基于LabVIEW的電力系統(tǒng)綜合實(shí)踐模擬操作平臺(tái)設(shè)計(jì)

摘 要：本文提出了以LabVIEW為核心的，基于THFMDZ-1實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的，操作界面直觀現(xiàn)實(shí)、開(kāi)發(fā)編程容易、調(diào)試輕松的電力系統(tǒng)綜合實(shí)踐模擬操作平臺(tái)設(shè)計(jì)方案，該平臺(tái)包括電壓表、電流表、功率表、示波器、電壓旋鈕等一系列實(shí)操儀器。設(shè)計(jì)的虛擬平臺(tái)具有以下功能：機(jī)組起勵(lì)建壓、機(jī)組停機(jī)、準(zhǔn)同期并網(wǎng)、功率調(diào)整、短路試驗(yàn)、單機(jī)帶負(fù)荷實(shí)驗(yàn)。通過(guò)對(duì)比虛擬實(shí)驗(yàn)功能結(jié)果與實(shí)訓(xùn)結(jié)果可知，該平臺(tái)符合設(shè)計(jì)預(yù)期目標(biāo)。

關(guān)鍵詞：LabVIEW;電力系統(tǒng);虛擬實(shí)驗(yàn)

中圖分類號(hào)：TM77 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1003-5168（2018）25-0144-03

目前，電力系統(tǒng)規(guī)模不斷擴(kuò)張，對(duì)電力系統(tǒng)安全穩(wěn)定性的要求也越來(lái)越高，各種緊急情況都需要借助虛擬的仿真實(shí)訓(xùn)進(jìn)行分析解決[1，2]。虛擬儀器的出現(xiàn)，使得我們不用再過(guò)多考慮實(shí)驗(yàn)室構(gòu)造、實(shí)驗(yàn)設(shè)施數(shù)量、置辦場(chǎng)地等方面的約束，操作人員能在更為自由的實(shí)驗(yàn)環(huán)境中開(kāi)展精密的實(shí)驗(yàn)仿真[3，4]。虛擬實(shí)驗(yàn)室的優(yōu)勢(shì)較為明顯。首先，節(jié)省了高?；蛘哐芯克I(mǎi)進(jìn)大型電力系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)設(shè)施的經(jīng)費(fèi);其次，不用考慮實(shí)驗(yàn)設(shè)備數(shù)量不足，能多人共用一套虛擬實(shí)驗(yàn)平臺(tái);最后，實(shí)驗(yàn)仿真的操作人員能隨時(shí)開(kāi)展實(shí)驗(yàn)，極為方便[5]。

1 平臺(tái)的整體框架

模型一共具備2個(gè)部分。第一部分是電力系統(tǒng)綜合實(shí)驗(yàn)平臺(tái)模型的整體搭建，該模塊能實(shí)現(xiàn)發(fā)電機(jī)組的起勵(lì)建壓、發(fā)電機(jī)停機(jī)、發(fā)電機(jī)并網(wǎng)、功率調(diào)整、短路實(shí)驗(yàn)、單機(jī)帶負(fù)荷實(shí)驗(yàn)這六大功能[6，7]。第二個(gè)部分能實(shí)現(xiàn)發(fā)電機(jī)組的并列運(yùn)行實(shí)驗(yàn)。前面板由THFMDZ-1電力系統(tǒng)綜合自動(dòng)化實(shí)驗(yàn)平臺(tái)和電力系統(tǒng)綜合自動(dòng)化仿真實(shí)訓(xùn)裝置組成[8]。電力系統(tǒng)綜合自動(dòng)化仿真實(shí)訓(xùn)裝置如圖1所示，程序主界面的THFMDZ-1電力系統(tǒng)綜合自動(dòng)化實(shí)驗(yàn)平臺(tái)前面板如圖2所示。

2 實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的組建及功能設(shè)計(jì)

2.1 系統(tǒng)啟動(dòng)界面的設(shè)計(jì)

本設(shè)計(jì)采用的軟件是LabVIEW[9]，登錄界面的前面板設(shè)計(jì)如圖3所示。

2.2 發(fā)電機(jī)組起勵(lì)建壓

微機(jī)調(diào)速裝置默認(rèn)的是自動(dòng)升速系統(tǒng)，后面板程序如圖4所示。

手動(dòng)調(diào)節(jié)發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速后面板的程序如圖5所示。

2.3 發(fā)電機(jī)組停機(jī)

首先，減小發(fā)電機(jī)勵(lì)磁至0;隨后，按下微機(jī)調(diào)速器裝置面板上的“停止”鍵;當(dāng)發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速減小至0時(shí)，將THLZD-1電力系統(tǒng)綜合自動(dòng)化控制柜面板上的“勵(lì)磁電源”關(guān)閉，“原動(dòng)機(jī)電源”也關(guān)閉。

2.4 發(fā)電機(jī)組并網(wǎng)

發(fā)電機(jī)組并網(wǎng)有三種方式：一是手動(dòng)并網(wǎng);二是半自動(dòng)并網(wǎng);三是自動(dòng)并網(wǎng)。

