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1、长江师范学院本科毕业设计基于labVIEW谐波测试仪的设计摘 要虚拟仪器(Vimlal Instrument，简称VI)是计算机技术与电子仪器相结合而产生的一种新的仪器设备。其实质是以通用计算机为硬件平台，由用户设计定义其测试功能，由软件实现其测试功能的一种计算机仪器系统。它从根本上更新了仪器的概念，具有传统仪器无法比拟的优势。它的出现代表着仪器发展的最新的潮流和方向。目前市场上出售的谐波测试仪器种类繁多，但是当前的谐波测试设备大多存在功能单一，测试精度有限，开发与维护费用高、生产周期长、生产调试和维修烦琐等问题。因此，研制一种高精度、多功能、可扩展的谐波测试仪是仪器发展的大势所趋。开发研究虚
2、拟谐波测试仪，可以显著提高电力测试仪器的测试质量与效率，具有显著的社会效益和经济效益。本论文主要内容是虚拟谐波测试仪的设计开发。论文首先论述了国内外谐波研究的现状以及谐波检测技术的发展，说明研制谐波检测装置的必要性，其次对虚拟谐波分析仪所依据的虚拟仪器的概念、虚拟仪器软硬件系统做了简要介绍。为更好的应用虚拟仪器技术完成谐波测试仪的开发。最终使用通用计算机、开发软件LabVIEW，成功的研究开发出虚拟谐波测试仪。该仪器实现了系统参数测定、结果分析等功能。关键词：虚拟仪器；数据采集；谐波分析；FFT目 录第1章 绪论11.1引言112谐波问题的提出213国内外研究现状214本文研究意义与内容3第2
3、章 虚拟仪器概述321虚拟仪器概念322虚拟仪器开发语言LabVIEW简介4第3章 数据采集和谐波分析理论631数据采集理论基础63.2 DFT和FFT计算原理733谐波分析理论1134非同步采样和频谱混叠的处理13第四章谐波测试仪的软件设计1541系统软件框图设计1542 基于LabVIEW的虚拟谐波分析仪的设计164.3 主要功能及技术指标23第5章 结论与展望2451结论2452展望24参考文献26长江师范学院本科毕业设计基于LabVIEW虚拟仪器的谐波测试仪设计1 绪论1.1引言近年来，由于电力电子技术的飞速发展，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，各种电力电
4、子装置的应用日益广泛，谐波造成的危害也日趋严重。公用电网中的谐波电压和谐波电流是电网环境最严重的一种污染，谐波已成为影响电能质量的公害。近些年来公用电网的谐波污染日益严重，谐波危害的严重性才引起人们的关注。 为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。虽然目前市场上的谐波测试仪器种类繁多，但是都存在以下几方面不足：1功能单一性问题当前谐波参数的测试设备大多功能单一，因此每次试验均需携带大量的测试设备。同时，在现场试验过程中需要记录大量的数据，为设备的运行情况分析也带来了诸多不便，工作效率较低。2测试精度保证问题谐波参数测试设备为满足测试精度的要求，需定期送检。传统
5、的仪器仪表由于元器件老化，会出现精度漂移现象。常规单功能测试仪器在出现这种现象时，检定或使用人员一般无法对仪器进行校准，必须通过厂家才能解决。3开发周期与开发费用问题开发周期与开发费用问题常规仪器在开发过程必须经历硬件设计和调试这两个过程，仪器一旦调试好，不同仪器间的资源一般无法相互利用，造成开发周期长、成本高。同时对己研制成功的设备，一般无法满足用户的需求变化，一旦用户要求变更对现有功能进行改进，开发人员可能需要重新对其进行开发。4服务问题测试设备在用户使用过程中出现损坏情况，一般需厂家协助处理解决，但是由于现有的单一功能设备，许多功能或测试精度的保证是通过硬件实现的， 因此一般很难在现场解
