1、1基于 LabVIEW DSP 模块的手持式电力谐波分析仪研究谢勃1，卫志农1，陈斌2( 1.河海大学电气工程学院，江苏省南京市210098；2.江苏省电力科学研究院，江苏省南京市210036 )摘 要 ： 本文提出一种基于全功能可视化 DSP 设计工具LabVIEW DSP 模块的手持式电力谐波分析仪开发方案 。方案以 32位浮点 DSP芯片为核心对准同步采样的数据进行数字滤波 、 加窗和 FFT 等算法运算 。 通过充分利用LabVIEW DSP 模块的交互性 、 易用性和集成资源以及DSP 芯片强大的数据处理能力 ， 研究开发具有数据采集 、实时分析 、 结果显示 、 数据保存及与其它设
2、备通信等功能的谐波分析仪 ， 达到缩短开发周期 、 降低开发难度 、 减小仪器体积 、 提高仪器性能 、 方便功能扩展等目的 。 同时 ，本文还指出日益发展的虚拟仪器技术 ， 在电力系统中的将有更广阔的应用前景 。关键词 ： 谐波分析 ； LabVIEW DSP 模块 ； DSP； 准同步采样 ； FFT0 引言随着电力电子技术的广泛应用 ， 非线性负荷的容量日趋增大 、 数量日趋增多和工作时间不确定形成了多谐波源的运行特点 1， 使谐波问题日显突出 ， 电能质量下降 ， 给电网中设备的安全可靠运行带来了 极大的危害 ， 同时也给传统测量方法及常用工频仪表的使用带来了一系列的影响 。因此有必要
3、对电网谐波进行治理 。治理谐波的先决条件是从电网中方便 、 实时和准确地对电网谐波含量进行测量与分析 。 过去对于不同目的的谐波测量 ， 往往需要采用不同的测量分析仪器 ， 有时甚至在同一项目中测量和分析需要分别采用不同的仪器 。 这样不但测试设备繁多 、 利用率低 、 测试成本高 ， 而且也给测量和分析工作带来诸多不便 2。 为此 ， 本文引入虚拟仪器技术的思想和设计方法 ， 对具有强大数据处理能力的 32 位浮点 DSP 芯片直接进行图形化编程 ， 建立一个主要由软件完成各 项测试功能的多功能手持式电力谐波分析仪 ， 以满足多方位 、 多需求的电力谐波测量和分析需要 。1 LabVIEW和
4、 LabVIEW DSP模块近年来 ， 计算机技术的发展为虚拟仪器的发展和应用奠定了基础 ， 使传统的以硬件为主体的检测仪器迅速向虚拟仪器方向发展 。 目前公认的代表虚拟仪器技术最高水平的是美国 NationalInstrument Corporation 生产的系列产品 ， 主要有LabVIEW 、 LabWindows/CVI 及 MeasurementStudio 开发平台 。LabVIEW是创建虚拟仪器系统的理想工具 ， 它为用户提供了一个简单易用的程序开发环境 ， 尤其适合于从事科研开发的科学家 、 工程技术人员 ， 被誉为工程师和科学家的语言 3。 新版 LabVIEW(如7.1和
5、 8.0等版本 )及其附加模块 ， 不仅将广泛的数据采集 、 分析 、 显示 、 仿真和网络通讯等功能集中在了同一个环境中 ， 让用户可以在自己的平台上无缝地集成一套完整的应用方案 ， 还为用户提供了 包括台式操作系统 、 实时操作系统 、 便携式 PDAs(个人电子助理 )、 FPGA(现场可编程门阵列 )和 DSP等广泛的应用平台 4。LabVIEW DSP模块 是一个全功能的 DSP算法和系统的设计 、 实现与分析的工具 ， 基于 LabVIEW可视化程序环境 ， 生成专为数字信号处理器优化的应用程序 。 与 LabVIEW集成 ， 功能相当强大 ， 是 DSP开发的新思路 。 特点包括
