基于Labview的諧波檢測分析儀

何曉波+劉建業(yè)

摘 要：因為電力系統(tǒng)大規(guī)模接入非線性負(fù)荷設(shè)備，例如電弧爐、整流器以及變頻器等，非線性負(fù)荷設(shè)備的廣泛性會產(chǎn)生大量的諧波，對電網(wǎng)安全產(chǎn)生不利的影響。通過準(zhǔn)確、及時的檢測電網(wǎng)諧波含量，并以此為依據(jù)強化對諧波控制，能夠有效保證電網(wǎng)安全。Labview是一種功能完善、應(yīng)用廣泛的虛擬儀器技術(shù)開發(fā)平臺，通過諧波分析子模塊可以準(zhǔn)確檢測是否存在畸變信號，以此對諧波以及基波的情況進(jìn)行準(zhǔn)確的反映，并采用加窗函數(shù)進(jìn)行計算，能夠顯著提升諧波檢測準(zhǔn)確性和精確性，對諧波實現(xiàn)可靠的分析和處理。

關(guān)鍵詞：LabVIEW；虛擬儀器；諧波分析儀

中圖分類號：TH89 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號：2095-2945（2017）34-0019-02

現(xiàn)如今諧波檢測應(yīng)用最廣泛的方法就是利用采樣轉(zhuǎn)化的方式，實現(xiàn)模擬信號和離散化數(shù)字序列信號之間的轉(zhuǎn)換，在計算機中輸入離散化數(shù)字序列信號，實現(xiàn)傅里葉變換，這樣能夠準(zhǔn)確計算出諧波與基波的相位以及幅值。諧波檢測分析儀是用來檢測和分析被測信號中諧波成分的幅值、相角和頻率等參數(shù)的儀器。本文說明了諧波的危害，描述了基于Labview的諧波分析的方法、思路和主要功能，并對檢測結(jié)果作了簡要分析。

1 諧波概述

非線性負(fù)載是電力系統(tǒng)中諧波出現(xiàn)的本質(zhì)原因。當(dāng)電流通過負(fù)載，和所施加的電壓不呈線性關(guān)系時，就產(chǎn)生了非正弦電流，其中就含有諧波分量。因此利用傅里葉分解周期性非正弦電量，可以得到與供電基波相同頻率的分量以及諧波分量，諧波次數(shù)的計算公式表示為：

公式中n表示諧波次數(shù)，fn表示諧波頻率，f1表示基波頻率，諧波電壓和諧波電流會對用電設(shè)備周圍的通信系統(tǒng)和設(shè)備產(chǎn)生損害。

2 諧波檢測分析儀的硬件結(jié)構(gòu)

諧波檢測分析儀的硬件結(jié)構(gòu)由五部分組成，分別為計算機、數(shù)據(jù)采集卡、信號調(diào)理電路、電流霍爾傳感器以及電壓。

3 諧波檢測分析儀的軟件設(shè)計

Labview軟件開發(fā)平臺：

Labview是具有可擴(kuò)展函數(shù)庫和子程序庫的通用程序設(shè)計系統(tǒng)，在本文提出的諧波檢測分析系統(tǒng)中，Labview主要實現(xiàn)的功能有數(shù)據(jù)實時采集、存儲、顯示和諧波分析等。具體實現(xiàn)時分為以下幾大模塊。

（1）主程序模塊。系統(tǒng)初始化程序，設(shè)置數(shù)據(jù)采集卡的初始狀態(tài)。（2）模擬數(shù)據(jù)采集模塊。對模擬信號進(jìn)行實時采集，將采集的模擬數(shù)據(jù)生成文件依次保存，并對數(shù)據(jù)及其波形曲線進(jìn)行實時顯示。（3）諧波分析模塊。本文采用了Labview軟件自帶的諧波失真檢測函數(shù)。此函數(shù)能夠有效檢測輸入信號的諧波失真程度，檢測出基波和諧波，統(tǒng)計總的諧波畸變率。

4 諧波的基本分析算法和諧波的度量

4.1 傅里葉變換

實現(xiàn)對畸變波形各種分量分析需要用到傅里葉分解。傅里葉級數(shù)的展開式為：

4.2 離散傅里葉變換

通過選擇f（t）在時域離散點值對傅里葉變換進(jìn)行計算，離散傅里葉變換的概念表示為：選擇復(fù)或者實離散時間序列，采用x0，x1，…，xn-1進(jìn)行表示，假設(shè)離散時間序列絕對可和，能

