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[摘 要] 介绍了虚拟仪器技术和软测量技术的基本方法，描述了虚拟仪器技术的现状和发展趋势及其在电力工程测试分析仪器中实际应用的前景 提出了构造具有广域适应性的柔性电力工程测试分析仪器的基本技术思想和方法，创造性地形成了“一机多用”的新型电力工程测试分析仪器使用模式
[关键词] 虚拟仪器 软测量 广域应用性 电力工程测试
1 概述
虚拟仪器(Visual Instructions)技术是现代计算机系统和仪器系统技术相结合的产物，是当今计算机辅助测试(CAT)领域的一项重要技术。它推动着传统仪器朝着智能化、模块化、虚拟化、网络化的方向发展
电子测试仪器发展至今，大体可分为四代：模拟仪器、数7化仪器、智能仪器和虚拟仪器。第一代是模拟仪器，如指针式万用表、晶体管电压表等。它们的基本结构是电磁机械式的，借助指针来显示最终结果。第二代是数字化仪器，这类仪器目前相当普及，如数字电压表、数字频率计等。这类仪器将模拟信号的测量转化为数字信号测量，并以数字方式输出最终结果，适用于快速响应和较高准确度的测量。第三代是智能仪器，这类仪器内置微处理器，既能进行自动测试又具有一定的数据处理，可取代部分脑力劳动，习惯上称为智能仪器。它的功能块全部都是以硬件(或固化的软件)的形式存在，无论是开发还是应用，都缺乏灵活性。第四代就是虚拟仪器，它是现代计算机技术、通信技术和测量技术相结合的产物，是传统仪器观念的一次巨大变革，是将来仪器产业发展一个重要方向。虚拟仪器的概念，是美同国家仪器公司(National Instruments Corp.简称NI)于1986年提出的。虚拟仪器是由计算机硬件资源、模块化仪器硬件和用于数据分析、过程通讯及图形用户界面的软件组成的测控系统，是一种由计算机操纵的模块化仪器系统。与传统仪器一样，虚拟仪器也由三大功能块构成：信号的采集与控制、信号的分析与处理、结果的表达与输出。
总之，工业标准计算机平台(PC、Macintosh、Workstation等)与趋于模块化的硬件结构及丰富的软件相结合，正在迅速地改变着传统仪器仪表和测试系统的概念，从而提出了虚拟仪器的新概念，出现了“软件就是仪器”、“测试设备的未来属于软件”的新思想。近年来，虚拟仪器技术在电子测量领域、过程控制领域以及人们生活中的其它许多领域被推广应用。
软测量技术是依据工业生产过程中过程变量间的关联，通过一些能够检测的过程变量和相应的数字模型，来计算、估计过程中难以用仪表检测的另一些变量的技术。
随着计算机技术的飞速发展，采用虚拟仪器技术和软测量技术相结合的方法，在一个统一的硬件平台上，根据所运行的应用软件，将该硬件平台虚拟成能满足现场需要的不同测试分析仪器，从而柔性地构造出电力工业现场所需的各种特性测试分析仪器。
2 问题的提出
随着计算机技术在发电机组的各种控制过程中的广泛应用，对发电机组的各种电气参数的测量提出了更高的要求，不仅要求测量信号全面、准确、可靠、实时，并且要求能实时记录控制过程中各种参数的变化轨迹，以获得最佳的控制参数。但是目前在电力系统的发电机组特性试验、变压器特性试验、励磁系统特性试验、调速系统特性试验、电力系统稳定器特性试验、发电机转子绕组匝间绝缘状态检测、电能质量分析等方面仍然主要采用传统的由各类独立仪器构造的测试分析系统。目前进行上述设备特性试验的手段和技术方法有两种：(1)采用多种类的独立电磁式表计(如电压表、电流表、功率表、无功表、频率计等)进行测量，人工记录测量数据，然后将记录结果进行人工绘图并整理报告或用计算机绘图整理报告。(2)采用专用数字式智能测试仪器进行测量，自动记录测量数据，自动进行绘图和报告整理。
