基于LabVIEW 船舶電站仿真訓練系統設計

鄒成，吳強，王亞楠

(1 海軍工程大學電氣工程系，湖北武漢430033;2 北海艦隊裝備部艦船總體處，山東青島266071)

0 引言

船舶電站仿真訓練系統是用計算機仿真技術，模擬船舶機艙的機、電等設備的動態過程來培訓輪機管理人員的仿真訓練器［1］。傳統的船舶電站仿真訓練模擬器開發工作量大、軟硬件通訊復雜繁瑣。本文嘗試采用一種新的軟件開發平臺-LabVIEW 來進行船舶電站仿真訓練系統的開發設計。

LabVIEW 是虛擬儀器概念的首創者，其界面形象逼真，可以形象模擬真實儀器的操作界面。在LabVIEW 環境下可以開發出數據管理、科學計算等方面的優秀的應用程序［2］。LabVIEW 支持PCI、GPIB、PXI、VXI、RS-232/485、USB 等各種先進的儀器通信總線，能驅動不同的總線標準接口設備和儀器，幾乎能與任何接口的硬件連接，可以和多種主流的工業現場總線通訊以及與大多數通用標準的實時數據庫連接［3，4］。

本文根據船舶訓練模擬器的設計需要，利用虛擬儀器技術的優點，在LabVIEW 平臺下設計了船舶電站仿真訓練系統。該訓練系統界面友好、功能強大，數據采集硬件配置靈活，具有很強的實用價值。

1 仿真訓練系統硬件與軟件結構

1.1 仿真訓練系統硬件結構

船舶電站仿真訓練系統就是運用計算機仿真技術模擬船舶機艙的機電設備的動態過程，來培訓輪機管理人員的仿真訓練器。船舶電站仿真機由兩大部分組成，即硬件系統和軟件系統。圖1為本文研究船舶電站仿真訓練系統的硬件系統結構圖。

圖1 硬件結構圖

由圖1 可以看出硬件系統由下列設備構成。

(1)教控臺

由教練員計算機組成。安裝有教控功能軟件、訓練管理軟件和數據通信軟件等，主要完成模擬訓練過程管理任務。

(2)仿真服務器

由一臺微型計算機組成，主要完成仿真模型運算任務。

(3)操縱臺屏

操縱臺屏由操縱與結構顯示板、機旁控制箱、電站主配電板和電站集控臺等組成。用于人員模擬實際船舶的操作，操作動作由數據采集卡采集并經由三臺工控機進行數據通信。

(4)軟界面計算機

軟界面計算機4 臺，分別安裝前后電站負載屏、電力網絡和配電設備操縱臺屏虛擬界面軟件。

(5)輔助教學設備

由打印機、投影儀、音響系統等組成，用來演示教學過程，展示設備聲光效果，打印訓練成績及訓練數據。

(6)網絡設備

由一臺交換機及若干網線組成，用于各計算機之間數據通信。計算機間采用100 BASE-T 快速以太網構成網絡環境。

1.2 仿真訓練系統軟件組成

本仿真訓練系統軟件結構如圖2 所示。其中包括虛擬臺屏軟件，數據采集軟件、仿真模型軟件、教控功能軟件以及數據通訊軟件。

圖2 軟件系統結構圖

虛擬臺屏軟件是用LabVIEW 開發的XControl 控件，提供一個仿真平臺對用戶定義變量的操作接口，控件通過內存共享的方式訪問數據通信軟件所提供的變量數據。

數據通信軟件通過網絡方式與數據采集軟件進行通信，實時傳輸外部I/O 變量數據并響應教控功能軟件發送的操作指令。

數據采集軟件訪問采集卡，通過數據網絡方式將采集數據傳給數據通信軟件和輸出接收的數據至采集卡。

教控功能軟件具有教練員科目設置、運行、凍結推出等運行控制功能。

2 發電機組短路過程理論分析［5，6］

2.1 發電機組建模

對于發電機組的數學仿真，實質上是對其數學模型的求解。本文采用d-q 坐標系下的全階數學模型。發電機的電壓方程如式(1)所示

為了運用電子計算機對同步發電機數學模型進行運算，需要將發電機的數學模型轉換為狀態空間方程。選用的狀態變量不同，狀態空間方程也是不同的。本文以電流的派克分量為狀態變量，寫出短路故障過程所用同步電機的狀態空間方程如式(3)所示。

2.2 發電機突然三相短路分析

發電機突然三相短路，實際上是一種瞬變過程。由于電磁方面的瞬變過程比其他方面的瞬變過程要快得多，因此可近似地認為電磁瞬變過程中其他分量保持不變。為此，本文在討論短路之前，作以下三點假設。

