王 琦

(東北電力大學(xué) 電氣工程學(xué)院,吉林 吉林 132012)

基于LabVIEW的船舶電力諧波檢測系統(tǒng)的設(shè)計與研究

王 琦

(東北電力大學(xué) 電氣工程學(xué)院,吉林 吉林 132012)

設(shè)計了一套功能完整的船舶電力諧波數(shù)據(jù)采集以及模擬檢測系統(tǒng)平臺,利用NI公司出產(chǎn)的LabVIEW軟件對下位機采集卡PXIe-6358進(jìn)行控制,實現(xiàn)實時采集數(shù)據(jù);將數(shù)字信號轉(zhuǎn)化成模擬信號,通過快速傅里葉加窗方法進(jìn)行諧波檢測,確保精準(zhǔn)地檢測出電力諧波量。仿真實驗結(jié)果表明,該系統(tǒng)檢測方便,精度較高,運行穩(wěn)定、可靠。

船舶電力諧波;檢測系統(tǒng);LabVIEW;PXIe-6358

隨著水上船舶電力系統(tǒng)的興起，現(xiàn)代船舶電力網(wǎng)絡(luò)容量不斷擴增，繼而導(dǎo)致了一系列技術(shù)難題，所以提高船舶系統(tǒng)的電壓等級成為必然趨勢。伴隨著電壓等級的提高，電網(wǎng)結(jié)構(gòu)變得越來越復(fù)雜，當(dāng)船舶綜合全電力推進(jìn)系統(tǒng)[1]組成之后，設(shè)備負(fù)荷變高，擴建大量電纜線路使得電容電流以及諧波大幅度增加，造成電力諧波污染問題日益明顯，嚴(yán)重影響船舶電能質(zhì)量和用戶設(shè)備的正常運行。因此，進(jìn)行電力諧波成分的檢測與分析有利于整體性電能質(zhì)量的評估。

電力諧波問題的研究主要集中在換流器諧波源、測量技術(shù)、計量與分析技術(shù)三個方面[1-4]。換流器諧波源方面，提出采用空間矢量法降低PWM換流器的諧波含量，在AC/DC換流器不對稱觸發(fā)情況下，采用離散小波信號模型分析方法。測量技術(shù)方面，提出不同諧波情況下，提高諧波測量精度的方法，研制電能質(zhì)量檢測儀和多通道諧波分析儀。計量與分析技術(shù)方面，針對非穩(wěn)態(tài)波形畸變，根據(jù)電網(wǎng)參數(shù)實時變化以及模型與元件參數(shù)精度對諧波計算會造成一定影響，從而尋求新的數(shù)學(xué)方法。

目前,主要的諧波檢測方法有快速傅里葉變換法FFT、小波變換法、正交分解法、人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)法等[5-7]。其中FFT算法因計算效率高在諧波分析中得到廣泛的應(yīng)用;時變諧波與間諧波檢測主要使用小波變換法;正交變換法主要用于有源電力濾波器控制;神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)法尚處于理論探討階段,還不具備廣泛用于諧波與間諧波監(jiān)測的條件,原因是需要大量的樣本對神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行訓(xùn)練。然而在利用FFT進(jìn)行間諧波測量時,對于任意頻率的間諧波檢測無法實現(xiàn)信號同步采樣,會產(chǎn)生一定的頻譜泄漏和柵欄現(xiàn)象[8]。這些現(xiàn)象會使得對頻率測量的幅值有所偏差,而且會產(chǎn)生出其他頻率的諧波。通常在進(jìn)行傅里葉變換時,對信號乘以一個合適的窗函數(shù),隨著窗函數(shù)幅度逐漸減小,頻譜泄漏也逐漸降低,使得測量更為準(zhǔn)確。

本文采用快速傅里葉加窗方法進(jìn)行諧波檢測,并設(shè)計了一套功能完整的船舶電力諧波數(shù)據(jù)采集以及模擬檢測系統(tǒng)平臺。通過仿真軟件LabVIEW對下位機采集卡硬件PXIe-6358控制,實時采集諧波相關(guān)數(shù)據(jù),同時將數(shù)字信號轉(zhuǎn)化成模擬信號注入到軟件算法中,確保精準(zhǔn)地檢測出電力諧波量。

1 諧波檢測的算法理論

1.1 傅里葉變換法

傅里葉變換是一種數(shù)學(xué)變換方法,包括多種延伸的算法,例如連續(xù)傅立葉變換(Continuous Fourier transform,CFT)、離散傅立葉變換(Discrete Fourier Transform,DFT)、快速傅立葉變換(Fast Fourier Transformation,FFT)和加窗傅立葉變換(Windowed Fourier Transform,WFT)等。對于含有諧波的信號,可以利用傅里葉變換法進(jìn)行頻率測量,設(shè)測量信號為

x(t)=Asin[2πf0ht+φh(t)]