6、决问题。同时一旦厂家出现更新产品，一般也无法对用户设备进行升级，要么重新购买，要么进行更换，造成不必要的资源浪费。5生产调试问题常规的谐波参数测试仪器，不同功能的设备在硬件、结构等方面差异很大，因此生产调试的工作量很大，而且对调试人员的专业理论知识要求也高，需要调试人员掌握专门的理论知识，以及仪器原理，不同器件的特性等。鉴于以上原因，进行虚拟谐波测试仪的研制，为用户制造一种统一的综合多功能测试设备，以解决传统的单功能谐波测试仪在上述方面存在的不足。所以，进行基于虚拟仪器的谐波分析仪乃至多功能谐波测试设备的研制和开发是非常必要的。进行虚拟谐波测试的的开发具有以下诸多社会经济意义：1测试成本的降低
7、2测试效率的提高3测试系统更加紧凑4远程测试5仪器可以定制或自制12谐波问题的提出近年来，随着全球工业化进程的不断加快，对地球环境的污染和破坏也空前加剧。为此，在全世界范围内掀起了环境保护的热潮。电力系统也是一种“环境”，也面临着污染，公用电网中的谐波电流和谐波电压就是对电网环境最严重的一种污染。谐波对公用电网和其它系统的危害大致可以归纳如下：1使电网中的元器件产生附加的谐波损耗，如使电动机引起附加损耗、发热增加，过载能力、使用寿命和效率降低，产生脉动矩阵。另外降低了发电、输电及用电设备的效率，大量的3次谐波电流流过中性线会导致中线过热甚至发生火灾。2谐波电流在输电线路上的压降会使用户端的电压
8、波形产生严重的畸变，影响电气设备的正常工作。谐波使电容器、电缆等设备过热、绝缘老化，寿命缩短，一直损坏。3容易使电网与用于补偿电网无功功率的并联电容器发生局部并联或串联谐振，造成过压或过电流，使电容器绝缘老化，甚至引起严重事故。据统计，由于谐波问题引起的电容故障占电容总故障的71一83。4导致继电保护和自动装置误动作，并使电气测量仪表计量不准，影响计量精度。5谐波一般通过电容耦合、电磁感应及电气传导三种对临近的通信系统产生干扰，载频低的信号受影响更大。轻者产生噪声，降低通信质量，重者导致信息丢失，使通信系统无法正常工作，甚至会发生危及设备和人身安全的事故。因此，谐波研究对于减轻直至消除这些危害
9、，对于供电和用电设备的节能，乃至于对整个社会能源利用率的提高，都具有极其重要的意义。1.3国内外研究现状谐波检测是谐波问题中的一个重要分支，准确、实时检测出电网中瞬态变化的畸变电流、电压，对抑制谐波有着重要的指导作用，是进行继电保护、判断故障点和故障类型等工作的重要前提。目前，电力系统谐波检测主要是通过谐波电流的测量来实现，它主要有以下几种方法：(1)采用模拟带通或带阻滤波器检测(2)基于瞬时无功功率的谐波检(3)基于傅立叶变傅立叶变换的方法(4)自适应谐波电流检测法(5)基于神经网络的谐波检测(6)基于小波变换的谐波检测综上所述，带通滤波是早期模拟式谐波检测装置的基本原理；瞬时无功功率理论可
10、用于谐波的瞬时检测和无功补偿等谐波治理领域；傅立叶变换是目前谐波检测中应用最多、应用最广泛的基本理论依据；神经网络理论和小波分析方法应用于谐波测量是目前正在致力研究的新方法和新理论，它可以提高谐波测量的实时性和精度。根据不同情况合理选择谐波检测方法，为谐波分析提供详细、准确、实时的数据和信号，是提高检测效果、改善电能质量的重要一步。国内外对这方面的研究都比较重视，在线谐波检测的理论和应用正在不断发展。随着各种先进技术和理论的应用，特别是计算机在谐波检测中的具体使用，谐波检测的实时性和精度要求一旦解决，相信电网谐波检测技术将逐渐得到发展和完善。1.4 本文研究意义与内容通过对谐波分析仪研究现状的
11、分析可以得出传统的谐波分析仪的成本高，装置体积庞大，自动化程度低，数据不集中，有的无法存入计算机，难以进行相关分析，且大量的信号采集工作重复化的问题；并且其采集的数据不能够代表各次谐波真正的幅值等。所以针对以上问题，本文选择以LabVIEW开发平台来设计一个虚拟谐波分析仪，采用LabVIEW所自带的图形化编程功能和函数模块对谐波进行相关分析，使其能够对谐波信号进行频谱分析、功率谱分析及各次谐波的时域分析。2 虚拟仪器概述2.1虚拟仪器概念虚拟仪器概念最先由美国国家仪器公司(National Instruments Corporation，简称NI)在20世纪80年代年提出。所谓虚拟仪器，就是以
