楊 光，季 浩，何業(yè)慎，薛偉東，梁 琨

(1.國(guó)網(wǎng)福建省電力有限公司 信息通信分公司，福建 福州 350001；2.深圳市國(guó)電科技通信有限公司，

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基于仿真儀器的電網(wǎng)諧波測(cè)量系統(tǒng)設(shè)計(jì)研究

楊 光1，季 浩1，何業(yè)慎2，薛偉東2，梁 琨3

(1.國(guó)網(wǎng)福建省電力有限公司 信息通信分公司，福建 福州 350001；2.深圳市國(guó)電科技通信有限公司，

廣州 深圳 518000；3.天津科技大學(xué) 計(jì)算機(jī)科學(xué)與信息工程學(xué)院，天津 300457)

智能電網(wǎng)中各種各樣的用電設(shè)備的頻繁開閉操作，會(huì)給電力載波通信帶來諧波干擾，從而影響了公用電網(wǎng)的安全，因此測(cè)量并預(yù)防諧波干擾是電力通信的重要課題。該設(shè)計(jì)采用仿真儀器技術(shù)、信息通信技術(shù)、計(jì)算技術(shù)、儀器儀表測(cè)量技術(shù)等，利用仿真儀器及LabVIEW軟件，開發(fā)建立電網(wǎng)諧波測(cè)量系統(tǒng)。系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了對(duì)電壓的基波及各次諧波的幅值、頻率、占有率及諧波總畸變率(THD)等參數(shù)的測(cè)量，并實(shí)時(shí)顯示測(cè)得的電壓波形和各次諧波的頻譜分布。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，系統(tǒng)設(shè)計(jì)正確、有效，為電網(wǎng)諧波的監(jiān)測(cè)提供了可靠的理論依據(jù)，同時(shí)為今后的工程實(shí)踐與教學(xué)提供了一定的技術(shù)儲(chǔ)備，具有極大的現(xiàn)實(shí)意義。

電網(wǎng)諧波；仿真儀器；FFT；諧波測(cè)量

1 仿真儀器優(yōu)勢(shì)分析

仿真儀器是基于計(jì)算機(jī)的軟硬件測(cè)試平臺(tái)，通過LabVIEW軟件將計(jì)算機(jī)資源與仿真儀器硬件有機(jī)的融合，充分發(fā)揮仿真儀器自身的測(cè)量?jī)?yōu)勢(shì)及計(jì)算機(jī)自身強(qiáng)大的計(jì)算處理能力，大大縮小了傳統(tǒng)儀器測(cè)量的成本，適合電網(wǎng)諧波測(cè)量的具體環(huán)境。

仿真儀器是用戶自定義的專用儀器系統(tǒng)，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、功能靈活、容易構(gòu)建、擴(kuò)展方便，適合在科研、開發(fā)、測(cè)量、檢測(cè)、計(jì)量、測(cè)控等領(lǐng)域應(yīng)用，符合“硬件軟件化”的復(fù)用發(fā)展趨勢(shì)，且具有操作靈活，符合傳統(tǒng)設(shè)備的使用習(xí)慣。仿真儀器不但可以構(gòu)建自動(dòng)測(cè)量系統(tǒng)，而且具有廣泛的擴(kuò)展功能，也可以建設(shè)自動(dòng)控制系統(tǒng)。因此，仿真儀器與傳統(tǒng)儀器相比，具有以下幾個(gè)方面優(yōu)勢(shì)：

1) 仿真儀器充分利用計(jì)算機(jī)自身強(qiáng)大的軟硬件資源，彌補(bǔ)了傳統(tǒng)儀器在數(shù)據(jù)顯示、加工處理、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)等方面的先天不足，為傳統(tǒng)儀器拓展了廣泛的發(fā)展空間。

2) 軟件是仿真儀器的核心，利用計(jì)算機(jī)自身的軟件資源，擴(kuò)展仿真儀器功能，實(shí)現(xiàn)了硬件實(shí)驗(yàn)軟件化發(fā)展，既節(jié)省了實(shí)驗(yàn)需要的物質(zhì)資源，同時(shí)也增加了仿真系統(tǒng)的靈活性。

3) 仿真儀器采用了基于計(jì)算機(jī)總線技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了模塊化、系列化，縮小了仿真系統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)尺寸，同時(shí)仿真儀器可以與外部設(shè)備和網(wǎng)絡(luò)連接，從而擴(kuò)展了自身的功能，進(jìn)一步方便了構(gòu)建模塊化的仿真應(yīng)用系統(tǒng)。

