Возможность использования многоплатформенной среды LabVIEW для решения задач высоковольтной электроэнергетики

УДК 621. 311. 1

И. С. Шиханов, А. С. Карпов, В. В. Ярошевич

ВОЗМОЖНОСТЬ ИСПОЛЬЗОВАНИЯ МНОГОПЛАТФОРМЕННОЙ СРЕДЫ LABVIEW ДЛЯ РЕШЕНИЯ ЗАДАЧ ВЫСОКОВОЛЬТНОЙ ЭЛЕКТРОЭНЕРГЕТИКИ

Аннотация

Рассмотрена среда программирования LabVIEW, которая широко используется в промышленности, научно-исследовательских лабораториях и образовании различных профилей. Показана перспектива ее использования в энергетике для моделирования процессов в высоковольтной сети. С помощью нее реализована работающая модель участка сети, которая позволяет рассмотреть влияние новых потребителей еще до присоединения к сети, а также проанализировать реакцию воздействия уже подключенных потребителей на новых (и наоборот).

Ключевые слова:

программирование, моделирование участка сети, виртуальный прибор, генератор сигнала, панель управления, блок-диаграмма, параметры сети, электромагнитная совместимость, высоковольтная сеть, подстанция.

I. S. Shikhanov, A. S. Karpov, V. V. Yaroshevich

POSSIBILITY OF USING THE MULTIPLATFORM PROGRAMMING ENVIRONMENT LABVIEW FOR THE SOLUTION OF TASKS IN HIGH-VOLTAGE POWER INDUSTRY

Abstract

The article describes the programming environment LabVIEW which is widely used in the industry, research laboratories and in education of various profiles. We have showed the prospect of its use in power engineering for model operation of processes in a high-voltage network. Using LabVIEW we have developed a working model of the network site which allows to see the influence of new consumers even before accession to a network is realized as well as to analyse reaction of influence of already connected consumers on the new ones (and vice versa).

Keywords:

programming, model operation of a network site, virtual instrument, signal generator, control panel, block-diagram, network parameters, electromagnetic compatibility, high-voltage network, substation.

Существуют различные среды программирования, отличающиеся друг от друга своими функциями, графической оболочкой и конкретной направленностью. Одной из таких сред является Laboratory Virtual Instrumentation Engineering Workbench (сокращенно LabVIEW). Работа в ней осуществляется при помощи графического интерфейса, который облегчает программирование до соединения различных функциональных блоков, структур и виртуальных приборов (ВП; рис.1).

LabVIEW представляет собой среду графического программирования, которая широко используется в промышленности, образовании и научно-исследовательских лабораториях в качестве стандартного инструмента для сбора данных и управления приборами. Она является мощной, гибкой и многоплатформенной программной средой, которая применяется для проведения измерений и анализа полученных данных [1]. LabVIEW можно использовать на различных операционных системах (ОС): Windows,

MacOS, Linux, Solaris и HP-UX. Процесс создания ВП в данной среде является удобным и интуитивно понятным, что значительно ускоряет и упрощает разработку и применение программ.

Рис. 1. Визуальное представление оболочки LabVIEW

Компания «National Instruments» (NI) была основана в 1976 г. в г. Остин (штат Техас) Джеймсом Тручардом (James Truchard), Джеффом Кодоски (Jeff Kodosky) и Биллом Новлиным (Bill Nowlin). Через 10 лет после создания NI была выпущена первая версия среды программирования LabVIEW, но только для AppleMacintosh. Вскоре, в 1993 г., вышла кроссплатформенная версия данной среды, включающая в себя ОС Windows. Было выпущено множество модификаций, и дальнейшее описание и моделирование производились в версии LabVIEW 2015.

Концепция LabVIEW включает в себя весь набор инструментов, необходимых для сбора данных, их анализа и представления полученных результатов. С помощью графического языка программирования LabVIEW, именуемого G (Джей), можно программировать вашу задачу из графической блок-диаграммы, которая компилирует алгоритм, в машинный код [1].

