基于labview的谐波检测分析仪

1、基于 Labview 的谐波检测分析仪 何晓波 刘建业 河北科技大学 摘 要： 因为电力系统大规模接入非线性负荷设备, 例如电弧炉、整流器以及变频器等, 非线性负荷设备的广泛性会产生大量的谐波, 对电网安全产生不利的影响。通过准确、及时的检测电网谐波含量, 并以此为依据强化对谐波控制, 能够有效保证电网安全。Labview 是一种功能完善、应用广泛的虚拟仪器技术开发平台, 通过谐波分析子模块可以准确检测是否存在畸变信号, 以此对谐波以及基波的情况进行准确的反映, 并采用加窗函数进行计算, 能够显著提升谐波检测准确性和精确性, 对谐波实现可靠的分析和处理。关键词： LabVIEW; 虚拟仪器; 谐波分析仪; 现如今谐波检测应用最广泛的方法就是利用采样转化的方式, 实现模拟信号和离散化数字序列信号之间的转换, 在计算机中输入离散化数字序列信号, 实现傅里叶变换, 这样能够准确计算出谐波与基波的相位以及幅值。谐波检测分析仪是用来检测和分析被测信号中谐波成分的幅值、相角和频率等参数的仪器。本文说明了谐波的危害, 描述了基于 Labview 的谐波分析的方法、思路和主要功能, 并对检测结果作了简

2、要分析。1 谐波概述非线性负载是电力系统中谐波出现的本质原因。当电流通过负载, 和所施加的电压不呈线性关系时, 就产生了非正弦电流, 其中就含有谐波分量。因此利用傅里叶分解周期性非正弦电量, 可以得到与供电基波相同频率的分量以及谐波分量, 谐波次数的计算公式表示为:公式中 n 表示谐波次数, f n表示谐波频率, f 1表示基波频率, 谐波电压和谐波电流会对用电设备周围的通信系统和设备产生损害。2 谐波检测分析仪的硬件结构谐波检测分析仪的硬件结构由五部分组成, 分别为计算机、数据采集卡、信号调理电路、电流霍尔传感器以及电压。3 谐波检测分析仪的软件设计Labview 软件开发平台:Labview 是具有可扩展函数库和子程序库的通用程序设计系统, 在本文提出的谐波检测分析系统中, Labview 主要实现的功能有数据实时采集、存储、显示和谐波分析等。具体实现时分为以下几大模块。(1) 主程序模块。系统初始化程序, 设置数据采集卡的初始状态。 (2) 模拟数据采集模块。对模拟信号进行实时采集, 将采集的模拟数据生成文件依次保存, 并对数据及其波形曲线进行实时显示。 (3) 谐波分析模块。本

3、文采用了Labview 软件自带的谐波失真检测函数。此函数能够有效检测输入信号的谐波失真程度, 检测出基波和谐波, 统计总的谐波畸变率。4 谐波的基本分析算法和谐波的度量4.1 傅里叶变换实现对畸变波形各种分量分析需要用到傅里叶分解。傅里叶级数的展开式为:4.2 离散傅里叶变换通过选择 f (t) 在时域离散点值对傅里叶变换进行计算, 离散傅里叶变换的概念表示为:选择复或者实离散时间序列, 采用 x0, x1, , xn-1进行表示, 假设离散时间序列绝对可和, 能够满足 要求, 由此可以获得4.3 快速傅里叶变换离散傅里叶变换的计算量较大, 为了能够达到快速计算的目标, 需要对离散傅式变换的相关特性进行分析, 如虚实以及奇偶特性等, 通过对离散傅里叶变化的算法进行优化, 能够实现快速傅里叶变换。快速傅里叶变换的出现使离散傅里叶变换的运算迅速简化, 计算时间甚至可缩短一、二个数量级之多。4.4 谐波的度量在频域分析中, 使畸变的周期性电压进行傅里叶分解式中, M 表示谐波最高次数, 通常取 M50; n表示第 n 次谐波电压初相角;U n表示第 n 次谐波电压的方均根值;n 表示谐波次

