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1.引言
随着电子技术、通信技术和计算机技术的飞速发展，电子软启动器或智能软启动器已成为电机用户的首选启动装置。目前国内外生产的各种软启动器一般采用大功率晶闸管（SCR）技术，但是晶闸管电路产生的高次谐波对电网和负载都存在一定的不利影响。从产品开发的角度，要尽可能避免或降低产品产生的谐波，才能顺利进入市场。所有这些都需要拥有高精度、高效率，同时方便灵活的谐波测量手段。
如果用传统仪器完成对电动机软启动器的谐波测试任务，需要用示波器、功率因数表和谐波仪等多台仪器分别测试各项参数，测试数据不能统一显示、记录，测试精度与稳定性不能保证，测试成本高、效率低。为此，我设计了一套基于LabVIEW虚拟仪器平台，以数据采集卡、信号调理电路和各类高精度传感器为硬件的电子线路板测试系统，仅仅利用计算机和一块专用数据采集卡及各类传感器，便可对不同型号的电动机软启动器各次谐波进行自动检测。
2.软件LabVIEW的简介
所谓虚拟仪器（VirtualInstrument简称VI），就是在以计算机为核心的硬件平台上，其功能由用户设计和定义，具有虚拟面板，其测试功能由测试软件实现的一种计算机仪器系统。虚拟仪器是计算机软硬件技术和仪器仪表测控技术相结合的产物，它的硬件部分往往具有很大程度上的通用性，软件是系统的核心。它从根本上更新了仪器的概念，具有传统仪器无法比拟的优势[1]。不同场合的谐波测试对测试仪器的功能及性能要求不同。因此，过去对于各种不同目的的谐波测量，往往需要采用不同的测量分析仪器，有时甚至在同一项目中测量和分析需要分别采用不同的仪器。这样不但测试设备繁多、利用率低、测试成本高，而且也给测试和分析工作带来诸多不便[2]。利用虚拟仪器可以很好的解决这个问题，因为虚拟仪器用软件来实现测试功能，可以编制不同的软件来实现不同的传统仪器的功能。
虚拟仪器技术是仪器仪表技术发展的最新阶段，代表了现代测量技术的发展方向。虚拟仪器的功能主要由软件来实现，性能的改进和功能的扩展只需更新相关软件设计，因此研发周期大大缩短；虚拟仪器硬件具有良好的可靠性；虚拟仪器具有良好的开放性，可与计算机同步发展，与网络及其他周边设备互连；虚拟仪器实现较高的采集速度，完全能够满足杂散电流监测的需要。
LabVIEW是一个完全的、开放式的虚拟仪器开发系统应用软件，利用它组建仪器测试系统和数据采集系统可以大大简化程序的设计。LabVIEW与VisualC++、VisualBasic、LABWindows/CVI等编程语言不同，后者采用的是基于文本语言的程序代码（Code），而LabVIEW则是使用图形化程序设计语言G（Graphic），用框图代替了传统的程序代码。LabVIEW所运用的设备图标与科学家、工程师们习惯的大部分图标基本一致，这使得编程过程和思维过程非常的相似。
LabVIEW包含有专门用于设计数据采集程序和仪器控制程序的函数库和开发工具库。LabVIEW的程序设计实质上就是设计一个个的“虚拟仪器”，即“VIS”。在计算机显示屏幕上利用函数库和开发工具库产生一个前面板（FrontPanel）；在后台则是利用图形化的编程语言编制用于控制前面板的框图程序。程序的前面板具有与传统仪器相类似的界面，可接受用户的鼠标和键盘指令。一般来说，每一个VI都可以被其他VI调用，其功能类似于文本语言的子程序嵌套；而这种嵌套的层次，从理论上讲，是不受任何限制的。
3基于虚拟仪器的谐波测量系统的原理
LabVIEW是一个优秀的虚拟仪器开发平台，它基于图形语言，编程界面形象直观，提供各种旋钮、波形图等控制与显示元件，用于创建虚拟仪器的前面板；它使用图标、连线来编写程序，而不是传统编程语言的文本语句。对于开发测量系统有重要意义的是，LabVIEW以图标的形式提供了进行经典的信号分析和处理的很多函数，比如，数字滤波、窗函数、相关分析、频谱分析等等；还有微分、积分、傅氏变换、拉氏变换等各种数学工具另外它还提供联合时频分析，小波变换等信号处理工具包。测量技术人员只要进入这个平台，通过调用控件、图标就可以轻松构建高性能的测量仪器。
整个程序主要由以下几个模块组成：数据采集模块、信号加窗处理模块、谐波分析模块。
（1）数据采集模块
