虚拟仪器技术论文范文

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1.虚拟仪器与图形化编程语言-LabVIEW

虚拟仪器(即VirtualInstrument，简称NI)是一种基于计算机的仪器，就是在通用计算机上加上软件和(或)硬件，使得使用者在操作这台计算机时，就象是在操作一台他自己设计的专用的传统电子仪器。在虚拟仪器系统中，硬件仅仅是为了解决信号的输入输出，软件才是整个仪器系统的关键，任何一个使用者都可以通过修改软件的方法，很方便地改变、增减仪器系统的功能与规模，所以有“软件就是仪器”之说。虚拟仪器技术的出现，彻底打破了传统仪器由厂家定义，用户无法改变的模式，虚拟仪器技术给用户一个充分发挥自己的才能、想象力的空间。用户(而不是厂家)可以随心所欲地根据自己的需求，设计自己的仪器系统，满足多种多样的应用需求。

虚拟仪器系统是计算机系统与仪器系统技术相结合的产物。它利用PC计算机强大的图形编程环境和在线帮助功能，结合相应的硬件，快速建立人机交互界面的虚拟仪器面板，完成对仪器或设备的控制、数据分析与显示，提高仪器的功能和使用效率，大幅度降低仪器的价格，使用户可以根据自己的需要定义仪器的功能，方便地对其进行维护、扩展、升级等。

LabVIEW是美国NI公司利用虚拟仪器(virtualinstnlments)技术开发的32位，主要面向计算机测控领域的虚拟仪器软件开发平台。LabVIEW同时也是一一种功能强大的图形编程语言，但它与传统的文本编程语言(如c语言)不同，采用了一种基于流程图的图形化编程形式，因此也被称为G语言(graphicallanguage)。这种图形化的编程形式，方便了非软件专业的工程师快速编制程序。LabVIEW也不同于传统文本式的编程语言的顺序执行方式，而是采用了数据流的执行方式，这种方式要求程序仅在各节点已获得它的全部数据后才执行。

多任务并行处理一般是通过多线程技术来实现的，不同的任务实际上通过各自的线程轮流占用CPU时间片来达到“同时”处理的目的。LabVIEW也采用了多线程技术，而且与传统文本式的编程语言相比，有两大优点：LabVIEW把线程完全抽象出来，编程者不需对线程进行创建、撤销及同步等操作；LabVIEW使用图形化的数据流的执行方式，因此在调试程序时，可以非常直观地看到代码的并行运行状态，这使编程者很容易理解多任务的概念。

LabVIEW图形化编程语言有效地利用了当今图形用户接口的点击特性。编写程序只包含以下的一些简单步骤：

用鼠标选择仪器函数作为对象；

描述测试步骤和对象之间的关系；

建立初始条件。

2.运动控制

运动控制卡是一种基于PC机、用于各种运动控制场合(包括位移、速度、加速度等)的上位控制单元。它的出现主要是因为：

为了满足新型数控系统的标准化、柔性、开放性等要求；

在各种工业设备、国防装备(如跟踪定位系统等)、智能医疗装置等设备的自动化控制系统研制和改造中，急需一个运动控制模块的硬件平台；

PC机在各种工业现场的广泛应用，也促使配备相应的控制卡以充分发挥PC机的强大功能。

运动控制卡通常采用专业运动控制芯片或高速DSP作为运动控制核心，大多用于控制步进电机或伺服电机。一般地，运动控制卡与PC机构成主从式控制结构：PC机负责人机交互界面的管理和控制系统的实时监控等方面的工作(例如键盘和鼠标的管理、系统状态的显示、运动轨迹规划、控制指令的发送、外部信号的监控等等)；控制卡完成运动控制的所有细节(包括脉冲和方向信号的输出、自动升降速的处理、原点和限位等信号的检测等等)。运动控制卡都配有开放的函数库供用户在相应系统平台下自行开发、构造所需的控制系统。因而这种结构开放的运动控制卡能够广泛地应用于制造业中设备自动化的各个领域。

