虚拟仪器在电力系统谐波测量中的应用分析

刘涛

【摘 要】本文着手于虚拟仪器技术及其应用原理，通过对电力系统谐波测量的原理进行分析，结合创新型电力系统的总体设计方案与硬件模块进行探究，总结出创新型电力系统谐波测量过程中的软件设计与开发情况，并对本次仿真应用研究的结果进行分析与比对，以此为虚拟仪器在电力系统谐波测量中的实践应用与创新提供可行性参考。

【关键词】虚拟仪器；电力系统；谐波测量

0 引言

近年来，我国计算机技术在不断发展与创新的过程中实现了跨越式的进步，越来越多不断涌现出的新技术为我国社会的整体经济发展提供了可靠的支持与保障[1]。虚拟仪器作为计算机技术创新型应用的一种高科技检测设备，主要是在传统检测仪器的硬件基础上进行优化创新，充分实现了计算机虚拟技术的高效化应用，进一步提升了我国各领域生产监测作业的质量。本文主要对虚拟仪器在电力系统谐波测量中的应用情况进行探究，以此为我国今后的电力系统谐波测量技术创新提供合理化参考。

1 虚拟仪器技术及其应用原理

虚拟仪器技术是一种利用高性能模块化硬件来实现各种自动化、测试以及测量工作要求的计算机应用，具有高效、灵活、可拓展等特点，该技术在实践应用过程中能够实现仪器技术与计算机技术的完美融合，是我国现代化信息技术优化与发展的产物[2]。随着虚拟仪器应用领域的不断拓宽，自动化、电子、航空、通信、半导体、电力、生化制药、航空、工业生产等领域越来越多的出现了虚拟仪器的身影，在这些领域的经济发展过程中，虚拟仪器技术都扮演着不可替代的重要作用；通过对虚拟仪器技术在国内现阶段的应用情况进行研究与分析可知，虚拟仪器主要是通过计算机软件来实现各种仪器化的应用，具有自动化程度高、功能全面、操作简单、数据分析准确、工作界面友好、性价比较高、处理能力强、精度高等特点，能够切实满足不同加工生产领域的操作要求，在特殊实验环境中更能很好的发挥虚拟仪器技术的应用优势，充分提升测量与操作的质量[3]。灵活高效的虚拟仪器应用软件能够帮助使用者创建完全自定义的使用界面，还能够通过模块化的硬件向用户提供全方位的系统集成化服务，通过虚拟仪器技术实现可拓展的软硬件平台，以此满足不同客户在同步和定时应用过程中的实际需求；虚拟仪器技术还同时拥有模块化输入、高效的软件、可扩展的软硬件平台以及输出硬件，通过这几个重要的组成部分，充分发挥出虚拟仪器技术的应用优势，进一步降低实践操作工序中出现问题情况的几率[4]。

通过对我国各个领域生产实践环节的网络信息化测量系统及控制系统进行深入研究可知，传统计算机信息化测量仪器只是简单地将所有软件与测量电路封装到一起，利用用户提供的有限功能与仪器前面板对实际生产领域或者设备单位进行测量[5]。在实践应用过程中精度较低、灵活度性不足、性价比较低，难以有效满足工程技术人员的实际需求；而虚拟仪器系统在应用过程中，能够为工程技术人员提供完成测量或控制任务中所需的全部硬件设备与软件应用，其功能还可以由工程技术人员自由进行调整与选择，具有非常高的灵活性[6]。其次，工程技术人员利用虚拟仪器技术还可以实现自定义、高精度的储存、分析、采集、显示与共享功能，进一步提升了计算机系统应用及测量的整体质量[7-10]。

2 电力系统谐波测量的原理分析

在常见的电力系统当中，若周期为T=2π/Ω，且属于非正弦电量，在满足狄里赫利条件的情况下，以电压u（ωt）为例，即可将其分解为类似于u（Ωt）=a0+∑∞n=1cnsin（nΩt+？椎n）这样的傅立叶级数；如上式所述，当频率为nΩ（n=2，3…）时，即可将其转化为谐波项。此时，模拟信号的连续时间频谱就可以用U（ω）=∫∞-∞u（t）e-jΩtdt进行表示，采用这种谐波分析原理后，u（t）经过采样后可以转变为u（nT）形式，T为电力系统谐波测量过程中的采样周期。离散信号u（nT）的傅里叶变换可以用U（k）=∑N-1n=0u（n）e-j2πN，k=0，1，2…，N-1来表示，以此切实满足电力系统谐波测量过程中的实际需求，工程技术人员采用这种分析原理能够进一步提升电流畸变波形所含某次谐波的含有率，为之后的监测与计算提供必要支持。

