基于虚拟仪器的电网主要电气参数测试设计.doc

毕 业 设 计 论 文题 目 基于虚拟仪器的电网主要电气 参数测试设计 （院）系 电气与信息工程系 专业 电气工程 班级 学号 010学生姓名 导师姓名 完成日期 2005年6月15日 设计（论文）题目： 基于虚拟仪器的电网主要电气参数测试设计 姓名 系别 电气与信息工程系 专业 电气工程 班级 0103 学号 01011 指导老师 教研室主任 一、 基本任务及要求：1 掌握虚拟仪器技术与方法 2 了解虚拟仪器技术的设计方法和特点 3 掌握电网电气参数测试方法，重点了解模拟量与数字量的转换器件 4 电气参数测试算法研究 5 掌握Labview软件的设计方法 6 完成系统设计和各子模块设计 7 完成系统硬件电路的设计 8 编写设计说明书等。 二、 进度安排及完成时间：（1）第二周至第四周：查阅资料、撰写文献综述和开题报告； （2）第五周至第六周：毕业实习； （3）第六周至第七周：学习虚拟仪器技术的设计方法和特点； （4）第八周至十周：电气参数测试算法研究；研究电网电气参数测试方法； （5）第十一周至第十四周：完成Labview软件测试系统，主要有总体系统设计和各子模块设计； （6）第十五周至第十六周：完成系统硬件电路设计； （7）第十七周至第十九周：撰写设计说明书； （8）第二十周：毕业设计答辩； 目 录133479910101214141619191920212222232525252728摘要Abstract第1章 绪论1.1 电网电气参数测量简介 1.1.1 参数测量的方法 1.1.2 参数测量发展前景1.2电网主要电气参数测量方案的确定第2章 虚拟仪器技术2.1 虚拟仪器技术的概念2.2 虚拟仪器的发展 2.2.1 虚拟仪器的发展史 2.2.2 虚拟仪器的现状2.3 虚拟仪器的软硬件构成 2.3.1 虚拟仪器的硬件构成 2.3.2 虚拟仪器的软件构成第3章 电网主要电气参数的测量算法及试验方法研究3.1 电压、电流的测量3.1.1 有效值的测量3.1.2 峰值的测量 3.2 相位差的测量3.3 功率的测量 3.3.1 有功功率的测量 3.3.2 无功功率的测量第4章 软件设计4.1 概述4.2 主面版的设计4.3 电压、电流的测定 4.3.1 算法的确定 2929303033343535363738383840404042454646465253544.3.2 前面板的设计 4.3.3 后面板的设计4.4 相位差的测定 4.4.1 算法的确定与程序框图 4.4.2 前面板的设计 4.4.3 后面板的设计4.5 功率的测定4.5.1 算法及其程序框图4.5.2 前面板的设计4.5.3 后面板的设计 4.6 PCI2006数据采集模块的设计 4.6.1 前面板的设计 4.6.2 后面板的设计第5章 硬件设计5.1 传感器的研究 5.1.1 常见传感器的原理及其发展方向 5.1.2 传感器在本课题中的应用5.2 低通滤波器的原理5.3 数据采集卡的研究5.3.1 数据采集方法5.3.2 pci2006数据采集卡结论参考文献致谢基于虚拟仪器的电网主要电气参数测试设计摘 要：本系统主要是利用NI公司的虚拟仪器软件Labview来实现参数测量的，是虚拟仪器测试技术的一种。此系统具有测量精度高、便携、升级简单、适应面广等优点。电网电气参数测试系统是由软件模块和硬件模块组成。软件模块包括电压、电流模块、相位差模块、功率模块组成。这一部分的设计主要是利用NI公司的Labview软件完成设计，在其中完成系统的计算、处理和显示等过程。其中电压、电流模块含有其有效值和峰值的测量，功率模块包含有功功率和无功功率的测量。硬件模块由传感器、滤波电路、PCI数据采集卡组成。电网信号经传感器、信号调理电路，最后经由PCI卡进行数据采集和A/D转换，转换成数字量输入计算机经虚拟仪器Labview软件模块处理后便可得所测参数。