電力自動化課程教學(xué)虛擬儀器設(shè)計及開發(fā)

摘要:針對電力自動化教學(xué)過程中對儀器構(gòu)造和原理需有所了解的教學(xué)要求，提出了在教學(xué)過程中自行開發(fā)電力自動化教學(xué)用勵磁調(diào)節(jié)器虛擬儀器的教學(xué)思路，在給出了電力自動化教學(xué)用調(diào)節(jié)器的設(shè)計思路基礎(chǔ)上，進(jìn)行了勵磁調(diào)節(jié)器虛擬儀器的設(shè)計和開發(fā)，通過在電力自動化課程教學(xué)過程自行設(shè)計及開發(fā)電力自動化教學(xué)裝置，有利于促進(jìn)學(xué)生們的學(xué)習(xí)熱情和加深對理論知識的理解。

關(guān)鍵詞:電力自動化教學(xué);勵磁調(diào)節(jié)器;虛擬儀器設(shè)計

中圖分類號:G4

文獻(xiàn)標(biāo)識碼:A

文章編號:1672-3198(2010)21-0253-01

1 引言

在電力相關(guān)高等職業(yè)教育課程中，電力系統(tǒng)自動化課程是一門綜合性技術(shù)很強的課程，這是因為該課程的教學(xué)及其實踐環(huán)節(jié)涉及了電力系統(tǒng)運行理論、通信技術(shù)、計算機技術(shù)、自動控制理論等多學(xué)科多領(lǐng)域的知識。高等職業(yè)教育中的電力系統(tǒng)自動化課程要求學(xué)生們對安全控制和電力系統(tǒng)中的斷路器控制、電壓和無功功率自動控制、電力系統(tǒng)頻率和有功功率自動控制等專門知識有一定的了解和掌握。同時，對于高職學(xué)生來說，實驗教學(xué)環(huán)節(jié)是整個教學(xué)中最為重要的一個環(huán)節(jié)，重視實驗教學(xué)環(huán)節(jié)有利于培養(yǎng)和提高學(xué)生的動手能力和實際操作能力、也有利于提高其分析問題和解決問題能力。此外與高職專業(yè)技術(shù)能力培養(yǎng)直接相關(guān)的實驗課程還有助于學(xué)生綜合運用所學(xué)的專業(yè)知識和基礎(chǔ)知識，最大程度地激發(fā)和培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新能力。然而現(xiàn)在的電力自動化教學(xué)實驗普遍存在以下主要問題:

(1)常用的電力自動化教學(xué)儀器均采用比例控制方法，用電容、電阻、晶體管等分立器件組成。實驗教學(xué)過程中主要進(jìn)行驗證性的實驗，該教學(xué)過程對于學(xué)生動手能力的培養(yǎng)和對基本電路的認(rèn)識是起不到積極作用的;

(2)在教學(xué)實驗過程中，儀器設(shè)備的控制方式單一，能夠用于調(diào)試的可變參數(shù)有限且為預(yù)先按照實驗過程預(yù)先設(shè)定，整個實驗不夠靈活，因此不能充分調(diào)動學(xué)生的主觀能動性;

(3)現(xiàn)有的教學(xué)實驗不能對電力自動化動態(tài)特性進(jìn)行觀測，也不能在實驗過程對其進(jìn)行控制;

(4)高職教育作為教育改革的重要組成部分，近年來隨著招生規(guī)模的不斷擴大，已經(jīng)導(dǎo)致實驗設(shè)備嚴(yán)重不足，并不能保證每個學(xué)生都擁有豐富的實驗資源;因此必須通過采取新的教學(xué)方法和教學(xué)手段來彌補這些不足，切實解決這一普遍現(xiàn)實問題。基于此，本文提出了在教學(xué)過程中自行開發(fā)電力自動化教學(xué)用勵磁調(diào)節(jié)器虛擬儀器的教學(xué)思路，在給出了電力自動化教學(xué)用調(diào)節(jié)器的設(shè)計思路的基礎(chǔ)上，進(jìn)行了勵磁調(diào)節(jié)器虛擬儀器的設(shè)計和開發(fā)。

2 虛擬調(diào)節(jié)器的設(shè)計思路

本文選擇進(jìn)行電力自動化教學(xué)用調(diào)節(jié)器虛擬儀器的開發(fā)。電力系統(tǒng)中勵磁調(diào)節(jié)器的選擇，主要依據(jù)機組容量等級和所在電力系統(tǒng)的重要性，目前主要的數(shù)字勵磁調(diào)節(jié)器的硬件組成形式有多通道、雙通道和單通道微機結(jié)構(gòu)。數(shù)字勵磁調(diào)節(jié)器核心控制器目前主要有32位和16位兩種類型，常有的控制及調(diào)節(jié)方式包括:PLC、DSP、通用型工控機、嵌入式工控機、單片機等類型。

針對教學(xué)過程所要儀器制作簡單，可靠;結(jié)合數(shù)字式勵磁調(diào)節(jié)器的特點，提出電力自動化教學(xué)用調(diào)節(jié)器虛擬儀器的設(shè)計思路如下:

(1)虛擬儀器硬件構(gòu)成結(jié)構(gòu)簡單、可靠、便于實現(xiàn)調(diào)節(jié)過程。采用調(diào)節(jié)器專用的高速可編程控制器或高速微處理器作為輸入輸出電路的主要構(gòu)成形式，這樣一來，不僅能省掉了選用大量的邏輯控制繼電器的復(fù)雜程度和對各器件原理的了解，同時減少了電子元器件數(shù)量，對整個結(jié)構(gòu)組成實現(xiàn)了冗余設(shè)計，其可靠性顯著得到提高。

