數(shù)字萬用表在市電諧波分析中的應(yīng)用

　　前言

　　隨著城市化和工業(yè)化的進(jìn)一步發(fā)展，越來越多的電力電子設(shè)備在電網(wǎng)中廣泛使用，產(chǎn)生了大量的電力諧波注入到電網(wǎng)，這種不受控的電力諧波成為電力系統(tǒng)的一大公害。對(duì)市電進(jìn)行電力諧波分析就可以分析出其附近區(qū)域內(nèi)電網(wǎng)工作狀況，從而為電網(wǎng)安全狀態(tài)提供依據(jù)。

　　由于市電電壓在120～380V范圍內(nèi)，峰值電壓小于1000V，臺(tái)式萬用表即可方便測(cè)量，并且可以反映出大多數(shù)設(shè)備工作的電壓環(huán)境。

　　本文以RIGOL高精度臺(tái)式萬用表DM3068為例，利用DM3068的DCV擋的1000V量程和10kSa/s采樣速度對(duì)市電信號(hào)采集，利用USB接口上傳采集的數(shù)據(jù)，借助C語言和VISA驅(qū)動(dòng)實(shí)現(xiàn)對(duì)電力信號(hào)的全自動(dòng)采集和存儲(chǔ)，再借助C和Matlab的良好接口能力和Matlab的強(qiáng)大運(yùn)算能力對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，從而得到諧波分析結(jié)果。整個(gè)測(cè)試系統(tǒng)可以做到全自動(dòng)運(yùn)行。

　　電力諧波的危害

　　電力諧波對(duì)電力傳輸和使用都會(huì)造成很大的危害，通常表現(xiàn)在以下幾個(gè)方面：

　?、匐娏χC波會(huì)引起電網(wǎng)的諧振，對(duì)系統(tǒng)構(gòu)成重大威脅，特別是對(duì)電容器和與之串聯(lián)的電抗器件，電網(wǎng)諧振常會(huì)使之燒毀。

　?、谥C波會(huì)使公用電網(wǎng)中的電力設(shè)備產(chǎn)生附加的損耗，降低了發(fā)電、輸電及用電設(shè)備的效率。

　?、垭娏χC波會(huì)造成電力設(shè)備過熱或電力損耗，會(huì)對(duì)使用電源工作的電子設(shè)備造成干擾，導(dǎo)致設(shè)備工作不穩(wěn)定，驗(yàn)證時(shí)可能損壞設(shè)備。

　　動(dòng)態(tài)實(shí)時(shí)的監(jiān)控和測(cè)量電力網(wǎng)絡(luò)中的諧波，對(duì)電力安全有很重要的意義。

　　電力信號(hào)測(cè)量分析環(huán)境準(zhǔn)備

　　硬件環(huán)境

　　RIGOL DM3068一臺(tái)、普通電腦一臺(tái)。硬件上只需要用USB線連接數(shù)字萬用表和電腦即可開始工作。硬件連接示意圖如圖1所示。歡迎轉(zhuǎn)載，本文來自電子發(fā)燒友(http://www.wenjunhu.com?)

　　圖1 硬件連接示意圖

　　實(shí)現(xiàn)原理

　　此實(shí)驗(yàn)需要數(shù)字萬用表具有高速采樣、高精度測(cè)量和寬的電壓測(cè)量范圍特性，而RIGOL DM3068正好具備以上全部性能。其中，它的最高測(cè)量速度達(dá)到了10kSa/s，直流電壓測(cè)量準(zhǔn)確度可以達(dá)到±(讀數(shù)*0.0035%+量程*0.0005%)，量程范圍為200mV～1000V。在測(cè)試環(huán)境準(zhǔn)備完畢后，利用遠(yuǎn)程命令對(duì)其進(jìn)行設(shè)置，然后開始進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，可以方便的直接對(duì)市電信號(hào)進(jìn)行多樣本采樣，同時(shí)，還可以將所采集數(shù)據(jù)傳輸?shù)诫娔X進(jìn)行進(jìn)一步分析。

　　軟件環(huán)境

　　在http://joule.ni.com/nidu/cds/view/p/id/988/lang/en 下載并安裝Visa430full.exe，這個(gè)安裝包提供了各種VISA通信接口驅(qū)動(dòng)，我們的采集程序需要借助此驅(qū)動(dòng)程序通過USB接口從DM3068采集數(shù)據(jù)。安裝Visa430后，“C:WINDOWSsystem32”目錄下會(huì)有一個(gè)“visa32.dll”文件?！癈:Program FilesIVI FoundationVISAWinNTlibmsc”目錄下包含了編譯時(shí)鏈接“visa32.dll”時(shí)所需的“visa32.lib”文件。在“C:Program FilesIVI FoundationVISAWinNTinclude”目錄下包含了我們所需的頭文件?？梢酝ㄟ^設(shè)置VC 6.0的工程路徑包含上述文件，或直接將上述文件復(fù)制到程序存放的目錄即可。

