虚拟仪器电网参数.doc

开题报告填写要求1开题报告（含“文献综述”）作为毕业设计（论文）答辩委员会对学生答辩资格审查的依据材料之一。此报告应在指导教师指导下，由学生在毕业设计（论文）工作前期内完成，经指导教师签署意见及所在专业审查后生效。2开题报告内容必须用黑墨水笔工整书写或按此电子文档标准格式（可从教务处网页上下载）打印，禁止打印在其它纸上后剪贴，完成后应及时交给指导教师签署意见。3“文献综述”应按论文的格式成文，并直接书写（或打印）在本开题报告第一栏目内，学生写文献综述的参考文献应不少于10篇（不包括辞典、手册），其中至少应包括1篇外文资料；对于重要的参考文献应附原件复印件，作为附件装订在开题报告的最后。4统一用A4纸，并装订单独成册，随毕业设计（论文）说明书等资料装入文件袋中。 毕 业 设 计（论 文）开 题 报 告1文献综述：结合毕业设计（论文）课题情况，根据所查阅的文献资料，每人撰写2500字以上的文献综述，文后应列出所查阅的文献资料。文 献 综 述1 引言随着电子技术和电力电子器件的发展，电力电子设备的应用也越来越广泛，这些非线性电力设备使电网电压电流波形发生畸变。同时，以微处理器器为核心的各种控制设备、自动化设备对电能质量十分敏感，瞬间的电能恶化有可能导致程序混乱，从而产生重大的质量事故。因而，供电可靠越来越成为用户关心的问题，电网参数的快递，准确监测对电能质量的测量具有十分重要的意义。采用计算机技术和仪器仪表技术相结合，可以实现电网测量的自动化。通过计数机控制器和数字模型进行数据采集、运算、统计、分析、处理提高电网测量数据处理能力。传统的电网测量用的电子仪器，是自封闭的系统，具有信号输入、输出的能力，并有固定的用户界面，仪器包括传感器，信号处理器，A/D转换器，微处理器，存储器和内部总线等专门化的电路。有时为了构成具有一定功能的系统，配置了一套仪器，对其中的某些仪器，只用到了其中一部分功能，而将它作为其他功能使用时，却不具备或达不到所需指标，效率低且价格高。以计算机技术为核心构成的虚拟仪器是一种利用一些基本硬件及软件编程技术组成的各种各样的仪器系统，它的功能是可有用户自己定义，用户可以根据自己的意愿，设计自己的仪器系统。此外，VI可方便地进行各种方案论证，比较各个方案的优缺点，同时为硬件设计的工程师在实验室测试自己的设计效果提供了极大方便。今天，以计算机技术为核心构成的虚拟仪器已成为开放的工业标准化结构，可以提供处理，存储，显示和远程控制的能力，使用户自定义各种仪器功能成为可能。并且用户可以根据实际需要，结合利用各种技术进行扩展。如可以结合网络技术，将仪器扩展成为远程虚拟仪器。1986年,美国国家仪器公司(National instruments,NI)推出了虚拟仪器的概念以及LABVIEW语言.其为基于“图形”方式的集成化程序开发环境，是目前国际上唯一的编译型图形化编程语言。在以PC机为基础的测量和工控软件中，LabVIEW的市场普及率仅次于C+/C语言1。2 虚拟仪器的概念由于传统电子仪器存在的诸多弱点，美国国家仪器公司于1986年首先提出基于计算机技术的虚拟仪器的概念，把虚拟测试技术带入到新的发展时期，随后研制和推出了基于多种总线系统的虚拟仪器。虚拟仪器由计算机、应用软件和仪器硬件组成，它以微型计算机为基础，通过符合工业标准的硬件和软件来构成相应的仪器系统。以计算机为核心用户可充分利用计算机运算、数据处理、数据存储、显示及连接扩展等能力来灵活地设计强大的仪器功能。这使得使用者在操作这台计算机时，就好像在操作一台专用的传统电子仪器。它可以替代传统的测量仪器，集成于各种测控系统，自由构建成大型仪器系统。虚拟仪器通过软件将计算机硬件资源与仪器硬件有机地融合为一体，从而把计算机强大的计算机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体积和降低了成本，增强了仪器的功能，并通过软件实现对数据的显示、存储以及分析处理。于传统仪器性能对比，虚拟仪器在灵活性、性价比、用户化、通用化、数据存储及管理等方面有着明显的优势。虚拟仪器的出现使测量仪器与个人计算机的界限模糊了。