電氣化鐵路是一種現(xiàn)代化的鐵路運輸工具，和目前使用的內(nèi)燃、蒸汽機(jī)車牽引的鐵路相比，具有技術(shù)經(jīng)濟(jì)上的優(yōu)越性。電力機(jī)車裝有大功率的電氣制動裝置，可用于長大下坡的速度調(diào)整，從而可以大大提高列車運行的安全度。電力機(jī)車動車本身不帶原動機(jī)和燃料，比功率（單位重量功率）大，與內(nèi)燃機(jī)車和內(nèi)燃動車相比，在相同或相近的持續(xù)牽引力（以單軸計）下持續(xù)速度高一倍以上，牽引相同重量的列車可以實現(xiàn)更高的額定速度（或稱運營速度），而且恒功速度范圍寬，電制動功率也大，所以起、制動和加、減速性能也均較優(yōu)越。電力牽引這種快跑、多拉的特性能更充分地滿足鐵路運輸對提高行車速度、增加列車重量和加大行車密度的綜合要求，從而更加有利于：大幅度提高旅客運輸?shù)穆眯兴俣群透吒郊又瞪唐愤\輸?shù)乃瓦_(dá)速度；組織煤炭、建材、糧食等大宗貨物的高效、快捷的重載直達(dá)運輸；發(fā)揮速度優(yōu)勢，不斷推出運輸新產(chǎn)品，拓廣鐵路運輸?shù)臓I銷范圍，增強其在運輸市場上的競爭實力。特別軌道交通與高速公路、航空運輸協(xié)調(diào)發(fā)展的"運輸走廊",吸引大中城市間和市郊運輸?shù)拇罅靠土鬓D(zhuǎn)乘高速和快速電氣列車，可以明顯改善人們的旅行條件、緩解交通堵塞、減少大氣污染、節(jié)省石油及土地等有限資源。這種超越上述企業(yè)效益的重大國民經(jīng)濟(jì)效益和社會效益，在喚醒發(fā)達(dá)國家的政府和社會對鐵路公益性的再認(rèn)識，為鐵路發(fā)展獲取資金和支持方面，起了重要的作用。

　　電氣化鐵路，亦稱電化鐵路，是由電力機(jī)車或動車組這兩種鐵路列車（即通稱的火車）為主，所行走的鐵路。電氣化鐵路的牽引動力是電力機(jī)車，機(jī)車本身不帶能源，所需能源由電力牽引供電系統(tǒng)提供。牽引供電系統(tǒng)主要是指牽引變電所和接觸網(wǎng)兩大部分。變電所設(shè)在鐵道附近，它將從發(fā)電廠經(jīng)高壓輸電線送來的電流，送到鐵路上空的接觸網(wǎng)上。接觸網(wǎng)是向電力機(jī)車直接輸送電能的設(shè)備。

　　1 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)

　　基于虛擬儀器的電氣化鐵路電能質(zhì)量參數(shù)監(jiān)測系統(tǒng)同樣必須具備傳統(tǒng)監(jiān)測系統(tǒng)的三大功能模塊，即數(shù)據(jù)采集模塊、數(shù)據(jù)分析處理模塊和結(jié)果顯示模塊。數(shù)據(jù)采集模塊還是由傳統(tǒng)的采集硬件來完成，不同的是數(shù)據(jù)分析處理模塊完全由計算機(jī)軟件來實現(xiàn)，這部分功能不受硬件的限制，可以根據(jù)用戶的需求隨時增加和修改模塊，這一優(yōu)勢是傳統(tǒng)儀器所無法比擬的。本文所研究的電能質(zhì)量參數(shù)監(jiān)測系統(tǒng)，其軟件部分是，只要硬件部分將監(jiān)測點的電壓和電流信號經(jīng)過信號調(diào)理器和數(shù)據(jù)采集卡以失真度轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號，其余的任務(wù)（如加窗、濾波、數(shù)據(jù)處理和統(tǒng)計分析、數(shù)據(jù)遠(yuǎn)傳以及顯示打印等）就完全交給軟件來處理。

　　本系統(tǒng)的硬件由傳感器、信號調(diào)理模塊、數(shù)據(jù)采集卡和計算機(jī)組成，其硬件結(jié)構(gòu)如圖1所示。

　　本系統(tǒng)的軟件開發(fā)環(huán)境為LabVIEW,它是美國NI公司推出的一種基于G語言的虛擬儀器軟件開發(fā)工具。對于一個虛擬儀器系統(tǒng)而言，軟件是關(guān)鍵，是靈魂，硬件僅用于解決信號的輸入和輸出。