4.3 快速傅里葉變換

離散傅里葉變換的計算量較大，為了能夠達(dá)到快速計算的目標(biāo)，需要對離散傅式變換的相關(guān)特性進(jìn)行分析，如虛實以及奇偶特性等，通過對離散傅里葉變化的算法進(jìn)行優(yōu)化，能夠?qū)崿F(xiàn)快速傅里葉變換。快速傅里葉變換的出現(xiàn)使離散傅里葉變換的運算迅速簡化，計算時間甚至可縮短一、二個數(shù)量級之多。

4.4 諧波的度量

在頻域分析中，使畸變的周期性電壓進(jìn)行傅里葉分解

式中，M表示諧波最高次數(shù)，通常取M≤50；？琢n表示第n次諧波電壓初相角；Un表示第n次諧波電壓的方均根值；n表示諧波次數(shù)；ω表示工頻（即基波）的角頻率。

THD為總諧波畸變率，表示畸變波形因諧波引起的偏離正弦波形的程度。

5 基于Labview平臺的諧波失真分析

5.1 窗平滑技術(shù)

采用矩形窗截斷信號，能夠?qū)崿F(xiàn)信號的有限時間采樣。值得注意的是，如果窗長不等于信號周期的整倍數(shù)，將會導(dǎo)致信號在離散頻譜中出現(xiàn)泄漏的問題。當(dāng)矩形窗邊界發(fā)生突變時，很容易導(dǎo)致泄漏問題的產(chǎn)生，當(dāng)泄漏發(fā)生后將會導(dǎo)致在頻域內(nèi)產(chǎn)生許多高頻分量。由于泄漏問題的發(fā)生，導(dǎo)致頻譜形成一定的畸變，會導(dǎo)致計算結(jié)果產(chǎn)生一定的誤差，影響結(jié)果的真實性和準(zhǔn)確性。用窗函數(shù)對采樣數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，是為了抑制泄漏誤差。窗函數(shù)作用于信號的過程用表示為：

5.2 基于Labview的后面板框圖程序設(shè)計

使用Labview進(jìn)行編程時，后面板是程序的圖形化源代碼。框圖程序如圖1所示。本系統(tǒng)使用Sine pattern.vi產(chǎn)生3個初相角為0°的正弦波，采用疊加的方式對其進(jìn)行處理，并將其形成的信號在海寧窗進(jìn)行加工。在進(jìn)行時域信號頻譜計算時，可以采用快速傅里葉變換，這樣能夠?qū)崿F(xiàn)對時域信號的全面、合理分析，在諧波頻率以及幅值的輸出時，采用數(shù)組的方式。在進(jìn)行總諧波畸變率計算時，需要按照公式5進(jìn)行計算。本文計算了加窗前以及加窗后的總諧波畸變率，結(jié)果如圖1和圖2所示。

5.3 實驗結(jié)果及分析

由圖2可知，當(dāng)輸入頻率不同的三種正弦波，其采樣頻率相同。同時，通過對加窗前后的時域信號圖進(jìn)行觀察，當(dāng)兩信號進(jìn)行疊加之后，其波形發(fā)生了一定的變化，即波形不再是正弦波，輸出信號中各諧波的頻率以及幅值，能夠通過該頻譜圖進(jìn)行觀察。

由表1中可得加窗前和加窗后的諧波總的畸變率THD的檢測結(jié)果，并在表2中給出了這兩種檢測方法的誤差比較。

誤差分析：

由表2可知，加了窗函數(shù)實際測量THD的誤差更小。

分析諧波失真：非整周期采樣引起的頻譜泄漏是沒加窗實際測量產(chǎn)生誤差的主要原因。因為采樣頻率并不是被測信號頻率的整數(shù)倍，進(jìn)而產(chǎn)生對周期信號的非整周期采樣，從而出現(xiàn)頻譜泄漏，對各次諧波在頻譜上的分布產(chǎn)生了影響，使諧波失真度檢測中產(chǎn)生誤差。加窗函數(shù)之后，減少了頻譜泄漏，因此諧波檢測精度大大提升。

6 結(jié)束語

Labview是一種功能強大、操作便捷的測試編程軟件，可以利用自身的諧波分析模塊，對電網(wǎng)設(shè)備、電流、電壓的基波以及諧波的總畸變、相位以及幅值等進(jìn)行準(zhǔn)確的檢測和計算，對諧波的變化狀況和趨勢進(jìn)行全面的統(tǒng)計，為諧波的消除和電網(wǎng)的安全運行奠定堅實的基礎(chǔ)。

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