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谐波测量分析系统设计

《虚拟仪器技术》课程设计任务书（三）

题目：

谐波测量分析系统设计

一、课程设计任务

随着科学技术的发展，各种电子产品在电力系统中得到大量应用，特别是各种非线性负载包括可控整流传动装置及高压直流输电系统的投入，以及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，理想电力系统的近似程度变差，直接表现是电网中的电压和电流波形产生周期性畸变。

电网中除了与供电电源同频率的正弦量（称为基波分量）以外，还出现了一系列大于基波频率整倍数的正弦波分量（高次谐波分量）。

这一系列正弦分量统称为电力谐波。

当电网中存在的谐波成分超过一定指标，轻者增加能耗，缩短设备运行寿命，重则造成停电事故，直接影响安全生产。

所以，对电网中谐波含量准确的测量，确切掌握电网中谐波的实际状况，对于防止谐波危害、维护电网的安全运行是十分必要的。

LabVIEW具有强大的信号分析与数学运算功能，在它的数学分析库中包含了数以百计的VI程序，能够进行各种时域与频域信号分析。

本课题通过虚拟仪器LabVIEW图形化软件开发平台，设计一种谐波测量分析系统。

本课题中系统的功能实现采用虚拟仪器技术的思想，选择开放式的LabVIEW虚拟仪器软件开发平台，将LabVIEW软件引入到谐波测量分析系统中，能模拟测量低压配电系统的基波电流，基波频率，总畸变率THD、thd，2－31次各次谐波电流含有率等参数。

具体指标与要求如下：

（一）要求设计一个通道的正弦信号发生器以模拟实际电流，具体要求为：

1、频率围：

0.001Hz～100KHz；

2、幅值：

0～200A，可选；

3、直流偏置：

0～100V，可选；

4、可调整幅值、相位、频率；调整后无须重新启动（提示：

用循环结构）；

5、在产生的信号中可以加入高斯噪声。

（二）谐波测量分析系统能模拟测量低压配电系统的基波电流，基波频率，总畸变率THD、thd，2－31次各次谐波电流含有率、直流含量等参数。

（三）谐波测量分析系统可以对产生的正弦信号进行频谱分析，得到相关的频谱图。

（四）所有测量分析的参数都要在系统前面板中进行显示，所产生的正弦信号及其频谱图要求分别进行波形显示。

谐波分析原理：

对于周期为

的电流谐波信号进行傅立叶级数分解，除了得到与电网基波频率相同的电流分量，还得到一系列大于电网基波频率的电流分量，如下式所示：

，（

）

（1）

其中，

称为

次电流谐波，

称为

次电流谐波的幅值，谐波频率与基波频率的比值（

）称为谐波次数。

求模拟信号连续频谱的一般方法是对它做傅立叶变换：

（2）

用数字方法实现傅立叶变换的数学基础是离散傅立叶变换（DFT）。

离散傅立叶变换的数学表达式为

（3）

电流总畸变率

和

：

（4）

（5）

其中

称为

次电流谐波的幅值，

为基波电流的幅值，

为周期性交流量方均根值。

谐波含有率

指第n次电流谐波的rms值与基波电流rms值的比率，即

（6）

二、课程设计目的

通过本次课程设计使学生具备：

1）了解现代仪器科学与技术的发展前沿；2）学习和掌握虚拟仪器系统组成和工作原理；3）掌握虚拟仪器LabVIEW图形化软件设计方法与调试技巧；4）培养学生查阅资料的能力和运用知识的能力；5）提高学生的论文撰写和表述能力；6）培养学生正确的设计思想、严谨的科学作风；7）培养学生的创新能力和运用知识的能力。

