【導(dǎo)讀】本文提出并設(shè)計了一種基于LabVIEW的便攜式中頻電源質(zhì)量分析測試系統(tǒng)方法，能夠完成對中頻電源系統(tǒng)電能質(zhì)量的準(zhǔn)確測試，提高了系統(tǒng)的可靠性和維護(hù)性。
隨著電力電子技術(shù)的廣泛應(yīng)用與發(fā)展，供電系統(tǒng)中增加了大量的非線性負(fù)載，會引起電網(wǎng)電流、電壓波形發(fā)生畸變，引起電網(wǎng)的諧波“污染”。另外，沖擊性、波動性負(fù)荷運(yùn)行中不僅會產(chǎn)生大量的高次諧波，而且使得電壓波動、閃變、三相不平衡日趨嚴(yán)重，這些對電網(wǎng)的不利影響不僅會導(dǎo)致供用電設(shè)備本身的安全性降低，而且會嚴(yán)重削弱和干擾電網(wǎng)的經(jīng)濟(jì)運(yùn)行，造成對電網(wǎng)的“公害”。400 Hz中頻電源主要用于飛機(jī)機(jī)載設(shè)備、雷達(dá)、導(dǎo)航等航空及艦船等軍用電子設(shè)備的特殊場合。也正是由于中頻電源系統(tǒng)的特殊性，市場上的適用于中頻電源的電能質(zhì)量分析儀不多。
為了實(shí)現(xiàn)對中頻電源電源系統(tǒng)電能質(zhì)量的準(zhǔn)確測試，在做了需求分析的基礎(chǔ)上，提出并設(shè)計了一種基于LabVIEW的便攜式中頻電源質(zhì)量分析測試系統(tǒng)(以下簡稱“測試系統(tǒng)”)方案。該系統(tǒng)能夠完成對中頻電源系統(tǒng)電能質(zhì)量的準(zhǔn)確測試。
1 測試系統(tǒng)需求分析
根據(jù)系統(tǒng)要求實(shí)現(xiàn)6通道模擬量輸入檢測分析，即分別檢測三相相電流及三相線電壓。實(shí)時顯示電壓、電流、視在功率、有功功率及無功功率等各種電能參數(shù)，最重要的是諧波分析測試功能，可進(jìn)行31次諧波分析并將各單次諧波以柱狀圖及百分比表格進(jìn)行顯示。其他功能包括有保存當(dāng)前數(shù)據(jù)、報表生成、日志編寫、數(shù)據(jù)管理等功能。
報表功能應(yīng)有單次保存記錄所包含的三相線電壓、平均電壓、三相相電流、平均電流、三相有功功率、總有功功率、三相無功功率、總無功功率三相、視在功率、總視在功率、三相功率因數(shù)、總功率因數(shù)以及三相線電壓、三相相電流的各單次諧波含量的柱狀圖或表格。最后報表中還應(yīng)包含日志功能中記錄的檢測對象、地點(diǎn)、人員、各個通道的日志。
2 測試系統(tǒng)硬件設(shè)計
本測試系統(tǒng)主要硬件有便攜式計算機(jī)、數(shù)據(jù)采集卡、電壓電流傳感器。中頻電源系統(tǒng)的電壓電流經(jīng)過傳感器變換為低電壓信號，由數(shù)據(jù)采集卡高速采集送入計算機(jī)，經(jīng)由LabVIEW虛擬儀器軟件進(jìn)行計算分析。
便攜式計算機(jī)選用ACME-850便攜機(jī)。機(jī)箱采用了抗沖擊型ABS工程塑料制成，內(nèi)箱為鋁鎂合金，提高了抗震性能，通過風(fēng)扇前端的金屬屏蔽網(wǎng)和側(cè)檔片特殊的EMI處理技術(shù)，提高了整機(jī)的電磁兼容性能，機(jī)箱表面涂有一層陶皮漆。其主要配置為N-852工業(yè)雙核主板、酷睿2。2G處理器、DDR2—2G內(nèi)存、SATA-500G硬盤、高亮度高分辨率的15寸XGA液晶顯示屏并配有航空拉桿箱，完全滿足功能需要。
數(shù)據(jù)采集卡選用凌華公司的DAQ-2502型號數(shù)據(jù)采集卡。它有4路模擬電壓輸出，輸出范圍0～±10 V、最大更新率1MS/s、12位分辨率、8K板載FIFO；另有8路單端模擬輸入，輸入范圍0～±10 V、14位無誤碼分辨率、最高400 kS/s采樣頻率。另外還有豐富的數(shù)字接口，計數(shù)器/定時器等應(yīng)用。
電壓電流傳感器均采用瑞士LEM公司工業(yè)用高性能傳感器，測試精度高、性能穩(wěn)定。
3 測試系統(tǒng)狀態(tài)確定