关键词：虚拟仪器；Labview；电网电气参数；信号调理；数据采集 According to the Conjecture InstrumentalOf the Charged Barbed Wire Net Main Electricity Parameter Test DesignAbstract: This system is mainly the virtual instrument software Labview that makes use of the company of NI to carry out the parameter diagraph of, is a kind of the virtual instrument test technique. This system has the accuracy of diagraph high, hold, upgrade then simple, adapt to face wide etc. advantage.The charged barbed wire net electricity parameter test system is to be constituted by the software mold piece and hardware mold piece. The software mold piece includes the electric voltage, electric current mold piece, phase shift mold piece, the power mold piece to constitute. The design of this part mainly is software of Lab view that makes use of the company of NI to complete the design, completing the processes such as calculation, processing and manifestation etc. of the system therein. Among them the electric voltage, the electric current mold piece diagraph that implies its valid value and max and min value, the power mold piece include has a great achievement the power and has no power of diagraph.The hardware mold piece from spread the feeling machine, signal to adjust to manage the electric circuit, data of PCI to collect the card to constitute.The charged barbed wire net signal after spread the feeling machine, signal to adjust to manage the electric circuit, carry on datas collect to convert with A/D through the PCI card finally, convert to become the numerical quantity importation calculator through the virtual instrument Labview software mold piece processing can get the parameter measure then.Keywords: Virtual instrument; Labview; Charged barbed wire net electricity parameter; the signal adjusts the reason；Data collection-I-湖南工程学院毕业设计论文第1章 绪论为了实现基本电气参数如电压、电流、功率、相位、频率、电阻、电感、电容、互感的测量，在不同历史时期采用了基于不同技术的仪器。近十多年来计算机技术及微电子器件在测量技术中应用十分广泛，在此基础上发展起来的智能仪器无论是在测量的准确度、灵敏度、可靠性、自动化程度、运用功能方面或在解决测量技术问题的深度及广度方面都有了巨大发展，以一种崭新的面貌展示在人们的面前。测量是为确定被测对象的量值而进行的实验过程。在这个过程中常借助一些专门的设备，即测量仪器。把被测对象直接或间接的与同类已知单位进行比较，取得用数值和单位共同表示的测量结果。测量是揭示客观规律，用数字语言描述周围世界，进而改造世界的重要手段。提高测量水平，降低测量成本，减少测量误差，提高测量效率，对国民经济各个领域是至关重要的。