVIEW is a powerful developme nt platform, it developed high-speed computer tech no logy, electr onics tech no logy, com muni cati on tech no logy and orga nic comb in ati on of measuri ng and testi

6、 ng tech niq ues, for the developme nt of in strume nts to provide a new road. Harm on ic an alysis of the traditi onal long in strume nt tech no logy refresh cycle, higher prices, compared with traditi onal in strume nts, the use of virtual in strume nt tech no logy to develop a new harm onic An al

7、yzer, the in tellige nt, process ing power, price-performa nee ratio, operability,and so has obviousadvantages. LabVIEW for design of harmonic Analyzer provides a reliable and efficient way. Using harmonic analysis modules to analyze the distortion signals, more intuitive that the fun dame ntaland h

8、arm onic situati on. By addi ng Win dows function method of harm onicmeasureme nt accuracy greatly in crease, so you can effectively harm onic an alysis, treatme nt and preve nti on.Keywords: LabVIEW ； virtual instrument ； harmonic analyzer前言：随着计算机和微电子技术的发展，基于傅里叶变换的谐波测量是当今应用最多 也是最广泛的一种方法，它的核心理论是建立在傅

9、里叶变换的基础上。根据傅里叶变 换理论，将模拟信号采信变成离散化数字序列信号后，输入微型计算机进行傅里叶变 换，计算得到基波和频率为基波频率整数倍的多次谐波的幅值和相位。使用此方法测 量谐波精度较高功能较多使用方便。虚拟仪器技术是仪器仪表技术发展的最新阶段， 代表了现代测量技术的发展方向，本文采用NI公司推出的LabVIEV虚拟仪器软件开发平 台。由于今年来谐波对电网的干扰日益严重，对电网中的谐波含量进行实时测量，掌 握电网中谐波的实际状况，对维护电网的安全运行具有重要意义。谐波分析仪就是测 量和分析被测信号中谐波成分的幅值、相角、频率等参数的仪器。本文介绍了虚拟仪 器的特点和功能，说明了谐波

10、的危害，描述了基于 LabVIEW勺谐波分析的方法、思路和 主要功能，并对测量结果作了简要的分析。一虚拟仪器的概述虚拟仪器(Virtual Instrument简称VI)的概念是1986年由美国国家仪器公司(Nati onal In strume nt NI)首先提出的。虚拟仪器是指通过应用程序将通用计算机与功能化模块硬件结合起来，用户可以通过友好的图形界面来操作这台计算机，就像 在操作自己定义自己设计的一台单个仪器一样，从而完成对被测试量的采集、分析、 判断、显示、数据存储等。虚拟仪器的出现是测控领域的一次技术革命，它借助于计算机的软硬件平台，配以特殊设计的硬件和专用软件，形成既具有普通仪器

11、的基本功能， 又有自己特殊功能的新型仪器。用户可以通过鼠标或键盘操作虚拟仪器面板上的输入 控件、设置各种工作参数、启动或停止设备 ，测量的结果可以直观地在面板上显示，测 量数据可以方便地存储与进一步处理。虚拟仪器的应用提出了“软件即仪器”的概念 ，“软件+采集卡=仪器”就是虚拟仪器的模型。虚拟仪器正在继续迅速发展，它可以取 代测量技术传统领域的各类仪器，虚拟仪器相比于传统仪器具有诸多优势，而这些优 势使得虚拟仪器技术非常适用于电网谐波测量方面的应用。LabVIEW是目前应用最广、发展最快、功能最强的虚拟仪器开发环境丄abVIEW开发的程序由两部分组成：前面板和 程序框图。LabVIEW编写的程

12、序称为Vl(虚拟仪器),LabVIEW中提供了许多子VI供编程 者直接调用，特别是信号处理部分，有许多功能强大的子VI,如常用的窗函数、快速傅里 叶变换、功率谱、频率谱、小波变换等。利用LabVIEW模块化和层次递归的编程方法,可以在很短的时间里设计、构建和修改自己的虚拟仪器系统。二谐波概述在电力系统中谐波产生的根本原因是由于非线性负载所致。当电流流经负载时， 与所加的电压不呈线性关系，就形成非正弦电流，即电路中有谐波产生。所以对输入 周期性非正弦电量进行傅里叶分解，除了得到与供电基波频率相同的分量，还得到一 系列大于供电基波频率的分量，后者电量即称为谐波，谐波频率与基波频率的比值（n = f

