技术

高端数字万用表在市电谐波分析中的应用

2013-07-25 来源：微波射频网字号：大中小

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其出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，并且它也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 档的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，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。

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。

软件环境需求如下：
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 通讯接口驱动，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:\WINDOWS\system32”目录下会有一个“visa32.dll”文件。“C:\Program Files\IVI Foundation\VISA\WinNT\lib\msc”目录下包含了编译时链接“visa32.dll”时所需的“visa32.lib”文件。在“C:\Program Files\IVI Foundation\VISA\WinNT\include”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：

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:\matlab\FFT.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 处理流程图所示。

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:ZERO:AUTO OFF
TRIG:SOUR IMM
TRIG:DELAY 0
TRIG:COUN 1
SAMP:COUN 5000

设置完成后，使用以下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:\\matlab\\FFT.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。