基于LabVIEW的动车组谐波分析系统_唐可.pdf

2 0 2 3年第5期基于L a b V I EW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 4 5 4 6 1 6)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L a b V I EW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实验,并与D L-8 5 0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;L a b V I EW 中图分类号:U 2 6 5 文献标识码:A 文章编号:1 6 7 4-9 5 7 X(2 0 2 3)0 5-0 0 8 8-0 3H a r m o n i cA n a l y s i sS y s t e mo fEMUB a s e do nL a b V I EWT a n gK e,Z h a n gH a o-w e i(L i u z h o uR a i l w a yV o c a t i o n a l a n dT e c h n i c a lC o l l e g e,L i u z h o u5 4 5 6 1 6,C h i n a)A b s t r a c t:I no r d e r t od e t e c tw h e t h e r t h eh a r m o n i c so f t h e t r a c t i o nc o n v e r t e rs y s t e mo f t h eE MUp o l l u t e t h ep o w e rg r i d,ah a r m o n i cd e t e c t i o ns y s t e ma p p l i e dt ot h eE MUi sd e s i g n e db a s e do nt h eg r a p h i c a lp r o g r a mm i n gl a n g u a g eL a b-V I EW.T h i s s y s t e mm a i n l y r e a l i z e s t h e r e a l-t i m e d e t e c t i o n a n do f f l i n e d e t e c t i o no f t h e h a r m o n i c p a r a m e t e r s o f t h e t r a c t i o nc o n v e r t e r s y s t e mo f t h eE MU.T h e e x p e r i m e n t i s c a r r i e do u t o n t h e e x p e r i m e n t a l p l a t f o r mo f t h e s m a l l p o w e rA C-D C-A Ct r a c t i o nc o n v e r t e r s y s t e m,a n dc o m p a r e dw i t ht h ed e t e c t i o nr e s u l t so f t h eD L-8 5 0o s c i l l o s c o p e.T h ee x p e r i m e n t a l r e s u l t ss h o wt h a t t h e s y s t e mi s e a s y t oo p e r a t e,f a s t i nr e s p o n s e,s t a b l e i np e r f o r m a n c e a n dh i g h i na c c u r a c y,a n dc a np r o v i d e ab a s i s f o r t h ep o w e rq u a l i t ym o n i t o r i n go f t h eE MUt r a c t i o nc o n v e r t e r s y s t e m.K e yw o r d s:EMU;T r a c t i o nc o n v e r t e rs y s t e m;H a r m o n i c;L a b V I EW基金项目:(1)2 0 2 0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”(2 0 2 0 KY 4 4 0 2 1)“高速动车组弓网离线电弧的特性及其影响研究”(2 0 2 0 KY 4 4 0 0 7);(2)2 0 2 2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(2 0 2 2-K C S Z-J G C 1 1);(3)2 0 2 2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”(2 0 2 2-K J C 0 5)作者简介:唐可(1 9 9 2),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2 0 2 2年6月底,中国国家铁路集团有限公司共配属动车组3 4 0 4列,全国铁路营业里程从2 0 1 2年的9.8万公里增长到2 0 2 2年的1 5.5万公里,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。L a b V I EW使用的是图形化编辑语言G编写程序,它广泛地被工业界、学术界和研究实验室所接受,视为一个标准的数据采集和仪器控制软件。L a b V I EW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D L 8 5 0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、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。系统软件部分利用L a b V I EW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88DOI:10.19475/ki.issn1674-957x.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0.4 mA0.2 5 mA响应特性1 u s4 u s带宽01 5 0 k H z01 0 0 k H z1.1.2 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5 k H z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U S B模拟输入3 2路模拟输出4路采样率1 MH z计数器3 2路数字I/O4 8路1.1.3 通信传输介质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(b p s)9.6 k 2 M14 5 0M1 05 0 0M连接方式多点、点到点多点、点到点点到点传输距(k m)1.51 05 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L a b V I EW语言的易开发、操作及显示便捷等特点,来完成对信号的运算、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E X C L E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。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:HR Un表示n次电压谐波含有率,HR Un=UnU11 0 0%(1)HR In(H a r m o n i cR a t i oIn)表示n次电流谐波含有率,HR In=InI11 0 0%(2)THD表示总谐波畸变率,T HDn=UnU11 0 0%=Nn=2U2nI11 0 0%(3)T HDn=InI11 0 0%=Nn=2I2nI11 0 0%(4)式中:Un第n次电压谐波有效值;U1基波电压有效值;In第次谐波电流有效值;I1基波电流有效值。2.2 程序设计在L a b V I EW中进行程序编写时,采用的L a b V I EW中自带的高度集成的F F T模块。将小功率交直交牵引变流实验平台采集的电流电压信号读入L a b V I EW,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V I