步进电机是一种将电脉冲转化为角位移的执行机构。当步进驱动器接收到一个脉冲信号，它就驱动步进电机按设定的方向转动一个固定的角度(称为“步距角”)，它的旋转是以固定的角度一步一步运行的。可以通过控制脉冲个数来控制角位移量，从而达到准确定位的目的；同时可以通过控制脉冲频率来控制电机转动的速度和加速度，从而达到调速的目的。步进电机可以作为一种控制用的特种电机，步进电机由于具有转子惯量低、定位精度高、无累积误差、控制简单等特点，成了控制系统的主要执行元件之一。步进电机的控制方法包括开环控制和闭环控制两种。

二、基于虚拟仪器的步进电机控制系统整体结构与原理

一般运动控制系统主要由五部分构成：被移动的机械设备、运动I/O的马达(伺服或步进)、马达驱动单元、智能运动控制器、以及编程/操作接口软件。

本系统的目标是利用笔者实验室已有美国国家仪器公司(NI)的NIPCI7354伺服/步进运动控制卡及其配套软件、NI7604伺服/步进驱动器及其配套软件、两相步进电机、LabVIEW软件、多轴精密电移台(负载)、PC机等构建一套步进电机运动控制系统，分别实现单轴、两轴、三轴和四轴的运动控制，要求系统具有数控系统的基本功能，能实现不同坐标系下的直线、圆弧插补、速度控制、电子传动等功能，以供实验教学应用。系统整体结构框图如图1示。

图1系统整体结构框图

1.NIPCI7354运动控制卡

NIPCI7354控制卡可同时控制包括交流和步进电机的4轴运动，能实现诸如点到点位置控制、速度控制、三维直线、圆弧、螺旋型和球形运动、电子传动、混合运动、回程和限位控制、Trigger输入和Breakpoint输出等功能。NIPCI7354的嵌入式固件是基于RT0S(实时操作系统)内核的，实时性强，通过简单易用的运动控制器、软件、以及外设提供集成方案的功能与能力，为一般伺服与步进应用提供精确、高性能的运动功能。该运动控制器可以使用支持Windows2000/NT/Me/xp操作系统的LabVIEW、MeasurementStudio(LabWindows/CVI、VisualBasic)以及C/C++进行编程。

NIPCI7354运动控制卡是高性能PCI步进/伺服控制器，可用于所有运动控制系统中，控制器采用先进的技术，在嵌入式实时运动或者以主机为中心的编程环境中提供混合运动轨迹控制和完全协同的圆形、线性、点到点、齿轮和空间矢量控制。其丰富的功能可以满足最为严格的要求。

NIPCI7354运动控制卡的主要特点：通过PCI总线与主机(上位机)通信；68芯VHDCI输出电缆；普通数字输出电压：0-32V；高电平3.5--30V，低电平0—2V；最大脉冲速率：100KHZ；运行电流：3-14mA；触发输出最大脉冲速率：1MHz；

2.运动控制软件

利用NILabVIEW图形化编程语言以及各种应用软件可以开发功能强大的运动控制程序，运动控制器配备NI-Motion驱动软件提供的LabVIEWVI、固件更新程序、DLL程序，可以利用其它开发工具(比如MeasurementStudio，LabWindowsCVI)或其它编程语言开发运动控制应用。NI运动助手(MotionAssistant)是一个采用LabVIEW代码生成方法的附加工具，运用该工具您只需进行极少编程甚至无需编程即可开发LabVIEW运动控制应用。

3.NI7604驱动器

NI7604驱动器将NI7354提供的四轴运动控制信号放大，以驱动两相步进电机运转，带动精密电移台运动。该驱动器将运动控制器与特定应用马达、编码器、限位器、用户I/O连接在一起。一根控制电缆连接运动控制器与驱动器，为全部的命令集与反馈信号提供一个通道。

NI7604的主要特点：输入电压：115V/23V，2/1A，60/50Hz；步进放大器：IM481H；每相电流：0.2—1.4A；电源连续输出容量：80W；输入电缆：68芯VHDCI型；输出电压：24VDC；+5V输出：1A。

4.运动控制外设

两相步进电机4台，四轴精密电移台一套，电移台是滚珠丝杠/螺母驱动结构。系统原理图如图2示。

三、系统工作原理

通过上位机(PC机)的数据终端设备设置步进电机的目标位置、加速度、速度和减速度(即发出运动控制任务)，NIPCI7354运动控制卡根据设置信息控制电机的运动时间(输出脉冲个数)和方向，即控制卡完成实时运动规划，NI7604驱动器放大脉冲信号以驱动电机运转。

