基于labview的电力系统自动化虚拟实验平台设计大学论文.docx

基于labview的电力系统自动化虚拟实验平台设计大学论文.docx

《基于labview的电力系统自动化虚拟实验平台设计大学论文.docx》由会员分享，可在线阅读，更多相关《基于labview的电力系统自动化虚拟实验平台设计大学论文.docx（35页珍藏版）》请在冰豆网上搜索。

基于labview的电力系统自动化虚拟实验平台设计大学论文

基于LabVIEW的电力系统自动化虚拟实验平台设计

摘要

虚拟仪器是在计算机基础上通过增加相关硬件和软件构建而成的、具有可视化界面的仪器，它融合了测试理论、仪器原理和技术、计算机接口技术、高速总线技术以及图形软件编程技术等于一体，利用计算机强大的数字的处理能力来实现仪器的诸多功能，打破了传统仪器的框架，形成了一种新的仪器模式。

本文首先阐述了虚拟仪器技术的现状及以后的发展趋势，探讨了虚拟仪器的相关技术、LabVIEW的相关知识，然后阐述了有关电力系统实验平台的相关理论，给出了电力系统实验平台的相关图示。

在分析本设计功能的基础上，介绍了程序模块化设计、LabVIEW的多线程等技术，最后给出了设计的前面板及程序框图。

本设计虚拟了一个系统电源与发电机的并网的全过程，根据相关电力系统知识做出了一个完整的实验平台。

关键字：

虚拟仪器；电力系统；LabVIEW；实验平台。

DesignautomationofelectricpowersystemsofvirtualexperimentplatformbasedonLabVIEW

Abstract

Virtualinstrumentisbasedoncomputerrelatedhardwareandsoftwareisbuiltup,withthevisualinterfaceoftheinstrument,whichcombinesthetesttheory,theoryandtechnologyequipment,computerinterfacetechnology,high-speedbustechnologyandgraphicssoftwareprogrammingtechnologyisequaltoone,manyfunctionstoachievetheinstrumentbyusingthedigitalcomputerprocessingabilitystrong.,breakingthetraditionalinstrumentsoftheframework,theformationofanewinstrumentmodel.

Thispaperfirstintroducesthedevelopmenttrendofthepresentsituationofelectricpowersystemandvirtualinstrumenttechnologyandthefuture,knowledgeaboutrelevanttechnology,virtualinstrumentLabVIEW,andthenexpoundsthetheoryontheexperimentalplatformofpowersystem,giventherelevantgraphicexperimentplatformforpowersystem.Basedontheanalysisofthedesignfunction,introducesthemoduledesign,LabVIEWmultithreadingtechnology,thefrontpanelandtheprogrammingflowdiagramaregiven.

Thedesignofvirtualthewholeprocessofapowersystemandgeneratorgrid-connectedpowersystem,accordingtotheknowledgeofacompleteexperimentalplatformtomake.

Keywords:

VirtualInstrument;PowerSystemAutomation;LabVIEW;ExperimentalPlatform.

1绪论

1.1引言

随着现代软件和硬件技术的飞速发展，仪器的智能化和虚拟化已经成为未来各级实验室以及研究机构发展的一个方向，“软件就是仪器”被广大的科技、教学工作都逐渐接受。

随着社会的快速发展,为满足越来越多的社会需求,电力系统的自动化也得到高速的发展,尤其是能量管理的系统、电能量的采集系统以及电能量负荷的管理系统、配网自动化等多个系统。

这些系统都已经使用到各级的电力部门中。

由于每个应用系统的电力对象不相同,系统的开发大多根据不同电力对象采用不同的解决方案。

目前国内虽然已经推出一些一体化的主战平台,但对于实际应用之间的实时数据分流以及二次安全防护等问题,还存在着不足的情况。

电力系统自动化虚拟平台能够很好地克服传统仪器的这些缺陷，它具有成本低、资源利用率高、测试速度快、使用灵活方便、开发更快速和用户界面友好等优点。

此外，它还具有良好的可扩展性，随着电力系统的逐步扩容对设备需求的不断增加，可根据技术的发展和用户的需求不断进行升级，避免二次开发或降低二次开发难度，减少设备的投资，提高了电力系统的经济效益，为保障电力系统的安全可靠运行和提高电力系统经济效益提供了一种新的途径[12]。