Также преимуществом данной среды программирования является то, что у компании «National Instruments» имеется большой контингент уже готового физического оборудования для различных задач, которые облегчат исследования или мониторинг определенных процессов. Преимуществом данного оборудования является то, что оно корректно взаимодействует со средой программирования LabVIEW. Однако можно использовать и любое другое оборудование, не относящейся к компании «National Instruments», но которое имеет стандартизированный интерфейс (порт) передачи данных, такой как COM, Ethernet и др. [2]. Для облегчения соединения стороннего оборудования с ПК (на базе ОС Windows) вместе с LabVIEW идет модуль

Measurement & Automation Explorer (MAX) [3], с помощью которого можно настраивать подключение и тестировать правильность работы конкретного оборудования, проверять и устанавливать необходимое ПО для прибора. Также с помощью данной утилиты можно производить настраиваемые измерения определенными приборами от компании NI без использования при этом среды программирования LabVIEW.

Важнейшим плюсом LabVIEW является то, что можно создать ВП, который будет обладать такими же функциями, что и физический прибор. Например, зная, что нужное нам оборудование собирает данные, которые представлены в виде сигналов, можно сымитировать этот процесс, создав программу, которая будет генерировать сигналы с нужными параметрами (частоты, амплитуды, смещения и т. д.). И на основе этого можно разработать программу для обработки этих сигналов, которая в дальнейшем подойдет и к физическому оборудованию.

Например, возьмем действующую трансформаторную подстанцию и предположим, что к ней хотят присоединить конкретного потребителя, у которого известно достаточно параметров, чтобы оценить его вклад, а именно его:

- гармонические составляющие (в соответствии с ГОСТ 32144-2013 [4] минимум до 2 кГц);

- уровни потребления (величина тока и характер его изменения) [5-10];

- специфика нагрузки (активная/реактивная; источник/потребитель реактивной энергии [11-17]).

Чтобы оценить воздействие потребителя на выбранную сеть, достаточно создать ВП с регулировкой выше перечисленных параметров, изменение которых отразятся на графиках сигналов.

На первом этапе моделирования нужно понять, из скольких виртуальных подприборов будет состоять конечный результат, которым является модель участка сети. Во-первых, сеть будет трехфазная, следовательно, будет состоять из фазы А, В и С, которые будут смещены друг относительно друга на 120 градусов. Во-вторых, такие параметры, как частота выборок, частота дискретизации, частота сигнала, напряжение, угол фи, значения гармонических составляющих, ток потребления - могут регулироваться пользователем, в зависимости от объекта исследования. В-третьих, результат должен выводиться в виде имитации движения трехфазных сигналов для напряжения и для тока, а для их более детального осмотра следует создать возможность замедления и остановки осциллограммы. И, в-четвертых, необходимо вывести амплитудные и мгновенные значения напряжений и токов, чтобы оценить воздействие различных параметров.

В среде программирования LabVIEW присутствует функция создания подпрограмм, позволяющая из простых или готовых комплектующих создавать более сложные программы, которые в дальнейшем можно использовать как составную часть в следующем ВП. Данная функция значительно облегчает процесс написания многосоставной программы. В LabVIEW есть огромное количество различных готовых подприборов, такие как генерация осциллограмм различных сигналов с регулировкой определенных параметров, готовые функции сбора данных, анализаторы различных сигналов и многое другое. Отличительной особенностью LabVIEW является то, что все эти виртуальные подприборы не являются эталонными и могут быть изменены в зависимости от поставленных задач.

Например, для создания трехфазного генератора сигналов потребуется генератор фазы А, фазы В и фазы С. Можно его построить как единое целое, что значительно усложнит и удлинит процесс. А можно создать однофазный генератор с возможностью изменения параметров сдвига угла фазы, а затем эти три сигнала поместить на один график. Созданный ВПП показан на рис.2.

