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辽宁科技大学本科生毕业论文 第 I 页 介质损耗角检测系统的研究与设计 摘要摘要 电力系统中检测高压设备的运行可靠性和发现电气绝缘方面缺陷 介质损耗角的 测量必不可少 介质损耗角是一项反映高压电气设备绝缘性能的重要指标 本文介绍 了介质损耗角的基本概念和其意义 简单分析了介质损耗角检测的传统方法 详细介 绍了测量介损角的数字测量方法 基波相位分离法 提出了一种非同步采样条件下 采用基波相位分离法的补偿算法 即采用等时间间隔电压 电流信号进行采样 同时 对信号周期波动产生的误差进行补偿 基于该算法合理配置测量系统的硬件实现方案 采用美国国家仪器公司 NI 研制开发的实验室虚拟仪器工程平台 LabVIEW 对其进 行仿真和试验 仿真和试验结果表明该算法在增加较少运算量的同时提高了介质损耗 角的测量精度 开发出的测量系统很好的实现了电容型设备介质损耗角的在线检测 它突破了传统检测方法在数据处理 显示等方面的限制 并具备很高的智能度和性价 比 关键词 介质损耗角 虚拟仪器 labVIEW 非同步采样算法 辽宁科技大学本科生毕业论文 第 II 页 Research and design of measurement system of dielectric loss angle Abstract It is indispensable to measure the dielectric loss angle in the process of measuring the working security of electric equipment and discovering the defect of electrical insulation in the system of electric power The dielectric loss plays an important role to reflect the insulated property of high voltage electric equipment The concept and significance of dielectric loss angle is introduced in this paper The traditional methods and a digital method called fundamental harmonic phase separation of measurement of dielectric loss angle is analyzed An algorithm for fundamental harmonic phase separation under asynchronous sampling is gave that the voltage and current signals were sampled by equal time intervals and errors caused by the signal period fluctuation were compensated The hardware implementation for a measuring system based on the algorithm was described in this paper The scheme is simulated and tested by LabVIEW Laboratory Virtual Instrument Engineering Workbench which is invented by NI co The results of simulation and tests show that measuring system invented implement measurement of electric capacity equipment on line It breaks the limit of handling and showing data in the traditional measurement which has higher intelligent ability and ratio between property and price Key words dielectric loss angle virtual instruments LabVIEW asynchronous sampling 辽宁科技大学本科生毕业论文 第 III页 目 录 摘 要 ABSTRACT 1 绪论 1 1 1 电气设备的绝缘故障及其危害性 1 1 2 在线监测绝缘状况在国内外的发展及趋势 1 1 3 介质损耗及介质损耗角 2 1 3 1 介质损耗的概念 2 1 3 2 介质损耗的基本形式 2 1 3 3 介质损耗角 2 1 4 介质损耗检测的意义及其注意问题 3 2 虚拟仪器简介 5 2 1 虚拟仪器概述 5 2 2 虚拟仪器的特点 5 2 3 虚拟仪器技术的发展 6 2 4 