(2)虛擬儀器軟件已編制，并能實現(xiàn)各種調(diào)節(jié)控制功能。軟件的編制是開發(fā)本勵磁調(diào)節(jié)器的重要組成部分，其中涉及的各種勵磁限制功能、邏輯控制、PSS等均能由軟件實現(xiàn)，同時要著重分析和設(shè)計可用于實現(xiàn)多種調(diào)節(jié)規(guī)律的選擇切換功能。這部分的軟件實現(xiàn)，將有指導(dǎo)教師完成，對學(xué)生來說，重點是掌握其基本原理。

(3)虛擬儀器具有友好通用的人機交互界面、同時便于后期維護(hù)。虛擬模擬顯示將被用作實現(xiàn)在實際中的勵磁系統(tǒng)調(diào)節(jié)和人機接口。目前，對于外部接口，國內(nèi)外基本都采用小鍵盤和LED或LCD顯示器。因此虛擬儀器的制作中需要顯示正常運行時勵磁系統(tǒng)的常規(guī)測量數(shù)據(jù);這些數(shù)據(jù)包括:轉(zhuǎn)子電壓、無功功率、電流、機組電壓、溫度等。此外，對調(diào)節(jié)器的勵磁系統(tǒng)的可進(jìn)行各種故障監(jiān)測，還包括自動初始化、故障報警、自動檢測等。

(4)實現(xiàn)虛擬儀器和控制系統(tǒng)的通訊。虛擬系統(tǒng)根據(jù)用戶的要求設(shè)置串行通訊或網(wǎng)絡(luò)通信接口，這樣可以方便地實現(xiàn)勵磁系統(tǒng)與電站計算機監(jiān)控系統(tǒng)的控制及數(shù)據(jù)交換。發(fā)展此類型的虛擬儀器系統(tǒng)，還有助于學(xué)生更好地了解遠(yuǎn)程勵磁系統(tǒng)的監(jiān)測及其運行情況，通過對勵磁系統(tǒng)的參數(shù)的修改和適當(dāng)設(shè)置，有利于電力自動化教學(xué)過程中減少老師的參與情況，使得學(xué)生更好地成為實驗的參與者。

綜上所述，隨著數(shù)字式裝置在實際中大量的工業(yè)應(yīng)用，針對數(shù)字式勵磁調(diào)節(jié)器的了解和學(xué)習(xí)對于學(xué)生更好地了解工業(yè)需求具有重要意義。針對虛擬儀器的設(shè)計實現(xiàn)過程，研制和開發(fā)這樣的虛擬儀器更能有利于學(xué)生的學(xué)習(xí)過程及學(xué)習(xí)水平的提高，有利于學(xué)生掌握工作原理，理解和消化課堂知識和鍛煉操作能力的目的。

3 教學(xué)用調(diào)節(jié)器的虛擬儀器開發(fā)過程

虛擬儀器的開發(fā)過程選擇開發(fā)集成電路型勵磁調(diào)節(jié)器，設(shè)計的集成電路型勵磁系統(tǒng)的硬件電路圖及其總體結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示。具體的單元組成及虛擬儀器選用分析如下:

3.1 測量單元模塊

測量單元實現(xiàn)的過程為:將測量變壓器二次電路通過三相整流濾波電路。實現(xiàn)過程所需要的給定電壓通過對直流電壓源的分壓過程得到的，直流電壓源是對三相同步信號經(jīng)過整流濾波后利用三端穩(wěn)壓電源7812和7912得到的。

3.2 PID控制模塊

實現(xiàn)對測量比較單元輸出的電壓偏差信號分析和控制，分別經(jīng)過比例、微分和積分環(huán)節(jié)后，再經(jīng)過一個運放綜合各個信號。其P、I、D和最后的求和單元都是由運放LM324外圍擴展一些電阻、電容來實現(xiàn)。

3.3 同步及移相觸發(fā)模塊

主要由TC787A、三相同步信號電路和出口電路組成。同步電壓信號是由勵磁功率單元的三相電源經(jīng)過變壓器降壓，然后經(jīng)過濾波、分壓和直流偏置形成的。移相及觸發(fā)脈沖形成由集成電路TC787A來完成，它可單電源工作，亦可雙電源工作，主要適用于三相晶閘管移相觸發(fā)和三相功率晶體管脈寬調(diào)制電路，以構(gòu)成多種交流調(diào)速和變流裝置。

3.4 勵磁功率模塊

勵磁功率單元由三相交流電源和全控可控硅整流橋電路構(gòu)成。

4 結(jié)語

(1)克服了電力自動化教學(xué)實驗課時緊張和實驗教學(xué)資源不足的缺點。利用開發(fā)的虛擬儀器可以在計算機上就能完成對整個實驗過程的仿真實驗。

(2)開發(fā)的虛擬儀器將具有先進(jìn)的圖形顯示功能，可以直接顯示仿真波形。同時具備良好的可擴展性和可維護(hù)性，滿足多年級教學(xué)需求。

(3)通過學(xué)生和老師共同參與實驗過程，進(jìn)行設(shè)計及虛擬儀器零件的選擇，可以讓學(xué)生加深對已經(jīng)學(xué)習(xí)過專業(yè)知識的理解和實際應(yīng)用能力，同時有助于激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣。

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