13、 / fi ）称为谐波次数。谐波是一种干扰量，使电网受到污染，所以我们要尽可1能的准确分析出谐波并对其进行处理，以减少谐波带来的干扰。近年来随着全球工业 化进程的不断加快，对地球的污染和破坏空前加剧，电力系统也面临着污染。公用电 网中的谐波电压和谐波电流就是对电网环境最严重的一种污染，这种污染已成为影响 电能质量的公害。理想的公用电网所提供的电压应该是单一而固定的频率以及规定的 电压幅值，谐波电压和谐波电流的出现对于公用电网是一种污染，对用电设备周围的 通信系统和公用电网以外的设备带来危害。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：（一）谐波引起谐振和谐波电流放大对电容器和与之串

14、联的电抗器形成很大的威胁常常使电容器和电抗器烧毁。（二）对电机的影响影响电机使之达不到额定功率，还会增加电机的噪音和产生脉动转矩。（三）对变压器的影响变压器在高次谐波电压的作用下将产生集肤效应和邻近效应在绕组中引起附加铜 耗同时也使铁耗相应增加。（四）对输电系统的影响在电缆输电的情况下，介质的电场强度随着谐波电压最大值的升高而增强这就影响了电缆的使用寿命。（五）对计算机和通讯的干扰及影响谐波干扰会引起通信系统的噪声降低通话的清晰度，干扰严重时会引起信号的丢失，甚至会发生危及设备和人身安全的事故。（六）对继电保护和电力测量的影响电力测量仪表通常是按工频正弦波形设计的，但有谐波时将会产生测量误差。

15、三谐波分析仪的硬件结构谐波分析仪的硬件结构主要包括以下几个方面：电压传感器（pt）、电流传感器（ct）、信号调理电路、数据采集卡（DAQ与电子计算机，其框图构成如图1所示:谐波II测 输出测量结果 里装I置图1谐波分析仪的硬件结构四谐波分析仪的软件设计（一）LABWIE软件开发平台LabVIEW是虚拟仪器领域中最具有代表性的图形化编程开发平台，是目前国际上首推并应用最广的数据采集和控制开发环境之一。LabVIEW是 一个完全的、开放式的虚拟仪器开发系统应用软件，利用它组建仪器测试系统和数据采集系统可以大大简化程序 的设计。LabVIEW与传统的基于文本语言的编程语言不同，它用框图代替了传统的程

16、序 代码，包含有专门用于设计数据采集程序和仪器控制程序的函数库和开发工具库。在 计算机显示屏幕上利用函数库和开发工具库产生一个前面板（Front Pan el）,在后台则是利用图形化的编程语言编制用于控制前面板的框图程序，程序的前面板具有与传 统仪器相类似的界面，可接受用户的鼠标和键盘指令。LabVIEW是带有可扩展函数库和子程序库的通用程序设计系统，它提供了用于 GPIB设备控制、VXI总线控制、串行口 设备控制以及数据分析、显示和存储的应用程序模块。我们研制的谐波测试分析系统 软件部分主要完成数据实时采集、存储、显示和谐波分析等功能。在软件的具体实现 时分为以下几大模块来处理。1、主程序模

17、块主要完成系统初始化，包括用户和产品信息的输入，对数据采集卡进行初始状态设 置等。2、模拟数据采集模块对模拟信号进行实时采集，自动生成存储文件并将采集的模拟数据依次保存在此 文件中,并对其中一些数据及其波形曲线进行实时显示。LabVIEV软件的模拟数据连续采集函数给数据采集提供了方便，使用循环缓存区设置，实现连续采集信号，进行实时 分析,使用这种数据采集方式应注意采样率、缓存区大小与每次读取数据量三个参数之 间的匹配，避免读取数据时数据采集尚未完成，或读取数据不及时，缓存区中的数据 被覆盖等。3、谐波分析模块对信号进行谐波分析时，我们采用了 LabVIEW软件本身提供的谐波失真测量函数。 该V