4) 仿真儀器自身硬、軟件具有開放性、重復(fù)性、互換性等優(yōu)點(diǎn)，使仿真儀器系統(tǒng)的開發(fā)更為靈活、快捷。

仿真儀器與傳統(tǒng)儀器在仿真實(shí)驗(yàn)中的對(duì)照如表1所示：

2 電網(wǎng)諧波測(cè)量系統(tǒng)架構(gòu)設(shè)計(jì)

基于仿真儀器的諧波測(cè)量系統(tǒng)首先由數(shù)據(jù)采集卡采集電網(wǎng)信號(hào)源，然后通過LabVIEW軟件處理，通過計(jì)算機(jī)模擬顯示信號(hào)中的諧波分量，最后將諧波分量進(jìn)行數(shù)據(jù)參數(shù)化處理后保存在數(shù)據(jù)庫(kù)中，供其他軟件后續(xù)處理。信號(hào)采集如圖1所示：

表1 虛擬儀器與傳統(tǒng)儀器之間的不同

圖1 信號(hào)采集處理

由圖1可以看出，計(jì)算機(jī)是系統(tǒng)的核心部件，信號(hào)顯示和信號(hào)處理等功能均由軟件實(shí)現(xiàn)，仿真儀器采集信號(hào)工作原理如圖2所示：

圖2 采集信號(hào)原理

基于仿真儀器的電網(wǎng)諧波測(cè)量系統(tǒng)包括硬件模塊和軟件模塊兩部分，其中軟件模塊主要由數(shù)據(jù)采集模塊、信號(hào)調(diào)理模塊、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)與回放模塊、數(shù)據(jù)分析處理模塊四個(gè)模塊組成，即可實(shí)現(xiàn)信號(hào)源電壓電流的波形顯示、頻譜分析、波形存儲(chǔ)和打印等功能。系統(tǒng)功能結(jié)構(gòu)如圖3所示：

圖3 系統(tǒng)功能結(jié)構(gòu)

3 DAQ數(shù)據(jù)采集卡信號(hào)采集流程

數(shù)據(jù)采集(DAQ)是一種實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)采集功能的計(jì)算機(jī)擴(kuò)展卡，可以實(shí)現(xiàn)從傳感器或待測(cè)設(shè)備模擬被測(cè)實(shí)驗(yàn)單元，實(shí)現(xiàn)采集電量信號(hào)或非電量信號(hào)，然后將信號(hào)傳送至上位機(jī)中進(jìn)行分析、處理。數(shù)據(jù)采集卡可以通過USB、PCI、PCMCIA、ISA、485、232、以太網(wǎng)及無線網(wǎng)絡(luò)等總線技術(shù)接入到個(gè)人計(jì)算機(jī)。數(shù)據(jù)采集卡的核心任務(wù)是產(chǎn)生和測(cè)量物理信號(hào)，主要包括模數(shù)轉(zhuǎn)換和數(shù)模轉(zhuǎn)換，以及計(jì)數(shù)器或定時(shí)器等數(shù)字信號(hào)的輸入輸出。數(shù)據(jù)采集核心由傳感器、信號(hào)調(diào)理電路和數(shù)據(jù)采集設(shè)備組成。系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)如圖4 所示：

圖4 系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)

信號(hào)源產(chǎn)生信號(hào)后，傳感器將來自信號(hào)源的各類電參數(shù)按需要轉(zhuǎn)換成小電壓弱電流的弱電信號(hào)送入信號(hào)調(diào)理電路，信號(hào)調(diào)理電路對(duì)傳感器輸出的電信號(hào)進(jìn)行放大、衰減、匹配、濾波等處理，將電壓和電流信號(hào)轉(zhuǎn)換為適合數(shù)據(jù)采集卡采集的4～20 mA電流信號(hào)，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)高速采集，便于數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)與處理，保證了測(cè)量的精確度，最后計(jì)算機(jī)捕獲相應(yīng)的數(shù)字信號(hào)進(jìn)行處理。

4 諧波測(cè)量模塊

4.1 信號(hào)采集模塊

諧波采集模塊主要包括五個(gè)模塊，分別是基于FFT的測(cè)量模塊、信號(hào)采集模塊、數(shù)據(jù)處理模塊、基于乘法器的測(cè)量模塊、集成主界面。數(shù)據(jù)采集模塊功能結(jié)構(gòu)如圖5所示：