虚拟仪器的实质是利用计算机显示器的显示功能来模拟传统仪器的控制面板，以多种形式表达输出检测结果，利用计算机强大的软件功能实现信号数据的运算、分析和处理，利用I/O接口设备完成信号的采集、测量与调理，从而完成各种测试功能的一种计算机仪器系统。“虚拟”主要包含以下两方面的含义:1虚拟的虚拟仪器的面板虚拟仪器面板上的各种“控件”与传统仪器面板上的各种“器件”所完成的功能是相同的。如各种开关、按键、显示器等实现仪器电源的“通”、“断”，测量结果的“数值显示”、“波形显示”等。传统仪器面板上的器件都是实物,而且是用手动和触摸进行操作的，而虚拟仪器面板控件是外形与实物相像的图标，设计虚拟面板的过程就是在面板设计窗口中摆放所需的控件，然后编写相应的程序。大多数初学者可以利用虚拟仪器的软件开发工具，如Lab Windows/CVI、LabVIEW等编程语言,在短时间内轻松完成美观而又实用的虚拟仪器前面板的设计。2由软件编程来实现的虚拟仪器测量功能在以PC为核心组成的硬件平台支持下，虚拟仪器不仅可以通过软件编程设计来实现仪器的测试功能，而且可以通过不同测试功能的软件模块的组合来实现多种测试功能。因此在硬件平台确定后有“软件就是仪器”的说法。这也体现了测试技术与计算机深层次的结合2。 3 虚拟仪器的的组成具体的说，任何仪器都基本有3个部分组成，即信号采集和调理、信号分析和处理、信号显示和输出。传统的仪器将所有这3部分放在一个仪表箱内，根据不同的功能要求采用不同的硬件结构。而虚拟仪器是一种功能上的仪器，其核心是在最少量的硬件模块支持下，用软件实现传统仪器数据采集、储存、分析、显示的功能3。目前的虚拟仪器产品，包括各种软件产品、GPIB产品、数据采集产品、信号调理产品、VXI和PXI控制产品等。为构造自己专用仪器系统提供了完善的解决方案。虚拟仪器的应用多是将它们搭成虚拟仪器系统。在信号调理卡、数据采集卡、GPIB接口仪器、VXI接口仪器等硬件支持下，用虚拟仪器软件工作平台将这些硬件和相应的软件组织起来形成一个系统，如下图所示（图1-1）。信号调理数据采集卡GPIB接口仪器GPIB接口卡串口仪器/PLCVXI仪器/PXI仪器测试对象PC机虚拟仪器软件工作平台传感器串口仪器/PLC图1-1 虚拟仪器系统组成图3.1 传感器传感器是一种能将物理量、化学量、生物量等转换成电信号的器件。输出信号有不同形式，如电压、电流、频率、脉冲等，能满足信息传输、处理记录、显示、控制要求，是自动检测系统和自动控制系统中不可缺少的元件。如果把计算机比作大脑，那么传感器则相当于五官，传感器能正确感受被测量并转换成相应输出量，对系统的性能起决定性作用。自动化程度越高，系统对传感器要求越高。传感器技术是现代信息技术的重要支柱之一，是国际上发展最快的高新技术与产业之一，具有广泛的应用市场。如今的传感器新技术的发展，主要在以下几个方面：发现并利用新现象利用物理现象、化学反应、生物效应作为传感器原理，所以研究发现新现象和新效应是传感器技术发展的重要工作，是研究开发新型传感的基础。利用新材料传感器是传感器技术的重要基础。集成传感器，智能传感器的发展日新月异。因此，我们应该加大对传感器技术研究、开发的投入，使我国传感器技术与外国缩短差距，促进我国仪器仪表工业和自动化的发展。3.2 数据采集卡其种类很多,但基本结构和功能类似.一般来说,数据采集卡包括总线接口、输入端口、输出端口和控制4个部分.总线接口是数采卡与系统交换数据的通道;输入接口包括并行输入、模拟输入、外部时钟输入等;输出接口包括并行输出、模拟输出、时钟分频输出等;控制部分对不同的数采卡来说差别较大,一般功能有设定采样率、增益调节、/转换、/转换、控制输入与输出数据缓冲、时钟分频、计数、模拟输出平滑等。11 采集卡中包含的有外围电路，其主要功能是防护与隔离。考虑到实际应用中可能出现的情况,必须对数采卡输入加以保护,如应有过压与过流保护、模拟输入和开关量输入的隔离。信号经保护隔离电路进入数采卡,再经过滤波、A/D转换后成为数字信号保存于PC机内存中。3.3 测试软件获得此数据流以后进行一系列处理,并显示和存储处理结果.信号回放时,测试软件控制数采卡将信号从模拟输出口输出,然后经保护隔离电路送到机车信号主机的信号输入端。测试系统软件的结构大体可以分为4个层次:测试管理层、测试程序层、仪器驱动层和I/O接口层.