基于LabVIEW 船舶电站仿真训练系统设计

2013-03-04邹成吴强王亚楠

防爆电机 2013年4期

邹成，吴强，王亚楠

(1 海军工程大学电气工程系，湖北武汉430033;2 北海舰队装备部舰船总体处，山东青岛266071)

0 引言

船舶电站仿真训练系统是用计算机仿真技术，模拟船舶机舱的机、电等设备的动态过程来培训轮机管理人员的仿真训练器［1］。传统的船舶电站仿真训练模拟器开发工作量大、软硬件通讯复杂繁琐。本文尝试采用一种新的软件开发平台-LabVIEW 来进行船舶电站仿真训练系统的开发设计。

LabVIEW 是虚拟仪器概念的首创者，其界面形象逼真，可以形象模拟真实仪器的操作界面。在LabVIEW 环境下可以开发出数据管理、科学计算等方面的优秀的应用程序［2］。LabVIEW 支持PCI、GPIB、PXI、VXI、RS-232/485、USB 等各种先进的仪器通信总线，能驱动不同的总线标准接口设备和仪器，几乎能与任何接口的硬件连接，可以和多种主流的工业现场总线通讯以及与大多数通用标准的实时数据库连接［3，4］。

本文根据船舶训练模拟器的设计需要，利用虚拟仪器技术的优点，在LabVIEW 平台下设计了船舶电站仿真训练系统。该训练系统界面友好、功能强大，数据采集硬件配置灵活，具有很强的实用价值。

1 仿真训练系统硬件与软件结构

1.1 仿真训练系统硬件结构

船舶电站仿真训练系统就是运用计算机仿真技术模拟船舶机舱的机电设备的动态过程，来培训轮机管理人员的仿真训练器。船舶电站仿真机由两大部分组成，即硬件系统和软件系统。图1为本文研究船舶电站仿真训练系统的硬件系统结构图。

图1 硬件结构图

由图1 可以看出硬件系统由下列设备构成。

(1)教控台

由教练员计算机组成。安装有教控功能软件、训练管理软件和数据通信软件等，主要完成模拟训练过程管理任务。

(2)仿真服务器

由一台微型计算机组成，主要完成仿真模型运算任务。

(3)操纵台屏

操纵台屏由操纵与结构显示板、机旁控制箱、电站主配电板和电站集控台等组成。用于人员模拟实际船舶的操作，操作动作由数据采集卡采集并经由三台工控机进行数据通信。

(4)软界面计算机

软界面计算机4 台，分别安装前后电站负载屏、电力网络和配电设备操纵台屏虚拟界面软件。

(5)辅助教学设备

由打印机、投影仪、音响系统等组成，用来演示教学过程，展示设备声光效果，打印训练成绩及训练数据。

(6)网络设备

由一台交换机及若干网线组成，用于各计算机之间数据通信。计算机间采用100 BASE-T 快速以太网构成网络环境。

1.2 仿真训练系统软件组成

本仿真训练系统软件结构如图2 所示。其中包括虚拟台屏软件，数据采集软件、仿真模型软件、教控功能软件以及数据通讯软件。

图2 软件系统结构图

虚拟台屏软件是用LabVIEW 开发的XControl 控件，提供一个仿真平台对用户定义变量的操作接口，控件通过内存共享的方式访问数据通信软件所提供的变量数据。

数据通信软件通过网络方式与数据采集软件进行通信，实时传输外部I/O 变量数据并响应教控功能软件发送的操作指令。

数据采集软件访问采集卡，通过数据网络方式将采集数据传给数据通信软件和输出接收的数据至采集卡。

教控功能软件具有教练员科目设置、运行、冻结推出等运行控制功能。

2 发电机组短路过程理论分析［5，6］

2.1 发电机组建模

对于发电机组的数学仿真，实质上是对其数学模型的求解。本文采用d-q 坐标系下的全阶数学模型。发电机的电压方程如式(1)所示

为了运用电子计算机对同步发电机数学模型进行运算，需要将发电机的数学模型转换为状态空间方程。选用的状态变量不同，状态空间方程也是不同的。本文以电流的派克分量为状态变量，写出短路故障过程所用同步电机的状态空间方程如式(3)所示。

