電氣工程虛擬儀器技術(shù)應(yīng)用

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摘要：針對電氣工程綜合作業(yè)改革，探索了一個能夠靈活完成高電壓實驗的設(shè)計思路，將高電壓實驗分成控制系統(tǒng)、高壓產(chǎn)生系統(tǒng)、試品及測量系統(tǒng)組成四部分，并將虛擬儀器技術(shù)應(yīng)用于控制系統(tǒng)及測量系統(tǒng)，設(shè)計出了八個任務(wù)模塊，可供學(xué)生靈活自主選擇模塊聯(lián)合進(jìn)行綜合作業(yè)。

關(guān)鍵詞：虛擬儀器；高電壓；綜合作業(yè)

一、引言

三峽大學(xué)電氣與新能源學(xué)院是湖北省試點學(xué)院，是“教育教學(xué)改革特別試驗區(qū)”，全院人才培養(yǎng)體制改革為核心。改革具體措施是以人才培養(yǎng)方案為直接體現(xiàn)，以學(xué)生為主體，凝練教學(xué)內(nèi)容，優(yōu)化課程結(jié)構(gòu)，改變教學(xué)模式。而綜合作業(yè)是改革的主要舉措之一，綜合作業(yè)以綜合為主要特征，從學(xué)生的興趣和社會需要出發(fā)，融合各學(xué)科的特點，精心設(shè)計，要求學(xué)生完成探索性、實踐性和整體性較強的跨學(xué)科作業(yè)，以提高學(xué)生素質(zhì)，更好地達(dá)到培養(yǎng)目標(biāo)。具體實施時，綜合作業(yè)就是由學(xué)生根據(jù)實驗?zāi)康?，在理解實驗原理的基礎(chǔ)上，靈活運用知識和技能，進(jìn)行的創(chuàng)造性思維和實驗活動。電氣工程的綜合作業(yè)涉及到包括高電壓技術(shù)、電力電纜、高電壓絕緣技術(shù)等在內(nèi)的十幾門電氣專業(yè)課，這些課程的實驗大部分都是高電壓實驗相關(guān)。如何改革高電壓實驗的設(shè)計方式成為綜合作業(yè)該給成敗的關(guān)鍵。本文首先分析了傳統(tǒng)高壓實驗的特點[1-3]，然后將高壓實驗設(shè)備細(xì)分，結(jié)合綜合作業(yè)的特點，將虛擬儀器技術(shù)靈活地應(yīng)用到電氣工程的綜合作業(yè)設(shè)計中。

二、電氣工程實驗教學(xué)的現(xiàn)狀

三峽大學(xué)電氣與新能源學(xué)院開設(shè)有包括高電壓技術(shù)、電力電纜、高電壓絕緣技術(shù)等在內(nèi)的十幾門電氣專業(yè)課，涉及到的高壓實驗有數(shù)十種，包括絕緣子、變壓器、絕緣油的耐壓實驗、GIS的局部放電實驗等。常規(guī)的實驗教學(xué)模式是以老師操作實驗設(shè)備學(xué)生觀看為主，此種教學(xué)模式實驗方案固定，學(xué)生參與度低，無法提高學(xué)生的自主性和積極性，更無法適應(yīng)電氣工程的綜合作業(yè)改革目標(biāo)。高壓實驗設(shè)備結(jié)構(gòu)圖如圖1，由控制系統(tǒng)、高壓產(chǎn)生系統(tǒng)、試品及測量系統(tǒng)組成?？刂葡到y(tǒng)的硬件主要由工控機、PLC、繼電器及開關(guān)組成。高壓產(chǎn)生系統(tǒng)主要由變壓器、調(diào)壓器組成，這部分設(shè)備電壓等級高，往往直接由電力系統(tǒng)針對電力設(shè)備的實驗裝置改裝而來，體積龐大且造價昂貴，設(shè)備數(shù)量有限，難以保證每一個學(xué)生都能進(jìn)行實驗操作和靈活組合設(shè)計，不符合綜合作業(yè)靈活性的特點[4]。試品包括絕緣子、變壓器、絕緣油、短路器、避雷器等高壓設(shè)備。測量系統(tǒng)的硬件組成主要為分壓器、互感器、電流傳感器、電腦、采集卡、高性能示波器、頻譜分析儀等。高壓信號經(jīng)分壓器、互感器變成小電壓信號后進(jìn)入可以自主編程的測量裝置。高電壓實驗的控制系統(tǒng)及測量系統(tǒng)具有較高靈活性，具備綜合作業(yè)的基礎(chǔ)。為此，在實驗對象選定的情況下可通過高壓控制系統(tǒng)的綜合設(shè)計及高壓測量系統(tǒng)的綜合設(shè)計讓學(xué)生完成自主創(chuàng)新設(shè)計實驗。

