用于电力电子的LabVIEW调试工具

大多数传统的过程式编程语言的学习曲线非常陡峭。事实上，它们要求用户花费大量时间学习与该语言相关的特定基于文本的语法，然后将该语言的结构映射到要解决的问题。我们知道，大多数人，无论是学生、研究人员还是工程师，如果能够观察和处理图像而无需应用复杂的推理，他们的生产力就会高得多。使用 G 的图形编程响应了这种需求，提供了更直观的体验。基于数据流的执行还鼓励用户从流程的角度思考，识别输入、输出以及必须对数据执行哪些处理。

调试工具

与编程一样，调试 LabVIEW 应用程序也非常直观。例如，用户可以交互式地观察数据如何在 LabVIEW 程序中流动，沿着连接它们的电线从一个函数移动到另一个函数。此功能称为执行突出显示。LabVIEW 还提供与传统编程工具相同的调试功能，例如探针、断点和步进/进入/退出。

使用 G 调试器，可以同时检查程序不同部分的数据、暂停程序执行或单步执行子程序。与其他编程语言相比，查看程序状态以及可以并行执行的代码块之间的关系变得更加容易。LabVIEW 中最常用的调试功能之一是永远在线的编译器。在程序开发过程中，编译器不断检查错误并提供有关应用程序的语义和句法反馈。如果发生错误，程序将无法执行，并且工具栏中会显示一个损坏的运行按钮。按下此按钮会打开一个问题列表，用户必须解决这些问题才能编译程序并生成机器代码。

如果 G 代码突出显示使用上述调试工具无法轻松解决的异常或意外行为，则可以使用更高级的调试功能 LabVIEW 桌面执行跟踪工具包。该工具是一个独立的应用程序，可在运行 LabVIEW 应用程序时采集数据。该工具包将获取的数据（称为跟踪数据）显示为表视图中的事件，用户可以浏览、保存并与其他跟踪数据集合进行比较（参见图 1）。对于发生的每个执行事件，表格视图显示事件类型、事件发生时间、发生事件的 VI 以及任何可用的其他详细信息。跟踪数据有助于调试和优化大型 LabVIEW 应用程序，包括具有多个循环、客户端-服务器架构、动态加载 VI 等的应用程序。

图 1：LabVIEW 桌面执行跟踪工具包

并行性和效率

基于数据流的语言（例如 LabVIEW）允许自动并行，因为它们固有地包含有关代码的哪些部分可以并行运行的信息。在编程中，并行性非常重要，因为它可以提高纯顺序程序的性能。在当前的硬件架构上尤其如此，其特点是多核系统的使用越来越广泛。为了充分利用当前处理器提供的性能，有必要使用多线程，它包括将应用程序划分为独立的部分，每个部分都可以独立运行。对于传统语言，需要显式管理线程，控制它们的创建、销毁和激活。反过来，G 代码固有的并行特性使得多任务和多线程易于实现。

集成编译器在后台持续工作，尝试识别可以并行运行的代码段；发生这种情况时，编译器会自动实例化并管理一组线程（在这种情况下，我们称为“隐式并行”）。除了具有多核架构的传统处理器外，G 的图形化编程和并行执行还可用于高度集成的逻辑组件，例如 FPGA。事实证明，G 语言特别适合 FPGA 编程，因为它允许表示并行性和数据流。编译器会自动实例化并管理一组线程（在这种情况下，我们称为“隐式并行”）。除了具有多核架构的传统处理器外，G 的图形化编程和并行执行还可用于高度集成的逻辑组件，例如 FPGA。

事实证明，G 语言特别适合 FPGA 编程，因为它允许表示并行性和数据流。编译器会自动实例化并管理一组线程（在这种情况下，我们称为“隐式并行”）。除了具有多核架构的传统处理器外，G 的图形化编程和并行执行还可用于高度集成的逻辑组件，例如 FPGA。事实证明，G 语言特别适合 FPGA 编程，因为它允许表示并行性和数据流。

某些应用程序（例如控制系统）可能包含具有非常复杂公式的算法。为了克服这个问题，用户可以将 LabVIEW 的图形化编程与多种形式的基于文本的编程相结合。在 LabVIEW 中工作，用户可以选择文本方法、图形方法或两者的组合。在这方面，LabVIEW包含了公式节点的概念，它计算类似于程序框图上的C的文本数学公式和表达式。这些数学公式可以并行执行并与图形化LabVIEW代码集成。

