基于LabVIEW的中频电源电能质量分析测试系统设计

随着电力电子技术的广泛应用与发展，供电系统中增加了大量的非线性负载，会引起电网电流、电压波形发生畸变，引起电网的谐波“污染”。另外，冲击性、波动性负荷运行中不仅会产生大量的高次谐波，而且使得电压波动、闪变、三相不平衡日趋严重，这些对电网的不利影响不仅会导致供用电设备本身的安全性降低，而且会严重削弱和干扰电网的经济运行，造成对电网的“公害”。400 Hz中频电源主要用于飞机机载设备、雷达、导航等航空及舰船等军用电子设备的特殊场合。也正是由于中频电源系统的特殊性，市场上的适用于中频电源的电能质量分析仪不多。

为了实现对中频电源电源系统电能质量的准确测试，在做了需求分析的基础上，提出并设计了一种基于LabVIEW的便携式中频电源质量分析测试系统(以下简称“测试系统”)方案。该系统能够完成对中频电源系统电能质量的准确测试。

1 测试系统需求分析

根据系统要求实现6通道模拟量输入检测分析，即分别检测三相相电流及三相线电压。实时显示电压、电流、视在功率、有功功率及无功功率等各种电能参数，最重要的是谐波分析测试功能，可进行31次谐波分析并将各单次谐波以柱状图及百分比表格进行显示。其他功能包括有保存当前数据、报表生成、日志编写、数据管理等功能。

报表功能应有单次保存记录所包含的三相线电压、平均电压、三相相电流、平均电流、三相有功功率、总有功功率、三相无功功率、总无功功率三相、视在功率、总视在功率、三相功率因数、总功率因数以及三相线电压、三相相电流的各单次谐波含量的柱状图或表格。最后报表中还应包含日志功能中记录的检测对象、地点、人员、各个通道的日志。

2 测试系统硬件设计

本测试系统主要硬件有便携式计算机、数据采集卡、电压电流传感器。中频电源系统的电压电流经过传感器变换为低电压信号，由数据采集卡高速采集送入计算机，经由LabVIEW虚拟仪器软件进行计算分析。

便携式计算机选用ACME-850便携机。机箱采用了抗冲击型ABS工程塑料制成，内箱为铝镁合金，提高了抗震性能，通过风扇前端的金属屏蔽网和侧档片特殊的EMI处理技术，

提高了整机的电磁兼容性能，机箱表面涂有一层陶皮漆。其主要配置为N-852工业双核主板、酷睿2.2G处理器、DDR2—2G内存、SATA-500G硬盘、高亮度高分辨率的15寸XGA液晶显示屏并配有航空拉杆箱，完全满足功能需要。

数据采集卡选用凌华公司的DAQ-2502型号数据采集卡。它有4路模拟电压输出，输出范围0～±10 V、最大更新率1MS/s、12位分辨率、8K板载FIFO;另有8路单端模拟输入，输入范围0～±10 V、14位无误码分辨率、最高400 kS/s采样频率。另外还有丰富的数字接口，计数器/定时器等应用。

电压电流传感器均采用瑞士LEM公司工业用高性能传感器，测试精度高、性能稳定。

3 测试系统状态确定

系统有初始化、空闲、运行、保持及退出5个状态。其状态转换如图1所示。系统启动时进入初始化状态，加载上次用户的设置参数后进入空闲状态，等待用户的按钮操作。在空闲状态下系统的辅助功能“数据管理”与“故障诊断”可以使用，同时可以配置用户参数。空闲状态下点击“运行”按钮，进入运行状态，这时数据采集卡开始采集数据，系统处理计算后显示在窗口中。运行状态下点击“停止”，系统返回到空闲状态。如果点击“保持”状态，这时系统停止采集，可以进行数据保存操作，保存停止采集前一时刻的所有数据和设置。系统后台进一步可对保存的数据进行计算分析。

4 测试系统软件设计

对中频电源电能质量分析主要是针对检测到的电压、电流信号进行谐波分析。频谱测量与分析是软件部分计算分析的核心。谐波分析的目的是求出各次谐波的幅值和相角，针对不同类型的谐波，有相应的分析方法。对于稳态谐波通常使用FFT算法，此外，还有快速Hartley变换(FHT)算法，离散W变换等等;对于暂态谐波，有改进的FFT分析，小波变换等方法。LabVIEW带有的扩展库函数的通用程序及专业的数学分析程序包，可以满足复杂的工程计算和分析要求，利用谐波失真分析函数可以快速而准确地计算出基准频率、各单次谐波分量的幅值，减少了软件开发工作量。