在电机运行过程中，控制脉冲的频率f应随时变化以满足电机低速起停及高速运行的需要。脉冲频率由发送数据的波特率(B)决定，每发出一个脉冲需用两个二进制位1和0来构成其高、低电平，所以f＝B/2，通过调整发送数据的波特率可改变所发出的控制脉冲的频率。按常规波特率系列发送数据时所产生的控制脉冲频率变化较大，不能满足电机正常起停及调速的要求，为此计算机需按非标准的波特率发送数据以产生任意频率的控制脉冲。一般在电机起动及停止阶段每发送一个字节调整一次波特率，以使电机起停得尽量平滑。

四、软件研究与实现

在系统硬件环节构建完成后，先后逐步完成了单轴直线运动控制、两轴平面运动控制、三轴空间运动控制系统的软件研究与开发。

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1.1虚拟仪器的特点

与传统仪器相比，虚拟仪器具有高效、开放、易用灵活、功能强大、性价比高、可操作性好等明显优点，具体表现为：

智能化程度高，处理能力强虚拟仪器的处理能力和智能化程度主要取决于仪器软件水平。用户完全可以根据实际应用需求，将先进的信号处理算法、人工智能技术和专家系统应用于仪器设计与集成，从而将智能仪器水平提高到一个新的层次。

复用性强，系统费用低应用虚拟仪器思想，用相同的基本硬件可构造多种不同功能的测试分析仪器，如同一个高速数字采样器，可设计出数字示波器、逻辑分析仪、计数器等多种仪器。这样形成的测试仪器系统功能更灵活、更高效、更开放、系统费用更低。通过与计算机网络连接，还可实现虚拟仪器的分布式共享，更好地发挥仪器的使用价值。

可操作性强，易用灵活虚拟仪器面板可由用户定义，针对不同应用可以设计不同的操作显示界面。使用计算机的多媒体处理能力可以使仪器操作变得更加直观、简便、易于理解，测量结果可以直接进入数据库系统或通过网络发送。测量完后还可打印、显示所需的报表或曲线，这些都使得仪器的可操作性大大提高而且易用、灵活。

1.2虚拟仪器的构成

虚拟仪器的构建主要从硬件电路的设计、软件开发与设计2个方面考虑。

硬件电路的设计主要根据用户所面对的任务决定，其中接口设计可选用的接口总线标准包括GPIB总线、VXI总线等。推荐选用VXI总线。因为他具有通用性强、可扩充性好、传输速率高、抗干扰能力强以及良好的开放性能等优点，因此自1987被首次推出后迅速得到各大仪器生产厂家的认可，目前VXI模块化仪器被认为是虚拟仪器的最理想平台，是仪器硬件的发展方向。由于VXI虚拟仪器的硬件平台的基本组成是一些通用模块和专用接口。因此硬件电路的设计一般可以选择用现有的各种不同的功能模块来搭建。通用模块包括：信号调理和高速数据采集；信号输出与控制；数据实时处理。这3部分概括了数字化仪器的基本组成。将具有一种或多种功能的通用模块组建起来，就能构成任何一种虚拟仪器。例如使用高速数据采集模块和高速实时数据处理模块就能构成1台示波器、1台数字化仪或1台频谱分析仪；使用信号输出与控制模块和实时数据处理模块就能构成1台函数发生器、1台信号源或1台控制器。专用接口是针对特定用途仪器需要的设计，也包括一些现场总线接口和各类传感器接口。系统的主要硬件包括控制器、主机箱和仪器模块。常用的控制方案有GPIB总线控制方式的硬件方案、MXI总线控制方式的硬件方案、嵌入式计算机控制方式的硬件方案3种。VXI仪器模块又称为器件（devices）。VXI有4种器件：寄存器基器件、消息基器件、存储器器件和扩展器件。存储器器件不过是专用寄存器基器件，用来保存和传输大量数据。扩展器目前是备用件，为今后新型器件提供发展通道。将VXI仪器制作成寄存器基器件，还是消息基器件是首先要做出的决策。寄存器基器件的通信情况极像VME总线器件，是在低层用二进制信息编制程序。他的明显优点在于速度寄存器基器件完全是在直接硬件控制这一层次上进行通信的。这种高速通信可以使测试系统吞吐量大大提高。因此，寄存器基器件适用于虚拟仪器中信号/输出部分的模块（如开关、多路复用器、数/模转换输出卡、模/

