基于仿真仪器的电网谐波测量系统设计研究

杨 光，季 浩，何业慎，薛伟东，梁 琨

(1.国网福建省电力有限公司 信息通信分公司，福建 福州 350001；2.深圳市国电科技通信有限公司，



基于仿真仪器的电网谐波测量系统设计研究

杨 光1，季 浩1，何业慎2，薛伟东2，梁 琨3

(1.国网福建省电力有限公司 信息通信分公司，福建 福州 350001；2.深圳市国电科技通信有限公司，

广州 深圳 518000；3.天津科技大学 计算机科学与信息工程学院，天津 300457)

智能电网中各种各样的用电设备的频繁开闭操作，会给电力载波通信带来谐波干扰，从而影响了公用电网的安全，因此测量并预防谐波干扰是电力通信的重要课题。该设计采用仿真仪器技术、信息通信技术、计算技术、仪器仪表测量技术等，利用仿真仪器及LabVIEW软件，开发建立电网谐波测量系统。系统实现了对电压的基波及各次谐波的幅值、频率、占有率及谐波总畸变率(THD)等参数的测量，并实时显示测得的电压波形和各次谐波的频谱分布。实验结果表明，系统设计正确、有效，为电网谐波的监测提供了可靠的理论依据，同时为今后的工程实践与教学提供了一定的技术储备，具有极大的现实意义。

电网谐波；仿真仪器；FFT；谐波测量

1 仿真仪器优势分析

仿真仪器是基于计算机的软硬件测试平台，通过LabVIEW软件将计算机资源与仿真仪器硬件有机的融合，充分发挥仿真仪器自身的测量优势及计算机自身强大的计算处理能力，大大缩小了传统仪器测量的成本，适合电网谐波测量的具体环境。

仿真仪器是用户自定义的专用仪器系统，结构简单、功能灵活、容易构建、扩展方便，适合在科研、开发、测量、检测、计量、测控等领域应用，符合“硬件软件化”的复用发展趋势，且具有操作灵活，符合传统设备的使用习惯。仿真仪器不但可以构建自动测量系统，而且具有广泛的扩展功能，也可以建设自动控制系统。因此，仿真仪器与传统仪器相比，具有以下几个方面优势：

1) 仿真仪器充分利用计算机自身强大的软硬件资源，弥补了传统仪器在数据显示、加工处理、数据存储等方面的先天不足，为传统仪器拓展了广泛的发展空间。

2) 软件是仿真仪器的核心，利用计算机自身的软件资源，扩展仿真仪器功能，实现了硬件实验软件化发展，既节省了实验需要的物质资源，同时也增加了仿真系统的灵活性。

3) 仿真仪器采用了基于计算机总线技术，实现了模块化、系列化，缩小了仿真系统的实验尺寸，同时仿真仪器可以与外部设备和网络连接，从而扩展了自身的功能，进一步方便了构建模块化的仿真应用系统。

4) 仿真仪器自身硬、软件具有开放性、重复性、互换性等优点，使仿真仪器系统的开发更为灵活、快捷。

仿真仪器与传统仪器在仿真实验中的对照如表1所示：

2 电网谐波测量系统架构设计

基于仿真仪器的谐波测量系统首先由数据采集卡采集电网信号源，然后通过LabVIEW软件处理，通过计算机模拟显示信号中的谐波分量，最后将谐波分量进行数据参数化处理后保存在数据库中，供其他软件后续处理。信号采集如图1所示：

表1 虚拟仪器与传统仪器之间的不同

图1 信号采集处理

由图1可以看出，计算机是系统的核心部件，信号显示和信号处理等功能均由软件实现，仿真仪器采集信号工作原理如图2所示：

图2 采集信号原理

基于仿真仪器的电网谐波测量系统包括硬件模块和软件模块两部分，其中软件模块主要由数据采集模块、信号调理模块、数据存储与回放模块、数据分析处理模块四个模块组成，即可实现信号源电压电流的波形显示、频谱分析、波形存储和打印等功能。系统功能结构如图3所示：

图3 系统功能结构

3 DAQ数据采集卡信号采集流程

数据采集(DAQ)是一种实现数据采集功能的计算机扩展卡，可以实现从传感器或待测设备模拟被测实验单元，实现采集电量信号或非电量信号，然后将信号传送至上位机中进行分析、处理。数据采集卡可以通过USB、PCI、PCMCIA、ISA、485、232、以太网及无线网络等总线技术接入到个人计算机。数据采集卡的核心任务是产生和测量物理信号，主要包括模数转换和数模转换，以及计数器或定时器等数字信号的输入输出。数据采集核心由传感器、信号调理电路和数据采集设备组成。系统硬件结构如图4 所示：

图4 系统硬件结构

信号源产生信号后，传感器将来自信号源的各类电参数按需要转换成小电压弱电流的弱电信号送入信号调理电路，信号调理电路对传感器输出的电信号进行放大、衰减、匹配、滤波等处理，将电压和电流信号转换为适合数据采集卡采集的4～20 mA电流信号，实现数据高速采集，便于数据的存储与处理，保证了测量的精确度，最后计算机捕获相应的数字信号进行处理。

