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【摘要】为保证实时、准确地对电网谐波含量进行测量与分析，设计一种基于LabVIEW的电力谐波测量系统。通过传感器、数据采集卡，完成电压、电流信号的实时采集，上位机对采样数據进行滤波、加窗、快速傅里叶变换（ FFT） 运算，分析电压谐波。为了提高检测精度，消弱干扰，利用加窗插值算法对快速傅立叶算法进行修正，有效地抑制谐波之间的干扰和杂波及噪声的干扰，从而精确的测量各次谐波电压和电流的幅值及相位。系统的测量精度高、实时性好、操作方便、便于扩展，体现了虚拟仪器在电力监测领域的广阔应用前景。
【关键词】LabVIEW;电力谐波;FFT;滤波;加窗
1.引言
谐波现象主要是由大容量电力设备和用电整流或换流设备，及其他非线性负荷造成。正常低压电网信号若无污染，在示波器上显示为一个频率为50Hz的理想正弦波，一旦电压产生畸变，波形将会失真，无论谐波含量多少，都会使电力系统的功率因数下降[1]。
谐波对电力设备的影响和危害，可分为两类：第一类是对电力设备的影响，它可造成设备损坏、减少设备寿命、降低出力等;第二类是对计算机、继保及监测装置的影响，它可造成设备工作失误或性能恶化[2]。因此，保证电力系统的安全和用户用电的可靠性，实时和准确地对电网谐波含量进行测量与分析显得尤为重要。
2.系统工作原理
谐波是一个周期电气量的正弦波分量，它的频率是基波频率的整数倍，所以通常称它为高次谐波。
系统通过传感器、数据采集卡，完成电压/电流实时采集，上位机软件部分对采集到的信号进行数字滤波、加窗、FFT运算，从而计算出电参量值。
通常用谐波含有率、总谐波畸变率这两个专业名词来表征谐波的严重程度。
求模拟信号连续频谱的一般方法是对它作傅里叶变换。而任何一个满足狄里赫利条件的非正弦周期函数f（t）均可分解为傅里叶级数[3]：
（1）
式中ω=2π/T，T为f（t）的周期。
（2）
（3）
（4）
和分别为各频率成分的幅值和初相角：，。
假设用FFT算法求第n次谐波的实部和虚部分别为，，第n次谐波电压的幅值U（n）为：
（5）
电压谐波计算公式如下：
第h次谐波电压含有率HRUh，如公式（6）所示：
（6）
式中Uh是第h次谐波电压（方均根值），U1指基波电压。
谐波电压含量UH，如公式（7）所示：
（7）
电压总谐波畸变率THDu，，如公式（8）所示：
（8）
3.电力谐波测量系统整体设计
3.1 硬件电路
基于LabVIEW的电力谐波测量系统由电压、电流传感器、NI9219数据采集卡、NI USB-9162模块外盒连接器、计算机组成，系统硬件结构框图如图1所示。NI9219数据采集卡是四通道通用输入模块，可对电压、电流信号进行采集和调理，经过NI USB-9162转换，经USB接口输入计算机进行数据处理。系统可同时采集6路电压、电流信号，自定义采样模式、采样率及采样数，可显示各通道当前测量值以及整个测试过程中的最大、最小值及平均值。采集过程中，以图表的形式实时显示整个测试过程中各相位的电压、电流变化情况，并对测量的原始数据进行记录保存[4]。
图1 电力谐波测量系统硬件结构框图
3.2 软件电路
基于LabVIEW的电力谐波测量系统是利用DAQmx在LabVIEW环境中进行数据采集和分析，软件的流程框图如图2所示。
根据模块化的编程思想，将测量系统软件设计分为系统配置、数据采集、数据处理和数据存储4个部分。
系统配置环节完成NI9219采集物理通道及被测目标范围、采样模式、采样率及采样数、触发模式及触发边沿等参数设定。
数据采集环节是系统按照测量者的设定，读取模拟输入通道中多个波形数据。为防止缓冲区中未被读取的数据被提前覆盖，需协调好采样频率、缓存区大小和每次读取数据量三者间的关系。而为防止在运算中频域出现混叠现象，连续信号的采样频率fs（每一通道独立采样频率）需满足奈奎斯特采样理论，即：
fs≥2f1nmax （9）
式中f1为基波频率（50Hz），nmax为最高谐波次数。但是在工程应用中，为保证数据采样精度，一般留有一定的裕度[5]：
fs=（4～6）f1nmax （10）
