Е.23.О. Виртуальные устройства LabVIEW в лабораторном практикуме
электроэнергетических специальностей
Южно-Уральский государственный университет, г. Челябинск
На современном этапе развития высшего образования в стране, когда большинство студентов свободно владеет ПЭВМ и информационными технологиями, существенно повышается роль самостоятельной работы в освоении изучаемых дисциплин. Внедрение компьютерных технологий в учебный процесс уже сегодня позволяет наглядно представлять теоретический материал в виде электронных лекций, помогает в выполнении текущих и семестровых заданий, курсовых проектов и работ.
Важнейшей составляющей познавательного процесса, особенно по специальностям электроэнергетического профиля, являются лабораторные исследования. Развитие существующей лабораторной базы должно идти по пути создания новых современных лабораторных установок и физических моделей, требующих значительных финансовых затрат, и разработки компьютерных программ и тренажёров при сравнительно небольших затратах.
Компьютерные технологии могут предоставлять студентам широкие возможности для проведения в любое удобное время различных экспериментов на математических моделях, взаимодействие с которыми осуществляется с помощью виртуальных технических средств и приборов, используемых в аналогичных физических установках или даже в реальных исследуемых системах.
Для создания таких программных продуктов могут использоваться различные алгоритмические языки высокого уровня или специальные пакеты программ, предназначенные для разработки систем автоматизации технологических процессов. Однако разработка на их основе качественного пользовательского интерфейса требует больших трудозатрат.
Наиболее перспективным для создания компьютерных тренажёров мы считаем инструментальный пакет LabVIEW. Реализованная в пакете концепция, по которой все программы, называемые виртуальными устройствами, имеют фронтальную панель и блок-схему, позволяющую объединять все объекты лицевой панели в схему функционирования, в полной мере соответствует общепринятым представлениям о технических устройствах управления.
Эта концепция стимулировала разработку и включение в пакет разнообразных приборов, которые обычно размещаются на лицевых панелях, включая стрелочные приборы, цифровые индикаторы, осциллографы, кнопки, ключи, светодиоды и т. п., а также предоставление пользователю возможности редактирования приборов и создания новых.
Для описания функциональных свойств системы и процессов в ней использован язык графического программирования, простой в усвоении и удобный в работе. Практика использования пакета в учебном процессе показала, что студенты достаточно быстро осваивают его до такой степени, что в состоянии создавать законченные приложения в рамках НИРС и дипломного проектирования.
На базе LabVIEW на кафедре «Электрические станции, сети и системы» ЮУрГУ разработан комплекс виртуальных устройств, который позволяет существенно расширить возможности существующего лабораторного практикума по дисциплинам «Передача и распределение электрической энергии», «Электрические системы и сети», «Переходные процессы», «АСУ и оптимизация режимов энергосистем», «Эксплуатация электрических сетей» и «Релейная защита и автоматизация».
В качестве примера рассмотрим исследование оперативно-информационного комплекса АСДУ режимом простейшей знергосистемы, включающей электрическую станцию ЭС, работающую параллельно с системой на сеть 110 кВ, питающую два нагрузочных узла (рис.1).
Рис. 1.
Отображение информации осуществляется на диспетчерский щит и рабочие станции. Для сбора диспетчерской информации используется комплект телемеханики. На ЭС устанавливается КП-1, включающее 2 ТС и 3 ТИ (активная и реактивная мощность и напряжение на шинах). Для первичных преобразователей ТТ и ТН известны коэффициенты трансформации. В качестве вторичных преобразователей напряжения предусмотрена возможность использования преобразователей Е-855/1 или Е-855/2, отличающихся типом шкалы. В нагрузочном узле установлен КП-2, с помощью которого замеряются только активная мощность в ЛЭП и напряжение на шинах. С помощью КП-3 контролируется поток активной и реактивной мощности от системы и напряжение на её шинах.