由于使用LABVIEW平台,使4个层次的软件实现变得容易了许多.测试管理层是与设备无关的测试管理环境,它生成并响应系统操作界面,管理和执行测试任务.在信号检测系统中,测试管理层提供人机交互的界面:系统的功能选择项和控制部件,响应用户的功能选择和进程控制;参数输入栏,获取用户输入的参数;输出显示窗口,显示信号波形和测试结果。这些功能由LABVIEW对控制、显示对象和它们的属性进行操作即可实现.测试管理层还控制测试的顺序、分支、循环等,这些可以由LABVIEW定义的各种结构来实现. LABVIEW还提供了诸如文件存储、密码、系统的分级访问等功能,完善系统的管理.测试程序层是具体实现各种测试功能的。仪器驱动层是直接对硬件设备执行驱动与控制的软件层.过去,这是测试系统开发最困难的部分.现在仪器驱动程序都是按模块化、与设备无关的方式向用户释放,不仅可方便地利用,还可修改其源代码,满足特殊需要.在本系统中,仪器驱动层主要实现数据采集卡的功能控制,包括初始化;对采样率、增益和触发条件进行设置;分频与计数;设定缓冲方式和缓冲区长度、输出控制等./接口是软件用于处理仪器与硬件间连接的低层通信协议4。4 虚拟仪器技术的展望和应用前景虚拟仪器（Virtual Instrument简称VI）和卡泰仪器（Computer Acquisition Test Analysis Instruments计算机采集测试分析仪，简称CATAI）技术正在飞速发展。目前，国内外的工程师和科学家们正在成千上万台测控设备中使用虚拟仪器和PC卡泰，从而缩短了产品的研发时间，提高产品的质量，降低生产成本。虚拟仪器和卡泰仪器的出现是测控技术界和测试仪器制造界的一次具有深远意义的“技术革命”。它像PC机出现一样，影响到国内外的各行各业、影响全人类的社会活动、教学、科学实验、国防和工农业生产，甚至进入家庭自动化管理。虚拟仪器至今在国内还是一个相当新的概念，但这些年来应用的增长非常迅速，已经开始应用于航空航天、智能交通、汽车、医疗、教育等领域5。41 国内外虚拟仪器的发展 1986年，美国NI公司提出了“软件即仪器的口号”，推出了NILabVIEW直观的流程图编程风格的开发和运行程序平台，开启了虚拟仪器的先河。1985年，COINV（中国东方振动和噪声技术研究所）开始提出了PC卡泰（PCCATAI）微机卡式采集测试分析仪的概念，并推出了DASP（达世普）软件(Data Acquisition Signal Processing)。随后又提出了“把实验室拎着走”的口号，进而又进行了虚拟仪器库平台的研发，实现了INV虚拟仪器库。数据采集和信号处理（DASP）软件的概念突破了传统的随机振动信号分析仪和FFT分析仪的概念，实现了向虚拟仪器和计算机采集测试分析仪器概念的过渡。其间，COINV研制成了国内第一台虚拟仪器PC卡泰INV101，接着又推出了台式机用的INV303和便携式笔机本式的INV306系统，并于1993年到加拿大多伦多展出，实现了VI的飞跃。到2002年底已有800余家用户使用COINV生产的26种INV303/306系列产品。目前,国内外像BK等许多仪器公司转向虚拟仪器的开发和生产，有更多的企业从事VI的研制开发，这将推动虚拟仪器的更快发展。42 二十一世纪的虚拟仪器库技术虚拟仪器是利用最新的电脑技术来实现和扩展传统仪器的功能。它可以利用互联网传输数据实现远距离测量计算分析，利用互联网的强大功能和无线技术的发展实现远距离控制仪器设备。不久的将来，还可以把数码发布到Web网页上甚至把数据传输到手机上，实现在不同地点、不同国家的同行合作处理同一个科研项目。虚拟仪器的核心是软件，而虚拟仪器软件构架的精髓是虚拟仪器库技术。传统的VI方式为每一个仪器功能开发一个软件，每个软件都独立具有数据采集功能，但多个软件不能同时使用。虚拟仪器库技术解决了这个矛盾，如DASP 2003标准板和专业版内的虚拟仪器库模块就是由平台软件虚拟仪器库组成，多个软件共享虚拟仪器的硬件资源。它由一个平台软件实现基本的数据采集和频谱分析，还能实现精确的频率校准、精确的幅值校准、精确的阻尼校准等高精度快速分析。多个模块化的仪器软件基于平台软件上运行，共用平台软件提供的数据和频谱值，分别实现各自仪器的不同功能（如频率计、阻尼计、转速表、失真度计、索力计、声级计、压力计、温度计、应变计、应力仪、示波器、频谱仪、波谱双显仪、混叠演示仪、泄漏演示仪、信号发生器、数据多用表等等）。