船舶电力系统虚拟实验教学平台研发

张敬南，韩 静，李南虬

船舶电力系统虚拟实验教学平台研发

张敬南，韩 静，李南虬

（哈尔滨工程大学 自动化学院，黑龙江 哈尔滨 150001）

为改善实验条件，开发了一套船舶电力系统故障诊断与保护虚拟实验教学平台。该实验平台利用NI VeriStand实现LabVIEW与MATLAB/Simulink的动态链接，利用LabVIEW实现数据库访问功能。结合Simulink的快速仿真建模设计、VeriStand对仿真模型的在线管理以及LabVIEW的图形显示，实现了对船舶电力系统的工况模拟、在线监测、故障诊断与保护等多个功能，缩短了仿真实验开发周期、提高了开发效率。以双机单桨且发电机整流输出侧短路故障工况为例，说明了虚拟实验平台的实验教学应用。

船舶电力系统；虚拟实验平台；NI VeriStand；LabVIEW；MATLAB/Simulink

船舶电力技术是哈尔滨工程大学电气工程学科的主要研究方向。为了弥补学校在船舶电力系统实验环境方面的不足，解决船舶电力系统故障与保护实验条件的欠缺，开发了基于虚拟技术的船舶电力系统实验平台[1-6]。

MATLAB/Simulink具有较强的数据处理等功能，但是在界面方面略逊一筹；而LabVIEW具有良好的图形界面，却难以实现复杂模型的构建等功能。因此要充分发挥MATLAB/Simulink和LabVIEW的优势，就必须实现二者之间的信息交互[7-9]。在以往的研究中，混合编程技术大体可分为构建数据共享、Active自动化技术、基于扩展包SIT与基于NI VeriStand开发工具包等。

NI VeriStand开发工具包与LabVIEW、MATLAB/ Simulink均具备良好的兼容性和实时性，且适用于开发大程序，但其窗口显示界面过于单调。因此，笔者利用NI VeriStand对仿真模型进行在线管理，将LabVIEW的图形显示、访问数据库等功能与MATLAB/Simulink的快速仿真建模等功能相结合，研发了一套船舶电力系统故障诊断与保护虚拟实验教学平台，并在我校本科“电力系统继电保护”“船舶电站”“课程设计”等课程的实验环节中得以应用，取得了较好的效果，也为研究生提供了实验条件保障。

1 主要设计内容

1.1 总体设计思想

利用NI VeriStand实现LabVIEW和Simulink的链接，利用LabVIEW访问数据库功能，构建集在线监测、故障诊断与保护、数据存储和调用等功能为一体的船舶电力系统虚拟实验教学平台。该平台的设计流程如图1所示。

图1 虚拟实验教学平台的设计流程框图

船舶电力系统虚拟实验教学平台通过LabVIEW内的NI VeriStand函数包实现LabVIEW和VeriStand的通信。平台的界面分为VeriStand模型加载区、模型运行控制区、参数修改区、显示区和功能扩展区等5部分。VeriStand模型加载区用于设置执行主机的IP地址以及模型所处位置；模型运行控制区用于显示模型运行状态、日期、仿真时间等；参数修改区通过下拉列表，显示和修改模型全部参数；显示区主要利用示波器和数值显示控件等直观地显示信号波形、数值、工况类型等；功能扩展区包括数据保存、历史查询和保护方案查询。

1.2 虚拟实验平台环境构建与数据交互

NI VeriStand是一款可提供实时测试环境的软件，能够帮助用户提高创建实时测试应用程序的效率，具有开放、实时测试等特点。NI VeriStand 的2018版本不仅可高速采集数据、进行数据管理与分析[10-13]，还能够实现LabVIEW、MATLAB、C/C++等软件环境的自定义和扩展。

一个树状的VeriStand工程文件至少包括工程文件、系统定义文件和窗口显示文件。图2为虚拟实验平台的信息交互流程。当VeriStand配置完成时，就能为Simulink下的船舶电力系统仿真模型提供运行环境，且实现主计算机和执行主机之间的通信。这时，用户可利用VeriStand窗口显示文件Workspace构建的实时层界面以及LabVIEW建立的平台界面，对船舶电力系统的控制参数、开关等进行相关操作，可利用平台界面访问数据库进行数据储存、故障类型查询等。

图2 虚拟实验教学平台的信息交互流程

本文利用MATLAB2015b、LabVIEW2016、VeriStand2016、SQL Server 2008软件，但需要注意各软件版本的兼容性和安装顺序，否则无法正常链接。完成安装后，打开MATLAB，在其命令窗口中显示：

