基于LabVIEW的船舶电力谐波检测系统的设计与研究

王 琦

(东北电力大学 电气工程学院,吉林 吉林 132012)

基于LabVIEW的船舶电力谐波检测系统的设计与研究

王 琦

(东北电力大学 电气工程学院,吉林 吉林 132012)

设计了一套功能完整的船舶电力谐波数据采集以及模拟检测系统平台,利用NI公司出产的LabVIEW软件对下位机采集卡PXIe-6358进行控制,实现实时采集数据;将数字信号转化成模拟信号,通过快速傅里叶加窗方法进行谐波检测,确保精准地检测出电力谐波量。仿真实验结果表明,该系统检测方便,精度较高,运行稳定、可靠。

船舶电力谐波;检测系统;LabVIEW;PXIe-6358

随着水上船舶电力系统的兴起，现代船舶电力网络容量不断扩增，继而导致了一系列技术难题，所以提高船舶系统的电压等级成为必然趋势。伴随着电压等级的提高，电网结构变得越来越复杂，当船舶综合全电力推进系统[1]组成之后，设备负荷变高，扩建大量电缆线路使得电容电流以及谐波大幅度增加，造成电力谐波污染问题日益明显，严重影响船舶电能质量和用户设备的正常运行。因此，进行电力谐波成分的检测与分析有利于整体性电能质量的评估。

电力谐波问题的研究主要集中在换流器谐波源、测量技术、计量与分析技术三个方面[1-4]。换流器谐波源方面，提出采用空间矢量法降低PWM换流器的谐波含量，在AC/DC换流器不对称触发情况下，采用离散小波信号模型分析方法。测量技术方面，提出不同谐波情况下，提高谐波测量精度的方法，研制电能质量检测仪和多通道谐波分析仪。计量与分析技术方面，针对非稳态波形畸变，根据电网参数实时变化以及模型与元件参数精度对谐波计算会造成一定影响，从而寻求新的数学方法。

目前,主要的谐波检测方法有快速傅里叶变换法FFT、小波变换法、正交分解法、人工神经网络法等[5-7]。其中FFT算法因计算效率高在谐波分析中得到广泛的应用;时变谐波与间谐波检测主要使用小波变换法;正交变换法主要用于有源电力滤波器控制;神经网络法尚处于理论探讨阶段,还不具备广泛用于谐波与间谐波监测的条件,原因是需要大量的样本对神经网络进行训练。然而在利用FFT进行间谐波测量时,对于任意频率的间谐波检测无法实现信号同步采样,会产生一定的频谱泄漏和栅栏现象[8]。这些现象会使得对频率测量的幅值有所偏差,而且会产生出其他频率的谐波。通常在进行傅里叶变换时,对信号乘以一个合适的窗函数,随着窗函数幅度逐渐减小,频谱泄漏也逐渐降低,使得测量更为准确。

本文采用快速傅里叶加窗方法进行谐波检测,并设计了一套功能完整的船舶电力谐波数据采集以及模拟检测系统平台。通过仿真软件LabVIEW对下位机采集卡硬件PXIe-6358控制,实时采集谐波相关数据,同时将数字信号转化成模拟信号注入到软件算法中,确保精准地检测出电力谐波量。

1 谐波检测的算法理论

1.1 傅里叶变换法

傅里叶变换是一种数学变换方法,包括多种延伸的算法,例如连续傅立叶变换(Continuous Fourier transform,CFT)、离散傅立叶变换(Discrete Fourier Transform,DFT)、快速傅立叶变换(Fast Fourier Transformation,FFT)和加窗傅立叶变换(Windowed Fourier Transform,WFT)等。对于含有谐波的信号,可以利用傅里叶变换法进行频率测量,设测量信号为

x(t)=Asin[2πf0ht+φh(t)]

(1)

