 |
|
利用虚拟仪器开发平台LabVIEW开发电力系统仪表 |
|
摘 要：介绍了有关虚拟仪器的特点、组成和设计开发过程，提出了设计开发电力系统专用虚拟仪器的方案和注意事项。 关键词：虚拟仪器；电力系统；设计开发 随着电力系统的规模和技术水平的飞速发展，为保障电力系统安全可靠的运行和获得更高的经济效益，在发电厂、变电所等生产部门中所要求监测的参数种类和项目也越来越多。而传统的测量仪器在对被测参数的综合分析、评估，信息交换和共享等方面存在着严重的缺陷。目前基于微机硬件平台的虚拟测量仪器已经在许多部门得到越来越广泛的应用。为了满足电力企业工业今后发展需要，进一步加大开发研制电力系统专用虚拟仪器的工作力度是非常必要的。 1虚拟测量仪器简介1.1虚拟测量仪器发展概述 所谓虚拟仪器就是以计算机(通常选用工控微型机)外加数据采集等功能模块作为硬件平台，通过执行专门研制的应用程序来完成某种测量仪器的功能［1］。用户可以通过友好的图形化的人机界面来操作这台模拟某种测量仪器的计算机，从而完成对被监测参数的采集、分析、判断、处理、存储和显示功能。在虚拟仪器发展的早期，主要是通过计算机来增强传统测量仪器的功能。计算机通过GPIB总线或RS-232总线实现与测量仪器的通信，从测量仪器获得数据，并通过各种数据分析函数库等软件工具来完成数据的分析和显示。后来随着微处理器和DSP(Digital signal processing)技术水平和性能价格比的不断提高，逐渐以标准的插入式数据处理卡(Plig-in PC DAQ)来取代原来的传统测量仪器以完成数据采集的任务。同时VXI仪器总线的建立加速了各种数据采集模块的发展和标准化。到了20世纪的九十年代虚拟仪器框架已经得到了广泛的认同。以面向对象技术为基础的虚拟仪器开发软件已经成为标准的虚拟仪器开发平台，其中美国国家仪器公司(NI公司)开发的LabVIEW(Laboratory virtual instrument engineering workbench—实验室虚拟仪器工程平台)就是其中的典型代表。今后虚拟仪器技术将在总线和驱动程序的标准化、硬件/软件模块化和标准化、编程平台的图形化和硬件模块的即插即用等几个方面得到进一步的发展。从而使虚拟仪器技术在电子测量、生产过程控制等诸多领域得到更加广泛的应用。1.2虚拟测量仪器特点概述 为了更加清晰的说明虚拟仪器的特点，这里将虚拟测量仪器和传统测量仪器在以下几个方面进行比较。比较结果如下所示意： 传统测量仪器 虚拟测量仪器 技术关键：硬件技术软件技术 仪器功能：由生产厂家定义由用户定义 技术更新周期：长短 价格：高低 开发维护费用：高低 仪器功能扩展能力：差强 与其它设备的互联性：困难容易 由此可见与传统的测量仪器相比，虚拟仪器在性能价格比、功能的扩展、更新和重新设置、与其它设备的信息交换等方面都具有明显的优势，特别适合类似电力系统这样技术更新较快的行业。1.3虚拟测量仪器开发平台LabVIEW特点 虚拟测量仪器开发平台LabVIEW具有以下特点： (1) 图形化的仪器编程环境。LabVIEW开发平台通过“所见即所得”的可视化技术允许用户建立针对测量、监控等不同领域和不同行业的具有各自特点的人机界面; (2) 丰富的功能函数库。LabVIEW提供了大量的函数供用户调用。这些函数包括：底层数据采集模块的控制/驱动子程序，设备驱动子程序和用于数值计算、数据分析处理的数学函数库; (3) 灵活的程序调试手段。用户可以通过设置断点、单步运行等多种方式对源代码程序进行调试; (4) 开放的开发平台。LabVIEW提供了DLL接口。使得用户能够在LabVIEW平台上调用其它软件平台编译的模块，并提供对OLE技术的支持; (5) 网络功能。LabVIEW支持TCP/IP协议，因而能够与Internet用户交换信息，共享资源。1.4LabVIEW应用概述 虚拟测量仪器开发平台LabVIEW软件的应用一般要经过以下几个步骤： (1) 建立虚拟仪器前面板。