采用第一种技术方案进行上述设备特性试验分析存在的主要问题如下：
(1)进行每项试验时的测量表计种类很多、接线复杂、工作量大。
(2)由于是人工记录各类表计的测量数据，所以需要多人同时工作，造成测量数据的一致性差，且人工读数误差很大，无法保证测量结果的精度要求。
(3)对测试记录结果，无论是人工绘图并整理报告还是将记录数据输入到计算机中进行绘图及报告整理，都将使测试结果分析费时费力，工作效率低。
采用第二项技术方案进行上述设备特性试验分析存在的主要问题则为：
(1)进行每项试验时采用不同的专用数字测试分析仪器。每一种专用仪器只针对特定的试验项目使用，造成用户的仪器投资大，且仪器利用率不高。各专用仪器使用操作方法区别很大，造成使用操作复杂。
(2)由于普通数字测试分析仪器采用前置单片机先进行数据采集，试验过程结束后，再将由前置单片机记录下来的数据传送到后台计算机进行数据处理分析和录波曲波再现的系统构成方案。所以这类数字测试分析仪器数据显示和曲线还原无实时性，试验人员要等到试验结束后才能看到试验的过程曲线。同时，由于受前置单片机的硬件限制，这类数字测试分析仪器的数据记录容量都不可能很大。
(3)这类专用数字测试分析仪器的功能扩展不易，升级困难，无法很好地满足现场使用中用户提出的某些特殊要求。
本研究的目的是为从根本上解决上述问题，为广大的电力系统用户提供一种全开放、多功能、多用途的综合电力虚拟测试分析仪器，改变目前在发电机组特性试验、变压器特性试验、励磁系统特性试验、调速系统特性试验、电力系统稳定器特性试验、发电机转子绕组匝间绝缘状态检测、电能质量分析、变送器校验、同期装置校验等方面仍然采用一机一用的技术现状，通过一机多用的技术方法，减低用户在测试分析仪器方面的投资成本，提高用户测试分析仪器的利用率，提高电力系统发供电设备的故障检测及实时电量测控领域的技术水平。
3 基本设计原理
在电力系统的生产过程中，需要对大量不同的电力生产设备和生产过程进行各种测试分析工作。这些测试分析工作大致可分为四类，第一类是对多路试验信号进行测量和数据分析，以及图形显示和报告处理等。第二类是产生并输出试验过程所需求的电气信号，为试验设备提供一个稳定可靠的信号源。第三类是产生并输出一种电气信号作用于被测设备，在被测设备上测量另一些相关变量的信号，对输出信号和测量信号进行数据计算和分析、图形显示、报告处理等。第四类是将计算机与外部被测设备共同构成一个实时模拟数字混合仿真系统，由计算机对被测设备的控制对象进行数字仿真，并对被测设备进行特性指标分析等。
构造具有广域适应性的新型电力工程测试分析仪器，其基本的设计原理是，在理论上应用软测量技术和虚拟仪器技术方法，在计算机硬件和软件技术上采用 标准通用模件和图形化软件编程平台以及面向测量对象的软件体系结构。其特征是将公知的计算机硬件资源与设置的输入接口、输出接口、信号转换、通讯接口、打印接口和人机接口模块以及根据若干被测对象电量工作机理编制的应用软件包共同构成一个由计算机操纵的模块化仪器虚拟测试系统，通过运行不同的应用软件包，在同一硬件支持下，完成不同被测电量的测试分析。