虚拟仪器的分类 6 2 5 虚拟仪器的应用 8 2 6 虚拟仪器技术的三个组成部分 8 2 7 虚拟仪器技术的四大优势 9 3 LABVIEW 开发平台 11 3 1 LABVIEW 的发展 11 3 2 LABVIEW 的结构 11 3 3 LabVIEW 的优 势 13 4 介质损耗检测方法 15 4 1 电桥法 15 辽宁科技大学本科生毕业论文 第 IV 页 4 2 伏安法 16 4 3 自由轴法 17 4 4 相位差法 17 4 5 过零点电压比较法 18 4 6 基波相位分离法 19 4 7 介质损耗角的异频检测 20 5 基于基波相位分离法的非同步采样补偿算法 21 6 基于非同步采样补偿算法的在线检测 VI 设计 23 6 1 虚拟信号发生器的设计 23 6 2 虚拟正弦电压 电流信号设计 24 6 3 波形采样和测量模块 27 6 4 公式运算模块 28 6 5 程序线路连接图 29 6 6 介质损耗角的仿真测量 32 7 介质损耗角检测系统的设计 33 7 1 系统的总体结构 33 7 2 信号采集 33 7 3 信号处理 33 7 4 信号传输与通信 34 7 5 数据分析与判断和数据显示 34 结论 35 致谢 36 参考文献 37 辽宁科技大学本科生毕业论文 第 V 页 辽宁科技大学本科生毕业论文 第 1 页 1 绪论 1 1 电气设备的绝缘故障及其危害性 电气设备是组成电力系统的基本元件 是保证供电可靠性的基础 1 无论是大型关 键设备如发电机 变压器 还是小型设备如电力电容器 绝缘子等 一旦发生失效 必将引起局部甚至全部地区的停电 而导致设备失效的主要原因是其绝缘性能的劣化 绝缘劣化有很多原因 不仅电应力可引起绝缘劣化 导致绝缘故障 而且机械力或热 的作用 或者和电场的共同作用 最终也会发展为绝缘性故障 例如 变压器短路故 障产生的巨大电磁力会引起绕组变形 使绝缘受损而导致发生匝间击穿 变压器内局 部过热可导致油温上升 使绝缘过热而发生裂解 最后发展为放电性绝缘故障 鉴于 绝缘故障在电力故障中所占的比重及其后果的严重性 电力运行部门历来十分重视电 气设备的绝缘监督 1 2 目前在线监测绝缘状况在国内外发展及趋势 20 世纪 60 年代 美国最先开发监测和诊断技术 成立了庞大的故障研究机构 在 20 世纪 60 年代初 美国即已使用可燃气体总量 TCG 检测装置 来测定变压器 储油柜油面上的自由气体 以判断变压器的绝缘状态 但这种装置对潜伏性故障无能 为力 针对这一局限性 日本等国研究使用气相色谱仪 在分析自由气体的同时 分 析油中溶解气体 有利于发现早期故障 但其主要缺点是要取油样 需要在实验室进 行分析 试验时间长 故不能在线连续监测 20 世纪 70 年代中期 能使油中气体分离 的高分子塑料渗透膜的发明和应用 解决了在线连续监测问题 20 世纪 70 年代以来 前苏联的在线监测技术发展也很快 特别是电容性设备绝缘监测和局部放电的在线监 测 自 20 世纪 80 年代 我国在线监测技术也得到了迅速发展 各省电力部门都研制 了电容性设备的监测装置 主要监测电力设备的介质损耗 电容值 三相不平衡电流 2 从国内外发展状况的总体来看 目前多数监测系统的功能还比较单一 今后在线监测 技术的发展趋势应是 1 多功能多参数的综合监测和诊断 即同时监测能反映其电气设备绝缘多个特 征 参数 2 对电站或变电站的整个电气设备实行集中监测和诊断 形成一套完整的分布 辽宁科技大学本科生毕业论文 第 2 页 式 在线监测系统 3 不断提高监测系统的可靠性和灵敏度 4 在不断积累监测数据和诊断经验的基础上 发展人工智能技术 建立人工神 经 网络专家系统 实现绝缘诊断的自动化 1 3 介质损耗及介质损耗角 对于电容型绝缘设备 通过对其介电特性的监测 可以发现尚处于早期发展阶段 的缺陷 反映介电特性的参数有介质损耗角正切 电容值和电流值 I 是tan x Ctan 设备绝缘的局部缺陷中 由介质损耗引起的有功电流分量 Ir 和设备总电容电流 Ic之比 3 它对发现绝缘的整体劣化 例如 绝缘均匀受潮 较为灵敏 而对局部缺陷 即体积 只占介质中较小部分缺陷和集中缺陷 则不易用测方法实现 tan 1 3 1 介质损耗的概念 电介质在电场作用下 加电压后 要发生极化过程和电导过程 4 有损极化过程 中 有能量损耗 在电导过程中 电导性泄露电流流过绝缘电阻当然也有能量损耗 损耗 程度一般用单位时间内损耗的能量 即损耗功率表示 电介质出现功率损耗的过程称 为介质损耗 显然 介质损耗过程随极化过程和电导过程同时进行 换句话说 由于极化 电 导过程的存在才有损耗过程 电介质损耗掉的能量也就是电能全部转变成了热能 使 电介质温度升高 若介质损耗过大 则电介质温度将升的过高 这将加速电介质的热 分解与老化 最终导致绝缘性能的完全失去 1 3 2 介质损耗的基本形式 1 电导损耗是由泄露电流流过电介质而引起的损耗 2 极化损耗是由有损极化引起的损耗 3 游离损耗是气体间隙的电晕放电以及液固体电介质内部气泡中的局部放电所 引起的附加损耗 辽宁科技大学本科生毕业论文 第 3 页 由于电介质的极化 电导过程很微弱 所以气体电介质的介质损耗是极小的 但 是液体固体电介质在运行过程中的介质损耗就不能忽略 