虛擬儀器在電力系統(tǒng)諧波測(cè)量中的應(yīng)用分析

劉濤

【摘 要】本文著手于虛擬儀器技術(shù)及其應(yīng)用原理，通過(guò)對(duì)電力系統(tǒng)諧波測(cè)量的原理進(jìn)行分析，結(jié)合創(chuàng)新型電力系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì)方案與硬件模塊進(jìn)行探究，總結(jié)出創(chuàng)新型電力系統(tǒng)諧波測(cè)量過(guò)程中的軟件設(shè)計(jì)與開發(fā)情況，并對(duì)本次仿真應(yīng)用研究的結(jié)果進(jìn)行分析與比對(duì)，以此為虛擬儀器在電力系統(tǒng)諧波測(cè)量中的實(shí)踐應(yīng)用與創(chuàng)新提供可行性參考。

【關(guān)鍵詞】虛擬儀器；電力系統(tǒng)；諧波測(cè)量

0 引言

近年來(lái)，我國(guó)計(jì)算機(jī)技術(shù)在不斷發(fā)展與創(chuàng)新的過(guò)程中實(shí)現(xiàn)了跨越式的進(jìn)步，越來(lái)越多不斷涌現(xiàn)出的新技術(shù)為我國(guó)社會(huì)的整體經(jīng)濟(jì)發(fā)展提供了可靠的支持與保障[1]。虛擬儀器作為計(jì)算機(jī)技術(shù)創(chuàng)新型應(yīng)用的一種高科技檢測(cè)設(shè)備，主要是在傳統(tǒng)檢測(cè)儀器的硬件基礎(chǔ)上進(jìn)行優(yōu)化創(chuàng)新，充分實(shí)現(xiàn)了計(jì)算機(jī)虛擬技術(shù)的高效化應(yīng)用，進(jìn)一步提升了我國(guó)各領(lǐng)域生產(chǎn)監(jiān)測(cè)作業(yè)的質(zhì)量。本文主要對(duì)虛擬儀器在電力系統(tǒng)諧波測(cè)量中的應(yīng)用情況進(jìn)行探究，以此為我國(guó)今后的電力系統(tǒng)諧波測(cè)量技術(shù)創(chuàng)新提供合理化參考。

1 虛擬儀器技術(shù)及其應(yīng)用原理

虛擬儀器技術(shù)是一種利用高性能模塊化硬件來(lái)實(shí)現(xiàn)各種自動(dòng)化、測(cè)試以及測(cè)量工作要求的計(jì)算機(jī)應(yīng)用，具有高效、靈活、可拓展等特點(diǎn)，該技術(shù)在實(shí)踐應(yīng)用過(guò)程中能夠?qū)崿F(xiàn)儀器技術(shù)與計(jì)算機(jī)技術(shù)的完美融合，是我國(guó)現(xiàn)代化信息技術(shù)優(yōu)化與發(fā)展的產(chǎn)物[2]。隨著虛擬儀器應(yīng)用領(lǐng)域的不斷拓寬，自動(dòng)化、電子、航空、通信、半導(dǎo)體、電力、生化制藥、航空、工業(yè)生產(chǎn)等領(lǐng)域越來(lái)越多的出現(xiàn)了虛擬儀器的身影，在這些領(lǐng)域的經(jīng)濟(jì)發(fā)展過(guò)程中，虛擬儀器技術(shù)都扮演著不可替代的重要作用；通過(guò)對(duì)虛擬儀器技術(shù)在國(guó)內(nèi)現(xiàn)階段的應(yīng)用情況進(jìn)行研究與分析可知，虛擬儀器主要是通過(guò)計(jì)算機(jī)軟件來(lái)實(shí)現(xiàn)各種儀器化的應(yīng)用，具有自動(dòng)化程度高、功能全面、操作簡(jiǎn)單、數(shù)據(jù)分析準(zhǔn)確、工作界面友好、性價(jià)比較高、處理能力強(qiáng)、精度高等特點(diǎn)，能夠切實(shí)滿足不同加工生產(chǎn)領(lǐng)域的操作要求，在特殊實(shí)驗(yàn)環(huán)境中更能很好的發(fā)揮虛擬儀器技術(shù)的應(yīng)用優(yōu)勢(shì)，充分提升測(cè)量與操作的質(zhì)量[3]。靈活高效的虛擬儀器應(yīng)用軟件能夠幫助使用者創(chuàng)建完全自定義的使用界面，還能夠通過(guò)模塊化的硬件向用戶提供全方位的系統(tǒng)集成化服務(wù)，通過(guò)虛擬儀器技術(shù)實(shí)現(xiàn)可拓展的軟硬件平臺(tái)，以此滿足不同客戶在同步和定時(shí)應(yīng)用過(guò)程中的實(shí)際需求；虛擬儀器技術(shù)還同時(shí)擁有模塊化輸入、高效的軟件、可擴(kuò)展的軟硬件平臺(tái)以及輸出硬件，通過(guò)這幾個(gè)重要的組成部分，充分發(fā)揮出虛擬儀器技術(shù)的應(yīng)用優(yōu)勢(shì)，進(jìn)一步降低實(shí)踐操作工序中出現(xiàn)問(wèn)題情況的幾率[4]。

