关键词： 虚拟仪器; LabV IEW ;电气实验;测量 ;控制;保护
摘 要： 介绍了虚拟仪器技术的发展过程和 La bV IEW 的特点和作用 ,以及利用 LabV IEW 开发应用软件的一般过程 ,并介绍了虚拟仪器技术在电气实验中的若干应用 ,展望了虚拟仪器技术在实验领域中的广阔前景。
虚拟仪器 （ Virtual instrument, V I）技术是当今计算机辅助测试 （ CAT）领域的一项新技术。V I 以计算机为基础配以数据采集等功能模块作为硬体平台 ,通过运行专门研制的应用程序来完成各种测量仪器的功能。
1 虚拟仪器技术
1. 1发展过程
VI的开发和应用源于1986年美国NI（na-tionalinstrument）公司推出的LabVIEW（Labo-ratoryvirtualinstrumentengineeringwork-bench——实验室虚拟仪器工程平台）,它是一种基于图形的开发、调试和运行程序的集成化环境,从而实现了VI的概念[1]。VI可使用相同的硬件系统,采用不同的软件成为功能不同的各种测量仪器（软件即仪器）。VI彻底打破了原有仪器只能由生产厂家定义,用户无法改变的局面,即缩短了用户与生产厂家之间的距离。VI利用计算机系统的强大功能,结合相应的硬件模块,突破了原有仪器在数据处理、显示、传递、存储等方面的限制，使用户可以方便地对其进行维护、扩展、升级等，同时也实现了系统资源共享,降低了成本。
1998年美国NI公司又提出了可互换虚拟仪器（interchangeablevirtualinstruments,IVI）的概念,采用IVI技术开发的应用程序完全独立于硬件,提高了程序代码复用性,避免发送冗余的的设置命令,优化了运行的性能,大大降低了应用系统的开发和维护费用。2000年8月IVI在原来的LabVIEW软件的基础上,增添了网络功能,人们可以通过Internet来浏览或操作网络中的仪器设备，,进而形成遍布各处的分布式测控网络。今后VI技术将在总线和驱动程序的标准化、硬件/软件模块化和标准化、编程平面的图形化和硬件模块的即插即用等几个方面得到进一步的发展,从而使VI技术在诸多领域得到更加广泛的应用。在电力系统中,已开发出了基于VI技术的电力系统专用仪表、电力谐波测试仪、电力系统相角测试仪、电流互感器暂态特性分析仪等。
1.2虚拟仪器的开发平台
LabVIEW面向没有编程经验的用户,尤其适合从事科研开发的工程技术人员,被誉为工程师和科学家的语言。LabVIEW仪器控制与数据采集用的图形化编程软件,具有直观明了的用户界面和流程图式的编程风格。用LabVIEW开发应用软件的大致过程如下：（1）用户选择打开一个新面版的选项,用controls模板上的控制对象和显示对象创造一个图形化用户界面,可根据所设计的VI的要求,从控制模板口选择所需要的对象,如数字式表头、按钮、开关、键盘等,有时为了在感观上更逼真地模拟真实的测量仪器,还要选择一些用于美化界面的对象,如表外壳等图片对象。
（2）对VI进行I/O信道的配置,以便在程序中调用相关的LabVIEW仪器驱动程序和控制该I/O信道的一系列应用函数,在这个过程中,可以利用LabVIEW软件体平台中的DAQSolutionWizard工具对所选择的I/O信道的名称、类型、转换系数、量程等参数进行设置。
（3）打开框图程序窗口,对在用户界面设计时选择的各对象的位置做排列整理,然后通过选择功能模板中的各子项内容,添加用于控制用户界面上各对象的图形化的函数代码,这些函数代码将完成有关的数值计算、数据处理等功能,并根据VI的具体功能选择用户界面上的每一个控制对象和每一个显示对象。
（4）调试和运行程序。