1.2技术背景

1.2.1电力系统自动化平台的发展现状

综合自动化实验平台的模型是针对电力系统教学实验而设计，其工作方式是按发电机通过输电线路与无穷大系统联接，构成“一机—无穷大”电力系统而设计的，，主要试验项目有：

同步发电机准同期并列实验、同步发电机励磁控制实验、一机—无穷大系统稳态运行方式实验、电力系统功率特性和功率极限实验、电力系统暂态稳定实验等。

综合自动化试验教学平台的研制，更新与加强了专业实验内容，改进了实验方法与手段，创建了一套能进行专业课程和综合研究实验的实验装置，建立一个开放式、研究性、综合型的专业实验现代教学体系，提高专业实验的教学质量和水平，更有利于培养学生综合分析问题和解决问题的能力。

电力系统自动化综合实验平台是为了适应现代化电力系统对宽口径复合型高级技术人才需要而研究的电气类专业的新型综合教学试验仿真系统。

它可为电气工程类专业学生开设教学实验，课程设计实验，生产实习及科研实验。

它是一个完整的电厂的电力系统典型模型。

该系统是一个自动化程度很高的多功能试验平台。

试验平台上各种自动装置都有多种控制方式选择，微机励磁的控制方式和运行参数可在线修改[1]。

该系统能完成40个实验项目，覆盖多门专业课程。

如《电力系统自动化》，《电力系统分析》，《微机保护》，《电力工程》，《电力系统装置原理》，《电力工程》等。

可以将多台电力系统构成一个可变多机环形电力网络，通过ERPS型电力系统综合自动化教学实验系统实现电力系统自动化遥测，遥信，遥控，遥调等功能[3]。

该系统是具有数字化，可视化，综合化的实验平台。

实验方便灵活，安全可靠。

工艺制作符合电力规范，操作实验后，效果好，受到学生，老师和专家的好评。

系统组成

三相同步发电机，模拟原动机用的直流发电机，测速装置，功率角指示器。

模拟输电线四条，按二段双回路接线，并加中间开关站，可构成四种不同大小的线路阻抗。

1.2.2虚拟仪器的国内外现状

虚拟仪器是在计算机基础上通过增加相关硬件和软件构建而成的、具有可视化界面的仪器。

虚拟仪器的出现彻底打破了传统仪器只能由生产厂家定义，用户无法改变的局面，从而使得任何一个用户都可以方便灵活地用鼠标或按键在计算机显示屏幕上操作虚拟仪器软面板的各种“旋钮”进行测试工作，并可以根据不同的测试要求通过窗口切换不同的虚拟仪器，或通过修改软件来改变、增减虚拟仪器系统的功能与规模。

虚拟仪器具有的这种“可开发性”和“可扩展性”等优越特点使虚拟仪器具有强大的生命力和竞争力[10]。

传统仪器下的高校实验教学，已严重滞后于信息时代和工程实际的需要。

滞后的实验设备无法满足现代电力系统自动化技术所需要的速度快、实时性好、具有良好人机界面的要求，难以实现功能扩展和资源共享。

运用虚拟仪器代替传统仪器，不但能满足电子信息类实验教学的需要，大大提高设备利用率实现资源共享，降低实验室建设成本，用户还可以根据自己需要定义仪器的新功能。

虚拟仪器的开发环境主要有VisualC++，VisualBasic，以及HP公司的VEE和NI公司的LabVIEW、LabWindows/CVI等。

VC、VB、LabWindows/CVI虽然是可视化的开发工具，但它们对开发人员的编程能力要求很高，而且开发周期较长。

HPVEE是一个基于图形的虚拟仪器编程环境，拥有较多的用户，缺点是其生成的应用程序是解释执行的，运行速度较慢。

LabVIEW是目前国际上唯一的基于数据流的编译型图形编程环境，它把复杂、烦琐、费时的语言编程简化成用简单或图标提示的方法选择功能（图形），并用线条把各种图形连接起来的简单图形编程方式，使得不熟悉编程的工程技术人员都可以按照测试要求和任务快速“画”出自己的程序，“画”出仪器面板，这大大提高了工作效率，减轻了科研和工程技术人员的工作量，因此，LabVIEW是一种优秀的虚拟仪器软件开发平台。