因此，测量手段的现代化，已被公认为是科学技术和生产现代化的重要条件和明显标志。随着科学技术的发展，对许多物理量，如距离、重量、速度、温度等，使用传统测量方法已经不能满足现代化科学研究和生产的需要。因此都将它们设法通过一定的传感器变换成电信号，然后利用一套比较成熟的电子学方法来进行测量。这也就使得电子测量技术在很多领域得到了应用。在现代科技术中具有不可替代的重要作用。从狭义上讲，电子测量是在电子学中测量有关电的量值，通常包括以下几个方面：电量的测量，如电流、电压、功率、电能等；信号特性及所受干扰的测量，如信号波形、失真率、频率、相位、信噪比等；元件和电路参数的测量，如电阻、电感、电容、电路频率响应、通带宽度、相位移等。电子测量与其他测量相比，具有以下几个明显的特点：1测量频率范围宽低端除测直流外还可以测低至Hz，高端可至100GHz左右的信号(某些测量领域甚至更高)。电子测量能工作在这样宽的频率范围，因此它的应用范围很广泛。但也由于频率范围宽，在不同的频段测量所依据的原理，采用的方法，使用的元器件等可能相差很远，通常把被测电量或供给同一电量的仪器分为不同的频段。例如超低频信号发生器、音频信号发生器、高频信号发生器等等。当然这给使用带来很多不便。近年来研制了很多宽频带的仪器，使一台仪器能在很宽的频率范围内工作。2. 量程广由于所测电量的大小相差极大，要求测量仪器的量程也要极宽。使用电子测量仪器就可以做到这一点。例如一台高灵敏度的数字电压表，可以测出10nV至1kV的电压，量程达11个数量级。电子计数器的量程更宽，其频率范围可达17个数量级。量程宽正是电子测量仪器的突出优点。3. 测量准确度高电子仪器的准确度通常可比其他测量仪器高很多。特别是对频率和时间的测量，由于采用了原子频标和原子秒作为基准，使误差减小到- 量级。人们常常把其他参数转换成频率再进行测量，以提高测量的准确程度。电子测量准确度高正是它在现代科技领域得到广泛应用的重要原因之一。4. 测量速度快电子测量由于是通过电子运动和电磁波的传播来进行工作的，因此具有其他测量方法无法类比的高速度。这也是它被广泛应用的一个重要原因。随着科学技术的发展，对测量过程和测量数据处理的速度都提出了越来越高的要求。所以，不断提高测量速度也是电子测量发展的一个重要方向。5易于实现遥测和长期不间断测量由于可以把电子测量仪器或与它连接的传感器放到人不便长期停留或无法达到的地区去进行遥测，这就扩大了人类用测量的方法定量的认识世界的范围。6. 易于利用计算机，形成电子测量与计算机技术的紧密结合这个特点决定了电子测量技术成为当今测量技术中的主流。由于电子测量的测量结果和它所需的控制信号都是电信号，这非常有利于直接或通过A/D、D/A变换与计算机连接，实现测量的自动化。特别是70年代以来，超大规模集成电路和微处理机的出现，更使电子测量领域发生了重大变化。随着计算机功能的不断提高和成本的不断下降，就可以在不增加仪器体积和不明显增加成本的情况下，使仪器的性能发生很大的飞跃，使它具有高性能、多功能、智能化的特点。例如在测量中能够实现程控、遥控、自动调节、自动校准、自动诊断故障及自动修复，对测量结果可以进行自动记录，自动完成数据的运算、分析和处理。测量的速度和准确度将大大提高。正是由于这些特点，使得电子测量仪器得到了迅猛的发展。电子测量仪器发展至今，大体可分为四代：模拟仪器、数字化仪器、智能仪器和虚拟仪器。第一代模拟仪器，这类仪器至今在某些场合被广泛使用着.如指针式万用表、晶体管电压表及模拟示波器等，均是典型的模拟式仪器仪表。这类仪表的基本结构是电磁机械式的，利用电磁测量原理，借助指针的移动或电子束的偏移来显示最终结果。它们的特点是结构简单，成本较低，易于维护，适用于对精度要求不高的场合。第二代数字化仪器，这类仪器目前相当普及，如数字电压表、数字频率计等。这类仪器将模拟信号的测量转化为数字信号的测量，并以数字方式输出最终结果，适用于快速响应和较高准确度的测量。第三代智能仪器，这类仪器内置微处理器，既能进行自动测试又具有一定的数据处理功能，可取代部分脑力劳动，习惯上称为智能仪器。智能仪器以微电子器件代替常规电子线路，具有信息采集、显示、处理、传输及优化控制等功能，甚至具有辅助专家进行推断分析与决策的能力。它的功能块全部都是以硬件(或固化的软件)的形式存在，无论是开发还是应用，都缺乏灵活性。第四代虚拟仪器，这类仪器技术的实质是充分利用最新的计算机技术实现和扩展传统仪器的功能。