关键词：电能质量分析；Labview；数据采集；辅助电源系统
Abstract: There is no vehicle to monitor the quality of power equipment, it can not fully evaluate the quality of locomotive running, can not be a comprehensive fault diagnosis of the auxiliary system. The design of the auxiliary converter system based on the principle of the harmonic generation of the mechanism of analysis. According to the idea of virtual instrument, a data acquisition system for power quality analysis is established. The corresponding data acquisition equipment is selected and the corresponding detection circuit is designed and the software acquisition program is compiled according to the requirements of power quality analysis. The experimental system was validated. The design of the data acquisition system can improve the accuracy of data acquisition system fault diagnosis.
Key words: Power Quality Analysis; LabView; Data Collection; Harmonic generation mechanism
【中图分类号】N945.23 【文献标识码】B  【文章编号】1561-0330（2018）07-0000-00
1 前言
对于机车来说，辅助供电系统是辅助系统工作可靠性的保证。当辅助系统电能质量变化较大时，会对辅助系统产生较大影响，因此建立一个采集系统，对辅助变流系统电能参数进行采集，为供电系统的故障诊断提供依据。为提高整个系统工作的稳定性，提供技术支持。而目前没有可以随车监测电能质量的系统，只能通过测量电压值对机车运行品质进行评价。而在机车运行过程中，即使电压值满足要求，而谐波有变化也会出现故障，而目前监测方式不能解决这一问题，本设计旨在建立一个以电能质量分析为目的的数据采集系统。
2 辅助变流系统输出电压谐波产生机理
目前辅助变流系统电源即DC 600V、AC 380V、DC 110V的工作原理。各类辅助电源谐波产生的机理如下：
2.1 DC 600V供电原理及谐波产生机理
DC 600V供电电源是由25kV接触网电压经过降压、整流所得到的。其控制方式采用的是移相触发控制。因此在此电源下谐波产生主要就是在移相触发控制过程中所产生。
2.2 AC 380V供电原理及谐波产生机理
AC 380V供电电源是由25kV接触网电压经过降压、整流、逆变而来。其控制方式是PWM控制。因此在此电源下谐波产生主要就是在PWM控制过程中所产生。
2.3 DC 110V供电原理及谐波产生机理
DC 110V供电电源是由DC 600V直流母线经过DC-DC变换而来，其控制方式为PWM控制。因此在此电源下谐波产生主要就是在PWM控制过程中所产生。
3 辅助变流系统电能质量分析所需测量电路设计
3.1 传感器的选择
通过了解电源工作原理及谐波产生机理可以确定传感器动态响应特性，因此我们可以依照谐波频率的范围选择合适的传感器进行对信号的测量，并设计信号处理电路。
本文只设计电压信号的测量，因此这里只对电压传感器进行选择。对于传感器选择主要的性能指标有精度、传感器的动态响应、带宽、灵敏度、线性范围、稳定性及漂移。其中本设计主要依据选择的参数为精度、动态响应及带宽。传感器一般精度要求在千分之二到千分之五，由于采集为机车上的参数，我们想要做到的是随车采集，定时采集，因此对动态响应要求较高，而带宽根据之后的采样定理可得出为10kHz，在后文阐述。可以测量电压参数的传感器分为直流电压传感器、电压互感器、霍尔效应电压传感器。而直流电压传感器这种方法适用于测量直流电压，而且电压不能过大，因此不太适合本设计。电压互感器它只能用来检测交流电。而且我们需要对高次谐波进行不失真采集，电压互感器满足不了此要求。因此也不适合于本设计。霍尔效应电压传感器分为两大类。一类为开环（或直测式）霍尔电压传感器；另一类为闭环（或称零磁通式、磁平衡式）霍尔电压传感器。开环霍尔电压传感器的优点是电路形式简单，成本相对较低；其缺点是精度、线性度较差，响应时间较慢，温度漂移较大。为克服开环传感器的不足，便出现了闭环霍尔传感器。闭环霍尔电压传感器弥补了开环霍尔电压传感器的缺点。上述三种电压传感器看来，霍尔电压传感器在线性度、信号测量类型及隔离方面都有着绝对性的优势，因此，本设计采用的电压传感器为闭环霍尔电压传感器。最终对比各型号传感器，确定型号为ABB公司出产的VS 1000B型号，其参数均满足本设计要求，而且从经济角度来看也很合适。
3.2 信号调理电路的设计
从传感器得到的信号大多都要经过调理才能进入数据采集设备，信号调理功能包括放大、隔离、滤波、激励、线性化等。由于不同传感器有不同的特性，除了这些通用功能外，还要根据具体传感器的特性和要求来设计特殊的信号调理电路。对于本设计而言，选用的传感器中就存在运算放大器，因此放大电路就不加以设计，而且隔离方式采用的是数据采集卡内部的数字隔离，因此对隔离电路也不加以设计，所以主要设计为滤波电路。电路图如图1所示，由两部分组成，前面部分为电压跟随部分，后面部分按照低通滤波器进行设计，参数选择为R1、R2取12kΩ。
     

