LabVIEW——快速構建電力測量控制系統的利器

挑戰：近年來(lái)，電力系統發(fā)展迅速，供電可靠越來(lái)越成為用戶(hù)關(guān)心的問(wèn)題，質(zhì)量再過(guò)硬的電力設備如果缺乏靈敏、快速、安全的測量控制系統，也難保供電的萬(wàn)無(wú)一失。并且隨著(zhù)電網(wǎng)的日益復雜，用戶(hù)的要求越來(lái)越多，如何在短時(shí)間內滿(mǎn)足用戶(hù)需求，構建高效穩定的測量控制系統漸趨迫切；也為企業(yè)節約開(kāi)發(fā)成本，快速占據市場(chǎng)制高點(diǎn)提供保障。

應用方案：利用LabVIEW7.1創(chuàng )建基于串行通信的消弧線(xiàn)圈控制器上位機監控系統，實(shí)現電網(wǎng)參數在線(xiàn)顯示、故障在線(xiàn)監測、自動(dòng)生成日報表、報表可查詢(xún)打印、設定控制器運行方式及相關(guān)參數等。利用NI PXI-8145　RT、M系列數據采集卡、串行通訊卡、LabVIEW 7.1、德國西門(mén)子TP170A觸摸屏以及定制的信號調理板、數字I/O板等構建集電容電流測量、異常與故障報警、接地補償與選線(xiàn)、Modbus串行通訊、TCP/IP上位機監控及錄波功能于一身的消弧線(xiàn)圈控制器。

使用的產(chǎn)品：

LabVIEW 7.1

LabVIEW RT(實(shí)時(shí)模塊)

NI PXI-8145 266 MHz實(shí)時(shí)控制器

NI PXI-6221 M系列數據采集卡

PXI-8423 RS-485串口卡

引言

單相接地故障是影響中低壓電網(wǎng)供電可靠性的最常見(jiàn)故障。隨著(zhù)電網(wǎng)改造的進(jìn)一步深入，以及國家電力公司有關(guān)條文的頒布，采用消弧線(xiàn)圈接地系統是今后的變電站設計及改造中的發(fā)展趨勢。要求測量控制系統能夠在正常情況下進(jìn)行常規電量監測及電容電流測量，在發(fā)生單相接地故障后迅速控制消弧線(xiàn)圈進(jìn)行補償并采集相關(guān)電量準確分析出故障線(xiàn)路，。

本文在簡(jiǎn)要介紹中性點(diǎn)經(jīng)消弧線(xiàn)圈接地系統的基礎上，主要闡述如何借助于LabVIEW開(kāi)發(fā)工具，快速構建電力測量控制系統。

中性點(diǎn)經(jīng)消弧線(xiàn)圈接地系統

1、簡(jiǎn)介   

隨著(zhù)配電網(wǎng)規模的擴大和大量采用地下電纜，當發(fā)生單相接地故障時(shí)，接地電流很大。如果接地電弧不能可靠熄滅，就會(huì )迅速發(fā)展為相間短路，引起線(xiàn)路跳閘，供電中斷。如果接地電弧發(fā)展為間歇性的熄滅與重燃，就會(huì )引起弧光接地過(guò)電壓，危及電氣設備的絕緣。

在電網(wǎng)中性點(diǎn)裝設消弧線(xiàn)圈是減小接地電流，抑制弧光接地過(guò)電壓的一種行之有效的措施。這在電力行業(yè)標準DL/T620-1997《交流電氣裝置的過(guò)電壓保護和絕緣配合》中都有明確規定。為保證供電可靠性，中性點(diǎn)經(jīng)消弧線(xiàn)圈接地系統在發(fā)生單相接地故障時(shí)允許系統繼續運行兩小時(shí)，這時(shí)故障持續存在并可能進(jìn)一步擴大，造成輸變電設備損壞。實(shí)際運行中在盡量保證不間斷供電的情況下迅速找到故障線(xiàn)路并排除故障。為此，研究和開(kāi)發(fā)小電流接地選線(xiàn)裝置對于保證中低壓電網(wǎng)供電可靠性、防止事故發(fā)展和擴大、降低故障概率等有重要意義。

我公司研發(fā)的調容式自動(dòng)調諧消弧線(xiàn)圈接地裝置，是用于6－35kV電壓等級配電網(wǎng)的自動(dòng)補償單相接地故障電流的智能化成套電氣設備。此裝置采用先進(jìn)的晶閘管技術(shù)和NI PX平臺，可準確測量電網(wǎng)線(xiàn)路的對地容抗，快速自動(dòng)補償單相接地電流，補償效果好，運行可靠性高，并且故障發(fā)生后可短時(shí)間內選出故障線(xiàn)路，大大提高電網(wǎng)的供電可靠性，是配電網(wǎng)必不可少的電氣設備。