它利用现有的计算机，配上相应的硬件(如数据采集卡、输入/输出卡、GPIB卡等)和专用软件，形成既有普通仪器的基本功能，又有一般仪器所没有的特殊功能的高档低价的新型仪器。虚拟仪器是现代计算机技术、通信技术和测量技术相结合的产物。它从根本上更新了仪器的概念，具有传统仪器无法比拟的优势。它的出现是仪器发展史上的一场革命，代表着仪器发展的最新方向和潮流，是信息技术的一个重要领域，对科学技术的发展和工业生产将产生不可估量的影响。它的出现使得人类的测试技术进入一个新的发展纪元。1.1 电网电气参数测量简介1.1.1 电网电气参数测量方法电网电气参数的测量技术是电测与仪表技术针对电力系统电能质量问题派生出的一个重要分支。众所周知，只有对反映电能质量指标的电参量进行实时准确的测量，才能为下一步分析判断这些指标是否满足国家标准做好准备，因此，随着电力系统和电力用户对电能质量问题日益重视，关注的焦点越来越集中于引进先进科学的测量技术和使用准确可靠的测量仪器。目前，国外公司相继开发出多种电网参数测量方面的仪器装置，典型的如日本日置公司(HIOKI)开发的3193系列电气参数测量仪、谐波测试分析仪，美国福禄克公司生产的Fluke 43型手持式电气参数测量仪，瑞典联合电力公司(UNIPOWER)开发的U900F便携式电气参数测量仪等，这些仪器多是采用硬件DSP技术对电信号进行分析处理。另外，国际测控技术正向网络化发展，出现了“网络就是仪器”的概念，电能质量在线监测也正在适应这个潮流，利用网络实现电网参数的远程监测和网络化管理，瑞典联合电力公司最新开发的PQSecure在线式电气参数测量系统和瑞士莱姆(LEM)公司开发的PQFIX电气参数测量装置都可以非常灵活地利用现有通讯接口(RS232、RS485、MODEM、局域网等)实现电网电器参数的网络化测量。虽然国内对电网电气主要参数的测量已经有了很长的一段研究时间，但是相对国外而言，国内的开发研制比较落后，大多数厂家采用的是单片机结构，这些仪器性能单一，通用性和扩展性差、开发和维护相对复杂，已不能满足市场的要求；还有部分高校和科研部门，开发出基于硬件DSP技术的测量装置。现阶段在电网电气参数测量领域占优势的、运用的最多的便是以单片机为核心的测量系统、以可编程逻辑器件为核心的测量系统以及基于虚拟仪器的测量系统。1.1.2 电网电气参数测量发展前景 近两年，电气参数测量技术得到了较大的发展。一是满足了信息技术飞速发展的测试需求，分别在数字系统开发测试、集成电路测试、通信测试、新的音视频产品测试方面取得技术进步，使一大批新的电子测量仪器问世。二是在提高通用仪器性能、可靠性、易操作性，以及降低成本方面取得新的技术进步。三是VXI总线仪器系统的输入/输出、仪器的驱动程序、安装程序标准化取得成果，使这一多供货商的自动测试系统成为名副其实的开放式系统。数字系统开发测试取得明显进步数字系统指的是采用微处理器，利用软件来运行的系统，如计算机、程控设备等。随着数字系统的速度越来越快，所采用的徽处理器功能越强，种类越多，使得调试与综合测试数字系统的软硬件更难。当今，许多数字系统已采用C、 、pascal、Ada等高级语言编程，由于存储器售价的下降，增加系统功能往往多半是通过软件来实现的，从而使软件日趋复杂。为适应这些新的测试要求，逻辑分析仪的取样率已从原来的2GHz提高到4GHz(HP16500型)存储深度已达16Mb，通道数已达1536个，并已问世供软件分析用的软件分析仪(如HPB374OA)。 此外，因为许多企业都在建立计算中心，因而美国Tektronix公司推出了专供企业用的DAS/DAD/数字分析系统。该系统能支持包括采用英特尔P6等各种微处理器的数字系统的软硬件设计，并能提供数据的交换与显示。另外，该公司还推出了一种称为逻辑示波器的仪器，它可对高速数字系统的信号进行波形分析。通信测试技术成为开拓的新热点目前开发有关信息基础设施的通信产品需要采用新的测试原理的仪器来为之服务。异步传输(ATM)技术是宽带网的关键技术。HP公可为开发和安装ATM设备研制了宽带系列测试系统。日本安立公司为ATM节点系统、连接系统及终端开发研制了MV05型ATM测试系统以及ATM数据发生器。为满足对光纤同步网络的测试，美国HP、Tektronix、日本安立等公司都推出了用于同步数字系列/同步光纤网络(SDH/SONET)的测试设备，如Tektronix公司的CTS710/750型、SX4610型和VX4610型(采用VXI模块结构)，日本安立的ME3520A、ME3620A型等。