基于Labview的两种电网频率测量法_弓建军.pdf

电力与电子技术Power&Electronical Technology电子技术与软件工程Electronic Technology&Software Engineering83电力系统对于经济、技术以及社会发展进步都至关重要，它不仅为我国的经济建设贡献巨大，也极大地改善了我们的日常生活条件。在电力系统中，为了保证电力设备的正常使用，我们不仅要对相关模块进行日常计划检修而且要做状态检修，对其工作电压的动态变化情况进行持续的监测，并进行全面的详细评估，进而制订一套完善的设备检测方案，从而判断哪些模块应该进行检修维护。当前，我们一般有采用以下两种方法开展设备的状态检修工作，一种是建立一个能够持续、动态的实时监测系统，并利用系统采集的信息来做评估和设备状态判断。另一种是的离线检测系统，利用离线检测设备来评估判断设备运行状态。无论是哪种方法，互感器电参数的测量都是电力系统测量的重要组成部分，能够有力确保电力系统的长期安全稳定运行。尽管使用 Labview 可以设计生成简单易用的测试工具，但是由于它的底层硬件和 Labview 提供的测试 VI之间的兼容性存在问题，因此，在测量互感器电参数时，如果仅仅依靠 Labview 提供的频率测量程序，很可能会出现较大的测试误差。本文提出了两种解决方法，分别为快速离散傅里叶测试法和 VI 参数测试法，它们均可有效解决上述测试问题。1 虚拟仪器介绍13虚拟仪器是以工控机等做为平台，用户按照自我需求的功能进行快速开发，通过软件虚拟生成操作面板并进行自动化测试的系统。虽然数字化智能仪器极大的扩展了测量仪器的功能和精确度，但仍然存在功能专一和使用方便性方面的不足。“虚拟仪器”的出现标志着计算机技术在测量领域取得了重大突破，它不仅改变了传统仪器的使用方式，而且也为用户提供了一种更加灵活的选择，“软件即仪器”是虚拟仪器的重要特点，它不仅可以满足用户的自我定制化需求，更可以让他们使用软件来构建适合自己的测试环境，更好地使用测量仪器的最新技术，从而高效得到准确的测量结果。1.1 虚拟仪器特点虚拟仪器由计算机、外部硬件、操作系统、应用软件以及设备驱动组成，它们共同构成了一个可靠的、可扩展的、方便操作的系统。1.1.1 虚拟仪器的硬件构成虚拟仪器的硬件部分为计算机以及外围硬件。计算机典型代表是工控机或个人电脑，主要功能是控制外围硬件、计算、存储采集到的数据资源，是硬件部分的核心；外围硬件主要用来进行对测试信号进行处理,包括测量、放大、AD 变换等。如图 1 所示。根据接口总线的类型，虚拟仪器硬件平台可以分成如下几类：（1）基于数据采集卡的硬件平台；（2）基于 GPIB 的硬件平台；基于 Labview 的两种电网频率测量法弓建军（山西省机电设计研究院有限公司 山西省太原市 030009）摘要：本文提出了基于 Labview 的两种电网频率测量法，快速离散傅里叶测试法和 VI 参数处理法，其中快速离散傅里叶测试法是通过对信号同步采样进行数字信号运算来测量频率，VI 参数处理法是通过对 VI 模块的研究来实现其测量频率的目的。在 Labview 平台上实现了这两种方法，而且利用某公司生产的型号为 USB3560BN 的采集卡加以验证，分别对频率为 40Hz，49.5Hz，50Hz，60Hz 的信号进行测量。测量结果表明，这两种方法所测误差均在 0.05Hz 以内，全部能够完成测试要求。关键词：采集设备；Labview；离散傅里叶；VI 参数处理电力与电子技术Power&Electronical Technology电子技术与软件工程Electronic Technology&Software Engineering84（3）基于串行总线的硬件平台;（4）基于 VXI 总线的硬件平台;（5）基于 PXI 总线的硬件平台。通常，GPIB、VXI 和 PXI 作为基础的虚拟仪器系统更加适用于大型、复杂的集成化测量；而数据采集卡和串行总线作为基础的虚拟仪器系统更加便于实施。此外，还可以按照实际情况，搭配其他技术、硬件，构建出各种功能强大的自动化测量系统，或者把这些技术融入到混合测量系统中，实现更加灵活的测量效果。1.1.2 虚拟仪器的软件构成虚拟仪器的软件通过 VISA 库、驱动软件和应用软件三个层面，再结合各类相关硬件，在软件上展示仪器界面、方便用户操作，从而实现用户所需功能，这正是虚拟仪器的核心理念。如图 2 所示。VISA 库是一个强大的函数工具库，它提供了一系列的函数以供用户调用，可以将计算机与虚拟仪表紧密联系；而驱动软件则是实现这一目标的关键，它们在实现虚拟仪器的软件层面发挥着重要的作用。Labview 是一种专门针对测量测控的图形化虚拟仪器编程语言，它具有独特的优势，可以有效地替代传统的 C、JAVA、VB 等高级编程语言。它们尽管在应用范围上有着明显的差别，但在构建过程中有着相似的理念。labview 的用户体验非常出色，它的用户界面采用了多种多样的图表元素，使得用户可以轻松地进行计算机相关的操作，而且这种用户体验的简洁性和易懂性使得它非常适合非计算机专业的用户使用。Labview 不仅可以极大地提升编程效率，而且其中的多种工具包可以满足不同的应用场景，从而使得不论是技术人士，还是普通用户，都可以轻松地使用该软件。此外，Labview 不仅是测试与测量行业的标杆，而且可以将 GPIB、VXI、PLC、串行设备、数采卡组合起来，形成一个完整的数据采集系统，更可以利用网络、ActiveX 插件、SQL 数据库等多种技术来进行数据的传输、存储。随着技术的进步，它已经被广泛地运用于包括通讯、制造、航天、航空、半导体等各个行业。在高校、科研机构、工厂、实验室等不同的地点，我们都可以看到虚拟仪器技术的广泛应用。