12、计算机为硬件平台，由用户定义设计其功能，由测试软件来实现其测试功能，用计算机显示器的显示功能来模拟传统仪器的控制面板的一种计算机系统。使用者用鼠标或键盘操作虚拟面板，就如同使用一台专用测量仪器一样。因此虚拟仪器的出现，使测量仪器与计算机的界限模糊了。虚拟仪器实质是把计算机资源和仪器硬件的测控能力相结合来实现仪器的功能运作。在其主导产品LabVIEW中将图形化语言加以实现，较完善地结合了图形的美观易用和文本语言的强大灵活。虚拟仪器技术已被越来越多的科学工作者所认同，它在许多方面已经突破传统仪器的概念，仪器的功能和作用已经发生了质的变化。虚拟仪器与传统仪器的比较见表21。表2.1 虚拟仪器与传统仪
13、器的比较2.2 虚拟仪器开发语言LabVIEW简介LabVIEW是实验室虚拟仪器工程工作平台(Laboratory Virtual Instrument Engineering Workbench)的缩写8，是美国国家仪器公司(National Instruments)在1986年推出的一种革命性的图形编程语言一G语言(Graphical Programming Language)，它采用的是数据流编程模式。是一种所见即所得的编程方式，它有别于基于文本语言的线性结构，不像C和basic等语言受众多的语法规则所限制，简单直观，极大节省程序开发时间。在LabVIEW中执行程序的顺序是由模块之间的数
14、据流决定的，而不是传统文本语言的按命令行次序连续执行的方式。简言之，LabVIEW功能强大、灵活方便。它与传统编程语言又有着诸多相似之处，如相似的数据类型、数据流控制机构、程序调试工具等。但二者最大的区别在于：传统编程语言是用文本语言编程，而LabVIEW用图形语言(即，各种图标、图形符号、连线等)编程。LabVIEW也提供传统程序语言(如C语言)的接口，对于其自身不易或不擅长完成的任务，可通过利用其它编程语言来实现。从而最终增强了LabVIEW的整体功能。2.2.1 LabVIEW程序设计原理LabVlEW的基本程序单位是虚拟仪器(Virtual Instruments或者VI)。可以通过图
15、形编程的方法，建立一系列的VI，来完成用户指定的测试任务。对于简单的测试任务，可以由一个VI完成；对于一项复杂的测试任务，则可按照模块设计的概念，把测试任务分解为一系列的任务，每一项的任务还可以分解为多项小任务，直至把一项复杂的测试任务变成一系列的子任务。设计时，先设计各种VI，以完成每项子任务，然后把这些VI组合起来以完成更大的任务，最后建成的顶层虚拟仪器就成为一个包括所有子功能虚拟仪器的集合。LabVIEW可以调用，把自己创建的VI程序当作一个VI子程序节点，以创建更复杂的程序，且这种调用是无限制的。LabVIEW中各VI之间的层次调用结构如图2.1所示。可见，LabVIEW中每一个VI相
16、当于常规程序中的一个子程序。顶层V1中间层V1底层V1底层V1底层V1底层V1中间层V1中间层V1图2.1LabVIEW层次调用结构2.2.2 LabVIEW的应用LabVIEW在包括航空、航天、通信、汽车、半导体和生物医学等世界范围的众多领域内得到了广泛应用，从简单的仪器控制、数据采集到尖端的测试和工业自动化，从大学实验室到工厂，从探索研究到技术集成，都可以发现应用LabVIEW的成果和开发产品。1 LabVIEW应用于测试与测量LabVIEW已成为测试与测量领域的工业标准，它提供了工业界最大的仪器驱动程序库，同时还支持通过Internet、ActiveX、DDE和SQL等交互式通信方式实现