下面着重介绍测试系统软件系统的设计。

4.1 LabVIEW软件

LabVIEW(Laboratory Virtual Instrument Engineering Workbench)是一种用图标代替文本行创建应用程序的图形化编程语言。其外观和操作均模仿现实仪器，这一点的设计，大大方便了传统的仪器工程师，也是其成功的一个重要因素。虚拟仪器的核心技术思想就是“软件即是仪器”，由此突出了软件在虚拟仪器系统中的重要性。美国NI公司在Microsoft公司的Windows诞生之前，就已经在Macintosh计算机上推出了LabVIEW2.0以前的版本，通过长期、系统、有效的研究和发展，逐步确立了LabVIEW在虚拟仪器编程软件中的主力地位。它的出现终于把人们——尤其是传统仪器工程师和科学家们从繁杂的编程工作中解放出来，使他们能够真正专心于自己所关注的事情。

4.2 软件系统主要模块功能模块划分

在LabVIEW中编制程序应当采用模块化、结构化的编程思想。LabVIEW的基于数据流控制与结构化编程中的信息流相呼应。采用结构化方法实现调试仪这样一个复杂的系统无疑是较好的选择。

根据测试系统的功能需求，可将系统软件分成五大功能模块，分别为IO设置模块、数据显示模块、数据处理模块、数据管理模块及报表管理模块，如图2所示。在确定了测试系统的功能并划分软件系统各主要功能模块后，就可规划主要程序结构和程序。

4.3 软件系统层次划分

我们采用自顶向下的设计方式，将系统分为3层：主界面层、逻辑功能层和底层。“主界面层”主要包括主人机界面和系统总体控制。“逻辑功能层”负责系统的各种逻辑功能，例如I/O设置、数据采集、数据处理、数据管理和数据查询等。“底层”则是一个个按照基本功能划分子VI，供给高层次VI调用。采用调用子VI的形式来实现模块之间的调用和关联。当调用子VI时，系统需要花费很少的开销，大概几十毫秒的时间。测试系统的软件层次结构图3所示。

4.4 软件系统各任务优先级设计

基于LabVIEW的中频电源检测系统是一个多功能多任务系统，是以多任务并行的方式运行的。为了优化系统资源的使用情况，保障各功能模块准确完成任务，即使响应用户需求。测试系统主要任务优先级分配如下：

信号发送采集任务优先级最高，一旦启动采集，只有进入保持或是停止时才会停止采集，为第1等级;数据处理任务优先级次之，数据采集好后要进行软件滤波和计算电能质量参数，为第2等级;数据显示任务将采集回来的数据实时地显示在图表里面，任务优先级也为第2等级;数据管理任务与生成报表任务都是在系统不进行数据收发的时候才能启动。故列为第3等级。

在LabVIEW上编写多任务程序非常方便，LabVIEW是自动多线程的编程语言，只要VI的代码可以并行执行，LabVIEW就会将它们分配在多个执行线程内同时运行。一般情况下，编写程序时应当遵循这样的原则：可以同时运行的模块就并排摆放，千万不要用连线，顺序框等方式强制它们依次执行。在并行执行时，LabVIEW会自动地把它们安排在在不同线程下同时运行，以提高程序的执行速度，节省程序的运行时间。

4.5 软件总体架构

图4是测试系统软件的总体架构。其主要要点是：用while循环实现系统状态机，用事件结构监控界面按钮事件(用户点击各种按钮)和用户自定义事件，上述2者用事件进行同步，在状态机的“运行子状态”中，用队列同步数据采集和数据处理显示。

4.6 用户主界面程序设计

如图5所示，测试系统软件用户界面共分为6个部分：1)为检测对象选择控件;2)为电压、电流波形图显示通道选择控件;3)为电压、电流波形图显示;4)为电压、电流、功率等电能质量分析显示;5)为软件控制菜单控件;6)为谐波分析显示。

5 结论

该测试系统采用具有高速数据采集卡的便携式测试计算机为硬件平台，软件设计采用LabVIEW中编制程序采用模块化、结构化的编程思想，提高了系统的可靠性和维护性。该测试系统已装备于某型船舶的中频电源系统，实际应用表明该测试系统具有测试准确、稳定可靠、人机界面友好等特点，达到了设计要求。