(1)

式中:A為常數(shù);2πfh為周期函數(shù)的角頻率;φ(t)為頻率的初相角。

從式(1)中分離出信號的基波分量,再利用幅頻特性和相角特性進(jìn)行頻率測量。該方法主要是通過傅立葉變換將信號進(jìn)行分解,得到各次諧波的幅值和頻率。通常在測量整數(shù)次諧波中采用FFT,能在進(jìn)行長序列運算時大大提高運算速度。設(shè)離散信號x(n)為n點序列,其DFT變換為

當(dāng)n為偶數(shù)時,令n=2r;當(dāng)n為奇數(shù)時,令n=2r+1,則x(n)可表示為

x(2r)=x(r)

x(2r+1)=x(r) (r=0,1,2,…,2/N-1)

在周期為T0的連續(xù)時間信號f(t)內(nèi)抽取N個等間隔的采樣點,采樣間隔為Δt=T0/N,則采樣頻率fs=1/Δt。

FFT是目前諧波檢測的主要方法。當(dāng)測量時間是信號周期的整數(shù)倍,即同步采樣,并滿足時域采樣定理時,可精確獲得信號的諧波參數(shù)。然而,由于電網(wǎng)信號的基波頻率不斷波動,測量時很難達(dá)到嚴(yán)格的同步采樣，存在頻譜泄漏和柵欄效應(yīng)現(xiàn)象[8]，使檢測結(jié)果誤差較大。因此在進(jìn)行傅里葉變換時需對信號乘以一個合適的窗函數(shù),隨著窗函數(shù)幅度逐漸減小,頻譜泄漏也逐漸降低,使得測量更為準(zhǔn)確。目前經(jīng)常用到的余弦窗有矩形窗、Hanning窗、Hamming窗、Blackman窗。

在頻域測量中,對于窗函數(shù)的選擇主要有以下要求:1)為了得到較陡的過渡區(qū),窗函數(shù)應(yīng)選取主瓣寬度較小的類型;2)旁邊高度應(yīng)盡量小,且隨頻率衰減的速度比較快。根據(jù)上面這兩個要求,本文運用Hanning窗的效果會更好。

1.2 諧波參數(shù)測量原理

為了表示畸變波形偏離正弦波的程度,通常由諧波含量、各次諧波含有率和總諧波畸變率特征量表示。

1.2.1 諧波含量

式中:Uh和Ih分別為第h次諧波的電壓和電流;UH和IH分別為電壓、電流諧波含量,由h次諧波電壓、電流均方根得到。

具有周期性畸變波形電壓有效值U和電流有效值I等于各次諧波電壓、電流有效值的平方根值,即

1.2.2 各次諧波含有率

結(jié)合文獻(xiàn)[9]所述,工程上常常要求給出電壓或電流畸變波形中所含有的某次諧波含有率,這樣有利于對各次諧波進(jìn)行檢測和采取抑制措施。諧波含有率(Harmonic Ratio,HR)通常用來表示某次諧波分量的數(shù)值大小，即為該次諧波有效值與基波有效值的百分比，如第n次電壓諧波含有率HR為

式中:Un為第n次諧波電壓有效值;U1為基波電壓有效值。

類似對于諧波電流表示為

式中:In為第n次諧波電流有效值;I1為基波電流有效值。

1.2.3 波形總畸變率

由文獻(xiàn)[10]可知,諧波畸變率表示波形因諧波引起的偏離正弦波形的畸變程度。波形的總諧波畸變率 (Total Harmonic Distorition,THD)是指具有周期性交流諧波含量的方均根值與基波分量的方均根值之比(常用百分?jǐn)?shù)表示)。波形畸變的程度經(jīng)常用諧波總畸變THD來表示。電壓諧波總諧波畸變率為THDu和電流諧波總畸變率THDi分別定義為

2 LabVIEW軟件設(shè)計

LabVIEW不僅是一個功能較為完整的軟件開發(fā)環(huán)境,還具備編程語言的所有特性,是一種適合應(yīng)用于目前絕大部分編程任務(wù),具有擴展函數(shù)庫的通用編程語言。LabVIEW與傳統(tǒng)高級編程語言最大差別在于編程方式,一般高級語言采用文本編程,而它采用的是圖形化編程方式。

本系統(tǒng)的實驗硬件選為NI-PXI系統(tǒng)(包括嵌入式控制器、牢固的機箱和插入式I/O模塊)。

首先,使用ETS[10]作為目標(biāo)平臺的LabVIEW實時模塊,把該應(yīng)用軟件程序及專用RTOS[11]下載至專用微處理器上,并將嵌入式控制器轉(zhuǎn)換為實時控制器。這樣嵌入式軟件就可以查看到所有NI-PXI系統(tǒng)中的I/O模塊。

