高壓電氣試驗(yàn)仿真實(shí)訓(xùn)系統(tǒng)開(kāi)發(fā)研究

伍家潔，蘇 淵

(重慶電力高等?？茖W(xué)校，重慶400053)

高電壓技術(shù)是高職工科院校電力類專業(yè)的專業(yè)核心課程，它重點(diǎn)研究絕緣材料與絕緣性能、高壓電氣試驗(yàn)與過(guò)電壓保護(hù)等問(wèn)題，具有較強(qiáng)的理論性和實(shí)踐性。為配合該課程的理論教學(xué)，多數(shù)院校單獨(dú)開(kāi)設(shè)了高電壓技術(shù)實(shí)訓(xùn)環(huán)節(jié)，通過(guò)讓學(xué)生動(dòng)手做電氣試驗(yàn)，熟悉和掌握電氣設(shè)備絕緣試驗(yàn)的方法，能根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果正確判斷電氣設(shè)備的絕緣狀況。

由于電氣設(shè)備絕緣試驗(yàn)所施加的電壓通常達(dá)到幾十千伏，甚至上百千伏，再加上學(xué)生沒(méi)有在高電壓條件下進(jìn)行操作的經(jīng)驗(yàn)，所以在試驗(yàn)過(guò)程中必須高度重視學(xué)生的人身安全問(wèn)題。這樣就帶來(lái)一系列現(xiàn)實(shí)的問(wèn)題:一方面，老師在開(kāi)展實(shí)訓(xùn)教學(xué)時(shí)，因?yàn)閾?dān)心學(xué)生接線錯(cuò)誤而導(dǎo)致設(shè)備損壞，甚至引起人身傷亡，所以不敢放手讓學(xué)生自行接線;另一方面，即便經(jīng)過(guò)老師演示與詳盡的危險(xiǎn)點(diǎn)分析后，放手讓學(xué)生接線，老師也必須對(duì)每一組學(xué)生進(jìn)行監(jiān)護(hù)，從而影響了教學(xué)效率，使得實(shí)訓(xùn)教學(xué)必須分組展開(kāi)，花費(fèi)更多不必要的時(shí)間。正是由于以上安全和時(shí)間方面的種種原因，使得我們?cè)陂_(kāi)展高電壓技術(shù)實(shí)訓(xùn)時(shí)，大多數(shù)學(xué)生沒(méi)能得到很好的動(dòng)手鍛煉機(jī)會(huì)，制約了學(xué)生高壓測(cè)試、絕緣判斷能力的培養(yǎng)。

為此，重慶電力高等專科學(xué)校電力系專業(yè)教師聯(lián)合試驗(yàn)設(shè)備生產(chǎn)廠家，共同研究開(kāi)發(fā)了高壓電氣試驗(yàn)仿真實(shí)訓(xùn)系統(tǒng)。該系統(tǒng)采用計(jì)算機(jī)為上層機(jī)作為主控平臺(tái)，以DSP集成電路作為控制模塊，使用RS485總線通信方式，從而用低壓電子技術(shù)實(shí)現(xiàn)了高壓電氣試驗(yàn)。該方法使學(xué)生在低電壓工作環(huán)境下就可以模擬高電壓試驗(yàn)全過(guò)程，試驗(yàn)安全可靠，設(shè)備可靠性高，經(jīng)久耐用，同時(shí)還可以開(kāi)展試驗(yàn)接線的故障查找與維修，從而提高學(xué)生或培訓(xùn)人員的技術(shù)水平和動(dòng)手能力。

1 高壓電氣試驗(yàn)仿真實(shí)訓(xùn)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

1.1 硬件設(shè)計(jì)

高壓電氣試驗(yàn)仿真實(shí)訓(xùn)系統(tǒng)主要由上位機(jī)系統(tǒng)、仿真高壓測(cè)試儀器和仿真高壓被試設(shè)備等三部分組成。第一部分由上層計(jì)算機(jī)操作和管理系統(tǒng)組成，可對(duì)整個(gè)仿真實(shí)訓(xùn)系統(tǒng)的運(yùn)行工況進(jìn)行設(shè)置，對(duì)試驗(yàn)數(shù)據(jù)結(jié)果進(jìn)行保存、打印和管理。該部分通過(guò)485通信接口與第二部分下層機(jī)的各個(gè)仿真高壓測(cè)試儀器連接起來(lái)。第二部分由各個(gè)獨(dú)立的仿真高壓測(cè)試儀器組成。該高壓測(cè)試儀器仿真系統(tǒng)可以與第三部分被試設(shè)備組成一個(gè)獨(dú)立的高壓測(cè)試系統(tǒng)來(lái)完成特定的高壓電氣測(cè)試實(shí)訓(xùn)。