Рис. 2. Виртуальный подприбор «Генератор А»

Панель управления данного подприбора изображена на рис.3, в ней изначально задаются параметры кластера «Исходные данные фазы А», а в дальнейшем во время работы программы можно менять значения частоты и напряжения, а числовой контроллер <«» отвечает за смещение фазы, которое в дальнейшем потребуется для имитации движения сигнала.

Рис. 3. Панель управления генератора А

Ядром данной подпрограммы является готовое решение от LabVIEW, а именно осциллограмма синуса (рис.4). Она позволяет изменять количество выборок (samples), амплитуду сигнала (amplitude), частоту (frequency), а также смещение фазы (phase in) и выводит полученный массив значений (sine wave), мгновенное значение сигнала (phase out) и номер ошибки (error).

Рис. 4. Встроенная функция синуса (SineWave) с регулируемыми параметрами

В кластер «Входы фазы А» были внесены изменения перед непосредственным соединением с «SineWave». Они коснулись таких параметров, как напряжение, частота сигнала и частота дискретизации.

На рисунке 5 можно видеть ряд операций над блоками. Для удобства описания особенно важные элементы пронумерованы и подписаны.

Рис. 5. Блок-диаграмма генератора А

Чтобы изменять значения частоты и действующего напряжения во время работы будущего ВП потребовалось соединить эти параметры с числовыми контроллерами отклонения частоты и напряжения с помощью функции «Add» (№ 2 и № 6). После этого, какое бы значение не было задано, оно мгновенно изменит конечный результат.

Также была выполнена операция преобразования действующего значения в амплитудное (№ 1).

Главным объектом данного ВП стала структура, регулируемая неравенством, при котором частота дискретизации должна быть в 5 раз больше частоты фазы (№ 3), а конечным результатом верно выполненного неравенства является осциллограмма напряжения, в случае ошибки на экран будет выведено диалоговое окно о некорректных исходных данных.

Для реализации конечной модели подстанции необходимо внести параметры, характеризующие потребителей, указанные ранее.

Так как и гармонические составляющие, и токи со смещениями в зависимости от специфики нагрузки можно представить в виде синусоидального сигнала с регулировкой нужных параметров, то данные ВПП можно построить на базе предыдущего «Генератора А», изменив лишь несколько параметров. Таким образом, учет характера нагрузок позволяет проводить более детальный анализ на модели в среде LabVIEW.

Из созданных ранее ВПП составлена конечная модель. Данная система имеет 4 потребителей, первые три будут подключены к фазам А, В и С соответственно, а четвертый к фазе А. Для удобства восприятия «Модель участка сети» разделена на 3 рисунка (рис.6-8). На рис.6 изображены панели с выбором значений первых 40 гармонических составляющих, исходных данных, задающих такие значения, как: количество выборок, частота дискретизации, частота сигнала и напряжение, а также кластеры-индикаторы для мониторинга амплитудных значений тока и напряжения.

Амтлит. значения

ПА]

]а

1147В, 44

Ь 1107,54 1с

2501,12

в секундах

Рис. 6. Первая часть фронтальной панели ВП «Модель участка сети»

Рисунок 7 включает в себя панель с 4 потребителями, каждый из которых имеет свои настраиваемые параметры, такие как «Смещение напряжения», «Смещение частоты, «Угол фи» и «Значение тока».

Если раннее рассмотренные регуляторы требуется задавать до старта программы, то параметры потребителей можно изменять во время работы ВП. Конечный результат заданных значений оценивается на графиках, приведенных на рис.8, где представлены две трехфазные осциллограммы тока и напряжения, а также их мгновенные значения. Также для удобства оценки качества сигналов создана регулируемая задержка вывода сигнала на экран от 0 до 1000 мс.