發(fā)電機(jī)組設(shè)計(jì)了手動(dòng)及自動(dòng)并網(wǎng)，通過(guò)同期檢查表，在頻率差與電壓差在一定范圍內(nèi)時(shí)，合閘并網(wǎng)。檢同期表程序設(shè)計(jì)采用的是For循環(huán)結(jié)構(gòu)，同時(shí)包含了一個(gè)短延時(shí)模塊，因此放置在注冊(cè)用戶事件內(nèi)，頻率差及電壓差程序設(shè)計(jì)利用條件結(jié)構(gòu)判斷是否在一定范圍，執(zhí)行合閘操作。

2.5 發(fā)電機(jī)組功率調(diào)整

調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)速系統(tǒng)，進(jìn)而改變發(fā)電機(jī)所發(fā)有功功率，具體操作為：每次按下微機(jī)調(diào)速裝置“+5”或“+1”按鍵，這樣發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)速會(huì)逐漸增大，進(jìn)而使發(fā)電機(jī)有功輸出緩慢增加，直到有功功率P達(dá)到1kW。

無(wú)功功率的調(diào)節(jié)有三種方式，手動(dòng)調(diào)節(jié)為簡(jiǎn)單的數(shù)值運(yùn)算，程序如圖6所示。

微機(jī)勵(lì)磁借助微機(jī)勵(lì)磁面板上的“+”鍵進(jìn)行無(wú)功調(diào)節(jié)，由于面板上有加減兩種運(yùn)算，此處只列舉“+”鍵的程序設(shè)計(jì)，如圖8所示。

3 實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目結(jié)果

3.1 短路故障實(shí)驗(yàn)

本文研究三相短路故障。在程序主面板的單位阻抗及線路長(zhǎng)度中輸入對(duì)應(yīng)的實(shí)驗(yàn)數(shù)值，再按下“開(kāi)始短路實(shí)驗(yàn)”按鈕，開(kāi)始進(jìn)行短路實(shí)驗(yàn)，對(duì)應(yīng)的A相短路電路的波形圖，有功及無(wú)功功率和功率因數(shù)都會(huì)發(fā)生相對(duì)應(yīng)的變化，當(dāng)單位阻抗值設(shè)置為0.1+0.24i（Ω/m），短路時(shí)電源處到短路故障處線路長(zhǎng)度為100m，對(duì)應(yīng)變化如圖9所示。

依照每個(gè)物理量之間的數(shù)值轉(zhuǎn)換關(guān)系進(jìn)行程序編寫(xiě)，研究為無(wú)窮大系統(tǒng)，短路時(shí)母線電壓基本保持不變，單位阻抗及線路長(zhǎng)度作為輸入開(kāi)始數(shù)值運(yùn)算，獲取到各個(gè)數(shù)值后輸入對(duì)應(yīng)的儀表中進(jìn)行前面板顯示。

3.2 單機(jī)帶負(fù)荷實(shí)驗(yàn)

本實(shí)驗(yàn)對(duì)電力系統(tǒng)負(fù)荷變化進(jìn)行簡(jiǎn)單研究，探索負(fù)荷對(duì)電力系統(tǒng)的影響，是對(duì)功率的測(cè)量及相電流波形圖的分析。功率測(cè)量前面板由有功功率表、無(wú)功功率表和功率因數(shù)表三部分構(gòu)成。圖10中的示數(shù)是負(fù)荷阻抗虛實(shí)部相同為50+50i（Ω）時(shí)，功率表計(jì)算的示數(shù)，有功率因數(shù)表示數(shù)為0.71，可得計(jì)算結(jié)果與理論在誤差允許范圍內(nèi)相符合。

該后面板程序原理：根據(jù)電路的計(jì)算原理，利用電壓和輸入的負(fù)荷阻抗與有功功率、無(wú)功功率、功率因數(shù)之間的關(guān)系，對(duì)相應(yīng)的參數(shù)進(jìn)行計(jì)算，將計(jì)算結(jié)果輸入各自的儀表中以便于顯示。

4 結(jié)論

借助虛擬儀器LabVIEW作為搭建平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)電力系統(tǒng)綜合自動(dòng)化實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的組態(tài)及實(shí)驗(yàn)臺(tái)的真實(shí)操作性實(shí)驗(yàn)。本次設(shè)計(jì)通過(guò)利用LabVIEW，在前面板搭建了基于實(shí)驗(yàn)室的虛擬電力系統(tǒng)綜合自動(dòng)化仿真實(shí)訓(xùn)平臺(tái)，并靈活使用后面板強(qiáng)大的圖形化編程語(yǔ)言，對(duì)平臺(tái)進(jìn)行程序編輯，使之能實(shí)現(xiàn)需求的功能。通過(guò)將實(shí)驗(yàn)結(jié)果與任務(wù)書(shū)要求進(jìn)行對(duì)比分析，基本實(shí)現(xiàn)了實(shí)驗(yàn)的要求功能，包括發(fā)電機(jī)組的起勵(lì)建壓、機(jī)組停機(jī)、發(fā)電機(jī)并網(wǎng)、功率調(diào)節(jié)、單機(jī)帶負(fù)荷實(shí)驗(yàn)和短路實(shí)驗(yàn)等。

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