CN101004438A - 基于虚拟仪器的励磁试验测试系统 - Google Patents

Abstract

一种基于虚拟仪器的发电机励磁试验测试系统，针对目前系统使用的测量装置全部是以硬件或是固化的软件的形式存在，缺乏灵活性，且这些装置制造工艺复杂、造价昂贵、依赖进口。本发明可方便地进行发电机励磁试验测试数据的采集、分析与处理，显示与存储及远程通信，从而为发电机励磁系统的自动测试和诊断提供了依据。本发明的优越性和技术效果在于：它通将计算机软硬件资源与仪器硬件融为一体，把计算机强大的计算处理能力和仪器硬件的测量及控制能力结合成为一个系统，测试软件的参数配制和数据采集简单易行，分析和处理功能灵活，测试面板操作简单，大大提高了测试系统的运行速度和可靠性。

Description

基于虚拟仪器的励磁试验测试系统

(一)技术领域：

本发明属于发电机励磁系统测试技术领域，是一种基于虚拟仪器技术的发电机励磁试验测试系统。

(二)背景技术：

励磁系统是同步发电机的重要组成部分，通过对发电机的励磁进行调节和控制，不仅可以保证发电机及其互联电力系统运行的可靠性、安全性和稳定性，而且可以提高发电机及电力系统的技术经济指标。励磁系统的试验是发电机并网前整套启动试验的重要环节，它的试验水平直接关系到发电机的整套启动和发电机投运后的运行水平。因此，励磁系统的试验已成为该技术领域关注的热点。目前采用的测量仪器的功能全部是以硬件或是固化的软件的形式存在，缺乏灵活性，而且这些仪器大多工艺复杂、造价昂贵。虚拟仪器是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及控制能力结合起来成为一个系统，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、存储及分析处理。虚拟仪器的优势就在于可由用户自己定义专用的仪器系统，且功能灵活，构建容易。因此将虚拟仪器技术应用于励磁试验的测试系统中是现代化励磁系统测试的一个重要方向。

(三)发明内容：

本发明的目的在于提供一种基于虚拟仪器的励磁试验测试系统，本测试系统是将最新的虚拟仪器技术应用于发电机励磁试验测试系统中。这种以计算机为中心的检测装置能够完成多个随时间变化的参量的快速测量，并且能够有效地抑制噪声干扰，进行数据处理、信号分析，由测得的电压和电流信号求出与被测对象相关信息的量值或给出其判别的状态。

本发明的技术方案：一种基于虚拟仪器的励磁试验测试系统是由硬件设备和测试软件两个分系统组成，硬件设备分系统主要包括：传感器、信号调理模块、装有数据采集卡的计算机三个部分。测试软件的分系统主要由数据采集的控制、数据的分析与处理、数据的显示与存储及测试装置的远程通信等四个部分组成。

测试系统的硬件设备分系统通过传感器把高电压、大电流信号转化为信号调理模块能够接受的低电压、弱电流信号；信号调理模块用于对传感器输出的电压或电流信号进行预滤波、隔离/放大、再滤波处理，并转化为数据采集卡所能够接受的电压或是电流范围。对于电压和电流信号，采用了对应的电压信号和电流信号调理电路。

电压信号调理电路主要由分压电路、预滤波、隔离放大器和再滤波组成。分压电路采用MΩ级的精密电阻R1和Rp串联进行分压，其中小阻值电位器Rp用于实现微调增益的功能，分压之后的信号经由运放LM358搭建的二阶低通RC预滤波电路滤掉高频干扰噪声，滤波后的信号送至隔离放大器AD215进行信号的隔离，隔离放大后的信号再经由运放LM358搭建的二阶低通RC再滤波电路滤掉噪声和纹波干扰，最后送至数据采集卡进行采样。

电流信号调理电路主要由电流/电压转换、预滤波、隔离放大器和再滤波组成，利用运算放大器LM358、R1、Rf搭建一个电流/电压转换电路，运放输出电压Uout为Iin*Rf，通过调整Rf的阻值的大小来调节该回路的增益。预滤波、隔离放大器和再滤波电路和电压信号调理电路相同，最后送至数据采集卡进行采样。

