引言

隨著現代電力電子裝置的發展，其應用范圍越來越廣，所應用的場合也越來越復雜。由于電力電子裝置所控制的對象越來越復雜，各種不確定因素和種種難以描述的非線性特性存在，使得基于傳統控制的對象模型越來越難得建立；再者人們對電力電子裝置輸出控制要求的日益提高，越來越要求控制的智能化和寬適應能力。虛擬儀器源于對人腦信息處理機制的模擬，具有很強的適應復雜環境的能力和多目標控制的自學習能力，并具有良好的非線性函數逼近能力。因此虛擬儀器控制策略能解決逆變系統中的常規控制策略無法解決的許多問題，理論上來說可以設計出一個與系統數學模型無關的，自學習、自適應的魯棒性好動態響應快的智能控制系統。虛擬儀器的這些特性為我們解決現代電力電子裝置控制上的種種難題提供了一條很好的途徑。

近十幾年來，人工虛擬儀器在控制領域中的研究也取得了很大的進展。人工虛擬儀器能夠通過自身的學習過程了解系統的結構、參數、不確定性和非線性，并給出系統所需的控制規律，由它構成的控制器具有很強的魯棒性。

虛擬儀器(VirtualInstrument簡稱VI)，是在以計算機為核心的硬件平臺上，其功能由用戶設計和定義，具有虛擬面板，其測試功能主要由測試軟件來實現的一種計算機儀器系統。其實質是利用計算機顯示器模擬傳統儀器的控制面板，與傳統儀器相比，它具有開放速度快、成本低、用戶可以自定義等突出優點，使用者可以通過修改軟件來改變、增減儀器系統的功能與規模以滿

目前我國使用的電能質量檢測方法存在許多問題:實時性差、監測指標少、工作量大、效率低等。本文以虛擬儀器技術和網絡通信技術為基礎，以虛擬儀器（VI）技術為平臺的電能質量監測和分析系統克服了常規測試系統功能單一、升級復雜等缺點，豐富了系統功能，提高了系統測量精度，加快了數據采集的速度，其自動化程度也隨之更高更強，使電力系統相關部門能夠實時掌握電能質量情況,及時提出電網管理的最佳方案。

1、LabVIEW介紹

虛擬儀器技術起源于美國20世紀80年代是有美國Nl公司開發的一套虛擬儀器開發平臺軟件，其特點是主要通過軟件來實現傳統儀器中硬件所實現的各項功能。它是基于圖形化編程的思想，與傳統的儀器不同，Vl極易改變儀器的功能而且一般不會出現元器件損壞或老化的問題。本系統中虛擬儀器的軟件開發平臺采用基于圖形化編程語言的實驗室虛擬儀器開發平臺LabVIEW主要由前面板、框圖程序和大量的節點組成，能很容易地設計出友好的人機交互式界面，當Vl與專用的DAQ卡結合后，使得數據的采集、分析、存儲和顯示變得易于實現。由于該軟件中提供了大量的數據分析、處理節點以及常用的算法節點，而且可以和MATLAB、C語言接口，大大縮短了儀器的開發時間，同時，隨著現代工業對網絡的依賴性加強，在LabVIEW的Communication子模板中還有大量的實現網絡功能節點，可以很方便地組建局域網，在測量和控制領域占有重要的地位。

2、電力電子整流電路故障診斷原理

2.1故障分類

故障診斷定位實質上是一個模式分類的問題，即把運行狀態分為正常和故障兩類。診斷時選擇有效的故障測試點至關重要。以三相橋式可控整流電感性負載電路為例,研究分析表明，整流輸出電壓包含了電路的故障信息，是一個關鍵的測試點。以晶閘管橋臂開路故障為例進行分析，并且最多同時有兩路橋臂開路的故障。可將故障分為五大類，為便于神經網絡訓練，對故障的大類、小類進行編碼，用位編碼Y6Y5Y4Y3Y2Y1，第4～6位用于大類編碼，第1～3位用于小類編碼，則可將三相可控整流電路的故障類型定義為如表1所示的22種故障類型。

表1故障分類編碼表

2.2故障特征信號

整流電路輸出電壓ud具有周期性，包含了晶閘管是否有故障的信息，可將波形形狀相同或類似，而僅在時間軸上相互平移的波形所對應的故障狀態劃為同一類。分析時可用傅立葉變換將時域中的故障波形變換到頻域，以突出故障特征，在不同故障類型時，ud的波形不同，并且其五個頻譜分量：直流分量、基波幅值、2次諧波幅值、基波相位、2次諧波相位，可以對應唯一的一個故障類型。因此，本文以Ud的五個頻譜分量作為故障特征信號。