数据采集模块中使用一组LabVIEV高级模拟输入函数，采用循环缓冲区设置，实现对信号的连续采集，实时分析。使用这种数据采集方式时应该使采样率、缓存区大小与每次读取数据量三个参数相互匹配，以免缓冲区中还没有被读取的数據被覆盖掉。根据奈奎斯特采样定理，谐波测量的采样频率设置应满足：
（3.1）
其中：是数据采集卡的采样率，是n次谐波的频率。
如果要测量50次谐波，因为它的频率是2500Hz，所以采样率至少设置为5000S/s。为了优化程序性能，将循环结构的iteration参数接入数据采集模块，在程序执行第一次循环时对硬件进行设置，执行以后各次循环即按已有设置进行操作。
（2）信号加窗处理模块
由于在谐波分析中使用快速傅立叶变换FFT存在频率泄露问题，影响了谐波测量的精度，为了解决这个问题，对采集进来的信号在FFT之前进行了加窗处理。LabVIEW提供了海明窗、汉宁窗、三角窗、Blackman窗等十二种窗函数。这里使用的是汉宁窗，它减少泄露的效果比较好，计算量小，应用比较广泛。
它的具体算法是：
（3.2）
其中：，N为信号样本量。
（3）谐波分析模块
对于周期为的非正弦电量进行傅立叶级数分解，除了得到与电网基波频率相同的分量，还得到一系列大于电网基波频率的分量，以电压u（t）为例：
（n=1，2，3，……）（3.3） 式中：称为n次谐波，An为n次谐波的幅值：
谐波分析通常要给出总谐波畸变率（THD）和各次谐波的占有率（P）：
（3.4）
其中：m为总谐波次数。
（3.5）
其中：是电压波形中各次谐波有效值，为电压波形中基波有效值，各次谐波电流占有率与电压占有率相似。
FFT是当今应用最多的谐波测量办法之一，它极大地提高了频谱分析时的计算效率，减少了计算机内存的占用[4]。但是如果手工编程实现FFT需要较高的编程技巧和较大的编程工作量，LabVIEW提供的一组函数可完成这个任务，它的自功率谱函数（AutoPowerSpectrum.vi）用FFT求出时域的自功率谱。谐波分析函数（HarmonicAnalyzer.vi）在这个基础上给出各次谐波的频率、幅值和总谐波畸变率THD。可以很容易地按照谐波分析函数给出的谐波幅值序列再计算出畸变波形所含各次谐波的占有率Pn。
4系统软件设计与结果验证
我研制的谐波测试分析系统软件部分主要完成数据实时采集、显示和谐波分析等功能。在软件的具体实现时分为以下几大模块来处理：
（1）主程序模块：主要完成系统初始化，包括用户和产品信息的输入，对数据采集卡进行初始状态设置等。
（2）模拟数据采集模块：对0路模拟信号进行实时采集，对其中一些数据及其波形曲线进行实时显示。在系统程序设计时我采用了LabVIEW软件的模拟数据连续采集函数，使用循环缓存区设置，实现连续采集信号，进行实时分析，使用这种数据采集方式应注意采样率、缓存区大小与每次读取数据量三个参数之问的匹配，避免读取数据时数据采集尚未完成，或读取数据不及时，缓存区中的数据被覆盖。Wavechart可以解决软启动与软停止曲线实时显示问题。
结论
本文介绍了一种基于虚拟仪器技术设计的多功能电力谐波测试仪，能对电流的基波及各次谐波的幅值、频率、谐波总畸变率（THD）等进行连续或定时测量。并可清晰显示采样的电压电流波形、频谱图。该仪器能弥补以单片机或DSP为核心的传统便携式测试仪的一些不足，还可以方便地通过软件升级，进一步开发其它高级功能。
在本系统中可以加上数据记录模块，把测量结果保存到数据文件中。还可以稍做修改增加功率因数测量的功能另外可进一步开发谐波的高级功能，可利用谐波测量，建立谐波数据库，进行谐波潮流汁算，谐波谐振分析，以及谐波仿真等。
虚拟仪器技术非常适合于谐波测量等高要求的工程测量。它给测量系统的开发与集成带来了极大的益处。用虚拟仪器技术构建谐波测量仪器与传統的测量仪器比其开发效率、性能价格比、及可操作性、可维护性等方面都具有明显的优势。
参考文献：
[1]朱更辉，向学军.基于LabVIEW7.1的谐波测量技术.淮阴工学院学报2005年2月第l4卷第1期.
[2]黄纯，江亚群，孙悻华.基于虚拟仪器技术的电力谐波测试仪[J].电力自动化设备，2001.21（11）：55—57.
[3]刘沛津，曹进.张伏生.基于虚拟仪器技术的在线谐波测量分析系统[J].继电器.2004，32（4）：48—63.
[4]NationalInstrumentCorporation.LabVIEWUserManual.2003.