4、数; 表示工频 (即基波) 的角频率。THD 为总谐波畸变率, 表示畸变波形因谐波引起的偏离正弦波形的程度。因为各次谐波的方均根值 Un与其幅度 An存在 2 的比例关系, 因此谐波总的畸变率也可表示为式中, n 表示谐波次数;A n表示 n 次谐波幅值;A 1表示基波幅值。5 基于 Labview 平台的谐波失真分析5.1 窗平滑技术采用矩形窗截断信号, 能够实现信号的有限时间采样。值得注意的是, 如果窗长不等于信号周期的整倍数, 将会导致信号在离散频谱中出现泄漏的问题。当矩形窗边界发生突变时, 很容易导致泄漏问题的产生, 当泄漏发生后将会导致在频域内产生许多高频分量。由于泄漏问题的发生, 导致频谱形成一定的畸变, 会导致计算结果产生一定的误差, 影响结果的真实性和准确性。用窗函数对采样数据进行处理, 是为了抑制泄漏误差。窗函数作用于信号的过程用表示为:式中 (t) 表示窗函数;y (t) 表示加窗后的信号;x (t) 表示加窗前的信号。本文使用的是海宁窗函数 (虽然其旁瓣峰值较小且衰减较快, 但总泄漏比矩形窗小) , 其是一种余弦窗, 其表达式为:5.2 基于 Labview 的后

5、面板框图程序设计使用 Labview 进行编程时, 后面板是程序的图形化源代码。框图程序如图 1 所示。本系统使用 Sine pattern.vi 产生 3 个初相角为 0的正弦波, 采用叠加的方式对其进行处理, 并将其形成的信号在海宁窗进行加工。在进行时域信号频谱计算时, 可以采用快速傅里叶变换, 这样能够实现对时域信号的全面、合理分析, 在谐波频率以及幅值的输出时, 采用数组的方式。在进行总谐波畸变率计算时, 需要按照公式 5 进行计算。本文计算了加窗前以及加窗后的总谐波畸变率, 结果如图 1 和图 2 所示。图 1 后面板框图程序 下载原图5.3 实验结果及分析由图 2 可知, 当输入频率不同的三种正弦波, 其采样频率相同。同时, 通过对加窗前后的时域信号图进行观察, 当两信号进行叠加之后, 其波形发生了一定的变化, 即波形不再是正弦波, 输出信号中各谐波的频率以及幅值, 能够通过该频谱图进行观察。图 2 前面板演示窗口 下载原图由表 1 中可得加窗前和加窗后的谐波总的畸变率 THD 的检测结果, 并在表 2 中给出了这两种检测方法的误差比较。表 1 THD 测量结果 下载原表

6、表 2 两种方法的误差比较 下载原表 误差分析:由表 2 可知, 加了窗函数实际测量 THD 的误差更小。分析谐波失真:非整周期采样引起的频谱泄漏是没加窗实际测量产生误差的主要原因。因为采样频率并不是被测信号频率的整数倍, 进而产生对周期信号的非整周期采样, 从而出现频谱泄漏, 对各次谐波在频谱上的分布产生了影响, 使谐波失真度检测中产生误差。加窗函数之后, 减少了频谱泄漏, 因此谐波检测精度大大提升。6 结束语Labview 是一种功能强大、操作便捷的测试编程软件, 可以利用自身的谐波分析模块, 对电网设备、电流、电压的基波以及谐波的总畸变、相位以及幅值等进行准确的检测和计算, 对谐波的变化状况和趋势进行全面的统计, 为谐波的消除和电网的安全运行奠定坚实的基础。参考文献1周求湛, 钱志鸿, 等.虚拟仪器与 Lab VIEWTM 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刘兆妍, 雷振山.基于虚拟仪器的谐波测量技术J.电测与仪表, 2001. 4侯国屏.Lab VIEW7.1 编程与虚拟仪器设计M.北京:清华大学出版社, 2005. 5George J.Wakileh.电力系统谐波基本原理、分析方法和滤波器设计M.徐政, 译.北京:机械工业出版社, 2003.

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