测试软件分系统通过对数据采集卡的主要参数的设置，完成模拟信号的量化并输入至计算机中。其数据的分析与处理主要由信号的滤波、信号的有效值计算、信号的频率计算、信号的FFT分析、信号的相位差及功率因数计算模块等组成。信号滤波模块是对采集到的交直流信号进行滤波，滤除干扰的噪声信号，波形显示模块实时显示波形，数据采集完成后调用有效值计算模块计算输出的电流和电压的有效值，实时调用信号的频率模块通过对信号周期的过零点检测及软件的锁相环设计程序，检测出信号周期，进而求出信号的频率。调用FFT分析模块根据DFT/FFT谱分析法进行频谱分析、相位差校正及误差分析，进而得到三相交流电的相位差，信号的功率因数模块通过调用相位差模块可以计算出信号的功率因数，并实时的调用表针指示模块显示数据，检验是否达到规定标准。

测试软件分系统的数据的显示与存储主要由信号波形显示、信号的表针显示、信号的存储三部分组成。信号波形显示输出交流信号的波形图，信号的表针指示实时的观察表针的动态变化，信号的存储模块存储采集的数据或处理后的数据。

测试软件分系统的远程通信将虚拟仪器、外部设备、被测点及数据库等资源纳入网络，实现资源共享。主要利用虚拟仪器开发软件中的DataSocket控件实现基于TCP/IP的网络监控，首先对DataSocket控件进行参数配置，然后利用DataSocket节点进行通信，第一步利用DataSocket Open节点打开一个DataSocket连接，第二步，利用DataSocket Write节点和DataSocket Read节点完成通信，服务器VI并利用DataSocket Write节点将数据发布到URL指定的位置，客户机VI利用DataSocket Read节点将从URL指定的位置读取数据，第三步利用DataSocket Clear节点关闭DataSocket连接，从而完成整个远程通信的过程。

本发明的工作原理：

本发明涉及的基于虚拟仪器的励磁试验测试系统的工作原理是：测试系统首先完成对传感器、信号调理模块及数据采集卡的参数配置并启动数据采集程序；传感器将被测电机的机端电压、电流信号及励磁电压、电流信号转化为信号调理电路能够接受的低电压、弱电流信号；信号调理模块将传感器输出的电压或电流信号进行预滤波、隔离/放大、再滤波处理，转化为数据采集卡所能够接受的电压或电流范围；数据采集卡完成对机端电压、电流及励磁电压、电流信号的采集，完成模拟信号到数字信号的转换；装有虚拟仪器测试软件的计算机完成对被采集来的信号的分析与处理。虚拟仪器的显示控件显示波形或数据，并将重要的数据送至数据库存储以备参考或测后处理，远程通信是虚拟仪器测试平台的最大优势，它将虚拟仪器、外部设备、被测点及数据库等资源纳入网络，实现资源共享。

本发明的优越性和技术效果在于：①硬件设备与软件测试编程相结合，硬件装置安装简单，虚拟测试面板直观易用；②能够通过虚拟测试面板可直接对采集装置进行参数的配置，从而省去了手动配置带来的误差；⑧基于PC-DAQ式的数据采集方式及自制的信号调理电路简单易行，降低了成本；④将网络技术运用于此，使技术人员可以不在测试现场就可以得到真实的试验数据，实现资源共享，提高了测试效率；⑤采用虚拟仪器开发环境可以方便的构建出逼真的测试面板，并且测试功能全部是由软件编程实现，使用起来灵活自由；⑥利用计算机高速的数据计算和数据处理能力，可以大大的提高测试系统的运行速度和可靠性。

(四)附图说明：

附图1为本发明中的总系统结构示意图。

附图2为本发明中的硬件设备分系统的电压信号调理模块结构示意图。

附图3为本发明中的硬件设备分系统的电流信号调理模块结构示意图。

附图4为本发明中的测试软件实施流程图。

附图5为本发明中的测试软件中的信号分析与处理流程图。

附图6为本发明中的测试软件中的远程通信流程图。

(五)具体实施方式：

实施例：

基于虚拟仪器的励磁试验测试系统结构如图1所示：该系统由硬件设备和测试软件两个分系统组成，硬件设备分系统主要采用与虚拟仪器开发环境相配套的产品，包括传感器、信号调理模块、装有数据采集卡的计算机三个部分，测试软件分系统主要由数据采集的控制、数据的分析与处理、数据的显示与存储及测试平台的远程通信等部分组成。测试系统通过硬件设备分系统的传感器将被测端的电压、电流信号转化为信号调理模块能够接受的低电压、弱电流信号，其信号调理模块将传感器输出的电压或电流信号进行预滤波、隔离/放大、再滤波处理，转化到数据采集卡所能够接受的电压或电流范围，其数据采集卡完成模拟信号的采集与量化，装有测试软件的计算机完成数据的分析、处理、显示、存储及远程通信。