通過(guò)對(duì)我國(guó)各個(gè)領(lǐng)域生產(chǎn)實(shí)踐環(huán)節(jié)的網(wǎng)絡(luò)信息化測(cè)量系統(tǒng)及控制系統(tǒng)進(jìn)行深入研究可知，傳統(tǒng)計(jì)算機(jī)信息化測(cè)量?jī)x器只是簡(jiǎn)單地將所有軟件與測(cè)量電路封裝到一起，利用用戶提供的有限功能與儀器前面板對(duì)實(shí)際生產(chǎn)領(lǐng)域或者設(shè)備單位進(jìn)行測(cè)量[5]。在實(shí)踐應(yīng)用過(guò)程中精度較低、靈活度性不足、性價(jià)比較低，難以有效滿足工程技術(shù)人員的實(shí)際需求；而虛擬儀器系統(tǒng)在應(yīng)用過(guò)程中，能夠?yàn)楣こ碳夹g(shù)人員提供完成測(cè)量或控制任務(wù)中所需的全部硬件設(shè)備與軟件應(yīng)用，其功能還可以由工程技術(shù)人員自由進(jìn)行調(diào)整與選擇，具有非常高的靈活性[6]。其次，工程技術(shù)人員利用虛擬儀器技術(shù)還可以實(shí)現(xiàn)自定義、高精度的儲(chǔ)存、分析、采集、顯示與共享功能，進(jìn)一步提升了計(jì)算機(jī)系統(tǒng)應(yīng)用及測(cè)量的整體質(zhì)量[7-10]。

2 電力系統(tǒng)諧波測(cè)量的原理分析

在常見的電力系統(tǒng)當(dāng)中，若周期為T=2π/Ω，且屬于非正弦電量，在滿足狄里赫利條件的情況下，以電壓u（ωt）為例，即可將其分解為類似于u（Ωt）=a0+∑∞n=1cnsin（nΩt+？椎n）這樣的傅立葉級(jí)數(shù)；如上式所述，當(dāng)頻率為nΩ（n=2，3…）時(shí)，即可將其轉(zhuǎn)化為諧波項(xiàng)。此時(shí)，模擬信號(hào)的連續(xù)時(shí)間頻譜就可以用U（ω）=∫∞-∞u（t）e-jΩtdt進(jìn)行表示，采用這種諧波分析原理后，u（t）經(jīng)過(guò)采樣后可以轉(zhuǎn)變?yōu)閡（nT）形式，T為電力系統(tǒng)諧波測(cè)量過(guò)程中的采樣周期。離散信號(hào)u（nT）的傅里葉變換可以用U（k）=∑N-1n=0u（n）e-j2πN，k=0，1，2…，N-1來(lái)表示，以此切實(shí)滿足電力系統(tǒng)諧波測(cè)量過(guò)程中的實(shí)際需求，工程技術(shù)人員采用這種分析原理能夠進(jìn)一步提升電流畸變波形所含某次諧波的含有率，為之后的監(jiān)測(cè)與計(jì)算提供必要支持。

工程上常常會(huì)要求技術(shù)人員對(duì)電流畸變波形與電壓所含某次諧波的含油率進(jìn)行記錄與分析，以此為之后的抑制措施和檢測(cè)工作提供確切支持。通過(guò)對(duì)電壓畸變波形電壓含有率進(jìn)行計(jì)算可知，第n次諧波電壓含有率的計(jì)算公式為HRUn=UnU1×100%，而第n次電流畸變波形諧波含有率的計(jì)算公式為HRIn=InI1×100%；在我國(guó)電力系統(tǒng)諧波測(cè)量的實(shí)踐工作當(dāng)中，工程技術(shù)人員常常會(huì)根據(jù)頻譜來(lái)表示諧波當(dāng)中的含有率。

