基于LabWindows的錄波分析儀的設(shè)計(jì)

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(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，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，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(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
    對于連續(xù)信號，假設(shè)電壓信號瞬時(shí)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(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(shí)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)。

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。

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。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)寫入安全隊(duì)列，分析數(shù)據(jù)時(shí)再從安全隊(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：


3．3 數(shù)據(jù)分析
    數(shù)據(jù)分析主要是分析信號的有效值、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：



4 結(jié)束語
    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。