随着计算机技术、仪器技术和网络通信技术的不断完善，虚拟仪器将向以下三个方向发展：

（1）外挂式虚拟仪器

PC-DAQ式虚拟仪器是现在比较流行的虚拟仪器系统，但是，由于基于PCI总线的虚拟仪器在插入DAQ时都需要打开机箱等，比较麻烦，而且，主机上的PCI插槽有限，再加上测试信号直接进入计算机，各种现场的被测信号对计算机的安全造成很大的威胁，同时，计算机内部的强电磁干扰对被测信号也会造成很大的影响，故以USB接口方式的外挂式虚拟仪器系统将成为今后廉价型虚拟仪器测试系统的主流。

（2）PXI型高精度集成虚拟仪器测试系统

PXI系统高度的可扩展性和良好的兼容性，以及比VXI系统更高的性价比，将使它成为未来大型高精度集成测试系统的主流虚拟仪器平台。

（3）网络化虚拟仪器

尽管Internet技术最初并没有考虑如何将嵌入式智能仪器设备连接在一起，不过NI等公司已开发了通过Web浏览器观测这些嵌入式仪器设备的产品，使人们可以通过Internet操作仪器设备。

根据虚拟仪器的特性，我们能够方便地将虚拟仪器组成计算机网络[5]。

利用网络技术将分散在不同地理位置不同功能的测试设备联系在一起，使昂贵的硬件设备、软件在网络上得以共享，减少了设备重复投资。

现在，有关MCN（MeasurementandControlNetworks）方面的标准正在积极进行，并取得了一定进展。

由此可见，网络化虚拟仪器将具有广泛的应用前景[4][5]。

1.3本课题相关理论

本设计是以实现电力系统自动化实验平台为目的，利用虚拟仪器技术、数字信号处理技术进行实验平台自动处理，实时监测、实时处理、自动并网的全过程。

1）发电机的自动并列

同步发电机组并列时遵循原则：

并列断路器合闸时，冲击电流应尽可能的小，其瞬时最大值一般不宜超过1~2倍的额定电流；发电机组并入电网后，应能迅速进入同步运行状态，其暂态过程要短，以减少对电力系统的扰动。

同步发电机的并列方法分为准同期并列和自同期并列两种。

在电力系统正常运行情况下，一般采用准同期并列方法将发电机组投入运行。

准同期并列条件：

电压幅值相等；相角差为零；频率相等。

2）同步发电机的励磁自动控制系统

同步发电机一般邮励磁功率单元和励磁调节器两个部分组成，如图1－1所示。

励磁功率单元向同步发电机的转子提供直流电流，即励磁电流；励磁调节器根据输入信号和给定的调节准则控制励磁功率单元的输出、整个励磁自动控制系统是邮励磁调节器、励磁功率单元和发电机构成的一个反馈控制系统。

电

力

系

统

输入信息

图1－1

同步发电机励磁系统

同步发电机的励磁电源盾是一个可控的直流电源。

为了满足正常运行的要求，发电机励磁电源必须具备足够的调节容量，并且要有一定的强励倍数和励磁电压响应速度。

在设计励磁系统方案时，首先应考虑它的可靠性。

励磁系统分为直流励磁系统和交流励磁系统。

直流励磁机励磁系统分为自励直流励磁机励磁系统和他励直流励磁机励磁系统。

交流励磁机励磁系统分为他励交流励磁机励磁系统和无刷励磁系统。

1.4虚拟仪器的相关技术

1.4.1虚拟仪器的概念

虚拟仪器技术是测试技术和计算机技术相结合的产物，是两门学科最新技术的结晶，融合了测试理论、仪器原理和技术、计算机接口技术、高速总线技术以及图形软件编程技术于一体。