数据处理环节包括数据滤波、信号加窗、谐波分析三个部分。本系统采用FFT算法分析电压谐波。为了提高检测精度，还利用加窗插值算法对FFT算法进行了修正，这样就可减少泄漏，有效地抑制谐波之间的干扰，从而精确的测量各次谐波电压和电流的幅值及相位。
图2 谐波含有率分析软件流程图
4.实验结果和数据分析
在LabVIEW环境中设计一个信号发生器，运用数据采集板（DAQ）所具有的模拟输出功能，作为信号发生器的模拟输出端口。程序使用Sine Waveform函数产生标准正弦波，模拟现实中正常的电压波形，使用Gaussian White Noise Waveform函数作为干扰源，添加在标准正弦波上，模拟受污染的电压波形，前面板如图3所示。
图3 受污染的电压波形示意图
图4 电压谐波分析示意图
正弦波加上高斯白噪声作为信号模拟输出，经过数据滤波、信号加窗、谐波分析三个步骤，电压谐波分析示意图如图4所示，模拟220KV、50Hz正弦波受到高斯白噪声污染后，测得电压谐波畸变率为0.02256%，检测的电压频率是49.99Hz，满足国家标准《电能质量公用电网谐波》[6]。
多次实验结果显示， THDU绝对误差不大于0.03%，相对误差不大于0.408%，精度较高， 实现了仪器的设计要求。
5.结束语
本文介绍的基于LabVIEW的电力谐波测量系统，THDU绝对误差不大于0.03%，相对误差不大于0.408%，精度较高。系统可实时测量电网谐波，通过计算机自动测量和采集数据，实时显示和存储数据，利用标准的数据采集模块和LabVIEW图形化开发环境，实时性较高，扩展性好，可实现快速二次开发集成，极大地提高开发效率。
参考文献
[1]林海雪，孙树勤.电力网中的谐波[M].中国电力出版社，1998：59-62.
[2]张直平，李芬辰.城市电网谐波手册[M].北京：中国电力出版社，2000.
[3]李庚银，陈志业等.快速傅里叶变换的两种改进算法[J].电力系统自动化，1997，21（12）：37-40.
[4]ASAN GANI，M.J.E.AALAMI.A LabVIEW based Data Acquisition Systemfor Vibration Monitoring and Analysis.IEEE Design and Test of Computer，2002，page（s）：62-74.
[5]黄纯.基于离散傅里叶变换校正的电参量微机测量新算法及其应用研究[J].中国电机工程学报，2005，25（7）：86-91.
[6]GB/T14549-1993.电能质量公用电网谐波[S].
【关键词】LabVIEW;电力谐波;FFT;滤波;加窗
1.引言
谐波现象主要是由大容量电力设备和用电整流或换流设备，及其他非线性负荷造成。正常低压电网信号若无污染，在示波器上显示为一个频率为50Hz的理想正弦波，一旦电压产生畸变，波形将会失真，无论谐波含量多少，都会使电力系统的功率因数下降[1]。
谐波对电力设备的影响和危害，可分为两类：第一类是对电力设备的影响，它可造成设备损坏、减少设备寿命、降低出力等;第二类是对计算机、继保及监测装置的影响，它可造成设备工作失误或性能恶化[2]。因此，保证电力系统的安全和用户用电的可靠性，实时和准确地对电网谐波含量进行测量与分析显得尤为重要。
2.系统工作原理
谐波是一个周期电气量的正弦波分量，它的频率是基波频率的整数倍，所以通常称它为高次谐波。
系统通过传感器、数据采集卡，完成电压/电流实时采集，上位机软件部分对采集到的信号进行数字滤波、加窗、FFT运算，从而计算出电参量值。
通常用谐波含有率、总谐波畸变率这两个专业名词来表征谐波的严重程度。
求模拟信号连续频谱的一般方法是对它作傅里叶变换。而任何一个满足狄里赫利条件的非正弦周期函数f（t）均可分解为傅里叶级数[3]：
（1）
式中ω=2π/T，T为f（t）的周期。
（2）
（3）
（4）
和分别为各频率成分的幅值和初相角：，。
假设用FFT算法求第n次谐波的实部和虚部分别为，，第n次谐波电压的幅值U（n）为：
（5）
电压谐波计算公式如下：
第h次谐波电压含有率HRUh，如公式（6）所示：
（6）
式中Uh是第h次谐波电压（方均根值），U1指基波电压。
谐波电压含量UH，如公式（7）所示：
（7）
电压总谐波畸变率THDu，，如公式（8）所示：
（8）
3.电力谐波测量系统整体设计
3.1 硬件电路
