應(yīng)用領(lǐng)域：電力行業(yè) 挑戰(zhàn)：傳統(tǒng)的電能質(zhì)量校驗(yàn)設(shè)備功能固定，人工操作復(fù)雜，而且隨著校準(zhǔn)項(xiàng)目的增加，需要增加相關(guān)儀器；操作及數(shù)據(jù)記錄都非常不便，而采用虛擬儀器技術(shù)，大大縮小了儀器硬件的成本和體積，提高校準(zhǔn)測(cè)試的自動(dòng)化水平，徹底改變傳統(tǒng)計(jì)量單位手工測(cè)量、人工操作、人工計(jì)算的狀態(tài)。 應(yīng)用方案：使用NI的LabVIEW圖形化開(kāi)發(fā)環(huán)境、數(shù)據(jù)采集卡及GPIB總線構(gòu)建自動(dòng)化測(cè)試系統(tǒng)，并通過(guò)不同的軟件模塊實(shí)現(xiàn)具有多種校準(zhǔn)功能，大大增強(qiáng)了系統(tǒng)的自動(dòng)化程度、可靠性和準(zhǔn)確性。該校準(zhǔn)裝置可完成電能質(zhì)量分析測(cè)量?jī)x器的頻率偏差、交流電壓有效值偏差、閃變值及諧波（間諧波）含有率等主要電能質(zhì)量各項(xiàng)技術(shù)指標(biāo)的校準(zhǔn)工作。 使用的產(chǎn)品： LabVIEW 7.0 PCI-4474 動(dòng)態(tài)信號(hào)采集卡 PCI-GPIB 儀器通信接口 介紹: 隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)建設(shè)的發(fā)展，電力系統(tǒng)中的非線性負(fù)荷、沖擊負(fù)荷使電網(wǎng)的污染日趨嚴(yán)重，各種類型的電能質(zhì)量分析儀被投入使用。為保證這些設(shè)備測(cè)試、分析的準(zhǔn)確，借鑒對(duì)計(jì)量器具的管理經(jīng)驗(yàn)，對(duì)電能質(zhì)量測(cè)試分析設(shè)備進(jìn)行校準(zhǔn)就顯得非常必要。本文介紹了基于LabVIEW的電能質(zhì)量校驗(yàn)裝置的功能原理、硬件結(jié)構(gòu)、測(cè)試軟件的設(shè)計(jì)思想，以及應(yīng)用LabVIEW軟件的實(shí)現(xiàn)方法。 一、系統(tǒng)原理概述 系統(tǒng)組成原理圖見(jiàn)圖1。其基本原理是：由虛擬儀器測(cè)試平臺(tái)通過(guò)GPIB卡控制任意波形發(fā)生器產(chǎn)生諧波信號(hào)、正弦波調(diào)制信號(hào)或方波調(diào)制信號(hào)，經(jīng)電壓、電流功率放大器放大到目標(biāo)電壓、電流值，然后由數(shù)據(jù)采集卡從放大器輸出端采取信號(hào)進(jìn)行分析，計(jì)算諧波幅值及電壓波動(dòng)量，監(jiān)視信號(hào)源的變化情況。隨后，將輸出信號(hào)與計(jì)量標(biāo)準(zhǔn)表進(jìn)行對(duì)比分析，根據(jù)分析結(jié)果對(duì)軟件程序中的波形參數(shù)進(jìn)行修正，從而使加載到被測(cè)設(shè)備上的信號(hào)達(dá)到某一目標(biāo)精度要求。本系統(tǒng)以標(biāo)準(zhǔn)的插入式數(shù)據(jù)采集卡來(lái)取代傳統(tǒng)測(cè)量?jī)x器以完成數(shù)據(jù)采集的任務(wù)，采用NI高精度的動(dòng)態(tài)信號(hào)采集卡PCI 4474，進(jìn)行諧波和閃變信號(hào)的采集和分析，通過(guò)GPIB總線對(duì)任意波形發(fā)生器、電壓電流放大器進(jìn)行儀器控制和數(shù)據(jù)傳輸，同時(shí)利用PC機(jī)強(qiáng)大的硬軟件資源，由虛擬儀器軟件開(kāi)發(fā)平臺(tái)來(lái)控制和協(xié)調(diào)整個(gè)系統(tǒng)的工作。軟件操作界面見(jiàn)圖2。系統(tǒng)軟件主要包括四個(gè)軟件模塊：①任意波形發(fā)生功能模塊；②諧波功能校準(zhǔn)測(cè)試模塊：包括電力系統(tǒng)諧波及間諧波的產(chǎn)生，在諧波校準(zhǔn)界面上，可以進(jìn)行電壓電流輸出通道、諧波總數(shù)、諧波次數(shù)及諧波含有率的選擇，用戶不僅可以逐一進(jìn)行單次諧波電壓和電流的校準(zhǔn)測(cè)試，同時(shí)還可以疊加兩個(gè)或三個(gè)不同次數(shù)諧波的校準(zhǔn)測(cè)試；③閃變功能校準(zhǔn)測(cè)試模塊：包括正弦波調(diào)制信號(hào)及方波調(diào)制產(chǎn)生，可以進(jìn)行閃變校驗(yàn)點(diǎn)的選擇，產(chǎn)生Pst=1.00 ～ 5.00的方波波動(dòng)信號(hào)；④頻譜分析及反饋修正模塊：來(lái)監(jiān)視輸出信號(hào)的穩(wěn)定性及準(zhǔn)確性。 [align=center] 圖1電能質(zhì)量校驗(yàn)裝置原理圖 圖2 軟件操作界面[/align] 二、 諧波信號(hào)產(chǎn)生及分析 在電力系統(tǒng)中，對(duì)于周期為的非正弦電量，以電壓u（t）為例，在滿足狄里赫利條件下，可分解為以下的傅立葉級(jí)數(shù)形式： 式中當(dāng)n≥2時(shí)為對(duì)應(yīng)于n次的單次諧波分量。 利用LabVIEW軟件里的formula waveform.vi，輸入諧波（間諧波）公式，則該VI產(chǎn)生諧波數(shù)據(jù)，然后將離散化的數(shù)據(jù)送入任意波形發(fā)生器，從而產(chǎn)生實(shí)際的諧波信號(hào)。 在進(jìn)行諧波信號(hào)分析時(shí)，采用的測(cè)量算法主要是離散傅立葉變換（DFT）和快速傅立葉變換（FFT），其n次諧波電壓向量的實(shí)部和虛部分別為： 利用上式可計(jì)算基波和各次諧波的實(shí)部和虛部，進(jìn)而可以計(jì)算幅值U[sub]n[/sub]和相角φ[sub]n[/sub]。為分析每次諧波的大小，單次諧波的含有率HRU通常用該次諧波幅值的有效值與基波幅值的有效值之比百分比來(lái)表示，如n次諧波電壓含有率HRU[sub]n[/sub]為： 諧波偏離正弦波形的程度，則以諧波畸變率THD來(lái)表示，它等于各次諧波有效值的平方和的平均根與基波有效值的百分比。利用Harmonic Analysis.VI可得到各次諧波的幅值和相位及總諧波畸變率THD。 三、 閃變信號(hào)產(chǎn)生及分析 根據(jù)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)GB12326—2000 《電能質(zhì)量—電壓允許波動(dòng)和閃變》和IEC標(biāo)準(zhǔn)IEC868及IEC61000-4-15，完整的閃變儀性能校驗(yàn)程序包括以下兩步： ①用正弦/方波調(diào)制產(chǎn)生的電壓波動(dòng)來(lái)校驗(yàn)閃變儀的單位視感度（P[sub]max[/sub]=1） ②用方波調(diào)制產(chǎn)生的電壓波動(dòng)來(lái)校驗(yàn)閃變儀的短時(shí)間單位閃變曲線（P[sub]st[/sub]=1） [align=center] 圖3 閃變信號(hào)產(chǎn)生程序[/align] 在校驗(yàn)閃變儀中使用的基本電壓波動(dòng)的波形有兩種：正弦調(diào)制波和等間距矩形（方波）調(diào)制波，調(diào)制頻率范圍在0～25Hz。電壓波動(dòng)現(xiàn)象通常被看成是以工頻電壓為載波，其電壓的幅值受到以波動(dòng)分量作為調(diào)幅波的調(diào)制。對(duì)于任何波形的調(diào)幅波均可看成由各種頻率分量合成的信號(hào)。但在校驗(yàn)電壓波動(dòng)閃變測(cè)量?jī)x時(shí)所用的信號(hào)為單一頻率調(diào)幅波對(duì)工頻載波的調(diào)制波。閃變信號(hào)發(fā)生程序見(jiàn)圖3。 對(duì)于波動(dòng)頻率較慢的調(diào)制信號(hào)，可以用時(shí)域分析法進(jìn)行分析，通過(guò)數(shù)字采樣來(lái)計(jì)算一個(gè)周期的有效值，然后得出調(diào)制深度。調(diào)制深度通常由下式來(lái)計(jì)算（U[sub]max[/sub]和U[sub]min[/sub]分別為調(diào)制電壓信號(hào)中的最大及最小值）： 對(duì)于波動(dòng)頻率較快的調(diào)制信號(hào)，采用頻域法進(jìn)行分析。對(duì)于正弦波調(diào)制信號(hào)，設(shè)載波角頻率為ω[sub]c[/sub]，調(diào)幅信號(hào)角頻率為ω[sub]m[/sub]，即有： 則正弦波幅度調(diào)制信號(hào)為： 對(duì)于上述信號(hào)進(jìn)行傅立葉變換，可得出三個(gè)頻譜分量，即可得出載波及調(diào)幅波信號(hào)的幅值。 [align=center] 圖4 正弦波幅度調(diào)制信號(hào)分析[/align] 對(duì)于方波信號(hào)，可以認(rèn)為由一系列奇次諧波合成的信號(hào)。 k為奇數(shù)。 