1.3故障診斷原理

神經網絡作為一類性能良好的非線性分類器，廣泛應用于模式識別領域，而故障診斷實質上就是模式的分類。BP神經網絡是一種誤差反向傳遞的多層前饋式網絡，其模型如圖1所示。它由輸入層、隱含層和輸出層組成。理論上，第一層采用sigmoid型傳遞函數，第二層采用線性傳遞函數，經過訓練可以用來逼近非線性函數。BP網絡的算法是一種有監督學習算法，已知網絡的輸入、輸出樣本，其中網絡輸入節點對應故障特征參數，輸出節點對應故障類型，進行故障模式識別時，先用一批故障樣本對模型進行訓練以確定網絡結構（隱層及其節點數）和節點間的聯接權，網絡訓練好后故障的模式分類就是根據給定的一組征兆集，實現征兆集到故障集之間非線性映射的過程，只要將得到的故障征兆加到神經網絡的輸入端，就可以得到適當的診斷結果。

3、電能質量指標的主要算法

由于電力系統中由于存在大量類型各異的負荷，特別是感性和容性等非線性負載，會使本來質量合格的電能被“污染”，造成電網質量下降。為此我國技術監督局頒布了評價電能質量合格與否的五個國家標準，分別是::電壓偏移、系統頻率、三相不平衡度、諧波總畸變率THD和電壓波動與閃變等。

（1）電壓電流有效值

根據周期連續函數的有效值及平均功率的定義計算，在連續的時間域中：

4、故障診斷系統構建與實現

虛擬儀器是基于計算機的軟硬件測試平臺，是由計算機、應用軟件和儀器硬件組成。儀器硬件是由數據采集卡、接口、傳感器等組成；軟件是由信號處理算法分析程序、計算機語言、各種控件和軟件開發工具等組成。軟件的開發和設計是虛擬儀器的核心。

本系統采用的是分散取樣、集中處理的方式，即在監測點安裝相應的電壓傳感器和電流傳感器，電壓、電流信號取樣經調理后由數據采集卡送入PC中進行處理、分析、存儲。系統的總體方案框圖如圖1所示，該系統以個人計算機為基礎，用軟件實現系統的功能，充分體現了“軟件即儀器”的虛擬儀器的概念。

圖1系統的總體方案框圖

系統的硬件部分完成的基本任務就是數據采集、隔離和變換，再由DAQ板卡把變換后的模擬信號轉換成數字信號，形成計算機能夠處理的數據。圖1中信號調理電路的功能主要是：將被測裝置中的電壓信號經隔離轉化為DAQ板卡允許輸入的電壓信號（V10±范圍內）、波形轉換、濾波等，以便于DAQ進行數據采集。數據采集卡采用美國NI公司的M系列的PCI-6251采集卡，它是一款高速多功能DAQ板卡，在高采樣率下也能保持高精度。系統機構如圖2所示。

圖2電能質量的在線監測和分析系統

5、軟件開發

LABVIEW環境中可交互地設計這些對象的外觀和屬性。LABVIEW提供非常豐富的界面控件對象，可方便地設計出生動、直觀、操作方便的用戶界面。基于LABVIEW的電能質量在線監測和分析系統軟件開發主要包括7個模塊的設計監測方式設置模塊、波形及數據存儲模塊、實時波形顯示模塊、電能質量指標顯示模塊、電網額定參數設置模塊、報警模塊、用戶登錄界面模塊。前面板設計見圖3所示。

圖3系統界面

（1）監測方式設置模塊：包括監測電壓的有效值、電壓的波動，THD值、采樣頻率設

置和電壓的偏差等；

（2）波形及數據存儲模塊：包括監測波形和電能質量指標計算存儲，數據存放位置選為默認位置，采用時間作為存儲文件的文件名；

（3）實時波形顯示模塊：實時顯示三相電壓波形，諧波分析圖；

（4）電能質量指標顯示模塊：實時顯示電能質量指標數據；

（5）電網額定參數設置模塊：配置被測電網的額定參數；

（6）報警模塊：電能質量指標測試超標報警；

（7）用戶登錄界面模塊：在監控系統運行后，有權限操.

系統軟件主要有信號采集、數據處理、數據存儲、數據分析及故障診斷等模塊。本系統的軟件組成結構如圖4所示。

圖4系統的軟件組成結構圖

6、結論

虛擬儀器技術在電力電子裝置故障診斷領域的應用，使得檢測設備具有投資少、開發周期短及通用性強特點。對于不同的電力電子裝置，只要添加相應的傳感器組成新的硬件系統，軟件增加相應的模塊，就易于實現裝置的故障診斷，顯著地提高了故障分析診斷的靈活性，具有一定工程實用價值。本文設計的檢測和分析系統，充分的利用了虛擬儀器技術在測控領域的特點和良好的人機交互界面。硬件上采電壓傳感器、DAQ數據采集板和PC機實現數據的采集，軟件上利用虛擬儀器軟件LabVIEW編制的界面以及數據的采集、計算、報表和報警等功能模塊，實現了電力故障的監測與分析功能。采用虛擬儀器開發的系統可以縮短監測系統的開發周期，降低系統的成本，提高系統的性能。經檢驗系統運行穩定性高，具有很好的實用價值。

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