基于LabVIEW的暂态电能质量信号发生器

邢峰华，芦春燕

（山东工业技师学院，山东潍坊261053）

1 引言

伴随着工业的飞速发展，电能作为一种商品，对工农业生产和人民日常生活的重要性越来越高。同其他商品一样，电能也有其质量要求。提高电能质量，有助于保证电网和电气设备安全运行和保障居民正常的生活[1]。与此同时，随着国民经济的发展，暂态电能质量问题在电能质量问题中越来越重要。因此，研究暂态电能质量问题至关重要。

由于暂态电能质量信号不易获取，在教育领域，需要使用信号发生器来模拟真实的信号源，从而对信号进行分析。然而，传统的信号发生器不能充分满足这个要求。另外，需要使用信号发生器来检验硬件设备。除此之外，传统的信号发生器只能生成有限的波形，并且，它还有装备笨重、功能固定、价格昂贵等缺点。因此，本文设计了一种基于LabVIEW和MATLAB的新型虚拟信号发生器。利用该仪器可以轻松、快捷地产生并显示各种所需的信号波形[2-3]。

2 LabVIEW和MATLAB的混合编程

LabVIEW是NI公司推出的一种图形化编程语言，LabVIEW的源程序完全是图形化框图，没有文本代码。LabVIEW平台上编写的程序扩展名是VI。它采用数据流方式编程。LabVIEW可以通过Math-Script节点实现与MATLAB的混合编程，在Math-Script节点中执行m文件[4]，可以方便地执行各种数学算法，且节省运行时间。

3 信号发生器的设计思路

LabVIEW包括前面板和程序框图，故信号发生器的设计需要进行两方面的设计。首先是前面板的设计，前面板的设计主要考虑信号发生器的主要任务是什么，然后根据这些任务，在前面板上摆放一些控件或指示器。其次是程序框图的设计，根据所要完成的任务，在程序框图上放置一些函数，将其连接实现其功能[5]。最后，进行程序的调试，进一步确认程序的可行性，从而设计出信号发生器。

4 信号发生器的前面板的设计

前面板是用户与程序交互的窗口，即交互式用户界面。前面板的主要功能是用户可以往程序中输入数据和观察输出量，在前面板中，使用了各种控件和指示器，如数值输入控件、数值显示控件、开关、旋钮等。前面板的设计，充分发挥了LabVIEW的优势，即建立了友好的人机操作界面[6]。在使用信号发生器时，可以直接通过鼠标和键盘来设定信号的相关参数。使用波形图对输出的信号波形进行观察和测量，并且可以得到信号的特征。信号发生器的前面板如图1所示。

图1 暂态电能质量信号发生器前面板

5 信号发生器的程序框图的设计

本信号发生器的程序主要包括五个模块：

5.1 电压骤降信号发生器

电压骤降是指信号电压幅值下降到到原来电压幅值的 0.1-0.9，并持续时间小于 1min，在此期间内信号的频率保持不变，最后电压又恢复到正常水平的现象[7]。在程序框图中电压骤降信号是在一个正弦信号的基础上叠加一个骤降的扰动信号。骤降幅度和骤降起始时间和结束时间是可调的。该模块的程序框图如图2所示。电压骤将的数学模型是：

其中 a在 0.1到 0.9之间取值。

图2 电压骤降信号发生器的程序框图

5.2 电压骤升信号发生器

电压骤升：是指电压的幅值升高至原始信号电压幅值的1.1倍以上，并且信号频率保持不变，持续时间小于1min[7]。电压骤升的程序框图和电压骤降程序框图是类似的，这里我们不再赘述。该模块的程序框图如图3所示。

电压骤升的数学模型是：

其中 a在 1.1到 1.8之间取值。

图3 电压骤升信号发生器的程序框图

5.3 电压中断的信号发生器

电压中断：是指信号的电压幅值突然下降到近于零，并且，按照根据持续时间可以分为3类：0.5～3s称为瞬态断电；3～60s称为暂时断电；大于60s为持续断电[8]。电压中断的程序框图和电压骤降程序框图是类似的，这里我们不再赘述。该模块的程序框图如图4所示。

电压中断的数学模型是：

其中，0.9＜α＜0.99，T＜t2-t1＜8T。

图4 电压中断信号发生器的程序框图

5.4 电压瞬变信号发生器

电压瞬变：是指在极短的时间间隔内，两个连续稳态电压之间在极短时间内发生叠加的一种突变现象[9]。在程序框图中，电压瞬变信号是一个正弦信号叠加上一个谐波信号且在短时间内发生叠加形成。该模块的程序框图如图5所示。

电压瞬变的数学模型是：

其中a取任意值，n为整数。

图5 电压瞬变信号发生器的程序框图

5.5 暂态振荡信号发生器

暂态振荡：是指由于系统发生故障而造成信号出现振荡现象[10]。在程序框图中，暂态振荡表示为在一个正弦波的基础上叠加一个振荡扰动信号，扰动信号可以设置相振荡发生起止时刻，也可以设置振荡幅值。该模块的程序框图如图6所示。

暂态振荡的数学模型是；

其中A，B取任意值。

图6 暂态振荡信号发生器的程序框图

6 信号发生器产生的五种信号

本虚拟函数信号发生器所产生的骤降信号、骤升信号、中断信号、瞬变信号和暂态振荡信号的前面板波形显示分别如下图7（a）、（b）、（c）、（d）、（e）所示。

7 分析和比较

下图8是单一使用LabVIEW设计的电压骤降信号发生器的程序框图。

图8 使用LabVIEW形成的电压骤降信号发生器的程序框图

和由LabVIEW和MATLAB混合编程形成的电压骤降信号发生器相比，二者实现的功能相同，并且都可以通过改变信号参数来调节信号。但是，从直观上看，后者所占用的界面较少，节省了空间；从程序的开发时间看，由于数学算法在MATLAB中极易实现，因此，后者所使用的时间较少。

8 结束语

应用LabVIEW和MATLAB混合编程设计开发的仪器，操作更加简单，功能也更强大，且所用时间少。本文设计的信号发生器不仅可以随时增加各种扰动信号的发生模块，还可以根据需要设置调整相应的参数，输出信号通过数据采集设备与被控设备相连接，可应用于暂态电能质量的研究与教学，以及暂态电能质量检测装置的验证，更好的满足用户的各种不同的需要。