圖5 數(shù)據(jù)采集模塊功能結(jié)構(gòu)

信號(hào)采集模塊的核心部件是信號(hào)采集卡。設(shè)置信號(hào)采集卡緩存區(qū)，調(diào)用LabVIEW的高級(jí)模擬功能，即可以實(shí)現(xiàn)信號(hào)的連續(xù)采集和實(shí)時(shí)分析。依據(jù)奈奎斯特定律，電網(wǎng)諧波采樣頻率需要滿足：

fs≥2f1n

(1)

式中，n表示諧波的次數(shù)，取正整數(shù)；fs計(jì)量單位為sps，表示采樣頻率；f1表示基波的頻率，計(jì)量單位為Hz。

4.2 諧波分析模塊

基于仿真儀器的電網(wǎng)諧波測(cè)量系統(tǒng)捕獲到信號(hào)后，將數(shù)據(jù)傳送至諧波分析模塊進(jìn)行計(jì)算與分析。該模塊包括基波頻率測(cè)量、諧波相位計(jì)算、乘法運(yùn)算、諧波幅值計(jì)算四項(xiàng)基本功能。諧波分析需要計(jì)算各次諧波電壓含有率，計(jì)算如公式(2)所示：

(2)

諧波分析模塊各個(gè)功能詳細(xì)描述如下：

1)基波測(cè)量：首先對(duì)采集通道編號(hào)，然后設(shè)置采樣率和采樣點(diǎn)數(shù)，最后測(cè)量基波頻率、相位和幅度。

2)采集諧波實(shí)現(xiàn)乘法運(yùn)算：基波頻率的整數(shù)倍就是各次諧波的頻率，在LabVIEW中產(chǎn)生正、余弦信號(hào)，然后實(shí)現(xiàn)信號(hào)之間的乘法，獲取乘法結(jié)果中的直流分量。

3)計(jì)算諧波相應(yīng)參數(shù)：計(jì)算出結(jié)果平均值后，將該值輸入諧波分析模塊，然后利用LabVIEW軟件就可得到諧波的相位、電壓含有率、幅值等相關(guān)參數(shù)。

4.3 FFT的諧波監(jiān)測(cè)算法

FFT(Fast Fourier Transformation)，即為快速傅里葉變換，是離散傅氏變換(DFT)的快速算法，是諧波測(cè)量模塊的核心，該變換是根據(jù)離散傅氏變換的奇、偶、虛、實(shí)等特性而進(jìn)行改進(jìn)的算法。通過對(duì)模擬信號(hào)離散化采樣處理而得到離散化的數(shù)字序列，通過計(jì)算機(jī)進(jìn)行傅里葉變換，分析模擬信號(hào)的基波及諧波的有效值。如果已知N點(diǎn)有限長(zhǎng)序列X(n)，n=0，1，…，N-1，那么它的DFT公式如公式(3)所示：

(3)

從公式(3)可以判斷出，DFT計(jì)算量很大，大約需要N2次乘法和N2次加法計(jì)算。諧波檢測(cè)分析最重要的特征量包括各次諧波含有率、總畸變率THD、諧波含量等。諧波含量的數(shù)學(xué)表達(dá)式如公式(4)所示：

(4)

式中，Uh為諧波含量電壓；Ih為電流有效值。

諧波含有率描述該次諧波有效值和基波有效值的百分比，用HR表示，數(shù)學(xué)表達(dá)式如公式(5)所示：

(5)

式中，Un為第n次諧波電壓；In為第n次電流有效值；U1為基波電壓；I1為電流的有效值。

諧波總畸變是指周期性交流量中的諧波含量與其基波分量之比，THDu為電壓諧波總諧波畸變率，THDi為電流諧波總畸變率，計(jì)算公式如公式(6)所示：

(6)

諧波分析模塊是諧波測(cè)量系統(tǒng)的核心模塊，按照公式(3)—(6)的定義，編寫相應(yīng)的求解程序，以圖形的方式通過計(jì)算機(jī)即可直觀、快速、準(zhǔn)確的顯示諧波的頻譜和幅值等數(shù)據(jù)信息。