6、 4：(1) 将 LabVIEW 的核心性能扩展至可直接利用信号处理函数 (包括数百个内置分析和开发函数 )和编程组件 ( 如频谱分析和滤波 ) 对 TI 的TMS320C6711和 C6713 DSK以及 NI SPEEDY-33进行编程 ， 无需单独的 DSP 编译器 。 且不必重写代码即可在支持的 DSP 目标之间切换 ， 具有多DSP 目标的代码移植性 。(2) 全面支持 Express VI 功能 ， 具有 图形化和系统级的选择来对 DSP 设备进行编程 ， 具有面向未来设计的代码模块性和独立应用开发能力等 。(3) 可更快地减少反复的设计周期和总体的开发时间 ， 并且在实时地对目前
7、的 DSP 硬件 作 出改变的同时马上显示结果 。(4) 具有易于访问 DSP 目标的模拟和数字 I/O 线以及满足实时交互需要的交互式 GUI， 可以建立实时的应用程序 。2 仪器硬件设计方案仪器结构如图 1 所示 ， 主要由电流和电压传2感器 、 采样保持和模数转换单元 、 数据处理单元(DSP)、 存储单元 、 显示单元及扩展接口等几个部分组成 。2.1 电流和电压传感器传统的电压 、 电流传感 器常采用电磁型互感器 ， 但其动态响应慢 ， 传递频带窄 5， 会产生相移 (0.1 0.3 )、 磁滞和饱和等现象 ； 霍尔传感器虽然具有快速的动态响应和传递频带宽等特性 ， 但输出的温度漂移
8、很大 、 精度不高 、 价格较高 ， 所以都不宜采用 。 经过多方面比较 ， 本文最终选择包含信号调理电路的电流传感器 SCT354和电压传感器 SPT304。 两者都是精密传感器 ， 分别将电流信号和电压信号隔离变换成适当的电压信号 ， 后面均可不处理直接接 A/D 采样电路 ， 响应带宽 均为 20 4000Hz， 且 都具有精度高 、 相移小 (不大于 5)、 体积小等特点 6。2.2 采样保持及模数转换单元将模拟信号转化为数字化的系列电平信号将会引入 A/D 转换的量化误差 e：REFb 1Ve2 1 (1)其中 ， VREF 是输入电压满量程值 ， b 是 A/D转换器输出二进制数的
9、位数 。 为减小量化误差 ，应尽量选用位数多的 A/D 转换器 。 因需测量较高次数的谐波 ， 为避免出现混叠现象 ， 保证数据采样精度 ， A/D 转换器还要具有较高的采样频率 。此外 ， 还要考虑通道数 、 转换时间等指标 。 本文选用了 TI 公司提供的适合电力系统电气量测量的六路 、 高速 、 低功耗 、 十 六位模数转换器ADS8364。 其六路输入通道分成 A、 B、 C 三组 ，每组两个通道 ， 分别由 HOLDA 、 HOLDB 、 和HOLDC 来启动转换 ， 三组正好分别对应输入的三相电压和电流模拟量 。 ADS8364 内部集成了六个 ADC 并且每个通道均具有采样保持器
10、 ， 能以250 kHz 的采样频率同时对六通道信号采样并进行转换 ， 且六个通道的数据输出接口电压介于2.7V 到 5.5V 之间 ， 便于与 DSP 直接接口 ， 省去了中间的电平转换 7。2.3 数据处理单元 (DSP)影响仪器实时性的主要因素是 FFT的数据分析计算时间 ， 因此选择具有高速的实时信号处理能力的 DSP芯片是提高仪器实时性的关键之一 。 本文采用了 TI公司 的 32位浮点型 DSP芯片 TMS320C6711作为核心处理器件 。 该芯片是 TMS320C6000系列中性价比较好的一款 ， 200MHz时钟时完成 1024点的FFT算法的时间只要 66s， 比传统的 D