数转换输入卡、信号调理等）。消息基器件与寄存器基器件不同，他在高层次上用ASCII字符进行通信，与这种器件十分相似是独立HPIB仪器。消息基器件用一组意义明确的“字串行协议”相互进行通信，这种异步协议定义了在器件之间传送命令和数据所需的挂钩要求。消息基器件必须有CPU（或DSP）进行管理与控制。因此，消息基器件适用于虚拟仪器中数字信号处理部分的模块。

软件的开发与设计包括3部分：VXI总线接口软件、仪器驱动软件和应用软件（软面板）。软件结构如图1所示。

VXI总线接口软件由零槽控制器提供，包括资源管理器、资源编辑程序、交互式控制程序和编程函数库等。该软件在编程语言和VXI总线之间建立连接，提供对VXI背板总线的控制和支持，是实现VXI系统集成的基础。

仪器驱动程序是完成对某一特定仪器的控制与通信的软件程序，也即模块的驱动软件，他的设计必须符合VPP的2个规范，即VPP3.1《仪器驱动程序结构和模型》和VPP3.2《仪器驱动程序设计规范》。

“软面板”设计就是设计具有可变性、多层性、自、人性化的面板，这个面板应不仅同传统仪器面板一样具有显示器、LED、指针式表头、旋钮、滑动条、开关按钮、报警装置等功能部件，而且应还具有多个连贯操作面板、在线帮助功能等。

2虚拟仪器在数据采集中的应用

利用虚拟仪器制作数据采集器可以按照硬件设计、软件设计两个步骤来完成。

2.1硬件设计

硬件设计要完成以下内容：

1)模/数转换及数据存储

设置具有通用性的数据自动采集系统，一般应满足能对多路信号尽可能同步地进行采集，为了使所采集到的数据不但能够在数据采集器上进行存储，而且还能及时地在采集过程中将数据传送到上位机，选用存储量比较适中的先进先出存储器，这样既能满足少量数据存储的需要，又能在需要实时传送数据时，在A/D转换的同时进行数据传送，不丢失任何数据。)VXI总线接口

VXI总线数据采集器通常可以利用两种VXI总线通用接口消息基接口和寄存器基接口。消息基接口的作用是通过总线传送命令，从而控制仪器硬件的操作。通用寄存器基接口是由寄存器简单的读写来控制仪器硬件的操作。利用消息基接口进行设计，具体消息基接口的框图见图2。

3)采样通道控制

为了满足几种典型系统通道控制的要求，使通道的数量足够多，通道的选取比较灵活，可以利用寄存器电路、可预置计数器电路以及一些其他逻辑电路的配合，将采样通道设计成最多64路、最少2路可以任意选择，而且可以从任意一路开始采样，也可以到任意一路结束采样，只要截止通道号大于起始通道号就可以了。整个控制在虚拟仪器软面板上进行操作，通过消息基接口将命令写在这部分的控制寄存器中，从而设置计数器的初值以及采样的通道总数。

4)定时采样控制

由于不同的自动测试系统对采样时间间隔的要求不同，以及同一系统在不同的试验中需要的采样时间间隔也不尽相同，故可以采用程控的方式将采样时间间隔设置在2μs~13.0ms之间任意选择，可以增加或减少的最小单位是2μs。所有这些选择设置可以在虚拟仪器软面板上进行。

5)采样点数控制

根据不同测试系统的需求，将采样点数设计成可在一个比较大的范围中任意选择，该选择同样是在软面板上进行。

6)采样方式控制

总结各种自动测试系统的采样方式不外乎软件触发采样和硬件触发采样。在硬件触发采样中又包括同步整周期采样和非同步整周期采样，这2种采样又可以是定时进行的或等转速差进行的。所有这些采样方式，对于数据采集器来说都可以在软面板上进行选择。

