虛擬儀器在電力系統諧波測量中的應用分析

劉濤

【摘 要】本文著手于虛擬儀器技術及其應用原理，通過對電力系統諧波測量的原理進行分析，結合創新型電力系統的總體設計方案與硬件模塊進行探究，總結出創新型電力系統諧波測量過程中的軟件設計與開發情況，并對本次仿真應用研究的結果進行分析與比對，以此為虛擬儀器在電力系統諧波測量中的實踐應用與創新提供可行性參考。

【關鍵詞】虛擬儀器；電力系統；諧波測量

0 引言

近年來，我國計算機技術在不斷發展與創新的過程中實現了跨越式的進步，越來越多不斷涌現出的新技術為我國社會的整體經濟發展提供了可靠的支持與保障[1]。虛擬儀器作為計算機技術創新型應用的一種高科技檢測設備，主要是在傳統檢測儀器的硬件基礎上進行優化創新，充分實現了計算機虛擬技術的高效化應用，進一步提升了我國各領域生產監測作業的質量。本文主要對虛擬儀器在電力系統諧波測量中的應用情況進行探究，以此為我國今后的電力系統諧波測量技術創新提供合理化參考。

1 虛擬儀器技術及其應用原理

虛擬儀器技術是一種利用高性能模塊化硬件來實現各種自動化、測試以及測量工作要求的計算機應用，具有高效、靈活、可拓展等特點，該技術在實踐應用過程中能夠實現儀器技術與計算機技術的完美融合，是我國現代化信息技術優化與發展的產物[2]。隨著虛擬儀器應用領域的不斷拓寬，自動化、電子、航空、通信、半導體、電力、生化制藥、航空、工業生產等領域越來越多的出現了虛擬儀器的身影，在這些領域的經濟發展過程中，虛擬儀器技術都扮演著不可替代的重要作用；通過對虛擬儀器技術在國內現階段的應用情況進行研究與分析可知，虛擬儀器主要是通過計算機軟件來實現各種儀器化的應用，具有自動化程度高、功能全面、操作簡單、數據分析準確、工作界面友好、性價比較高、處理能力強、精度高等特點，能夠切實滿足不同加工生產領域的操作要求，在特殊實驗環境中更能很好的發揮虛擬儀器技術的應用優勢，充分提升測量與操作的質量[3]。靈活高效的虛擬儀器應用軟件能夠幫助使用者創建完全自定義的使用界面，還能夠通過模塊化的硬件向用戶提供全方位的系統集成化服務，通過虛擬儀器技術實現可拓展的軟硬件平臺，以此滿足不同客戶在同步和定時應用過程中的實際需求；虛擬儀器技術還同時擁有模塊化輸入、高效的軟件、可擴展的軟硬件平臺以及輸出硬件，通過這幾個重要的組成部分，充分發揮出虛擬儀器技術的應用優勢，進一步降低實踐操作工序中出現問題情況的幾率[4]。

通過對我國各個領域生產實踐環節的網絡信息化測量系統及控制系統進行深入研究可知，傳統計算機信息化測量儀器只是簡單地將所有軟件與測量電路封裝到一起，利用用戶提供的有限功能與儀器前面板對實際生產領域或者設備單位進行測量[5]。在實踐應用過程中精度較低、靈活度性不足、性價比較低，難以有效滿足工程技術人員的實際需求；而虛擬儀器系統在應用過程中，能夠為工程技術人員提供完成測量或控制任務中所需的全部硬件設備與軟件應用，其功能還可以由工程技術人員自由進行調整與選擇，具有非常高的靈活性[6]。其次，工程技術人員利用虛擬儀器技術還可以實現自定義、高精度的儲存、分析、采集、顯示與共享功能，進一步提升了計算機系統應用及測量的整體質量[7-10]。

2 電力系統諧波測量的原理分析

在常見的電力系統當中，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）這樣的傅立葉級數；如上式所述，當頻率為nΩ（n=2，3…）時，即可將其轉化為諧波項。此時，模擬信號的連續時間頻譜就可以用U（ω）=∫∞-∞u（t）e-jΩtdt進行表示，采用這種諧波分析原理后，u（t）經過采樣后可以轉變為u（nT）形式，T為電力系統諧波測量過程中的采樣周期。離散信號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來表示，以此切實滿足電力系統諧波測量過程中的實際需求，工程技術人員采用這種分析原理能夠進一步提升電流畸變波形所含某次諧波的含有率，為之后的監測與計算提供必要支持。

