1 引 言 一般而言，理想電力系統(tǒng)應(yīng)具有單一頻率、單一波形、若干電壓等級的電能屬性。當(dāng)電壓、電流為同樣波形、同頻、同相位時為電能傳輸?shù)淖罡咝誓Ｊ?。這同樣也是電力產(chǎn)品生產(chǎn)、輸送、轉(zhuǎn)換力求保證的最佳電能形式。雖然，在以往的電力系統(tǒng)中正弦波形被畸變的現(xiàn)象就已存在，但由于其功率相對不大，因而危害并不明顯。但是，隨著電力電子技術(shù)的飛速發(fā)展，各種電力電子裝置得到廣泛應(yīng)用的同時也給電力系統(tǒng)帶來了嚴(yán)重的污染；而現(xiàn)代工商業(yè)的用電設(shè)備也對電能質(zhì)量提出了更高的要求。因此，如何正確檢測諧波，進(jìn)而抑制電網(wǎng)諧波，提高電能質(zhì)量已成為當(dāng)今電工學(xué)科研究的熱點(diǎn)問題之一。 2 電力系統(tǒng)諧波的檢測 電力系統(tǒng)諧波檢測問題是目前電工學(xué)科急需解決的難題之一?，F(xiàn)有諧波檢測方法按照原理可分為模擬濾波器法、基于傳統(tǒng)功率定義檢測法、基于瞬時無功功率理論的檢測法、基于傅里葉變換的檢測方法、基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的檢測法、基于自適應(yīng)對消原理的檢測法、基于小波分析的檢測法。 2.1 常用諧波檢測方法 2.1.1模擬濾波器法 模擬濾波器有兩種，一是通過濾波器濾除基波電流分量，得到諧波電流分量；二是用帶通濾波器得出基波分量，再與被檢測電流相減后得到諧波電流分量，其原理和電路結(jié)構(gòu)簡單，造價低，能濾除一些固有頻率的諧波；缺點(diǎn)是：誤差大，實(shí)時性差，電網(wǎng)頻率變化時尤其明顯；對電路元件參數(shù)十分敏感，參數(shù)變化時檢測效果明顯變差。 2.1.2基于無功功率的方法 1984年日本學(xué)者赤木泰文等人提出了基于瞬時無功功率的理論，并在此基礎(chǔ)上提出了兩種諧波電流的檢測方法：p-g法和ip-iq法，它是目前有源濾波器（Active Power Filter簡稱APF）中應(yīng)用最廣的檢測諧波電流方法，對于諧波和無功補(bǔ)償裝置的研究和開發(fā)起了極大的推動作用。這兩種方法都能準(zhǔn)確地測量對稱的三相三線制電路的諧波值。 近幾年，國內(nèi)外許多學(xué)者對瞬時無功功率理論進(jìn)行了研究和發(fā)展，并提出廣義瞬時無功功率理論，在此基礎(chǔ)上提出基于廣義瞬時無功功率理論的諧波檢測方法，已初步應(yīng)用與工程實(shí)踐。基于廣義瞬時無功功率理論與瞬時無功功率理論一樣，在解決諧波總量實(shí)時檢測方面比較方便，而對各次諧波檢測則達(dá)不到要求。 2.1.3基于傅里葉變換的方法 1822年法國數(shù)學(xué)家傅里葉（J.Fourier）首次提出并證明了將周期函數(shù)展開為正弦級數(shù)的原理，從而奠定了傅里葉級數(shù)（Fourier Progression，F(xiàn)P）與傅里葉變換（Fourier Transformation，F(xiàn)T）的理論基礎(chǔ)。二者后來被統(tǒng)稱為傅里葉分析（Fourier Analysis。FA）。1965年美國Cooly和Tukey兩人提出快速傅里葉變換（Fast Fourier Transformation，F(xiàn)FT）之后，F(xiàn)A才真正從理論走向?qū)嵺`，成為大家愛不釋手的一種數(shù)學(xué)工具。FFT是當(dāng)今諧波檢測中應(yīng)用最廣泛的一種諧波檢測方法，相關(guān)的研究文獻(xiàn)不計(jì)其數(shù)。目前，在電力系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)諧波檢測中大多數(shù)采用快速傅里葉變換及其改進(jìn)算法。 2.1.4基于智能控制的方法 近年來，隨著智能控制的不斷成熟，智能控制方法在諧波的檢測和分析方面取得了長足的進(jìn)步。智能控制的方法比如神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)方法、遺傳算法、模糊控制算法等方法在提高計(jì)算能力、對任意連續(xù)函數(shù)的逼近能力、學(xué)習(xí)理論及動態(tài)網(wǎng)絡(luò)的穩(wěn)定性分析等方面都取得了豐碩的理論成果，在許多領(lǐng)域還得到實(shí)際應(yīng)用，如模式識別與圖像處理、控制與優(yōu)化、預(yù)測與管理、通信等。 