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虚拟仪器技术在电气工程综合作业中的应用
作者：方春华 张宇娇 普子恒 智李 苏攀 来源：《教育教学论坛》2016年第17期
摘要：针对电气工程综合作业改革，探索了一个能够灵活完成高电压实验的设计思路，将高电压实验分成控制系统、高压产生系统、试品及测量系统组成四部分，并将虚拟仪器技术应用于控制系统及测量系统，设计出了八个任务模块，可供学生灵活自主选择模块联合进行综合作业。
关键词：虚拟仪器；高电压；综合作业
中图分类号：G642.0 文献标志码：A 文章编号：1674-9324（2016）17-0059-02 一、引言
三峡大学电气与新能源学院是湖北省试点学院，是“教育教学改革特别试验区”，全院人才培养体制改革为核心。改革具体措施是以人才培养方案为直接体现，以学生为主体，凝练教学内容，优化课程结构，改变教学模式。而综合作业是改革的主要举措之一，综合作业以综合为主要特征，从学生的兴趣和社会需要出发，融合各学科的特点，精心设计，要求学生完成探索性、实践性和整体性较强的跨学科作业，以提高学生素质，更好地达到培养目标。
具体实施时，综合作业就是由学生根据实验目的，在理解实验原理的基础上，灵活运用知识和技能，进行的创造性思维和实验活动。电气工程的综合作业涉及到包括高电压技术、电力电缆、高电压绝缘技术等在内的十几门电气专业课，这些课程的实验大部分都是高电压实验相关。如何改革高电压实验的设计方式成为综合作业该给成败的关键。本文首先分析了传统高压实验的特点[1-3]，然后将高压实验设备细分，结合综合作业的特点，将虚拟仪器技术灵活地应用到电气工程的综合作业设计中。 二、电气工程实验教学的现状
三峡大学电气与新能源学院开设有包括高电压技术、电力电缆、高电压绝缘技术等在内的十几门电气专业课，涉及到的高压实验有数十种，包括绝缘子、变压器、绝缘油的耐压实验、GIS的局部放电实验等。常规的实验教学模式是以老师操作实验设备学生观看为主，此种教学模式实验方案固定，学生参与度低，无法提高学生的自主性和积极性，更无法适应电气工程的综合作业改革目标。
高压实验设备结构图如图1，由控制系统、高压产生系统、试品及测量系统组成。 控制系统的硬件主要由工控机、PLC、继电器及开关组成。高压产生系统主要由变压器、调压器组成，这部分设备电压等级高，往往直接由电力系统针对电力设备的实验装置改装而
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来，体积庞大且造价昂贵，设备数量有限，难以保证每一个学生都能进行实验操作和灵活组合设计，不符合综合作业灵活性的特点[4]。
试品包括绝缘子、变压器、绝缘油、短路器、避雷器等高压设备。测量系统的硬件组成主要为分压器、互感器、电流传感器、电脑、采集卡、高性能示波器、频谱分析仪等。高压信号经分压器、互感器变成小电压信号后进入可以自主编程的测量装置。
高电压实验的控制系统及测量系统具有较高灵活性，具备综合作业的基础。为此，在实验对象选定的情况下可通过高压控制系统的综合设计及高压测量系统的综合设计让学生完成自主创新设计实验。
三、高压控制系统的综合设计
高压实验的控制系统主要由工业控制计算机、PLC、继电器等组成，涉及到PLC控制、信号测量、继电器动作等多方面的知识。而PLC是整个控制系统的核心，调压器升降压、电压测量及过流保护等功能都是通过控制PLC实现的。
高压控制系统的综合设计以Mitsubishi公司FX2n系列PLC作为主要控制单元，设计四个方面的模块：LABVIEW函数接口PLC模块，高压实验虚拟人机控制界面模块，高压数字信号的输入输出模块，高压模拟信号的输入输出模块。