工程上常常會要求技術人員對電流畸變波形與電壓所含某次諧波的含油率進行記錄與分析，以此為之后的抑制措施和檢測工作提供確切支持。通過對電壓畸變波形電壓含有率進行計算可知，第n次諧波電壓含有率的計算公式為HRUn=UnU1×100%，而第n次電流畸變波形諧波含有率的計算公式為HRIn=InI1×100%；在我國電力系統諧波測量的實踐工作當中，工程技術人員常常會根據頻譜來表示諧波當中的含有率。

3 系統總體設計方案

在電力系統諧波測量軟件系統的設計過程中，工程人員應當采用虛擬儀器技術，在傳統諧波測量系統的軟件及硬件基礎上進行完善與優化；虛擬儀器技術作為一種利用高性能模塊硬件來實現各種電子儀器自動化測試以及電子系統測量工作要求的計算機應用，在諧波測量過程中能夠體現出高效、靈活、可拓展性等特點，將虛擬儀器技術在實踐應用過程中與電力系統完美融合，是我國現代化虛擬儀器技術進步與發展的前提，虛擬儀器在電力系統中主要包括硬件以及控制軟件兩部分。

硬件系統主要包括基礎硬件與外圍件硬件，基礎硬件：主要是虛擬儀器中計算機系統，以及計算機運行過程中的需要具備的條件等，同時還包括虛擬儀器技術的電子影像系統、計算機用戶界面、所開發的具體應用程序都是基于windows運行環境等；外圍硬件：主要有計算機內部的插卡，幫助信號傳遞的設備以及外置備用控制設備，主要包括帶有某種接口的測試設備。

軟件系統主要成為VI系統的核心組成部分，VI軟件主要是由于用戶在對虛擬儀器技術進行操作過程中的應用軟件，主要用來對虛擬儀器技術的各種數據進行處理計算、還有實驗程序以及測量儀器和驅動程序等。虛擬軟件體系結構（Virtual Instrumenta-tion Software Architecture）主要包含兩個層次：（1）用戶應用程序。（2）設備驅動程序，兩者之間是相互關聯，同時也是互不抵觸的，設備驅動程序主要是增加程序的使用靈活性以及程序的使用性能，增加設備的使用效率，因此，無論是虛擬儀器還是使用計算機等，最終編寫出來的程序都是可移植的。因此，在虛擬儀器技術實際的使用過程中，可以直接向系統函數那樣，直接使用設備驅動程序對虛擬儀器設備進行操作。

4 系統主要硬件模塊介紹

在本次電力系統的諧波測量工作實踐環節，工程技術人員通過對虛擬儀器進行應用與研究，在傳統電力系統諧波測量系統的基礎上進行了相應的創新與優化。新型系統主要采用Evoc818HD多通道數據采集卡進行信息數據的傳輸與采集，在數據采集過程中充分利用信息數據采集卡，將其作為該系統的核心部件，以此提升系統測量的準確性，實現A/D轉換與數據信息儲存。

Evoc818HD多通道數據采集卡屬于ISA總線內的I/O設備，在電力系統諧波測量過程中具有顯著地應用優勢，其主要特點是能夠在DOS開發環境中高速、連續獲取所需數據信息，并且能夠在Windows環境中穩定獲取數據，具有采樣保持電路穩定傳輸的功能。在本次電力系統諧波測量的實踐環節，該系統能夠實現32位DMA數據傳輸，在應用過程中能夠實現無遺失、大批量的數據傳輸，其具體參數與性能指標如下所示：

該系統的A/D轉換芯片為ADS7804型，在應用過程中能夠為工程技術人員提供更多的便利，進一步提升電力系統諧波測量的準確性；系統模擬量輸入通道為16個，在應用過程中可以選擇掃描通道數，有效提升數據傳輸的效率；系統采樣頻率為100kHz，屬于同類系統當中的最高類型；系統模擬信號輸入范圍約為±10V，確保該系統能夠準確測量電力系統諧波的變化情況；系統輸入阻抗為10MΩ，符合電力系統運行的安全操作標準；系統A/D轉換時間約為10μs，在充分利用計算機豐富軟硬件資源的同時，進一步提高了虛擬儀器技術在電力系統當中的實踐應用效率，直接實現儲存器與I/O設備之間的數據傳輸；該系統的數據傳輸模式為中斷傳輸、程序控制傳輸以及DMA傳輸，這三種數據傳輸模式能夠分別滿足不同條件下，工程技術人員的實踐操作需求，切實保證虛擬儀器能夠在電力系統諧波測量過程中發揮出實際作用，準確測得諧波變化數值，充分體現出現代計算機技術的強大數據運算、調用以及顯示能力。