3 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)方案

在電力系統(tǒng)諧波測(cè)量軟件系統(tǒng)的設(shè)計(jì)過(guò)程中，工程人員應(yīng)當(dāng)采用虛擬儀器技術(shù)，在傳統(tǒng)諧波測(cè)量系統(tǒng)的軟件及硬件基礎(chǔ)上進(jìn)行完善與優(yōu)化；虛擬儀器技術(shù)作為一種利用高性能模塊硬件來(lái)實(shí)現(xiàn)各種電子儀器自動(dòng)化測(cè)試以及電子系統(tǒng)測(cè)量工作要求的計(jì)算機(jī)應(yīng)用，在諧波測(cè)量過(guò)程中能夠體現(xiàn)出高效、靈活、可拓展性等特點(diǎn)，將虛擬儀器技術(shù)在實(shí)踐應(yīng)用過(guò)程中與電力系統(tǒng)完美融合，是我國(guó)現(xiàn)代化虛擬儀器技術(shù)進(jìn)步與發(fā)展的前提，虛擬儀器在電力系統(tǒng)中主要包括硬件以及控制軟件兩部分。

硬件系統(tǒng)主要包括基礎(chǔ)硬件與外圍件硬件，基礎(chǔ)硬件：主要是虛擬儀器中計(jì)算機(jī)系統(tǒng)，以及計(jì)算機(jī)運(yùn)行過(guò)程中的需要具備的條件等，同時(shí)還包括虛擬儀器技術(shù)的電子影像系統(tǒng)、計(jì)算機(jī)用戶界面、所開發(fā)的具體應(yīng)用程序都是基于windows運(yùn)行環(huán)境等；外圍硬件：主要有計(jì)算機(jī)內(nèi)部的插卡，幫助信號(hào)傳遞的設(shè)備以及外置備用控制設(shè)備，主要包括帶有某種接口的測(cè)試設(shè)備。

軟件系統(tǒng)主要成為VI系統(tǒng)的核心組成部分，VI軟件主要是由于用戶在對(duì)虛擬儀器技術(shù)進(jìn)行操作過(guò)程中的應(yīng)用軟件，主要用來(lái)對(duì)虛擬儀器技術(shù)的各種數(shù)據(jù)進(jìn)行處理計(jì)算、還有實(shí)驗(yàn)程序以及測(cè)量?jī)x器和驅(qū)動(dòng)程序等。虛擬軟件體系結(jié)構(gòu)（Virtual Instrumenta-tion Software Architecture）主要包含兩個(gè)層次：（1）用戶應(yīng)用程序。（2）設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序，兩者之間是相互關(guān)聯(lián)，同時(shí)也是互不抵觸的，設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序主要是增加程序的使用靈活性以及程序的使用性能，增加設(shè)備的使用效率，因此，無(wú)論是虛擬儀器還是使用計(jì)算機(jī)等，最終編寫出來(lái)的程序都是可移植的。因此，在虛擬儀器技術(shù)實(shí)際的使用過(guò)程中，可以直接向系統(tǒng)函數(shù)那樣，直接使用設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序?qū)μ摂M儀器設(shè)備進(jìn)行操作。

4 系統(tǒng)主要硬件模塊介紹

在本次電力系統(tǒng)的諧波測(cè)量工作實(shí)踐環(huán)節(jié)，工程技術(shù)人員通過(guò)對(duì)虛擬儀器進(jìn)行應(yīng)用與研究，在傳統(tǒng)電力系統(tǒng)諧波測(cè)量系統(tǒng)的基礎(chǔ)上進(jìn)行了相應(yīng)的創(chuàng)新與優(yōu)化。新型系統(tǒng)主要采用Evoc818HD多通道數(shù)據(jù)采集卡進(jìn)行信息數(shù)據(jù)的傳輸與采集，在數(shù)據(jù)采集過(guò)程中充分利用信息數(shù)據(jù)采集卡，將其作為該系統(tǒng)的核心部件，以此提升系統(tǒng)測(cè)量的準(zhǔn)確性，實(shí)現(xiàn)A/D轉(zhuǎn)換與數(shù)據(jù)信息儲(chǔ)存。

