基于LabVIEW的电力系统自动化虚拟实验平台设计

中北大学 2013 届本科毕业设计说明书第 I 页 共页基于 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。 中北大学 2013 届本科毕业设计说明书第 II 页 共页Design automation of electric power systems of virtual experiment platform based on LabVIEWAbstractVirtual instrument is based on computer related hardware and software is built up, with the visual interface of the instrument, which combines the test theory, theory and technology equipment, computer interface technology, high-speed bus technology and graphics software programming technology is equal to one, many functions to achieve the instrument by using the digital computer processing ability strong., breaking the traditional instruments of the framework, the formation of a new instrument model.This paper first introduces the development trend of the present situation of electric power system and virtual instrument technology and the future, knowledge about relevant technology, virtual instrument LabVIEW, and then expounds the theory on the experimental platform of power system, given the relevant graphic experiment platform for power system. Based on the analysis of the design function, introduces the module design, LabVIEW multithreading technology, the front panel and the programming flow diagram are given.The design of virtual the whole process of a power system and generator grid-connected power system, according to the knowledge of a complete experimental platform to make.Key words: Virtual Instrument; Power System Automation; LabVIEW; Experimental Platform.中北大学 2013 届本科毕业设计说明书第 III 页 共页目录1 绪论 .11.1 引言 .11.2 技术背景 .11.2.1 电力系统自动化平台的发展现状 .11.2.2 虚拟仪器的国内外现状 .21.3 本课题相关理论 .41.4 虚拟仪器的相关技术 .51.4.1 虚拟仪器的概念 .51.4.2 虚拟仪器的组成及与传统仪器的对比 .51.4.3 虚拟仪器的硬件技术 .61.4.4 虚拟仪器系统组建方案 .81.4.5 虚拟仪器的软件技术 .91.5 LabVIEW 的相关技术 .101.5.1 LabVIEW 的基本概念 .101.5.2 LabVIEW 编程相关知识 .102 电力系统自动化实验平台的总体方案设计 .122.1 实验平台的基本任务 .122.2 实验平台的相关设备 .122.2.1 发电机组 .122.2.2 试验操作台 .122.2.3 无穷大系统 .142.2.4 模拟输电线路 .142.3 实验平台的操作 .15中北大学 2013 届本科毕业设计说明书第 IV 页 共页2.3.1 无穷大系统 .152.3.2 发电机组的操作 .152.3.3 模拟输电线路的操作 .162.4 同步发电机的原理 .172.5 同步发电机的相关数据 .182.6 同步发电机的励磁系统 .182.6.1 发电机获得励磁电流的几种方式 .182.6.2 发电机与励磁电流的有关特性 .193 系统软件设计的相关技术 .213.1 程序模块化设计概述 .213.1.1 程序设计的模块化原则 .213.1.2 软件系统的模块化设计原则 .223.1.3 软件系统模块化在本设计中的应用 .233.2 多线程技术 .233.2.1 Windows 的多线程机制 .233.2.2 LabVIEW 与多线程 .233.2.3 多线程技术在本设计中的应用 .244 具体的电力系统自动化实验平台的实现 .254.1 系统电源 .254.2 电机电源系统和速度提示 .254.3 并网及控制系统 .274.4 波形显示系统 .294.5 VI 程序保护 .314.6 总程序框图 .31中北大学 2013 届本科毕业设计说明书第 V 页 共页总结 .33参考文献 .34致谢 .37中北大学 2013 届本科毕业设计说明书第 1 页，共 38 页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中北大学 2013 届本科毕业设计说明书第 2 页，共 38 页学体系，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。中北大学 2013 届本科毕业设计说明书第 3 页，共 38 页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 Visual C+，Visual Basic，以及 HP 公司的VEE 和 NI 公司的 LabVIEW、Lab Windows/CVI 等。 VC、VB、Lab Windows/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。中北大学 2013 届本科毕业设计说明书第 4 页，共 38 页(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(Measurement and Control Networks)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 45。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 12 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 11 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。中北大学 2013 届本科毕业设计说明书第 5 页，共 38 页电力系统输入信息图 11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（NationalInstruments）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 IO 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。