5 電力系統諧波測量軟件的設計與開發

在本次電力系統諧波測量的過程中，工程技術人員采用虛擬儀器技術對傳統測量軟件進行優化與創新，實踐應用的軟件當中具體包括數據處理程序、數據采集程序以及結果顯示程序，通過對數據采集卡上的驅動程序進行分析與研究可知，創新型的電力系統諧波測量軟件應當具備高精度與高靈活性的特點。工程技術人員在設計軟件的過程中就需要采用Visual Basic對采集卡數據進行收集，并且設置數據的實時傳輸程序。在數據傳輸過程中，工程技術人員需要采用Di-rectMemory

Access傳輸方式，充分發揮虛擬儀器技術的應用優勢，將采集卡上的數據進行分組和歸類，將其存入控制微機的內存當中，以此控制軟件進行數據傳輸與處理。DMA傳輸方式的基本特點是可以不用經過計算機CPU，在不破壞計算機內各寄存器內容的前提條件下，實現I/O設備與存儲器設備之間的數據傳輸，充分發揮虛擬儀器技術在實踐應用中的高效性與靈活性。因此，在設計與開發電力系統諧波測量軟件的過程中，工程技術人員應當采用DMA傳輸方式，將其應用于外部設備與計算機儲存器當中，實現高速成批的數據傳輸，充分提升諧波測量的工作質量。

數據處理程序在設計過程中主要采用C語言進行編纂，以FFT文件的形式進行設計與開發，由此計算出系統輸入信號當中所包含的各次諧波幅值，同時還能準確計算出各次諧波的含有率，進而為電力系統諧波工作提供準確的數據支持。工程技術人員通過編寫友好的用戶界面，能夠充分提升電力系統諧波測量軟件的實用性和性價比，充分發揮虛擬儀器的應用優勢；在本系統的設計過程中，工程技術人員可以充分利用Visual Basic軟件，對系統編程操作進行相應的完善與優化，還可以根據系統諧波測試的精度要求，選擇相應的采樣頻率與輸出波形，進一步提高諧波測量系統的精度。

6 仿真應用結果研究

在實驗室中，采用虛擬儀器測量電力系統諧波，靈活高效的虛擬儀器應用軟件能夠幫助使用者創建完全自定義的使用界面，還能夠通過模塊化的硬件向用戶提供全方位的系統集成化服務，測量信號是三相全控橋式整流電路中的電網電流，樣本的采集器為電流互感器，采樣的頻率為80kHz，數據傳輸采用的是DMA方式，在處理數據的過程中充分利用各種模塊化輸入、高效的軟件、可擴展的軟硬件平臺以及輸出硬件，實現數據采集的實時性，隨時隨地可以采集數據。此外，采用軟件采集到的數據準確性高，避免了傳統數據采集的誤差產生，從而保證數據的可靠性。從仿真的結果中可以看出，采用虛擬儀器中的軟件來測量電力系統中的諧波，得到的結果是準確可靠的，充分說明了虛擬儀器的可靠性。

7 結語

綜上所述，虛擬儀器中的軟件是儀器技術實踐應用的核心，工程技術人員通過虛擬儀器能夠在電力系統實驗、監測以及測試環節實現多方面的應用與探究，還可以利用虛擬儀器技術充分提高設備儀器的使用性能，使傳統的電力系統檢測設備能夠具備更高的智能化與自動化，切實滿足用戶與工程操作人員的實際需求。在本次實踐研究當中，虛擬儀器在電力系統諧波測量中的應用效果顯著，能夠準確測量出電力系統諧波的準確數值與變化情況，并且實現系統的遠程綜合監控，與傳統電力系統檢測儀器相比具有極大的應用優勢。

【參考文獻】

[1]周衛國，王小燕.淺談虛擬儀器技術的演化與發展[J].微計算機信息，2010，08（09）：23-24.

[2]王宇雨，周雅，蔡紛.虛擬測試儀器從硬件到軟件的應用效果分析[J].振動測試與診斷，2013，10（07）：23-25.

[3]饒金玲，蔡健雅.虛擬儀器實踐應用研究-測試技術的新領域[J].科技通報，2014，13（07）：58-59.

[4]王兆平，李玟，劉露萍.網絡化測試技術與儀器發展的新趨勢[J].電測與儀表，2013，12（09）：08-09.

[責任編輯：王楠]