高電壓技術(shù)混合仿真實(shí)訓(xùn)系統(tǒng)的組成如圖1所示。

圖1 高壓電氣試驗(yàn)仿真實(shí)訓(xùn)系統(tǒng)組成

上位機(jī)系統(tǒng)由一臺(tái)計(jì)算機(jī)、多媒體設(shè)備、打印機(jī)、通訊管理模塊構(gòu)成。計(jì)算機(jī)用于提供一個(gè)人機(jī)界面良好的高壓試驗(yàn)教學(xué)平臺(tái)，在通訊管理模塊的支持下，指導(dǎo)教師可通過(guò)計(jì)算機(jī)完成與仿真高壓測(cè)試儀器和仿真高壓被試設(shè)備之間的數(shù)據(jù)傳輸。多媒體設(shè)備包括音響和投影儀等設(shè)備，音響可以用來(lái)模擬演示試驗(yàn)中有關(guān)的聲響;投影儀用來(lái)顯示培訓(xùn)學(xué)生的課件;打印機(jī)用于打印試驗(yàn)記錄和參數(shù)。

仿真高壓測(cè)試儀器及其控制系統(tǒng)為由DSP控制的模擬設(shè)備，只要求進(jìn)行試驗(yàn)接線、過(guò)程調(diào)節(jié)、控制、故障查找和試驗(yàn)結(jié)果顯示，不能輸出高壓。利用上位機(jī)系統(tǒng)的計(jì)算機(jī)的仿真軟件將一次試驗(yàn)設(shè)備、高壓測(cè)試儀器、實(shí)訓(xùn)模型、控制和通信技術(shù)有機(jī)結(jié)合起來(lái)。試驗(yàn)的結(jié)果和數(shù)據(jù)可動(dòng)態(tài)顯示在每個(gè)高壓測(cè)試儀器面板上。這些試驗(yàn)數(shù)據(jù)和結(jié)果老師可以在主控平臺(tái)的計(jì)算機(jī)上進(jìn)行事先設(shè)置和查看，也可以在每個(gè)測(cè)試儀器上進(jìn)行實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的編輯和修改;同時(shí)，對(duì)學(xué)生試驗(yàn)的內(nèi)容、試驗(yàn)結(jié)果可以進(jìn)行保存和打印。高壓測(cè)試儀器的機(jī)箱要根據(jù)實(shí)際儀器型號(hào)的不同而設(shè)計(jì)，且功能及操作方式和真實(shí)高壓測(cè)試儀器相一致。

仿真高壓被試設(shè)備可按設(shè)備價(jià)格高低選擇為仿真模型或者真實(shí)設(shè)備。若選擇為仿真模型，應(yīng)注意仿真模型設(shè)備外形、接線端子等應(yīng)與真實(shí)被試設(shè)備外型和特性相一致。

1.2 軟件設(shè)計(jì)

軟件仿真設(shè)計(jì)是確保本系統(tǒng)正確、可靠的重要環(huán)節(jié)。軟件仿真系統(tǒng)通過(guò)通訊系統(tǒng)的數(shù)據(jù)庫(kù)及命令語(yǔ)言方式來(lái)完成現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)的采集、處理、控制運(yùn)算、輸出控制等功能。它既要通過(guò)開(kāi)關(guān)量采集、邏輯判斷來(lái)辨識(shí)試驗(yàn)操作的正確性，也需要建立強(qiáng)大的數(shù)據(jù)庫(kù)模擬各種可能的設(shè)備狀態(tài)。指導(dǎo)教師必須在仿真系統(tǒng)啟動(dòng)前從數(shù)據(jù)庫(kù)中選擇參數(shù)、設(shè)定初始條件值，如現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境溫度、設(shè)備內(nèi)部溫度等。通過(guò)設(shè)定不同的設(shè)備參數(shù)方便學(xué)生在不同的條件下進(jìn)行試驗(yàn)，從而判斷各種設(shè)備狀態(tài)的正?；虍惓！?/p>

本仿真軟件編程語(yǔ)言采用Visual Basic 6.0，數(shù)據(jù)庫(kù)軟件采用SQL Server For WINCC 2005，通訊采用MSCOMM控件進(jìn)行串口通訊處理。