它的特点是在一个平台软件上，多个模块化仪器软件共享A/D采集数据资源及信号处理的数据资源，多台仪器可以高速实时运行，操作应用非常方便。就像PC与Windows、Office的发展依存关系一样,虚拟仪器正在向综合性、多功能、多用途、快捷的多画面的虚拟仪器库方向发展。此外，手持式、更轻便的小型化的嵌入式PC（如PC 104）及掌上电脑与DSP、AD/DA、LCD、调理放大、电子盘加软件相结合的一体机也是一个未来发展方向，它使虚拟仪器更方便地深入到测试现场。虚拟仪器向节能、省电轻便小型化发展也是一个方向。总之，虚拟仪器的未来还很难预测，但是有一点是可以肯定的：最终要取代大量的传统仪器成为主流产品，成为测量、分析、控制、自动化仪表的核心，并成为机器人的核心技术6。5 虚拟仪器的电网主要电气参数测试设计51 概括本系统主要是利用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、适用面广等优点。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。硬件模块有传感器、滤波电路、PIC数据采集卡组成。电网信号经传感器、信号调理电路，最后经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软件模块处理后便可得所测参数。52电网主要电气参数（电流、电压、相位角、功率）521电流、电压的测量 5.2.1.1有效值的测量 计算电流有效值和电压有效值的第一种方法是数字积分法：根据电工理论，电压有效值U和电流有效值I的定义不因波形畸变而改变。计算有效值的另一种方法是谐波分析法：对电流电压进行谐波分析，求得各次谐波有效值。以上两种方法相比，前一种方法计算量小，其误差与采样周期有关成正比，提高采样频率，可减小测量误差，一般情况下，数字积分法能满足测量精度。在满足一定条件下，谐波分析法理论上可实现无误差，但计算量较大。故采用第二种方法。 5.2.1.2峰值的测量 电压和电流的最大值在某些情况下时很重要的。电压的峰值（最大值）对设备绝缘影响很大，它可能导致设备的电击穿。 如果电压为单一频率的正弦量，其峰值等于有效值的根号2倍。如果含有谐波分量，则成为非正弦量，虽然各次谐波分量的峰值与有效值仍然保持根号2的比例关系，但非正弦量的峰值与有效值之间u存在确定的比例关系，其峰值不仅与各次谐波的有效值有关，还与各次谐波的初相角有关，极端情况下，峰值可达到基波及各次谐波分量最大值之和。 以基波及各谐波分量最大值和估算峰值，在谐波含量高时，其值可能严重偏大。微机装置较精确地实时测量峰值，主要方法：硬件测量方法。该方法采用峰值保持电路来保持信号在每一周期内的最大值，微机对这一最大值在每一周期内采样一次。该方法测量精度和实时性均好，只是要求设置峰值保持电路。另一方法软件方法，对信号的一组采样值求最大值。该方法的计算精度与每周期采样点数，谐波含量及谐波次数有关。当谐波含量高时或特别是次数高谐波分量大时，必须增大采样点数保证测量精度。为了节省硬件资源，本设计采样软件方法来实现。522相位差的测量 如果电网的相电压V和电流I;电压和电流是相关的可以利用相关原理对电流采样测量，再通过相关计算求得相位差。523功率的测量5.2.3.1有功功率和视在功率的测量 一种方法是公式定义法。还有一种就是，利用离散法的电压及电流数字量来进行计算；视在功率的计算为电压乘以电流；有功功率的计算公式为视在功率乘以相位差角的余弦。5.2.3.2无功功率的测量 要想取得无功功率的最佳效果，首先必须准确地测量无功功率。早期的无功功率概念是建立在单相正弦交流信号的基础上。视在功率乘以相位差角的正弦。含谐波的非正弦电路中的无功功率的情况比较复杂，至今没有被广泛接受的科学而权威的定义。傅里叶分析法：傅里叶分析法的原理基于数学上的傅里叶变换。其基本思想是对被测回路的电压信号和电流信号按周期均匀采样，然后用一组正交三角函数对采样值进行正交分解，使用各分解值计算线路的无功功率。