(1)暫態過程中同步發電機保持同步轉速，即不考慮機械暫態過程;

(2)發生短路后勵磁電壓始終保持不變;(3)短路發生在出線端口。

發電機短路過程中各繞組中的電流由短路前的負載電流和因短路而出現的各繞組電流變化量Δid、Δiq、Δif、ΔiD、ΔiQ組成。

運用計算機計算三相短路時，采用疊加原理。首先明確短路前電機端電壓和定子繞組電流的正、交軸分量。由短路前電機端電壓、定子繞組電流以及短路前的功率因數角，可求得短路前的功率角，計算公式如式(4)所示。

然后可進行因突然短路而出現的各繞組電流變化量Δid、Δiq、Δif、ΔiD、ΔiQ的計算。

電流變化量的計算采用發電機的狀態空間方程，由于是三相短路，所以方程中不存在零軸分量。因此三相短路時發電機電壓電流的計算公式如下

在勵磁電壓不可調的前提下，由于發電機三相短路過程中d-q 軸的電壓為零，因此電流變化量Δid、Δiq、Δif、ΔiD、ΔiQ必須產生與初始相反的穩定電壓。即

3 發電機組三相短路過程仿真

3.1 發電機組短路仿真

發電機組短路過程的計算機仿真實質上是初值條件下一個常系數微分方程組的求解問題。其計算方法很多，例如改進歐拉法、龍格-庫塔法、預測-校正法等［7］。計算三相短路時，宜采用較精確的方法。本文采用四階龍格-庫塔法對發電機的三相短路進行仿真計算。發電機參數如表1 所示。

表1 發電機參數

原始運行條件，即額定負載條件:u［0］=1，i［0］=1，φ［0］=0.5548。

短路時的轉子位置角θ0=3.1416，仿真過程如圖3 所示。

圖3 發電機突然三相短路仿真流程圖

根據文獻［5］的分析推導可得出發電機三相短路時定子繞組電流的計算公式如下

3.2 仿真結果與分析

根據以上分析和計算，借助于船舶電站仿真訓練系統，繪制出發電機額定負載三相短路電流的仿真曲線，如圖4 所示。同時利用Matlab 強大的計算功能，根據文獻［5］推導出的公式，用解析法繪制出額定負載下發電機三相突然短路過程的計算曲線，如圖5 所示。

圖4 基于訓練系統三相短路仿真曲線

圖5 基于Matlab 解析法三相短路計算曲線

通過比較LabVIEW 的仿真結果圖4 和Matlab 的計算結果圖5，可以得出以下結論

(1)該船舶電站仿真訓練系統仿真出來的額定負載下三相突然短路的電流變化曲線與用Matlab 解析法繪出的仿真曲線變化趨勢是相似的，仿真訓練系統繪出的a 相短路電流最大值為9.5 倍標幺值，而Matlab 解析法的計算得到的該電流最大值為9.7 倍標幺值，誤差為2.1%。仿真訓練系統繪出的b 相短路電流最大值為8.9 倍標幺值，而Matlab 解析法的計算得到的該電流最大值為8.1 倍標幺值，誤差為9.88%。誤差在允許范圍內。船舶電站訓練仿真系統達到了預期的精度要求。

(2)從仿真曲線可以看出，本文研究的船舶電站仿真訓練系統以一毫秒為一個計算周期，這在船舶電站仿真訓練模擬器是一個極小的計算周期，極大地滿足了船舶電站仿真訓練系統對實時性的要求。

4 結語

本文在LabVIEW 平臺上構建的船舶電站訓練模擬器具有較高的仿真精度并且實時性良好，能夠模擬船舶電站的各種運行工況，能夠實時地反應船舶電站的機電設備動態過程。優秀的界面設計功能在一定程度上代替半實物設備，節省了開發費用。實踐證明該船舶電站仿真訓練系統能夠很好地完成對船員的培訓。

［1］ 葉偉強.艦船電站仿真訓練系統設計［D］.大連海事大學，2002.3.

［2］ 陳樹學，劉萱. LabVIEW 寶典［M］.北京:電子工業出版社，2011.

［3］ 王曉蘭.基于LabVIEW 的風力機模擬裝置上位機監控系統設計［J］.電氣自動化，2012，34(2):28-30.

［4］ 賀鵬飛.基于LabVIEW 的船舶電站實時監控系統研究［D］.華中科技大學，2006:13-17.

［5］ 陳珩.同步電機運行基本理論與計算機方法［M］.北京:水利電力出版社，1992.

［6］ 倪以信，陳壽孫，張寶霖.動態電力系統的理論和分析［M］.北京:清華大學出版社，2002.

［7］ 易大義，沈云寶，李有法.計算方法［M］.杭州:浙江大學出版社，2006.