系統(tǒng)有初始化、空閑、運(yùn)行、保持及退出5個狀態(tài)。其狀態(tài)轉(zhuǎn)換如圖1所示。系統(tǒng)啟動時進(jìn)入初始化狀態(tài)，加載上次用戶的設(shè)置參數(shù)后進(jìn)入空閑狀態(tài)，等待用戶的按鈕操作。在空閑狀態(tài)下系統(tǒng)的輔助功能“數(shù)據(jù)管理”與“故障診斷”可以使用，同時可以配置用戶參數(shù)。空閑狀態(tài)下點(diǎn)擊“運(yùn)行”按鈕，進(jìn)入運(yùn)行狀態(tài)，這時數(shù)據(jù)采集卡開始采集數(shù)據(jù)，系統(tǒng)處理計算后顯示在窗口中。運(yùn)行狀態(tài)下點(diǎn)擊“停止”，系統(tǒng)返回到空閑狀態(tài)。如果點(diǎn)擊“保持”狀態(tài)，這時系統(tǒng)停止采集，可以進(jìn)行數(shù)據(jù)保存操作，保存停止采集前一時刻的所有數(shù)據(jù)和設(shè)置。系統(tǒng)后臺進(jìn)一步可對保存的數(shù)據(jù)進(jìn)行計算分析。
圖1：測試系統(tǒng)主要工作狀態(tài)
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4 測試系統(tǒng)軟件設(shè)計
對中頻電源電能質(zhì)量分析主要是針對檢測到的電壓、電流信號進(jìn)行諧波分析。頻譜測量與分析是軟件部分計算分析的核心。諧波分析的目的是求出各次諧波的幅值和相角，針對不同類型的諧波，有相應(yīng)的分析方法。對于穩(wěn)態(tài)諧波通常使用FFT算法，此外，還有快速Hartley變換(FHT)算法，離散W變換等等；對于暫態(tài)諧波，有改進(jìn)的FFT分析，小波變換等方法。LabVIEW帶有的擴(kuò)展庫函數(shù)的通用程序及專業(yè)的數(shù)學(xué)分析程序包，可以滿足復(fù)雜的工程計算和分析要求，利用諧波失真分析函數(shù)可以快速而準(zhǔn)確地計算出基準(zhǔn)頻率、各單次諧波分量的幅值，減少了軟件開發(fā)工作量。
下面著重介紹測試系統(tǒng)軟件系統(tǒng)的設(shè)計。
4.1 LabVIEW軟件
LabVIEW (Laboratory Virtual Instrument Engineering Workbench)是一種用圖標(biāo)代替文本行創(chuàng)建應(yīng)用程序的圖形化編程語言。其外觀和操作均模仿現(xiàn)實(shí)儀器，這一點(diǎn)的設(shè)計，大大方便了傳統(tǒng)的儀器工程師，也是其成功的一個重要因素。虛擬儀器的核心技術(shù)思想就是“軟件即是儀器”，由此突出了軟件在虛擬儀器系統(tǒng)中的重要性。美國NI公司在Microsoft公司的Windows誕生之前，就已經(jīng)在Macintosh計算機(jī)上推出了LabVIEW2。0以前的版本，通過長期、系統(tǒng)、有效的研究和發(fā)展，逐步確立了LabVIEW在虛擬儀器編程軟件中的主力地位。它的出現(xiàn)終于把人們——尤其是傳統(tǒng)儀器工程師和科學(xué)家們從繁雜的編程工作中解放出來，使他們能夠真正專心于自己所關(guān)注的事情。
4.2 軟件系統(tǒng)主要模塊功能模塊劃分
在LabVIEW中編制程序應(yīng)當(dāng)采用模塊化、結(jié)構(gòu)化的編程思想。LabVIEW的基于數(shù)據(jù)流控制與結(jié)構(gòu)化編程中的信息流相呼應(yīng)。采用結(jié)構(gòu)化方法實(shí)現(xiàn)調(diào)試儀這樣一個復(fù)雜的系統(tǒng)無疑是較好的選擇。
根據(jù)測試系統(tǒng)的功能需求，可將系統(tǒng)軟件分成五大功能模塊，分別為IO設(shè)置模塊、數(shù)據(jù)顯示模塊、數(shù)據(jù)處理模塊、數(shù)據(jù)管理模塊及報表管理模塊，如圖2所示。在確定了測試系統(tǒng)的功能并劃分軟件系統(tǒng)各主要功能模塊后，就可規(guī)劃主要程序結(jié)構(gòu)和程序。
圖2：測試系統(tǒng)主要功能模塊
4.3 軟件系統(tǒng)層次劃分
