基于LabVIEW電磁兼容小信號分析系統的設計

南京國電南自自動化有限公司 馮曉華 吳 焱 吳 凱

隨著智能電廠和電網以及分布式能源和新能源的迅猛發展，電力系統二次設備日益自動化和復雜化使得電磁兼容對于電力系統安全可靠運行越來越重要。電磁兼容作為一門綜合性交叉學科正在我國迅速發展，目前已成為衡量電力設備性能的重要指標之一，開展電磁兼容試驗，判斷電力設備的電磁兼容性是否符合電力系統的電磁兼容要求，已成為電力設備開發和測試的非常重要工作之一。

在繼電保護領域，為了提高系統的抗干擾性和可靠性，通常要求繼電保護裝置滿足相關的電磁兼容標準。繼電保護裝置對一次側電壓電流的采集，以及對保護對象信號量的采集通常都可以歸結為模擬量采樣，模擬量采集是繼電保護裝置安全可靠運行極為重要的組成部分，直接影響繼電保護裝置是否能夠正確判斷故障的發生，可能會直接帶來保護裝置誤動或拒動的風險，因此對模擬量的可靠采集和處理將成為繼電保護裝置開發的重要關注之一，特別是在電磁兼容干擾下能否對模擬量正確的采集和補償將變得尤為重要。

繼電保護裝置CPU 類的插件通常是采集模擬量的關鍵插件，所采集的模擬量通常為電壓電流信號，該類信號都屬于小信號范疇，在電磁兼容試驗過程中所需要采集的小信號易受所施加干擾信號影響，導致所采集的小信號發生畸變從而影響繼電保護裝置的算法判據和裝置動作的正確性。在某些特殊的電磁兼容試驗要求下，電磁兼容試驗的過程中對繼電保護裝置所采集模擬量小信號的精度也有很高的要求，因此在電磁兼容環境下對采集的模擬量小信號進行測量分析，對信號的補償起著至關重要的作用，從而保證繼電保護裝置滿足相關電磁兼容測試標準，從而提高繼電保護裝置現場運行的穩定性和可靠性[1-3]。

LabVIEW 作為目前應用較為廣泛的虛擬儀器軟件，在數據采集、信號處理、儀器控制等領域都發揮著重要應用[4-5]。本文基于LabVIEW 平臺開發了一種在電磁兼容試驗環境下對小信號進行測量分析系統，該系統將小信號檢測分析和電磁兼容試驗結合在一起，實現基于LabVIEW 圖形編程軟件對電磁兼容實驗下小信號的測量分析，可實時對所采集的小信號進行分析處理，該系統對在電磁兼容試驗下小信號的補償和濾波處理有較好的指導意義，簡化和縮短了繼電保護裝置的開發周期。

1 系統總體設計

基于LabVIEW 平臺開發的一種電磁兼容小信號分析系統，該系統可以在電磁兼容試驗環境下對模擬量小信號進行測量分析，主要包括硬件設計和軟件設計兩個部分，該系統結構框圖如圖1所示。其中，硬件設計主要包括信號待測模塊、信號采集模塊和硬件參數調整模塊；軟件設計主要包括信號分析顯示模塊以及軟件算法調整模塊。此外還包括電磁兼容激勵模塊，該模塊為滿足繼電保護產品電磁兼容標準的試驗儀器所產生的激勵，用于模擬繼電保護裝置現場運行電磁環境中的電磁干擾。

圖1 系統框圖

圖2 信號采集模塊框圖

2 硬件設計

2.1 信號待測模塊

信號待測模塊通常為交流插件和直接插件，交流插件用于采集一次側電壓電流信號，直流插件通常采集4-20mA 直流量，也可是特定應用場景下的交流量或直流量，該類模擬量通常是經電壓電流互感器或隔離運放等隔離器件輸出的小信號，信號的幅值和頻率滿足后級CPU 插件的ADC 采集范圍，該模塊還包括一些常見的電磁兼容防護電路和濾波電路，用于抑制電磁兼容試驗時所施加的電磁干擾，常見的措施如采用壓敏電阻和安規電容組成的鉗位和泄放電路；電阻電容和電感組成的濾波電路，實際參數的選取和驗證根據后級信號分析顯示模塊分析的結果為依據。

2.2 信號采集模塊

信號采集模塊通常為繼電保護裝置CPU 類插件，該插件主要完成模擬量小信號的采集和保護算法故障的判定，以及插件之間的信息交互，CPU 插件通常包括用于模擬量采集的ADC 芯片、用于保護算法實現和通信交互的CPU 芯片、用于整板供電的電源芯片、用于硬件系統故障檢測的看門狗芯片、用于實現以太網通信的以太網收發器芯片和其他輔助器件。ADC 芯片與電源芯片、CPU 芯片連接，完成模擬量小信號的同步采集和采集數據的處理，同時還實現后級經信號采集模塊和顯示分析模塊分析的補償算法。