NI VeriStand Model Framework

### Successfully initialized components

并在Simulink Library Brower中自动添加NI VeriStand Blocks模块，以上表明软件环境配置成功。

在平台开发时，LabVIEW和VeriStand的数据交互，其核心是利用LabVIEW的NI VeriStand函数包，通过编程修改VeriStand引擎中的通道和参数。

VeriStand利用Aliases对系统定义文件中的通道定义备用名称。LabVIEW利用NI VeriStand函数包，实现对VeriStand工作区管理器的调用，成功链接到系统定义文件中定义的目标，可获取指定系统浏览器加载的模型列表。通过对模型子VI的调用，成功链接到模型管理器，可获取指定的模型，从而实现对引擎中的通道和模型内部参数的显示、修改等操作，最终完成LabVIEW与VeriStand之间的数据交互。

SQL Server2008将用户名、故障类型等信息保存在数据表中，LabVIEW通过ADO Connection Create、ADO Connection Open、SQL Execute、ADO Connection Close等模块访问数据库，利用T-SQL语句select等对数据库中数据实现查询、保存等功能。最终完成LabVIEW与数据库之间的数据交互。

2 虚拟实验平台案例

船舶电力系统虚拟实验教学平台由2套燃气轮整流发电机组(TG1、TG2)、2套柴油整流发电机组(DG1、DG2)和2套电力变压变频推进系统组成，负载为定桨距螺旋桨推进器。设置隔离开关QS1—QS4，直流断路器QF1—QF11（见图3）。

图3 环形拓扑结构示意图

实验者依据“船舶电力系统故障保护课程设计”实验讲义对虚拟实验教学平台进行相关操作，并可自行设计系统运行工况、故障类型、故障时间以及保护方案等。

本文以双机单桨工况DG1整流输出侧短路故障为例，说明虚拟实验平台的相关操作。TG1和DG1带一套推进负载M1且总功率大于10 MW。

实验者在平台界面的VeriStand模型加载区配置执行主机的IP地址和预先配置好的系统定义文件的路径，然后运行船舶电力系统故障诊断与保护软件，仿真程序在后台进行数值计算。

通过对LabVIEW平台界面的参数下拉列表或者实时层Workspace界面输入控件进行参数的设置与修改，完成整流发电机组启动、加减载、并网、功率分配等操作。根据整流发电机组断路器状态、负载断路器状态以及负载系统总功率，判断当前船舶电力系统的运行状态，运行工况栏中显示“工况8”。

实验者设置系统发生DG1整流输出侧短路故障，显示区DG1的“短路故障”指示灯亮。实验者通过显示区观察到故障对船舶电力系统产生的影响。然后实验者根据自行设计的保护方案对虚拟实验平台进行操作，验证所设计方案对系统的保护情况等。

虚拟实验教学平台的部分实验结果曲线如图4所示。由实验结果可知：在DG1整流输出侧短路故障后，限流式断路器限制了短路电流的峰值和稳态值，此时负载全部由TG1供电，TG1直流侧电流上升。依据设计的保护方案，若短路故障4 s后仍未消除，通过改变船舶电力系统拓扑，将备用发电机TG2并网。负荷由TG1部分转移至TG2，两台发电机功率按容量分配，从而实现了整流发电机故障时对负载的保护以及对负载的连续供电。虚拟实验平台的仿真结果与理论分析是一致的。

实验者还可以通过设置与修改其他参数、改变系统拓扑结的等，完成其他相应的故障诊断与保护实验，本文不再一一赘述。该虚拟实验仿真平台还具备登录验证、数据存储与回显、数据查询等功能。

图4 虚拟实验教学平台的部分实验结果曲线

3 结语

该船舶电力系统虚拟实验教学平台在本校2018年电气工程及其自动化专业本科教学实施，取得了很好的应用效果。

（1）实现了平台界面和实时层界面间的实时通信、在线参数调节、数据存储查询、故障诊断与保护等功能。

（2）虚拟实验教学平台应用于船舶电力系统的故障诊断与保护研究中，减少了对硬件设备的需求，降低了实验成本。

（3）学生通过在线改变参数，可以完成船舶电力系统控制参数设计、故障设置与故障现象观测、保护方案设置与检验等不同的实验。实验平台可操作性强、实时性好、设置简单方便，实验结果清晰明了，满足课程实验需求。

（4）学生可根据个人兴趣积极开发不同的实验工况，提高了学生的创新能力。

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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

张敬南（1975—），男，山东平度，博士，副教授，主要从事电力拖动自动控制系统教学与研究工作. E-mail: zhangjingnan@hrbeu.edu.cn