在直流电压作用下 液体固 体电介质的电导损耗占主导 其余可忽略 在交流电压作用下 极化损耗就不能忽略 1 3 3 介质损耗角 介质损耗角是在交变电场下 电介质内流过的电流向量和电压向量之间的夹角 即功率向量角 的余角 简称介损角 5 如果取得试品的电流向量和电压向量 I 则可以得到向量图 U 图 1 1 介质损耗角等效电路及电路图 介质损耗角 介损角 是一项反映高压电气设备绝缘性能的重要指标 介损角的 变化可反映受潮 劣化变质或绝缘中气体放电等绝缘缺陷 因此测量介损角是研究绝 缘老化特征及在线监测绝缘状况的一项重要内容 而在实际测量中 由于介损角很小 所以需要测量系统有较高的测量精度 这样才能正确及时地反映介损角的变化 人们 一直在研究介损角测量方法 每种方法都有其自身的特点 随着电子工业及计算机的 迅速发展和广泛应用 数字化测量手段涌现出来 并且其运用的各种算法也有很多 数字化测量方法求取介损角即对电压 电流信号进行数字化采样后在通过一定的算法 求出介损角 目前工业上常用的算法是基波相位分离法 1 4 介质损耗检测的意义及其注意问题 1 在绝缘设计时 必须注意绝缘材料的值 若值过大则会引起严重发tan tan 热 使绝缘加速老化 甚至可能导致热击穿 而在直流电压下 较小而可用于制tan 造直流或脉冲电容器 2 值反映了绝缘的状况 可通过测量 f 的关系曲线来判断从良状tan tan 辽宁科技大学本科生毕业论文 第 4 页 态向劣化状态转化的进程 故的测量是电气设备绝缘试验中的一个基本项目 tan 3 通过研究温度对值的影响 力求在工作温度下的值为最小值而避开tan tan 最大值 4 极化损耗随频率升高而增大 尤其电容器采用极性电介质时 其极化损耗随 频率升高增加很快 当电源中出现高次 如 3 次 5 次 谐波时 就很容易造成电容器 绝缘材料因过热而击穿 5 用于冲击测量的连接电缆 其绝缘的必须很小 否则所测冲击电压通过tan 电缆后将发生严重的波形畸变 影响到测量的准确性 辽宁科技大学本科生毕业论文 第 5 页 2 虚拟仪器简介 2 1 虚拟仪器概述 从 20 世纪 70 年代提出智能仪器的概念到目前最新发展的虚拟仪器的思想 人们 对 测量仪器功能设计和应用的认识呈现出不断发展和深化的过程 从通用接口总线 GPIB 到 个人仪器 再发展到图型化编程环境 LabVIEW HP VEE 等 使得虚拟仪器的思想 为工业界所接受 促进了相关硬件和软件技术的发展 软件就是仪器 它能最本质 地刻画出虚拟仪器的特征 6 所谓虚拟仪器 virtual instrument 就是在通用计算机平台上 用户根据需求来定 义和设计仪器的测试功能 其实质是充分利用计算机的最新技术来实现和扩展传统仪 器的功能 计算机和仪器的密切结合是目前仪器发展的一个重要方向 粗略地说这种 结合有两种方式 一种是将计算机装入仪器 其典型的例子就是所谓智能化的仪器 随着计算机功能的日益强大以及其体积的日趋缩小 这类仪器功能也越来越强大 目 前已经出现含嵌入式系统的仪器 另一种方式是将仪器装入计算机 以通用的计算机 硬件及操作系统为依托 实现各种仪器功能 虚拟仪器主要是指这种方式 2 2 虚拟仪器特点 与传统仪器相比 虚拟仪器在智能化程序 处理能力 性能价格比 可操作性等 方面都具有明显的技术优势 具体表现为 1 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 2 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 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 辽宁科技大学本科生毕业论文 第 6 页 3 可操作性强 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 2 3 虚拟仪器技术的发展 虚拟仪器从概念的提出到目前技术的日趋成熟 体现了计算机技术对传统工业的 革命 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 1 硬件技术的发展 要保证虚拟仪器具备与传统仪器匹配的实时处理能力和可 靠性 很重要的一点是取决于传输测量数据的总线结构 在虚拟仪器中 其分析功能 是由计算机来完成的或由计算机来控制的 因此 接口 总线的速度和可靠性是关键 VXI 总线标准的建立 使得用户可以像仪器厂商一样 从访问寄存器这样的低层资源 来设计和安排仪器功能 也使得用户化仪器功能设计得以实现 VXI 总线的出现 使 得虚拟仪器设计有了一个高可靠性的硬件平台 目前已出现了用于射频和微波领域的 高端 VXI 仪器 当然 采用普通 PC 总线 尤其是工业 PCI 总线的虚拟仪器也在不断 发展 这类虚拟仪器主要面向一般工业控制 过程监测和实验室应用 2 软件技术的发展 除了硬件技术外 软件技术的发展和有关国际标准的建立 也是推动虚拟仪器技术发展的决定性因素之一 在 GPIB 接口总线出现以后 关于程控 仪器的句法格式 信息交换协议和公用命令的标准化 一直是人们关心的问题 标准 程序命令 SCPI 标准的建立 向解决程控命令与仪器厂家无关这一目标迈进了重要的 