! 电能质量监测系统的研究与设计(7)

其次进行FFT运算，由于计算点数为64点的FFT，则计算长度为26，外循环计算次数为6次，具体的计算过程可以利用蝶形计算的输入输出关系式进行推导。下面简单的介绍下具体的计算过程，设序列X（n），其中的两个需要计算到的点Xm(p)、Xm(q)，蝶形算法如图4-3所示。

Xm(pWk

NXm+1(p)

Xm(q)k?WXm+1(q)

图4-3 蝶形算法示意图

列出这两个点的蝶形算法如式4-1所示。

k??Xm+1(p)=Xm(p)+WNXm(q) （4-1） ?k??Xm+1(q)=Xm(p)?WNXm(q)

由于前面环节已经计算过正余弦向量表，任何一个计算因子WNk都可以展开为相关

正余弦量的实部虚部加和形式，即可以在算法这一环节上实现该项功能。

最后，由于本文所采用的FFT计算方法是按时间抽取的基—2 FFT算法，在前面序列中已经完成“变址”操作，因而计算的后的结果就是FFT的频谱。将该结果保存至全局变量的数组中，然后供后续操作调用。

4.1.4 软件锁相环的实现

由于硬件锁相环存在可以倍频信号范围不宽，硬件干扰较大等问题，所以文中另外有提供了一种软件锁相倍频的方法。这其实本质上是一种准同步采样的算法。因为本次采样是以上次的采样周期为基准。本系统所采用的也是该方法。

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软件锁相倍频的实现方法是：利用两个定时器，一个通用定时器，用于记录计时器的计数个数，以获得信号的周期。另一个定时器用于用作定时器来用，当该定时器发生下溢中断时，在中断程序里，利用DSP的I/O口输出方波信号。

由4.1.1节中，当已经获得信号的周期之后，将该周期的1/64作为第二个定时器的定时周期，然后，当定时器发生中断时，在中程序里对DSP的I/O口取反，这样的话，就可以产生方波信号，方波信号的频率是信号频率的64倍。即达到了信号准同步跟踪采样的目的。

软件锁相环和硬件锁相环比较：

（1）硬件锁相环的优点是非常稳定，利用计数器CS4040,能对其设定好的额定中心频率准确倍频。但是缺点是它只能对其中心频率附近的信号进行倍频。

（2）软件锁相环的优点是锁相倍频范围比较宽，因为它是利用定时来产生方波信号，那么该方波信号的频率上限取决于定时器的定时周期上限和DSP的I/O口反应时间。缺点是容易受到干扰。

4.2 监测中心的软件设计

电能质量的监测中心软件利用LABVIEW8.2完成，它是一种基于模块化的标准图形化编程工具。由于其强大的功能和技术支持，经过20几年的演变和改进，其本身模块也在得到不断的完善和补充，在基于PC的测量自动化领域，已经确定了主导地位。它将虚拟仪器的概念引入到测控系统中来，利用软件来搭建测试平台，实现硬件的测试方法，人们可以将精力主要投入到算法的研究，实验的执行，数据的处理和结论的总结上，而不必在硬件调理中投入太多精力。有利于仪器的二次开发和系统升级，降低了开发周期[40]，当然也给开发过程带来一些问题，首先是开发的难度的上升，由于LABVIEW使用历史较短，还没有大量的应用，所以开发的成熟代码和例程还比较少，因而开发的难度有所上升。其次LABVIEW属于图形化编程，其技巧性也较强，易于上手却难于精通，熟悉起来较快，想做的融会贯通却有一定的困难。再次，LABVIEW软件内代码不公开，本身所带子VI有限，再加上其本身的产权问题，最终开发成果代价较高。

4.2.1 监测中心的软件整体设计

LABVIEW软件的基本开发方法是前面板编辑界面，后面板编辑程序，基本方法是利用LABVIEW编写子VI,然后利用子VI完成各种细节模块，本文即是在LABVIEW的这些功能特点下完成的，首先是利用前后面板登陆功能的实现，然后在

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选项卡完成子功能电压信息显示界面，电流信息显示界面，利用LABVIEW的文件I/O操作模块，完成对数据报表的生成，利用LABVIEW自带的通讯接口，配合DSP的串口完成数据从监测终端到监测中心的通讯和数据传递，通过在LABVIEW下利用图形化编程工具，完成波形重现和数据的二次分析[40~42]。实现如下功能：

（1）对监测终端进行网络化管理，管理员可以按照不同的用户、不同的电压等级进行管理，这样在同一个界面下就可以设置大量的终端，同时，这种管理方式，也方便日后终端的扩展，适应系统配置的变更。

（2）可对电能质量的各项指标进行统计、处理、显示和存储、并可对记录的各种事件和波形再现。

（3）可自动生成所需的图形和报表，其中包括：电能质量总揽图、参数记录曲线图、电压和谐波频谱图和电能质量综合统计报表等[43]。

用LABVIEW的相关控件来完成监测中心所需要的功能性程序单元，并且构造显示界面。监测中心软件流程图如下所示：

图4-4 监测中心软件程序流程图

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4.2.2 登陆界面的软件设计

登陆界面部分是为了给系统管理员登陆使用，因为监测中心系统必须有登陆优先级之分，作为下级的系统监测终端必须服从于上层的系统监测终端，这些都是统一由系统管理员发出指令信息，通过通讯端口将信息传递至监测终端，从而完成实时的监测目的。本文中的监测中心软件是利用LABVIEW的前面板设置登陆界面框，将其设置为子VI,通过设置VI属性，使其运行时弹出。图4-5和4-6分别是登陆界