硬件设备分系统的电压信号调理模块结构如图2所示：该模块将电压传感器输出的电压信号进行分压、预滤波、隔离/放大、再滤波处理，其主要组成包括：信号的分压电路、信号的预滤波电路、信号的隔离/放大电路、信号的再滤波电路。为了使传感器输出的电压小于隔离放大器芯片的电压范围且保持足够精度，分压电路采用MΩ级的精密电阻R1和Rp串联进行分压，其中小阻值电位器Rp用于实现微调增益的功能，分压之后的信号经由运放LM358、C1、R2、R3搭建的二阶低通预滤波电路滤掉高频干扰噪声，滤波后的信号送至隔离放大器AD215进行信号的隔离，保证了测试系统的安全，并有效地抑制了被测设备与测试系统的共模干扰，隔离放大后的信号再经由运放LM358、C2、R4、R5搭建的二阶低通预滤波电路滤掉噪声和纹波干扰，最后送至数据采集卡进行采样。

电流信号调理模块图3所示：对电流传感器输出的电流信号进行电流/电压转换、预滤波、隔离/放大、再滤波处理，其主要组成包括：信号的电流/电压转换电路、信号的预滤波电路、信号的隔离/放大电路、信号的再滤波电路。利用运算放大器LM358、R1、Rf搭建一个电流/电压转换电路，根据“虚断”原则，电流Iin将几乎全部流过电阻Rf，而根据“虚地”原理，运放的正负输入端与地同电位，所以运放输出电压Uout为Iin*Rf，因此可以通过调整Rf的阻值的大小来调节该回路的增益，转换之后的信号经由运放LM358、C1、R2、R3搭建的二阶低通预滤波电路滤掉高频干扰噪声，滤波后的信号送至隔离放大器AD215进行信号的隔离，保证了测试系统的安全，并有效地抑制了被测设备与测试系统的共模干扰，隔离放大后的信号再经由运放LM358、C2、R4、R5搭建的二阶低通再滤波电路滤掉噪声和纹波干扰，最后送至数据采集卡进行采样。

测试软件分系统流程如图4所示：测试软件首先完成数据采集卡的采样频率、采样点数、采样通道等参数的设置，并控制数据采集卡对机端电压、机端电流信号及励磁电压、励磁电流信号进行同步采样；将采样后得到的数据送至计算机进行数据的分析与处理主要是对被采集来的信号进行滤波、有效值计算、频率计算、FFT分析、相位差及功率因数计算；数据的显示与存储用于对所处理的信号以直观的示波窗口、表盘指示等形式输出，并对重要的数据送至数据库存储；远程通信部分是虚拟仪器测试平台的最大优势，它将虚拟仪器、硬件设备和测试软件分系统、被测点及数据库等资源纳入网络，实现资源共享，共同完成测试任务。

测试软件分系统中的信号分析与处理流程如图5所示：包括信号的滤波、信号的有效值计算、信号的频率计算、信号的FFT分析、信号的相位差及功率因数计算模块，信号滤波模块是对采集到的交直流信号进行滤波，滤除干扰的噪声信号，对于交流信号调用波形显示模块实时显示波形，数据采集完成后调用有效值计算模块计算输出的电流和电压的有效值，调用信号的频率模块通过对信号周期的过零点检测及软件的锁相环模块设计，检测出信号周期，进而求出信号的频率，调用FFT分析模块根据DFT/FFT谱分析法进行频谱分析、相位差校正及误差分析，进而得到三相交流电的相位差；信号的功率因数模块通过调用相位差模块可以计算出信号的功率因数，并实时的调用表针指示模块显示数据，检验是否达到规定标准。