一步 随着虚拟仪器思想的深入 用户自己开发仪器驱动器已成为技术发展的客观要 求 过去仪器驱动都是由仪器厂家专门设计 缺乏标准 使得用户在仪器软件方面的 投资得不到保护 为此 国际上专门制定了虚拟仪器软件体系 VISA 标准 建立了与 仪器接口总线无关的标准 I O 软件 与 Labview HP VEE Labwindows 等先进开发 环境软件相适应 开发一个用户定制的虚拟仪器在软件技术上已经成熟 可以预计 未来电子测量仪器和自动化测试技术的发展还将更多地渗透虚拟仪器的思想 辽宁科技大学本科生毕业论文 第 7 页 2 4 虚拟仪器的分类 虚拟仪器的发展随着微机的发展和采用总线方式的不同 可分为五种类型 1 PC 总线 插卡型虚拟仪器 这种方式借助于插入计算机内的数据采集卡与 专用的软件如 LabVIEW 相结合 注 美国 NI 公司的 LabVIEW 是图形化编程工具 它可以通过各种控件自已组建各种仪器 构成测试系统 它充分利用计算机的总线 机箱 电源及软件的便利 但是受 PC 机箱和总线限制 且有电源功率不足 机箱内部 的噪声电平较高 插槽数目也不多 插槽尺寸比较小 机箱内无屏蔽等缺点 另外 ISA 总线的虚拟仪器已经淘汰 PCI 总线的虚拟仪器价格比较昂贵 2 并行口式虚拟仪器 最新发展的一系列可连接到计算机并行口的测试装置 它 们把仪器硬件集成在一个采集盒内 仪器软件装在计算机上 通常可以完成各种测量 测试仪器的功能 可以组成数字存储示波器 频谱分析仪 逻缉分析仪 任意波形发 生器 频率计 数字万用表 功率计 程控稳压电源 数据记录仪 数据采集器 美 国 LINK 公司的 DSO 2XXX 系列虚拟仪器 它们的最大好处是可以与笔记本计算机相 连 方便野外作业 又可与台式 PC 机相连 实现台式和便携式两用 非常方便 由于 其价格低廉 用途广泛 特别适合于研发部门和各种教学实验室应用 3 GBIB 总线方式的虚拟仪器 GPIB 技术是 IEEE488 标准的虚拟仪器早期的发 展阶段 它的出现使电子测量独立的单台手工操作向大规模自动测试系统发展 典型 的 GPIB 系统由一台 PC 机 一块 GPIB 接口卡和若干台 BPIB 形式的仪器通过 GPIB 电 缆连接而成 在标准情况下 一块 GPIB 接口可带多达 14 台仪器 电缆长度可达 40 米 GPIB 技术可用计算机实现对仪器的操作和控制 替代传统的人工操作方式 可以很多 方便地把多台仪器组合起来 形成自动测量系统 GPIB 测量系统的结构和命令简单 主要应用于台式仪器 适合于精确度要求高的 但不要求对计算机高速传输状况时应 用 4 VXI 总线方式虚拟仪器 VXI 总线是一种高速计算机总线 VME 总线在 VI 领 域的扩展 它具有稳定的电源 强有力的冷却能力和严格的 RFI EMI 屏蔽 由于它的 标准开放 结构紧凑 数据吞吐能力强 定时和同步精确 模块可重复利用 众多仪 器厂家支持的优点 很快得到广泛的应用 经过十多年的发展 VXI 系统的组建和使 用越来越方便 尤其是组建大 中规模自动测量系统以及对速度 精度要求高的场合 辽宁科技大学本科生毕业论文 第 8 页 有其他仪器无法比拟的优势 然而 组建 VXI 总线要求有机箱 零槽管理器及嵌入式 控制器 造价比较高 5 PXI 总线方式虚拟仪器 PXI 总线方式是 PCI 总线内核技术增加了成熟的技术 规范和要求形成的 增加了多板同步触发总线的技术规范和要求形成的 增加了多板 发总线 以使用于相邻模块的高速通讯的局总线 PXI 的高度可扩展性 PXI 具有 8 个 扩展槽 而台式 PCI 系统只有 3 4 个扩展槽 通过使用 PCI PCI 桥接器 可扩展到 256 个扩展槽 台式 PC 的性能价格比和 PCI 总线面向仪器领域的扩展优势结合起来 将形成未来的虚拟仪器平台 总的来说 虚拟仪器的发展过程有两条线 一 GPIB VSI PXI 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 20 世纪 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 综上所述 虚拟仪器的发展取决于三个重要因素 1 计算机是载体 2 软件 是核心 3 高质量的 A D 采集卡及调理放大器是关键 2 5 虚拟仪器的应用 虚拟仪器的功能和性能已被不断地提高 如今在许多应用中它已成为传统仪器的主 要替代方式 随着 PC 半导体和软件功能的进一步更新 未来虚拟仪器技术的发展将 为测试系统的设计提供一个极佳的模式 并且在测量和控制方面都有无以伦比的强大 功能和灵活性 可广泛应用于电子测量 振动分析 声学分析 故障诊断 航天航空 军事工程 电力工程 机械工程 建筑工程 铁路交通 地质勘探 生物医疗 教学 及科研等诸多方面 虚拟仪器的各种优点让用户可以放心地舍弃旧的传统测量设备 接受更新型 以 计算机为基础的虚拟仪器系统 由于计算机的性能价格比不断改进 使虚拟仪器的价 格更为大众化 用户不必再受限于传统仪器的使用限制和昂贵的价格 进一步降低了 使用成本 减少了系统的开发费用和系统的维护费用 此外 新型笔记本电脑又把虚 拟仪器的便携性和强大功能推向一个新的水平 