船舶電力系統(tǒng)虛擬實驗教學(xué)平臺研發(fā)

張敬南，韓 靜，李南虬

船舶電力系統(tǒng)虛擬實驗教學(xué)平臺研發(fā)

張敬南，韓 靜，李南虬

（哈爾濱工程大學(xué) 自動化學(xué)院，黑龍江 哈爾濱 150001）

為改善實驗條件，開發(fā)了一套船舶電力系統(tǒng)故障診斷與保護(hù)虛擬實驗教學(xué)平臺。該實驗平臺利用NI VeriStand實現(xiàn)LabVIEW與MATLAB/Simulink的動態(tài)鏈接，利用LabVIEW實現(xiàn)數(shù)據(jù)庫訪問功能。結(jié)合Simulink的快速仿真建模設(shè)計、VeriStand對仿真模型的在線管理以及LabVIEW的圖形顯示，實現(xiàn)了對船舶電力系統(tǒng)的工況模擬、在線監(jiān)測、故障診斷與保護(hù)等多個功能，縮短了仿真實驗開發(fā)周期、提高了開發(fā)效率。以雙機(jī)單槳且發(fā)電機(jī)整流輸出側(cè)短路故障工況為例，說明了虛擬實驗平臺的實驗教學(xué)應(yīng)用。

船舶電力系統(tǒng)；虛擬實驗平臺；NI VeriStand；LabVIEW；MATLAB/Simulink

船舶電力技術(shù)是哈爾濱工程大學(xué)電氣工程學(xué)科的主要研究方向。為了彌補(bǔ)學(xué)校在船舶電力系統(tǒng)實驗環(huán)境方面的不足，解決船舶電力系統(tǒng)故障與保護(hù)實驗條件的欠缺，開發(fā)了基于虛擬技術(shù)的船舶電力系統(tǒng)實驗平臺[1-6]。

MATLAB/Simulink具有較強(qiáng)的數(shù)據(jù)處理等功能，但是在界面方面略遜一籌；而LabVIEW具有良好的圖形界面，卻難以實現(xiàn)復(fù)雜模型的構(gòu)建等功能。因此要充分發(fā)揮MATLAB/Simulink和LabVIEW的優(yōu)勢，就必須實現(xiàn)二者之間的信息交互[7-9]。在以往的研究中，混合編程技術(shù)大體可分為構(gòu)建數(shù)據(jù)共享、Active自動化技術(shù)、基于擴(kuò)展包SIT與基于NI VeriStand開發(fā)工具包等。

NI VeriStand開發(fā)工具包與LabVIEW、MATLAB/ Simulink均具備良好的兼容性和實時性，且適用于開發(fā)大程序，但其窗口顯示界面過于單調(diào)。因此，筆者利用NI VeriStand對仿真模型進(jìn)行在線管理，將LabVIEW的圖形顯示、訪問數(shù)據(jù)庫等功能與MATLAB/Simulink的快速仿真建模等功能相結(jié)合，研發(fā)了一套船舶電力系統(tǒng)故障診斷與保護(hù)虛擬實驗教學(xué)平臺，并在我校本科“電力系統(tǒng)繼電保護(hù)”“船舶電站”“課程設(shè)計”等課程的實驗環(huán)節(jié)中得以應(yīng)用，取得了較好的效果，也為研究生提供了實驗條件保障。

1 主要設(shè)計內(nèi)容

1.1 總體設(shè)計思想

利用NI VeriStand實現(xiàn)LabVIEW和Simulink的鏈接，利用LabVIEW訪問數(shù)據(jù)庫功能，構(gòu)建集在線監(jiān)測、故障診斷與保護(hù)、數(shù)據(jù)存儲和調(diào)用等功能為一體的船舶電力系統(tǒng)虛擬實驗教學(xué)平臺。該平臺的設(shè)計流程如圖1所示。

圖1 虛擬實驗教學(xué)平臺的設(shè)計流程框圖

船舶電力系統(tǒng)虛擬實驗教學(xué)平臺通過LabVIEW內(nèi)的NI VeriStand函數(shù)包實現(xiàn)LabVIEW和VeriStand的通信。平臺的界面分為VeriStand模型加載區(qū)、模型運(yùn)行控制區(qū)、參數(shù)修改區(qū)、顯示區(qū)和功能擴(kuò)展區(qū)等5部分。VeriStand模型加載區(qū)用于設(shè)置執(zhí)行主機(jī)的IP地址以及模型所處位置；模型運(yùn)行控制區(qū)用于顯示模型運(yùn)行狀態(tài)、日期、仿真時間等；參數(shù)修改區(qū)通過下拉列表，顯示和修改模型全部參數(shù)；顯示區(qū)主要利用示波器和數(shù)值顯示控件等直觀地顯示信號波形、數(shù)值、工況類型等；功能擴(kuò)展區(qū)包括數(shù)據(jù)保存、歷史查詢和保護(hù)方案查詢。