Выбор гармоник Гармонический состав 1-го потребителя

т

1,7

4,5

Исходные данные Количество выборок

400

Гармонический состав 2-го потребителя

I

Частота дискретизации, [ГЦ]

0000

Частоту, [Гц]

Гармонический состав 3-го потребителя

г ш

5/

50

Напряжение, [В]

Гармонический состав 4-го потребителя

220

Запуск фазы

О

Амгишт. значения

Ц [В] иа [327,836

иь

1313,18 1Рс 1311,91Г

Времяр программы

6,87!

Потребитель 1 Потребитель 2

Отклонение напряжения, [В] Отклонение напряжения, [В]

Отклонение частоты, [Гц]

Угол фи, [градус]

Значение тока, [А] 900750

500 250 0

Отклонение частоты, [Гц] Угол фи, [градус]

$ Л

Значение тока, [А] 15001000 -

Потребитель 3 Отклонение напряжения, [Б]

Отклонение частоты, [Гц]

Угол фи, [градус]

Значение тока, [А] 2000-

1500-= 1000 ^

500-= 0-

Потребитель 4 Отклонение напряжения, [В]

Отклонение частоты, [Гц]

Угол фи, [градус]

ЗР-

Значение тока, [А] 700-

230

400200 0:

Рис. 7. Вторая часть фронтальной панели ВП «Модель участка сети»

Рис. 8. Третья часть фронтальной панели ВП «Модель участка сети»

Таким образом, программный инструмент LabVIEW интересен с точки зрения моделирования действующей сети с возможностью создания виртуальной модели, которая очень гибко и адекватно регулируется различными параметрами. Особенностью этих регулировок является отсутствие эталонных элементов сети и возможность задавать любые характеристики элементов. Описанный подход позволяет рассмотреть влияние новых потребителей еще до присоединения их к сети, а также проанализировать реакцию воздействия уже подключенных потребителей на новых (и наоборот).

Литература

1. Трэвис Дж., Кринг Дж. LabVIEW для всех. 4-е издание, перераб. и доп. М.: ДМК Пресс, 2011. 904 с.

2. Оценка использования сертифицированных регистраторов показателей качества электроэнергии / И. С. Шиханов, А. С. Карпов, В. В. Ярошевич, Г. П. Фастий, Е. А. Токарева // Труды Кольского научного центра РАН. Энергетика. 2015. Вып. 11. С. 55-67.

3. Магда Ю. С. LabVIEW: практический курс для инженеров и разработчиков. М.: ДМК Пресс, 2012. 208 с.

4. Межгосударственный стандарт ГОСТ 32144-2013. Электрическая энергия. Совместимость технических средств электромагнитная. Нормы качества электрической энергии в системах электроснабжения общего назначения. Введ. 01.07.2014. М.: Стандартинформ 2014. 20 с.

5. Карпов А. С., Ярошевич В. В., Карпова О. М. Оценка эффективности мониторинговых исследований качества электроэнергии по ГОСТ 13109-97 в высоковольтной сети 6-150 кВ // Труды Кольского научного центра РАН. Энергетика. 2013. Вып. 7. С. 117-121.

6. Карпов А. С., Ярошевич В. В. Выявление направлений развития сетей 6-35 кВ на основе опыта мониторинговых исследований показателей качества электроэнергии высоковольтной сети Северо-Запада России // Материалы I Международного форума «Интеллектуальные энергосистемы». Томск, 2013. Т. 1. С. 163-167.

7. Обзор электропотребления разветвленной электрической сети напряжением 10/0.4 кВ Кольского научного центра Российской академии наук / Ю. А. Арефьева, А. Е. Веселов, А. С. Карпов, Е. А. Токарева, Г. П. Фастий, В. В. Ярошевич // Труды Кольского научного центра РАН. Энергетика. 2015. Вып. 10. С. 24-33.

8. Карпов А. С., Ярошевич В. В., Юшков М. Г. Обоснование технического решения для разработки программно-аппаратного комплекса, способного локализовать источники искажения электроэнергии // Вестник Кольского научного центра РАН. 2014. № 4, вып. 19. С. 102-106.