首先，按照有关的电力试验规范，根据被测对象其内部各变量之间的相互关联性，通过相应的数学模型，对不易于用常规仪表或方法进行测量的变量进行估算，并且其估计值应具有实际过程所允许的精度，设计能满足不同的电力设备试验及测试要求的多个测试分析软件组件。其次，采用基于PC机的直接由专用插入式数据采集(DAQ)和数据输出板卡建立统一的硬件支持平台的系统构成方案，并深入到WIN－DOWS的内核中编写一系列的属于系统级的虚拟设备驱动程序(VXD)，可完成对操作系统的各项底层操作，以满足本测试分析系统的各项测试分析功能软件对数据采集、仿真计算、信号输出的快速性和实时性的要求。最后，对每一项测试分析仪器功能均采用面向对象的编程技术(OOP)，使本测试分析系统具有各种符合实际操作习惯的3D图形仿真仪器界面，并将这些组件在一个能提供多种支持和服务的测试分析系统管理软件中集成为一个完整有机的软件包，使其具有能根据不同用户实际使用要求进行多种操作设定的灵活性和柔软性。
整套系统在一个统一的硬件支持平台上运行，将多项电力系统设备的测试分析仪器通过测试功能软件进行虚拟化，使该系统能最大限度地满足现场用户的实际需要，并且具有更高的性能价格比，进而构造出具有广域适应性的新型电力工程测试分析仪器。
4 研究现状
根据前述构造具有广域适应性的新型电力工程测试分析仪器的基本设计原理，我们开发设计了PVI多功能综合电力虚拟测试分析仪。该测试分析仪经过江苏省计量测试技术研究所测试，表明各测量通道精度优于±0.2％，达到了0.2级表计精度，并取得了国家版权局颁发的计算机软件著作权证书和江苏省信息产业厅颁发的计算机软件产品登记证书。该测试分析仪与传统的智能型测试仪器相比，具有功能完善、应用面广、性能稳定、实时性强、延扩性好、操作简便、成本低廉等特点，能完成如发电机特性试验、励磁系统特性试验、调速器特性试验、变压器特性试验等十多种试验的测试分析任务，可广泛应用在电力工业现场，以及其他需要进行高低压电气测试的场合。
PVI多功能综合电力虚拟测试分析仪，已开始在电力工业现场投入使用。实际使用结果表明，该分析仪各项技术性能指标已满足设计要求和现场实际使用的需要，其主要功能及技术特点有：
(1)基于同一计算机硬件平台的十大软件功能模块，用户运行不同的软件模块，可完成不同的电量测试与分析任务(发电机特性测试分析仪、变压器特性测试分析仪、励磁系统特性测试分析仪、低频记忆示波器、信号校验仪、低频逻辑分析仪)；
(2)基于Windows 9x/NT/2000操作平台的全中文仿真仪表3D图形界面，人机交互接口友好，直观清晰操作简易，无需培训即可上岗操作；
(3)软件功能完备，具有实时采集、动态显示、记录保存、追忆回放、逻辑分析、多种优化算法、报告整理、输出打印、网络传输等功能；
(4)连续实时存储信息量大，每次试验最多16通道可连续记录5min：
(5)可提供简捷的软件操作向导Wizard；
(6)各通道具有动态标度变换与非线性补偿功能；
(7)模拟量信号和数字量信号输入／输出通道均具有完善的隔离与保护措施：
(8)具有高精度、高可靠性，抗电磁干扰能力强。
PVI虚拟测试分析系统硬件结构和软件系统示意如图1、2)所示。
5 应用前景
具有广域适应性的新型电力工程测试分析仪器作为虚拟仪器技术和软测量技术的应用产品，其与仅具有单一功能的常规智能型仪器相比在产品的质量上、技术上、性能上、价格上、维护上、扩展上都具有明显的优势。具有广域适应性的新型电力工程测试分析仪器代表着电工仪器仪表的未来发展方向，随着计算机技术硬软件、电子技术、网络技术的不断发展和进步，该新型电力工程测试分析仪器的上述优势将越来越明显。同时，由于其具有良好的延扩性，为产品的不断升级换代提供了基础，可随计算机硬、软件技术的发展不断延长产品的使用寿命。