基于LabVIEW的电力谐波测量系统由电压、电流传感器、NI9219数据采集卡、NI USB-9162模块外盒连接器、计算机组成，系统硬件结构框图如图1所示。NI9219数据采集卡是四通道通用输入模块，可对电压、电流信号进行采集和调理，经过NI USB-9162转换，经USB接口输入计算机进行数据处理。系统可同时采集6路电压、电流信号，自定义采样模式、采样率及采样数，可显示各通道当前测量值以及整个测试过程中的最大、最小值及平均值。采集过程中，以图表的形式实时显示整个测试过程中各相位的电压、电流变化情况，并对测量的原始数据进行记录保存[4]。
图1 电力谐波测量系统硬件结构框图
3.2 软件电路
基于LabVIEW的电力谐波测量系统是利用DAQmx在LabVIEW环境中进行数据采集和分析，软件的流程框图如图2所示。
根据模块化的编程思想，将测量系统软件设计分为系统配置、数据采集、数据处理和数据存储4个部分。
系统配置环节完成NI9219采集物理通道及被测目标范围、采样模式、采样率及采样数、触发模式及触发边沿等参数设定。
数据采集环节是系统按照测量者的设定，读取模拟输入通道中多个波形数据。为防止缓冲区中未被读取的数据被提前覆盖，需协调好采样频率、缓存区大小和每次读取数据量三者间的关系。而为防止在运算中频域出现混叠现象，连续信号的采样频率fs（每一通道独立采样频率）需满足奈奎斯特采样理论，即：
fs≥2f1nmax （9）
式中f1为基波频率（50Hz），nmax为最高谐波次数。但是在工程应用中，为保证数据采样精度，一般留有一定的裕度[5]：
fs=（4～6）f1nmax （10）
数据处理环节包括数据滤波、信号加窗、谐波分析三个部分。本系统采用FFT算法分析电压谐波。为了提高检测精度，还利用加窗插值算法对FFT算法进行了修正，这样就可减少泄漏，有效地抑制谐波之间的干扰，从而精确的测量各次谐波电压和电流的幅值及相位。
图2 谐波含有率分析软件流程图
4.实验结果和数据分析
在LabVIEW环境中设计一个信号发生器，运用数据采集板（DAQ）所具有的模拟输出功能，作为信号发生器的模拟输出端口。程序使用Sine Waveform函数产生标准正弦波，模拟现实中正常的电压波形，使用Gaussian White Noise Waveform函数作为干扰源，添加在标准正弦波上，模拟受污染的电压波形，前面板如图3所示。
图3 受污染的电压波形示意图
图4 电压谐波分析示意图
正弦波加上高斯白噪声作为信号模拟输出，经过数据滤波、信号加窗、谐波分析三个步骤，电压谐波分析示意图如图4所示，模拟220KV、50Hz正弦波受到高斯白噪声污染后，测得电压谐波畸变率为0.02256%，检测的电压频率是49.99Hz，满足国家标准《电能质量公用电网谐波》[6]。
多次实验结果显示， THDU绝对误差不大于0.03%，相对误差不大于0.408%，精度较高， 实现了仪器的设计要求。
5.结束语
本文介绍的基于LabVIEW的电力谐波测量系统，THDU绝对误差不大于0.03%，相对误差不大于0.408%，精度较高。系统可实时测量电网谐波，通过计算机自动测量和采集数据，实时显示和存储数据，利用标准的数据采集模块和LabVIEW图形化开发环境，实时性较高，扩展性好，可实现快速二次开发集成，极大地提高开发效率。
参考文献
[1]林海雪，孙树勤.电力网中的谐波[M].中国电力出版社，1998：59-62.
[2]张直平，李芬辰.城市电网谐波手册[M].北京：中国电力出版社，2000.
[3]李庚银，陈志业等.快速傅里叶变换的两种改进算法[J].电力系统自动化，1997，21（12）：37-40.
[4]ASAN GANI，M.J.E.AALAMI.A LabVIEW based Data Acquisition Systemfor Vibration Monitoring and Analysis.IEEE Design and Test of Computer，2002，page（s）：62-74.
[5]黄纯.基于离散傅里叶变换校正的电参量微机测量新算法及其应用研究[J].中国电机工程学报，2005，25（7）：86-91.
[6]GB/T14549-1993.电能质量公用电网谐波[S].