在7号信令网测试方面，HP公司推出了监规7号信令网运行的HP Acce SS7型开放式系统平台。为保障网络的正常运行，仪器生产厂商还为营运公司生产了各种维护仪器。如Tektronix公司的用于ISDN 网维护的手持式用户环路测试仪、用于CATV电缆故障诊断的TV110型测试仪、以及诊断电话线故障的便携式110型测试仪。在移动通信测试方面，HP公司推出了测试采用码分多址的数字蜂窝通信设备的综合测试仪。德国RS公司除了可提供CMD52型，CRT502型GSM综合测试仪之外，还推出了测试个人通信系统(PCN)网的CRTP02型系统。日本安立公司也推出了MT2605B型数字移动通信综合测试仪。它适合PHS、NANC、GSM、PCN 等数字移动通信收发机的综合测试。这些产品的问世，解决了当今最新数字移动通信基站与手机的所有参数测试问题。光通信测试仪继续向模块化、综合化与小型化发展，使其更加适应综合测试与野外测试的需要。如美国Tektronix公司推出了VXI模块式的VXOA41型光衰减器；日本安立公司推出了重量为3.2公斤的液晶显示的MW9070型光时域反射计，以及内含光源与光功率计的MS9020B型光纤损耗测试仪等。新的音视频仪器问世随着数字音响的发展，供CD测试用的CD编码器、解码器、抖晃仪，以及供CD-R0M 测试用的编码器(如日本健伍公司的DA-3531型编码器、DR-3555型解码器、DB-3Z60型抖晃仪等)已面市。此外，日本还推出了供数字无线广播新业务用的电子测量仪器。如松下公司的VP-7663A型DARC解码器VP-7662A型编码器等。美国Tektronix公司也推出了可提供高质量CD视频信号的音视频存储系统，以及一系列测试数字电视和高清晰度电视的测试仪器。测试技术引起普遍关注实践已证明在CMOS器件的功能测试基础上增加测试技术，将大大提高CMOS器件的故障覆盖率，确保其可靠性，从而引起测试界的普遍关注。其原理是将测试矢量(01图形)输入给被测CMOS器件，并监视它的电源电流。当它处于静态时，其对管之一截止，若这一对管是好的，并且连接正常，则流过该对管的额定电流为100pA。对于一块大的专用集成电路，它的电流只有几个微安。若测得的值超过额定值，就可断定它有故障，而不必将其测试响应传输到器件的输出端去测试这就是测试的第一个优点。其第二个优点是能测连接性故障(如开路)和各种参数的好坏，这是普通逻辑测试不能测的。测试的缺点是速度稍慢一些，因为被测器件进入静态之前的测试是无意义的。通常，两次测试之间的间隔时间约810ms。在逻辑功能测试基础上增加数次测试是微不足道的。如输入lO万测试矢量的功能测试要34秒，而增加的测试仅需100毫秒。此外，增加测试增加的费用很少。它不需要专门的测试硬件，也无需可测性设计考虑，仅利用现有的测试矢量就行了。在器件的设计阶段也可利用这种测试。如美国的Crosschek公司开发了一种称为Current Synthesis的工具。它可用测试对器件的故障覆盖率进行评估，如该覆盖率太低，其程序可将几个额外的门电路和控制线加到器件中，从而使该器件的故障覆盖率大大提高。“恰到好处”的测试将成为新的发展方向通常，人们习惯强调仪器的多功能和高性能，但测试能力的增强往往要提高成本。近年来考虑到经济因素，提出了一种称为“恰到好处”或者“刚好足够”的概念。HP公司从两个方面体现了这种概念，一是开发了一种称为用一次付一次费的组合印制板测试系统当进行在线或组合测试时必须将一个小“钮扣”放入系统中才能启动在该“钮扣中存有预先购买的测试费用。当完成在线或组合测试时，该“钮扣”将付出测试费，当进行短路与开路测试时，“钮扣”将不付费用。这种对每次所使用的不同测试方法付费的方法可为用户节省大量测试费用。第二种做法是制造功能相对减少、操作简单、但在主要性能方面十分优越的仪器。如HP54602A型逻辑分析仪，它在主要应用方面有高超的性能。考虑到很多用户在硬件分析、故障诊断中主要使用定时分析，所以这部分做成高水平的，不但具有500ms/s的采样率，而且还具有主扫描和延迟扫描功能它不仅包括多种简单的触发，还包括高级的组合触发，进入退出触发和在时间范围内外的事件触发。另外，它可直接显示重叠的数据，所以可以观察多通道总线上的数据，因而也可起到类似状态分析作用。它的操作很简便，就像用示波器一样，主要操作均是旋转旋钮，这是其显著特点。目前各类“恰到好处”的仪器纷纷面世，如HP公司的5318A型频率计、HP5460B型数字示波器等这是当前值得注意的发展动向。