随着电子技术、通信技术和计算机技术的飞速发展，电子软启动器或智能软启动器已成为电机用户的首选启动装置。目前国内外生产的各种软启动器一般采用大功率晶闸管（SCR）技术，但是晶闸管电路产生的高次谐波对电网和负载都存在一定的不利影响。从产品开发的角度，要尽可能避免或降低产品产生的谐波，才能顺利进入市场。所有这些都需要拥有高精度、高效率，同时方便灵活的谐波测量手段。
如果用传统仪器完成对电动机软启动器的谐波测试任务，需要用示波器、功率因数表和谐波仪等多台仪器分别测试各项参数，测试数据不能统一显示、记录，测试精度与稳定性不能保证，测试成本高、效率低。为此，我设计了一套基于LabVIEW虚拟仪器平台，以数据采集卡、信号调理电路和各类高精度传感器为硬件的电子线路板测试系统，仅仅利用计算机和一块专用数据采集卡及各类传感器，便可对不同型号的电动机软启动器各次谐波进行自动检测。
2.软件LabVIEW的简介
所谓虚拟仪器（VirtualInstrument简称VI），就是在以计算机为核心的硬件平台上，其功能由用户设计和定义，具有虚拟面板，其测试功能由测试软件实现的一种计算机仪器系统。虚拟仪器是计算机软硬件技术和仪器仪表测控技术相结合的产物，它的硬件部分往往具有很大程度上的通用性，软件是系统的核心。它从根本上更新了仪器的概念，具有传统仪器无法比拟的优势[1]。不同场合的谐波测试对测试仪器的功能及性能要求不同。因此，过去对于各种不同目的的谐波测量，往往需要采用不同的测量分析仪器，有时甚至在同一项目中测量和分析需要分别采用不同的仪器。这样不但测试设备繁多、利用率低、测试成本高，而且也给测试和分析工作带来诸多不便[2]。利用虚拟仪器可以很好的解决这个问题，因为虚拟仪器用软件来实现测试功能，可以编制不同的软件来实现不同的传统仪器的功能。
虚拟仪器技术是仪器仪表技术发展的最新阶段，代表了现代测量技术的发展方向。虚拟仪器的功能主要由软件来实现，性能的改进和功能的扩展只需更新相关软件设计，因此研发周期大大缩短；虚拟仪器硬件具有良好的可靠性；虚拟仪器具有良好的开放性，可与计算机同步发展，与网络及其他周边设备互连；虚拟仪器实现较高的采集速度，完全能够满足杂散电流监测的需要。
LabVIEW是一个完全的、开放式的虚拟仪器开发系统应用软件，利用它组建仪器测试系统和数据采集系统可以大大简化程序的设计。LabVIEW与VisualC++、VisualBasic、LABWindows/CVI等编程语言不同，后者采用的是基于文本语言的程序代码（Code），而LabVIEW则是使用图形化程序设计语言G（Graphic），用框图代替了传统的程序代码。LabVIEW所运用的设备图标与科学家、工程师们习惯的大部分图标基本一致，这使得编程过程和思维过程非常的相似。
LabVIEW包含有专门用于设计数据采集程序和仪器控制程序的函数库和开发工具库。LabVIEW的程序设计实质上就是设计一个个的“虚拟仪器”，即“VIS”。在计算机显示屏幕上利用函数库和开发工具库产生一个前面板（FrontPanel）；在后台则是利用图形化的编程语言编制用于控制前面板的框图程序。程序的前面板具有与传统仪器相类似的界面，可接受用户的鼠标和键盘指令。一般来说，每一个VI都可以被其他VI调用，其功能类似于文本语言的子程序嵌套；而这种嵌套的层次，从理论上讲，是不受任何限制的。
3基于虚拟仪器的谐波测量系统的原理
LabVIEW是一个优秀的虚拟仪器开发平台，它基于图形语言，编程界面形象直观，提供各种旋钮、波形图等控制与显示元件，用于创建虚拟仪器的前面板；它使用图标、连线来编写程序，而不是传统编程语言的文本语句。对于开发测量系统有重要意义的是，LabVIEW以图标的形式提供了进行经典的信号分析和处理的很多函数，比如，数字滤波、窗函数、相关分析、频谱分析等等；还有微分、积分、傅氏变换、拉氏变换等各种数学工具另外它还提供联合时频分析，小波变换等信号处理工具包。测量技术人员只要进入这个平台，通过调用控件、图标就可以轻松构建高性能的测量仪器。
整个程序主要由以下几个模块组成：数据采集模块、信号加窗处理模块、谐波分析模块。
（1）数据采集模块