2.2软件设计

软件是虚拟仪器的关键，为使VI系统结构清晰简洁，一般可采用组件化设计思想，将各部分彼此独立的软件单元分别制成

标准的组件，然后按照系统的总体要求组成完整的应用系统，一个标准的组件化的虚拟仪器软件系统，如图3所示。

应用软件为用户提供了建立虚拟仪器和扩展其功能的必要工具，以及利用PC机、工作站的强大功能。同时VPP联盟提出了建立虚拟仪器标准结构库（VISA）的建议，为虚拟仪器的研制与开发提供了标准。这也进一步使由通用的VXI数据采集模块、CPU/DSP模块来构成虚拟仪器成为可能。

基于虚拟仪器的数据采集器的软件包括系统管理软件、应用程序、仪器驱动软件和I/O接口软件。以往这4部分需要用户自己组织或开发，往往很困难，但现在NI公司提供了所有这四部分软件，使应用开发比以往容易得多。

下面简单介绍以NI公司的LabWindows/CVI为开发环境，来进行VXI虚拟仪器的驱动程序开发的方法。

第一步：生成仪器模块的用户接口资源文件（UIR）。用户接口资源、文件是仪器模块开发者利用LabWindows/CVI的用户界面编辑器为仪器模块设计的一个图形用户界面（GUI）。一个LabWindows/CVI的GUI由面板、命令按钮、图标、下拉菜单、曲线、旋钮、指示表以及许多其他控制项和说明项构成。

第二步：LabWindows/CVI事件驱动编程。应用程序开发环境LabWindows/CVI中设计一个用户接口，实际上是在用户计算机屏幕上定义一个面板，他由各种控制项（如命令按钮、菜单、曲线等）构成。用户选中这些控制项就可以产生一系列用户接口事件（events）。例如，当用户单击一个命令按钮，这个按钮产生一个用户接口事件，并传递给开发者编写的C语言驱动程序。这是运用了Windows编程的事件驱动机制。LabWindows/CVI中使用不同类型的控制项，在界面编辑器中将显示不同类型的信息，并产生不同操作的接口事件。在LabWindows/CVI的开发平台中，对事件驱动进行C程序编程时可采用2种基本的方法：回调函数法和事件循环处理法。

回调函数法是开发者为每一个用户界面的控制项写一个独立的用户界面的控制函数，当选中某个控制项，就调用相应的函数进行事件处理。在循环处理法中，只处理GUI控制项所产生的COMMIT事件。通过GetUserEvent函数过滤，将所有的COMMIT事件区分开，识别出是由哪个控制项所产生的事件，并执行相应的处理。

第三步：应用函数/VI集与应用程序软件包编写。应用函数/VI集需针对具体仪器模块功能进行编程，应用程序软件包只是一些功能强大、需要完善的数据处理能力的模块才需要提供，如波形分析仪模块、DSP模块等。

3结语

本文探讨了虚拟仪器的基本组成，以及实际的虚拟仪器软硬件设计的一般方法，这些方法经过实际设计工作运用证明是可靠的，可供系统工程技术人员在组建具体的基于VXI总线的虚拟仪器数据采集、测试时参考使用。

参考文献

1］赵勇.虚拟仪器软件平台和发展趋势［J］.国外电子测量技术,2002,(1)

2］陈光禹.VXI总线测试平台［M］.北京：电子科技大学出版社,1996

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0 引言

振动现象是自然界中普遍存在的一种现象，振动问题在工程中是要经常面对地问题，故振动分析已成为各项工程技术研究与设计必不可少的环节。伴随着微电子技术、计算机技术和网络技术的迅速发展及其在电子测量技术领域的应用，测量仪器不断进步，从最初的模拟仪器依次发展到数字化仪器、智能化仪器和最新一代的虚拟仪器。虚拟仪器技术，由用户定义仪器功能，可扩展性强，信号分析及处理能力强。因此，我们设计了以LabVIEW为基础的动力减振实验系统。

1.虚拟仪器技术

1.1虚拟仪器的组成

虚拟仪器以透明的方式把计算机资源(如微处理器、显示器等)和仪器硬件(如A/D、D/A、数字I/O、定时器等)的测量、控制能力结合在一起，通过软件实现对数据的分析处理、表达以及图形化用户接口[1]。这样用户便可以通过友好的图形界面操作这台计算机，就象在操作自己定义、自己设计的一台单个传统仪器一样。