11、SP芯片要快一个数量级 ； 该芯片采用 TI公司专利的超长指令字结构 ， 片内具有两级 Cache； 具有 8/16/32bit的高性能外部存储器接口 (EMIF)， 提供了与 SDRAM、SBSRAM和 SRAM等同步 /异步存储器的直接接口 ；片内集成多种外设 ， 如多通道 EDMA控制器 、 多通道缓冲串口 (McBSP)、 32 bit通用计数器和可访问DSP的整个存储空间的主机口 (HPI)7。 本仪器采用TMS320C6711芯片作为主处理器 ， 正是充分利用其强大的信号分析处理能力 ， 以满足实时性的设计要求 。3 仪器软件开发软件采用模块化结构设计 ， 不仅为开发带来方便 ，
12、也为日后仪器的调试和升级带来方便 。 而且 ，利用 LabVIEW DSP模块能将图形化 开发环境下开发的程序直接下载至 DSP硬件设备 ， 无需单独的DSP编译器 ， 操作非常方便 。 在软件的设计及实现过程中 ， VI的概念得以体现和应用 ， 灵活 、 高效的开发特点也得以显现 。3.1 数据采集模块数据采集模块使用一组开发软件内置的高级模拟输入函数 ， 采用循环缓冲区的方式 ， 实现对信号的连续采集 ， 实时分析 。 为防止缓冲区中未被读取的数据被提前覆盖掉 ， 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 ， 对连续信号的采样频率
13、fs(每一通道独立采样频率 )需满足奈奎斯特采样理论 ， 即 ：s 1 maxf 2f n (2)而工程应用中 ， 为保证数据采样精度 ， 一般留有一定的裕度 8：s 1 maxf (46)f n (3)其中 ， f1为基波频率 (50Hz)， nmax为最高谐波次数 。A 相电压A 相电流B 相电压B 相电流C 相电压C 相电流存储器扩展接口采样保持和模数转换单元DSP电压传感器电压传感器电压传感器电流传感器电流传感器电流传感器显示单元图 1 仪器硬件结构框图Fig.1 Block Diagram of Hardware Circuit33.2 准同步采样模块目前 ， 谐波分析中通常采用 F
14、FT 算法 ， 得到准确结果的前提是同步采样 。 由于实际电网中基波频率总是波动的 ， 而且用于测量的仪器不可能不存在误差 ， 就目前技术即使采用复杂的硬件同步电路也很难实现严格的同步采样 ， 且采用硬件实现开销较高 ， 还不利于减小仪器的体积和重量 。因而 ， 本文选择了经典的准同步采样算法来实现减少误差的目标 。准同步采样测量的最大特点是去掉了同步环节 ， 利用增加每周期的采样点数和增加采样周期 ，较好地解决了同步误差对测量准确度的影响问题 。 文献 9较详细介绍了其基本原理 ， 这里只给出该算法的递推公式 ：x 2k k 1x1F (x) F (x)dx2 (4)式中 ， Fk(x)是周
15、期信号 f(x)一周期内平均值的第 k 次递推估计结果 ， 是同步偏差 ； 积分上下标中 x， 与 Fk(x)中的 x 意义相同 ， 而与 Fk-1(x)及 dx 中 x 意义不同 。为了便于用计算机处理 ， 用求和代替积分 ， 使得算法离散化 。 最终递推估计结果是一系列连续等间隔采样值的加权平均 ：w wk1 i i i iw ki 0 i 0ii 01 1F f fN (5)其中 ， k 是采样周期数 ， N 是采样点数 ， i为权系数 ， w 由积分方法定 ， 采用复化梯形时w=kN， 采用复化矩形时 w=k(N 1)。准同步采样采样周期不要求与信号周期严格同步 ， 即准同步采样对第一
