應(yīng)用領(lǐng)域：電力行業(yè) 挑戰(zhàn)：傳統(tǒng)的電能質(zhì)量校驗設(shè)備功能固定，人工操作復(fù)雜，而且隨著校準項目的增加，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，提高校準測試的自動化水平，徹底改變傳統(tǒng)計量單位手工測量、人工操作、人工計算的狀態(tài)。 應(yīng)用方案：使用NI的LabVIEW圖形化開發(fā)環(huán)境、數(shù)據(jù)采集卡及GPIB總線構(gòu)建自動化測試系統(tǒng)，并通過不同的軟件模塊實現(xiàn)具有多種校準功能，大大增強了系統(tǒng)的自動化程度、可靠性和準確性。該校準裝置可完成電能質(zhì)量分析測量儀器的頻率偏差、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)量各項技術(shù)指標的校準工作。 使用的產(chǎn)品： LabVIEW 7.0 PCI-4474 動態(tài)信號采集卡 PCI-GPIB 儀器通信接口 介紹: 隨著我國經(jīng)濟建設(shè)的發(fā)展，電力系統(tǒng)中的非線性負荷、沖擊負荷使電網(wǎng)的污染日趨嚴重，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)備測試、分析的準確，借鑒對計量器具的管理經(jīng)驗，對電能質(zhì)量測試分析設(shè)備進行校準就顯得非常必要。本文介紹了基于LabVIEW的電能質(zhì)量校驗裝置的功能原理、硬件結(jié)構(gòu)、測試軟件的設(shè)計思想，以及應(yīng)用LabVIEW軟件的實現(xiàn)方法。 一、系統(tǒng)原理概述 系統(tǒng)組成原理圖見圖1。其基本原理是：由虛擬儀器測試平臺通過GPIB卡控制任意波形發(fā)生器產(chǎn)生諧波信號、正弦波調(diào)制信號或方波調(diào)制信號，經(jīng)電壓、電流功率放大器放大到目標電壓、電流值，然后由數(shù)據(jù)采集卡從放大器輸出端采取信號進行分析，計算諧波幅值及電壓波動量，監(jiān)視信號源的變化情況。隨后，將輸出信號與計量標準表進行對比分析，根據(jù)分析結(jié)果對軟件程序中的波形參數(shù)進行修正，從而使加載到被測設(shè)備上的信號達到某一目標精度要求。本系統(tǒng)以標準的插入式數(shù)據(jù)采集卡來取代傳統(tǒng)測量儀器以完成數(shù)據(jù)采集的任務(wù)，采用NI高精度的動態(tài)信號采集卡PCI 4474，進行諧波和閃變信號的采集和分析，通過GPIB總線對任意波形發(fā)生器、電壓電流放大器進行儀器控制和數(shù)據(jù)傳輸，同時利用PC機強大的硬軟件資源，由虛擬儀器軟件開發(fā)平臺來控制和協(xié)調(diào)整個系統(tǒng)的工作。軟件操作界面見圖2。系統(tǒng)軟件主要包括四個軟件模塊：①任意波形發(fā)生功能模塊；②諧波功能校準測試模塊：包括電力系統(tǒng)諧波及間諧波的產(chǎn)生，在諧波校準界面上，可以進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行單次諧波電壓和電流的校準測試，同時還可以疊加兩個或三個不同次數(shù)諧波的校準測試；③閃變功能校準測試模塊：包括正弦波調(diào)制信號及方波調(diào)制產(chǎn)生，可以進行閃變校驗點的選擇，產(chǎn)生Pst=1.00 ～ 5.00的方波波動信號；④頻譜分析及反饋修正模塊：來監(jiān)視輸出信號的穩(wěn)定性及準確性。 [align=center] 圖1電能質(zhì)量校驗裝置原理圖 圖2 軟件操作界面[/align] 二、 諧波信號產(chǎn)生及分析 在電力系統(tǒng)中，對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數(shù)形式： 式中當(dāng)n≥2時為對應(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)生實際的諧波信號。 在進行諧波信號分析時，采用的測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部和虛部分別為： 利用上式可計算基波和各次諧波的實部和虛部，進而可以計算幅值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、 閃變信號產(chǎn)生及分析 根據(jù)國家標準GB12326—2000 《電能質(zhì)量—電壓允許波動和閃變》和IEC標準IEC868及IEC61000-4-15，完整的閃變儀性能校驗程序包括以下兩步： ①用正弦/方波調(diào)制產(chǎn)生的電壓波動來校驗閃變儀的單位視感度（P[sub]max[/sub]=1） ②用方波調(diào)制產(chǎn)生的電壓波動來校驗閃變儀的短時間單位閃變曲線（P[sub]st[/sub]=1） [align=center] 圖3 閃變信號產(chǎn)生程序[/align] 在校驗閃變儀中使用的基本電壓波動的波形有兩種：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分量作為調(diào)幅波的調(diào)制。