三、高壓控制系統(tǒng)的綜合設(shè)計

高壓實驗的控制系統(tǒng)主要由工業(yè)控制計算機、PLC、繼電器等組成，涉及到PLC控制、信號測量、繼電器動作等多方面的知識。而PLC是整個控制系統(tǒng)的核心，調(diào)壓器升降壓、電壓測量及過流保護(hù)等功能都是通過控制PLC實現(xiàn)的。高壓控制系統(tǒng)的綜合設(shè)計以Mitsubishi公司FX2n系列PLC作為主要控制單元，設(shè)計四個方面的模塊：LABVIEW函數(shù)接口PLC模塊，高壓實驗虛擬人機控制界面模塊，高壓數(shù)字信號的輸入輸出模塊，高壓模擬信號的輸入輸出模塊。

1.LabVIEW函數(shù)接口PLC模塊：LabVIEW支持用于不同自動化設(shè)備間信息交換的面向過程控制OLE（OPC）。利用面向NILabVIEW的Modbus函數(shù)庫或者DSC模塊中內(nèi)置的ModbusI/O服務(wù)器，可以使用任何以太網(wǎng)或串口作為一臺ModbusTCP或Modbus串行的PLC。通過LabVIEW函數(shù)接口PLC模塊，學(xué)生可快速學(xué)會如何通過軟件控制PLC動作。

2.高壓實驗虛擬人機控制界面模塊：利用虛擬儀器軟件開發(fā)一個具有交互功能的高壓實驗控制界面，實際控制高壓設(shè)備動作，極大提高了學(xué)員實際操作的能力，同時為學(xué)員提供一個自主創(chuàng)新的環(huán)境。

3.高壓數(shù)字信號的輸入輸出模塊：高壓開關(guān)分段與閉合，高壓斷路器的分閘與合閘在高壓測量上均屬于開關(guān)信號。利用虛擬儀器軟件實現(xiàn)控制PLC測量或輸出數(shù)字信號對加強了學(xué)生對高壓信號與弱電信號的關(guān)系，讓學(xué)生更深刻理解了高壓設(shè)備的原理及高壓數(shù)字信號的基本概念。

4.高壓模擬信號的輸入輸出模塊：高壓實驗中模擬信號較多，有調(diào)壓器電壓電流、變壓器電壓電流等，通過開發(fā)基于虛擬儀器軟件的PLC測量或輸出模擬信號軟件，讓學(xué)生理解高壓信號轉(zhuǎn)換為低電壓信號基本設(shè)備和方法。通過人機界面實現(xiàn)人機對話并在控制PLC輸出、測量信號實現(xiàn)高壓實驗的控制及保護(hù)功能，使學(xué)生綜合實驗的能力得到較大提升。但考慮到人身和設(shè)備安全，預(yù)先開發(fā)安全控制模塊同學(xué)生的綜合作業(yè)進(jìn)設(shè)計接口以保證所有控制參數(shù)的合理性。

四、高電壓測量系統(tǒng)的綜合設(shè)計

高壓實驗中分壓及衰減設(shè)備型號有限，可將NI公司的USB數(shù)據(jù)采集器、DPO4054示波器、av4033頻譜分析儀作為主要的單元，共設(shè)計四個模塊：硬件采集模塊、接口模塊、數(shù)據(jù)濾波模塊及數(shù)據(jù)分析模塊。