1.LabVIEW函数接口PLC模块：LabVIEW支持用于不同自动化设备间信息交换的面向过程控制OLE（OPC）。利用面向NI LabVIEW的Modbus函数库或者DSC模块中内置的Modbus I/O服务器，可以使用任何以太网或串口作为一台Modbus TCP或Modbus串行的PLC。通过LabVIEW函数接口PLC模块，学生可快速学会如何通过软件控制PLC动作。 2.高压实验虚拟人机控制界面模块：利用虚拟仪器软件开发一个具有交互功能的高压实验控制界面，实际控制高压设备动作，极大提高了学员实际操作的能力，同时为学员提供一个自主创新的环境。
3.高压数字信号的输入输出模块：高压开关分段与闭合，高压断路器的分闸与合闸在高压测量上均属于开关信号。利用虚拟仪器软件实现控制PLC测量或输出数字信号对加强了学生对高压信号与弱电信号的关系，让学生更深刻理解了高压设备的原理及高压数字信号的基本概念。
4.高压模拟信号的输入输出模块：高压实验中模拟信号较多，有调压器电压电流、变压器电压电流等，通过开发基于虚拟仪器软件的PLC测量或输出模拟信号软件，让学生理解高压信号转换为低电压信号基本设备和方法。
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通过人机界面实现人机对话并在控制PLC输出、测量信号实现高压实验的控制及保护功能，使学生综合实验的能力得到较大提升。但考虑到人身和设备安全，预先开发安全控制模块同学生的综合作业进设计接口以保证所有控制参数的合理性。 四、高电压测量系统的综合设计
高压实验中分压及衰减设备型号有限，可将NI公司的USB数据采集器、DPO4054示波器、av4033频谱分析仪作为主要的单元，共设计四个模块：硬件采集模块、接口模块、数据滤波模块及数据分析模块。
1.硬件采集模块：高压实验需要监测高压试品各方面的信号，最主要的是试品电压和电流信号，特别是电流信号，并不一定是50Hz频率，需要根据综合作业的目的灵活选择硬件种类，USB数据采集器需要编写程序设定采集器的参数如采样率等，DPO4054示波器、av4033频谱分析仪需要通过接口从仪器中提取数据。
2.接口模块：硬件不同，接口形式也不同，存在USB、PCI、RS232及网口等多种接口形式，而LabVIEW VISA是应用于仪器编程的标准I/0应用程序接口，是工业界通用的仪器驱动器标准API（应用程序接口），采用面向对象编程，具有很好的兼容性、扩展性和独立性。可用一个API控制包括VXI、GPIB及串口仪器在内的不同种类的仪器支持多平台工作、多接口控制，是一个多类型的函数库。在LabVIEW中编写的VISA接口程序，当外部硬件设备变更时，只需要更换接口模块即可使用，丰富的接口，虚拟仪器快速的开发环境为学生提供了自由发挥和自主设计的开阔空间。
3.数据滤波模块：由于现场高压的干扰，测量到的泄漏电流波形有较多的高频干扰成份，为此，对所采集到的信号进行滤波、去噪等信号处理显得尤为重要。针对不同的信号和不同频率的干扰信号，采用不同的线性滤波方法和非线性滤波方法，学生可通过处理实际的波形信号实现对学生灵活运用数学能力的考察。LabVIEW具有大量的数字滤波函数和交互式工具，方便学生快速实现滤波功能，通过数据滤波模块的练习，可让学生深刻理解到高压信号的特点及高压测量特殊之处。
4.数据分析模块：高压实验中试品上温度、电压、电流信号均可表征试品绝缘状态的变化。如试品上的电压突然降低表征其绝缘已完全被击穿，电流较小说明试品绝缘状态良好。针对不同的试品及综合作业任务不同，需灵活开发不同的分析程序。数据分析模块能让学生较好的理解高压设备的不同状态，获得高压设备状态评价的基本理论和方法。
通过采集界面模块实现人机对话并在控制采集硬件工作，获取电压电流信号后对信号进行数据滤波处理然后存储分析数据，获得实验结果，高电压测量系统的四个模块构成了一个完整的系统又不缺灵活性，有利于高电压测量系统的综合设计。 五、总结