1、2 0 2 3年 第5期基 于L a b V I E W的 动 车 组 谐 波 分 析 系 统唐 可,张 皓 惟(柳 州 铁 道 职 业 技 术 学 院,广 西 柳 州 454616)摘 要:为 了 检 测 动 车 组 牵 引 变 流 系 统 谐 波 是 否 污 染 电 网,文 中 基 于 图 形 化 编 程 语 言LabVIEW设 计 了 一 种应 用 于 动 车 组 的 谐 波 检 测 系 统,该 系 统 主 要 实 现 动 车 组 牵 引 变 流 系 统 谐 波 参 数 的 实 时 检 测 和 离 线 检 测。通 过 小 功率 交 直 交 牵 引 变 流 系 统 实 验 平 台 进 行
2、实 验,并 与DL-850示 波 器 检 测 结 果 进 行 对 比,实 验 表 面,该 系 统 操 作 方 便快 捷、响 应 速 度 快、性 能 稳 定、精 度 高,能 为 动 车 组 牵 引 变 流 系 统 系 统 电 能 质 量 监 测 提 供 依 据。关 键 词:动 车 组;牵 引 变 流 系 统;谐 波;LabVIEW 中 图 分 类 号:U265 文 献 标 识 码:A 文 章 编 号:1674-957X(2023)05-0088-03H a r m o n i c A n a lys i s Sys t e m o f E M U B a s e d o n L a b V I
3、E WTangKe,ZhangHao-we i(L i uzhouRa i lwayVo c a t i ona landTe chn i c a lCo l l ege,L i uzhou545616,Ch i na)A b s t r a c t:I no r d e rt od e t e c twh e t he rt h eha rmon i c so ft h et r a c t i onc onv e r t e rs y s t emo ft h eEMUpo l l u t et h epowe rg r i d,ah a rmon i cd e t e c t i ons
4、 y s t ema pp l i e dt ot h eEMUi sd e s i gn e db a s e dont h eg r a ph i c a lp r og r ammi ngl angu a g eLab-VIEW.Th i ss y s t emma i n l yr e a l i z e st h er e a l-t imed e t e c t i ona ndo f f l i n ed e t e c t i ono ft h eh a rmon i cp a r ame t e r so ft h et r a c t i onc onv e r t e r
5、s y s t emo ft h eEMU.Thee xp e r ime n ti sc a r r i e dou tont h ee xp e r ime n t a lp l a t f o rmo ft h esma l lpowe rAC-DC-ACt r a c t i onc onv e r t e rs y s t em,andc omp a r e dwi t ht h ed e t e c t i onr e s u l t so ft h eDL-850o s c i l l o s c op e.Th ee xp e r ime n t a lr e s u l t
6、ss howt h a tt h es y s t emi se a s yt oop e r a t e,f a s ti nr e s pon s e,s t ab l ei np e r f o rma n c eandh i ghi na c c u r a c y,a ndc anp r ov i d eab a s i sf o rt h epowe rqu a l i t ymon i t o r i ngo ft h eEMUt r a c t i onc onv e r t e rs y s t em.K e y w o r d s:EMU;Tr a c t i onconv
