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1、摘 要本文提出了如何利用计算机来分析电力系统中存在的谐波的方法。电力系统中的谐波危害十分严重，能使电能的利用效率降低，烧毁设备，对通信系统也会产生严重的干扰，因此准确分析电力系统中的谐波信号变的十分必要。本文论述了采用LABVIEW软件分析电力系统中谐波信号的方法，实时显示谐波的时域信号，频域信号，经过滤波后的时域信号及频域信号。本文重点研究信号傅里叶变换；各种滤波器的性能，及对谐波信号的影响。通过如何使用计算机来实现快速傅里叶变换和设计IIR及FIR滤波器来加深对信号分析过程的理解。本文主要利用LABVIEW软件对信号进行时域及频域分析，用C语言来实现信号的傅里叶变换，和滤波器的设计，并通过
2、matlab来验证C语言实现的傅里叶变换和滤波器的结果。关键词：电力谐波；快速傅里叶； 滤波器设计 IABSTRACTThis paper puts forward how to use computer to analysis the harmonic existing in the electric power system The power system harmonic wave is severe, can make the electric energy efficiency in the use of equipment to reduce, burned, communica
3、tion system can also have serious interference, so accurate analysis of the power system harmonic signal is very necessary.This paper discusses the method how to analysis the harmonic signal existing in the power system ,display the time domain signal ,the frequency domain signal and the ones being
4、processed by filter using the labview software.This paper focuses on Fourier transform, the performance of some kinds of filters and the influence on the harmonic signal. Through how to use computer to realize fast Fourier transform and design IIR and FIR filters to deepen the understanding of signa
5、l analysis process.This paper mainly uses the labview software to analysis signal in time domain and frequence domain. Using the C language to design the Fourier transform and the filters. Through the matlab to verify the results of the Fourier transform and the filters designed by C language.Keywor
6、ds: Power harmonic； Fast Fourier transform； Filter designingII河南工大学毕业设计（论文）说明书目 录1 绪论11.1 选题意义11.2 电力谐波及其危害21.3 研究内容22 快速傅里叶变换及实现42.1 傅里叶变换的推导42.2 序列的傅里叶变换62.2.1信号的理想抽样62.2.2 序列傅里叶变换公式推导82.3 离散傅里叶变换92.4 快速傅里叶算法及实现103 滤波器设计及实现143.1 IIR 滤波器的设计及MATLAB仿真143.2 FIR 滤波器的设计及MATLAB仿真194 LABVIEW谐波分析软件224.1 系统
7、总图224.2 信号生成模块224.3 滤波模块254.3.1 IIR Filter模块264.3.2 FIR Filter模块274.4 Fourier 变换模块304.5 系统调试31总结32致 谢33参考文献34附 录35- 1 -河南工大学毕业设计（论文）说明书1 绪论1.1 选题意义随着科学技术的发展,各种电子产品在电力系统中得到大量应用，特别是各种非线性负载包括可控整流传动装置及高压直流输电系统的投入，以及各种电力电子装置在电力系统工业、交通、及家庭中的应用日益广泛,理想电力系统的近似程度变差，直接表现是电网中的电压和电流波形产生周期性畸变。电网中除了与供电电源同频率的正弦量(称为
8、基波分量)以外，还出现了一系列大于基波频率整倍数的正弦波分量(高次谐波分量)。这一系列正弦分量统称为电力谐波。当电网中存在的谐波成分超过一定指标，轻者增加能耗，缩短设备运行寿命，重则造成电事故，直接影响安全生产。所以对电网中谐波含量准确的测量，确切掌握电网中谐波的实际状况，对于防止谐波危害、维护电网的安全运行是十分必要的。LABVIEW是实验室虚拟仪器集成环境(Laboratory Virtual In-strument Engineering Workbench)开发平台的简称，是由美国 Na-tional Instruments (NI)公司开发的一种以数据流驱动的图形化(Graphics
