《電子技術(shù)應(yīng)用》
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基于LabWindows的錄波分析儀的設(shè)計(jì)
電子元器件應(yīng)用
涂 歡 西南交通大學(xué)
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(píng)價(jià)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(gè)電力系統(tǒng)錄波分析儀的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)方法,。
Abstract:
Key words :

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(píng)價(jià)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(gè)電力系統(tǒng)錄波分析儀的設(shè)計(jì)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(jì)算機(jī)、軟件平臺(tái)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(jì)算機(jī)上,,利用相應(yīng)的軟件完成控制,、測(cè)試及數(shù)據(jù)處理和顯示任務(wù),從而實(shí)現(xiàn)以計(jì)算機(jī)為基礎(chǔ)的數(shù)字化采集測(cè)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(gè)虛擬儀器的系統(tǒng)結(jié)構(gòu),。由圖可見(jiàn),整個(gè)系統(tǒng)分為兩個(gè)部分,,其中硬件部分主要由計(jì)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(shí)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(jì)數(shù)器;軟件部分采用LabWindows虛擬儀器設(shè)計(jì)平臺(tái),,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(hào)的有效值,、功率,、諧波分量、相位角,、對(duì)稱分量等信息,。電壓電流信號(hào)通過(guò)傳感器可轉(zhuǎn)換成0~10 V,4~20 mA信號(hào),,然后通過(guò)數(shù)據(jù)采集卡進(jìn)行AD轉(zhuǎn)換后傳給電腦,,并在LahWindows平臺(tái)下進(jìn)行數(shù)據(jù)處理,以記錄并顯示數(shù)據(jù)波形,。

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2 測(cè)量原理
    本系統(tǒng)可用于測(cè)量三相電壓電流的有效值,、功率、頻譜,、諧波,、相位角、對(duì)稱分量,,下面介紹各個(gè)參數(shù)的計(jì)算及實(shí)現(xiàn)原理和方法,。
2.1 有效值計(jì)算
    對(duì)于連續(xù)信號(hào),假設(shè)電壓信號(hào)瞬時(shí)表達(dá)式為u(t),,則有
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    然后再對(duì)信號(hào)進(jìn)行離散化采樣,,以得到序列{u[k]},則電壓有效值為:
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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(hào)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(hào)利用對(duì)稱分量法進(jìn)行計(jì)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(zhǎng)序列傅立葉變換的有限點(diǎn)離散采樣,,因此,,該變換開(kāi)辟了頻域離散化的道路,它可使數(shù)字信號(hào)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(hào)處理的靈活性,。將信號(hào)經(jīng)過(guò)模/數(shù)轉(zhuǎn)換后變成離散時(shí)間信號(hào),一般可采用離散傅立葉(DFT)變換法,。其長(zhǎng)度為M的有限長(zhǎng)序列x(n)的傅立葉變換公式為:
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    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(guò)對(duì)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(jiǎn)單,使用方便等特點(diǎn),。



3 系統(tǒng)功能
3.1 用戶界面功能
    本系統(tǒng)的功能主要是通過(guò)軟件的實(shí)現(xiàn),。表1所列是該虛擬儀器的軟件功能列表。圖2所示是其電力系統(tǒng)錄波儀的主界面圖,。

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3.2 數(shù)據(jù)的采集及存儲(chǔ)
    為了避免數(shù)據(jù)阻塞,,減少運(yùn)行過(guò)程中數(shù)據(jù)采集與用戶界面的影響,本錄波儀的軟件部分采用多線程技術(shù),。LabWindows提供有線程池(th-readpool)和異步定時(shí)器(asynchronous timers)兩種多線程機(jī)制,。本文采用線程池及機(jī)制編寫(xiě)。但采用多線程有可能造成數(shù)據(jù)不必要的改動(dòng)甚至出錯(cuò),,因此,,LabWindows提供了線程安全隊(duì)列進(jìn)行數(shù)據(jù)保護(hù)。它可將采集到的數(shù)據(jù)寫(xiě)入安全隊(duì)列,,分析數(shù)據(jù)時(shí)再?gòu)陌踩?duì)列中取出,。數(shù)據(jù)存儲(chǔ)采用二進(jìn)制形式,數(shù)據(jù)采集及存儲(chǔ)的部分程序如下:
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3.3 數(shù)據(jù)分析
    數(shù)據(jù)分析主要是分析信號(hào)的有效值,、功率,、諧波分量、相位角等信息,。諧波分量,、相位角分析采用FFT算法,可通過(guò)極坐標(biāo)的變換得到,;功率譜分析也可利用FFT算法及相應(yīng)算法得到,。FFT可以實(shí)現(xiàn)時(shí)域向頻域的轉(zhuǎn)化,其函數(shù)原型為:
    Int status=FFT(double x[],,double y[],,intn);
    其中,,參數(shù)x輸出為傅立葉變換的實(shí)部,,y輸出為傅立葉變換的虛部。x和y既是輸入,,也是輸出,,n為x,y的長(zhǎng)度,,并且一定是2的整數(shù)次冪,。實(shí)現(xiàn)該功能的核心代碼如下:
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4 結(jié)束語(yǔ)
    試驗(yàn)結(jié)果顯示,本文設(shè)計(jì)的錄波儀不僅可以實(shí)現(xiàn)傳統(tǒng)錄波儀的功能,,而且具有造價(jià)低,,使用方便,可實(shí)現(xiàn)資源共享等特點(diǎn),。此外,,本系統(tǒng)還可改成分布式系統(tǒng),即采用嵌入式主板加數(shù)據(jù)采集卡,,然后通過(guò)網(wǎng)絡(luò)上傳數(shù)據(jù)文件,,而用上位機(jī)接收數(shù)據(jù),最后進(jìn)行處理并顯示,。

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