数据采集模块中使用一组LabVIEV高级模拟输入函数，采用循环缓冲区设置，实现对信号的连续采集，实时分析。使用这种数据采集方式时应该使采样率、缓存区大小与每次读取数据量三个参数相互匹配，以免缓冲区中还没有被读取的数據被覆盖掉。根据奈奎斯特采样定理，谐波测量的采样频率设置应满足：
（3.1）
其中：是数据采集卡的采样率，是n次谐波的频率。
如果要测量50次谐波，因为它的频率是2500Hz，所以采样率至少设置为5000S/s。为了优化程序性能，将循环结构的iteration参数接入数据采集模块，在程序执行第一次循环时对硬件进行设置，执行以后各次循环即按已有设置进行操作。
（2）信号加窗处理模块
由于在谐波分析中使用快速傅立叶变换FFT存在频率泄露问题，影响了谐波测量的精度，为了解决这个问题，对采集进来的信号在FFT之前进行了加窗处理。LabVIEW提供了海明窗、汉宁窗、三角窗、Blackman窗等十二种窗函数。这里使用的是汉宁窗，它减少泄露的效果比较好，计算量小，应用比较广泛。
它的具体算法是：
（3.2）
其中：，N为信号样本量。
（3）谐波分析模块
对于周期为的非正弦电量进行傅立叶级数分解，除了得到与电网基波频率相同的分量，还得到一系列大于电网基波频率的分量，以电压u（t）为例：
（n=1，2，3，……）（3.3） 式中：称为n次谐波，An为n次谐波的幅值：
谐波分析通常要给出总谐波畸变率（THD）和各次谐波的占有率（P）：
（3.4）
其中：m为总谐波次数。
（3.5）
其中：是电压波形中各次谐波有效值，为电压波形中基波有效值，各次谐波电流占有率与电压占有率相似。
FFT是当今应用最多的谐波测量办法之一，它极大地提高了频谱分析时的计算效率，减少了计算机内存的占用[4]。但是如果手工编程实现FFT需要较高的编程技巧和较大的编程工作量，LabVIEW提供的一组函数可完成这个任务，它的自功率谱函数（AutoPowerSpectrum.vi）用FFT求出时域的自功率谱。谐波分析函数（HarmonicAnalyzer.vi）在这个基础上给出各次谐波的频率、幅值和总谐波畸变率THD。可以很容易地按照谐波分析函数给出的谐波幅值序列再计算出畸变波形所含各次谐波的占有率Pn。
4系统软件设计与结果验证
我研制的谐波测试分析系统软件部分主要完成数据实时采集、显示和谐波分析等功能。在软件的具体实现时分为以下几大模块来处理：
（1）主程序模块：主要完成系统初始化，包括用户和产品信息的输入，对数据采集卡进行初始状态设置等。
（2）模拟数据采集模块：对0路模拟信号进行实时采集，对其中一些数据及其波形曲线进行实时显示。在系统程序设计时我采用了LabVIEW软件的模拟数据连续采集函数，使用循环缓存区设置，实现连续采集信号，进行实时分析，使用这种数据采集方式应注意采样率、缓存区大小与每次读取数据量三个参数之问的匹配，避免读取数据时数据采集尚未完成，或读取数据不及时，缓存区中的数据被覆盖。Wavechart可以解决软启动与软停止曲线实时显示问题。
结论
本文介绍了一种基于虚拟仪器技术设计的多功能电力谐波测试仪，能对电流的基波及各次谐波的幅值、频率、谐波总畸变率（THD）等进行连续或定时测量。并可清晰显示采样的电压电流波形、频谱图。该仪器能弥补以单片机或DSP为核心的传统便携式测试仪的一些不足，还可以方便地通过软件升级，进一步开发其它高级功能。
在本系统中可以加上数据记录模块，把测量结果保存到数据文件中。还可以稍做修改增加功率因数测量的功能另外可进一步开发谐波的高级功能，可利用谐波测量，建立谐波数据库，进行谐波潮流汁算，谐波谐振分析，以及谐波仿真等。
虚拟仪器技术非常适合于谐波测量等高要求的工程测量。它给测量系统的开发与集成带来了极大的益处。用虚拟仪器技术构建谐波测量仪器与传統的测量仪器比其开发效率、性能价格比、及可操作性、可维护性等方面都具有明显的优势。
参考文献：
[1]朱更辉，向学军.基于LabVIEW7.1的谐波测量技术.淮阴工学院学报2005年2月第l4卷第1期.
[2]黄纯，江亚群，孙悻华.基于虚拟仪器技术的电力谐波测试仪[J].电力自动化设备，2001.21（11）：55—57.
[3]刘沛津，曹进.张伏生.基于虚拟仪器技术的在线谐波测量分析系统[J].继电器.2004，32（4）：48—63.
[4]NationalInstrumentCorporation.LabVIEWUserManual.2003.