1.2 虛擬實驗平臺環(huán)境構(gòu)建與數(shù)據(jù)交互

NI VeriStand是一款可提供實時測試環(huán)境的軟件，能夠幫助用戶提高創(chuàng)建實時測試應(yīng)用程序的效率，具有開放、實時測試等特點(diǎn)。NI VeriStand 的2018版本不僅可高速采集數(shù)據(jù)、進(jìn)行數(shù)據(jù)管理與分析[10-13]，還能夠?qū)崿F(xiàn)LabVIEW、MATLAB、C/C++等軟件環(huán)境的自定義和擴(kuò)展。

一個樹狀的VeriStand工程文件至少包括工程文件、系統(tǒng)定義文件和窗口顯示文件。圖2為虛擬實驗平臺的信息交互流程。當(dāng)VeriStand配置完成時，就能為Simulink下的船舶電力系統(tǒng)仿真模型提供運(yùn)行環(huán)境，且實現(xiàn)主計算機(jī)和執(zhí)行主機(jī)之間的通信。這時，用戶可利用VeriStand窗口顯示文件Workspace構(gòu)建的實時層界面以及LabVIEW建立的平臺界面，對船舶電力系統(tǒng)的控制參數(shù)、開關(guān)等進(jìn)行相關(guān)操作，可利用平臺界面訪問數(shù)據(jù)庫進(jìn)行數(shù)據(jù)儲存、故障類型查詢等。

圖2 虛擬實驗教學(xué)平臺的信息交互流程

本文利用MATLAB2015b、LabVIEW2016、VeriStand2016、SQL Server 2008軟件，但需要注意各軟件版本的兼容性和安裝順序，否則無法正常鏈接。完成安裝后，打開MATLAB，在其命令窗口中顯示：

NI VeriStand Model Framework

### Successfully initialized components

并在Simulink Library Brower中自動添加NI VeriStand Blocks模塊，以上表明軟件環(huán)境配置成功。

在平臺開發(fā)時，LabVIEW和VeriStand的數(shù)據(jù)交互，其核心是利用LabVIEW的NI VeriStand函數(shù)包，通過編程修改VeriStand引擎中的通道和參數(shù)。

VeriStand利用Aliases對系統(tǒng)定義文件中的通道定義備用名稱。LabVIEW利用NI VeriStand函數(shù)包，實現(xiàn)對VeriStand工作區(qū)管理器的調(diào)用，成功鏈接到系統(tǒng)定義文件中定義的目標(biāo)，可獲取指定系統(tǒng)瀏覽器加載的模型列表。通過對模型子VI的調(diào)用，成功鏈接到模型管理器，可獲取指定的模型，從而實現(xiàn)對引擎中的通道和模型內(nèi)部參數(shù)的顯示、修改等操作，最終完成LabVIEW與VeriStand之間的數(shù)據(jù)交互。

SQL Server2008將用戶名、故障類型等信息保存在數(shù)據(jù)表中，LabVIEW通過ADO Connection Create、ADO Connection Open、SQL Execute、ADO Connection Close等模塊訪問數(shù)據(jù)庫，利用T-SQL語句select等對數(shù)據(jù)庫中數(shù)據(jù)實現(xiàn)查詢、保存等功能。最終完成LabVIEW與數(shù)據(jù)庫之間的數(shù)據(jù)交互。

2 虛擬實驗平臺案例

船舶電力系統(tǒng)虛擬實驗教學(xué)平臺由2套燃?xì)廨喺靼l(fā)電機(jī)組(TG1、TG2)、2套柴油整流發(fā)電機(jī)組(DG1、DG2)和2套電力變壓變頻推進(jìn)系統(tǒng)組成，負(fù)載為定槳距螺旋槳推進(jìn)器。設(shè)置隔離開關(guān)QS1—QS4，直流斷路器QF1—QF11（見圖3）。

圖3 環(huán)形拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)示意圖

實驗者依據(jù)“船舶電力系統(tǒng)故障保護(hù)課程設(shè)計”實驗講義對虛擬實驗教學(xué)平臺進(jìn)行相關(guān)操作，并可自行設(shè)計系統(tǒng)運(yùn)行工況、故障類型、故障時間以及保護(hù)方案等。

本文以雙機(jī)單槳工況DG1整流輸出側(cè)短路故障為例，說明虛擬實驗平臺的相關(guān)操作。TG1和DG1帶一套推進(jìn)負(fù)載M1且總功率大于10 MW。

實驗者在平臺界面的VeriStand模型加載區(qū)配置執(zhí)行主機(jī)的IP地址和預(yù)先配置好的系統(tǒng)定義文件的路徑，然后運(yùn)行船舶電力系統(tǒng)故障診斷與保護(hù)軟件，仿真程序在后臺進(jìn)行數(shù)值計算。