傅里叶算法是当前所见到的无功功率测量法中最精确的算法，理论上不存在测量误差，但缺点在于计算量较大，但是DSP的应用就是解决了计算量大的问题，从而可以在线测量系统中的无功功率和谐波含量。同时采样三相电压、三相电流，采用快速傅里叶变换算法，对电网中的电参数进行实时测量。5.2.3.3功率因数 在电网参数的测量中除了电网的电压，电流的直接测量外，还有一个因数也非常重要，那就是功率因数的测定。功率因数，从公式中可以看到要测定功率因数，最主要的是测定，即电压与电流相位的差值。对于电网电压与电流之间的功率因数角是怎么确定的呢？在前面的电网电压与电流的测量的同时都设计了过零检测电路，除了对频率的测量外主要是用于确定功率因数角的。同一电网中，电压与电流的频率和周期是相等的，只需测定电压与电流过零点间的时间差就可以计算出功率因数角以至于计算出功率因数。6 结束语由于电子计算机和现代测试技术日新月异，虚拟仪器已渗透到各个领域。可见其适用性很强。正因为其与传统仪器无可比拟的优势，在未来的领域中必定占有很重要的位置。现在网络自动化的发展也加速了测试技术的发展。虚拟仪器的出现是测量仪器发展史上的一场革命。随着微电子技术、计算机技术、软件技术、网络技术的高度发展和在测量与仪器上的应用以及测试的新理论、新方法、新领域的发展导致了虚拟仪器的日益壮大。参考文献 毕 业 设 计（论 文）开 题 报 告开题报告：一、课题的目的与意义；二、课题发展现状和前景展望；三、课题主要内容和要求；四、研究方法、步骤和措施 开 题 报 告1 课题的目的与意义本课题是运用虚拟仪器软件平台编写、设计相关的程序和模块，进行基于虚拟仪器的电网电气参数测试设计。通过该设计可以准确的掌握电网电气参数从而方便快捷地得到试验测试结果，电网电气参数的测量技术是电测与仪表技术对电力系统电能质量问题派生出来的一个重要分支。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的准备。虚拟仪器(Virtual Instruments)，是以通用计算机为核心的硬件平台上，由用户设计定义，具有虚拟面板，测试功能由测试软件实现的一种计算机仪器系统。使用者用鼠标或键盘操作虚拟面板，就如同使用一台专用测量仪器。达到方便，准确的目的。虚拟仪器利用计算机的强大的功能,结合相应的硬件,从根本上打破了传统仪器仪表在数据传送、处理、显示和存储等方面的限制,用户可方便地对其进行维护、扩展和升级。其强调“软件就是仪器”就是这概念。LabVIEW是一种图形化的编程语言，正在成为国内外测试技术和仪器科学中的通用语言。其使用效果是相当可观的。2 课题发展现状和前景展望近两年，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，及降低成本方面取得的新的技术进步。三是在VXI总线仪器系统的输入/输出、仪器的驱动程序、安装程序标注化取得成果，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由于电子计算机和现代测试技术日新月异，虚拟仪器已渗透到各个领域。可见其适用性很强。正因为其与传统仪器无可比拟的优势，在未来的领域中必定占有很重要的位置，一定会得到蓬勃发展。现在网络自动化的发展也加速了测试技术的发展。虚拟仪器的出现是测量仪器发展史上的一场革命。3 课题的主要内容和要求本课题研究的是基于虚拟仪器的电网电气参数测试设计。将虚拟仪器技术、数据采集技术与测试有机的结合起来，应用图形化编程软件Labview实现电网电气参数测试，使电气参数测量从纯硬件方式变换为硬软件结合的数字系统结构，其测试结果的精度高，稳定性强，可扩展性能好。利用NI公司的虚拟仪器软件Labview来实现参数测量的，是虚拟仪器测量技术的一种。此系统具有测量精度高、便携、升级简单、适用而广等优点。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。课题要求基本如下：1 掌握数据采集技术与方法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量方法，重点了解模拟量与数字量的转换器件低压电器电气参数测试算法研究4 电气参数测试算法研究5 完成系统总体设计和各子模块设计6 完成