　　安裝VC6.0以上環(huán)境，用于開發(fā)基于C/C++語言的測(cè)量控制程序。

　　安裝Matlab 2007以上版本，用于進(jìn)行數(shù)據(jù)分析和圖形化分析結(jié)果。

　　利用Matlab生成FFT分析程序

　　數(shù)據(jù)分析直接利用Matlab進(jìn)行，在Matlab中編輯好用于數(shù)據(jù)分析的源碼并寫成函數(shù)，保存編輯好的源碼為“FFT.m”文件。假設(shè)使用“F: matlab”為當(dāng)前工作目錄。源代碼如下：

　　function FFT_Tran()

　　load f:matlabdata.txt

　　Fs = 10000; % Sampling frequency

　　T = 1/Fs; % Sample time

　　L = 5000; % Length of signal

　　t = (0:L-1)*T; % Time vector

　　NFFT = 2^nextpow2(L);

　　Y = fft(x,NFFT)/L ;

　　f= Fs/2*linspace (0,1,NFFT/2);

　　figure;

　　Py = 2*abs(Y(1:NFFT/2))

　　plot(f, Py)

　　title('FFT translation')

　　xlabel('Frequency (Hz)')

　　ylabel('|Y(f)|')

　　end

　　其中“data.txt”為外部數(shù)據(jù)源文件。此數(shù)據(jù)源就是將來用C語言借助VISA驅(qū)動(dòng)控制DM3068測(cè)量的數(shù)據(jù)保存為文本文件，每一個(gè)測(cè)量數(shù)據(jù)以文本方式保存為獨(dú)立的一行即可。

　　在Matlab交互窗口輸入命令“mbuild -setup”安裝C編譯器。如果已經(jīng)安裝了VC6.0，Matlab會(huì)自動(dòng)查找到此編譯器，按照提示選擇VC 6.0編譯器。

　　接著輸入“mcc -m f:matlabFFT.m -d f:matlab”，Matlab將利用C編譯器編譯FFT.m文件，并將編譯結(jié)果輸出到"f:matlab"目錄。編譯完成后當(dāng)前工作目錄下有幾個(gè)新的文件誕生，其中應(yīng)該有一個(gè)名為FFT.exe的文件。這個(gè)文件可以直接運(yùn)行或被C語言程序調(diào)用執(zhí)行。

　　電力信號(hào)測(cè)量與分析

　　利用VC 6.0和C語言，調(diào)用VISA驅(qū)動(dòng)接口函數(shù)完成對(duì)DM3068的設(shè)置和數(shù)據(jù)采集。具體的接口函數(shù)及用法請(qǐng)參考隨visa430安裝的《NI-VISA HELP》文檔。數(shù)據(jù)采集與處理流程參見圖2處理流程圖。

　　圖2 數(shù)據(jù)采集與處理流程

　　進(jìn)行數(shù)據(jù)集前，在DM3068 Utility按鍵的命令集菜單下，設(shè)置選擇Agilent兼容命令集，然后使用如下SCPI命令序列，通過USB口發(fā)送到DM3068即可完成設(shè)置：

　　CONF:VOLT:DC 1000,0.006

　　VOLT:DC:ZERAUTO OFF

　　TRIG:SOUR IMM

　　TRIG:DELAY 0

　　TRIG:COUN 1

　　SAMP:COUN 5000

　　設(shè)置完成后，使用下面一條即可命令啟動(dòng)測(cè)量，并獲取測(cè)量結(jié)果。

　　READ?

　　接收到的測(cè)量結(jié)果是以文本方式返回，各個(gè)測(cè)量結(jié)果以逗號(hào)分隔，只需要將測(cè)量結(jié)果直接以字符方式輸出到data.txt文件中，以準(zhǔn)備被Matlab生成的FFT.exe程序調(diào)用。在C程序中使用“system("F:\matlab\FFT.exe");”語句，即可直接運(yùn)行之前生成的FFT.exe程序，對(duì)data.txt保存的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，并繪制頻譜分析圖。

　　結(jié)論

　　如圖3所示軟件運(yùn)行界面，如圖4所示的分析結(jié)果，利用上述方法，對(duì)某市電網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行分析得到的頻譜曲線，從中可以看出主要功率集中在50Hz分量上，電力網(wǎng)絡(luò)狀況良好。

　　圖3 軟件運(yùn)行界面

　　圖4 對(duì)某市電采集分析結(jié)果

　　利用RIGOL DM3068的DCV擋的1000V量程和10kSa/s采樣速度對(duì)市電信號(hào)采集分析，按照采樣定律，可以有效分析出5kHz以下的信號(hào)狀況，足以滿足普通電力的監(jiān)測(cè)應(yīng)用。

　　利用C語言靈活性和Matlab強(qiáng)大計(jì)算能力，再結(jié)合VISA驅(qū)動(dòng)和DM3068的高速、高精度測(cè)量能力以及靈活的通信接口，可以很方便地對(duì)電力網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行實(shí)時(shí)分析，并實(shí)時(shí)繪制分析結(jié)果，以監(jiān)測(cè)電力網(wǎng)絡(luò)的狀況。整個(gè)系統(tǒng)簡(jiǎn)單靈活，具有很大的實(shí)用價(jià)值。