励磁功率单元励磁调节器 发电机G中北大学 2013 届本科毕业设计说明书第 6 页，共 38 页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(Virtual Hardware，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）总线技术仪器总线中北大学 2013 届本科毕业设计说明书第 7 页，共 38 页GPIB 总线(即 IEEE 488 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 IEEE 1155 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-Dana Instruments)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 34 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。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 132264MBps，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 兼容的设备实现中北大学 2013 届本科毕业设计说明书第 8 页，共 38 页真正的“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(Universal serial bus)和 IEEE 1394 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。USB 2.0 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。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。中北大学 2013 届本科毕业设计说明书第 9 页，共 38 页(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，VXI plug&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(Interchangeable Virtual Instruments)，使程序的开发完全独立于硬件。IVI 是建立在 VXI plug&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)中的仪器中北大学 2013 届本科毕业设计说明书第 10 页，共 38 页进行控制。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。1.5 LabVIEW 的相关技术1.5.1 LabVIEW 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 “” 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。中北大学 2013 届本科毕业设计说明书第 11 页，共 38 页1.5.2 LabVIEW 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）图标连接端口VI 图标和连接端口的功能就像一个图形化参数列表，可在 VI 与 SubVI 之间传递数据。一个 VI 既可以作为上层独立程序，也可以作为其他程序的子程序，当一个 VI 作为子程序是，称作 SubVI.虚拟仪器概念是 LabVIEW 的精髓，也是 G 语言区别于其他高级语言的最显著特征。正是由于 LabVIEW 和虚拟仪器的互相作用，才给了二者更长远的发展空间 10。中北大学 2013 届本科毕业设计说明书第 12 页，共 38 页2 电力系统自动化实验平台的总体方案设计2.1 实验平台的基本任务电力系统综合自动化试验台，是为了适应现代化电力系统对宽口径“复合型”高级技术人才的需要而研制的电力类专业新型教学试验系统。此系统除用于试验教学以外，另可用于本、专科生的课程设计试验，也可作为研究生、科研人员的产品开发试验，还可作为电力系统技术人员的培训基地。本平台可以完成：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；单机带负荷实验；复杂电力系统运行方式实验；电力系统调度自动化实验等。2.2 实验平台的相关设备2.2.1 发电机组它是由同在一个轴上的三相同步发电机（S N=2.5kVA，V N=400V， nN=1500r.p.m） ，模拟原动机用的直流电动机（P N=2.2kW，V N=220V）以及测速装置和功率角指示器组成。直流电动机、同步发电机经弹性联轴器对轴联结后组装在一个活动底盘上构成可移动式机组。具有结构紧凑、占地少、移动轻便等优点，机组的活动底盘有四个螺旋式支脚和三个橡皮轮，将支脚旋下即可开机实验。2.2.2 试验操作台实验操作台是由输电线路单元、微机线路保护单元、功率调节和同期单元、仪表测量和短路故障模拟单元等组成。其中负荷调节和同期单元是由“TGS-04型微机调速装置” 、 “WL-04B 微机磁励调节器” 、 “HGWT-03 微机准同期控制器”等微机型的自动装置和其相对应的手动装置组成。（1）输电线路采用双回路远距离输电线路模型，每回线路分成两段，并设置中间开关站，使发电机与系统之间可构成四种不同联络阻抗，便于实验分析比较。中北大学 2013 届本科毕业设计说明书第 13 页，共 38 页（2） “YHB-型微机线路保护”装置是专为实验教学设计，具有过流选 相跳闸、自动重合闸功能，备有事故记录功能，有利于实验分析。在实验中可以观测到线路重合闸对系统暂态稳定性影响以及非全相运行状况。（3） “TGS-04 型微机调速装置”是针对大、中专院校教学和科研而设计的，能做到最大限度地满足教学科研灵活多变的需要。具有测量发电机转速、测量电网频率、测量系统功角、手动模拟调节、手动数字调节、微机自动调速以及过速保护等功能。（4） “WL-04B 微机励磁调节器”其励磁方式可选择：它励、自并励两种：控制方式可选择恒 UF、恒 IL、恒、恒 Q 等四种；设有定子过电压保护和励磁电流反时限延时过励限制、最大励磁电流瞬时限制、欠励限制、伏赫限制等励磁限制功能；设有按有功功率反馈的电力系统稳定器（PSS） ；励磁调节器控制参数可在线修改，在线固化，灵活方便，并具有实验录波功能，可以记录UF、IL、UL、P、Q、等信号的时间响应曲线，供实验分析用。（5）HGWT-03 微机准同期控制装置，它按恒定越前时间原理工作，主要特点如下：可选择全自动准同期合闸；可选择半自动准同期合闸；可测定断路器的开关时间；可测定合闸误差角；可改变频差允许值，电压差允许值，观察不同整定值时的合闸效果；按定频调宽原理实现均频均压控制，自由整定均频均压脉冲宽度系数，自由整定均频均压脉冲周期；观察不同整定值时的均频均压效果；可观察合闸脉冲相对于三角波的位置，测定越前时间和越前角度；可自由整定越前（开关）时间；输出合闸出口电平信号，供实验录波之用。（6）仪表测量和短路故障模拟单元由各种测量表计及其切换开关、各种带灯操作按钮和各种类型的短路故障操作等部分组成。实验操作台的“操作面板”上有模拟接线图，操作按钮与模拟接线图中被操作的对象结合起来，并用灯光颜色表示其工作状态，具有直观的效果。试验数据可以通过测量仪表和 LED 数码显示得出，还可显示出同步发电机功率角、可控硅角等量。同时可以通过数字存贮示波器，观测到发电机电压、系统电压、励磁电压以及准同期时的脉动电压等电压波形，甚至可以观测各可控硅上的电压波形以及各种控制的脉冲波形，还可以同时观测到同步发电机短中北大学 2013 届本科毕业设计说明书第 14 页，共 38 页路时的电流、电压波形等。2.2.3 无穷大系统无穷大电源是由 15kVA 自耦调压器组成。通过调整自耦调压器的电压可以改变无穷大母线的电压。试验操作台的“操作面板”上有模拟接线图、操作按钮和切换开关以及指示灯和测量仪表等。操作按钮与模拟接线图中被操作的对象结合在一起，并用灯光颜色表示其工作状态，具有直观的效果。红色灯亮表示开关在合闸位置，绿色灯亮表示开关在分闸位置在试验操作台的“操作面板”左下方有