2 快速离散傅里叶检测法2.1 计算方法交流电信号为周期信号，并且任何周期信号都可以拟合成一个正弦分量和一个余弦分量，设其表达形式为：（1）由公式（1）可知，n代表不同次谐波，n=1时，为基波，是我们所需要的。n=2,3,4.都是谐波，是我们要滤除的。式中 an，bn是不同次谐波下的余弦分量幅值和余弦分量幅值。是信号的角速度。当 n=1 时，a1，b1是基波信号余弦分量幅值和正弦分量幅值。通过傅里叶变换，求得：（2）图 2：虚拟仪器的软件构成图 1：虚拟仪器的硬件构成电力与电子技术Power&Electronical Technology电子技术与软件工程Electronic Technology&Software Engineering85 （3）T 为信号的周期。通过离散傅里叶算法可得：（4）（5）N 为采样周期。假设基波信号的有效值为 A，初始相位为，则 （6）（7）根据公式（6）与公式（7），得到所需信号的幅值与初始相位。1.2 程序实现快速傅里叶检测部分程序如图 3 所示。快速傅里叶检测法需要在完全同步的情况下进行测量，当测量信号中含有非整数次谐波时，测量精度会下降4567。因此，需要在测量过程加入同步技术，一般情况为硬件同步，即锁相环加分频器同步，并且在图 3中要先将测试信号通过汉宁窗函数，改善了频谱泄露与栅栏效应 89101112。3 VI参数处理法23在使用第三方采集设时，“提取单频信息”模块时无法直接使用的。由于第三方采集设备底层硬件与提取单频信息程序不兼容，“提取单频信息”VI 的默认采集速率为 1，所以当使用这个模块时，不论设备的采集速率为多少，测出的频率只在 0 到 1 之间变化。3.1 解决方法设由“提取单频信息”VI 所测得的频率为 f1，第三方采集设备采样频率为 fs，被测信号的实际频率值为 f，则在采集中，即所测的实际频率为第三方采集卡采样图 3：过零检测程序图图 4：测试流程电力与电子技术Power&Electronical Technology电子技术与软件工程Electronic Technology&Software Engineering86频率的九分之二与由“提取单频信息”VI 所测值的积。4 测量结果4.1 测试硬件平台该测试使用了一种由某公司生产的 USB3560BN 型号的采集设备，它的主要特性包括有：采集速度范围在0-100K 之间，量程范围在 0-5V 之间，AD 采集通道数量为 6 个。测试流程如图 4 所示。4.2 测量结果将福禄克 Fluke5720A 多功能校准器作为信号源，使用快速傅里叶测试法、VI 参数处理法，测试了频率为 40Hz、49.5Hz、50Hz、60Hz 的信号，测试结果如表1 与表 2 所示。表 1：快速傅里叶测试法测量结果实际频率 检测频率误差40Hz39.997Hz-0.003Hz49.5Hz49.499Hz-0.001Hz50Hz50.000Hz0Hz60Hz59.998Hz-0.002Hz表 2：VI 参数处理法测量结果实际频率检测频率误差40Hz40.02Hz0.02Hz49.5Hz49.54Hz0.04Hz50Hz50.02z0.02Hz60Hz60.03Hz0.03Hz5 结论本文提出了两种有效的测量电网频率的方法：快速傅里叶测试法和 VI 参数处理法，它们都可以有效地解决第三方采集设备无法直接测量频率的问题。在精确度要求较高且测试信号环境复杂的场合，建议采用快速傅里叶测试法，但这种方法对于软件设计方面要求较高，且需要编制复杂的数学运算函数；VI 参数处理法简便易用、操作直观，在精确度要求不太高的实验室等环境使用更为合适。参考文献1 李鹏.基于虚拟仪器的变频器控制主板测试系统设计 D.中北大学(学位论文),2012.2 郝骞,李鹏,马慧卿,等.基于 Labview 的非 NI采集设备频率测量法 J.火力与指挥控制,2013,38(05):167-169.3 李鹏.基于 Xcontrol 的变频器控制主板界面设计J.电子技术与软件工程,2022(20):95-99.4 雷振山,魏丽,赵晨光,等.Labview 高级编程与虚拟仪器工程应用M.北京:中国铁道出版社,2009.5 吴成东,孙秋野,盛科.Labview 虚拟仪器程序设计及应用 M.北京:人民邮电出版社,2008.6 胡恒,汤允凤,张航.LabVIEW 与 MATLAB 混合编程在电力系统潮流计算中的应用 J.数字技术与应用,2018,36(06):100-102.7 卢敬军.基于虚拟仪器的变频器测试与分析系统D.上海交通大学(学位论文),2005.8 杨鹏.基于虚拟仪器电机测试系统 D.西北工业大学(硕士论文),2007:65-66.9 National Instruments Corporation.LabVIEW DAQ Manual.2005.10 Zhang Chi，Yu Xiao-qi，Yang Tao.Data Acquisition System for Electron Energy Loss Coincident SpectrometersJ.Plasma Science&Technology,2005,7(6):3174-3175.11 Joyce Van de Vegte.Fundmentals of Digital Signal ProcessingM.London:Prentice Hall Co.,2002:42-45.12 王昌明，孔德仁，何云峰.传感器与测试技术 M.北京:北京航天航空大学出版社,2005.作者简介 弓建军，男，山西省原平市人。大学本科学历，工程师，山西省机电设计研究院有限公司。研究方向为自动化。