　　2 系統(tǒng)總體設(shè)計思路

　　基于虛擬儀器技術(shù)的電氣化鐵路電能質(zhì)量參數(shù)監(jiān)測系統(tǒng)要實現(xiàn)的功能包括實現(xiàn)對電壓電流的有效值、電壓偏差、電網(wǎng)頻率、頻率偏差、三相不平衡度、諧波含有率和閃變等不同參數(shù)的同時測量。因此，本設(shè)計采用模塊化方法，每一個功能模塊完成相應(yīng)的功能，通過整合來完成系統(tǒng)的設(shè)計。采用模塊結(jié)構(gòu)的的優(yōu)點是效率高。由于模塊可以共享數(shù)據(jù)，并可相互調(diào)用，因此，可以通過靈活組織各個模塊來達(dá)到非常高的整體效率。如果需要對模塊某一功能進(jìn)行升級，只需要改寫相應(yīng)的模塊，而不需要改動整個軟件結(jié)構(gòu)。而當(dāng)需要增加系統(tǒng)功能時，也只需要增加相應(yīng)的軟件功能模塊即可。

　　電能質(zhì)量測量的模塊主要包括數(shù)據(jù)采集模塊、有效值測量模塊、電壓偏差測量模塊、頻率測量模塊、頻率偏差測量模塊、三相不平衡度測量模塊、功率測量模塊、諧波測量模塊和閃變測量模塊等。其中有效值測量模塊、電壓偏差測量模塊、頻率測量及頻率偏差測量和三相不平衡測量模塊可以整合在一個模塊里，即伏安測量模塊，其系統(tǒng)功能如圖2所示。

　　電能質(zhì)量監(jiān)測的整個系統(tǒng)可分成采集與實時顯示、伏安測量、功率測量、閃變測量及諧波測量等五個大的模塊，可在主程序界面的前面板中以五頁顯示，同時也可以通過調(diào)用不同的小功能模塊來構(gòu)成。

　　在主程序的前面板中，可以利用LabVIEW提供的選項卡控件"Tab Control.vi"功能函數(shù)來實現(xiàn)分頁，其電能質(zhì)量監(jiān)測主程序前面板如圖3所示。圖中程序頁面顯示的是伏安測量頁面，每個頁面可以實現(xiàn)不同的測試任務(wù)。

　　3 電力參數(shù)測量程序與測試結(jié)果

　　對于電氣化鐵路，供電部門的電能質(zhì)量評價指標(biāo)主要有功率因數(shù)、三相電壓不平衡度、各次諧波電壓及諧波電流、電壓總諧波畸變率和電壓波動及閃變等。本系統(tǒng)監(jiān)測的電力參數(shù)有電流、電壓、頻率、諧波、功率因數(shù)、功率（右功、無功、視在功率和總功率）、三相電壓不平衡度、三相電流不平衡度和閃變等。

　　由于譜泄漏的原因，為了減少泄漏誤差，避免信號在做諧波分析時發(fā)生混疊，首先要對信號進(jìn)行加窗處理，再通過FFT變換完成諧波分析。這里以A相電壓的諧波測量為例，給出了如圖4所示的基于LabVIEW的諧波計算流程圖。

　　諧波測量模塊一般要實現(xiàn)各次諧波頻率、幅值和THD這三個參數(shù)的測量。諧波分析的方法很多，理論和實現(xiàn)上都比較成熟的是快速傅立葉變換（FFT）分析法，LabVIEW提供有諧波分析軟件包，可供直接進(jìn)行快速頻譜分析。

　　根據(jù)GB/T14549-93中的附錄D補充件第三條：對于負(fù)荷變化快的諧波源（如煉鋼電弧爐、電力機(jī)車等），測量的時間間隔不大于2 min,諧波測量次數(shù)一般不小于30次。根據(jù)IEC 1000-4-7:1991,電磁兼容（EMC）第四部分第七節(jié)中，諧波測量范圍取基波和2~40次諧波。本系統(tǒng)中，總諧波次數(shù)取40次。

　　需要對采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行諧波分析時，可利用索引數(shù)組Index Array從數(shù)據(jù)文件"采集數(shù)據(jù)庫，dat"中分別取出每一行的數(shù)據(jù)，并依次加載在功能函數(shù)"Hamming Window.vi"的input signal引腳上，再通過#harmonics設(shè)置諧波次數(shù)（諧波次數(shù)可設(shè)置為40次1,這樣，各次諧波的幅值和頻率將以數(shù)組形式表示出來。由于諧波的幅值和頻率包含基頻成分，故可通過"Delete From Array.vi"除去其中的基波信號，然后再通過諧波幅值圖形象顯示除基波外各次諧波的幅值。圖5為A相電壓諧波測量的流程框圖。

　　圖6所示是A相電壓諧波測量的顯示面板圖。圖6中顯示了諧波頻率、諧波幅值和THD%,它們可以分別通過數(shù)組控件及數(shù)值控件加以顯示，同時以圖形控件顯示除基波之外的各次諧波的幅值。

　　4 結(jié)束語

　　將虛擬儀器技術(shù)用于電能質(zhì)量的監(jiān)測中，具有硬件結(jié)構(gòu)簡單，軟件開發(fā)周期短，功能擴(kuò)展靈活等優(yōu)點。從仿真結(jié)果來看，該系統(tǒng)運行良好，性能穩(wěn)定，計算結(jié)果、設(shè)計思想和實際相符合，能夠滿足對電能質(zhì)量參數(shù)監(jiān)測的要求。