16、次采样点无任何要求 ； 此方法允许信号周期有小范围的波动 ， 即 不大 ， N 个采样点落在区间 2+ 上 ， 但只要满足条件 ： N(2+ )n/2， 其中 n 为高次谐波次数 ，该方法仍有效 ， 且收敛速度非常快 ， 在电网谐波测量中 ， 正好符合网频在小范围内波动的实际情况 。3.3 数字滤波模块现场谐波测量过程中存在不同的干扰信号 ，所以除了采用良好的屏蔽措施和硬件滤波外 ， 还必须使用数字滤波技术对采集到的电压 、 电流信号进行处理 。 数字滤波能够在程序中控制 ， 具有高效 、 稳定和可预知等特性 ， 无温度和湿度漂移 ，无需精度补偿 ， 有很高的性价比 ， 适合于实时处理 10。
17、 LabVIEW DSP 模块集成了最新的 NILabVIEW 数字滤波 器设计工具包 ， 使滤波器的设计更加轻松 。本文采用 FIR滤波器对高频带干扰信号进行滤波 。 设计 FIR滤波器最简单的方法是窗函数法 ， 但设计出的滤波器效率不高 。 另一种设计 FIR滤波器的 方 法 是 使 用 Parks-McClellan 算 法 11 ，Parks-McClellan算法将加权后的纹波均匀分配到通带和阻带中去 ， 并且频率响应拥有陡峭的过渡带 ，此种方法设计出的滤波器较优 。 虚拟仪器开发工具提供了 Parks-McClellan滤波器函数 ， 在软件中可直接调用 ， 设置好相关参数即可 。
18、 但需注意 ， 滤波器的设计部分和执行部分是分开的 ， 因为滤波器的设计很费时间 ， 而滤波过程则很快 。 一般在含有循环过程的程序中 ， 将滤波器设计放在循环外 ， 将设计好的滤波系数传递到循环中 ， 在循环内只进行滤波处理 ， 以提高程序的运行效率 。 Parks-McClellan.vi只计算数字 FIR滤波器的系数 ， 并不执行滤波功能 ，需与 Convolution.vi联用滤波 ， 即将输出系数与信号进行卷积 。3.4 信号加窗处理模块由于在谐波分析中使用快速傅立叶变换 FFT存在频率泄漏问题 ， 影响了谐波测量的精度 。 为此 ，在输入信号经数字滤波后通过选择适当的窗函数抑制长范
19、围泄漏 。 也就是将采样 信号与窗函数相乘 ， 窗函数的幅度变化很平滑 ， 并且在边缘处逐渐趋近于零 。 虚拟仪器开发工具提供了海明窗 、 汉宁窗 、 三角窗 、 布拉克曼窗等十多种窗函数 。 本文选择了汉宁窗 ， 其减少泄露的效果比较好 ， 计算量小 ，应用比较广泛 。 汉宁窗的定义为 11：i iy 0.5x (1 cos ),i 0,1, , N 1 (6)其中 ， 2i/N， N 为信号样本量 。3.5 谐波测量与分析模块谐波测量与分析是软件部分的核心 。 求模拟信号连续频谱的一般方法是对它作傅立叶变换 。 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 立叶级数 1
20、2：0 n nn=10 n nn=1f(t) a (a cosn t b cosn t)A A cos(n t ) (7)式中 ， 2/T， T为 f(t)的周期 。4T2T0 02T2Tn2T2Tn21A a f(t)dtT2a f(t)cosn tdtT2b f(t)sinn tdtT An和 n分别为 各频率成分的振幅和初相角2 2n n n n n nA a b , arctan( b / a ) 可知 ， 非正弦波是由直流分量 A0、 基波和一系列频率为基波频率整数倍的正弦波 (谐波 )构成 。基于 FFT的谐波测量是应用最多也是最广泛的一种方法 ， 它提高了频谱分析时的计算效率 ，