Evoc818HD多通道數(shù)據(jù)采集卡屬于ISA總線內(nèi)的I/O設(shè)備，在電力系統(tǒng)諧波測(cè)量過(guò)程中具有顯著地應(yīng)用優(yōu)勢(shì)，其主要特點(diǎn)是能夠在DOS開發(fā)環(huán)境中高速、連續(xù)獲取所需數(shù)據(jù)信息，并且能夠在Windows環(huán)境中穩(wěn)定獲取數(shù)據(jù)，具有采樣保持電路穩(wěn)定傳輸?shù)墓δ?。在本次電力系統(tǒng)諧波測(cè)量的實(shí)踐環(huán)節(jié)，該系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)32位DMA數(shù)據(jù)傳輸，在應(yīng)用過(guò)程中能夠?qū)崿F(xiàn)無(wú)遺失、大批量的數(shù)據(jù)傳輸，其具體參數(shù)與性能指標(biāo)如下所示：

該系統(tǒng)的A/D轉(zhuǎn)換芯片為ADS7804型，在應(yīng)用過(guò)程中能夠?yàn)楣こ碳夹g(shù)人員提供更多的便利，進(jìn)一步提升電力系統(tǒng)諧波測(cè)量的準(zhǔn)確性；系統(tǒng)模擬量輸入通道為16個(gè)，在應(yīng)用過(guò)程中可以選擇掃描通道數(shù)，有效提升數(shù)據(jù)傳輸?shù)男剩幌到y(tǒng)采樣頻率為100kHz，屬于同類系統(tǒng)當(dāng)中的最高類型；系統(tǒng)模擬信號(hào)輸入范圍約為±10V，確保該系統(tǒng)能夠準(zhǔn)確測(cè)量電力系統(tǒng)諧波的變化情況；系統(tǒng)輸入阻抗為10MΩ，符合電力系統(tǒng)運(yùn)行的安全操作標(biāo)準(zhǔn)；系統(tǒng)A/D轉(zhuǎn)換時(shí)間約為10μs，在充分利用計(jì)算機(jī)豐富軟硬件資源的同時(shí)，進(jìn)一步提高了虛擬儀器技術(shù)在電力系統(tǒng)當(dāng)中的實(shí)踐應(yīng)用效率，直接實(shí)現(xiàn)儲(chǔ)存器與I/O設(shè)備之間的數(shù)據(jù)傳輸；該系統(tǒng)的數(shù)據(jù)傳輸模式為中斷傳輸、程序控制傳輸以及DMA傳輸，這三種數(shù)據(jù)傳輸模式能夠分別滿足不同條件下，工程技術(shù)人員的實(shí)踐操作需求，切實(shí)保證虛擬儀器能夠在電力系統(tǒng)諧波測(cè)量過(guò)程中發(fā)揮出實(shí)際作用，準(zhǔn)確測(cè)得諧波變化數(shù)值，充分體現(xiàn)出現(xiàn)代計(jì)算機(jī)技術(shù)的強(qiáng)大數(shù)據(jù)運(yùn)算、調(diào)用以及顯示能力。

5 電力系統(tǒng)諧波測(cè)量軟件的設(shè)計(jì)與開發(fā)

在本次電力系統(tǒng)諧波測(cè)量的過(guò)程中，工程技術(shù)人員采用虛擬儀器技術(shù)對(duì)傳統(tǒng)測(cè)量軟件進(jìn)行優(yōu)化與創(chuàng)新，實(shí)踐應(yīng)用的軟件當(dāng)中具體包括數(shù)據(jù)處理程序、數(shù)據(jù)采集程序以及結(jié)果顯示程序，通過(guò)對(duì)數(shù)據(jù)采集卡上的驅(qū)動(dòng)程序進(jìn)行分析與研究可知，創(chuàng)新型的電力系統(tǒng)諧波測(cè)量軟件應(yīng)當(dāng)具備高精度與高靈活性的特點(diǎn)。工程技術(shù)人員在設(shè)計(jì)軟件的過(guò)程中就需要采用Visual Basic對(duì)采集卡數(shù)據(jù)進(jìn)行收集，并且設(shè)置數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)傳輸程序。在數(shù)據(jù)傳輸過(guò)程中，工程技術(shù)人員需要采用Di-rectMemory

Access傳輸方式，充分發(fā)揮虛擬儀器技術(shù)的應(yīng)用優(yōu)勢(shì)，將采集卡上的數(shù)據(jù)進(jìn)行分組和歸類，將其存入控制微機(jī)的內(nèi)存當(dāng)中，以此控制軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸與處理。DMA傳輸方式的基本特點(diǎn)是可以不用經(jīng)過(guò)計(jì)算機(jī)CPU，在不破壞計(jì)算機(jī)內(nèi)各寄存器內(nèi)容的前提條件下，實(shí)現(xiàn)I/O設(shè)備與存儲(chǔ)器設(shè)備之間的數(shù)據(jù)傳輸，充分發(fā)揮虛擬儀器技術(shù)在實(shí)踐應(yīng)用中的高效性與靈活性。因此，在設(shè)計(jì)與開發(fā)電力系統(tǒng)諧波測(cè)量軟件的過(guò)程中，工程技術(shù)人員應(yīng)當(dāng)采用DMA傳輸方式，將其應(yīng)用于外部設(shè)備與計(jì)算機(jī)儲(chǔ)存器當(dāng)中，實(shí)現(xiàn)高速成批的數(shù)據(jù)傳輸，充分提升諧波測(cè)量的工作質(zhì)量。