18、I可对输入信号进行有效的谐波失真测量，测定了基波和谐波，返回总的谐波畸变 率。五谐波的基本分析算法和谐波的度量（一）傅里叶变换傅里叶级数是研究和分析谐波畸变的有效方法。通过傅里叶分解能够对畸变波形12的各种分量分别进行分析。交流电气量的傅里叶级数的展开式为X(t)二、n /n sin n t nanCOS n t 二ao2n(an cosncot +bn sin nt)=ao2亠/nsin(n t 亠尬 n) (1)2 tT式中，ao为直流分量，ao =T x(t)dt, an为余弦分量幅2 t书一2 t书值，an=T# x(t)cos( nt)dt; bn 为正弦分量幅值，bn = # x(

19、t)si n(n t)dt;co 为角 频率，-牛；An为各频率分量幅值,An - a： bn ；门n为各频率分量的相 位,n =tan(an b ) ；n为谐波次数.(二) 离散傅里叶变换为了计算傅立叶变换，需要用到数值积分，即取f(t)在实域上的离散点的值来计算 这个积分。由此,离散傅立叶变换(DFT)的定义为：N 1给定实的或复的离散时间序列Xo , Xi ,Xn，设该序列绝对可和，即满足EVfN Jjn 2则X(k)=Fx(n)=送心x( n)e N (k=0,1 ,N-1)被称为序列x(n)的离散傅立叶变 换(DFT)。(三) 快速傅里叶变换在数字计算机上实现离散傅里叶变换计算工作量

20、是庞大的。快速傅里叶变换巧妙 的解决了这个问题。快速傅里叶变换(FFT)是离散傅氏变换(DFT)的快速算法，它是根据 离散傅氏变换的奇、偶、虚、实等特性，对离散傅里叶变换的算法进行改进获得的。FFT 出现后使DFT勺运算大大简化，运算时间一般可缩短一二个数量级之多，从而使DFT勺运 算在实际中真正得到了广泛的应用。对于在计算机系统或者说数字系统中应用离散傅 立叶变换,可以说是进了一大步。(四) 谐波的度量在频域分析中，以电压为例，将畸变的周期性电压分解成傅里叶级数-Mu(t)=送心 J2UnSin(n矶 + J) (2)式中，3为工频(即基波)的角频率,rad/s ; n为谐波次数；U n为第

21、n次谐波电压的均方根 值，：厶为第n次谐波电压初相角,rad ； M为所考虑的谐波最高次数，由波形的畸变程度和 分析的准确度要求来决定，通常取M 50。畸变波形因谐波引起的偏离正弦波形的程度用总谐波畸变率THDfe示。电压谐波总的畸变率THDu 为THDuUi100% 由于各次谐波的均方根值Ur与其幅度An存在2的比例关系,所以谐波总的畸变率也可写为%咖=00衣A2A2Ai式中,A1为基波幅值,An为n次谐波幅值,n为谐波次数。六基于LabVIEV平台的谐波失真分析(一)窗平滑技术对信号进行有限时间内的采样就是就是相当于利用矩形窗对信号进行有效截断。但是如果窗长和信号周期的整数倍不相等，离散频

22、谱中就会有泄漏效应产生。泄漏的 产生主要是矩形窗的边界的突变特性产生的，它的急剧变化将在频域内引入许多高频 分量，对应到矩形窗谱中的变化就是旁瓣的最大电平较大且衰减速度较小。泄漏使频 谱造成不应有的畸变，给分析结果带来误差。为了抑制泄漏误差，对采样数据用窗函 数处理。窗函数作用于信号的过程可以用下式表示：丫(t)=x(t)(t) (5)式中x(t)为加窗前的信号，丫(t)为加窗后的信号，(t)为窗函数。窗函数的实质是对 信号进行加权处理。若窗函数的边界变化较缓慢而渐进于零，则尽管原始信号采样时 终端不相同，但与窗函数相乘后也可使其值相差减小而相同，从而减少频谱的泄漏。本文推荐选用海宁窗函数，海

23、宁窗是一种余弦窗，其表达式为：，(n)=0.5-0.5cos() (6)N海宁窗的旁瓣峰值较小，衰减较快，但总泄漏比矩形窗小的多。由于海宁窗比较容易 获得，因此是经常使用的窗函数。这种窗函数的特点是：只要选取的观测时间是信号 周期的整数倍，其频谱在各次整数倍谐波频率处幅值为零，因为各次谐波之间不会发 生相互泄漏。即使信号频率作小范围波动，泄漏误差也较小，而且相比其他窗函数计 算量较小。同时本文也选取了其他的窗函数作了比较。(二) 基于LabVIEV的后面板框图程序设计LabVIEV具有强大的信号分析与数学运算功能，它提供丰富的库函数和子程序能为 我们很好的完成计算任务。在利用LabVIEV进行