三、课程设计要求

1、了解和掌握整个虚拟仪器平台的系统组成、工作原理、各单元功能和应用背景；

2、根据设计任务进行文献资料的检索，根据各种独立测量仪器的功能和工作原理，确定谐波测量分析系统的功能，制定设计方案和设计虚拟仪器面板；

3、利用虚拟仪器LabVIEW软件，编写与调试虚拟仪器的图形化程序；

4、撰写完整的课程设计报告。

四、课程设计容

1、谐波测量分析系统前面板设计；

2、谐波测量分析系统框图程序设计。

五、课程设计报告要求

报告中提供如下容：

　　1、目录

2、正文

（1）课程设计任务书；

（2）总体设计方案（包括虚拟仪器概念与传统仪器概念主要区别，虚拟仪器LabVIEW图形化程序的组成和特点，为什么选择虚拟仪器LabVIEW图形化软件开发平台来设计谐波测量分析系统，谐波测量分析系统的总体结构图等）；

（3）简述所设计的谐波测量分析系统的工作原理及自己的设计结果所实现的功能，针对前面板要有操作使用说明，以便他人能够正确使用所设计的谐波测量分析系统；

（4）程序流程图、框图程序的设计及功能实现方法等；

（5）调试、运行及其结果；要求有谐波测量分析系统设计的源程序和运行结果等。

3、收获、体会

4、参考文献

六、课程设计进度安排

本课程设计共需1周时间，其具体安排见下表:

时间

上午

下午

星期一

课程设计动员、布置课程设计任务

查找与消化相关资料、总体方案设计

星期二

软件设计

软件设计

星期三

软件设计

软件设计

星期四

系统调试

系统调试及性能分析与总结、撰写课程设计报告

星期五

完成课程设计报告并上交

答辩

七、课程设计考核办法

本课程设计满分为100分，从课程设计平时表现、课程设计报告及课程设计答辩三个方面进行评分，其所占比例分别为20%、40%、40%。

摘要

近年来，由于电力电子技术的飞速发展，各种电力电子装置的应用日益广泛，谐波所造成的危害也日趋严重。

电力系统部谐波会使电气设备过热，绝缘老化，使用寿命缩短。

同时还会引起电力系统局部并联谐振或串联谐振，使谐波含量放大，造成电容器等设备烧毁。

并引起继电保护和自动装置误动作，使电能计量出现混乱，严重影响电能的生产、传输和利用的效率。

对于电力系统外部，谐波对通信设备和电子设备会产生严重干扰。

为了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。

传统的电能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。

本文采用虚拟仪器的思想，将传统的分离硬件仪器功能进行集成，充分利用现代计算机技术，用软件实现电力系统谐波的测试。

引言

1.1谐波研究背景

一般而言，理想电力系统应具有单一频率、单一波形、若干电压等级的电能属性。

当电压、电流为同样波形、同频、同相位时为电能传输的最高效率模式。

这同样也是电力产品生产、输送、转换力求保证的最佳电能形式。

虽然，在以往的电力系统中正弦波形被畸变的现象就已存在，但由于其功率相对不大，因而危害并不明显。

但是，随着电力电子技术的飞速发展，各种电力电子装置得到广泛应用的同时也给电力系统带来了严重的污染；而现代工商业的用电设备也对电能质量提出了更高的要求。

因此，如何正确检测谐波，进而抑制电网谐波，提高电能质量已成为当今电工学科研究的热点问题之一。

1.2电力系统谐波的检测

电力系统谐波检测问题是目前电工学科急需解决的难题之一。

现有谐波检测方法按照原理可分为模拟滤波器法、基于传统功率定义检测法、基于瞬时无功功率理论的检测法、基于傅里叶变换的检测方法、基于神经网络的检测法、基于自适应对消原理的检测法、基于小波分析的检测法。

2虚拟仪器介绍

2.1虚拟仪器的定义及组成

虚拟仪器（VirturalInstrument,VI）的概念是由美国国家仪器公司提出来的，虚拟仪器本质上是虚拟现实一个方面的应用结果。

也就是说虚拟仪器是一种功能意义上的仪器，它充分利用计算机系统强大的数据处理能力，在基本硬件的支持下，利用软件完成数据的采集、控制、数据分析和处理以及测试结果的显示等，通过软、硬件的配合来实现传统仪器的各种功能，大大的突破了传统仪器在数据处理、显示、传送、存储等方面的限制，使用户可以方便地对仪器进行维护、扩展和升级。