总之，随着计算机性能越来越好，价格越来越便宜，应用软件越来越丰富，仪器功能越来越完善，其必将日益受到广大用户欢迎。作为一种正处于成长初期的新型虚拟测试分析仪器，其具有十分广阔的应用前景。
[关键词] 虚拟仪器 软测量 广域应用性 电力工程测试
1 概述
虚拟仪器(Visual Instructions)技术是现代计算机系统和仪器系统技术相结合的产物，是当今计算机辅助测试(CAT)领域的一项重要技术。它推动着传统仪器朝着智能化、模块化、虚拟化、网络化的方向发展
电子测试仪器发展至今，大体可分为四代：模拟仪器、数7化仪器、智能仪器和虚拟仪器。第一代是模拟仪器，如指针式万用表、晶体管电压表等。它们的基本结构是电磁机械式的，借助指针来显示最终结果。第二代是数字化仪器，这类仪器目前相当普及，如数字电压表、数字频率计等。这类仪器将模拟信号的测量转化为数字信号测量，并以数字方式输出最终结果，适用于快速响应和较高准确度的测量。第三代是智能仪器，这类仪器内置微处理器，既能进行自动测试又具有一定的数据处理，可取代部分脑力劳动，习惯上称为智能仪器。它的功能块全部都是以硬件(或固化的软件)的形式存在，无论是开发还是应用，都缺乏灵活性。第四代就是虚拟仪器，它是现代计算机技术、通信技术和测量技术相结合的产物，是传统仪器观念的一次巨大变革，是将来仪器产业发展一个重要方向。虚拟仪器的概念，是美同国家仪器公司(National Instruments Corp.简称NI)于1986年提出的。虚拟仪器是由计算机硬件资源、模块化仪器硬件和用于数据分析、过程通讯及图形用户界面的软件组成的测控系统，是一种由计算机操纵的模块化仪器系统。与传统仪器一样，虚拟仪器也由三大功能块构成：信号的采集与控制、信号的分析与处理、结果的表达与输出。
总之，工业标准计算机平台(PC、Macintosh、Workstation等)与趋于模块化的硬件结构及丰富的软件相结合，正在迅速地改变着传统仪器仪表和测试系统的概念，从而提出了虚拟仪器的新概念，出现了“软件就是仪器”、“测试设备的未来属于软件”的新思想。近年来，虚拟仪器技术在电子测量领域、过程控制领域以及人们生活中的其它许多领域被推广应用。
软测量技术是依据工业生产过程中过程变量间的关联，通过一些能够检测的过程变量和相应的数字模型，来计算、估计过程中难以用仪表检测的另一些变量的技术。
随着计算机技术的飞速发展，采用虚拟仪器技术和软测量技术相结合的方法，在一个统一的硬件平台上，根据所运行的应用软件，将该硬件平台虚拟成能满足现场需要的不同测试分析仪器，从而柔性地构造出电力工业现场所需的各种特性测试分析仪器。
2 问题的提出
随着计算机技术在发电机组的各种控制过程中的广泛应用，对发电机组的各种电气参数的测量提出了更高的要求，不仅要求测量信号全面、准确、可靠、实时，并且要求能实时记录控制过程中各种参数的变化轨迹，以获得最佳的控制参数。但是目前在电力系统的发电机组特性试验、变压器特性试验、励磁系统特性试验、调速系统特性试验、电力系统稳定器特性试验、发电机转子绕组匝间绝缘状态检测、电能质量分析等方面仍然主要采用传统的由各类独立仪器构造的测试分析系统。目前进行上述设备特性试验的手段和技术方法有两种：(1)采用多种类的独立电磁式表计(如电压表、电流表、功率表、无功表、频率计等)进行测量，人工记录测量数据，然后将记录结果进行人工绘图并整理报告或用计算机绘图整理报告。(2)采用专用数字式智能测试仪器进行测量，自动记录测量数据，自动进行绘图和报告整理。