7、e r t e rs ys t em;Ha rmon i c;LabVIEW基 金 项 目:(1)2020年 度 广 西 高 校 中 青 年 教 师 科 研 基 础 能 力 提 升 项 目“动 车 组 随 车 电 能 质 量 检 测 装 置 开 发”(2020KY44021)“高速 动 车 组 弓 网 离 线 电 弧 的 特 性 及 其 影 响 研 究”(2020KY44007);(2)2022年 度 柳 州 铁 道 职 业 技 术 学 院 课 程 思 政 教 改 项目“动 车 组 运 用 与 管 理”课 程 思 政 教 学 策 略 研 究 与 实 践 探 索(2022-KCSZ-JGC11)
8、;(3)2022年 柳 州 铁 道 职 业 技 术 学院 校 级 项 目“城 轨 车 辆 系 统 动 力 学 性 能 研 究”(2022-KJC05)作 者 简 介:唐 可(1992),女,湖 南 长 沙 人,硕 士 研 究 生,轨 道 车 辆 运 行 控 制 及 自 动 化。0 引 言截 至2022年6月 底,中 国 国 家 铁 路 集 团 有 限 公 司 共配 属 动 车 组3404列,全 国 铁 路 营 业 里 程 从2012年 的9.8万 公 里 增 长 到2022年 的15.5万 公 里,其 中 高 铁 从0.9万 公 里 增 长 到4.2万 公 里,稳 居 世 界 第 一,铁 路
9、迎 来 发 展最 快、最 安 全 稳 定 的 历 史 阶 段。动 车 组 数 量 和 动 车 组 速度 不 断 攀 升,相 应 的 大 功 率 设 备 也 越 来 越 多,其 产 生 的 谐波 问 题 会 加 剧 对 电 网 的 污 染,从 而 影 响 供 电 系 统 的 电 能质 量。因 此 有 必 要 对 动 车 组 大 功 率 牵 引 变 流 系 统 进 行 谐波 检 测,掌 握 其 电 能 质 量 情 况,从 而 保 证 动 车 组 安 全、优质 运 行。LabVIEW使 用 的 是 图 形 化 编 辑 语 言G编 写 程序,它 广 泛 地 被 工 业 界、学 术 界 和 研 究 实
10、验 室 所 接 受,视为 一 个 标 准 的 数 据 采 集 和 仪 器 控 制 软 件。LabVIEW可以 方 便 地 建 立 自 己 的 虚 拟 仪 器,利 用 其 开 发 的 谐 波 检 测系 统 成 本 低、易 开 发,能 有 效 对 动 车 组 谐 波 进 行 检 测,且操 作 简 单、便 捷、开 发 速 度 快1。文 中 详 细 分 析 了 谐 波 检测 的 原 理 和 方 法,在 小 功 率 交 直 交 牵 引 变 流 系 统 实 验 平台 进 行 了 测 试,并 与DL850示 波 器 检 测 结 果 进 行 了 对比,实 验 结 果 表 面,该 系 统 操 作 方 便 快 捷
11、、响 应 速 度 快、性能 稳 定、精 度 高,能 为 动 车 组 牵 引 变 流 系 统 系 统 电 能 质 量监 测 提 供 依 据。1 系 统 总 体 设 计 方 案动 车 组 谐 波 检 测 系 统 主 要 由 硬 件 部 分 和 软 件 部 分 组成,实 现 对 动 车 组 谐 波 的 实 时 检 测、离 线 检 测、数 据 储 存 和分 析 等 功 能。系 统 根 据 动 车 组 供 电 电 压、频 率 大 小、用 电环 境 等 情 况 选 择 合 适 的 硬 件,其 中 硬 件 部 分 主 要 包 括 电压、电 流 传 感 器、数 据 采 集 卡 及 计 算 机。系 统 软 件