工程上常常会要求技术人员对电流畸变波形与电压所含某次谐波的含油率进行记录与分析，以此为之后的抑制措施和检测工作提供确切支持。通过对电压畸变波形电压含有率进行计算可知，第n次谐波电压含有率的计算公式为HRUn=UnU1×100%，而第n次电流畸变波形谐波含有率的计算公式为HRIn=InI1×100%；在我国电力系统谐波测量的实践工作当中，工程技术人员常常会根据频谱来表示谐波当中的含有率。

3 系统总体设计方案

在电力系统谐波测量软件系统的设计过程中，工程人员应当采用虚拟仪器技术，在传统谐波测量系统的软件及硬件基础上进行完善与优化；虚拟仪器技术作为一种利用高性能模块硬件来实现各种电子仪器自动化测试以及电子系统测量工作要求的计算机应用，在谐波测量过程中能够体现出高效、灵活、可拓展性等特点，将虚拟仪器技术在实践应用过程中与电力系统完美融合，是我国现代化虚拟仪器技术进步与发展的前提，虚拟仪器在电力系统中主要包括硬件以及控制软件两部分。

硬件系统主要包括基础硬件与外围件硬件，基础硬件：主要是虚拟仪器中计算机系统，以及计算机运行过程中的需要具备的条件等，同时还包括虚拟仪器技术的电子影像系统、计算机用户界面、所开发的具体应用程序都是基于windows运行环境等；外围硬件：主要有计算机内部的插卡，帮助信号传递的设备以及外置备用控制设备，主要包括带有某种接口的测试设备。

软件系统主要成为VI系统的核心组成部分，VI软件主要是由于用户在对虚拟仪器技术进行操作过程中的应用软件，主要用来对虚拟仪器技术的各种数据进行处理计算、还有实验程序以及测量仪器和驱动程序等。虚拟软件体系结构（Virtual Instrumenta-tion Software Architecture）主要包含两个层次：（1）用户应用程序。（2）设备驱动程序，两者之间是相互关联，同时也是互不抵触的，设备驱动程序主要是增加程序的使用灵活性以及程序的使用性能，增加设备的使用效率，因此，无论是虚拟仪器还是使用计算机等，最终编写出来的程序都是可移植的。因此，在虚拟仪器技术实际的使用过程中，可以直接向系统函数那样，直接使用设备驱动程序对虚拟仪器设备进行操作。

4 系统主要硬件模块介绍

在本次电力系统的谐波测量工作实践环节，工程技术人员通过对虚拟仪器进行应用与研究，在传统电力系统谐波测量系统的基础上进行了相应的创新与优化。新型系统主要采用Evoc818HD多通道数据采集卡进行信息数据的传输与采集，在数据采集过程中充分利用信息数据采集卡，将其作为该系统的核心部件，以此提升系统测量的准确性，实现A/D转换与数据信息储存。

Evoc818HD多通道数据采集卡属于ISA总线内的I/O设备，在电力系统谐波测量过程中具有显著地应用优势，其主要特点是能够在DOS开发环境中高速、连续获取所需数据信息，并且能够在Windows环境中稳定获取数据，具有采样保持电路稳定传输的功能。在本次电力系统谐波测量的实践环节，该系统能够实现32位DMA数据传输，在应用过程中能够实现无遗失、大批量的数据传输，其具体参数与性能指标如下所示：

该系统的A/D转换芯片为ADS7804型，在应用过程中能够为工程技术人员提供更多的便利，进一步提升电力系统谐波测量的准确性；系统模拟量输入通道为16个，在应用过程中可以选择扫描通道数，有效提升数据传输的效率；系统采样频率为100kHz，属于同类系统当中的最高类型；系统模拟信号输入范围约为±10V，确保该系统能够准确测量电力系统谐波的变化情况；系统输入阻抗为10MΩ，符合电力系统运行的安全操作标准；系统A/D转换时间约为10μs，在充分利用计算机丰富软硬件资源的同时，进一步提高了虚拟仪器技术在电力系统当中的实践应用效率，直接实现储存器与I/O设备之间的数据传输；该系统的数据传输模式为中断传输、程序控制传输以及DMA传输，这三种数据传输模式能够分别满足不同条件下，工程技术人员的实践操作需求，切实保证虚拟仪器能够在电力系统谐波测量过程中发挥出实际作用，准确测得谐波变化数值，充分体现出现代计算机技术的强大数据运算、调用以及显示能力。