CPU 芯片與ADC 芯片、電源芯片、看門狗芯片以及以太網收發器連接，完成采集數據的整理、組包以及發送，該部分功能主要是通過以太網將模擬量小信號采集信息上傳到上位機，再由在上位機基于LabVIEW 軟件開發的信號采集模塊和顯示分析模塊對接收到的采集信息分析處理；電源芯片與ADC 芯片、CPU 芯片、看門狗芯片連接，完成CPU 插件的整板供電；看門狗芯片與CPU 芯片、電源芯片連接，用于檢測CPU 芯片程序運行錯誤時系統復位；以太網收發器與電源芯片、CPU 芯片連接實現CPU 插件與上位機通信，完成網絡報文的收發，信號采集模塊的框圖如2所示。

2.3 硬件參數調整模塊

硬件參數調整模塊主要調整電磁兼容器件的參數和濾波參數，常見的措施有調整壓敏電阻的阻值、調整泄放電容的容值、調整濾波器的類型和參數等，調整的依據是由后級信號采集模塊和顯示分析模塊平臺分析而來，同時調整完的硬件參數再經過信號采集模塊和顯示分析模塊進行數據分析，可充分驗證硬件參數調整的有效性，從而為電磁兼容性硬件參數的改進提供有效依據。

3 軟件設計

3.1 信號分析顯示模塊

信號分析顯示模塊是基于LabVIEW 技術開發運行在上位機的應用程序，該模塊包括通訊處理模塊、數據處理模塊、數據顯示模塊以及數據存儲模塊。通訊處理模塊與數據處理模塊連接，以以太網報文接收形式進行數據的分包發送，所傳遞的數據來自信號采集模塊所采集的模擬小信號數據（包括經硬件參數調整和軟件算法補償的采集數據），從而形成通道采集數據，并將該數據傳遞至數據處理模塊。

數據處理模塊與數據顯示模塊、通訊處理模塊以及數據存儲模塊連接，接收通訊處理模塊傳輸的數據流，利用Lab VIEW 強大的數據分析和處理功能完成采集信號幅值和相位的計算、驗證硬件參數調整和數字濾波算法的有效性，同時也可實現數據線性度計算與比較等，最后將分析的數據傳遞至數據顯示模塊和數據存儲模塊，該部分數據處理可以充分驗證模擬小信號補償措施的有效性，對軟件補償算法的實現和驗證起著至關重要的作用，可簡化數據的分析過程；顯示模塊與數據處理模塊連接，可以實現數據處理結果顯示，可直觀顯示數據處理的結果；數據存儲模塊與數據處理模塊連接，完成數據處理結果存儲，可以將保存的數據做離線分析，信號分析顯示模塊框圖如圖3所示。

圖3 信號分析顯示模塊框圖

3.2 軟件算法調整模塊

軟件算法調整模塊包括常用的濾波算法和補償措施，通常對所采集數據進行平滑處理、濾波處理和數據補償處理等，算法和補償措施由軟件算法調整模塊中CPU 插件實現，其有效性可通過信號分析顯示模件充分驗證并將結果直觀顯示出來，具體的算法和補償措施根據信號分析顯示模塊分析結果而定，經濾波和補償的數據由信號采集模塊實現后再傳遞到信號分析顯示模塊進行數據分析，實現數據分析到數據補償再到數據分析的一個閉環過程，可充分驗證在電磁兼容試驗下對模擬小信號濾波和補償的有效性，有效縮短了電磁兼容改善的過程。

4 系統檢測分析流程圖

該系統實現了模擬量小信號的采集分析—硬件參數整改—軟件算法補償—采集分析一個閉環分析的系統，有效提高了數據分析處理的效率，從而簡化了電磁兼容故障分析和處理過程，為電磁兼容改進提供有效的處理方法，其系統檢測分析流程圖如圖4所示。流程說明流程如下。

圖4 信號檢測分析流程圖

一是施加電磁干擾的待測信號，電磁兼容測試儀電磁干擾激勵施加在待測信號插件。

二是信號采集分析，由CPU 插件實現采樣和采樣信息的傳遞，采樣信息傳遞至基于LabVIEW開發的分析軟件。

三是硬件參數調整，調整硬件器件參數后再到信號采集分析模塊，可反復驗證硬件參數調整的有效性。

四是軟件算法調整，軟件濾波和補償算法由CPU 模件實現后經信號分析模塊判定軟件算法調整的有效性。

五是最終經硬件參數調整和軟件算法調整得到符合需求的小信號輸出。

5 結論

本文介紹了一種基于LabVIEW 開發的電磁兼容小信號分析系統，實現基于LabVIEW 圖形編程軟件對電磁兼容試驗下小信號的測量分析，為電磁兼容問題的驗證和解決提供有效的依據。該系統簡單可靠，特別適合在復雜的電磁環境中工作，可實時對所采集的小信號進行分析處理，并將分析結果直觀地顯示出來，同時也可將采集數據存儲做離線分析，該分析系統對在電磁兼容試驗下小信號的補償和濾波處理有較好的指導意義。

該系統可在復雜電磁環境下對小信號采集分析，為電磁兼容改進提供有效的處理方法，從而保證繼電保護裝置滿足相關電磁兼容測試標準，提高繼電保護裝置現場運行的穩定性和可靠性。