所有这些必将加快虚拟仪器的发展 使它的功能和应用领域不断增强和扩大 辽宁科技大学本科生毕业论文 第 9 页 2 6 虚拟仪器技术的三个组成部分 1 高效的软件 软件是虚拟仪器技术中最重要的部份 使用正确的软件工具并 通过设计或调用特定的程序模块 工程师和科学家们可以高效地创建自己的应用以及 友好的人机交互界面 提供的行业标准图形化编程软件 LabVIEW 不仅能轻松方 便地完成与各种软硬件的连接 更能提供强大的后续数据处理能力 设置数据处理 转换 存储的方式 并将结果显示给用户 此外 还提供了更多交互式的测量工具和 更高层的系统管理软件工具 例如连接设计与测试的交互式软件 SignalExpress 用于 传统 C 语言的 LabWindows CVI 针对微软 Visual Studio 的 Measurement Studio 等等 均可满足客户对高性能应用的需求 有了功能强大的软件 您就可以在仪器中创建智 能性和决策功能 从而发挥虚拟仪器技术在测试应用中的强大优势 2 模块化的 I O 硬件 面对如今日益复杂的测试测量应用 已经提供了全方位 的软硬件的解决方案 无论您是使用 PCI PXI PCMCIA USB 或者是 1394 总线 都能 提供相应的模块化的硬件产品 产品种类从数据采集 信号条理 声音和振动测量 视觉 运动 仪器控制 分布式 I O 到 CAN 接口等工业通讯 应有尽有 高性能的硬 件产品结合灵活的开发软件 可以为负责测试和设计工作的工程师们创建完全自定义 的测量系统 满足各种独特的应用要求 3 用于集成的软硬件平台 专为测试任务设计的 PXI 硬件平台 已经成为当今 测试 测量和自动化应用的标准平台 它的开放式构架 灵活性和 PC 技术的成本优势 为测量和自动化行业带来了一场翻天覆地的改革 PXI 作为一种专为工业数据采集与 自动化应用度身定制的模块化仪器平台 内建有高端的定时和触发总线 再配以各类 模块化的 I O 硬件和相应的测试测量开发软件 您就可以建立完全自定义的测试测量 解决方案 无论是面对简单的数据采集应用 还是高端的混合信号同步采集 借助 PXI 高性能的硬件平台 您都能应付自如 这就是虚拟仪器技术带给您的无可比拟的 优势 2 7 虚拟仪器的四大优势 1 性能高 虚拟仪器技术是在 PC 技术的基础上发展起来的 所以完全 继承 了以现成即用的 PC 技术为主导的最新商业技术的优点 包括功能超卓的处理器和文件 I O 使您在数据高速导入磁盘的同时就能实时地进行复杂的分析 此外 不断发展的 辽宁科技大学本科生毕业论文 第 10页 因特网和越来越快的计算机网络使得虚拟仪器技术展现其更强大的优势 2 扩展性强 这些软硬件工具使得工程师和科学家们不再圈囿于当前的技术中 得益于软件的灵活性 只需更新您的计算机或测量硬件 就能以最少的硬件投资和极 少的 甚至无需软件上的升级即可改进您的整个系统 在利用最新科技的时候 您可 以把它们集成到现有的测量设备 最终以较少的成本加速产品上市的时间 3 开发时间少 在驱动和应用两个层面上 NI 高效的软件构架能与计算机 仪 器仪表和通讯方面的最新技术结合在一起 设计这一软件构架的初衷就是为了方便用 户的操作 同时还提供了灵活性和强大的功能 使您轻松地配置 创建 发布 维护 和修改高性能 低成本的测量和控制解决方案 4 无缝集成 虚拟仪器技术从本质上说是一个集成的软硬件概念 随着产品在 功能上不断地趋于复杂 工程师们通常需要集成多个测量设备来满足完整的测试需求 而连接和集成这些不同设备总是要耗费大量的时间 虚拟仪器软件平台为所有的 I O 设备提供了标准的接口 帮助用户轻松地将多个测量设备集成到单个系统 减少了任 务的复杂性 辽宁科技大学本科生毕业论文 第 11页 3 LabVIEW 开发平台 LabVIEW 是美国国家仪器公司 NI 的创新软件产品 其全称是实验室虚拟仪器 工程平台 Laboratory Virtual Instrument Engineering Workbench 是一种基于 G 语言 Graphics Language 图形化编程语言 的测试系统软件开发平台 虚拟仪器技术作为 测试工程的一个新的研究方向 推动了测试技术的整体发展 LabVIEW 并不局限于虚 拟仪器的开发 它的作用是为了大型复杂测试系统提供通用的软件开发平台 目前 LabVIEW 已经成为测试领域应用最广泛和最有前途的软件开发平台之一 3 1 LabVIEW 的发展 自 NI 公司 1986 年正式推出 LabVIEW1 0 以来 经不断改进和完善 现已发展至 8 2 版本 它包括控制与仿真 高级数字信号处理 统计过程控制 模糊控制 PDA 和 PID 等众多附加软件包 可运行于 Windows Linux Macintosh 和 UNIX 等多种平 台 已成为测试界一种标准的软件开发环境 广泛应用于航空 航天 通信 汽车 电子半导体和生物医学等众多领域 不同领域的科学家和工程师都借助这个易学 易 用的软件来解决工作 工程中的各种测试应用课题 LabVIEW 已经成为目前应用最广 发展最快 功能最强的图形化软件开发集成环境之一 3 2 LabVIEW 的结构 利用 LabVIEW 开发测试系统软件 