虚拟仪器从功能上划分,可以分为数据采集、数据分析和结果显示三大功能模块；从构成要素讲,它是由计算机、应用软件和仪器硬件组成的；从构成方式讲,则有以DAQ板和信号调理为仪器硬件而组成的PC-DAQ测试系统,以GPIB、VXI、Serial和Fieldbus等标准总线仪器为硬件组成的GPIB系统、VXI系统、串口系统和现场总线系统等多种形式。无论哪种VI系统都是将仪器硬件搭载到笔记本电脑、台式PC或工作站等各种计算机平台加上应用软件而构成的。免费论文参考网。

1.2虚拟仪器的优势

虚拟仪器与传统仪器最大的不同之处在于应用的灵活性和功能的可重构性上。在虚拟仪器中，硬件仅仅是为了解决信号的输入、输出，软件才是整个仪器系统的关键，任何一个使用者都可以通过修改软件的方法，很方便的改变、增减仪器系统的功能与规模。虚拟仪器克服了传统仪器的功能在制造时就被限定而不能变动的缺陷，摆脱了由传统硬件构成一件仪器再连接成系统的模式，为用户提供了一个充分发挥自己的才能和想象力的空间。

2.振动的数学模型分析

工程实际中，大量问题不能简化为单自由度系统的振动问题进行分析，而往往需要简化成多自由度系统才能解决。两自由度系统是最简单的多自由度系统。对系统模型的简化、振动微分方程的建立和求解的一般方法以及系统响应表现出来的振动特性等方面，两自由度系统和多自由度系统没有什么本质区别。因此研究两自由度系统是分析和掌握多自由度系统振动特性的基础。免费论文参考网。两自由度系统的运动形态要由两个独立的坐标来确定，需要用两个振动微分方程描述它的运动。建立振动微分方程最常用的方法就是用牛顿第一定律法则进行分析。

在工程中有许多实际系统都可以简化为图1所示的力学模型图。质体m1和m2用弹簧k2联系，而它们与基础分别用弹簧k1和k3联系。假定两质体只沿铅垂方向作往复直线运动，质体m1和m2的任一瞬时位置只要用x1及和x2两个独立坐标就可以确定，因此，系统具有两个自由度。以ml和m2的静平衡位置为坐标原点，在振动的任一瞬时t，m1与m2的位移分别为xl和x2。在质体m1作用谐激振力Qlsinωt。取加速度和力的正方向与坐标正方向一致，根据牛顿第二定律可分别得到质体ml和m2的振动微分方程：

力学模型的振动微分方程为：

（1）

其受迫振动的振幅为：

（2）

当时，得，。

可见选择动力消振器的固有频率时，ml即保持不动，而m2则以频率作的受迫振动。消振器弹簧在下端受到的作用力在任何瞬时恰好与上端的激振力相平衡，因此使m1的振动转移m2上来。

3.减振实验系统的设计

3.1减振实验系统总体设计

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中图分类号:TP391文献标识码:A文章编号:1009-3044(2010)19-5381-02

继电保护装置是一种利用电磁感应原理而发展起来的电力系统保护装置,随着电子技术和网络通信技术的飞速发展,目前已经发展到微机型阶段,并且利用软件技术可以实现由软件技术驱动硬件而实现微机继电保护,这就是目前研究很热的技术――基于虚拟仪器技术的继电保护系统。利用虚拟仪器技术实现的微机继电保护装置,具有传统微机继电保护装置所不具备的优势,例如控制更加安全可靠等。

本论文主要将虚拟技术应用于微机保护实验系统,拟对基于虚拟仪器技术的微机保护系统进行开发,并从中找到可靠有效的微机保护实验方法与建议,并和广大同行分享。

1 微机继电保护概述

1.1 微机继电保护的基本构成

微机继电保护装置,其基本结构构成与普通的电力保护装置一样,也是有硬件和软件两大部分构成。硬件部分主要由数据采集系统、数据处理系统及逻辑判断控制模块等几个部分构成,主要由数据采集模块负责对电力系统的相关电参数实现检测与采集,并将数据传送至数据处理系统,数据经过运算之后,由逻辑判断控制模块调用软件控制程序,并发出相应的控制信号,驱动保护装置执行保护动作,从而实现电力继电保护的功能。

