电气化铁路是一种现代化的铁路运输工具，和目前使用的内燃、蒸汽机车牵引的铁路相比，具有技术经济上的优越性。电力机车装有大功率的电气制动装置，可用于长大下坡的速度调整，从而可以大大提高列车运行的安全度。电力机车动车本身不带原动机和燃料，比功率（单位重量功率）大，与内燃机车和内燃动车相比，在相同或相近的持续牵引力（以单轴计）下持续速度高一倍以上，牵引相同重量的列车可以实现更高的额定速度（或称运营速度），而且恒功速度范围宽，电制动功率也大，所以起、制动和加、减速性能也均较优越。电力牵引这种快跑、多拉的特性能更充分地满足铁路运输对提高行车速度、增加列车重量和加大行车密度的综合要求，从而更加有利于：大幅度提高旅客运输的旅行速度和高附加值商品运输的送达速度；组织煤炭、建材、粮食等大宗货物的高效、快捷的重载直达运输；发挥速度优势，不断推出运输新产品，拓广铁路运输的营销范围，增强其在运输市场上的竞争实力。特别轨道交通与高速公路、航空运输协调发展的"运输走廊",吸引大中城市间和市郊运输的大量客流转乘高速和快速电气列车，可以明显改善人们的旅行条件、缓解交通堵塞、减少大气污染、节省石油及土地等有限资源。这种超越上述企业效益的重大国民经济效益和社会效益，在唤醒发达国家的政府和社会对铁路公益性的再认识，为铁路发展获取资金和支持方面，起了重要的作用。

　　电气化铁路，亦称电化铁路，是由电力机车或动车组这两种铁路列车（即通称的火车）为主，所行走的铁路。电气化铁路的牵引动力是电力机车，机车本身不带能源，所需能源由电力牵引供电系统提供。牵引供电系统主要是指牵引变电所和接触网两大部分。变电所设在铁道附近，它将从发电厂经高压输电线送来的电流，送到铁路上空的接触网上。接触网是向电力机车直接输送电能的设备。

　　1 系统总体结构

　　基于虚拟仪器的电气化铁路电能质量参数监测系统同样必须具备传统监测系统的三大功能模块，即数据采集模块、数据分析处理模块和结果显示模块。数据采集模块还是由传统的采集硬件来完成，不同的是数据分析处理模块完全由计算机软件来实现，这部分功能不受硬件的限制，可以根据用户的需求随时增加和修改模块，这一优势是传统仪器所无法比拟的。本文所研究的电能质量参数监测系统，其软件部分是，只要硬件部分将监测点的电压和电流信号经过信号调理器和数据采集卡以失真度转换为数字信号，其余的任务（如加窗、滤波、数据处理和统计分析、数据远传以及显示打印等）就完全交给软件来处理。

　　本系统的硬件由传感器、信号调理模块、数据采集卡和计算机组成，其硬件结构如图1所示。

　　本系统的软件开发环境为LabVIEW,它是美国NI公司推出的一种基于G语言的虚拟仪器软件开发工具。对于一个虚拟仪器系统而言，软件是关键，是灵魂，硬件仅用于解决信号的输入和输出。

　　2 系统总体设计思路

　　基于虚拟仪器技术的电气化铁路电能质量参数监测系统要实现的功能包括实现对电压电流的有效值、电压偏差、电网频率、频率偏差、三相不平衡度、谐波含有率和闪变等不同参数的同时测量。因此，本设计采用模块化方法，每一个功能模块完成相应的功能，通过整合来完成系统的设计。采用模块结构的的优点是效率高。由于模块可以共享数据，并可相互调用，因此，可以通过灵活组织各个模块来达到非常高的整体效率。如果需要对模块某一功能进行升级，只需要改写相应的模块，而不需要改动整个软件结构。而当需要增加系统功能时，也只需要增加相应的软件功能模块即可。

　　电能质量测量的模块主要包括数据采集模块、有效值测量模块、电压偏差测量模块、频率测量模块、频率偏差测量模块、三相不平衡度测量模块、功率测量模块、谐波测量模块和闪变测量模块等。其中有效值测量模块、电压偏差测量模块、频率测量及频率偏差测量和三相不平衡测量模块可以整合在一个模块里，即伏安测量模块，其系统功能如图2所示。

　　电能质量监测的整个系统可分成采集与实时显示、伏安测量、功率测量、闪变测量及谐波测量等五个大的模块，可在主程序界面的前面板中以五页显示，同时也可以通过调用不同的小功能模块来构成。

　　在主程序的前面板中，可以利用LabVIEW提供的选项卡控件"Tab Control.vi"功能函数来实现分页，其电能质量监测主程序前面板如图3所示。图中程序页面显示的是伏安测量页面，每个页面可以实现不同的测试任务。

　　3 电力参数测量程序与测试结果

　　对于电气化铁路，供电部门的电能质量评价指标主要有功率因数、三相电压不平衡度、各次谐波电压及谐波电流、电压总谐波畸变率和电压波动及闪变等。本系统监测的电力参数有电流、电压、频率、谐波、功率因数、功率（右功、无功、视在功率和总功率）、三相电压不平衡度、三相电流不平衡度和闪变等。

　　由于谱泄漏的原因，为了减少泄漏误差，避免信号在做谐波分析时发生混叠，首先要对信号进行加窗处理，再通过FFT变换完成谐波分析。这里以A相电压的谐波测量为例，给出了如图4所示的基于LabVIEW的谐波计算流程图。

　　谐波测量模块一般要实现各次谐波频率、幅值和THD这三个参数的测量。谐波分析的方法很多，理论和实现上都比较成熟的是快速傅立叶变换（FFT）分析法，LabVIEW提供有谐波分析软件包，可供直接进行快速频谱分析。

　　根据GB/T14549-93中的附录D补充件第三条：对于负荷变化快的谐波源（如炼钢电弧炉、电力机车等），测量的时间间隔不大于2 min,谐波测量次数一般不小于30次。根据IEC 1000-4-7:1991,电磁兼容（EMC）第四部分第七节中，谐波测量范围取基波和2~40次谐波。本系统中，总谐波次数取40次。

　　需要对采集到的数据进行谐波分析时，可利用索引数组Index Array从数据文件"采集数据库，dat"中分别取出每一行的数据，并依次加载在功能函数"Hamming Window.vi"的input signal引脚上，再通过#harmonics设置谐波次数（谐波次数可设置为40次1,这样，各次谐波的幅值和频率将以数组形式表示出来。由于谐波的幅值和频率包含基频成分，故可通过"Delete From Array.vi"除去其中的基波信号，然后再通过谐波幅值图形象显示除基波外各次谐波的幅值。图5为A相电压谐波测量的流程框图。

　　图6所示是A相电压谐波测量的显示面板图。图6中显示了谐波频率、谐波幅值和THD%,它们可以分别通过数组控件及数值控件加以显示，同时以图形控件显示除基波之外的各次谐波的幅值。

　　4 结束语

　　将虚拟仪器技术用于电能质量的监测中，具有硬件结构简单，软件开发周期短，功能扩展灵活等优点。从仿真结果来看，该系统运行良好，性能稳定，计算结果、设计思想和实际相符合，能够满足对电能质量参数监测的要求。