然后,使用PXI高級同步定時功能以確保I/O觸發(fā)準(zhǔn)確性和多模塊間良好同步的效果,以及在進(jìn)行數(shù)據(jù)采集和數(shù)據(jù)處理過程中的實時性和有效性。實驗所用到的PXIe-6358包括4路模擬輸出PCI采集卡,可滿足各種高性能測試和測量應(yīng)用的需求。PXIe-1082機箱如圖1所示,用到的為第5塊PXIe-6358中的采集卡;配套的數(shù)據(jù)接線板如圖2所示。

2.1 采集數(shù)據(jù)

LabVIEW提供了非常豐富的圖形界面來進(jìn)行前面板的設(shè)計,波形圖表能非常清晰地實時顯示采集波形。

在該頁面中實現(xiàn)了多通道采集的波形以及所有通道采樣的波形實時顯示[12]。該面板能靈活運用屬性節(jié)點編程,實現(xiàn)調(diào)節(jié)電壓幅值、采樣數(shù)、采樣率以及自己想要的采樣數(shù)據(jù)波形。其中前面板由通道、定時、記錄和采集4個模塊組成,能夠?qū)崟r采集到準(zhǔn)確的數(shù)字信號并通過波形圖表現(xiàn)在后面板,并且可以轉(zhuǎn)化成模擬信號進(jìn)行存儲記錄,如圖3所示。

圖1 PXIe機箱正面

圖2 SCB-68A接線板

2.2 諧波分析

2.2.1 前面板的主程序

為了更好地實現(xiàn)操作的便捷性和良好的可靠性,此改模塊應(yīng)用到了electric power suite應(yīng)用包。程序具體由7部分組成:FPGA的初始值配置;設(shè)置模擬波形讀取數(shù)據(jù);構(gòu)建輸入電壓、電流波形數(shù)據(jù),輸入采樣率數(shù)據(jù),并設(shè)置出了RT控制器時間;設(shè)置基于電壓靈敏度和電流傳感器的電壓和電流的閾值;計算電壓及電流THD,并繪制成光譜圖;指定以5HZ為一單位的諧波組譜;停止FPGA采集模擬信號。諧波檢測前面板程序如圖4所示。

2.2.2 后面板的功能模塊

該顯示模塊包括5部分,如圖5所示。初始值根據(jù)圖3采集數(shù)據(jù)得到,也可獨立設(shè)置。該程序物理通道既可指定成模擬通道進(jìn)行仿真檢測,又可鏈接其采集模塊進(jìn)行實時監(jiān)測。

圖3 采集諧波數(shù)據(jù)程序

圖4 諧波檢測前面板程序

圖5 諧波檢測功能模塊

3 仿真測試

3.1 初始值設(shè)置

該程序通過模擬輸入量后可對檢測諧波進(jìn)行分析,將設(shè)備布線為三相四線制,頻率50 Hz,標(biāo)稱電壓為230 V,周期頻數(shù)為192,最大諧波數(shù)為50,如圖6所示。

圖6 初始值設(shè)置

3.2 測試結(jié)果

根據(jù)初始值設(shè)定,后面板顯示電壓、電流的THD波形和頻譜如圖7～10所示,將三相電壓、電流值的靈敏度都調(diào)成1。

圖8 三相電流波形

圖9 電壓頻譜圖

圖10 電壓組譜圖

從圖7可以看到,三相電壓幅值在320 V上下,換算成電壓有效值與處置設(shè)定值230 V相差不大。從圖8可以看到,電流波形圖顯示較為理想。將測試得到的電壓頻譜結(jié)果、組譜結(jié)果(見圖9、圖10)與理論值進(jìn)行比較,發(fā)現(xiàn)幅值、相位的檢測誤差很小。其中,設(shè)頻率(z軸)映射為線性,幅值(y軸)設(shè)為指數(shù)形式,利于觀察電壓幅值變化量,而檢測出的畸變率有效值和近似值相差不到1%,可以滿足船舶電能質(zhì)量檢測工程上的需要。

3 結(jié) 語

本文設(shè)計了一套功能完整的船舶電力諧波數(shù)據(jù)采集以及模擬檢測系統(tǒng)平臺。實驗結(jié)果表明,對于穩(wěn)態(tài)連續(xù)諧波檢測結(jié)果較為準(zhǔn)確,便于觀察分析,操作簡單,可靠性高,適合運用在船舶電力諧波的檢測工程上。

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(責(zé)任編輯 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,碩士研究生,研究方向為電能質(zhì)量檢測。

U665.1

A

2095-6843(2016)06-0482-05