5 电力系统谐波测量软件的设计与开发

在本次电力系统谐波测量的过程中，工程技术人员采用虚拟仪器技术对传统测量软件进行优化与创新，实践应用的软件当中具体包括数据处理程序、数据采集程序以及结果显示程序，通过对数据采集卡上的驱动程序进行分析与研究可知，创新型的电力系统谐波测量软件应当具备高精度与高灵活性的特点。工程技术人员在设计软件的过程中就需要采用Visual Basic对采集卡数据进行收集，并且设置数据的实时传输程序。在数据传输过程中，工程技术人员需要采用Di-rectMemory

Access传输方式，充分发挥虚拟仪器技术的应用优势，将采集卡上的数据进行分组和归类，将其存入控制微机的内存当中，以此控制软件进行数据传输与处理。DMA传输方式的基本特点是可以不用经过计算机CPU，在不破坏计算机内各寄存器内容的前提条件下，实现I/O设备与存储器设备之间的数据传输，充分发挥虚拟仪器技术在实践应用中的高效性与灵活性。因此，在设计与开发电力系统谐波测量软件的过程中，工程技术人员应当采用DMA传输方式，将其应用于外部设备与计算机储存器当中，实现高速成批的数据传输，充分提升谐波测量的工作质量。

数据处理程序在设计过程中主要采用C语言进行编纂，以FFT文件的形式进行设计与开发，由此计算出系统输入信号当中所包含的各次谐波幅值，同时还能准确计算出各次谐波的含有率，进而为电力系统谐波工作提供准确的数据支持。工程技术人员通过编写友好的用户界面，能够充分提升电力系统谐波测量软件的实用性和性价比，充分发挥虚拟仪器的应用优势；在本系统的设计过程中，工程技术人员可以充分利用Visual Basic软件，对系统编程操作进行相应的完善与优化，还可以根据系统谐波测试的精度要求，选择相应的采样频率与输出波形，进一步提高谐波测量系统的精度。

6 仿真应用结果研究

在实验室中，采用虚拟仪器测量电力系统谐波，灵活高效的虚拟仪器应用软件能够帮助使用者创建完全自定义的使用界面，还能够通过模块化的硬件向用户提供全方位的系统集成化服务，测量信号是三相全控桥式整流电路中的电网电流，样本的采集器为电流互感器，采样的频率为80kHz，数据传输采用的是DMA方式，在处理数据的过程中充分利用各种模块化输入、高效的软件、可扩展的软硬件平台以及输出硬件，实现数据采集的实时性，随时随地可以采集数据。此外，采用软件采集到的数据准确性高，避免了传统数据采集的误差产生，从而保证数据的可靠性。从仿真的结果中可以看出，采用虚拟仪器中的软件来测量电力系统中的谐波，得到的结果是准确可靠的，充分说明了虚拟仪器的可靠性。

7 结语

综上所述，虚拟仪器中的软件是仪器技术实践应用的核心，工程技术人员通过虚拟仪器能够在电力系统实验、监测以及测试环节实现多方面的应用与探究，还可以利用虚拟仪器技术充分提高设备仪器的使用性能，使传统的电力系统检测设备能够具备更高的智能化与自动化，切实满足用户与工程操作人员的实际需求。在本次实践研究当中，虚拟仪器在电力系统谐波测量中的应用效果显著，能够准确测量出电力系统谐波的准确数值与变化情况，并且实现系统的远程综合监控，与传统电力系统检测仪器相比具有极大的应用优势。

【参考文献】

[1]周卫国，王小燕.浅谈虚拟仪器技术的演化与发展[J].微计算机信息，2010，08（09）：23-24.

[2]王宇雨，周雅，蔡纷.虚拟测试仪器从硬件到软件的应用效果分析[J].振动测试与诊断，2013，10（07）：23-25.

[3]饶金玲，蔡健雅.虚拟仪器实践应用研究-测试技术的新领域[J].科技通报，2014，13（07）：58-59.

[4]王兆平，李玟，刘露萍.网络化测试技术与仪器发展的新趋势[J].电测与仪表，2013，12（09）：08-09.

[责任编辑：王楠]