美国国家仪器公司NI（National　Instruments）提出的虚拟测量仪器（VI）概念，引发了传统仪器领域的一场重大变革，使得计算机和网络技术得以长驱直入仪器领域，和仪器技术结合起来，从而开创了“软件即是仪器”的先河。

“软件即是仪器”这是NI公司提出的虚拟仪器理念的核心思想。

从这一思想出发，基于电脑或工作站、软件和I／O部件来构建虚拟仪器[20]。

灵活高效的软件能帮助我们创建完全自定义的用户界面，模块化的硬件能方便地提供全方位的系统集成，标准的软硬件平台能满足对同步和定时应用的需求。

1.4.2虚拟仪器的组成及与传统仪器的对比

虚拟仪器是基于计算机的功能化硬件模块和计算机构成的电子测试仪器，而软件则是虚拟仪器的核心。

我们所用到的虚拟仪器主要是由高效的软件，模块化的I/O硬件以及用于集成的软硬件平台[13]。

正由于虚拟仪器的核心是软件，它的性能高、扩展性强、开发时间少以及无缝集成等优势都是传统仪器所无法比拟的。

图2.1为虚拟仪器与传统仪器的比较。

图2.1传统仪器与虚拟仪器的比较

1.4.3虚拟仪器的硬件技术

（1）卡式仪器

传统仪器主要由控制面板和内部处理电路组成；而卡式仪器自身不带仪器面板，它必须借助计算机强大的图形环境，建立图形化的虚拟面板，完成对仪器的控制、数据分析和显示。

以数据采集卡为例，它通常具有A/D转换、D/A转换、数字I/O和计数器/定时器等功能，有些还具有数字滤波和数字信号处理的功能。

现在的多功能数据采集卡多采用了“虚拟硬件（VirtualHardware，简称VH）的技术，它的思想源于可编程器件，使用户通过程序能够方便地改变硬件的功能或性能参数，从而依靠硬件设备的柔性来增强其适用性和灵活性。

目前市面上的VH，其采样率和精度都是可变的。

由于卡式仪器与计算机结合紧密，能够充分利用已有的计算机资源，较之传统仪器成本更低廉、使用更灵活、性能更强，因此它是一种极具潜力的仪器种类。

（2）总线技术

①仪器总线

GPIB总线（即IEEE488总线）是一种数字式并行总线，主要用于连接测试仪器和计算机。

该总线最多可以连接15个设备（包括作为主控器的主机）。

如果采用高速HS488交互握手协议，传输速率可高到8MBps。

VXI总线（即IEEE1155总线）是一种高速计算机总线—VME总线在仪器领域的扩展。

它是在1987年，由五家测试和仪器公司（Hewlett-Packard,Wavetek,Tektronix,ColoradoDataSystems,Racal-DanaInstruments）制订的仪器总线标准。

VXI总线具有标准开放、结构紧凑、数据吞吐能力强，最高可达40MBps，定时和同步精确、模块可重复利用、众多仪器厂家支持的特点，因此得到了广泛的应用。

不过，由于价格较高，推广应用受到一定限制，主要集中在航空、航天等国防军工领域。

PXI总线是以CompactPCI为基础的，由具有开放性的PCI总线扩展而来（NI公司于1997年提出）。

PXI总线符合工业标准，在机械、电气和软件特性方面充分发挥了PCI总线的全部优点。

PXI构造类似于VXI结构，但它的设备成本更低、运行速度更快，体积更紧凑。

目前基于PCI总线的软硬件均可应用于PXI系统中，从而使PXI系统具有良好的兼容性。

PXI还有高度的可扩展性，它有8个扩展槽，而台式PCI系统只有3～4个扩展槽。

PXI系统通过使用PCI-PCI桥接器，可扩展到256个扩展槽。

PXI总线的传输速率已经达到132Mbps（最高为500Mbps），是目前已经发布的最高传输速率。

因此，基于PXI总线的仪器硬件将会得到越来越广泛的应用。

②计算机总线

ISA总线是一种8位或16位非同步数据总线，工作频率为8MHz，最高数据传输率在8位时为24MBps，16位时为48MBps。

这种总线对于低速数据采样与处理来说是有效的，但对于基于高性能PC机的多任务操作系统和高速数据采集系统来说，ISA总线由于其带宽、位数等的限制，故不能满足系统工作的要求。