面的前后面板。

图

4-5 电能质量监测系统登陆界面前面板

图4-6 电能质量监测系统登陆界面后面板

在后面板通过case设置为选择属性，只有当选择为“真”时才可以登录到系统中去。

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4.2.3 接口模块设计

LABVIEW与DSP的接口程序主要是串口通讯模块，串口通讯模块的接口程序如图4-7所示。本文中所使用的串口通讯接口模块式LABVIEW自带的VISA接口，安装了驱动程序之后，通过正确的配置VISA相关即可以使其正常工作。它是虚拟仪器软件结构体系的简称，将所有在LABVIEW工作平台上的VXI、GPIB、RS-232以及其他种类仪器的简单接口程序库。VISA功能模块使用的是VISA session参数，它是每次程序执行过程中唯一逻辑标识符，它标识了与之通讯的设备名称以及进行I/O操作必需的配置信息。本文中所用的VISA功能模块包括：VISA Open， VISA Read、VISA Close。

本文中为了省却通讯协议不一致造成的读数问题，将串口通讯的相关协议设定为定值。即通讯端口号是可选的，默认为COM1，数据通讯波特率为9600，数据位数为8，奇偶校验为None，不需要校验。停止位为1。

图4-7 串口通讯接口程序

4.2.4 界面显示部分软件设计

电压电流信息显示界面主要现实的内容有电压波形显示，包括原始波形还原，将该信号通过低通滤波器后显示，还有就是电压信号的频谱分析。电压参数显示的内容有：电压电流直流分量和有效值的计算和显示，电压频率的显示，电压谐波含量的显示这几块内容。由于LABVIEW有自带的计算模块，需要将其通过适当的连接和处理以便生成后面板程序，使得系统运行起来。

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图4-8 电压波形显示界面前面板

图4-9电流波形显示界面前面板

图4-8和是电压电流显示前面板，其主要的显示内容如上图所示，两个面板的显示内容清晰可见，很方便于监测中心管理人员对信息的读取。下面介绍该模块中的滤波电路模块和FFT分析模块。这两个模块都是LABVIEW自带的模块，滤波模块是低通n阶巴特沃斯滤波器，用户只要输入滤波器的截止频率和阶数，即可以工

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作，本文中加入该模块，一方面是为了比较滤波前后的效果，另一方面也是为了使得FFT算法更为精准。文中所使用的另一模块是FFT算法模块，由于通常计算FFT后，会得到一个周期性的频谱信号，为了方便用户观察，之需要有一个周期的FFT频谱，因而特使用一个FFT计算转换算法将FFT转换为单端FFT模块，具体见图4-10

所示。

图4-10巴特沃斯滤波器和FFT算法模块

有效值和直流分量计算模块同样是利用LABVIEW自带的计算模块Basic DC/RMS，利用这个子VI可以轻易地算出信号的有效值和包含的直流分量。

谐波含量计算模块是通过一个While循环，对上层计算到的FFT频谱信息进行提取，分别提取其各次谐波幅值，然后计算其与基波幅值之比，并将结果显示出来。程序如图4-11

所示。

图4-11 谐波含量提取程序

4.2.5 数据报表的软件设计

报表的生成是利用LABVIEW的对文件I/O功能来实现的，对于电能质量分析来

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说，数据的实时性是至关重要的，但是保存数据的功能也是必不可少的，对于各类文档软件，LABVIEW支持的较好的是Text文件，但是Text文件在使用和读写过程中都有其不方便之处，所以本文选择利用表单文件来保存数据，表单文件的内核也是Text文件，只是套用的是表单文件的形式而已。对于表单文件的操作是利用LABVIEW自带的文件I/O函数来完成。所用的方法是，首先生成所需的表头，然后利用LABVIEW自带的写入表单文件函数，按照预先设定好的格式，将数据写入固定的列和行即可以完成电能质量分析报表。电能质量报表测试生成的报表如图4-12

所示。

图4-12 电能质量分析报表

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5 测试结果和数据分析

本章对设计的电能质量监测系统进行测试，测试仪器为武汉豪迈公司的继保之星—2000。

5.1 频率测试结果

在工频50Hz时输入信号，连续测得10组信号频率值如下所示，计算其绝对误差、相对误差。

表5-1 频率测试结果

带来频率误差的原因主要有系统误差、用户误差和算法误差三大类。

（1）系统误差：主要是来自于测试源的误差，监测终端硬件上的误差，电子电路干扰所造成的误差，DSP的定时器定时精度、最小定时间隔的误差等。

（2）用户误差：主要是来自于用户在读取数据时，数据跳变等引起的读数不准等。

（3）算法误差：主要是来自于测频算法所引起的误差，如果对频率精度有进一步的要求的话，需要改用更为精准的算法。