式中:A为常数;2πfh为周期函数的角频率;φ(t)为频率的初相角。

从式(1)中分离出信号的基波分量,再利用幅频特性和相角特性进行频率测量。该方法主要是通过傅立叶变换将信号进行分解,得到各次谐波的幅值和频率。通常在测量整数次谐波中采用FFT,能在进行长序列运算时大大提高运算速度。设离散信号x(n)为n点序列,其DFT变换为

当n为偶数时,令n=2r;当n为奇数时,令n=2r+1,则x(n)可表示为

x(2r)=x(r)

x(2r+1)=x(r) (r=0,1,2,…,2/N-1)

在周期为T0的连续时间信号f(t)内抽取N个等间隔的采样点,采样间隔为Δt=T0/N,则采样频率fs=1/Δt。

FFT是目前谐波检测的主要方法。当测量时间是信号周期的整数倍,即同步采样,并满足时域采样定理时,可精确获得信号的谐波参数。然而,由于电网信号的基波频率不断波动,测量时很难达到严格的同步采样，存在频谱泄漏和栅栏效应现象[8]，使检测结果误差较大。因此在进行傅里叶变换时需对信号乘以一个合适的窗函数,随着窗函数幅度逐渐减小,频谱泄漏也逐渐降低,使得测量更为准确。目前经常用到的余弦窗有矩形窗、Hanning窗、Hamming窗、Blackman窗。

在频域测量中,对于窗函数的选择主要有以下要求:1)为了得到较陡的过渡区,窗函数应选取主瓣宽度较小的类型;2)旁边高度应尽量小,且随频率衰减的速度比较快。根据上面这两个要求,本文运用Hanning窗的效果会更好。

1.2 谐波参数测量原理

为了表示畸变波形偏离正弦波的程度,通常由谐波含量、各次谐波含有率和总谐波畸变率特征量表示。

1.2.1 谐波含量

式中:Uh和Ih分别为第h次谐波的电压和电流;UH和IH分别为电压、电流谐波含量,由h次谐波电压、电流均方根得到。

具有周期性畸变波形电压有效值U和电流有效值I等于各次谐波电压、电流有效值的平方根值,即

1.2.2 各次谐波含有率

结合文献[9]所述,工程上常常要求给出电压或电流畸变波形中所含有的某次谐波含有率,这样有利于对各次谐波进行检测和采取抑制措施。谐波含有率(Harmonic Ratio,HR)通常用来表示某次谐波分量的数值大小，即为该次谐波有效值与基波有效值的百分比，如第n次电压谐波含有率HR为

式中:Un为第n次谐波电压有效值;U1为基波电压有效值。

类似对于谐波电流表示为

式中:In为第n次谐波电流有效值;I1为基波电流有效值。

1.2.3 波形总畸变率

由文献[10]可知,谐波畸变率表示波形因谐波引起的偏离正弦波形的畸变程度。波形的总谐波畸变率 (Total Harmonic Distorition,THD)是指具有周期性交流谐波含量的方均根值与基波分量的方均根值之比(常用百分数表示)。波形畸变的程度经常用谐波总畸变THD来表示。电压谐波总谐波畸变率为THDu和电流谐波总畸变率THDi分别定义为

2 LabVIEW软件设计

LabVIEW不仅是一个功能较为完整的软件开发环境,还具备编程语言的所有特性,是一种适合应用于目前绝大部分编程任务,具有扩展函数库的通用编程语言。LabVIEW与传统高级编程语言最大差别在于编程方式,一般高级语言采用文本编程,而它采用的是图形化编程方式。

本系统的实验硬件选为NI-PXI系统(包括嵌入式控制器、牢固的机箱和插入式I/O模块)。

首先,使用ETS[10]作为目标平台的LabVIEW实时模块,把该应用软件程序及专用RTOS[11]下载至专用微处理器上,并将嵌入式控制器转换为实时控制器。这样嵌入式软件就可以查看到所有NI-PXI系统中的I/O模块。