采用第一种技术方案进行上述设备特性试验分析存在的主要问题如下：
(1)进行每项试验时的测量表计种类很多、接线复杂、工作量大。
(2)由于是人工记录各类表计的测量数据，所以需要多人同时工作，造成测量数据的一致性差，且人工读数误差很大，无法保证测量结果的精度要求。
(3)对测试记录结果，无论是人工绘图并整理报告还是将记录数据输入到计算机中进行绘图及报告整理，都将使测试结果分析费时费力，工作效率低。
采用第二项技术方案进行上述设备特性试验分析存在的主要问题则为：
(1)进行每项试验时采用不同的专用数字测试分析仪器。每一种专用仪器只针对特定的试验项目使用，造成用户的仪器投资大，且仪器利用率不高。各专用仪器使用操作方法区别很大，造成使用操作复杂。
(2)由于普通数字测试分析仪器采用前置单片机先进行数据采集，试验过程结束后，再将由前置单片机记录下来的数据传送到后台计算机进行数据处理分析和录波曲波再现的系统构成方案。所以这类数字测试分析仪器数据显示和曲线还原无实时性，试验人员要等到试验结束后才能看到试验的过程曲线。同时，由于受前置单片机的硬件限制，这类数字测试分析仪器的数据记录容量都不可能很大。
(3)这类专用数字测试分析仪器的功能扩展不易，升级困难，无法很好地满足现场使用中用户提出的某些特殊要求。
本研究的目的是为从根本上解决上述问题，为广大的电力系统用户提供一种全开放、多功能、多用途的综合电力虚拟测试分析仪器，改变目前在发电机组特性试验、变压器特性试验、励磁系统特性试验、调速系统特性试验、电力系统稳定器特性试验、发电机转子绕组匝间绝缘状态检测、电能质量分析、变送器校验、同期装置校验等方面仍然采用一机一用的技术现状，通过一机多用的技术方法，减低用户在测试分析仪器方面的投资成本，提高用户测试分析仪器的利用率，提高电力系统发供电设备的故障检测及实时电量测控领域的技术水平。
3 基本设计原理
在电力系统的生产过程中，需要对大量不同的电力生产设备和生产过程进行各种测试分析工作。这些测试分析工作大致可分为四类，第一类是对多路试验信号进行测量和数据分析，以及图形显示和报告处理等。第二类是产生并输出试验过程所需求的电气信号，为试验设备提供一个稳定可靠的信号源。第三类是产生并输出一种电气信号作用于被测设备，在被测设备上测量另一些相关变量的信号，对输出信号和测量信号进行数据计算和分析、图形显示、报告处理等。第四类是将计算机与外部被测设备共同构成一个实时模拟数字混合仿真系统，由计算机对被测设备的控制对象进行数字仿真，并对被测设备进行特性指标分析等。
构造具有广域适应性的新型电力工程测试分析仪器，其基本的设计原理是，在理论上应用软测量技术和虚拟仪器技术方法，在计算机硬件和软件技术上采用 标准通用模件和图形化软件编程平台以及面向测量对象的软件体系结构。其特征是将公知的计算机硬件资源与设置的输入接口、输出接口、信号转换、通讯接口、打印接口和人机接口模块以及根据若干被测对象电量工作机理编制的应用软件包共同构成一个由计算机操纵的模块化仪器虚拟测试系统，通过运行不同的应用软件包，在同一硬件支持下，完成不同被测电量的测试分析。