新型主板和高版本操作系统已不再支持ISA总线。

PCI总线是一种同步的独立于CPU的32位或64位局部总线，时钟频率为33MHz，数据传输率高达132～264MBps，PCI总线技术的无限读写突发方式，可在一瞬间发送大量数据。

PCI总线上的外围设备可与CPU并发工作，从而提高了整体性能。

PCI总线还有自动配置功能，从而使所有与PCI兼容的设备实现真正的“即插即用”（plug&play）。

PCI总线由于上述优点而得到了广泛应用，已成为PC工业的事实标准。

USB通用串行总线（Universalserialbus）和IEEE1394总线（又叫Fireware总线）是被PC机广泛采用的两种总线，它们已被集成到计算机主板上。

USB总线能以雏菊链方式连接127个装置，需要一对信号线及电源线。

USB2.0标准的数据传输率能达到480Mbps。

该总线具有轻巧简便、价格便宜、连接方便快捷的特点，现在已被广泛用于宽带数字摄像机、扫描仪、打印机及存储设备。

IEEE1394总线是由苹果公司于1989年设计的高性能串口总线，目前传输速率为100、200、400Mbps，将来可达3.2Gbps。

这种总线需要两对信号线和一对电源线，可以用任意方式连接63个装置，它是专为需要大数据量串行传送的数码相机、硬盘等设计的[6]。

USB及IEEE-1394总线均具有“即插即用”的能力，与并行总线相比，更适合于连接多外设的需要。

③工业现场总线

为了共享测试系统资源，越来越多的用户正在转向网络。

工业现场总线是一个网络通讯标准，它使得不同厂家的产品通过通讯总线使用共同的协议进行通讯。

现在，有很多现场总线标准，如ISA-SP50、ProfiBus、CAN、FieldBus和DeviceNet等，它们竞争非常激烈。

通用现场总线的发展需要一段时间。

1.4.4虚拟仪器系统组建方案

虚拟仪器的突出成就是不仅可以利用PC机组建成为灵活的虚拟仪器，更重要的是它可以通过各种不同的接口总线，组建不同规模的自动测试系统。

虚拟仪器系统按硬件构成方式，可有以下几种组建方案：

（1）GPIB仪器通过GPIB接口卡与计算机组成GPIB系统。

（2）VXI仪器与计算机组成VXI系统。

（3）PXI仪器组成PXI系统。

（4）以DAQ和信号调理部分为硬件组成PC-DAQ测试系统。

（5）并行总线仪器组成并行总线系统。

（6）串行总线仪器组成串行总线系统。

（7）现场总线设备组成现场总线系统。

一般来说，GPIB、VXI、PXI适合大型高精度集成测试系统；PC-DAQ、并行口式、串行口式（如USB式）系统适合普及型的廉价系统；现场总线系统主要用于大规模的网络测试。

有时，可以根据不同需要组建不同规模的自动测试系统，也可以将上述几种方案结合起来组成混合测试系统。

1.4.5虚拟仪器的软件技术

软件是虚拟仪器的关键，以下介绍虚拟仪器应用软件的开发平台、仪器驱动程序以及I/O接口软件。

（1）软件开发平台

LabVIEW是目前国际上唯一的基于数据流的编译型图形编程环境，它把复杂、烦琐、费时的语言编程简化成用简单或图标提示的方法选择功能（图形），并用线条把各种图形连接起来的简单图形编程方式，使得不熟悉编程的工程技术人员都可以按照测试要求和任务快速“画”出自己的程序，“画”出仪器面板，这大大提高了工作效率，减轻了科研和工程技术人员的工作量，因此，LabVIEW是一种优秀的虚拟仪器软件开发平台[28]。