4 谐波测量模块

4.1 信号采集模块

谐波采集模块主要包括五个模块，分别是基于FFT的测量模块、信号采集模块、数据处理模块、基于乘法器的测量模块、集成主界面。数据采集模块功能结构如图5所示：

图5 数据采集模块功能结构

信号采集模块的核心部件是信号采集卡。设置信号采集卡缓存区，调用LabVIEW的高级模拟功能，即可以实现信号的连续采集和实时分析。依据奈奎斯特定律，电网谐波采样频率需要满足：

fs≥2f1n

(1)

式中，n表示谐波的次数，取正整数；fs计量单位为sps，表示采样频率；f1表示基波的频率，计量单位为Hz。

4.2 谐波分析模块

基于仿真仪器的电网谐波测量系统捕获到信号后，将数据传送至谐波分析模块进行计算与分析。该模块包括基波频率测量、谐波相位计算、乘法运算、谐波幅值计算四项基本功能。谐波分析需要计算各次谐波电压含有率，计算如公式(2)所示：

(2)

谐波分析模块各个功能详细描述如下：

1)基波测量：首先对采集通道编号，然后设置采样率和采样点数，最后测量基波频率、相位和幅度。

2)采集谐波实现乘法运算：基波频率的整数倍就是各次谐波的频率，在LabVIEW中产生正、余弦信号，然后实现信号之间的乘法，获取乘法结果中的直流分量。

3)计算谐波相应参数：计算出结果平均值后，将该值输入谐波分析模块，然后利用LabVIEW软件就可得到谐波的相位、电压含有率、幅值等相关参数。

4.3 FFT的谐波监测算法

FFT(Fast Fourier Transformation)，即为快速傅里叶变换，是离散傅氏变换(DFT)的快速算法，是谐波测量模块的核心，该变换是根据离散傅氏变换的奇、偶、虚、实等特性而进行改进的算法。通过对模拟信号离散化采样处理而得到离散化的数字序列，通过计算机进行傅里叶变换，分析模拟信号的基波及谐波的有效值。如果已知N点有限长序列X(n)，n=0，1，…，N-1，那么它的DFT公式如公式(3)所示：

(3)

从公式(3)可以判断出，DFT计算量很大，大约需要N2次乘法和N2次加法计算。谐波检测分析最重要的特征量包括各次谐波含有率、总畸变率THD、谐波含量等。谐波含量的数学表达式如公式(4)所示：

(4)

式中，Uh为谐波含量电压；Ih为电流有效值。

谐波含有率描述该次谐波有效值和基波有效值的百分比，用HR表示，数学表达式如公式(5)所示：

(5)

式中，Un为第n次谐波电压；In为第n次电流有效值；U1为基波电压；I1为电流的有效值。

谐波总畸变是指周期性交流量中的谐波含量与其基波分量之比，THDu为电压谐波总谐波畸变率，THDi为电流谐波总畸变率，计算公式如公式(6)所示：

(6)

谐波分析模块是谐波测量系统的核心模块，按照公式(3)—(6)的定义，编写相应的求解程序，以图形的方式通过计算机即可直观、快速、准确的显示谐波的频谱和幅值等数据信息。

5 实验结果分析

为了验证检测系统软件程序谐波分析的可行性和测量精度，通过导入仿真信号序列至仿真谐波检测仪来进行检验。在电网谐波测量系统主界面当中，包括基波测量模块、基于乘法器的谐波测量模块、基于FFT法的谐波测量模块以及数据管理模块。主界面程序框图如图6所示：

图6 主界面程序框图

以基于乘法器的谐波测量模块为例，检测其可行性及测量结果的准确性。首先，系统输入是由功率信号发生器产生的方波信号，并进行测量。然后，通过将方波进行傅立叶分解式得到基准值，将本系统测量的结果与基准值进行比较，如图7所示。图7中横轴为谐波次数，纵轴为谐波幅值。

图7 谐波测量结果比较

系统利用LabVIEW自带的函数发生器，对10 V、频率为50 Hz，含有噪声的方波信号进行谐波分析，当取谐波次数为19时，可以清楚观察到信号的基波与各次谐波的分布情况以及由编程算法算出总谐波畸变率(THD)为13.15%。通过功率谱分析，信号在各个频率点上的功率分布情况，且大部分能量都集中在基波频率阶段，而其他能量则分散在其他谐波分量上。最后实验结果表明，基于仿真仪器的电网谐波监测系统可以对信号进行波形显示、谐波分析、功率谱分析等功能，基本上实现了对谐波的准确测量。

6 结 语

该设计是基于仿真仪器的电网谐波监测系统的设计，该系统具有良好的人机界面，仪器操作简便，测量精度也比较高，明显提高了谐波测量的可扩展性和灵活性。实现对电压的基波及各次谐波的幅值、频率、占有率及谐波总畸变率(THD)等参数的测量，并实时显示测得的电压波形和各次谐波的频谱分布。实验结果表明，该设计的正确性和有效性得到了验证，为电网谐波的监测提供了可靠的理论依据。同时，为今后工程实践与教学提供了一定的技术储备，具有极大的现实意义。

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(责任编辑 魏静敏 校对 张 凯)

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

杨光(1981-)，女，天津人，工程师。

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

TP273

A

1673-1603(2017)02-0188-05