21、减少了计算机内存的占用 ， 精度较高 ， 功能较多 ，使用方便 。 本 文正是利用开发软件提供的一组函数来编写虚拟谐波测量程序 。 它的自功率谱函数(Auto Power Spectrum. vi)用 FFT 求出采集时域信号的单边自功率谱 。 在这个基础上谐波分析函数(Harmonic Analyzer. vi)对信号进行谐波成份分析 ， 给出各次谐波的频率和幅值 ， 以及总谐波畸变率 。 谐波电压总畸变率 THDU(%)定义为 ：2HU H nn=21UTHD 100%, U UU (8)式中 ， Un为第 n 次谐波电压有效值 ， U1 为基波电压有效值 。 电流谐波总畸变率 THDI(
22、%)定义与电压谐波总畸 变率类似 。 为获得功率因数 ， 采取了测试电压和电流之间相位差的办法 ， 计算公式如下 ：1 u i2 f (l l )cos cosN (9)式中 是电压与电流相量间的相位角 ， lu和li 分别是一对相邻电压峰值和电流峰值在采样序列中的位置 ， f1 为基波频率 。 程序中使用了LabVIEW 的 Peak Detector 函数 。 如果还需计算出其它的量 ， 还可以通过自编简单的程序来实现 。如第 n 次谐波电压含有率按下式编程 ：nn1UHRU 100%U (10)4 实 验结果仪器经过调试后 ， 在实验条件下进行了测试 。由于没有标准谐波源 ， 主要对一个
23、非线性负荷 （ 主体部分为不可控二极管整流器 ） 进行测量 。 同时 ，为进行误差分析 ， 以 Fluke 电能质量分析仪同时刻测量到的数据作为标准 。 多次实验结果显示 ，THDU绝对误差不大于 0.005%， 相对误差不大于0.208%， THDI 绝对误差不大于 0.010%， 相对误差不大于 0.034%， 其它量的相对测量误差也都小于或接近 0.2%， 精度较高 ， 实现了仪器的设计要求 。5 结束语本文提出的基于 LabVIEW DSP 模块以 32 位浮点 DSP 芯片为核心的 手持式电力谐波分析仪开发方案具有如下的主要特点 ：(1) 通过 LabVIEW DSP 模块为 DSP
24、 芯片进行图形化编程 ， 无需单独的 DSP 编译器 ， 而且即使并不熟悉 DSP， 该模块的交互性和易用性也能帮助开发者轻松快速地创建应用程序 4 ， 降低了开发难度 。(2) LabVIEW DSP 模块附带了内容广泛的信号处理算法库 ， 以用于应用程序的设计 、 测试和建模 4， 且应用程序 改变的同时 可 马上显示结果 。Express VI 使开发更轻松 ， 有助缩短开发时间 。(3) 仪器具有数据采集 、 实时分析 、 结果显示 、数据保存及与其它设备通信等丰富功能 ， 但采取了以软件代替硬件 ， 选择体积小 、 重量轻的硬件等措施 ， 竭力减小了仪器体积 。(4) 利用 DSP
25、芯片强大的数据处理能力 ， 仪器性能得到提高 ： 可分析的谐波次数高 ， 测量精度高 ， 数据分析时间短 ， 实时性好 ， 测量分析功能丰富 。(5) 采用了模块化设计 ， 所以在现有基础上进一步开发谐波分析的高级功能或向智能化发展以及实现测控一体化都将非常方便 。虚拟仪器技术非常适合应用于谐波测量等高要求的工程测量领域 ， 它给测量系统的开发与集成带来了极大的便利 。 随着虚拟仪器技术的日益发展 ， 其在电力系统中的应用也将越来越广泛 。参考文献1 余健明 ,李春莹 .基于多 谐波源动态运行的配电网滤波装置优化配置 J.电网技术 ,2005,29(6):22-26.2 黄纯 ,江亚群 ,孙梓
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