根据所设计的虚拟仪器的要求从控制模板上选择所需要的对象。如：数字式表头、指针式表头、按钮、开关、键盘等等。有时为了在感观上更逼真的模拟真实的测量仪器，还要选择一些用于美化界面的对象。如表外壳等图片对象。 (2) 构建图形化的流程图。从功能模板上选择用图标表示的对象。 (3) 数据流程序设计。(也称为框图程序设计)。LabVIEW采用独特的数据流程序设计模式取代传统的文本式语言的程序设计方法。用户可以根据自己定义的各对象的数据流来决定程序运行的顺序。 (4) 程序的优化。由于LabVIEW软件是带有编辑器的图形化编程环境。用户可以对实时性要求很高的部分程序代码进行优化。 同时用户还可以调用LabVIEW软件内置的功能强大的函数库，在测量过程中可以完成所需的信号调理、信号转换和消除噪声等项工作。例如可以调用相关的数据处理函数来完成频谱分析、数字滤波这些工作。2电力系统测量中需要考虑的特殊问题 与其它领域相比较，电力系统的测量工作面临许多特殊的问题。主要有以下几点： (1) 被测量的信息量变化快。电力系统的周波是50?Hz，周期为20?ms。根据采样定理，采样频率最少为被测量信号频率的2倍以上才能保证真实的反映被测量信号。与热工、化工等领域的被测参数比较这已经是较高的变化速率了。而为了分析电力系统的某些参数从正常运行状态进入故障状态的过渡过程以及为了分析高次谐波分量对系统的影响，还需要采用更高的采样频率。 (2) 现场环境干扰较大。对测量仪器来说，电力系统的环境是比较恶劣的。各类电气设备运行期间都会产生强磁场和强电场干扰，一些电气设备启动和关停瞬间还会产生较大的尖峰噪声干扰。因而应用在电力系统的测量仪器除了要保证可靠、稳定的运行之外还必须对采集的信号进行数字滤波，以保证测量的准确。 (3) 测量的参数种类较多，对各参数之间的同步性要求较高。例如一台通用的三相交流功率测量仪表就需要同步采集Va、Vb、Vc三相电压和Ia、Ib、Ic三相电流以及电网频率等若干参数。 由此可见，与一般的通用虚拟仪器相比较，用于电力系统专用的虚拟仪器必须在硬件电路的设计、选择和软件设计等方面都需要进行特殊的考虑。3电力系统专用虚拟仪器设计举例 以三相交流功率表为例介绍电力系统专用虚拟仪器设计的过程。3.1有关公式的推导［2］ 众所周知，在三相四线制的情况下三相交流电的功率计算公式如下：  其中：x(n)为原周期序列。 x(k)为x(n)中k频率的分量。如果只考虑基波功率，则k＝1。而ωN＝e-j 2πN 式中的N为每个周期中的采样次数。 在每个电网周期内以平均间隔对三相电压和三相电流这6个参数进行8次同步采样，得到的数据可以用六个一维数组表示。具体表示如下： 对上述六组数据进行8点离散傅里叶变换，有如下公式：  在计算电压时上述公式中的X+表示正序电压分量，而XA、XB、XC分别代表A、B、C三相电压。而在计算电流时X+表示正序电流分量，XA、XB、XC分别代表A、B、C三相电流。 将公式(4)、(5)代入公式(6)，并注意到：X=XR+jXIm    采用上述算法计算三相功率可以不需要测量各相电压和电流之间的相位差，从而避免了传统算法在判定各相电压、电流的过零点时由于受到干扰而产生的误差。同时该算法也很容易计算高次谐波的分量。还可以很容易的分析当电力系统的波形发生畸变时各高次谐波所占的比例以及在波形畸变的情况下计算功率。3.2电力系统专用虚拟仪器的硬件构成 电力系统专用虚拟仪器的硬件结构主要由工业控制计算机、模拟信号采集部件和同步控制信号发生电路等几部分构成，其结构如图1所示。  3.2.1模拟信号采集部件 电力系统专用虚拟仪器的硬件电路需要选用具有同步采集功能的模拟信号采集板(卡)［3]。这样的采集板(卡)既可以通过设置定时进行采集，也可以在外部控制信号的作用下启动采集操作。同时这样的模拟信号采集还具有同时对多路(4～8路)信号进行采集的功能。