综合便携式仪器明显增加随着液晶显示器等平板显示技术的发展，以及专用集成电路的发展，各类综合多种仪器功能的便携式仪器不断问世。它们可满足通信、计算机、医疗设备、工业自动化设备、电力设备及运输工具的现场维护，随着其售价的降低，它们的应用将更加普及。如美国Fluke公司的867型万用表不仅提供模拟、数字与波形显示方式，进行在线测试，还能与计算机、打印机相连。美国Tektronix公司也推出了一系列手持式仪器。其中有以示波器功能为主的Tekscope。它们是取样率分别为500MHz、250MHz、带宽分别为1OOMHz、60MHz、含3位数字万用表的720型和7l0型双通道液晶显示的数字示波器。由于它们采用了隔离通道技术，因而加上高压探头可测600V的电压，并具有防震、防潮、抗冲击的能力。此外，还有以万用表功能为主的液晶显示的Tekmeter。其型号有THM550/560/655型。它们均是3位真有效值万用表与自动换档示波器的组合仪器。重量只有2.2磅。类似产品还有该公司的Tekwavemeter、南韩Protek公司的565型手持式万用表/频率计等。数字示波器的采集速率取得新突破过去，数字存储示波器的采集速率太慢，当输入信号发生变化时，其显示器不能立即显示出来。美国Tektronix公司的新产品Trucapture数字示波器采用了一种称为Ins-ta 的采集模式，使其采集速率达到了高速模拟实时示波器的采集速率，即每秒显示40万个采集信号的能力，为其它数字示波器采集率的2500倍，使之成为实时数字示波器。VXI产品的发展速度加快经过7年的发展，VXI产品的生产厂商已达90家，产品超过1000种，安装的系统已达10000套。80年代末，该系统广泛采用图形用户接口与开发环境，如HP的VEE和NI公司的LabVIEW，但这些软件不兼容1993年，美国五家仪器制造公司感到在众多VXI软件技术基础上实现软件标准化的时机已到来，建立了VXI“即插即甩系统联盟，经过短短的2年，联盟成员发展到45家公司，并完成了20多个技术规范的制定，如快速数据通道规范、TCP/IP-VXI接口规范等。当前重点放在VXI软件的互操作性方面，并已制定出一个称为VISA的规范框架。它包括仪器软面板、仪器驱动程序、联机文件和标准控制器接口的互操作。目前，第一批“即插即用”产品已投放市场。这些产品包括控制器、仪器、软件和主机等、上面有“VXIplugplay”的标志。该系统的标准化软件包括一个软面板用于一种仪器的控制，无需任何程序控制，以及一个仪器驱动软件适用于各种程序设计环境。目前，VXI测试系统已广泛应用于通信、航空电子、汽车、医疗设备的测试。在军事上，在航空电子测试方面的产品最多，如英国Raeal公司的ARINC608型、美国Tektronix公司的MHSTD一1553VXI模块等。1.2 电网主要电气参数测量方案的确定现阶段电气参数的测量方法有很多，现在运用最多最普遍的便是以单片机为核心的测量系统以及以可编程器件为核心的测量系统。单片机自1976年由Intel公司推出MCS-48开始，迄今已有二十多年了。由于单片机集成度高、性能强、可靠性高、体积小、功耗底、使用方便价格低廉等一系列优点，目前已经渗入到人们工作和生活的方方面面，几乎“无处不在，无所不为”。但是，在过去的一段时间里，单片机的指令运行速度一直在10MIPS以下，这对应用于工业控制领域的单片机几来说是足够了，但当单片机被应用在其他领域作为高速运算、编码或解码时，就会出现因指令运行速度不够而限制单片机的应用。其应用于测量或监控系统时的功耗比较高，所以其要应用更好更广还需要进一步降低功耗。它的集成度和兼容性也不是很高，而现阶段的系统要求是体积小、应用方便、可测范围广等。它的抗干扰能力也不是很好，这就会给测量结果的准确性带来一定的影响。总之，虽然单片机自推出以来经过一定时间的发展已经具有一定的优越性，但是还是存在诸多的不足，还需要进一步的发展完善。大规模可编程逻辑器件FPGA和CPLD的出现，在线编程技术的发展以及EDA设计工具的普及，使复杂的测控仪器硬件设计变得简单，仪器仪表的构建也朝着柔性化方向发展。在系统可编程(ISP, In System Programmability)技术与测控器技术的融合，使得仪器的设计更加容易。在此基础上开发的快速可重构测控仪器系统，它的功能可根据需要由用户自己设计、定义，而不是仅能由专业开发人员定义。仪器仪表的参数甚至结构不必在设计时就确定，而可以在仪器使用的现场实时置入和动态修改。