随着集成电子电路技术的发展,目前发展的微机型继电保护装置,其硬件系统主要由CPU(微处理器)主机系统、模拟量数据采集系统和开关量输入/输出系统三大部分组成,尽管结构构成已经发生一定变化,但其实实现继电保护的基本原理仍是一样的,由模拟量数据采集系统负责相关保护参数的采集,微机继电保护装置是以微处理器为核心,根据数据采集系统所采集到的电力系统的实时状态数据,按照给定算法来检测电力系统是否发生故障以及故障性质、范围等,并由此做出是否需要跳闸或报警等判断。

1.2 微机继电保护装置的特点

微机保护与常规保护相比具有以下优点:

1) 微机继电保护装置主要由微处理器为核心而构成的硬件系统,因此借助于现代功能强大的微处理器,微机型继电保护装置可以实现一定程度的智能化。

2) 相比于传统的机械式硬件实现的硬件保护装置,微机型继电保护装置能够依靠数据采集模块实现对相关参数的检测与采集,整个过程实现数字化流程,这就为继电保护装置的控制功能的稳定性、可靠性提供了技术条件;另一方面,依靠微处理器内部的软件程序,微机继电保护装置能够进行周期性自检,一旦发现自身硬件或者软件发生故障,能够立即实施报警,从而保障了继电保护装置功能的可靠性。

3) 传统的机械式硬件实现的硬件保护装置,其保护功能较为单一,仅仅是实现基本的保护功能,动作依靠一次性机械元件完成,一旦该部件发生故障,则整个继电保护装置无法工作;而微机型继电保护装置除了能够利用弱电驱动控制实现继电保护的功能外,还能够依靠数据采集系统对整个电力系统的相关电力参数都实施监测与采集,通过程序的分析,实现对电力系统整体性能的检测,保护功能大大丰富。

4) 传统的机械式硬件实现的硬件保护装置,其功能调试复杂,工作量大,而且极容易造成内部晶体管集成电路的失效,而现代微机继电保护装置,依靠内部的核心微处理器,能够开发专用的人机交互系统,利用人机交互系统实现继电保护装置的调试,简单易行,还可以自动对保护的功能进行快速检查。

5) 利用微机的智能特点,可以采用一些新原理,解决一些常规保护难以解决的问题。例如,采用模糊识别原理或波形对称原理识别判断励磁涌流,利用模糊识别原理判断振荡过程中的短路故障,采用自适应原理改善保护的性能等。

2 基于虚拟仪器的微机保护实验系统开发设计

2.1 总体结构设计

本论文探讨的是基于虚拟仪器技术的微机继电保护系统,因此首先面临选择合适的虚拟仪器开发平台的问题,这里选择基于G语言的LabView开发平台是目前国际最先进的虚拟仪器控制软件,集中了对数据的采集、分析、处理、表达,各种总线接口、VXI仪器、GPIB及串口仪器驱动程序的编制。基于虚拟仪器的微机继电保护装置系统,是利用虚拟仪器开发平台,构建虚拟的微机继电保护装置,实现完整的微机继电保护装置的全部功能,并对设计的虚拟继电保护装置进行评估和改进,从而完成微机继电保护系统设计的一种设计手段。

利用虚拟仪器技术进行微机继电保护系统的开发设计,从具体设计流程来说,主要从以下几个环节入手进行总体结构的设计:

根据微机继电保护系统的设计目标、设计功能,列出所需要的相关硬件,构建整体微机继电保护系统结构框架;另一方面,尽量采用模块化的开发设计模式,将微机继电保护系统按照不同的功能环节,设计各功能模块之间的结构关系。

如下图所示,是本论文所探讨的利用虚拟仪器平台所开发的微机继电保护系统结构原理图。这种方式既便于模块的单独调试,节省系统开发周期,又便于系统功能的改变,使系统具有更强的移植与升级功能。

如图1所示,基于虚拟仪器技术的微机保护系统结构主要由一次系统、转换模块、数据采集模块、保护测量模块及保护决策软件系统等几部分构成,一次系统主要负责面向电网系统模拟设置合适的传感器,将相关拟生成电网的二次侧电压、电流信号,信号经过转换、调理电路变换成符合要求的-5V～+5V模拟信号送数据采集模块,数据采集模块主要由DAQ数据采集卡构成,能够自动将模拟产生的模拟电压信号进行A/D转换,并进行初步的数据处理转换再传送给以虚拟微处理器为核心的保护决策模块,最终将生成的继电保护控制决策信号输出到保护策略模块,最终实现微机继电保护系统的功能。