涉及两个主要部分 前面板和流程图 又称程 序框图 前面板是指一些图形化的测试界面 如图所示 即测试程序开发完成后 用户运 行时所展现的各种测试交互接口 包括菜单 参数设置 结果显示等 LabVIEW 前面板如图 3 1 辽宁科技大学本科生毕业论文 第 12页 图 3 1 LabVIEW 前面板 流程图是指测试程序的内部运行结构 是测试系统结构 数据处理的流程 如图 所示 测试程序绝大部分工作是在流程图中完成的 开发完成的测试程序在运行时流 程图是不可见的 它和文本式开发平台 如 VC 中的 h cpp 等文件的作用是一 样的 知识 LabVIEW 流程图的开发是图形化的 更简单 高效 直观 LabVIEW 流程图如图 3 2 图 3 2 LabVIEW 流程图 辽宁科技大学本科生毕业论文 第 13页 3 3 LabVIEW 的优势 当今软件日新月异 各种软件开发平台前涌后出 和大多数科学技术发展道路一 样 专业化已成为软件发展的趋势 用于测试工程的软件开发平台有很多 VC VB Delphi 等传统软件开发平台 为众多编程人员所熟悉 也可以用来开发测试软件 但这种开发方式对测试人员要求 很高 需要自己将各种数据处理方法用计算机语言实现 还要对用于数据通信的各种 连接总线 如 RS232 GPIB USB 等 非常熟悉 绝大多数测试工程人员难以做到 或者需要花费大量的时间来研究 而懂得这些编程方法的人员又不一定懂得测试 因 此用这种平台开发测试工程软件难度大 周期长 费用高 可扩展性差 顺应形势的 发展 一些专业测试开发平台纷纷推向市场 如 HPVEE 组态软件平台 TPS 平台等 但这些平台的专用性太强 可扩展性 通用性比较差 NI 公司作为测试领域最指明的公司之一 LabWindows CVI 和 LabVIEW 是其推出 的两款专业测试软件开发平台 前者基于 C 的文本式编程 适合熟悉 C C 编程的 测试软件开发人员使用 后者是 NI 公司开发的测试软件旗舰产品 是图形化编程环境 的引领者 是测试软件开发的趋势 概括的说 LabVIEW 作为测试软件开发平台有如下特点和优点 1 图形化编程环境 LabVIEW 的基本编程单元是图标 不同的图标表示不同的 功能模块 用 LabVIEW 编写程序的过程也就是多个图标用连线起来的过程 连线表示 功能模块之间存在数据的传递 被连接的对象之间的数据流控制着执行程序 并允许 有多个数据通路同步运行 其编程过程近似人的思维过程 直观易学 编程效率高 无须编写任何文本格式的代码 易为多数工程技术人员接受 2 可重用性高 LabVIEW 继承并发展了结构化和模块化程序设计概念 使测试 程序能够很好地体现分层性 模块化 即可以把任意一个测试程序当作顶层程序 也 可将其当做其他测试程序的子程序 这样用户就可以把一个复杂的应用任务分解为一 系列 多层次的子任务 通过为每个子任务设置不同的功能 并将这些测试子程序进 行适当的组合 修改 交叉和合并等 就可以在顶层最终建成一个所有应用功能的测 试系统 3 开发功能高效 通用 LabVIEW 是一个带有扩展功能库和子程序库的通用程 序设计系统 提供数百种功能模块 类似其他计算机语言的子程序或函数 包括算术 辽宁科技大学本科生毕业论文 第 14页 运算 函数运算 信号采集 信号输出 数据存取 信号分析处理 数据通信等功能 模块 涵盖了测试的各个环节 用户通过拖放及简单的连线 接可以在极短的时间内 设计好一个高效而使用的测试软件 再配以响应的硬件就可以完成各种测试任务 这 样既节约了时间 又可提高测试的可控制性及测试速度 4 支持多种仪器和数采硬件的驱动 LabVIEW 提供了数百种仪器的源码级驱动 程序 包括 DAQ GPIB IEEE488 PXI VXI RS232 根据需要还可以在 LabVIEW 中自行开发各种硬件驱动程序 也可以通过动态链接库 DLL 利用其他语 言开发函数库 从而进一步扩展其功能 5 查错 调试能力强大 LabVIEW 的查错 调试功能也非常强大 程序查错无 须先编译 只要有语法错误 LabVIEW 就会自动显示并给出错误的类型 原因及准确 位置 进行程序调试时 既有传统的程序调试手段 如设置断点 单步运行等 又有 独到的高亮执行工具 就像电影中的慢镜头一样 使程序动画式执行 利于设计者观 察程序运行细节 同时可以在任何位置插入任意多的数据探针 程序在调试状态下运 行时 LabVIEW 会给出各探针的具体位置 通过观察数据流的变化情况 程序运行的 逻辑状态 就可以来寻找错误 判断原因 从而大大缩短程序调试时间 6 支持多种操作系统 LabVIEW 支持多种系统平台 在任何一个平台上开发的 LabVIEW 应用程序都可以直接移植到其他平台上 7 网络功能强大 LabVIEW 支持常用网络协议 如传输控制协议 TCO IP 和 用户数据报协议 UDP 方便网络 远程测控系统的开发 8 开放性强 LabVIEW 具有很强的开放性 是一个开放的开发环境 能和第三 方软件轻松连接 通过 LabVIEW 可以把现有的应用程序和 NET 组件 ActiveX DLL 等相连 可以和 MATLAB 混合编程 也可以在 LabVIEW 中创建能在其他软件环境中 调用的独立执行程序或动态链接库 