然后,使用PXI高级同步定时功能以确保I/O触发准确性和多模块间良好同步的效果,以及在进行数据采集和数据处理过程中的实时性和有效性。实验所用到的PXIe-6358包括4路模拟输出PCI采集卡,可满足各种高性能测试和测量应用的需求。PXIe-1082机箱如图1所示,用到的为第5块PXIe-6358中的采集卡;配套的数据接线板如图2所示。

2.1 采集数据

LabVIEW提供了非常丰富的图形界面来进行前面板的设计,波形图表能非常清晰地实时显示采集波形。

在该页面中实现了多通道采集的波形以及所有通道采样的波形实时显示[12]。该面板能灵活运用属性节点编程,实现调节电压幅值、采样数、采样率以及自己想要的采样数据波形。其中前面板由通道、定时、记录和采集4个模块组成,能够实时采集到准确的数字信号并通过波形图表现在后面板,并且可以转化成模拟信号进行存储记录,如图3所示。

图1 PXIe机箱正面

图2 SCB-68A接线板

2.2 谐波分析

2.2.1 前面板的主程序

为了更好地实现操作的便捷性和良好的可靠性,此改模块应用到了electric power suite应用包。程序具体由7部分组成:FPGA的初始值配置;设置模拟波形读取数据;构建输入电压、电流波形数据,输入采样率数据,并设置出了RT控制器时间;设置基于电压灵敏度和电流传感器的电压和电流的阈值;计算电压及电流THD,并绘制成光谱图;指定以5HZ为一单位的谐波组谱;停止FPGA采集模拟信号。谐波检测前面板程序如图4所示。

2.2.2 后面板的功能模块

该显示模块包括5部分,如图5所示。初始值根据图3采集数据得到,也可独立设置。该程序物理通道既可指定成模拟通道进行仿真检测,又可链接其采集模块进行实时监测。

图3 采集谐波数据程序

图4 谐波检测前面板程序

图5 谐波检测功能模块

3 仿真测试

3.1 初始值设置

该程序通过模拟输入量后可对检测谐波进行分析,将设备布线为三相四线制,频率50 Hz,标称电压为230 V,周期频数为192,最大谐波数为50,如图6所示。

图6 初始值设置

3.2 测试结果

根据初始值设定,后面板显示电压、电流的THD波形和频谱如图7～10所示,将三相电压、电流值的灵敏度都调成1。

图8 三相电流波形

图9 电压频谱图

图10 电压组谱图

从图7可以看到,三相电压幅值在320 V上下,换算成电压有效值与处置设定值230 V相差不大。从图8可以看到,电流波形图显示较为理想。将测试得到的电压频谱结果、组谱结果(见图9、图10)与理论值进行比较,发现幅值、相位的检测误差很小。其中,设频率(z轴)映射为线性,幅值(y轴)设为指数形式,利于观察电压幅值变化量,而检测出的畸变率有效值和近似值相差不到1%,可以满足船舶电能质量检测工程上的需要。

3 结 语

本文设计了一套功能完整的船舶电力谐波数据采集以及模拟检测系统平台。实验结果表明,对于稳态连续谐波检测结果较为准确,便于观察分析,操作简单,可靠性高,适合运用在船舶电力谐波的检测工程上。

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(责任编辑 王小唯)

Design and research on shipboard power harmonic detection System Based on LabVIEW

WANG Qi

(School of Electrical Engineering,Northeast Dianli University,Jilin 132012,China)

A set of fully functional simulation platform on shipboard power harmonic data collection and detection was designed.Namely,lower acquisition card hardware PXIe-6358 was controlled in using LabVIEW made by NI company and data was collected in real time.Then,the digital signals were transformed into analog signals and harmonic was detected through Fast Fourier windowing method,ensuring accurately detection of the electric power harmonic content.The experimental results show that the system detection is of convenience,of high precision and of stable and reliable running.

shipboard power harmonic; harmonic analysis; LabVIEW; PXIe-6358

2016-05-10。

王 琦(1991—),男,硕士研究生,研究方向为电能质量检测。

U665.1

A

2095-6843(2016)06-0482-05