17、数据共享，它提供的众多开发工具使复杂的测试与测量任务变得简单易行。2 LabVIEW应用于过程控制和工业自动化LabVIEW强大的硬件驱动、图形显示功能和便捷的快速程序设计，为过程控制和工业自动化应用提供了优秀的解决方案。3LabVIEW应用于实验室研究与自动化LabVIEW为科学家和工程师提供了功能强大的高级数学分析库，包括统计、估计、回归分析、线性代数、信号生成算法、时域和频域算法等众多科学领域，可满足各种计算和分析需要。3 数据采集和谐波分析理论3.1数据采集理论基础众所周知，在数据采集系统中，信息总是用离散的信号来表示的，而在生产和科学研究中经常遇到的各种信息，如温度、压力、流量等都是
18、连续的信号，这就遇到了模拟信号如何转换为数字信号的问题。把模拟信号转换成数字信号的过程称为模数转换，它主要包括：采样、量化、编码三个过程：1采样采样是指用每隔一定时间的信号样值序列来代替原来在时间上连续的信号x(t)，也就是在时间上将模拟信号离散化。采样即在时间轴上对信号数字化；经过采样后的模拟信号，简称为采样信号。2量化量化是用有限个幅度值近似原来连续变化的幅度值，即把模拟信号的连续幅度变为有限数量的、有一定间隔的离散值。即在幅度轴上对信号数字化3编码则是按照一定的规律，把量化后的值用二进制数字表示。即按一定格式记录采样和量化后的数字数据。在实际工作中，信号的抽样是通过模数转换器(AD)来实
19、现的。通过AD，将连续信号x(t)变成数字信号x(t)，的傅立叶变换x(t)变成X(e)。AD转换原理如图31所示：采样量化编码 x(t) 图3.1A/D转换原理图为保证采样后信号不失真。采样频率必须大于信号中最高频率的两倍，这称之为采样定理。如图32所示，由于不满足采样定理信号产生了混叠。信号的采样定理是连结离散信号和连续信号的桥梁，是进行离散信号处理与离散系统设计的基础。图3.2 信号正常采样和欠采样3.2 DFT和FFT计算原理目前，对电力系统畸变波形的分析通常采用频域分析法。对于本文研究的谐波测试各项指标参数的计算，具体地讲，是在离散采样的基础上广采用快速傅立叶变换(FFT)将电压、电
20、流模拟信号经过数据采集卡(DAQ)采样得到的数字信号中各次谐波在频域中分离，求出各次谐波频率，并得到各次谐波下电压电流的幅值、频率和有效值，然后计算出谐波畸变率。另外，如果考虑时间因素，还可计算出各次谐波的有功功率、无功功率。这样就实现了对谐波的各项指标参数的测量分析。由于快速傅立叶变换(FFT)是离散傅立叶(DFT)的一种快速算法。下面首先介绍DFT；然后研究如何采用FFT，实现电能质量各项指标参数的计算。3.2.1离散傅立叶变换(DFT)计算原理对于周期性连续的时间信号x(t)，用指数形式的傅立叶级数可以表示为：x(t)=X(0)+X(1)e+X(2)e+X(k)e+X(-1)e+X(-2
21、)e+X(-K)e+= （3.1）式中等，x(k)为复数。由指数函数的正交性，我们可以得出傅立叶级数的各项系数公式： （3.2）令X(k)=e,则有X(-k)=e=由此可知：幅频特性是频率的偶函数，即x(k)=Ix(-k)l；相频特性是频率的奇函数，即在式(3-2)中取，则 (3.3)由以上结论式(3-3)可变为： (3.4)式中k=0，1，2，3又由于=，所以离散频谱x(足)也是以N个离散点为周期，由此可以引出离散傅立叶变换。由于X(k)具有周期性，我们只取X(k)其中一个周期的序列，即0N-1的采样值，这时X(k)为： k=0,1,2,3.N-1 (3.5)离散傅立叶变换在信号处k理=0领
22、域具有及其重要的意义，主要体现在：由于计算机硬件限制，同时也没必要无限长地对输入信号进行采样，因此，实际采样所得到的离散时间序列是有限长的离散时间序列。这时，可构造一个周期性的离散时间序列，使其在每个周期内的离散时间序列都和有限长的离散时间序列相同。采用离散傅立叶变换原理，只取周期性的离散时间序列其中的一个周期序列的采样值进行分析即可。对于本分析仪，假设对信号进行N次采样，采样率是f，采样信号的时域表示为x(n)其中0nN-1，(注：x(n)代表电压信号材u(n)或电流信号(n)，为分析方便，一律用x(n)表示。)则相邻采样间隔为，对这N个采样点进行离散傅立叶变换，极坐标形式的表达式： (3.