9、)编程语言替代文本编程语言创建应用程序的开发工具，这种编程强调信号处理的过程，编程简单，调试方便， 其外观和操作方式也与诸如示波器、万用表等实际物理仪器相仿，使用者操作这台计算机，就像是在操纵一台自己专门设计的传统电子仪器。因此被广泛应用于电子、通信、生物医学、机械等众多学科领域。用 LABVIEW编制出的图形化 VI是分层次和模块化的。可以将之用于顶层程序，也可用作其他程序或子程序的子程序。一个VI用在其它VI中，称之为sub VI，sub VI在调用它的程序中同样是以一个图标的形式出现的；为了区分各个sub VI，它们的图标是可编辑的。LABVIEW依附并发展了模块化程序设计的概念。用户可
10、以把一个应用任务分解成为系列的任务，每个子任务还以分解成许多更低级的子任务，直到把一个复杂的问题分解成为许多子任务的组合。首先设计sub VI完成每个任务，然后将之逐步组合成为能够解决最终问题的VI。图形化的程序设计编程简单、直观、开发效率高。随着虚拟仪器技术的不断发展，图形化的编程语言必将成为测试和控制领域内敲有前途的发展方向。1.2 电力谐波及其危害电网谐波一般有三种来源：(1) 是发电源质量不高产生谐波，发电机由于三相绕组在制作上很难做到绝对对称，铁心也很难做到绝对均匀一致和其他一些原因，电源多少也会产生一些谐波，但一般来说很少。(2) 是输配电系统产生谐波，输配电系统中主要是电力变压器
11、产生谐波，由于变压器铁心的饱和，磁化曲线的非线性，加上设计变压器时考虑经济性，其工作磁密选择在磁化曲线的近饱和段上，这样就使得磁化电流呈尖顶波形，因而含有奇次谐波。(3) 是用电设备产生的谐波，晶闸管整理设备，变频装置，电弧炉，还有家用电器如电视机，计算机，等因有调压整流装置也会产生谐波。谐波的危害十分严重。谐波使电能的生产、传输和利用的效率降低，使电气设备过热、产生振动和噪声，并使绝缘老化，使用寿命缩短，甚至发生故障或烧毁。谐波可引起电力系统局部并联谐振或串联谐振，使谐波含量放大，造成电容器等设备烧毁。谐波还会引起继电保护和自动装置误动作，使电能计量出现混乱。对于电力系统外部，谐波对通信设备
12、和电子设备会产生严重干扰。因此对电网中谐波含量准确的测量，确切掌握电网中谐波的实际状况，对于防止谐波危害、维护电网的安全运行是十分必要的。1.3 研究内容本文研究重点可分为两个方面：理论分析和Labview软件设计。在理论分析方面重点研究了从傅里叶级数到快速傅里叶变换这一详细过程，将连续变为离散，将时域化为频域。并且对有限长滤波器和无线长滤波器作了一定的分析，用C语言编写程序计算出公式，然后用matlab分析滤波器的频域特性。Labview软件设计方面，本文用labview软件设计了一个教学演示程序。程序分为信号产生模块，滤波器模块，FFT模块。流程是将两个周期信号叠加分别经过IIR滤波器和F
13、IR滤波器，最后分别进行FFT分析。此Labview系统软件的目的是验证各种滤波器的性能，对FFT有更好的理解，加深对基础知识的掌握。422 快速傅里叶变换及实现计算离散傅里叶变换的一种快速算法,简称FFT。快速傅里叶变换是1965年由J.W.库利和T.W.图基提出的。采用这种算法能使计算机计算离散傅里叶变换所需要的乘法次数大为减少,特别是被变换的抽样点数N越多,FFT算法计算量的节省就越显著。正是由于FFT的出现，使信号的频域分析不再只停留在纯粹的数学公式上，更使在硬件上的实现变为了一种可能，从而在实际工程中得到了广泛的应用，下面将开始分析如何将时域的信号转变到频域中去。2.1 傅里叶变换的
14、推导在高等数学中学过傅里叶级数，可知任一信号都能分解为正弦分量和余弦分量，公式如下：（2-1）其中： （1）指数形式的傅里叶级数推导：由欧拉公式可得：将上式代入式整理可得：（2-2），则（2-2）式可化简为 （2-3）（2）傅里叶变换推导：而 =(j)(j)=则*= ，T=令 T,= 则 可推出： （2-4）而 ，所以：= （2-5） （2-4）和（2-5）两式就是傅里叶正反变换公式。就是我们最熟悉的时域信号，是以t为横轴，为纵轴的信号。而就是频域信号，是以w为横轴，为纵轴的信号。如果为连续周期信号，由傅里叶级数可知，可以分解为有限个正弦和余弦信号的叠加，则一定是离散的信号。如果为非周期连续的
15、信号，由傅里叶变换可知，一定也是是非周期连续的频谱信号。下面所有研究都集中在如何将（2-4）和（2-5）两式子离散化而进行的。离散化的顺序是先时域离散，后频域离散。2.2 序列的傅里叶变换时域信号的离散是靠抽样来实现的，抽样就是利用周期性抽样脉冲序列从连续信号中抽取一系列的离散值，得到抽样信号即离散时间信号。抽样器可以看成是一个电子开关，开关每隔T秒闭合一次。下面我们来分析信号被抽样后其频谱将如何变化。2.2.1信号的理想抽样输入信号： 抽样序列： =理想抽样输出： 将上述三式进行傅里叶变换：其中，FT表示信号的傅里叶变换将表示成复数形式的傅里叶级数：，则=FT=则 =FT=由此看出，一个连续时间信号经过理想抽样后，其频谱将以抽样频率为间隔而重复出现，这就是频谱产生周期延拓的现象。为了方便以后的讨论，在这里我们引入数字频率w，它和模拟频率的关系为：可以看出，数字频率是模拟角频率对