虚拟仪器是基于计算机的仪器，计算机和仪器的紧密结合是目前仪器发展的一个重要方向，虚拟仪器就是在通过计算机上加一组软件和硬件，使得使用者在操作这台计算机时，就像是在操作一台自己设计使用的专用的传统电子仪器。

在虚拟仪器系统中，硬件仅仅是为了实现信号的输入、输出，软件才是整个仪器系统的关键。

任何一个使用者都可以通过修改软件的方法，很方便的改变、增减仪器系统的功能与规模，所以有“软件就是仪器”之说。

虚拟仪器的基本构成包括计算机、虚拟仪器软件、硬件接口模块等，其中，硬件接口模块可以包括插入式数据采集卡（DAQ）、串/并口、IEEE488接口（GPIB）卡、VXI控制器以及其他接口卡。

目前较为常用的虚拟仪器系统是数据采集卡系统、GPIB仪器控制系统、VXI仪器系统以及这三者之间的任意组合。

一般来说,虚拟仪器是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的。

（1）虚拟仪器的硬件平台

构成虚拟仪器的硬件平台有两部分。

（1）计算机。

一般为一台PC机或工作站,是硬件平台的核心;

（2）I/O接口设备。

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。

不同的总线其相应的I/O接口硬件设备,如利用PC机总线的数据采集卡/板（DAQ）、GPIB总线仪器、VXI总线仪器模块、串口总线仪器等。

虚拟仪器的I/O接口设备主要有5种类型。

①PC-DAQ系统。

PC-DAQ系统是以数据采集板、信号调理电路及计算机为仪器硬件平台组成的插卡式虚拟仪器系统。

这种系统采用PCI或计算机本身的ISA总线,将数据采集卡/板（DAQ）插入计算机的空槽中即可。

GPIB系统。

③VXI系统。

④PXI系统。

⑤串口系统。

它们分别是以其自身的标准总线仪器与计算机为仪器硬件平台组成的虚拟仪器测试系统。

（2）虚拟仪器的软件

目前的虚拟仪器软件开发工具主要有如下两类:

文本式编程语言:

如VisualC++,VisualBasic,Lab2Windows/CVI等。

图形化编程语言:

如LabVIEW,HPVEE等。

这些工具为用户设计虚拟仪器应用软件

提供了最大限度的方便条件与良好的开发环境。

虚拟仪器的最大特点是将计算机资源与仪器硬件,DSP技术相结合，在系统共享软硬件资源，打破了以往由厂家定义仪器功能的模式，由用户自己定义仪器功能。

在虚拟仪器中，使用相同的硬件系统，通过不同的软件编程，就可以实现功能完全不同的测量仪器。

传统仪器与虚拟仪器系统的比较如下表所示。

传统仪器与虚拟仪器系统的比较

传统仪器

虚拟仪器系统

系统标准

仪器厂商定义

用户自定义

系统关键

硬件

软件

系统更改

仪器功能，规模固定

系统功能，规模可通过软件修改，增减

系统连接

系统封闭，与其他设备连接受限

开放的系统，可方便的与外设，网络及其他应用连接

价格

昂贵

低，可重复使用

技术更新周期

5~10年

1~2年

开发，维护费用

高

低

由此可见，虚拟仪器尽可能采用通用的硬件，各种仪器的差异主要是软件，同时能充分发挥计算机的能力，有强大的数据处理功能，可以创造出功能更强的特性仪器。

2.2虚拟仪器的特点

虚拟仪器和传统仪器相比具有以下的特点:

（1）具有可变性、多层性、自助性的面板。

虚拟仪器的面板可以做到与传统仪器一样,可以有显示器显示波形;有LED指示数字;有指针式表头指示刻度;有旋钮、滑动条、开关按钮;有报警指示灯和声响等等。

而虚拟仪器的优越之处在于传统仪器面板上的元器件是硬件,由厂商设计确定,不可改变地安装在专用的面板上。

而虚拟仪器的面板由计算机的显示器构成,面板上的各种显示控制元件是软件图库中的各种功能图形,由用户设计面板,调用图形块,用户可以不受“标准件”和“加工工艺”限制,随意增、删、移动元器件,变化尺寸、色彩等等。

还可以制作多层下拉面板,帮助文件等等,做出远远超

过传统仪器的全汉化、生动美观、界面友好的面板。

（2）强大的信号处理能力

用适当的硬件接口电路,对信号进行采集、放大、滤波、隔离、A/D转换后,虚拟仪器就可以灵活、充分地利用通用计算机的大量实用软件工具,对信号进行各种计算、分析、判断、处理、图形或数字显示,经D/A转换后控制执行器件的动作。

（3）功能、性能、指标可由用户定义

即可以根据用户的不同要求对同一仪器的功能、性能、指标进行修改或增删,彻底打破了传统仪器一经设计、制造完成后,其功能、性能、指标不可改变的封闭性、单一性。

另一方面也可以将多种仪器的功能、性能、指标等以软件的形式集成在一个“功能软件库”———虚拟仪器库,通过它们的不同组合以及与各种不同类型的硬件接口搭配,使得在一台个人计算机上就可实现各种仪器的不同功能,大大提高了仪器功能的灵活性,甚至可以进行非常复杂性的测试工作。