12、部 分 利用LabVIEW模 块 化 及 多 线 程 的 编 程 逻 辑 进 行 设 计,软 件部 分 包 括 谐 波 参 数 实 时 检 测 分 析、数 据 存 储 及 离 线 分 析。系 统 总 体 设 计 方 案 如 图 所 示1。图1 系 统 总 体 设 计 方 案1.1 硬 件 设 计文 中 设 计 的 系 统 硬 件 主 要 包 括 电 流 传 感 器、电 压 传 感器、数 据 采 集 卡 及 计 算 机,实 现 对 数 据 的 采 集、分 析 和 存储。在 小 功 率 交 直 交 牵 引 变 流 系 统 网 侧 连 接 电 压、电 流 传8 8DOI:10.19475/ki.is
13、sn1674-957x.2023.05.014内 燃 机 与 配 件 w w w.n r j p j.c n感 器,通 过 数 据 采 集 卡 进 行 电 压、电 流 信 号 采 集。为 了 采集 信 号 精 准、响 应 迅 速,并 结 合 动 车 组 工 作 环 境 选 择 对 传感 器、数 据 采 集 卡、通 信 传 输 介 质 等 进 行 了 选 择。1.1.1 传 感 器 选 择动 车 组 内 部 电 磁 环 境 复 杂、干 扰 强,电 流、电 压 传 感 器不 仅 灵 敏 度 需 保 证 在 测 量 范 围 内,其 输 出 误 差 和 响 应 时 间应 尽 可 能 小。本 系 统 电
14、 流、电 压 传 感 器 选 择 应 符 合 表1要 求。表 1 电 流、电 压 传 感 器 技 术 要 求/电 流 传 感 器 电 压 传 感 器基 本 误 差 0.4%1%线 性 误 差 0.1%0.1%零 点 输 出 误 差 0.4mA 0.2 5mA响 应 特 性 1us 4us带 宽 0 1 5 0kHz 0 1 0 0kHz1.1.2 数 据 采 集 卡 选 择数 据 采 集 卡 通 过 电 流、电 压 传 感 器 对 电 量 信 号 进 行 采集,采 集 之 后 将 信 号 送 到 上 位 机,对 信 号 进 行 分 析 和 处 理。数 据 采 集 的 实 现 是 通 过 数 据
15、 采 集 卡 来 完 成 的。动 车 组 牵引 变 流 系 统 脉 冲 整 流 开 关 频 率 达 到 上 千 赫 兹,本 系 统 设 定为5kHz以 下 的 电 流、电 压 谐 波 畸 变 率。因 此 要 求 数 据 采集 卡 具 有 相 对 较 高 的 采 样 率,以 此 保 证 数 据 不 失 真。本 系统 数 据 采 集 卡 选 择 应 符 合 表2要 求。表 2 数 据 采 集 卡 技 术 要 求/数 据 采 集 卡接 口 形 式 USB模 拟 输 入 3 2 路模 拟 输 出 4 路采 样 率 1MHz计 数 器 3 2 路数 字I/O 4 8 路1.1.3 通 信 传 输 介 质
16、 选 择在 进 行 数 据 采 集 时,传 输 速 率 需 求、传 输 距 离 远 近 不同 选 择 的 通 信 传 输 介 质 也 不 同。动 车 组 环 境 负 杂,有 较 大的 电 磁 干 扰,在 数 据 传 输 过 程 中 受 到 电 磁 干 扰 会 使 得 信 号衰 减、失 真 等,从 而 影 响 系 统 检 测 的 可 靠 性。通 过 对 比 双绞 线、同 轴 电 缆、光 纤 的 基 本 性 能,本 系 统 选 择 传 输 速 率 较高、抗 干 扰 性 能 较 好、传 输 数 据 相 对 稳 定 的 同 轴 电 缆 作 为信 号 传 输 介 质。双 绞 线、同 轴 电 缆 及 光
17、缆 的 基 本 性 能 比 较如 表3所 示。表 3 双 绞 线、同 轴 电 缆 及 光 缆 的 基 本 性 能 比 较双 绞 线 同 轴 电 缆 光 缆传 输 速(bps)9.6k 2M 1 4 5 0M 1 0 5 0 0M连 接 方 式 多 点、点 到 点 多 点、点 到 点 点 到 点传 输 距(km)1.5 1 0 5 0传 输 信 号 基 带 宽 带 宽 带抗 干 扰 性 好 很 好 极 好1.2 软 件 设 计软 件 部 分 主 要 包 括 实 时 检 测 系 统 和 离 线 分 析 系 统,基于LabVIEW语 言 的 易 开 发、操 作 及 显 示 便 捷 等 特 点,来完