2.2 发电机突然三相短路分析

发电机突然三相短路，实际上是一种瞬变过程。由于电磁方面的瞬变过程比其他方面的瞬变过程要快得多，因此可近似地认为电磁瞬变过程中其他分量保持不变。为此，本文在讨论短路之前，作以下三点假设。

(1)暂态过程中同步发电机保持同步转速，即不考虑机械暂态过程;

(2)发生短路后励磁电压始终保持不变;(3)短路发生在出线端口。

发电机短路过程中各绕组中的电流由短路前的负载电流和因短路而出现的各绕组电流变化量Δid、Δiq、Δif、ΔiD、ΔiQ组成。

运用计算机计算三相短路时，采用叠加原理。首先明确短路前电机端电压和定子绕组电流的正、交轴分量。由短路前电机端电压、定子绕组电流以及短路前的功率因数角，可求得短路前的功率角，计算公式如式(4)所示。

然后可进行因突然短路而出现的各绕组电流变化量Δid、Δiq、Δif、ΔiD、ΔiQ的计算。

电流变化量的计算采用发电机的状态空间方程，由于是三相短路，所以方程中不存在零轴分量。因此三相短路时发电机电压电流的计算公式如下

在励磁电压不可调的前提下，由于发电机三相短路过程中d-q 轴的电压为零，因此电流变化量Δid、Δiq、Δif、ΔiD、ΔiQ必须产生与初始相反的稳定电压。即

3 发电机组三相短路过程仿真

3.1 发电机组短路仿真

发电机组短路过程的计算机仿真实质上是初值条件下一个常系数微分方程组的求解问题。其计算方法很多，例如改进欧拉法、龙格-库塔法、预测-校正法等［7］。计算三相短路时，宜采用较精确的方法。本文采用四阶龙格-库塔法对发电机的三相短路进行仿真计算。发电机参数如表1 所示。

表1 发电机参数

原始运行条件，即额定负载条件:u［0］=1，i［0］=1，φ［0］=0.5548。

短路时的转子位置角θ0=3.1416，仿真过程如图3 所示。

图3 发电机突然三相短路仿真流程图

根据文献［5］的分析推导可得出发电机三相短路时定子绕组电流的计算公式如下

3.2 仿真结果与分析

根据以上分析和计算，借助于船舶电站仿真训练系统，绘制出发电机额定负载三相短路电流的仿真曲线，如图4 所示。同时利用Matlab 强大的计算功能，根据文献［5］推导出的公式，用解析法绘制出额定负载下发电机三相突然短路过程的计算曲线，如图5 所示。

图4 基于训练系统三相短路仿真曲线

图5 基于Matlab 解析法三相短路计算曲线

通过比较LabVIEW 的仿真结果图4 和Matlab 的计算结果图5，可以得出以下结论

(1)该船舶电站仿真训练系统仿真出来的额定负载下三相突然短路的电流变化曲线与用Matlab 解析法绘出的仿真曲线变化趋势是相似的，仿真训练系统绘出的a 相短路电流最大值为9.5 倍标幺值，而Matlab 解析法的计算得到的该电流最大值为9.7 倍标幺值，误差为2.1%。仿真训练系统绘出的b 相短路电流最大值为8.9 倍标幺值，而Matlab 解析法的计算得到的该电流最大值为8.1 倍标幺值，误差为9.88%。误差在允许范围内。船舶电站训练仿真系统达到了预期的精度要求。

(2)从仿真曲线可以看出，本文研究的船舶电站仿真训练系统以一毫秒为一个计算周期，这在船舶电站仿真训练模拟器是一个极小的计算周期，极大地满足了船舶电站仿真训练系统对实时性的要求。