則方波幅度調(diào)制信號(hào)為： [align=center] 圖5 方波幅度調(diào)制信號(hào)分析[/align] 假設(shè)調(diào)制頻率ω[sub]m[/sub]=8Hz，頻譜分析見(jiàn)圖5，位于主頻ω[sub]c[/sub]的右邊的頻譜線有： 位于主頻ω[sub]c[/sub]的左邊的頻譜線有： 其中ω[sub]4L[/sub]、ω[sub]5L[/sub]為負(fù)頻率，為計(jì)算分析方便，折算到頻率正軸進(jìn)行分析。方波幅值調(diào)制的FFT分析有大量的頻譜線，但在進(jìn)行閃變分析時(shí)，只需提取其中的一條譜線和載波譜線ω[sub]c[/sub]，即可得出載波及調(diào)幅波信號(hào)的幅值。 四、 數(shù)據(jù)采集 該裝置數(shù)據(jù)采集部分采用PCI－4474，是美國(guó)NI公司專用于動(dòng)態(tài)信號(hào)分析的高精度數(shù)據(jù)采集卡。該卡具有4個(gè)偽差分模擬輸入通道，每個(gè)通道最大采樣率為102.4KS/s，正負(fù)10V的電壓輸入范圍，24位采樣分辨率，可以用模擬和數(shù)字兩種觸發(fā)方式進(jìn)行數(shù)據(jù)采集。數(shù)據(jù)采集使用AI waveform scan.VI，該VI可以指定的采樣率從電壓電流通道采集指定點(diǎn)數(shù)的數(shù)據(jù)。然后通過(guò)FFT計(jì)算對(duì)諧波及閃變信號(hào)進(jìn)行頻譜分析，監(jiān)視源的變化情況。 五、應(yīng)用LabVIEW開(kāi)發(fā)的優(yōu)點(diǎn) 電能質(zhì)量校驗(yàn)裝置主要對(duì)電能質(zhì)量分析儀的諧波含有率、閃變、頻率偏差等功能進(jìn)行校準(zhǔn)， 采用傳統(tǒng)的校準(zhǔn)設(shè)備功能固定，人工操作復(fù)雜，而且隨著校準(zhǔn)項(xiàng)目的增加，需要增加相關(guān)的硬件或儀器，設(shè)備龐大，操作及數(shù)據(jù)記錄都非常不便，應(yīng)用虛擬儀器技術(shù)可以很好的解決這些問(wèn)題，通過(guò)軟件編程就可定義和實(shí)現(xiàn)多臺(tái)儀器的功能，用軟件在顯示屏上生成儀器控制面板，完成多種功能的校準(zhǔn)測(cè)試。同時(shí)，軟件采用圖形化語(yǔ)言LabVIEW編程，面向測(cè)試工程師，編程方便，人機(jī)交互界面友好，并具有強(qiáng)大的數(shù)據(jù)可視化分析和儀器控制能力，軟件內(nèi)具封裝好的控件和函數(shù)，簡(jiǎn)單易用，極大的提高了開(kāi)發(fā)的工作效率，并使得后期的系統(tǒng)維護(hù)和升級(jí)較為方便。 六、技術(shù)指標(biāo)及精度 在進(jìn)行諧波電壓、電流考核時(shí)，對(duì)2～50次的諧波電壓、電流的輸出準(zhǔn)確度及最大偏差進(jìn)行多次測(cè)試和分析，得出的諧波技術(shù)指標(biāo)見(jiàn)表1。 [align=center]表1 諧波電壓電流技術(shù)指標(biāo)： [/align] 七、 總結(jié) 為了使電能質(zhì)量校驗(yàn)裝置產(chǎn)業(yè)化、實(shí)用化，電科院開(kāi)發(fā)了基于虛擬儀器技術(shù)的電能質(zhì)量校驗(yàn)裝置，本裝置是以PC機(jī)為核心組建的自動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)，大大增強(qiáng)了系統(tǒng)的自動(dòng)化程度、可靠性和準(zhǔn)確性。 近幾年來(lái)，虛擬儀器技術(shù)在中國(guó)得到了長(zhǎng)足的發(fā)展，在電力系統(tǒng)諸如電能計(jì)量、設(shè)備校驗(yàn)與測(cè)試、電力系統(tǒng)狀態(tài)監(jiān)控等領(lǐng)域也得到了一定的應(yīng)用。在專用測(cè)量系統(tǒng)方面，虛擬儀器的發(fā)展空間更為廣闊。無(wú)所不在的計(jì)算機(jī)應(yīng)用為虛擬儀器的推廣提供了良好的基礎(chǔ)。實(shí)際運(yùn)行表明：采用虛擬儀器技術(shù)開(kāi)發(fā)的電能質(zhì)量校驗(yàn)裝置，具有界面友好、功能強(qiáng)大、操作方便、運(yùn)行穩(wěn)定、精度高等特點(diǎn)，該裝置的推廣和使用，將極大提高電能質(zhì)量分析儀的測(cè)試精度及校準(zhǔn)水平，為電力系統(tǒng)電能質(zhì)量的提高和改善提供準(zhǔn)確的依據(jù)和技術(shù)保障。