9. Анализ результатов мониторинговых регистраций качества электроэнергии / Ю. М. Невретдинов, Г. П. Фастий, В. В. Ярошевич, А. С. Карпов // Вестник МГТУ. 2014. Т. 17, № 1. С. 67-76.

10. Анализ влияния несимметричных режимов и гармонических составляющих тока нагрузки на условия работы гидрогенераторов ГЭС-3 каскада Нивских ГЭС. Электрофизические проблемы надежности эксплуатации высоковольтных сетей / Ю. М. Невретдинов, А. В. Карпов, И. Е. Кабеев, А. В. Бурцев. Апатиты: КНЦ РАН, 2006. 96 с.

11. Особенности распределения токов при проведении экспериментов в действующих распределительных устройствах при низкой проводимости грунта / Ю. М. Невретдинов, Г. П. Фастий, И. Е. Кабеев, А. А. Карпов // Сборник докладов IX Российской научно-технической конференции по электромагнитной совместимости технических средств и электромагнитной безопасности «ЭМС-2006» (Санкт-Петербург, 20-22 сентября 2006 г.). СПб.: ВИТУ, 2006. С. 146-149.

12. Разработка технических мероприятий по экономии электроэнергии в городских электрических сетях Мурманской области / А. Е. Веселов, Е. А. Токарева, Г. П. Фастий, В. В. Ярошевич // Вестник Кольского научного центра РАН. 2011. № 3, вып. 6. С. 59-62.

13. Проблемы контроля качества электроэнергии и выявления источников его снижения / Ю. М. Невретдинов, А. С. Карпов, Г. П. Фастий, В. В. Ярошевич // Научные труды Международной научно-технической конференции «Электроэнергетика глазами молодёжи». Самара, 2011. Т. 3. С. 139-144.

14. Невретдинов Ю. М., Фастий Г. П., Ярошевич В. В. Проблемы локализации источника искажений качества электроэнергии // Сборник докладов Х Российской научно-технической конференции по электромагнитной совместимости технических средств и электромагнитной безопасности «ЭМС-2008». СПб.: ВИТУ, 2008. С. 138-142.

15.Шиханов И. С., Карпов А. С., Ярошевич В. В. Исследование проблемы качества электроэнергии городской сети // Сборник статей межвузовского конкурса студенческих научных работ «Научная элита XXI века» (победители и лауреаты 2013-2015). Мурманск: МГТУ, 2015. С. 98-102.

16.Гольдштейн В. Г., Кузнецов Д. В. Совершенствование концепции и методов организации энергоснабжения мегаполисов // Промышленная энергетика. 2014. № 2. С. 140-145.

17.Гольдштейн В. Г., Кубарьков Ю. П., Макаров Я. В. Сохранение стабильного уровня напряжения в сетях с помощью мультиагентных систем // Электрооборудование: эксплуатация и ремонт. 2015. № 8. С. 42-49.

Сведения об авторах

Шиханов Иван Сергеевич,

инженер-исследователь лаборатории электроэнергетики и электротехнологии Центра физико-технических проблем энергетики Севера КНЦ РАН. Россия, 184209, Мурманская область, г. Апатиты, мкр. Академгородок, д. 21А, эл. почта: shikhanovPhD@yandex.ru

Карпов Алексей Сергеевич,

старший научный сотрудник лаборатории электроэнергетики и электротехнологии Центра физико-технических проблем энергетики Севера КНЦ РАН. Россия, 184209, Мурманская область, г. Апатиты, мкр. Академгородок, д. 21А, эл. почта: info@ien.kolasc.net.ru

Ярошевич Вера Васильевна,

научный сотрудник лаборатории электроэнергетики и электротехнологии Центра физико-технических проблем энергетики Севера КНЦ РАН. Россия, 184209, Мурманская область, г. Апатиты, мкр. Академгородок, д. 21А, эл. почта: yaroshevich_vera@mail.ru