23、6)其中：k=0，12N-1，。输出的结果X(k)就是x(n)的频域显示。与时域中之间的时间间隔类似，在频域中相邻采样点间也存在频率间隔： (3.7)它是频域显示的相邻谱线之间的频率间隔，也称为分辨率。在这里简要分析一下f的取值：根据采样定理，为避免信号在采样后各次谐波频谱彼此不重叠，必须使采样频率至少是原模拟信号频谱中最高频率的二倍，被称为奈奎斯特频率。在本谐波测试仪中，只考虑1-50谐波，因此频率高于50*50Hz的谐波可用低通滤波器将其过滤掉。由于不可能制造出截止特性非常陡锐的低通滤波器，所以在之间要有一个保护带，因为当频率稍高于五时仍有小部分信号分量存在，这时，如果只取=2以则在所产生
24、的副瓣频谱将有一小部分和有用信号频带重叠引起失真。因此，采样率必须稍大于理想的最小值。3.2.2快速傅立叶变换(FFT)计算原理上述计算属于直接计算离散傅立叶变换(DFT)，按(3-6)式计算某个x(k)值需要N次x(n)形式的复数乘法及N-1次的复数加法的运算。x(k)共有N个点(K从0取到N-1)，所以完成DFT的总计算量则为次复数相乘及N(N一1)次复数相加。当N很大时，所需的运算工作量非常可观。本测试系统中，若N=1000，则需要1000，000即一百万次的复乘运算，显然不满足谐波在线监测对时间的要求，因此，在本监测系统中采用按时间抽取的FFT算法。FFT算法要求采样点数N必须是2的整
25、数幕，即，n为整数。如果不满足此条件，可以人为加上若干零值点来达到。本监测系统中N=1000，可以加上24个零值点使得1000+24=1024=，这种N为2的整数幂的FFT也称为“基2FFT”。由(3.1)式定义，将输入信号序列戈(胛)按n的奇偶分成两个子序列： r=0,1,2,3. (3.8)则式(3.6)可化为: X(k)= n为偶数 n为奇数 =+ =+ (3.9)由于，则上式可变为：X(k)=+ =X(k)+W (3.10)式（3-10）中的和是和DFT。它表明了一个N点的DFT被分解为两个点的DFT，由W系数的周期性，即：W= W可得： X= (3.11)即： (3.12)同理得：
26、(3.13)式(3.12)与式(3.13)说明后半部分k值所对应的，则是完全重复了前半部分k值所对应的和值。另外又考虑到的对称性 （3.14）将式(3.12)(3.13)(3.14)代入式(3.11)中，就可将表达成前后两部分：K=0的前半部分： X(k)=X k=0,1,2,3 (3.15)K=的后半部分： X K=0,1,2 (3.16)由上述分析可见只要求出(0到N/2-1)区间内的各个整数k值所对应的、值，即可求出（0到N-1)区间内的全部值，这就是FFT能够大量节省计算的关键所在。经验证，FFT算法较直接计算DFT的计算量减少一、二个数量级，而且随着N的增大，优点更加突出。3.3谐波
27、分析理论3.3.1谐波定义国际上公认的谐波含义为：谐波是一个周期性电器量的正弦波分量，其频率为基波频率的整数倍。由于谐波的频率是基波频率的整数倍数，我们也常称之为高次谐波。在国际电工标准中(IEC555-2，1982)、国际大电网会议(CIGI冱)的文献中对谐波也有了明确的定义：谐波分量为周期量的傅里叶级数中大于1的n次分量；IEEE标准中的定义为：谐波为一周期波形量的正弦波分量，其频率为基波频率的整数倍以上定义明确了有关谐波性质的下列几个问题：1、谐波次数n必须是一个正整数。例如，我国的电力系统额定频率为50Hz，则其基波为50Hz，二次谐波为100Hz，三次谐波为150Hz。n不能为非整数