2.2 数据采集模块的设计与实现

本文中微机实现的继电保护实验系统输入信号来源于继电保护测试仪,根据保护系统测试输入信号的特点,本论文采用数据采集卡来负责数据的采集与高速传输。

2.2.1 数据采集卡的选择

要实现基于虚拟仪器技术平台的微机继电保护系统,一次系统在完成相应电力系统电参数的传感检测之后,数据采集模块要能够按照微机继电保护系统的功能于设计要求实现相应数据的转换与采集,因此,数据采集卡的选择成为整个微机继电保护系统保护功能实现的关键。目前的数据采集卡,主要有12位或16位的DAQ数据采集卡,在具体决定选用12位还是16位的DAQ设备时,主要从采集精度和分辨率这两个指标考虑,可以由给定的系统精度指标衡量出DAQ卡需要的整体精度。

在本论文中,这里选取PCI-1716数据采集卡。PCI-1716是研华公司的一款功能强大的高分辨率多功能PCI数据采集卡,它带有一个250KS/s16位A/D转换器,1K用于A/D的采样FIFO缓冲器。PCI-1716可以提供16路单端模拟量输入或8路差分模拟量输入,也可以组合输入。它带有2个16位D/A输出通道,16路数字量输入/输出通道和1个10MHz16位计数器通道。PCI-1716系列能够为不同用户提供专门的功能。

2.2.2 虚拟数据采集程序的实现

在选择了数据采集卡硬件设备之后,需要借助于虚拟仪器平台为整个系统设计虚拟护具采集程序。在具体进行设计时,由系统内部虚拟程序产生数据采集卡锁需要的相应信号,具体来说就是CT、PT信号,因此,在具体编程时,首先将CT、PT信号传输至相应的滤波器,LabVIEW提供了各种典型的滤波器模块,根据需要可以设置成低通、高通、带通、带阻等类型的滤波器;其次,将经过数据滤波处理之后的数据进行输出。数据采集模块的程序如图2所示。

2.3 微机保护模块的设计与实现

既然在数据采集模块之后需要进行数据的滤波,尽管LabVIEW提供了各种典型的滤波器模块,但是仍然需要借助于虚拟滤波模块设计专用的滤波算法,而且在微机继电保护系统中,对电力系统的继电保护功能的实现,主要是由相应的滤波保护算法实现的,因此有必要为虚拟微机电力保护系统设计滤波保护算法程序。

本论文采用如下的设计方法对滤波保护算法进行设计:

1) 利用LabVIEW自带的滤波器进行数据的排序滤波。

2) 按照系统保护功能所需要的数据频带,设置相应的低通、高通、带通、带阻等灯滤波保护功能。按照上述方法,基于虚拟仪器平台的微机继电保护系统,其滤波器输入得到的数据序列,多数是传感器采集到的电参数,如电压和电流,而电压和电流数据是离散的数字量序列,其中包含了大量的谐波干扰信号,因此有必要进行滤波。在本论文中,采用了二级滤波保护算法,即分别进行前置滤波和后置滤波,实现对数据的二级滤波保护,从而提高整个微机继电保护系统的稳定性和可靠性。前置滤波模块如图3所示,后置滤波模块如图4所示。其中前置滤波模块提供了差分滤波器、积分滤波器、级联滤波器、半波和1/4周波傅立叶滤波器、半波和1/4周波沃尔氏滤波器,可以根据需要自行选择;后置滤波模块提供了平均值滤波器、中间值滤波器,也可以自由选择。

3 结束语

利用虚拟仪器技术进行微机继电保护装置系统的设计开发,能够很好的避免了实物硬件开发设计所带来的周期较长、调试较复杂以及成本较高等劣势,所有的开发设计任务全部在虚拟仪器平台上完成。本论文将虚拟仪器技术应用到了微机保护装置的设计,对于进一步提高微机继电保护装置的可靠性与稳定性具有优势,同时借助于虚拟仪器技术的开发,能够更好的实现电气继电保护功能的完善与提升。

参考文献:

[1] 李佑光,林东.电力系统继电保护原理及新技术[M].北京:科学出版社,2003.

[2] 王亮,赵文东.微机继电保护的现状及其发展趋势[J].科技情报开发与经济,2006,16(18):150-151.