测试软件分系统中的远程通信如图6所示：主要利用虚拟仪器开发软件中的DataSocket控件实现基于TCP/IP的网络监控，首先对DataSocket控件进行参数配置，然后利用DataSocket节点进行通信，第一步利用DataSocket Open节点打开一个DataSocket连接；第二步，利用DataSocket Write节点和DataSocket Read节点完成通信，服务器VI并利用DataSocket Write节点将数据发布到URL指定的位置，客户机VI利用DataSocket Read节点将从URL指定的位置读取数据；第三步利用DataSocket Clear节点关闭DataSocket连接，从而完成整个远程通信的过程。

Claims (5)

1、一种基于虚拟仪器的励磁试验测试系统，其特征是：该系统由硬件设备和测试软件两个分系统组成，硬件设备分系统主要包括：传感器、信号调理模块、装有数据采集卡的计算机三个部分，测试软件的分系统主要包括：数据采集的控制、数据的分析与处理、数据的显示与存储及测试装置的远程通信等四部分，测试系统通过硬件设备分系统的传感器把高电压、大电流信号转化为信号调理模块能够接受的低电压、弱电流信号，信号调理模块用于对传感器输出的电压和电流信号进行预滤波、隔离/放大、再滤波处理，转化为数据采集卡所能够接受的电压和电流范围，对于电压和电流信号，采用了相应的电压信号调理和电流信号调理电路。

2、根据权利要求1的一种基于虚拟仪器的励磁试验测试系统的硬件设备分系统，其特征在于：该分系统的电压信号调理电路主要由分压电路、预滤波、隔离放大器和再滤波电路组成，分压电路采用MΩ级的精密电阻R1和Rp进行分压，分压之后的信号经由运放LM358搭建的二阶低通预滤波电路滤掉高频干扰噪声，滤波后的信号送至隔离放大器AD215进行信号的隔离，隔离放大后的信号再经由运放LM358搭建的二阶低通再滤波电路滤掉噪声和纹波干扰，最后送至数据采集卡进行采样。

3、根据权利要求1的一种基于虚拟仪器的励磁试验测试系统的硬件设备分系统，其特征在于：该分系统的电流信号调理电路主要由电流/电压转换、预滤波、隔离放大器和再滤波电路组成，利用运算放大器LM358搭建一个电流/电压转换电路，运放输出电压Uout为Iin*Rf，通过调整Rf的阻值的大小来调节该回路的增益，其中预滤波、隔离放大器、再滤波电路和电压信号调理电路相同，最后送至数据采集卡进行采样。

4、根据权利要求1的一种基于虚拟仪器的励磁试验测试系统的测试软件分系统，其特征在于：其数据的分析与处理主要由信号的滤波、信号的有效值计算、信号的频率计算、信号的FFT分析、信号的相位差及功率因数计算模块等组成，信号滤波模块是对采集到的交直流信号进行滤波，滤除干扰的噪声信号，波形显示模块实时显示波形，数据采集完成后调用有效值计算模块，计算输出的电流和电压的有效值，实时调用信号的频率模块检测出信号周期，进而求出信号的频率，实时调用FFT分析模块，根据DFT/FFT谱分析法进行频谱分析、相位差校正及误差分析，进而得到三相交流电的相位差，信号的功率因数模块通过调用相位差模块可以计算出信号的功率因数，并实时的调用表针指示模块显示数据，检验是否达到规定标准，测试软件分系统的数据的显示与存储主要由信号波形显示、信号的表针显示、信号的存储三部分组成，信号波形显示输出交流信号的波形图，信号的表针指示实时的观察表针的动态变化，信号的存储模块存储采集的数据或处理后的数据。

5、根据权利要求1的一种基于虚拟仪器的励磁试验测试系统的测试软件分系统其特征在于：其远程通信主要利用虚拟仪器开发软件中的DataSocket控件实现基于TCP/IP的网络监控，首先对DataSocket控件进行参数配置，然后利用DataSocket节点进行通信，第一步利用DataSocket Open节点打开一个DataSocket连接，第二步利用DataSocket Write节点和DataSocket Read节点完成通信，服务器VI利用DataSocket Write节点将数据发布到URL指定的位置，客户机VI利用DataSocket Read节点从URL指定的位置读取数据，第三步利用DataSocket Clear节点关闭DataSocket连接，从而完成整个远程通信的过程。

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