18、成 对 信 号 的 运 算、分 析 和 处 理 工 作,并 使 用 计 算 机 的 显示 器 代 替 传 统 仪 器 的 控 制 面 板,可 以 通 过 柱 状 图 显 示 检 测结 果,也 可 通 过EXCLE表 格 导 出 检 测 结 果,从 而 实 现 所需 的 各 种 测 试 功 能 完 成 对 系 统 软 件 部 分 的 设 计。2 谐 波 分 析 原 理 及 程 序 设 计2.1 谐 波 分 析谐 波 最 早 被 发 现 是 因 为 使 用 静 止 汞 弧 变 流 器 而 造 成了 电 压、电 流 波 形 的 畸 变。谐 波 危 害 十 分 严 重,会 使 电 能的 生 产、传 输
19、 和 利 用 效 率 降 低,使 电 气 设 备 过 热、产 生 振 动和 噪 声,并 使 绝 缘 老 化,使 用 寿 命 缩 短,甚 至 发 生 故 障 或 烧毁。谐 波 可 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。谐 波 还 会 引 起 继 电保 护 和 自 动 装 置 误 动 作,使 电 能 计 量 出 现 混 乱。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。不 少 国 家 和 国 际 学 术 组 织 都 制 定 了 限 制 电 力
20、系 统 谐 波 和用 电 设 备 谐 波 的 标 准 和 规 定。动 车 组 运 行 速 度 高,如 若 因谐 波 问 题 造 成 动 车 组 行 车 事 故,后 果 将 不 堪 设 想。因 此,动 车 组 技 术 标 准 中 也 对 谐 波 制 定 了 严 格 的 标 准 和 规 定。谐 波 分 析 理 论 有 很 多,包 括 基 于 小 波 变 换 理 论 的 谐 波 分析、基 于 模 拟 滤 波 器 的 谐 波 分 析、基 于 人 工 神 经 网 络 理 论的 谐 波 分 析、基 于 瞬 时 无 功 功 率 理 论 的 谐 波 分 析 和 基 于 傅里 叶 变 换 的 谐 波 分 析 等
21、。基 于 傅 里 叶 变 换 的 谐 波 分 析 是最 经 典 也 是 应 用 最 多 的 分 析 方 法,经 过 科 研 人 员 的 长 期 实验 和 改 进,也 是 目 前 最 成 熟 的 谐 波 分 析 方 法2。因 此,本文 设 计 的 动 车 组 谐 波 检 测 系 统 选 择 此 方 法 对 牵 引 变 流 系统 的 谐 波 产 生 机 理 进 行 分 析。谐 波 畸 变 率 的 计 算 方 法 可 以 用 如 下 所 示 公 式 表 示:H R U n表 示n次 电 压 谐 波 含 有 率,H R U n=U nU1100%(1)H R I n(Ha rmon i cRa t i
22、 o I n)表 示n次 电 流 谐 波 含 有 率,H R I n=I nI1100%(2)T H D表 示 总 谐 波 畸 变 率,T H D n=U nU1100%=Nn=2U2nI1100%(3)T H D n=I nI1100%=Nn=2I2nI1100%(4)式 中:U n 第n次 电 压 谐 波 有 效 值;U1 基 波 电 压 有效 值;I n 第 次 谐 波 电 流 有 效 值;I 1 基 波 电 流 有 效 值。2.2 程 序 设 计在LabVIEW中 进 行 程 序 编 写 时,采 用 的LabVIEW中 自 带 的 高 度 集 成 的FFT模 块。将 小 功 率 交 直
23、 交 牵 引 变流 实 验 平 台 采 集 的 电 流 电 压 信 号 读 入LabVIEW,经 过 用条 件 结 构 搭 建 的 信 号 选 择 器 选 择 将 要 进 行 分 析 的 某 个 电压 或 者 电 流 通 道,将 该 通 道 信 号 数 据 输 入 谐 波 失 真 分 析VI,就 可 以 得 到 直 流 分 量、基 波 分 量 以 及 各 次 谐 波 分 量,进 而 得 到 各 次 谐 波 的 含 有 率,并 在XY图 中 以 柱 状 图 形 式显 示 出 各 次 谐 波 对 应 的 谐 波 含 有 率,柱 状 图 边 设 置 一 数 值选 择 框,选 择 对 应 的 谐 波