其中神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用于電力系統(tǒng)諧波檢測尚屬起步階段，它主要有三方面的應(yīng)用：（1）諧波源辨識；（2）電力系統(tǒng)諧波預(yù)測；（3）諧波檢測。將神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用于諧波檢測，主要涉及網(wǎng)絡(luò)構(gòu)建、樣本的確定和算法的選擇。 2.2傅里葉變換法的原理和應(yīng)用 如上所述，現(xiàn)在使用的諧波檢測方法種類很多。比較而言，隨著計(jì)算機(jī)硬件、軟件技術(shù)和軟件功能、能力的不斷提升，對于傅里葉變換法來說，大量的計(jì)算已經(jīng)不是太大的問題，所以我們有可能拋棄復(fù)雜的算法，使用計(jì)算機(jī)軟硬件結(jié)合系統(tǒng)來實(shí)現(xiàn)過去認(rèn)為不適用的想法和做法。比如，隨著虛擬儀器技術(shù)的發(fā)展我們可以使用虛擬儀器軟件編寫程序來完成所需要的功能，同時使用軟件包所提供的函數(shù)可以較為容易的實(shí)現(xiàn)過去認(rèn)為非常復(fù)雜的函數(shù)功能和計(jì)算步驟。 基于傅里葉變換的諧波測量是當(dāng)今應(yīng)用最多也是最廣泛的一種方法。它由離散傅里葉變換過渡到快速傅里葉變換的基本原理構(gòu)成，這種方法根據(jù)采集到的1個周期的電流值或電壓值進(jìn)行計(jì)算，得到該電流所包含的諧波次數(shù)以及各次諧波的幅值和相位系數(shù)，將擬抵消的諧波分量通過傅里葉變換器得出所需的誤差信號，再將該誤差進(jìn)行Fourier反變換，即可得補(bǔ)償信號。 2.2.1諧波的傅里葉級數(shù)表示法 傅里葉變換方法的核心是使用傅里葉級數(shù)對信號進(jìn)行分析和處理，以期望得到信號的時間-頻率特性圖。一般來說，任何周期波形都可以被展開為傅里葉級數(shù)，如下式所示： 對于待測的電流電壓波形來說，可以將發(fā)生畸變后的波形展開成傅里葉級數(shù)，可用下式來表示： 式中Ih表示第h次諧波峰值電流；Vh表示第h次諧波峰值電壓；φh表示第h次諧波電流相位；θh表示第h次諧波電壓相位；ω0表示基波角頻率。 2.2.2電壓和電流的畸變因數(shù) 電壓畸變因數(shù)VDF也稱為電壓總諧波畸變率THDV，定義為： 類似地，電流畸變因數(shù)CDF，也稱為電流諧波畸變率THDI，定義為： 3 虛擬儀器技術(shù) 虛擬儀器（Virtual Instrument）是由計(jì)算機(jī)、儀用輔助電路及相應(yīng)的軟件組成，是計(jì)算機(jī)技術(shù)與儀器技術(shù)相結(jié)合的產(chǎn)物。在儀器設(shè)計(jì)中，通常利用專用虛擬儀器開發(fā)平臺，組建圖形化虛擬儀器面板，完成對儀器的控制、數(shù)據(jù)的采集、數(shù)據(jù)分析和顯示功能。在虛擬儀器中，儀器硬件僅起著信號的調(diào)理、輸入和輸出功能，軟件才是整個儀器的核心。 3.1與傳統(tǒng)儀器比較 虛擬儀器是計(jì)算機(jī)技術(shù)在儀器儀表領(lǐng)域的應(yīng)用所形成的一種全新的儀器設(shè)計(jì)概念，它與傳統(tǒng)儀器比較，顯示出眾多的優(yōu)點(diǎn)：（1）"測試集成"和虛擬儀器庫；（2）用戶有更高的參與性；（3）可充分利用計(jì)算機(jī)技術(shù)的成果。虛擬儀器的上述優(yōu)點(diǎn)可以使建立測試實(shí)驗(yàn)室的難度和成本大大降低；還能加快系統(tǒng)開發(fā)速度；因?yàn)樘摂M儀器有豐富的外部接口?？梢猿浞掷脙?yōu)秀的計(jì)算機(jī)軟件成果（如MATLAB的數(shù)據(jù)處理功能）組建功能強(qiáng)大的測試系統(tǒng)。而且還可把專家設(shè)計(jì)思想融于設(shè)計(jì)中，使沒有經(jīng)驗(yàn)的儀器設(shè)計(jì)師也能在很短的時間內(nèi)完成復(fù)雜的測試系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。 3.2常見的虛擬儀器系統(tǒng) 通常虛擬儀器的測試系統(tǒng)硬件組成包括被測部件、傳感器部件、信號調(diào)理及信號采集部件（如外置或內(nèi)置數(shù)據(jù)采集卡、圖形圖像采集卡及攝像機(jī)及其用于輔助測量并能于計(jì)算機(jī)通訊的常規(guī)儀器等）和通用計(jì)算機(jī)。