电力电子测试方法

电力电子包括多个领域，例如电动汽车 (EV) 设计和电网，这需要对测试工具进行两套不同的考虑。基本原理是相同的，但 EV 测试将更侧重于可变频率。

电网是一个更成熟的行业和基础设施，广泛基于 CAT I、II、III 和 IV 测量类别，它们反映了配电类型——CAT IV 是直接从发电厂出来时使用的标准；CAT III 是配电线路使用的标准；CAT II 是本地配电的变电站电压；CAT I 是我们家的东西。这些标准在不同地区有所不同。连接到电网的所有东西都需要进行适当的测试，以便可以在不以意外方式影响电网的情况下拉动电源。大多数测试都集中在这一点以及如何有效地将电力传输到家用电器或其他设备上。其他测试应用包括如何将能量放回电网，以确保仔细匹配频率，

变频电源应用包括电动汽车、可再生能源应用和智能电网应用。所有这些应用都存在将变频发电转换为已知、可靠的功率输出以及相反的问题。这意味着我们需要复杂的控制系统来调节功率以改变频率。我们也非常关心这种传输的效率，因为在大多数应用程序中，它会发生多次。例如，效率是 EV 应用中最重要的衡量标准之一，以最大限度地减少传输过程中的功率损耗。

电力工具包简介

电力工具包提供的 VI 可用于创建测量、分析、监控和记录电力数据和现象的应用程序。电力工具包中包含三个 IP：基本功率测量 IP、电网 50-/60-Hz 测量 IP 和变频测量 IP。

使用电力工具包的好处如下：

该应用程序可以根据用户的需要进行定制。

可以使用 IP 执行测量，但 LabVIEW 还开放了 IP 的实施方式，并进行用户独特的更改。这在不断变化的环境中非常重要，例如变频电力电子设备。

电力工具包符合以下标准：

IEC 61000-4-7:2009，电磁兼容性 (EMC) — 第 4-7 部分：测试和测量技术 — 谐波和间谐波测量和仪器通用指南，适用于电源系统和与其连接的设备

IEC 61000-4-15:2010，电磁兼容性 (EMC) — 第 4-15 部分：测试和测量技术 — 闪烁计 — 功能和设计规范

IEC 61000-4-30:2008，电磁兼容性 (EMC) — 第 4-30 部分：测试和测量技术 — 电能质量测量方法

IEEE Std C37.111-1999，电力系统瞬态数据交换 (COMTRADE) 的 IEEE 标准通用格式

IEEE Std 1459-2010，用于测量正弦、非正弦、平衡或不平衡条件下的电量的 IEEE 标准定义

IEEE Std C37.118.1-2011，IEEE 电力系统同步相量测量标准

IEEE Std C37.118.1a-2014，IEEE 电力系统同步相量测量标准 — 修正案 1：选定性能要求的修改

IEEE Std C37.118.2-2011，IEEE 电力系统同步相量数据传输标准

EN 50160:2007，公共配电网络供电的电压特性

图 2 显示了使用 Electric Power Toolkit 执行的频率低于 3 kHz 的信号电压测量。

LabVIEW Electric Power Toolkit 提供基础版、完整版或专业版。免费使用的基础版提供基本的电气计算。完整版是一个软件插件，提供 VI 以帮助用户创建自定义的单相或三相电力监控、计量或质量分析应用程序。完整版包括电能测量和电能质量 VI，可用于测量电能和电能质量参数，并在 CompactRIO、CompactDAQ 和 PXI 平台上执行谐波分析。专业版包括同步相量测量 VI 以及 CompactRIO 的保护 IP 工具包。电动汽车测试 IP 包含在 LabVIEW 2020 电力工具包的完整版和专业版中。

对使用 NI CompactRIO 进行高级智能电网设备设计感兴趣的客户应购买 LabVIEW 2020 电力工具包专业版。最新版本 LabVIEW 2020 电力工具包（见图 3）旨在让汽车电力电子测试工程师更高效、更智能、更易于使用 EV Power Test IP。该版本增加了基于周期的分析，即使在 MS/s/ch 采样率下，特定应用的触发选项，以及处理日常测试需求的内置示例。新的内置示例为电力电子工程师提供了根据测量、分析（按周期）、计算效率和记录所有结果的需求量身定制的应用程序。

图 3：LabVIEW 2020 电力工具包


审核编辑：刘清