上傳數(shù)據(jù)時(shí)，當(dāng)選擇了需要讀取數(shù)據(jù)的設(shè)備后(通過(guò)畫面切換)，按下“讀數(shù)據(jù)”按鈕，在其事件中打開(kāi)對(duì)應(yīng)的串口(串口控件為m_Com)，并初始化“讀數(shù)據(jù)計(jì)數(shù)”變量(TestNum)為1。該變量數(shù)值變化觸發(fā)VBS動(dòng)作(ReadTestRecord.bas)，并發(fā)送讀數(shù)據(jù)命令。MSCOMM控件處理數(shù)據(jù)接收事件，對(duì)接收到的數(shù)據(jù)進(jìn)行規(guī)則檢查(長(zhǎng)度、同步頭、校驗(yàn)碼檢查)，當(dāng)接收到一組合格測(cè)試數(shù)據(jù)后，由HVDataDeal過(guò)程進(jìn)行處理，根據(jù)設(shè)備類型和數(shù)據(jù)地址，進(jìn)行換算，結(jié)果存儲(chǔ)在設(shè)備對(duì)應(yīng)的結(jié)構(gòu)變量UpData中。讀取的數(shù)據(jù)成功存儲(chǔ)到結(jié)構(gòu)變量中后，由過(guò)程TagToRecordTemp更新臨時(shí)數(shù)據(jù)庫(kù)(TempTestRecord)中的對(duì)應(yīng)于本次測(cè)試的數(shù)據(jù)。該組數(shù)據(jù)更新后，如果本次測(cè)試數(shù)據(jù)沒(méi)有讀取完畢，則使“讀數(shù)據(jù)計(jì)數(shù)”變量(TestNum)加1，再次觸發(fā)ReadTestRecord動(dòng)作，直到本次測(cè)試數(shù)據(jù)全部上傳完畢，更新畫面中的數(shù)據(jù)庫(kù)控件和列表控件，顯示上傳的測(cè)試數(shù)據(jù)。

下傳數(shù)據(jù)時(shí)，當(dāng)選擇了需要讀取數(shù)據(jù)的設(shè)備(通過(guò)畫面切換)，并且選擇了一組20次測(cè)試參數(shù)后，按下“參數(shù)設(shè)置”按鈕，在其事件中打開(kāi)對(duì)應(yīng)的串口(串口控件為m_Com2)，并調(diào)用ReadTestParameter過(guò)程;在該過(guò)程逐一讀取畫面中的ADODC控件的記錄，并將記錄數(shù)據(jù)換算成原始數(shù)據(jù)，將原始測(cè)試參數(shù)寫至結(jié)構(gòu)變量WritePara1～20中。結(jié)構(gòu)變量寫入成功后，初始化“寫同組參數(shù)序列”變量(WriteSameGroupParaIndex)和“寫參數(shù)計(jì)數(shù)”變量(WriteParaNum)為1?！皩懲M參數(shù)序列”變量值的變化觸發(fā)VBS動(dòng)作(WritePara.bas)。該動(dòng)作根據(jù)待寫入數(shù)據(jù)的設(shè)備類型、寫參數(shù)計(jì)數(shù)變量值和“寫同組參數(shù)序列”變量值，初始化數(shù)據(jù)寫入地址，并從結(jié)構(gòu)變量組WritePara提取待寫入的數(shù)據(jù)，一次寫一個(gè)測(cè)試參數(shù)至對(duì)應(yīng)的串口發(fā)送緩沖區(qū)。m_Com2控件OnComm事件檢查接收到的數(shù)據(jù)，對(duì)數(shù)據(jù)幀進(jìn)行規(guī)格檢查(長(zhǎng)度、同步頭、校驗(yàn)幀、寫數(shù)據(jù)成功標(biāo)志)，檢查合格后，如果本次測(cè)試數(shù)據(jù)未寫完，則使WriteSameGroupParaIndex加1;如果已寫完本次測(cè)試數(shù) 據(jù)，則 使 WriteSameGroupParaIndex=1，使WriteParaNum加1，直至寫完20次測(cè)試數(shù)據(jù)。