數(shù)據(jù)處理程序在設(shè)計(jì)過(guò)程中主要采用C語(yǔ)言進(jìn)行編纂，以FFT文件的形式進(jìn)行設(shè)計(jì)與開發(fā)，由此計(jì)算出系統(tǒng)輸入信號(hào)當(dāng)中所包含的各次諧波幅值，同時(shí)還能準(zhǔn)確計(jì)算出各次諧波的含有率，進(jìn)而為電力系統(tǒng)諧波工作提供準(zhǔn)確的數(shù)據(jù)支持。工程技術(shù)人員通過(guò)編寫友好的用戶界面，能夠充分提升電力系統(tǒng)諧波測(cè)量軟件的實(shí)用性和性價(jià)比，充分發(fā)揮虛擬儀器的應(yīng)用優(yōu)勢(shì)；在本系統(tǒng)的設(shè)計(jì)過(guò)程中，工程技術(shù)人員可以充分利用Visual Basic軟件，對(duì)系統(tǒng)編程操作進(jìn)行相應(yīng)的完善與優(yōu)化，還可以根據(jù)系統(tǒng)諧波測(cè)試的精度要求，選擇相應(yīng)的采樣頻率與輸出波形，進(jìn)一步提高諧波測(cè)量系統(tǒng)的精度。

6 仿真應(yīng)用結(jié)果研究

在實(shí)驗(yàn)室中，采用虛擬儀器測(cè)量電力系統(tǒng)諧波，靈活高效的虛擬儀器應(yīng)用軟件能夠幫助使用者創(chuàng)建完全自定義的使用界面，還能夠通過(guò)模塊化的硬件向用戶提供全方位的系統(tǒng)集成化服務(wù)，測(cè)量信號(hào)是三相全控橋式整流電路中的電網(wǎng)電流，樣本的采集器為電流互感器，采樣的頻率為80kHz，數(shù)據(jù)傳輸采用的是DMA方式，在處理數(shù)據(jù)的過(guò)程中充分利用各種模塊化輸入、高效的軟件、可擴(kuò)展的軟硬件平臺(tái)以及輸出硬件，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)采集的實(shí)時(shí)性，隨時(shí)隨地可以采集數(shù)據(jù)。此外，采用軟件采集到的數(shù)據(jù)準(zhǔn)確性高，避免了傳統(tǒng)數(shù)據(jù)采集的誤差產(chǎn)生，從而保證數(shù)據(jù)的可靠性。從仿真的結(jié)果中可以看出，采用虛擬儀器中的軟件來(lái)測(cè)量電力系統(tǒng)中的諧波，得到的結(jié)果是準(zhǔn)確可靠的，充分說(shuō)明了虛擬儀器的可靠性。

7 結(jié)語(yǔ)

綜上所述，虛擬儀器中的軟件是儀器技術(shù)實(shí)踐應(yīng)用的核心，工程技術(shù)人員通過(guò)虛擬儀器能夠在電力系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)、監(jiān)測(cè)以及測(cè)試環(huán)節(jié)實(shí)現(xiàn)多方面的應(yīng)用與探究，還可以利用虛擬儀器技術(shù)充分提高設(shè)備儀器的使用性能，使傳統(tǒng)的電力系統(tǒng)檢測(cè)設(shè)備能夠具備更高的智能化與自動(dòng)化，切實(shí)滿足用戶與工程操作人員的實(shí)際需求。在本次實(shí)踐研究當(dāng)中，虛擬儀器在電力系統(tǒng)諧波測(cè)量中的應(yīng)用效果顯著，能夠準(zhǔn)確測(cè)量出電力系統(tǒng)諧波的準(zhǔn)確數(shù)值與變化情況，并且實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的遠(yuǎn)程綜合監(jiān)控，與傳統(tǒng)電力系統(tǒng)檢測(cè)儀器相比具有極大的應(yīng)用優(yōu)勢(shì)。

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[責(zé)任編輯：王楠]