基于LabVIEW与FPGA的电力谐波实时在线检测系统

李欣蔓，张永明

（上海大学 机电工程与自动化学院，上海 200444）

电网中存在大量具有非线性负载的电子设备，使电网中电力谐波问题日益突出。谐波会增加用电设备的能耗，缩短其寿命，影响整个电网的用电质量[1]。因此，需要消除谐波污染，将谐波含量维持在一定范围内。对谐波进行精确检测是解决谐波问题的重要前提。故在此提出基于LabVIEW与现场可编程门阵列FPGA的电力谐波实时在线检测系统。

FPGA是一种主流的数字系统实现平台。其运算速度快，接口电路简便，可靠性高；与DSP相比较，能够进行并行计算，适用于大量重复性数据处理场合；在程序运行过程中，可以极大提高系统运算速度，提升实时性。LabVIEW是一种程序开发语言，使用图形化程序框图进行编程；其环境简洁，开发简单，人机交互界面简便，且能够支持FPGA产品，有助于大幅缩短开发周期[1-2]。

所提出的检测系统采用LabVIEW开发上位机，CompactRIO平台上的FPGA作为下位机[3]。采用美国国家仪器（NI）公司的LabVIEW编辑上位机程序，通过串口通信控制下位机进行信号采集、调理、分析和数据交换，并将结果传送并显示至上位机。

1 谐波检测系统总体设计

基于LabVIEW与FPGA的电力谐波实时检测系统的总体结构如图1所示。传感器采集高电压大电流电源信号，进入调理电路经屏蔽、变换、放大后，得到数据采集卡允许输入范围内的电信号。CompactRIO平台上的NI9220进行数据采集与A/D转换，将转换后的数据发送至RIO-9035的实时控制器进行处理，借助以太网将数据传送至上位机。上位机使用LabVIEW设计框图程序，在前面板显示用户操作界面，设置信号参数，显示波形和输出结果，并通过串口实现上位机与下位机的信息交互。

图1 系统总体结构Fig.1 System general structure

谐波检测系统由信号测量转换、模数转换、数据分析与管理4个模块组成。其中，信号测量转换模块包含电压电流互感器及信号调理电路，将电网信号转变为符合ADC输入要求的小幅值信号；模数转换模块将小幅值电信号转为数字信号，并将其传送至数据处理模块；数据分析模块以FPGA为运算核心，对ADC的采样信号进行处理；数据管理模块对各项电能质量参数进行数据管理，完成显示、存储及通信及人机交互功能。

2 系统硬件设计

系统硬件设计包含电压传感器、电流传感器、信号调理电路及CompactRIO系统。

在含谐波源的电网中，电压传感器和电流传感器分别将高电压（690 V）、大电流信号（800 A）转换成低电压（±10 V）、小电流信号并传输至调理模块。经过调理电路，输出信号转换为0～10 V电压信号，满足数据采集模块的采样要求，并消除可能由高频信号引起的频谱混叠现象。

2.1 调理电路

信号调理电路包括HS-DRB模块、HS-SCB模块、HS-IPM-DV模块及IPM模块。其中，HS-DRB模块完成电机侧与电网侧的交流电压、母线电压采样电阻限流；HS-SCB模块实现电机侧电压电流与电网侧电压电流等模拟采样信号调理、电机侧与电网侧PWM信号转接及开关信号控制转接等；HS-IPMDV模块作为电机侧电压与电网侧PWM信号隔离驱动，并提供IPM模块故障保护信号。电路的电机侧与电网侧的电能参数调理设计分别如图2、3所示。

图2 电机侧电能参数Fig.2 Power parameters at motor side

图3 电网侧电能参数Fig.3 Power parameters at grid side

2.2 CompactRIO系统

CompactRIO系统包含实时处理器、可重新配置的FPGA芯片及热插拔工业I/O模块。通信交互过程如图4所示，上位机运行主机VI与下位机通信实现人机交互；实时处理器RIO-9035执行Lab-VIEW Real-Time VI与主机通信，实现数据采集、记录、分析与控制；FPGA为运算核心，执行LabVIEW FPGA VI实现NI板卡的底层配置与采样信号的数据处理；其中，I/O模块采用NI-9220模拟输入，每个通道提供±10 V的测量范围，以及16位测量精度，采样率可达100 kS/s/ch。

图4 系统通信结构Fig.4 System communication structure

3 系统软件设计

系统软件采用美国国家仪器（NI）公司的Lab-VIEW软件进行开发。LabVIEW运用图形化编辑语言G组合多个功能模块，在上位机实现系统启停控制、波形及参数显示保存、谐波分析与越限报警等功能。

3.1 谐波分析的基本原理

谐波是周期性交流信号进行傅里叶分解得到的频率为基波的整数倍的分量。在满足狄利赫里条件时，周期为T=2π/ω的非正弦波形可分解为式（1）中的傅里叶级数，即

式中：Ansin（nω0t+φn）为n 次谐波项；An为n 次谐波幅值。由此获得与基波频率及其整数倍相同的分量。

通过快速傅里叶变换FFT（fast Fourier transform）对电网谐波的连续时间信号进行采样和A/D转换，获取离散的频域信号。基于FFT加Hanning窗进行信号截断，改善因信号频率与采样频率不同步引起的频谱泄漏。Hanning窗的表达式为

通过加Hanning窗FFT波形分析[4]，获取各次谐波含有量、各谐波幅值与相位、总谐波畸变率及谐波功率等参数。

3.2 基于LabVIEW的谐波分析

谐波分析的软件设计如图5所示。供电箱提供测试信号源，经过调理电路，源电压电流可转换成数据采集模块允许范围内的值。FPGA VI中设置FPGA采样频率，采用NI9220输入输出模块采集16通道的信号源，使用FIFO顺序写入数据缓存；Lab VIEW RT VI中设置RT读写频率，使FIFO读取FPGA VI数据至各通道，为各通道引入共享变量，该共享变量可用于HOST VI进行数据分析和处理。

波形畸变一般采用总谐波畸变率THD（total harmonics distortion）表示，即

式中：A1为基波幅值；An为n次谐波幅值；n为总谐波次数。国标规定的各级谐波源的电压THD见表1。

图5 LabVIEW平台的谐波分析Fig.5 Harmonic analysis on the platform of LabVIEW

表1 各级谐波源的电压总谐波畸变率Tab.1 Voltage THD of multiple harmonic sources

4 试验测试及结果分析

试验对信号源的谐波进行分析与测试。试验电压220 V，基波频率50 Hz，在相同试验条件下，同时选取专业谐波测试仪器和在线检测系统进行测量。

试验结果表明，与现有的试验仪器比较，在相同试验环境下，谐波在线检测系统测量值能达到专业仪器的同等测量精度，且测得的谐波次数更高。现有的谐波测量仪器能测得40次谐波，在线检测系统能达到50次及以上，且测得THD满足国家标准。与专业测试仪器相比较，基于现有的电力谐波在线检测系统，可进行更多检测功能的拓展，包括电压闪变模块等，扩展性好，性价比高。

5 结语

文中提出的一种电力谐波实时检测系统能够在上位机直观展示谐波分析过程，在线检测谐波分析结果，且达到专业仪器测试同等精度水平。该实时检测系统以上位机为载体通过LabVIEW设计谐波分析程序与图形界面进行人机交互。下位机CompactRIO平台上的FPGA通过调理电路、传感器等与待测电网连接，完成数据转换与测量，通过以太网及串口与上位机通信，实现数据交互计算。在线检测系统设计灵活，简便直观，可塑性强，可根据测试需求进行功能更改和扩展。试验结果验证测量精度高，满足测量需求。