軟件仿真系統(tǒng)按高壓電氣試驗(yàn)內(nèi)容，分項(xiàng)目設(shè)置。為滿足不同設(shè)備試驗(yàn)性能指標(biāo)的差異，每一項(xiàng)仿真實(shí)訓(xùn)軟件都可進(jìn)行更新和修改。各試驗(yàn)項(xiàng)目仿真系統(tǒng)由“概述說(shuō)明”、“視頻演示”、“管理員操作”、“實(shí)驗(yàn)報(bào)告”及“排故實(shí)驗(yàn)”五大功能模塊組成。“概述說(shuō)明”模塊用圖文并茂的形式對(duì)各種試驗(yàn)進(jìn)行試驗(yàn)?zāi)康?、方法、接線、判斷、危險(xiǎn)點(diǎn)介紹。管理員可對(duì)文字部分進(jìn)行修改，同時(shí)提供幫助文檔功能。“視頻演示”模塊以視頻的方式進(jìn)行教學(xué)試驗(yàn)演示，幫助學(xué)生熟悉試驗(yàn)內(nèi)容，其多媒體資源可不斷更新?！肮芾韱T操作”模塊可進(jìn)行實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的編輯，并與下位機(jī)進(jìn)行通信實(shí)驗(yàn)?！皩?shí)驗(yàn)報(bào)告”模塊能將下位機(jī)實(shí)驗(yàn)的數(shù)據(jù)自動(dòng)讀取和生成實(shí)驗(yàn)報(bào)告的功能。每份報(bào)告可填入3組數(shù)據(jù)，在“測(cè)量次數(shù)”輸入測(cè)試組號(hào)(1至20組)，系統(tǒng)將自動(dòng)讀取該組實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)形成報(bào)告，同時(shí)提供“打印”及“導(dǎo)出Excel文件”的功能。“排故實(shí)驗(yàn)”為接線、設(shè)備選擇故障查找，在學(xué)生試驗(yàn)過(guò)程中，各個(gè)測(cè)試儀器與被測(cè)設(shè)備之間的短路、斷路、錯(cuò)接等電氣連接情況，實(shí)時(shí)顯示在計(jì)算機(jī)上。

2 仿真實(shí)訓(xùn)系統(tǒng)功能與特點(diǎn)

2.1 仿真實(shí)訓(xùn)系統(tǒng)功能

高壓電氣試驗(yàn)仿真實(shí)訓(xùn)系統(tǒng)能完成的試驗(yàn)包括絕緣電阻測(cè)量、泄漏電流測(cè)量、介質(zhì)損耗角正切值測(cè)量、直流耐壓試驗(yàn)和交流耐壓試驗(yàn)。為完成這些試驗(yàn)，仿真系統(tǒng)設(shè)計(jì)的基本功能包括參數(shù)設(shè)置、數(shù)據(jù)通信、異常保護(hù)和數(shù)據(jù)管理。

在參數(shù)設(shè)置功能中，試驗(yàn)人員可以設(shè)定試驗(yàn)方式、試驗(yàn)電壓和試驗(yàn)時(shí)間。由于是仿真系統(tǒng)，一些試品是模型，并不是真實(shí)的設(shè)備，其絕緣數(shù)值也需提前由教師設(shè)定。教師可以設(shè)定合格的絕緣數(shù)值，也可以設(shè)定不合格的絕緣數(shù)值。

數(shù)據(jù)通信是指上位機(jī)和各高壓測(cè)試儀器之間的數(shù)據(jù)交換。在本仿真實(shí)訓(xùn)系統(tǒng)中，上位機(jī)和各高壓測(cè)試儀器之間采用RS485通信協(xié)議進(jìn)行通信。上位機(jī)預(yù)先設(shè)置好的多組絕緣數(shù)值可以一次性發(fā)送給各高壓測(cè)試儀器，而各高壓測(cè)試儀器自身的一些狀態(tài)數(shù)據(jù)也可以回傳給上位機(jī)。

異常保護(hù)包括過(guò)壓保護(hù)、過(guò)流保護(hù)、零位保護(hù)等。過(guò)壓保護(hù)和過(guò)流保護(hù)的數(shù)值可以在試驗(yàn)前設(shè)定好，一旦試驗(yàn)過(guò)程中出現(xiàn)超過(guò)規(guī)定試驗(yàn)電壓值或試品擊穿導(dǎo)致電流過(guò)大情況時(shí)，電源會(huì)自動(dòng)跳閘。零位保護(hù)是指當(dāng)要進(jìn)行高壓試驗(yàn)時(shí)，當(dāng)高壓輸出電位器沒(méi)有調(diào)節(jié)到零時(shí)，按“高壓?jiǎn)?dòng)”按鈕，不能啟動(dòng)高壓輸出，調(diào)節(jié)高壓輸出電位器無(wú)反應(yīng)。只有當(dāng)高壓輸出電位器調(diào)節(jié)到零時(shí)，零位指示燈亮，此時(shí)，按“高壓?jiǎn)?dòng)”按鈕，測(cè)試設(shè)備才會(huì)輸出電壓。