辽宁科技大学本科生毕业论文 第 15页 4 介质损耗角检测的方法 4 1 电桥法 电桥法历史悠久 具有较高的灵敏度 典型代表是西林电桥 7 用交流电桥平衡 时 比较桥臂阻抗即可得到被测参数 测量原理图如图 4 1 所示 Cx Rx Cn G U2 U1 R3 C4 R4 图 4 1 西林电桥测量介质损耗角原理图 图 4 1 中 Cx Rx为被测试品阻抗 Cn为标准电容器容抗 C4 R4为标准可变电 容和固定标准电阻并联阻抗 R3为可调标准电阻 G 为灵敏电流记 根据电桥原理可得 Z3Zn ZxZ4 4 1 其中 Zx为被测试品阻抗 Zn为标准电容器的容抗 Z3为标准电阻 Z4为标准可变电 容 C4和固定标准电阻 R4并联阻抗 因此可得 Z3 R3 Zn 1 j n C 4 2 Z4 4 3 4 44 j1 j CR CR 44 4 j1RC R 被试品阻抗 ZX可以等值为电阻与电容串联 也可以等值为电阻与电容的并联 辽宁科技大学本科生毕业论文 第 16页 1 当 Rx与 Cx串联时 有 ZX 4 4 X X C R j 1 X XX C RC j j1 将以上各阻抗值代入式 4 9 中 4 5 44 4 j1j j1 RC R C RC X XX 3 4 j R C 经整理 根据复数运算规律 实部 实部 虚部 虚部 可得 4 6 4 Xn 3 4 X3 n R CC R C RR C RX R3C4 Cn 从串联等值电路可知 其介质损耗因数的公式为 tan tan xx C R 4 7 将式 4 6 代入式 4 7 得 44 tanC R 4 8 2 当为并联等值电路时 其公式计算方法与上述同 亦可得出公式 CX C0R3 R4 4 9 44 tanC R 4 10 电桥法的优点是较准确 可靠 但是要求比较严格 工艺烦琐 并且监测前要对 低压桥臂 R3 C4 R4 进行调整 使 G 指向零点 所以增加了操作的复杂性 4 2 伏安法 基本原理是根据被测试品的端电压向量和流过被测试品电流向量之比 可得到被 测试品的阻抗向量 根据 Zx的实部和虚部 进一步计算求得介质损耗 tan 辽宁科技大学本科生毕业论文 第 17页 4 3 自由轴法 自由轴法测量介损角的原理图如图 4 2 所示 U4 US U2 Ux U3 U1 图 4 2 自由轴法测量介损角原理图 设加在试品上的电压信号 4 11 sin XXM UUt 试品上的电流信号转为电压信号 4 12 sin SSM UUt 当把它们在 t0时刻的向量作为参考向量时有 4 13 00 cossin X XMXM UUtjUt 4 14 00 cos sin SSMSM UUtjUt 则 4 15 10 20 30 40 sin 2 sin sin 2 sin XM XM SM SM UUt UUt UUt UUt 4 16 3413241423 2222 121212 S X UUjUU UU UU UU U j UjUUUUU U 4 17 1324 1423 tan U UU U U UU U 可得到介质损耗角 由于 US的相对位置以及它们的模不变 所以是固定的 用软件方便实现对tan 向 量在 X 轴 Y 轴数据上的采集 硬件构成简单 使复杂的测量系统简单化 便于实现 使用这种方法明显优于电桥法 但由于影响电力设备介质损耗角的变化的因素有很多 例如 温度 频率 电压等 并且波形不准 外界电磁场的干扰 元件的误差都会造 0 t 辽宁科技大学本科生毕业论文 第 18页 成测量不准 所以要增加许多措施来减少这些误差 4 4 相位差法 设加在试品上的电压 电流信号分别为 4 18 sin Mu u tUt 4 19 sin Mi i tIt 则 4 20 2 2 iu 利用采样电路测出电流和电压的过零点 通过逻辑转换形成一定宽度的时间信号 并且脉冲宽度反映相位差 最后通过测量方波的宽度来求出试品的介损值 相位t 差法的原理图如图 4 3 所示 t t t t t 图 4 3 相位差法原理图 相位差法在国内应用比较广泛 其优点是不更改设备的运行情况 直接测出 tan 但是利用相位差法测量的过程中 误差来源多 如频率的变化有可能造成很大误差 U t I t 辽宁科技大学本科生毕业论文 第 19页 电压互感器引起的固有相差 信号中谐波的影响 两路信号在处理过程中存在时延差 整形波形引起的误差 并且还有温度等其他外界因素都可能引起误差 因此这种方法 对电子器件的要求较高 4 5 过零点电压比较法 设两个被测量 4 21 11sin UAt 4 22 22sin UAt 4 23 32121 sin sinUUUAtAt 令 A1 A2 A 即幅值相等 则 4 24 3 2 sin 2 cos 2 UAt 当t 0 时 所以 3 sinUA 4 25 1 3 sin UA 通过测过零点附近的电压差和电压幅值 即可求出 过零点电压比较法的抗干扰能力加强 但是它所要求的条件十分苛刻 两个正弦 波的相位差要小 两个正弦波的幅值要相等 两个正弦波的频率要相等 两个正弦波 的谐波分量要相等 测量时要将电压向量移相 0 90 4 6 基波相位分离法 在理想情况下 如设在试品两端的电压 电流表达式为 4 26 11 sin u