（2）仪器驱动程序

仪器驱动程序是测试系统中最重要的组成部分之一，用来实现仪器硬件的通信、控制功能。

传统的仪器驱动程序由仪器硬件厂商随硬件提供，由于不同厂家仪器硬件的差异，使得在更换仪器硬件的同时不得不修改测试代码。

为了能自由互换仪器硬件而无需修改测试程序，即解决仪器的互操作问题，VXIplug&play联盟开发了仪器驱动标准VISA。

VISA用G语言（图形语言）或ANSIC语言写成，它可以用于多种虚拟仪器开发环境和多种操作系统。

1999年NI公司提出了可互换虚拟仪器标准IVI（InterchangeableVirtualInstruments），使程序的开发完全独立于硬件。

IVI是建立在VXIplug&play驱动程序标准之上的，它解决了仪器的互操作问题。

IVI驱动器通过一个通用的类驱动器实现对仪器的控制。

类驱动器是仪器的功能和属性集，通过这些功能和属性集实现对一种仪器类（示波器、数字电压表、函数发生器等）中的仪器进行控制。

应用程序调用类驱动器，类驱动器再通过专用的驱动器与物理的仪器通信。

专用的仪器驱动器（和对应的物理仪器）可以被改变，但应用程序代码保持不变。

采用IVI技术，可以降低软件的维护费用，减少系统停运时间，提高测试代码的可重用性，使仪器编程更简单。

（3）I/O接口软件

I/O接口软件是虚拟仪器系统软件的基础，用于处理计算机与仪器硬件间连接的低层通信协议。

当今优秀的虚拟仪器测试软件都建立在一个标准化I/O接口软件组件的通用内核之上，为用户提供一个一致的、跨计算机平台的应用编程接口（API），使用户的测试系统能够选择不同的计算机平台和仪器硬件[7,8]。

1.5LabVIEW的相关技术

1.5.1LabVIEW的基本概念

LabVIEW是一种程序开发环境，由美国国家仪器（NI）公司研制开发的，类似于C和BASIC开发环境，但是LabVIEW与其他计算机语言的显著区别是：

其他计算机语言都是采用基于文本的语言产生代码，而LabVIEW使用的是图形化编辑语言G编写程序，产生的程序是框图的形式。

LabVIEW集成了与满足GPIB、VXI、RS-232和RS-485协议的硬件及数据采集卡通讯的全部功能[19]。

它还内置了便于应用TCP/PI、ActiveX的软件标准的库函数，是一个功能强大且灵活的软件。

利用软件的易操作及已修改性，使其更好的应用于个人的操作中。

图形化的程序语言，又称为“Ｇ”语言。

使用这种语言编程时，基本上不写程序代码，取而代之的是流程图或框图。

它尽可能利用了技术人员、科学家、工程师所熟悉的术语、图标和概念，因此，LabVIEW是一个面向最终用户的工具。

它可以增强你构建自己的科学和工程系统的能力，提供了实现仪器编程和数据采集系统的便捷途径。

使用它进行原理研究、设计、测试并实现仪器系统时，可以大大提高工作效率。

LabVIEW最大特点是形象生动可充分发挥计算机的能力，有强大的数据处理功能，可以创造出功能更强的仪器[9]。

1.5.2LabVIEW编程相关知识

LabVIEW编写的程序是由一个VI前面板、数据流框图程序和图标连接端口组成，各部分功能如下：

（1）前面板

前面板是VI的监护室用户接口，与真实物理仪器面板相似，前面板可以包含旋钮、刻度盘、开关、图表和其他界面工具，允许用户通过键盘或者鼠标获取数据显示结果。

（2）数据流框图程序

VI从数据流框图中接收指令，框图程序是一种解决编程问题的图形化方法，实际上是VI的程序代码。

（3）图标连