通過對LabVIEW平臺界面的參數(shù)下拉列表或者實時層Workspace界面輸入控件進(jìn)行參數(shù)的設(shè)置與修改，完成整流發(fā)電機(jī)組啟動、加減載、并網(wǎng)、功率分配等操作。根據(jù)整流發(fā)電機(jī)組斷路器狀態(tài)、負(fù)載斷路器狀態(tài)以及負(fù)載系統(tǒng)總功率，判斷當(dāng)前船舶電力系統(tǒng)的運(yùn)行狀態(tài)，運(yùn)行工況欄中顯示“工況8”。

實驗者設(shè)置系統(tǒng)發(fā)生DG1整流輸出側(cè)短路故障，顯示區(qū)DG1的“短路故障”指示燈亮。實驗者通過顯示區(qū)觀察到故障對船舶電力系統(tǒng)產(chǎn)生的影響。然后實驗者根據(jù)自行設(shè)計的保護(hù)方案對虛擬實驗平臺進(jìn)行操作，驗證所設(shè)計方案對系統(tǒng)的保護(hù)情況等。

虛擬實驗教學(xué)平臺的部分實驗結(jié)果曲線如圖4所示。由實驗結(jié)果可知：在DG1整流輸出側(cè)短路故障后，限流式斷路器限制了短路電流的峰值和穩(wěn)態(tài)值，此時負(fù)載全部由TG1供電，TG1直流側(cè)電流上升。依據(jù)設(shè)計的保護(hù)方案，若短路故障4 s后仍未消除，通過改變船舶電力系統(tǒng)拓?fù)洌瑢溆冒l(fā)電機(jī)TG2并網(wǎng)。負(fù)荷由TG1部分轉(zhuǎn)移至TG2，兩臺發(fā)電機(jī)功率按容量分配，從而實現(xiàn)了整流發(fā)電機(jī)故障時對負(fù)載的保護(hù)以及對負(fù)載的連續(xù)供電。虛擬實驗平臺的仿真結(jié)果與理論分析是一致的。

實驗者還可以通過設(shè)置與修改其他參數(shù)、改變系統(tǒng)拓?fù)浣Y(jié)的等，完成其他相應(yīng)的故障診斷與保護(hù)實驗，本文不再一一贅述。該虛擬實驗仿真平臺還具備登錄驗證、數(shù)據(jù)存儲與回顯、數(shù)據(jù)查詢等功能。

圖4 虛擬實驗教學(xué)平臺的部分實驗結(jié)果曲線

3 結(jié)語

該船舶電力系統(tǒng)虛擬實驗教學(xué)平臺在本校2018年電氣工程及其自動化專業(yè)本科教學(xué)實施，取得了很好的應(yīng)用效果。

（1）實現(xiàn)了平臺界面和實時層界面間的實時通信、在線參數(shù)調(diào)節(jié)、數(shù)據(jù)存儲查詢、故障診斷與保護(hù)等功能。

（2）虛擬實驗教學(xué)平臺應(yīng)用于船舶電力系統(tǒng)的故障診斷與保護(hù)研究中，減少了對硬件設(shè)備的需求，降低了實驗成本。

（3）學(xué)生通過在線改變參數(shù)，可以完成船舶電力系統(tǒng)控制參數(shù)設(shè)計、故障設(shè)置與故障現(xiàn)象觀測、保護(hù)方案設(shè)置與檢驗等不同的實驗。實驗平臺可操作性強(qiáng)、實時性好、設(shè)置簡單方便，實驗結(jié)果清晰明了，滿足課程實驗需求。

（4）學(xué)生可根據(jù)個人興趣積極開發(fā)不同的實驗工況，提高了學(xué)生的創(chuàng)新能力。

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Development of virtual experimental teaching platform for marine electric system

ZHANG Jingnan, HAN Jing, LI Nanqiu

(College of Automation, Harbin Engineering University, Harbin 150001, China)

In order to improve the experimental conditions, a virtual experimental platform for fault diagnosis and protection of marine electric propulsion systems is constructed. LabVIEW and MATLAB/Simulink are dynamically linked by using NI VeriStand in this virtual experimental platform where LabVIEW is used to achieve the access to the database. In combination with the rapid simulation modeling design of Simulink, online management of simulation models of VeriStand and graphical display of LabVIEW, multiple functions such as working condition simulation, online monitoring, fault diagnosis and protection for marine electric propulsion systems are realized, which reduces the development period of simulation and improves efficiency. The experiment teaching application of the virtual experimental platform is illustrated by taking the short circuit fault condition of the rectifier output side of the generator with two machines and one propeller as an example.

marine electric system; virtual experimental platform; NI VeriStand; LabVIEW; MATLAB/ Simulink

TP391.9

A

1002-4956(2019)07-0103-03

10.16791/j.cnki.sjg.2019.07.025

2019-01-08

張敬南（1975—），男，山東平度，博士，副教授，主要從事電力拖動自動控制系統(tǒng)教學(xué)與研究工作. E-mail: zhangjingnan@hrbeu.edu.cn