我們采用自頂向下的設(shè)計方式，將系統(tǒng)分為3層：主界面層、邏輯功能層和底層。“主界面層”主要包括主人機(jī)界面和系統(tǒng)總體控制。“邏輯功能層”負(fù)責(zé)系統(tǒng)的各種邏輯功能，例如I/O設(shè)置、數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)處理、數(shù)據(jù)管理和數(shù)據(jù)查詢等。“底層”則是一個個按照基本功能劃分子VI，供給高層次VI調(diào)用。采用調(diào)用子VI的形式來實(shí)現(xiàn)模塊之間的調(diào)用和關(guān)聯(lián)。當(dāng)調(diào)用子VI時，系統(tǒng)需要花費(fèi)很少的開銷，大概幾十毫秒的時間。測試系統(tǒng)的軟件層次結(jié)構(gòu)圖3所示。
圖3：測試系統(tǒng)軟件系統(tǒng)層次
4.4 軟件系統(tǒng)各任務(wù)優(yōu)先級設(shè)計
基于LabVIEW的中頻電源檢測系統(tǒng)是一個多功能多任務(wù)系統(tǒng)，是以多任務(wù)并行的方式運(yùn)行的。為了優(yōu)化系統(tǒng)資源的使用情況，保障各功能模塊準(zhǔn)確完成任務(wù)，即使響應(yīng)用戶需求。測試系統(tǒng)主要任務(wù)優(yōu)先級分配如下：
信號發(fā)送采集任務(wù)優(yōu)先級最高，一旦啟動采集，只有進(jìn)入保持或是停止時才會停止采集，為第1等級；數(shù)據(jù)處理任務(wù)優(yōu)先級次之，數(shù)據(jù)采集好后要進(jìn)行軟件濾波和計算電能質(zhì)量參數(shù)，為第2等級；數(shù)據(jù)顯示任務(wù)將采集回來的數(shù)據(jù)實(shí)時地顯示在圖表里面，任務(wù)優(yōu)先級也為第2等級；數(shù)據(jù)管理任務(wù)與生成報表任務(wù)都是在系統(tǒng)不進(jìn)行數(shù)據(jù)收發(fā)的時候才能啟動。故列為第3等級。
在LabVIEW上編寫多任務(wù)程序非常方便，LabVIEW是自動多線程的編程語言，只要VI的代碼可以并行執(zhí)行，LabVIEW就會將它們分配在多個執(zhí)行線程內(nèi)同時運(yùn)行。一般情況下，編寫程序時應(yīng)當(dāng)遵循這樣的原則：可以同時運(yùn)行的模塊就并排擺放，千萬不要用連線，順序框等方式強(qiáng)制它們依次執(zhí)行。在并行執(zhí)行時，LabVIEW會自動地把它們安排在在不同線程下同時運(yùn)行，以提高程序的執(zhí)行速度，節(jié)省程序的運(yùn)行時間。
4.5 軟件總體架構(gòu)
圖4是測試系統(tǒng)軟件的總體架構(gòu)。其主要要點(diǎn)是：用while循環(huán)實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)狀態(tài)機(jī)，用事件結(jié)構(gòu)監(jiān)控界面按鈕事件(用戶點(diǎn)擊各種按鈕)和用戶自定義事件，上述2者用事件進(jìn)行同步，在狀態(tài)機(jī)的“運(yùn)行子狀態(tài)”中，用隊列同步數(shù)據(jù)采集和數(shù)據(jù)處理顯示。
圖4：測試系統(tǒng)軟件總體架構(gòu)
4.6 用戶主界面程序設(shè)計
如圖5所示，測試系統(tǒng)軟件用戶界面共分為6個部分：1)為檢測對象選擇控件；2)為電壓、電流波形圖顯示通道選擇控件；3)為電壓、電流波形圖顯示；4)為電壓、電流、功率等電能質(zhì)量分析顯示；5)為軟件控制菜單控件；6)為諧波分析顯示。
圖5：測試系統(tǒng)軟件用戶界面
5 結(jié)論
該測試系統(tǒng)采用具有高速數(shù)據(jù)采集卡的便攜式測試計算機(jī)為硬件平臺，軟件設(shè)計采用LabVIEW中編制程序采用模塊化、結(jié)構(gòu)化的編程思想，提高了系統(tǒng)的可靠性和維護(hù)性。該測試系統(tǒng)已裝備于某型船舶的中頻電源系統(tǒng)，實(shí)際應(yīng)用表明該測試系統(tǒng)具有測試準(zhǔn)確、穩(wěn)定可靠、人機(jī)界面友好等特點(diǎn)，達(dá)到了設(shè)計要求。