5 實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

為了驗(yàn)證檢測(cè)系統(tǒng)軟件程序諧波分析的可行性和測(cè)量精度，通過導(dǎo)入仿真信號(hào)序列至仿真諧波檢測(cè)儀來進(jìn)行檢驗(yàn)。在電網(wǎng)諧波測(cè)量系統(tǒng)主界面當(dāng)中，包括基波測(cè)量模塊、基于乘法器的諧波測(cè)量模塊、基于FFT法的諧波測(cè)量模塊以及數(shù)據(jù)管理模塊。主界面程序框圖如圖6所示：

圖6 主界面程序框圖

以基于乘法器的諧波測(cè)量模塊為例，檢測(cè)其可行性及測(cè)量結(jié)果的準(zhǔn)確性。首先，系統(tǒng)輸入是由功率信號(hào)發(fā)生器產(chǎn)生的方波信號(hào)，并進(jìn)行測(cè)量。然后，通過將方波進(jìn)行傅立葉分解式得到基準(zhǔn)值，將本系統(tǒng)測(cè)量的結(jié)果與基準(zhǔn)值進(jìn)行比較，如圖7所示。圖7中橫軸為諧波次數(shù)，縱軸為諧波幅值。

圖7 諧波測(cè)量結(jié)果比較

系統(tǒng)利用LabVIEW自帶的函數(shù)發(fā)生器，對(duì)10 V、頻率為50 Hz，含有噪聲的方波信號(hào)進(jìn)行諧波分析，當(dāng)取諧波次數(shù)為19時(shí)，可以清楚觀察到信號(hào)的基波與各次諧波的分布情況以及由編程算法算出總諧波畸變率(THD)為13.15%。通過功率譜分析，信號(hào)在各個(gè)頻率點(diǎn)上的功率分布情況，且大部分能量都集中在基波頻率階段，而其他能量則分散在其他諧波分量上。最后實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，基于仿真儀器的電網(wǎng)諧波監(jiān)測(cè)系統(tǒng)可以對(duì)信號(hào)進(jìn)行波形顯示、諧波分析、功率譜分析等功能，基本上實(shí)現(xiàn)了對(duì)諧波的準(zhǔn)確測(cè)量。

6 結(jié) 語

該設(shè)計(jì)是基于仿真儀器的電網(wǎng)諧波監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，該系統(tǒng)具有良好的人機(jī)界面，儀器操作簡(jiǎn)便，測(cè)量精度也比較高，明顯提高了諧波測(cè)量的可擴(kuò)展性和靈活性。實(shí)現(xiàn)對(duì)電壓的基波及各次諧波的幅值、頻率、占有率及諧波總畸變率(THD)等參數(shù)的測(cè)量，并實(shí)時(shí)顯示測(cè)得的電壓波形和各次諧波的頻譜分布。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，該設(shè)計(jì)的正確性和有效性得到了驗(yàn)證，為電網(wǎng)諧波的監(jiān)測(cè)提供了可靠的理論依據(jù)。同時(shí)，為今后工程實(shí)踐與教學(xué)提供了一定的技術(shù)儲(chǔ)備，具有極大的現(xiàn)實(shí)意義。

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(責(zé)任編輯 魏靜敏 校對(duì) 張 凱)

Design and Research of Power Network Harmonic Measurement System Based on Simulation Instrument

YANG Guang1,JI Hao1,HE Ye-shen2,XUE Wei-dong2,LIANG Kun3

(1.Information Communications Branch,State Grid Fujian Electric Power Company,FU Zhou 350001,Fujian Province; 2.Shenzhen Guodian Technology Communication Co.,Ltd.,Shenzhen 518000,Guangdong Province;3.School of Computer Science and Information Engineering,Tianjin University of Science & Technology,Tianjin 300457)

The frequent open and close operation of variety of electrical equipment in the Smart Grid would bring harmonic interference and form harmonic,which would affect the safety of public power grid.The continuous development of simulation instrument technology,information network technology,computer technology,communication technology,instrumentation and measurement technology promoted the development of simulation technology.Therefore,the simulation instrument and LabVIEW software were used to develop the power harmonic measurement system,which could realize the accurate monitoring of harmonic and ensure safe and stable operation of the power supply system.

Power Grid harmonic;Simulation instrument;FFT;Harmonic measurement

2016-12-19

楊光(1981-)，女，天津人，工程師。

10.13888/j.cnki.jsie(ns).2017.02.019

TP273

A

1673-1603(2017)02-0188-05