28、，因此也不能有非整数谐波：2、必须严格区别谐波现象和暂态现象为了区分谐波和暂态现象，根据傅立叶级数的基本理论，被变换的波形必须是周期性的。虽然实际上很难完全做到，因为电力系统负荷是变动的，而负荷的变动会影响系统中谐波含量，但在实际分析中只要被分析的现象或情况持续一段适当的时间，就可以应用傅里叶变换。因此，需要区分清楚什么是谐波现象(波形保持不变)和什么是暂态现象(每周的波形都发生变化)。3.3.2谐波分析原理有关谐波的数学分析在13世纪和19世纪就已奠定了良好的基础，傅立叶等人提出的谐波分析方法至今仍被广泛应用。目前，谐波测量最常用的方法为离散傅里叶变换(DFT)和快速傅里叶变换(FFT)。离
29、散傅里叶变换的计算量与变换区间的长度N的平方成正比。谐波分析时，为保证计算精度，N取值较大，因此计算量很大。快速傅里叶变换是离散傅里叶变换的快速算法，它能使DFT的运算效率提高12个数量级，因此在谐波分析中广泛采用。对电力系统谐波分析的主要目的是测量电力系统中高次谐波的含量15：包括各次谐波的频率、幅值和相位，畸变波形的周期电压、电流有效值，谐波相对基波的幅值比例(常称为总谐波畸变率THD)，基波信号相对噪声(或谐波信号)的均方值比例(即SINAD)，当然基波的频率和幅值也是谐波分析必然要测量的。进一步还可以包括有功功率、功功率、视在功率、功率因数。由于电力系统的谐波分析重点在于测量周期信号波
30、形的畸变情况，所以，谐波分析还经常被称作波形畸变分析。为了定量表示电力系统波形偏离程度，采用以各次谐波含量和谐波总量大小来表示下列波形畸变指标。第k次谐波电压的含有率： HRU （3.17）第k次谐波电流的含有率： HRU (3.18)总的谐波畸变率(Total Harmonc Distortion THD)，可以通过下式计算得到。电压总谐波畸变率： (3.19)电流总谐波畸变率： (3.20)对随时间变化的电压信号U(t)、电流信号(t)进行离散化采样，得到离散化序列、系统在被测交流信号的一个周期内对其进行N次采样，测得离散的采样值、，可得交流电压、电流有效值为： U(3.21) I(3.2
31、2)单相有功功率为： （3.23）式中，N=为采样时间间隔。三相总有功功率： + （3.24） 三相总视在功率：S=+ (3.25)三相总的功率因数： Cos (3.26) 3.4 非同步采样和频谱混叠的处理3.4.1 软件二次采样实现近似同步采样由于对信号的频谱分析采用了快速傅里叶变换(FFT)，为提高测试精度，必须解决由于FFT自身特点带来的信号的频谱泄露问题。抑制频谱泄露的关键是对信号的采样必须是同步采样。为了简化硬件设计，采用软件二次采样的方法，将非同步数据进行二次采样处理，得到近似同步采样数据。软件二次采样实现近似同步采样的具体方法如下：设信号频率为，采样频率(非同步)为则相邻两采样
32、点(非同步采样点)的时间间隔为： (3.27)式中，由于采样频率固定，而信号频率可变，故所通常为小数。根据FFT算法要求，采样点数必须为2(n为整数)。设二次采样点数为N(N=2，n为整数)，则相邻两个二次采样点(同步采样点)之间的时间间隔应为： (3.28) 二次采样点的求取分两步：第一步，计算二次采样点相对非同步采样点的位置。设与采样点序列为，二次采样点穴列为,用坐标的形式表示为，序列(j=0,1,2M-1)和( =0,1,2N-1)设二次采样点位于非同步采样点和之间，则 (INT为取整函数) （3.29）距离的时间差为： =+ (330)第二步，求取二次采样点的幅值，以确定二次采样点的位