24、编程时，编程的面板被称为程序的后面 板，是程序的图形化源代码。它包括函数、结构、代表前面板上的控制对象和显示对 象的端子连线等。当在后面板上用图表和连线写程序的时候，虚拟仪器的用户界面同时在另一份面板上生成。这面板被称为虚拟仪器的前面板，用于人机交互的程序图形 用户接口（ GUI），集成了旋钮、开关等用户输入（控制）对象。通过用户界面，使用者就可以很方便的操作虚拟仪器，而不用管这台仪器的内部程序是如何运作的。框图 程序如图2所示。本系统使用Sine pattern.vi产生三个初相角为0的正弦波,然后将三个正弦波叠加在一起。然后对叠加后的信号进行加窗处理，这里首先选用海宁窗，另 外本文还选择了

25、不同的窗函数。用来实现数据分析前的预处理，以减少谱泄漏。可用快速傅里叶变换（FFT）求出时域信号的频谱。将转换后的频域信号进行分析，它将以数 组形式输出各个谐波的幅值和频率。然后按式（4）计算总谐波畸变率%THD将结果输出。这里分别计算了加窗前后加窗后的总谐波畸变率 THD加窗前的信号初阿加窗后的信号I200I_失其侧呈nntuTHD图2后面板框图程序酣 KH加丽的倍号曲透0Al/KaiudnJDaWTHB3 95V1E-16 柯宙后TIB |32238HE-5加宙前的痔号时i日D 25 5Q 75 1GO 125190175 E000 2Q 40 M 60100gjg掾题：谓被另斬 作晋：葫

26、健 时间:20115月2Q日图3 前面板演示窗口（三）实验结果及分析如图3所示输入三个频率不同的正弦波，采样频率均为128。运行程序后，可以得到 图3所示显示结果，在波形图上分别显示出加窗前和加窗后的时域信号图，从图上可以 看出两信号叠加后的信号波形图不再是标准的正弦波，已经发生严重的畸变，但是仍 然具有一定的周期性。在频谱图上可以很直观的看出输出信号中所包含的各个谐波频 率和对应谐波幅值。由表1中得到加窗前与加窗后的谐波总的畸变率 TH的测量结果,并在表2中给出了两 种测量方法的误差比较。表1 TH测量结果所含谐波次数理论%THD实际测量%THD加海宁窗测量%THD10001 25. 000

27、000000000000004. 999999999999997335. 000000000000000891 2 36. 148754619013456736. 148754619013461216. 14875461901346032表2两种方法的误差比较实际测量TH误差加海宁窗实际测量TH误差000. 000000000000002670. 000000000000000890. 000000000000004480. 000000000000003590. 000000000000000140. 00000000000000006误差分析：由表2可以看出，加了窗函数实际测量TH的误差比

28、没有加窗函数测量TH的误差小的 多。分析谐波失真：没加窗实测误差的原因主要是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。加窗函数之后，频谱泄漏的情况得到了改善。谐波精度大大提高。结论：基于LabVIEW勺谐波失真分析功能已经实现，当然还有待进一步完善。LabVIEW是一种功能强大的易学易用的操作简单的测试编程软件，可以通过本身自带的谐波分 析子程序对谐波失真进行测量研究，能对受试设备及电压、电流的基波及各次谐波的 幅值、相位、谐波总畸变率等进行连续和定时测量，统计谐波和观察变化趋势。用虚 拟仪器开发的谐波分析仪与传统的测量仪器相比，在开发周期、智能化程度、性能价 格比、可靠性、可操作性、可维护性等方面具有明显的优势，可以省去购买硬件的费 用，给系统集成和开发呆来极大的益处。随着虚拟仪器地方发展，其再电力系统中的 应用会越来越广泛。参考文献：1 周求湛，钱志鸿，等.虚拟仪器与LabVIEWTM Express程序设计M.北京：北京航空航天大学出版社,2004.2 黄纯,江亚群,孙梓华.基于虚拟仪器技术的电力谐波测试仪J.电力自动化设备，2001.3