（4）具有标准的、功能强大的接口总线、板卡及相应软件

GPIB通用接口总线（GeneralPurposeInterfacBus）又称IEEE488国际标准接口总线,30年来广泛应用于仪器领域。

但是只适用于消息基器件的互操作,不

适用于寄存器基器件。

VXI总线1987年被首次推出,迅速成为IEEE1155国际标准。

VXI硬件的通用性,使任意厂家、各种类型仪器接口不会发生电气和机械方面的冲突。

VXI总线的开放性,保证任何系统一旦建立,将来仍能得到很好的效用。

VXI能保持每个仪器之间精确定时和同步,具有40Mbytes/s的高数据传输率。

VXI模块化仪器被认为是虚拟仪器最理想的硬件平台,是仪器硬件的发展方向。

此外,还有VISA、PCI等标准I/O卡及其相应驱动程序库为虚拟仪器的数据采集和控制提供强大支持。

（5）此外,虚拟仪器还具有开发周期短、成本低、维护方便,易于应用新理论、新算法和新技术,实现仪器的换代升级等特点。

2.3LabVIEW平台设计谐波测量分析系统

测试的目的在于获取被测对象的性能、状态或特征，所以信号采集只是测试工作的第一步。

信号的分析和数据处理是构成测试系统的重要组成部分，常用的分析方法可以分为数学分析和数字信号处理两大类。

LabVIEW提供了容丰富、功能强大的分析节点，配合出色的数据显示工具，可以完成复杂的信号分析和数据处理工作。

LabVIEW的数字信号处理模板包括5个功能：

信号产生、时域分析、频域分析、滤波器和窗函数。

我在做“谐波测量分析系统设计”这个课题时，首先想到的就是运用虚拟仪器中的LabVIEW来进行该课题的研究。

3谐波测量分析系统的总体设计

3.1程序设计

3.1.1前面板程序（FrontPanel）

3.1.2框图程序（BlockDiagram）

3.2流程图：

3.3谐波测量分析系统的总体结构图

3.4谐波测量分析系统的工作原理及功能：

由上面所示的框图程序可以分析得出：

整个框图程序的上部分由一个整个的While循环构成。

循环里面，左边是一个通道的正弦信号发生器以模拟实际电流生成波形，可以达到这样的要求：

1、频率围：

0.001Hz～100KHz；

2、幅值：

0～200A，可选；

3、直流偏置：

0～100V，可选；

4、可调整幅值、相位、频率；调整后无须重新启动；

5、在产生的信号中可以加入高斯噪声。

中间以及右边部分模拟测量低压配电系统的基波电流，基波频率，总畸变率THD、thd，2－31次各次谐波电流含有率、直流含量等参数。

并且可以对产生的正弦信号进行频谱分析，得到相关的频谱图，所有测量分析的参数都可以系统前面板中进行显示，所产生的正弦信号及其频谱图要求分别进行波形显示。

框图程序的下面一小部分是使用Control控件的局部变量来达到控制它的显示时间的连续性的目的。

生成一个正弦信号。

加入噪声。

谐波失真分析。

得出基本平均直流均方根。

首先通过正弦波信号发生器

模拟实际电流，并可调节幅值、相位、频率，再产生一个高斯噪声信号

，并且将高斯噪声的采样信输入点与正弦波信号的采样并连一个输入，然后将高斯噪声与正弦信号相加得原始电流波形，接着进行模拟测量低压配电系统的基波电流，将电流原始波形通过谐波失真分析

得到基波频率与THD以及n次电流谐波幅值，将n次电流谐波幅值通过数组索引

得基波分量与直流分量，将电流原始波形通过基本平均直流-均方根

，得到周期性交流量方均根值，根据公式

以及

得出thd。

根据公式

得出各次谐波含有率，为了得到2~31次各次谐波电流含有率，将各次谐波通过一个for循环

以及case结构

，将for循环的i加2再加到数组索引端，case结构的分支选择器标签改为数字2~31，将数组索引的输出接入case结构输出结果，最后将n次电流谐波幅值接创建波形函数

的Y端，生成新的频谱图。

最后将总的程序框图放入一个while循环

。

通过stop按钮即可进行谐波测量分析。

4经验及结论

本文使用虚拟仪器软件搭建了一个电力系统谐波检测和分析系统，从所得程序和图形可知基本完成了预计的功能。

这个系统还在谐波总畸变率的计算方面做了一些工作，并且可以通过调整模拟信号的频率和幅值得到不同的谐波畸变率。

虽然实现了这些功能，但是如前述分析可知，如想获得更为精确的谐波计算值，可以使用改进的加窗傅里叶变换算法，而窗函数也是LabVIEW的一个强项，在随后的工作中，计划在现有基础上进一步比较窗函数的用法，并把它用在畸变率的计算上期望能够得到更为满意的结果。

通过这次课程设计，我收获了很多，一方面学习到了许多以前没学过的专业知识与知识的应用，另一方面还提高了自己动手做项目的能力。

本次课程设计，是对我能力的进一步锻炼，也是一种考验。

从中获得的诸多收获，也是很可贵的，是

可以说这次课程设计不仅使我学到了知识，丰富了经验。

也帮助我缩小了实践和理论的差距，使我对系统编程有了进一步了解。

这次课程设计将会有利于我更好的适应以后的工作。

我会把握和珍惜课程设计的机会，在未来的工作中我会把学到的理论知识和实践经验不断的应用到实际工作中，为实现理想而努力。

最后，我要感学院组织的这次十分有意义的课程设计，使我们学到了很多，也领悟了很多。

同时，也要感为这次课程设计默默付出的老师，是她辛苦的汗水使这次课程设计得以完美结束。

5参考文献

[1]王福明，于丽霞，吉，等.LabVIEW程序设计与虚拟仪器.：

电子科技大学，2009

[2]　丰,狄瑞坤,欧阳珍.基于图形化编程语言LabVIEW的虚拟仪器开发.《机床与液压》2004.No.18

[3]爱平.LabVIEW入门与虚拟仪器.：

电子工业，2004

[4]凯.LabVIEW虚拟仪器工程设计与开发.：

国防工业，2004

[5]NationalInstrument.UserGuideandSpecifications/USB-6008/6009.

[6]汪敏生，等.LabVIEW基础教程.：

电子工业，2007