4 数据采集系统设计
4.1 数据采集系统的硬件设计
数据采集系统中采样频率这个参数是十分重要的一个参数，其选择原则遵循采样定理。对一个频率在0～fm内的连续模拟信号进行采样，只有当采样频率fs满足：fs≥2fm时，才能用采样信号xs（nTs）无失真的恢复为原来信号x（t）。数据采集系统的设计中，奈奎斯特采样频率的设置非常关键，采样频率不能太低，过低的采样频率会造成信号的畸变，产生混叠现象；采样频率同样不能过高，否则会占用系统大量的存储空间，造成资源的浪费。所以为使原始信号能较好的再现，不发生失真现象，采样率应该足够高，在实际中设计过程中，最好能达到5～10倍。本设计要求参数中显示，PWM频率为2kHz。因此，不难确定采样频率一般选择为10k～20ｋHz，这是对于辅助变流器的参数，在我们进行仿真实验的时候，往往PWM频率达不到2kHz，一般不到1kHz，因此将采样率设置为10kHz，比较合适。
数据采集卡方面，我们采用的型号为PCI-6229。其具体参数如下：NI PCI-6229 A/D转换器的分辨率：16位；采样率：250kS/s；16位32路模拟输入；16位4路模拟输出(833kS/s)；48路数字I/O；2个32位计数器，1个频率发生器；支持数字触发；NI-DAQmx测试软件和硬件配置程序支持。PCI-6229板卡的模拟输入、输出范围均是±10V，它有16个PFI口，这些PFI口可以作为静态数字I/O口，而且像计数器输出、频率输出、采样时钟等定时信号可以输出到任何PFI口上，当它作为静态数字I/O口时，只能够软件定时，PFI12和PFI13还分别对应着计数器0、计数器1的输出端。此卡可以满足我们的需求。
4.2 数据采集系统的软件设计
本设计采集系统程序编写采用图形化语言LabView进行编制。LabView进行程序设计主要分三方面，一是前面板的设计，二是程序面板的设计，三是对程序进行调试。我们采用的数据采集卡支持NI-DAQmx驱动软件。本设计主要使用DAQ助手进行采集程序的编写。采集程序原理图如图2所示。
 
 


6 结语
根据实验结果可以看出，本设计通过采用虚拟仪器的思想建立的能满足辅助变流系统电能质量分析，利用LabView进行编程的数据采集系统，可以，满足不失真的采集到电能质量分析所需要采集的信号。通过对数据采系统卡的硬件及软件进行了验证，表明可以满足以辅助变流系统电能质量分析为目的的采集。
利用采集到的信号配以相应的信号处理程序，就可以对辅助变流系统进行全面评价，对辅助变流系统电能参数进行采集，为供电系统的故障诊断提供依据。为提高整个系统工作的稳定性，提供技术支持。设计基于LabView的信号处理程序，对采集信号进行滤波等，还有对采集到的谐波进行谐波的分析。本设计是基于LabView内部编程进行的设计，不能达到随车检测，随位置变化检测，我们希望开发出基于C语言编程语言的程序，这样能够更好的保证采样的真实性，真确性。
参考文献：
[1]唐求.电力系统谐波及其检测方法研究[J].电子测量与仪器学报,2009,23(5):29-33.
[2]李传伟.电力系统谐波产生原因及其抑制方法[J].电气开关,2008(1).
[3]陈双乾,袁荣湘,苗淑贤.电力系统间谐波检测在LabView平台上的实现与分析[J].2011,39 (9) :19-22.
[4]刘含露,林绿浩.基于LabView的间谐波检测[J].电气技术,2013(9).
[5]宋士贤,覃荆伟,刘丹,汪玉凤.一种谐波在线检测分析系统的设计[J].工矿自动化,2011(4).
[6]李国尧,马吉恩,方攸同.基于DSP和LabVIEW的电参数检测系统[J].电测与仪表,2011(9).
[7]费莉,王博,刘述喜.基于LabView的数据采集及测试系统设计[J].重庆理工大学学报,2012(10).
[8]金爱娟,吴越鹏,李少龙.基于LabView的信号采集处理系统[J].微计算机信息,2012(9).
[9]胡汉春,张黎.机车电传动与控制[M].中国铁道出版社,2012.
[10]王兆安,刘进军.电力电子技术[M].机械工业出版社,2014.
[11]任家富,庹先国,陶永莉.数据采集与总线技术[M].北京航空航天大学出版社,2008.
[12]陶红艳.传感器与现代检测技术[M].清华大学出版社,2009.
[13]聂春燕. MATLAB和LabVIEW仿真技术及应用实例[M].清华大学出版社.
[14]徐超. LabView在测控系统中的应用(硕士学位论文)[D].重庆:重庆大学,2005,1-3.
[15]陈晓丽,黄立新,师蔚,廖爱华.城市轨道交通车辆电气[M].中国铁道出版社,2013.
[16]何洲红,钱卿,王金花.动车组辅助供电系统[M].西南交通