數(shù)據(jù)管理是指仿真系統(tǒng)具有數(shù)據(jù)顯示、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)和數(shù)據(jù)打印等功能。本仿真系統(tǒng)可以存儲(chǔ)二十組測(cè)試數(shù)據(jù)，用以進(jìn)行比較和判斷。

2.2 仿真實(shí)訓(xùn)系統(tǒng)特點(diǎn)

高壓電氣試驗(yàn)仿真實(shí)訓(xùn)系統(tǒng)具有仿真環(huán)境的真實(shí)性、仿真功能的一致性和仿真操作的安全性等特點(diǎn)。

為了體現(xiàn)仿真環(huán)境的真實(shí)性，在開(kāi)發(fā)仿真實(shí)訓(xùn)系統(tǒng)時(shí)，全部高壓測(cè)試設(shè)備和大部分被試電氣設(shè)備，均采用真實(shí)設(shè)備。部分被試電氣設(shè)備(如油浸變壓器)考慮到成本因素，其內(nèi)部沒(méi)有布置鐵芯和繞組，但其外形仍然同真實(shí)設(shè)備一致。仿真環(huán)境真實(shí)性的目的是使培訓(xùn)學(xué)生能按照現(xiàn)場(chǎng)的試驗(yàn)接線對(duì)設(shè)備進(jìn)行測(cè)試，保證學(xué)生在仿真操作訓(xùn)練后能更快地對(duì)真實(shí)設(shè)備進(jìn)行實(shí)際高壓測(cè)試，提高培訓(xùn)質(zhì)量。

仿真培訓(xùn)系統(tǒng)要做到逼“真”，除仿真的外在環(huán)境條件外，還需要體現(xiàn)在其仿真功能上。因此，在開(kāi)發(fā)過(guò)程中，本仿真培訓(xùn)系統(tǒng)的功能達(dá)到了與現(xiàn)場(chǎng)相一致，其中包括參數(shù)設(shè)置、數(shù)據(jù)管理、保護(hù)和監(jiān)控等。仿真功能的一致性可以保證培訓(xùn)學(xué)生盡快掌握試驗(yàn)方法，熟悉試驗(yàn)操作，學(xué)會(huì)正確使用試驗(yàn)設(shè)備。

本仿真培訓(xùn)系統(tǒng)最大的特點(diǎn)就是使用安全。所有高壓測(cè)試設(shè)備輸出的電壓都是在安全電壓(36 V)以下，與真實(shí)測(cè)試設(shè)備動(dòng)輒幾千伏，甚至幾十千伏的電壓相比，在試驗(yàn)操作時(shí)可以確保試驗(yàn)人員的人身安全。在培訓(xùn)時(shí)，教師可以放手讓學(xué)生自行接線，自行操作，從而提高培訓(xùn)效率，改善培訓(xùn)效果。

3 結(jié)語(yǔ)

高壓電氣試驗(yàn)仿真培訓(xùn)系統(tǒng)按照高壓電氣試驗(yàn)規(guī)范的要求，通過(guò)內(nèi)部產(chǎn)生的低壓電氣信號(hào)來(lái)模擬高壓試驗(yàn)測(cè)量的過(guò)程與結(jié)果，以使學(xué)生在安全的環(huán)境下能便捷而有效地開(kāi)展各種高壓試驗(yàn)的學(xué)習(xí)，其效果與真實(shí)現(xiàn)場(chǎng)下的電氣試驗(yàn)一樣;同時(shí)，教師可以通過(guò)功能完善的指導(dǎo)員臺(tái)對(duì)高壓試驗(yàn)的各種條件或參數(shù)加以修改，制造異常與缺陷，可更為有效地提高學(xué)生的實(shí)際操作能力和綜合分析判斷能力。

［1］ 朱金花.高壓電氣試驗(yàn)仿真培訓(xùn)系統(tǒng)［J］.江蘇電機(jī)工程，2005，(1):36-37.

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