1.硬件采集模塊：高壓實驗需要監(jiān)測高壓試品各方面的信號，最主要的是試品電壓和電流信號，特別是電流信號，并不一定是50Hz頻率，需要根據(jù)綜合作業(yè)的目的靈活選擇硬件種類，USB數(shù)據(jù)采集器需要編寫程序設(shè)定采集器的參數(shù)如采樣率等，DPO4054示波器、av4033頻譜分析儀需要通過接口從儀器中提取數(shù)據(jù)。

2.接口模塊：硬件不同，接口形式也不同，存在USB、PCI、RS232及網(wǎng)口等多種接口形式，而LabVIEWVISA是應(yīng)用于儀器編程的標(biāo)準(zhǔn)I/0應(yīng)用程序接口，是工業(yè)界通用的儀器驅(qū)動器標(biāo)準(zhǔn)API（應(yīng)用程序接口），采用面向?qū)ο缶幊蹋哂泻芎玫募嫒菪?、擴展性和獨立性。可用一個API控制包括VXI、GPIB及串口儀器在內(nèi)的不同種類的儀器支持多平臺工作、多接口控制，是一個多類型的函數(shù)庫。在LabVIEW中編寫的VISA接口程序，當(dāng)外部硬件設(shè)備變更時，只需要更換接口模塊即可使用，豐富的接口，虛擬儀器快速的開發(fā)環(huán)境為學(xué)生提供了自由發(fā)揮和自主設(shè)計的開闊空間。

3.數(shù)據(jù)濾波模塊：由于現(xiàn)場高壓的干擾，測量到的泄漏電流波形有較多的高頻干擾成份，為此，對所采集到的信號進(jìn)行濾波、去噪等信號處理顯得尤為重要。針對不同的信號和不同頻率的干擾信號，采用不同的線性濾波方法和非線性濾波方法，學(xué)生可通過處理實際的波形信號實現(xiàn)對學(xué)生靈活運用數(shù)學(xué)能力的考察。LabVIEW具有大量的數(shù)字濾波函數(shù)和交互式工具，方便學(xué)生快速實現(xiàn)濾波功能，通過數(shù)據(jù)濾波模塊的練習(xí)，可讓學(xué)生深刻理解到高壓信號的特點及高壓測量特殊之處。

4.數(shù)據(jù)分析模塊：高壓實驗中試品上溫度、電壓、電流信號均可表征試品絕緣狀態(tài)的變化。如試品上的電壓突然降低表征其絕緣已完全被擊穿，電流較小說明試品絕緣狀態(tài)良好。針對不同的試品及綜合作業(yè)任務(wù)不同，需靈活開發(fā)不同的分析程序。數(shù)據(jù)分析模塊能讓學(xué)生較好的理解高壓設(shè)備的不同狀態(tài)，獲得高壓設(shè)備狀態(tài)評價的基本理論和方法。通過采集界面模塊實現(xiàn)人機對話并在控制采集硬件工作，獲取電壓電流信號后對信號進(jìn)行數(shù)據(jù)濾波處理然后存儲分析數(shù)據(jù)，獲得實驗結(jié)果，高電壓測量系統(tǒng)的四個模塊構(gòu)成了一個完整的系統(tǒng)又不缺靈活性，有利于高電壓測量系統(tǒng)的綜合設(shè)計。

五、總結(jié)

利用虛擬儀器軟件（LabVIEW）建立多個高壓實驗的任務(wù)模塊，提高學(xué)生實際動手能力，在充分利用現(xiàn)有高壓實驗設(shè)備的基礎(chǔ)上較好地完成了電氣工程綜合作業(yè)改革任務(wù)，有利于增強學(xué)生綜合設(shè)計和實踐創(chuàng)新的能力。

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作者：方春華 張宇嬌 普子恒 智李 蘇攀 單位：三峽大學(xué)電氣與新能源學(xué)院