首先，按照有关的电力试验规范，根据被测对象其内部各变量之间的相互关联性，通过相应的数学模型，对不易于用常规仪表或方法进行测量的变量进行估算，并且其估计值应具有实际过程所允许的精度，设计能满足不同的电力设备试验及测试要求的多个测试分析软件组件。其次，采用基于PC机的直接由专用插入式数据采集(DAQ)和数据输出板卡建立统一的硬件支持平台的系统构成方案，并深入到WIN－DOWS的内核中编写一系列的属于系统级的虚拟设备驱动程序(VXD)，可完成对操作系统的各项底层操作，以满足本测试分析系统的各项测试分析功能软件对数据采集、仿真计算、信号输出的快速性和实时性的要求。最后，对每一项测试分析仪器功能均采用面向对象的编程技术(OOP)，使本测试分析系统具有各种符合实际操作习惯的3D图形仿真仪器界面，并将这些组件在一个能提供多种支持和服务的测试分析系统管理软件中集成为一个完整有机的软件包，使其具有能根据不同用户实际使用要求进行多种操作设定的灵活性和柔软性。
整套系统在一个统一的硬件支持平台上运行，将多项电力系统设备的测试分析仪器通过测试功能软件进行虚拟化，使该系统能最大限度地满足现场用户的实际需要，并且具有更高的性能价格比，进而构造出具有广域适应性的新型电力工程测试分析仪器。
4 研究现状
根据前述构造具有广域适应性的新型电力工程测试分析仪器的基本设计原理，我们开发设计了PVI多功能综合电力虚拟测试分析仪。该测试分析仪经过江苏省计量测试技术研究所测试，表明各测量通道精度优于±0.2％，达到了0.2级表计精度，并取得了国家版权局颁发的计算机软件著作权证书和江苏省信息产业厅颁发的计算机软件产品登记证书。该测试分析仪与传统的智能型测试仪器相比，具有功能完善、应用面广、性能稳定、实时性强、延扩性好、操作简便、成本低廉等特点，能完成如发电机特性试验、励磁系统特性试验、调速器特性试验、变压器特性试验等十多种试验的测试分析任务，可广泛应用在电力工业现场，以及其他需要进行高低压电气测试的场合。
PVI多功能综合电力虚拟测试分析仪，已开始在电力工业现场投入使用。实际使用结果表明，该分析仪各项技术性能指标已满足设计要求和现场实际使用的需要，其主要功能及技术特点有：
(1)基于同一计算机硬件平台的十大软件功能模块，用户运行不同的软件模块，可完成不同的电量测试与分析任务(发电机特性测试分析仪、变压器特性测试分析仪、励磁系统特性测试分析仪、低频记忆示波器、信号校验仪、低频逻辑分析仪)；
(2)基于Windows 9x/NT/2000操作平台的全中文仿真仪表3D图形界面，人机交互接口友好，直观清晰操作简易，无需培训即可上岗操作；
(3)软件功能完备，具有实时采集、动态显示、记录保存、追忆回放、逻辑分析、多种优化算法、报告整理、输出打印、网络传输等功能；
(4)连续实时存储信息量大，每次试验最多16通道可连续记录5min：
(5)可提供简捷的软件操作向导Wizard；
(6)各通道具有动态标度变换与非线性补偿功能；
(7)模拟量信号和数字量信号输入／输出通道均具有完善的隔离与保护措施：
(8)具有高精度、高可靠性，抗电磁干扰能力强。
PVI虚拟测试分析系统硬件结构和软件系统示意如图1、2)所示。
5 应用前景
具有广域适应性的新型电力工程测试分析仪器作为虚拟仪器技术和软测量技术的应用产品，其与仅具有单一功能的常规智能型仪器相比在产品的质量上、技术上、性能上、价格上、维护上、扩展上都具有明显的优势。具有广域适应性的新型电力工程测试分析仪器代表着电工仪器仪表的未来发展方向，随着计算机技术硬软件、电子技术、网络技术的不断发展和进步，该新型电力工程测试分析仪器的上述优势将越来越明显。同时，由于其具有良好的延扩性，为产品的不断升级换代提供了基础，可随计算机硬、软件技术的发展不断延长产品的使用寿命。
总之，随着计算机性能越来越好，价格越来越便宜，应用软件越来越丰富，仪器功能越来越完善，其必将日益受到广大用户欢迎。作为一种正处于成长初期的新型虚拟测试分析仪器，其具有十分广阔的应用前景。