對于任何波形的調(diào)幅波均可看成由各種頻率分量合成的信號。但在校驗電壓波動閃變測量儀時所用的信號為單一頻率調(diào)幅波對工頻載波的調(diào)制波。閃變信號發(fā)生程序見圖3。 對于波動頻率較慢的調(diào)制信號，可以用時域分析法進行分析，通過數(shù)字采樣來計算一個周期的有效值，然后得出調(diào)制深度。調(diào)制深度通常由下式來計算（U[sub]max[/sub]和U[sub]min[/sub]分別為調(diào)制電壓信號中的最大及最小值）： 對于波動頻率較快的調(diào)制信號，采用頻域法進行分析。對于正弦波調(diào)制信號，設(shè)載波角頻率為ω[sub]c[/sub]，調(diào)幅信號角頻率為ω[sub]m[/sub]，即有： 則正弦波幅度調(diào)制信號為： 對于上述信號進行傅立葉變換，可得出三個頻譜分量，即可得出載波及調(diào)幅波信號的幅值。 [align=center] 圖4 正弦波幅度調(diào)制信號分析[/align] 對于方波信號，可以認為由一系列奇次諧波合成的信號。 k為奇數(shù)。 則方波幅度調(diào)制信號為： [align=center] 圖5 方波幅度調(diào)制信號分析[/align] 假設(shè)調(diào)制頻率ω[sub]m[/sub]=8Hz，頻譜分析見圖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]為負頻率，為計算分析方便，折算到頻率正軸進行分析。方波幅值調(diào)制的FFT分析有大量的頻譜線，但在進行閃變分析時，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NI公司專用于動態(tài)信號分析的高精度數(shù)據(jù)采集卡。該卡具有4個偽差分模擬輸入通道，每個通道最大采樣率為102.4KS/s，正負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數(shù)的數(shù)據(jù)。然后通過FFT計算對諧波及閃變信號進行頻譜分析，監(jiān)視源的變化情況。 五、應(yīng)用LabVIEW開發(fā)的優(yōu)點 電能質(zhì)量校驗裝置主要對電能質(zhì)量分析儀的諧波含有率、閃變、頻率偏差等功能進行校準， 采用傳統(tǒng)的校準設(shè)備功能固定，人工操作復(fù)雜，而且隨著校準項目的增加，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題，通過軟件編程就可定義和實現(xiàn)多臺儀器的功能，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測試。同時，軟件采用圖形化語言LabVIEW編程，面向測試工程師，編程方便，人機交互界面友好，并具有強大的數(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)，簡單易用，極大的提高了開發(fā)的工作效率，并使得后期的系統(tǒng)維護和升級較為方便。 六、技術(shù)指標及精度 在進行諧波電壓、電流考核時，對2～50次的諧波電壓、電流的輸出準確度及最大偏差進行多次測試和分析，得出的諧波技術(shù)指標見表1。 [align=center]表1 諧波電壓電流技術(shù)指標： [/align] 七、 總結(jié) 為了使電能質(zhì)量校驗裝置產(chǎn)業(yè)化、實用化，電科院開發(fā)了基于虛擬儀器技術(shù)的電能質(zhì)量校驗裝置，本裝置是以PC機為核心組建的自動測試系統(tǒng)，大大增強了系統(tǒng)的自動化程度、可靠性和準確性。 近幾年來，虛擬儀器技術(shù)在中國得到了長足的發(fā)展，在電力系統(tǒng)諸如電能計量、設(shè)備校驗與測試、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。在專用測量系統(tǒng)方面，虛擬儀器的發(fā)展空間更為廣闊。無所不在的計算機應(yīng)用為虛擬儀器的推廣提供了良好的基礎(chǔ)。實際運行表明：采用虛擬儀器技術(shù)開發(fā)的電能質(zhì)量校驗裝置，具有界面友好、功能強大、操作方便、運行穩(wěn)定、精度高等特點，該裝置的推廣和使用，將極大提高電能質(zhì)量分析儀的測試精度及校準水平，為電力系統(tǒng)電能質(zhì)量的提高和改善提供準確的依據(jù)和技術(shù)保障。