33、置。如图3.3所示。 图3.3 直线插值示意图 根据数值分析理论，当非同步采样点Q，和Q之间的时间间隔非常小时，可以用两采样点连线上的点来近似原信号上的点4，即直线插值，易得二次采样点的插值公式为： =+（-）3.4.2频谱混叠的处理对周期为T的连续信号做等间隔的N点采样时，采样周期为TN，对应的采样频率为为周期信号频率的N倍。设原信号的最高谐波频率为，则采样频率必须满足才能正确的表示原信号的信息，这就是采样定理。通常将采样频率的一半称为奈奎斯特频率。当采样频率低于2倍的奈奎斯特频率()时，原信号中高于2的频谱分量将会在低于2频率中再现，即会出现频谱混叠，使频谱分析出现误差。对于信号中高T于2
34、的信号频率成分，可采用数字抗混叠滤波的方法，迫使信号通过一个有限带宽的低通滤波器，该滤波器的的低截止频率为奈奎斯特频率，这样就可以将采样后得到信号中高2的信号频率成分滤除。鉴于本仪器的频率测量范围要考虑最高分析N50次谐波，所以抗混叠滤波器的高端截止频率应该为50謇50-2500HZ。由于LabVIEW自带了很多类型的滤波器，我们可以通过选择其滤波器类型，然后进行设置它的低端截止频率和高端截止频率，就可以满足我们的要求。针对由非同步采样和频谱混叠引起的误差，本文采用软件二次采样和滤波技术，分别用来减小来自非同步采样和频谱混叠的误差，这样不仅简化了硬件而且提高了谐波测量的精度。第四章谐波测试仪的
35、软件设计功能强大的软件是虚拟仪器的核心。本文采用NI公司新开发的软件LabVIEW86来设计各模块程序框图。LabVIEW是一种图形化编程软件，它具有多种开发工具，内置测量和控制函数，具有广泛的计算对象，也是目前发展最快的图形化软件开发集成环境。41系统软件框图设计系统软件框图如图41所示，各部分功能介绍如下：1数据采集模块：从数据采集卡中读入采样数据到计算机；2数据处理模块：对电力系统谐波的各参数进行实时计算；3数据存取模块：存取采样得到的电压、电流数据；4其他各功能模块：显示各参数测量的结果，并输出对应的电压和电流波形。图4.1 系统软件框图对于本谐波测试仪的设计，具体的设计方案如下：1列
36、出系统需要测量的参数，包括基本的电压有效值、电流有效值、功率、功率因素、频率、各次谐波的频率和幅值、总谐波畸变率等；2设计各个被测参数的具体测量方法，关于各个参数的测量方法可以参考本文的第三章；3设计每个功能模块的前面板，前面板根据具体所要显示的内容来设计。列出每个功能模块需要显示的内容，根据所要显示的内容设计各个功能模块的前面板；4按照所测参数的具体测量方法设计每个功能模块的框图程序。每个功能模块设计时设计成子VI，既可以单独运行，又可以被其他程序调用。这样既便于独立模块的调试工作，又方便了整个系统在后续中的修改和完善，使系统具有更强的移植和升级能力。42 基于LabVIEW的虚拟谐波分析仪
37、的设计根据谐波仪的设计思路，可以得出整个谐波分析仪的系统流程图如图4.2所示：波形发生器产生信号信号参数设置读取信号信号预处理（滤波、加窗）信号分析结束开始图4.2程序设计流程图从图4.2可以看出，该系统通过波形发生器产生测试信号，并对信号通过加窗和数字滤波进行预处理。信号分析部分主要是进行谐波分析、频谱分析和功率谱分析，通过谐波分析可观察到各次谐波的幅值、频率和谐波的畸变率情况，频谱分析可观察信号的基波与各次谐波的分布情况，功率谱分析可观察信号在各个频率点上的功率分布。由此设计出谐波分析仪的框图程序如图4.3所示和谐波分析仪前面板如图4.4所示。在此基础上将分别对谐波信号的产生、谐波分析程序