当前常用的这一类采集板有以下几种产品： National Instrumnts 公司的NI6110/NI6111同步多功能数据采集卡 康拓工业电脑公司的IPC5454四组8路智能式同步采集卡 目前许多生产厂家也在积极研制电力系统专用信号采集板(卡)，相信不久的将来就会有这样的产品投入市场。3.2.2同步控制信号发生电路 在本文3.1部分中介绍的公式是以同步8点采样为基础的，就是在一个电网周波内以相等的时间间隔同时对三相电压和三相电流这6个参数进行8次同步采样，显然采样周期为一个电网周波的1/8。为保证在电网周波变化的情况下也能正确的采集数据，需要设计一个同步控制信号发生电路。该电路以锁相电路为核心，对输入的电网周波信号进行锁相和8倍频，将8倍频后的信号输出作为采集电路的控制信号。当电网周波发生变化时，控制信号的周期(即采样周期)也随之变化，从而保证了采集操作的正确性。有关该电路的具体组成可以参见参考文献［4］。3.3电力系统专用虚拟仪器的软件设计3.3.1建立虚拟仪器前面板 启动LabVIEW后，选择打开一个新面板的选项。然后使用Controls模板上的控制对象(Controls)和显示对象(Indicators)创建一个图形化用户界面(即前面板)。创建后的虚拟三相有功功率表的用户界如图2所示。  3.3.2配置I/O信道 创建了虚拟三相有功功率表的用户界面以后，在构建框图程序之前，首先要对虚拟仪器进行I/O信道的配置，以便在程序中调用相关的LabVIEW仪器驱动程序和控制该I/O信道的一系列应用函数。在对I/O信道进行配置的过程中可以利用LabVIEWL软件平台中的DAQ Solutio Wizard工具对所选择的I/O信道的名称、类型、转换系数、量程等参数进行设置。当完成所有I/O信道的配置之后就可以构建框图程序了。  3.3.3构建框图程序 打开框图程序窗口，首先对在前面板设计时选择的各对象的位置做一些排列整理工作，然后通过选择功能(Function)模板中的各子项内容，添加用于控制前面板上各个对象的图形化的函数代码，这些函数代码将完成有关的数值计算、数据处理等功能。最后根据本虚拟仪器的具体功能连接前面板上的每一个控制对象和每一个显示对象。同传统的程序设计类似，在框图程序设计中也可以大量的使用子程序(子VI)、循环、CASE等结构以简化程序设计工作。图3是使用传统设计方法得到的本文所举例的虚拟三相功率表的数据采集、数据处理部分的程序框图。之后还要根据该程序框图选择合适的程序设计语言来进行具体的程序设计。最后还要经过编译、调试等步骤从而得到最终的可执行文件。而图4是应用LabVIEW开发平台所设计的与上述传统程序功能相同的框图程序。其中计算电压、电流和有功功率有效值的模块为一子VI(即图4中的PUI模块)，该子VI的构成步骤也和主框图程序类似，只是在子VI中选用的是功能模板中的数值计算模块。该框图程序经调试后即可直接运行。由此可见使用LabVIEW开发平台来进行各种仪器的设计开发是非常方便的。  3.3.4调试和运行 在框图程序窗口，可以利用在VI程序中设置断点，单步执行等方式运行VI程序，在程序运行中还可以在适当位置加入探针(Probe)，以便随时观察某些对象的当前数值。经过调试排除了VI程序中存在的错误后就可以转入正常运行状态。4小结 虚拟仪器具有组态灵活、功能扩展性强、信息交换方便、维护费用低和开发周期短等众多优点，因而必将在越来越多的领域得到更广泛的应用。由此可见，尽快的设计、研制和开发适用于我国电力行业的电力系统专用虚拟仪器是一项非常有意义的工作。 参考文献 ［1］路林吉等.虚拟仪器概论［J］.电子技术，2000，(1)［2］李文垒.新型静止无功电源研制［S］.东北电力学院硕士毕业论文，1997［3］李文垒等.用同步采集板实现三相电压电流的同步采样.［J］.电子与仪表，1997(4)［4］兰元良.基于IGBT的静止无功电源的研制［S］.东北电力学院硕士毕业论文，1997 () |
|
|
|
|
|
|
| |
|
|
|
|
|
|