На фронтальной панели виртуального устройства показаны все три КП и линии связи. Возле линий размещены индикаторы содержимого информационных байтов ТС и ТИ. Для системы ТИ результаты измерений представлены целым числом квантов. Для КП1 они выведены в двоичном и десятичном виде. Ниже схемы располагаются цифровые задатчики параметров ЛЭП и нагрузок в узлах. Здесь же расположены индикаторы потерь мощности в сети, переключатель модификации измерительного преобразователя Е-855 и задатчик цикла опроса. В правой части панели показано размещение некоторого оборудования диспетчерского щита управления энергосистемой
Работая с виртуальным устройством студенты могут анализировать потоки телеметрической информации, оценить ошибки квантования при отображении телеизмеряемых параметров, влияние на погрешности параметров первичных и вторичных преобразователей. Для наблюдаемой системы можно исследовать различные методы оценки достоверности телеизмерений, определения «псевдоизмерений» и т. п. Имитация отключения цепей ЛЭП позволяет исследовать работу сигнальной системы, установленной на одной из рабочих станций.
Дальнейшим развитием этой лабораторной работы является создание учебно-тренажерного комплекса для диспетчерского управления режимами энергосистемы. Объектом управления здесь является виртуальная энергосистема, представленная математической моделью и оснащённая обычными техническими средствами, которые сегодня используются в АСДУ, включая мозаичный диспетчерский щит типа S2000 и ОИК на базе ПЭВМ. Электрическая схема виртуальной энергосистемы показана на рис.2.
Рис. 2.
Выбранная энергостистема включает сети 500, 220 и 110 кВ, три электростанции и несколько десятков подстанций и ЛЭП, что позволяет исследовать вопросы управления и планирования режимов с учетом иерархии и рынка перетоков. Здесь можно рассматривать уровень магистральных сетей, мощных ГРЭС, принадлежащих РАО ЕЭС, уровень энергосистемы с несколькими ПЭС и ТЭЦ, уровни ПЭС и ЭС. Правда, на низшем уровне все исследования можно планировать только с отображением информации на экран рабочей станции.
Структурная схема комплекса приведена на рис.3. Здесь оперативная схема и параметры режима устанавливаются с ПЭВМ преподавателя. Для принятой схемы энергосистемы при заданных параметрах режима потребления в узлах нагрузок, генерации источников и перетоков проводится расчет режима. Сформированная программно система узловых уравнений в комплексной форме решается методом обращения комплексной матрицы узловых проводимостей. По найденным параметрам режима в соответствии с установленными на объектах виртуальной энергосистемы устройствами телемеханики и первичными и вторичными преобразователями формируется файл телеизмерений, записываемый на сервер и доступный для всех рабочих станций.
Рис.3.
Аналогично формируется и файл телесигнализации, в соответствии с которым происходит отображение положения выключателей на мнемоническом диспетчерском щите. Система управления щитом реализует логику «светлых» элементов щита. Объектами управления щита являются активные мозаичные элементы, содержащие одноцветные индикаторы для разъединителей и светодиодные матрицы для выключателей. От ЭВМ организовано управление лишь частью выключателей, участвующих в сценариях исследований. Положение основной части коммутационных аппаратов отображается автономно. Программа управления щитом написана средствами Delfi, что объясняется требованиями управления платами типа Sincom.
Полностью в среде LabVIEW выполнена система по исследованию оперативно-информационного комплекса энергосистемы с диспетчерским щитом на проекционном телевизоре или мониторе выделенной рабочей станции. Здесь установка оперативной схемы практически не имеет ограничений и работа с комплексом может проводиться на одном компьюторе в многопрограммном режиме.
Особенно широкие возможности для улучшения понимания теории открывают эксперименты на виртуальных устройствах, предназначенных для исследования переходных процессов в электрических системах. Здесь появляются возможности даже с использованием только приборов, предлагаемых пакетом LabVIEW, иллюстрировать качания ротора, проворот его при нарушении синхронной работы, ресинхронизацию, перемещение паровпускного клапана под действием регулятора скорости, а также фиксировать изменение любых параметров в переходном процессе.
Разработанные виртуальные устройства дают возможность сформировать «карманную» лабораторию для исследования в учебных целях различных процессов, которые возникают при эксплуатации электроэнергетических систем.