38、、各次谐波的时域、频谱和功率谱进行相关分析。 图4.3 谐波分析仪框图程序图4.4 谐波分析仪前面板4.2.1谐波信号的产生在仿真中采用一方波信号进行相关分析，如图4.5所示。其方波的基频设为20Hz，幅值为1V。则可以求出其方波的傅里叶级数为：， （4.1）即 （4.2）图4.5 谐波信号产生程序4.2.2 谐波分析程序图4.6 谐波分析框图程序图4.6为谐波分析框图程序，本程序将谐波信号经过低通滤波器滤波，这里要注意的是200.00为低通滤波截止频率，应满足00.5，这里为采样率。然后通过Harmonic Distortion Analyzer.vi(谐波畸变分析)得出谐波幅值。同时，在滤
39、波后经过一Hanning Window.vi(汉宁窗)加窗，并通过Auto Power Spectrum.vi得到谐波的自功率谱，最后通过Harmonic Analyzer.vi进行谐波分析得出谐波频率、%THD和%THD+Noise值。4.2.3 各次谐波的时域分析如图4.7可以得出此谐波信号的各次谐波的幅值，基波幅值为1.2734v，二次谐波幅值为0，三次谐波幅值为0.4250v，四次谐波幅值为0，。将设计的虚拟谐波分析仪测得的实验值与理论值进行比较，如表4.1所示。可以看出理论值与测量值相差较小，由此证明了所设计的虚拟谐波分析仪的精度较高。图4.7 谐波幅度显示前面板表4.1 幅值的理论
40、值与测量值对比谐波次数(次)理论值（v）测量值(v)误差（v）11.273241.2734-0.0001630.4244130.4250-0.00058750.2546480.2554-0.00075270.1818910.1825-0.00060990.1414710.1416-0.000129110.1157490.11470.001049130.09794150.09490.0030415如图4.8及图4.9可以得出此谐波信号的各次谐波的频率，基波频率为20Hz，二次谐波频率为40Hz，三次谐波频率为60Hz，四次谐波频率为72Hz，。图4.8 谐波频率显示前面板图4.9各次谐波频率和幅
41、度值如图4.10可以得出谐波的畸变率%THD为41.4908。在此用公式并利用各次谐波的幅值可以计算出谐波的总畸变率%THD。这里取8次谐波的幅值来计算该谐波的总畸变率：%THD=41.4918通过计算得出测量值与计算值非常接近，在允许的误差范围之内，所以可以得出此谐波分析仪能够较准确的测量出谐波信号的相关参数。图4.10 谐波畸变率分析4.2.4 频谱分析图4.11 谐波频谱分析的前面板设计图如图4.11和图4.12所示，为谐波信号的频谱分析。此频谱分析程序首先将谐波信号采用汉宁窗函数加窗，通过FFT Power Spectrum.vi计算信号的功率谱密度，然后将输出值解包得到信号的幅值和频
42、率，再将得到的幅值和频率经过Spectrum Unit Conversion.vi进行谱单位转换，经过Power & Frequency Estimate.vi求出功率谱的峰值功率所对应的频率，即基频。最后将经过Spectrum Unit Conversion.vi进行谱单位转换后的值与得到的频率打包通过一选择结构显示出频谱分析结果。此系统线性显示了信号的频率与幅值的关系。从图中可以直接得出谐波的基频20Hz，所对应的基波幅值为1.27v，以及各次谐波的频率，幅值关系。图4.12 谐波频谱分析的框图程序由式（4.1）可以得到谐波的频谱函数为4.2.5 功率谱分析图4.13 谐波功率谱分析前面板设计图图4.14 谐波功率谱分析框图程序此谐波分析的功率谱分析程序非常简单，这也体现了LabVIEW图形化程序设计编程的简易性。从图4.13和图4.14可以看出程序仅将谐波信号通过Hanning Window.vi和Auto Power Spectrum.vi就可以得出谐波的功率谱。4.