ISP技术的应用，将可编程器件技术与虚拟仪器技术有机结合，给仪器仪表系统的设计带来了革命性的变化。用户通过程序能够方便地改变硬件的功能或性能参数，依靠硬件设备的柔性来增强其适用性和灵活性。虽然如此，但是把可编程逻辑器件应用于测量系统时，其测量精确度、速度等方面也还满足不了现代测量系统的要求。此外，还有一种新兴的技术，便是基于虚拟仪器的测量系统。美国NI公司提出“软件就是仪器(SoftwareIsInstrument)”的理念后，人们越来越意识到虚拟仪器的出现与发展使得软件技术在仪器设计中更加重要。目前市场上流行的科学仪器软件开发平台LabVIEW，LabWindows/CVI等将进一步发展完善，而测控仪器管理软件平台、测量仪器的控件、信号处理与分析、智能虚拟仪器驱动器、工业自动化等专用软件将不断涌现，丰富科学仪器研制与开发的软件库。通过数字信号处理技术来增强仪器的检测能力，测控仪器智能化可以通过智能软件技术(如自诊断、故障自动定位、自修复、自适应等)来实现。鉴于上述三种方法的比较，以及虚拟仪器具有的如下特点：测量精度高、携带方便、运用简便、设计灵活方便、硬件设备少、维护费用低、技术更新快周期段、设计成本低、应用面广和测量精度高等优点。所以，本课题决定采用以虚拟仪器为核心来设计电网电气参数的测量系统。第2章 虚拟仪器技术2.1 虚拟仪器技术的概念虚拟仪器(VI-Virtual Instrumentation)的概念是由美国国家仪器公司最先提出的。所谓虚拟仪器，实际上就是一种基于计算机的自动化测试仪器系统。虚拟仪器通过软件将计算机硬件资源与仪器硬件有机的融合为一体，从而把计算机强大的计算处理能力和仪器硬件的测量，控制能力结合在一起，大大缩小了仪器硬件的成本和体积，并通过软件实现对数据的显示、存储以及分析处理。美国国家仪器公司NI(National Instruments)提出“软件即是仪器”的虚拟仪器(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驭直入仪器领域，和仪器技术结合起来，从而开创了“软件即是仪器”的先河。虚拟仪器是一种功能意义上而非物理意义上的仪器，它通过硬件接口和仪器驱动实现了与测控设备的硬件通信，将信号采集、分析与处理结合成一体，将信号的分析、显示、存储、打印和其它管理集中交给计算机来处理。虚拟仪器的特点归纳起来有以下三点：(1)拟仪器强调“软件就是仪器”的新概念。软件是虚拟仪器的核心。(2)虚拟仪器采用模块化的结构。各个功能模块结合在一起构成了虚拟仪器系统。(3)虚拟仪器具有图形用户界面，体现“所见即所得”的思想。传统仪器的控制面板在虚拟仪器中被相应设置选项和结果输出控制的软面板所代替。虚拟仪器的出现，彻底改变了传统的仪器方法，开辟了测控技术的新纪元。虚拟仪器与传统仪器相比有更多的优势。两者比较如下表所示。虚拟仪器具有传统独立仪器无法比拟的优势，但它并不否定传统仪器的作用，它们相互交叉又相互补充，相得益彰。在高速度、高带宽和专业测试领域，独立仪器具有无可替代的优势。在中低档测试领域，虚拟仪器可取代一部分独立仪器的工作，但完成复杂环境下的自动化测试是虚拟仪器的拿手好戏，是传统的独立仪器难以胜任的，甚至不可思议的工作。虚拟仪器与传统仪器的比较虚拟仪器传统仪器开放性、灵活，可与计算机技术保持同步发展封闭性、仪器相互配合较差关键是软件，系统性能升级方便，通过网络下载升级程序即可。关键是硬件，升级成本较高，且升级必须上门服务。价格低廉，仪器资源可重复利用率高价格昂贵，仪器间一般无法相互利用用户可定义仪器功能只有厂家能定义仪器功能可以与网络及周边设备方便连接功能单一，只能连接有限的独立设备开发与维护费用降至最低开发与维护开销高技术更新周期短1一2年)技术更新周期长(5-10年) 2.2 虚拟仪器的发展 2.2.1 虚拟仪器的发展史 虚拟仪器从概念的提出到日前技术的日趋成熟。大致说来，虚拟仪器发展至今，可以分为三个阶段，而这三个阶段又可以说是同步进行的。第一阶段利用计算机增强传统仪器的功能。由于GPIB总线标准的确立，计算机和外界通信成为可能，只需要把传统仪器通过GPIB和RS-232同计算机连接起来，用户就可以用计算机控制仪器。随着计算机系统性能价格比的不断上升，用计算机控制测控仪器成为一种趋势。这一阶段虚拟仪器的发展几乎是直线前进。第二阶段开放式的仪器构成。仪器硬件上出现了两大技术进步：一是插入式计算机数据处理卡(plug-in PC-DAQ)；二是VXI仪器总线标准的确立。