uUt 4 27 11 sin i iIt 式中 表示电压 电流基波初相角 由此可得介质损耗角 11ui 2 ui 但是在实际测量中 尤其是在线测量中 电压 电流中含有高次谐波分量 8 基 波相位分离法利用三角函数的正交性 通过将采样信号与基波频率的正弦样品函数进 行周期积分 消除了直流分量和谐波分量的影响 最终得到基波分量的幅值和相位特 殊信息 辽宁科技大学本科生毕业论文 第 20页 设电压信号为 其中U为电压信号的幅值 为角频率 为相sin u uUt 角 令 4 28 2 0 cosdsin u AuttU 4 29 2 0 sindcos u ButtU 则电压基波初相角的正切值 所以tan u A B 4 30 arctan u A B 设电流信号为 其中U为电压信号的幅值 为角频率 为相sin i iIt 角 令 4 31 2 0 cosd sin i CIttI 4 32 2 0 sind cos i DIttI 则电流基波初相角的正切值 所以tan i C D 4 33 arctan i C D 4 44 2 iu 在实际测量时 将式 4 28 4 29 4 31 4 32 离散化 设采样间隔为Ts 被测信号的基波周期为T 且T NTs 则有 4 45 1 0 2 cos N k k Au k N 1 0 2 sin N k k Bu k N 4 46 1 0 2 cos N k k Cu k N 1 0 2 sin N k k Di k N 为采样点k上的电压值 分别为采样点k上的基波正弦 余 u k 2 cos k N 2 sin k N 弦样品函数值 他们已作为常量数据存放在存储单元中 所以 4 47 arctanarctan 22 iu AC BD 辽宁科技大学本科生毕业论文 第 21页 基波相位分离法实现起来硬件电路简单 采样点数越多的 测量精度越高 同时 克服了一般测量中高次谐波干扰带来的影响 但是这种方法要求电压 电流这两路信 号采集的同时性 并且必须保证在一个共频周期内均匀采集到整数个点 即电压 电 流信号周期必须是采样间隔的整数倍 如果达不到 则会引起较大误差 因此在此法 的基础上引进一种新的算法 即采用等时间间隔对电压 电流信号进行采样 同时 对信号周期波动产生的误差进行补偿 也就是非同步采样算法 4 7 介质损耗角的异频检测 异频检测是由国外引进的一种新的抗干扰方法 其原理是在介质损耗测量过程中 试验电源频率偏离干扰电源频率 主要是共频电源的干扰 通过频率识别或滤波技术 排除干扰频率的影响 5 基于基波相位分离法的非同步采样补偿算法 设 采样时间间隔 不变 但 设 其中 M 为整数 S T s TNT S TNMe T e 为正的纯小数 M e 反映了信号周期的波动 9 当时为同步MN 00ME 采样 设电压信号为 其中 U 为电压信号的幅值 为角频率 为相sin u uUt 角 令 2 0 cosd sin u AuttU 5 1 2 0 sind cos u ButtU 设电流信号为 其中 U 为电压信号的幅值 为角频率 为相角 sin i iIt 令 2 0 cosd sin i CItti 5 2 2 0 sind cos i DittI 对上面算式离散化 得 5 3 1 0 2 cos cos 2 N M K Au kkeu NM NMe 5 4 1 0 2 sin sin 2 N M K Bu kkeu NM NMe 辽宁科技大学本科生毕业论文 第 22页 5 5 1 0 2 cos cos 2 N M K Ci kkei NM NMe 5 6 1 0 2 sin sin 2 N M K Di kkei NM NMe 式中 等式右边第一项为 N M 个采样值与样品函数的乘积和 第二项为采样间隔小数 部分的乘积项 由公式 5 3 5 4 5 5 5 6 可见 与同步采样相比 A B C D 中不仅是多了几个乘积项 各采样点处的样品值也发生了偏差 利用泰 勒级数 省去高阶项 有以下近似等式成立 5 7 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 cos cos sin cos sin 2 2 2 2 2 2 2 2 sin sin cos sin cos kkkkkkMe kk NMeNNMeNNNNN kkkkkkMe kk NMeNNMeNNNNN 将公式 5 7 代入式 5 3 中得 111 2 000 2 2 2 2 cos sin cos N MN MN kkk kMekk Au kk u keu NMu k NNNN 111 2 000 2 2 2 2 cos sin sin MNM kkk kMekk u kNk u kk u kN NNNN 5 8 eu NM 由于 M N 式 5 8 方括号中第二项与第一项相比很小 且方括号外面又有一个很 小的系数 因此可将该项略去 从而得到 5 9 111 2 000 2 2 2 2 cos cos sin NMN kkk kkMek Au ku kNku keu NM NNNN 将公式 5 7 代入式 5 4 中得 11 2 00 2 2 2 sin cos N MN M kk kMek Bu kk