期刊文章分类查询,尽在期刊图书馆在LabVIEW开发平台上,用户可以利用强大的图形化编程功能生成自定义的实验所需的仪器,也可以利用软件自带的例子,直接调用,这些仪器包括：多通道示波器、频谱分析仪、任意函数发生器、数据记录仪、各种功能的滤波器、曲线拟合、动态信号分析等,内容丰富,人机界面友好。LabVIEW作为新一代的图形化编程系统,可对VI的软件对象进行图形化的组合操作,并可利用上千种设备进行数据采集,对图像与运动进行控制,也可以网络交互应用通信和结构化查询语言等方式与其它的数据源相连,支持TCP/IP协仪,能够与Internet用户交换信息,共享资源。
2 虚拟仪器技术的应用
电气专业要求学生对电厂、电力系统的一次、二次系统知识进行系统学习,在高校实验室中展现生产实际现场是不可能的,倘若建立电气VI技术实验室,将提高实验效率,降低实验成本,增强学生学习的积极性,是一条行之有效的途径。
2.1实验室的配置
依实际情况配置实验台数,每套实验台由一台计算机、LabVIEW开发系统、多功能数据采集卡及LabVIEW平台开发的多种应用软件组成,在教师台上再配一个GPIB接口卡（最多连接14台学生实验台）[2]。另加电力系统动态及暂态仿真的EMTDC和EMTP。学生可以在计算机上模拟各种实验,在实验过程中,可用声、光、动画等各种手段,使实验逼真、生动,可以安全地做实验,避免高电压对人身与设备的危害,且能与Internet用户交换信息,公享资源,使实验更方便、更有效。
2.2在实验教学中的应用[3,4]
（1）电力系统监测实验
监测系统的软件在LabVIEW开发平台中开发,主要包括系统初始化、用户界面的设计、正常数据采集、参数设置、录波和分析等模块。在原配置的基础上,外加开关量采集卡,读取EMTDC和EMTP仿真的有关数据,运行监测应用软件,可完成有关线路两端的电压、电流等模拟量和断路器的通断状态等开关量的采集,可打印输出部分或全部信号波形曲线,对记录的信号进行频谱分析,对信号的谐波分量进行分解显示,对信号的有效值、相位、功率等进行计算,用户可以利用鼠标点击屏幕按钮进行各种波形编辑、信号分析、数值计算、数据的存盘、打印等操作。
（2）电力系统控制实验
利用VI系统数/模输出功能,可以根据所测量的系统状态发出相应的指令,以达到对系统运行及操作的控制。例如,通过运行LabVIEW平台上开发的控制软件,利用键盘或鼠标在相应的图形图界面进行操作,就可形成断路器操作或故障设置的有关命令信息。
（3）继电保护实验
在LabVIEW平台上编制不同的应用软件,可以完成不同的继电保护功能。例如,虚拟三段距离保护,首先读取EMTP仿真的有故障的系统电压、电流数据,根据可以任意设定的三段距离、方向和动作时间,运行LabVIEW平台上开发的三段距离保护软件,在虚拟保护的图形界面上即可显示出故障类型、故障相、故障点的波形等。
3 结语
VI在实验教学中的应用还有待于开拓,有许多未知部分有待我们去填补。在有些高校中已经建成了VI实验室[5],在美国已成功开发出了用于实验的电力系统虚拟仿真控制软件,在我国这方面尚处于起步阶段,但VI技术在实验教学中的应用具有广阔的前景,必将推动高校实验技术的发展。
参考文献
[1]应怀樵.卡泰仪器与虚拟仪器技术的现状与发展趋势.国外电子测量技术,2000;（2）：2-4.
[2]马法成.虚拟仪器技术在设备故障诊断技术实验教学中的应用.国外电子测量技术,2002;（1）：6-8.
论文作者:赵巍
论文发表刊物:《电力设备》2017年第30期
论文发表时间:2018/3/9
标签：技术论文; 虚拟仪器论文; 系统论文; 对象论文; 软件论文; 电力系统论文; 功能论文; 《电力设备》2017年第30期论文;