基于LabWindows的錄波分析儀的設(shè)計

摘要：電力系統(tǒng)錄波儀是記錄發(fā)電機(jī)、變壓器、電力輸送線路、電站以及電廠的瞬態(tài)、穩(wěn)態(tài)模擬量與事件量信息，監(jiān)視電力系統(tǒng)運(yùn)行，保存試驗(yàn)數(shù)據(jù)，記錄和捕捉故障信息，為研究電網(wǎng)運(yùn)行方式及評價保護(hù)裝置性能提供依據(jù)的重要儀器。文中結(jié)合虛擬儀器技術(shù)和軟件編程技術(shù)，給出了一個電力系統(tǒng)錄波分析儀的設(shè)計與實(shí)現(xiàn)方法。
關(guān)鍵詞：LabWindows；數(shù)據(jù)采集；波形數(shù)據(jù)；記錄；多線程

0 引言
虛擬儀器一般主要包括計算機(jī)、軟件平臺和儀器硬件等三部分。虛擬儀器的硬件形式雖有區(qū)別，但基本構(gòu)成是一樣的。即將儀器硬件搭載到計算機(jī)上，利用相應(yīng)的軟件完成控制、測試及數(shù)據(jù)處理和顯示任務(wù)，從而實(shí)現(xiàn)以計算機(jī)為基礎(chǔ)的數(shù)字化采集測試分析系統(tǒng)。

1 虛擬儀器的系統(tǒng)構(gòu)成
圖1所示是一個虛擬儀器的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)。由圖可見，整個系統(tǒng)分為兩個部分，其中硬件部分主要由計算機(jī)和數(shù)據(jù)采集卡以及電壓電流傳感器組成，數(shù)據(jù)采集卡采用研華USB4711數(shù)據(jù)采集卡，具有12位AI分辨率，采樣速率高達(dá)150 kS／s，同時具有16路模擬量輸入、2路模擬量輸出、8路數(shù)字量輸入、8路數(shù)字量輸出以及1路32位計數(shù)器；軟件部分采用LabWindows虛擬儀器設(shè)計平臺，可實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)采集、錄波、波形顯示等功能，并可分析信號的有效值、功率、諧波分量、相位角、對稱分量等信息。電壓電流信號通過傳感器可轉(zhuǎn)換成0～10 V，4～20 mA信號，然后通過數(shù)據(jù)采集卡進(jìn)行AD轉(zhuǎn)換后傳給電腦，并在LahWindows平臺下進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，以記錄并顯示數(shù)據(jù)波形。

2 測量原理
本系統(tǒng)可用于測量三相電壓電流的有效值、功率、頻譜、諧波、相位角、對稱分量，下面介紹各個參數(shù)的計算及實(shí)現(xiàn)原理和方法。
2．1 有效值計算
對于連續(xù)信號，假設(shè)電壓信號瞬時表達(dá)式為u(t)，則有

然后再對信號進(jìn)行離散化采樣，以得到序列{u[k]}，則電壓有效值為：

2．2 頻譜與諧波分析
采用FFT變換可將采樣得到的數(shù)字信號中各次諧波在頻域中進(jìn)行分離，以求出各次諧波頻率，并得到各次諧波下電壓電流的幅值和相角頻譜；然后，再將采樣得到的數(shù)字信號利用對稱分量法進(jìn)行計算，即可求出基波的正序和負(fù)序分量。
離散傅立葉變換(Discrete Fourier Transform)的實(shí)質(zhì)是有限長序列傅立葉變換的有限點(diǎn)離散采樣，因此，該變換開辟了頻域離散化的道路，它可使數(shù)字信號的處理在頻域采用數(shù)字運(yùn)算的方法進(jìn)行，從而大大增加了數(shù)字信號處理的靈活性。將信號經(jīng)過模／數(shù)轉(zhuǎn)換后變成離散時間信號，一般可采用離散傅立葉(DFT)變換法。其長度為M的有限長序列x(n)的傅立葉變換公式為：

通?？焖俑盗⑷~變換(FFT)不是一種新的變換，而是離散傅立葉變換(DFT)的一種快速算法。它通過對DFT變換式進(jìn)行一次次的分解，以使其成為若干項(xiàng)DFT的組合，從而減小運(yùn)算量。本文采用的FFT以2為基數(shù)，它具有運(yùn)算效率高，程序簡單，使用方便等特點(diǎn)。