24、次 数,就 可 同 步 更 新 对 应 于 该 次谐 波 的 含 有 率3。再 经 过 进 一 步 编 程 计 算 就 可 分 别 得 到电 流、电 压 的 总 谐 波 畸 变 率,根 据 国 标 规 定 及 铁 路 行 业 标准 设 置 限 值,当 谐 波 总 畸 变 率 超 过 限 制 时,程 序 中 设 计 的9 82 0 2 3年 第5期警 示 灯 即 从 绿 灯 变 成 红 灯,并 会 伴 有 闪 烁 和 蜂 鸣。谐 波 分 析 程 序 框 图 如 图2所 示。图2 谐 波 分 析 程 序 框 图3 实 验 结 果 分 析本 文 在 小 功 率 交 直 交 牵 引 变 流 系 统 实
25、 验 平 台 上 进 行实 验,该 试 验 台 网 侧 额 定 电 压 为380V单 相 交 流 电,频 率为50Hz。在 小 功 率 交 直 交 牵 引 变 流 系 统 实 验 平 台 电 机 侧接 入 电 流 传 感 器 和 电 压 传 感 器,通 过 数 据 采 集 卡 采 集 电流、电 压 信 号。经 过 多 次 实 验 结 果 得 出 当 选 择 采 样 频 率 为1000Hz时,采 集 的 信 号 最 为 完 整,信 号 既 不 失 真 也 没 有 产生 混 叠。通 过LabVIEW所 设 计 的 谐 波 分 析 程 序 对 电 流、电 压 信 号 进 行 谐 波 测 量,电 流、
26、电 压 谐 波 总 畸 变 率 如 表3所 示,与DL-850示 波 器 实 验 结 果 如 表4所 示。实 验 结 果 表 明:采 用 文 中 所 设 计 的 动 车 组 谐 波 检 测 系统 对 小 功 率 交 直 交 牵 引 变 流 系 统 实 验 平 台 进 行 谐 波 检 测,并 与DL-850示 波 器 检 测 结 果 进 行 对 比,误 差 率 极 小。说 明 文 中 所 设 计 的 动 车 组 谐 波 检 测 系 统 方 案 可 行。表 3 动 车 组 谐 波 检 测 系 统 实 验 结 果工 况 电 压 谐 波 总 畸 变 率(%)电 流 谐 波 总 畸 变 率(%)工 况
27、1 4.9 4%3.1 2%工 况 2 3.3 5%2.5 3%工 况 3 4.7 2%2.7 4%工 况 4 4.2 7%2.2 6%工 况 5 2.4 4%1.8 9%工 况 6 2.2 1%2.0 2%工 况 7 3.5 5%1.6 5%工 况 8 4.6 7%4.8 9%工 况 9 4.3 1%4.1 5%表 4 D L-8 5 0 示 波 器 实 验 结 果工 况 电 压 谐 波 总 畸 变 率(%)电 流 谐 波 总 畸 变 率(%)工 况 1 4.7 3%3.4 5%工 况 2 3.5 6%2.7 3%工 况 3 4.4 7%2.4 5%工 况 4 4.1 2%2.8 5%工 况
28、 5 2.3 5%1.4 2%工 况 6 2.2 3%2.7 7%工 况 7 3.5 9%1.8 7%工 况 8 4.8 2%4.9 0%工 况 9 4.7 3%4.5 9%4 结 束 语本 文 基 于LabVIEW设 计 了 一 款 动 车 组 谐 波 检 测 系统,能 够 实 现 对 动 车 组 牵 引 变 流 系 统 进 行 谐 波 检 测,为 动车 组 电 能 质 量 检 测 提 供 依 据。实 验 表 明 系 统 测 试 结 果 可靠、相 应 速 度 快,能 满 足 动 车 组 电 能 质 量 检 测 分 析 需 求。参 考 文 献:1 张 贵 鹏,王 庆 峰,徐 利 华,李 相 强,张 健 穹,车 永 旺.基 于LabVIEW的 动 车 组 电 能 质 量 监 控 分 析 系 统 J.仪 表技 术 与 传 感 器,2022:48-51.2 谭 莲 子.基 于 小 波 变 换 的 含STATCOM的 供 电 系 统 谐波 分 析 D.上 海 工 程 技 术 大 学,2019.3 唐 可.牵 引 变 流 系 统 运 行 品 质 监 测 研 究 D.大 连 交 通大 学,2017.0 9