系統(tǒng)軟件部分通常用專用的虛擬儀器開發(fā)語言（如LabVIEW）編寫而成。圖1給出了通用虛擬儀器系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)方案框圖。 4 使用虛擬儀器構(gòu)建電力系統(tǒng)諧波分析系統(tǒng) LabVIEW是一個優(yōu)秀的虛擬儀器開發(fā)平臺，它基于圖形語言，編程界面形象直觀，提供各種旋鈕、波形圖等控制與顯示元件，用來創(chuàng)建虛擬儀器的前面板；它使用圖標(biāo)、連線來編寫程序，而不是傳統(tǒng)編程語言的文本語句對于開發(fā)測量測試系統(tǒng)有重要的意義。LabVIEW以圖標(biāo)的形式提供了進(jìn)行經(jīng)典的信號分析和處理的很多函數(shù)，比如，數(shù)字濾波、窗函數(shù)、相關(guān)分析、頻譜分析等等；還有微分、積分、傅氏變換、拉氏變換等各種數(shù)學(xué)工具另外它還提供聯(lián)合時頻分析，小波變換等信號處理工具包。技術(shù)人員只要進(jìn)入這個平臺，通過調(diào)用控件圖標(biāo)就可以輕松構(gòu)建高性能的測量儀器。 4.1 系統(tǒng)的硬件組成 系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì)框圖如圖2所示，圖中信號轉(zhuǎn)換電路的作用是將被測的y電壓和大電流轉(zhuǎn)換為-5 V到+5 V的電信號，在信號轉(zhuǎn)換電路的內(nèi)部還包含有抗干擾、濾波等電路。信號調(diào)理模塊采用研華的ADAM5017模塊，采集卡采用美國NI（National Instrument）公司的NI6023E板卡，該板卡有16通道單精度和8通道模擬量微分輸入兩種輸入方式；其主要特點(diǎn)有：16／8通道模擬量輸入；有效分辨率12位；通道：六路差分、兩路單端；輸入類型：mV、V、mA；輸入范圍：±500mV、±50mV、±5V、±10V、（4～20）mA、±20mA；隔離電壓：3000 VDC；故障和過壓保護(hù)：可抗±11V電壓；采樣速率：200kHz（一共）；輸入阻抗：電壓輸入阻抗100GΩ、電流輸入阻抗125Ω；精度：±0.1％或更好；電源要求：（+1～+20）VDC等。 4.2系統(tǒng)的軟件結(jié)構(gòu) 諧波測試系統(tǒng)軟件是一個統(tǒng)一的整體，但大體上可以分為三塊程序：數(shù)據(jù)采集模塊、圖形界面顯示程序和諧波計(jì)算程序。大體結(jié)構(gòu)框圖如圖3所示。 根據(jù)系統(tǒng)設(shè)計(jì)目的，結(jié)合以上程序模塊結(jié)構(gòu)圖可知，系統(tǒng)能夠完成以下功能： 　?。?）能夠完成采集、顯示并記錄電壓和電流波形數(shù)據(jù)； 　?。?）能夠模擬電壓、電流波形數(shù)據(jù)，并在界面上能夠?qū)Σㄐ蔚恼{(diào)節(jié)； 　?。?）能夠?qū)χC波進(jìn)行計(jì)算、生成諧波的頻率-幅值曲線； 　?。?）能夠計(jì)算出電壓、電流的THD值。 根據(jù)以上要求編寫一系列虛擬儀器程序框圖程序，其中諧波總畸變率程序模塊如圖4所示。 4.3分析結(jié)果 通過以上軟硬件系統(tǒng)的構(gòu)建，以及對電流、電壓信號的采集，對諧波畸變現(xiàn)象的監(jiān)測和分析，特別是通過使用虛擬儀器軟件的組件和函數(shù)來完成系統(tǒng)，發(fā)現(xiàn)使用LabVIEW軟件中的函數(shù)來分析諧波問題有很多便利之處。如圖5所示，通過圖形界面可以非常直觀的看出，各個諧波份量所占的比重，以及各次諧波對總量的影響，還可以直接讀出總諧波畸變率。 5 結(jié)束語 本文使用虛擬儀器軟件搭建了一個電力系統(tǒng)諧波檢測和分析系統(tǒng)，從所得程序和圖形可知基本完成了預(yù)計(jì)的功能。這個系統(tǒng)還在諧波總畸變率的計(jì)算方面做了一些工作，并且可以通過調(diào)整模擬信號的頻率和幅值得到不同的諧波畸變率。雖然實(shí)現(xiàn)了這些功能，但是如前述分析可知，如想獲得更為精確的諧波計(jì)算值，可以使用改進(jìn)的加窗傅里葉變換算法，而窗函數(shù)也是LabVIEW的一個強(qiáng)項(xiàng)，在隨后的工作中，計(jì)劃在現(xiàn)有基礎(chǔ)上進(jìn)一步比較窗函數(shù)的用法，并把它用在畸變率的計(jì)算上期望能夠得到更為滿意的結(jié)果。