这些新的技术使仪器的构成得以开放，消除了第一阶段内在的由用户定义和供应商定义仪器功能的区别。第三阶段虚拟仪器框架得到了广泛认同和采用。软件领域面向对象技术把任何用户构建虚拟仪器需要知道的东西封装起来。许多行业标准在硬件和软件领域得以产生，几个虚拟仪器平台已经得到认可并逐渐成为虚拟仪器行业的标准工具。发展到这一阶段，人们也认识到了虚拟仪器软件框架才是数据采集和仪器控制系统实现自动化的关键。在虚拟仪器技术发展中有两个突出的标志，一是VXI总线标准的建立和推广；二是图形化编程语言的出现和发展。前者从仪器的硬件框架上实现了设计先进的分析与测量仪器所必须的总线结构，后者从软件编程上实现了面向工程师的图形化而非程序代码的编程方式，两者统一形成了虚拟仪器的基础规范。虚拟仪器的发展过程有两条线：一、GPIBVXIPXI总线方式(适合大型高精度集成系统)，GPIB于1978年问世，VXI于1987年问世，PXI于1997年问世。二、PC插卡并口式串口USB方式(适合于普及型的廉价系统，有广阔的应用发展前景)PC插卡式于80年代初问世，并行口方式于1995年问世，串口USB方式于1999年问世。虚拟仪器正不断地向前发展，在生产领域中，逐渐被广泛地应用，国外特别是美国一些科技发达的国家，虚拟仪器起步较早，目前已经达到了很高的水平，技术比较成熟。而中国还处于刚刚起步阶段，但发展的速度很快，越来越多的生产厂商、研究单位，开始注意利用虚拟仪器，来降低成本，提高效率。虚拟仪器技术的出现被誉为是“测控技术的革命”和“21世纪的技术”，如上所述，虚拟仪器的突出功能是用户自定义功能，即用户可以在基本硬件不变的情况下通过改变软件就可以更改仪器的功能，换句话说，通过改变软件就可以实现更换不同仪器。美国国家仪器公司(National Instrument Corporation简称NI)首先提出虚拟仪器的概念，并以“软件就是仪器”为口号，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.而且随着网络时代的到来，又提出“网络就是仪器”的口号，即可以用该技术通过网络实现远程测量和监控。20世纪90年代以来，NI公司己研制出多种总线系统的虚拟仪器，特别是它推出的LabVIEW图形编程环境己享誉世界。在NI之后，美国惠普(HP)公司紧紧跟上。该公司推出的HPVEE编程系统可提供数十至数百种虚拟仪器的组建单元和整机。作为仪器领域中最新兴的技术，虚拟仪器的研究、开发在国内己经过了起步阶段。90年代中期以来，国内测控领域已经逐渐认识到虚拟仪器技术的重要性，积极将其运用到各个行业，国内已有不少院校和高科技公司(如哈工大哈特公司、清华大学、西安交大和武汉高压试验所、中科泛华测控技术有限公司等)在引进虚拟仪器设计平台和消化和推广NI公司、HP公司的虚拟仪器相关产品方面做了大量工作，取得了不小的成就。虚拟仪器的发展主要取决于三个重要因素。计算机是动力，软件是主宰，高质量的A/D采集卡及调理放大器与互感器是关键。无沦哪种虚拟仪器系统，都是将硬件仪器(互感器、调理放大器、A/D)搭载到笔记本电脑、台式机或工作站等各种计算机平台上，加上应用软件面板构成，实现使用计算机的全数字采集测试分析。虚拟仪器的发展完全跟计算机的发展同步，所以显示出虚拟仪器的灵活性和强大的生命力。虚拟仪器的兴起是测试仪器技术的一次“革命”，是仪器领域的一个新的里程碑。未来的虚拟仪器完全可以覆盖计算机辅助测试的全部领域、几乎能替代所有的模拟测试设备。基于计算机的全数字化测量分析是采集测试分析的未来。虚拟仪器必将在电子测量、电气工程、机电一体化等越来越多的领域中广泛普及。2.2.2 虚拟仪器的现状 虚拟仪器（简称VI）是电子测量技术与计算机技术深层次结合的、具有很好发展前景的新一类电子仪器。虚拟仪器要比传统的电子仪器更为通用，在组建和改变仪器的功能和技术性能方面更为灵活、更为经济，更能适应迅猛发展的当代科学技术对测量技术和测量仪器不断提出的更新并扩展功能与性能的要求。因此，虚拟仪器发展很快。 虚拟仪器突破了传统电子仪器以硬件为主体的模式，实际上，使用者是在操作具有测试软件的电子计算机进行测量，犹如操作一台虚设的电子仪器，虚拟仪器因此而得名。虚拟仪器的硬件是电子计算机和为其配之的必要的电子仪器硬件模块。电子计算机与为其配置的电子仪器测试模块通过编制的计算机测试软件结合起来，组成通用的电子测量硬件平台。使用者是通过友好的图形界面（通常是设在电子计算机终端显示屏上图形化的虚拟的菜