2021年02月04日 | 数字万用表在市电谐波分析中的应用

　　前言

　　随着城市化和工业化的进一步发展，越来越多的电力电子设备在电网中广泛使用，产生了大量的电力谐波注入到电网，这种不受控的电力谐波成为电力系统的一大公害。对市电进行电力谐波分析就可以分析出其附近区域内电网工作状况，从而为电网安全状态提供依据。

　　由于市电电压在120～380V范围内，峰值电压小于1000V，台式万用表即可方便测量，并且可以反映出大多数设备工作的电压环境。

　　本文以RIGOL高精度台式万用表DM3068为例，利用DM3068的DCV挡的1000V量程和10kSa/s采样速度对市电信号采集，利用USB接口上传采集的数据，借助C语言和VISA驱动实现对电力信号的全自动采集和存储，再借助C和Matlab的良好接口能力和Matlab的强大运算能力对数据进行分析，从而得到谐波分析结果。整个测试系统可以做到全自动运行。

　　电力谐波的危害

　　电力谐波对电力传输和使用都会造成很大的危害，通常表现在以下几个方面：

　　①电力谐波会引起电网的谐振，对系统构成重大威胁，特别是对电容器和与之串联的电抗器件，电网谐振常会使之烧毁。

　　②谐波会使公用电网中的电力设备产生附加的损耗，降低了发电、输电及用电设备的效率。

　　③电力谐波会造成电力设备过热或电力损耗，会对使用电源工作的电子设备造成干扰，导致设备工作不稳定，验证时可能损坏设备。

　　动态实时的监控和测量电力网络中的谐波，对电力安全有很重要的意义。

　　电力信号测量分析环境准备

　　硬件环境

　　RIGOL DM3068一台、普通电脑一台。硬件上只需要用USB线连接数字万用表和电脑即可开始工作。硬件连接示意图如图1所示。

　　图1 硬件连接示意图

　　实现原理

　　此实验需要数字万用表具有高速采样、高精度测量和宽的电压测量范围特性，而RIGOL DM3068正好具备以上全部性能。其中，它的最高测量速度达到了10kSa/s，直流电压测量准确度可以达到±(读数*0.0035%+量程*0.0005%)，量程范围为200mV～1000V。在测试环境准备完毕后，利用远程命令对其进行设置，然后开始进行数据采集，可以方便的直接对市电信号进行多样本采样，同时，还可以将所采集数据传输到电脑进行进一步分析。

　　软件环境

　　在http://joule.ni.com/nidu/cds/view/p/id/988/lang/en 下载并安装Visa430full.exe，这个安装包提供了各种VISA通信接口驱动，我们的采集程序需要借助此驱动程序通过USB接口从DM3068采集数据。安装Visa430后，“C:WINDOWSsystem32”目录下会有一个“visa32.dll”文件。“C:Program FilesIVI FoundaTIonVISAWinNTlibmsc”目录下包含了编译时链接“visa32.dll”时所需的“visa32.lib”文件。在“C:Program FilesIVI FoundaTIonVISAWinNTInclude”目录下包含了我们所需的头文件。可以通过设置VC 6.0的工程路径包含上述文件，或直接将上述文件复制到程序存放的目录即可。

　　安装VC6.0以上环境，用于开发基于C/C++语言的测量控制程序。

　　安装Matlab 2007以上版本，用于进行数据分析和图形化分析结果。

　　利用Matlab生成FFT分析程序

　　数据分析直接利用Matlab进行，在Matlab中编辑好用于数据分析的源码并写成函数，保存编辑好的源码为“FFT.m”文件。假设使用“F: matlab”为当前工作目录。源代码如下：

　　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”为外部数据源文件。此数据源就是将来用C语言借助VISA驱动控制DM3068测量的数据保存为文本文件，每一个测量数据以文本方式保存为独立的一行即可。

　　在Matlab交互窗口输入命令“mbuild -setup”安装C编译器。如果已经安装了VC6.0，Matlab会自动查找到此编译器，按照提示选择VC 6.0编译器。

　　接着输入“mcc -m f:matlabFFT.m -d f:matlab”，Matlab将利用C编译器编译FFT.m文件，并将编译结果输出到"f:matlab"目录。编译完成后当前工作目录下有几个新的文件诞生，其中应该有一个名为FFT.exe的文件。这个文件可以直接运行或被C语言程序调用执行。

　　电力信号测量与分析

　　利用VC 6.0和C语言，调用VISA驱动接口函数完成对DM3068的设置和数据采集。具体的接口函数及用法请参考随visa430安装的《NI-VISA HELP》文档。数据采集与处理流程参见图2处理流程图。

　　图2 数据采集与处理流程

　　进行数据集前，在DM3068 Utility按键的命令集菜单下，设置选择Agilent兼容命令集，然后使用如下SCPI命令序列，通过USB口发送到DM3068即可完成设置：

　　CONF:VOLT:DC 1000,0.006

　　VOLT:DC:ZERAUTO OFF

　　TRIG:SOUR IMM

　　TRIG:DELAY 0

　　TRIG:COUN 1

　　SAMP:COUN 5000

　　设置完成后，使用下面一条即可命令启动测量，并获取测量结果。

　　READ?

　　接收到的测量结果是以文本方式返回，各个测量结果以逗号分隔，只需要将测量结果直接以字符方式输出到data.txt文件中，以准备被Matlab生成的FFT.exe程序调用。在C程序中使用“system("F:matlabFFT.exe");”语句，即可直接运行之前生成的FFT.exe程序，对data.txt保存的数据进行处理，并绘制频谱分析图。

　　结论

　　如图3所示软件运行界面，如图4所示的分析结果，利用上述方法，对某市电网络进行分析得到的频谱曲线，从中可以看出主要功率集中在50Hz分量上，电力网络状况良好。

　　图3 软件运行界面

　　图4 对某市电采集分析结果

　　利用RIGOL DM3068的DCV挡的1000V量程和10kSa/s采样速度对市电信号采集分析，按照采样定律，可以有效分析出5kHz以下的信号状况，足以满足普通电力的监测应用。

　　利用C语言灵活性和Matlab强大计算能力，再结合VISA驱动和DM3068的高速、高精度测量能力以及灵活的通信接口，可以很方便地对电力网络进行实时分析，并实时绘制分析结果，以监测电力网络的状况。整个系统简单灵活，具有很大的实用价值。