2、工作原理

中性點(diǎn)不接地電網(wǎng)發(fā)生單相接地時(shí)，如圖1所示。若無(wú)消弧線(xiàn)圈，則通過(guò)接地點(diǎn)的電流為

若電網(wǎng)中性點(diǎn)加裝消弧線(xiàn)圈，則通過(guò)接地點(diǎn)的電流為

       圖1 單相接地電路圖

在電網(wǎng)發(fā)生單相接地故障時(shí)，如果消弧線(xiàn)圈的感抗小于并接近于線(xiàn)路的對地容抗時(shí)，接地的容性電流就會(huì )被消弧線(xiàn)圈提供的感性電流完全補償掉，接地電弧很容易就熄滅。但是，在電網(wǎng)正常運行時(shí)，消弧線(xiàn)圈的這個(gè)感抗值會(huì )使電網(wǎng)中性點(diǎn)出現很高的電位，通常的解決方法是在線(xiàn)路中串聯(lián)阻尼電阻箱以限制中性點(diǎn)電壓，接地故障時(shí)再將電阻短接，但這也帶來(lái)了裝置可靠性降低，運行維護工作量大等問(wèn)題。所以，理想的消弧線(xiàn)圈應當為：在電網(wǎng)發(fā)生單相接地故障時(shí)，消弧線(xiàn)圈的感抗在過(guò)補償下接近線(xiàn)路的對地容抗；而在電網(wǎng)正常運行時(shí)，消弧線(xiàn)圈的感抗自動(dòng)遠離此諧振點(diǎn)。

我公司研發(fā)的接地裝置能夠自動(dòng)跟蹤電網(wǎng)參數變化，通過(guò)調節消弧線(xiàn)圈二次側的電容負載大小，以此來(lái)改變其一次等值感抗，實(shí)現動(dòng)態(tài)調諧。它在電網(wǎng)正常運行的情況下，改變消弧線(xiàn)圈的檔位，在中性點(diǎn)位移電壓小于10%額定系統相電壓時(shí)，同時(shí)測量并記錄每檔的中性點(diǎn)電流Io和中性點(diǎn)電壓Uo，然后找出電壓最大的兩檔。利用中性點(diǎn)電流Io與中性點(diǎn)電壓U。的變化數據，便可計算出電網(wǎng)的電容電流：　 式中：Ic為計算出的電容電流；Uo1、Uo2分別為與最大兩檔的中性點(diǎn)電壓；Io1、Io2分別為與Uo1、Uo2對應的中性點(diǎn)電流。實(shí)踐證明，在系統參量測量正確的條件下，利用上式計算出的系統電容電流誤差較小，取平均值后可得滿(mǎn)意結果。

目前國內的選線(xiàn)裝置主要有基于穩態(tài)量分析法、暫態(tài)分析法及信號注入法進(jìn)行選線(xiàn)。穩態(tài)分析法原理有零序電流比幅比相法、零序功率方向法、零序電流諧波方向法；暫態(tài)分析法有首半波原理法、小波分析法等。近年來(lái)，由于我國配電網(wǎng)和大型工礦企業(yè)的供電系統增加了很多中性點(diǎn)經(jīng)消弧線(xiàn)圈接地的運行方式，因此選線(xiàn)裝置中又增加了殘流增量法判據來(lái)配合自動(dòng)調諧消弧線(xiàn)圈的使用進(jìn)行故障選線(xiàn)。我公司研發(fā)的調容式自動(dòng)調諧消弧線(xiàn)圈接地裝置綜合了幾種選線(xiàn)方法的優(yōu)勢，采用綜合判據實(shí)現高準確率的選線(xiàn)。

LabVIEW構建消弧線(xiàn)圈測量控制系統

1、選擇LabVIEW及NI　PXI

當今世界，技術(shù)日新月異，如何在短時(shí)間內跟進(jìn)技術(shù)發(fā)展的步伐？怎樣才能可靠快捷地實(shí)現新技術(shù)轉化為生產(chǎn)力的要求？那就是要從復雜的硬件設計及枯燥的文本編程中解脫出來(lái)，把工程師有限的精力放在成果轉化上來(lái)。

使用LabVIEW,可以在交互式的圖形前面板中進(jìn)行系統控制和結果顯示，也可以通過(guò)ActiveX、動(dòng)態(tài)鏈接庫和數據庫，把數據顯示在網(wǎng)頁(yè)中或連接到其它應用程序或現有代碼上。同時(shí)可以使用多種硬件設備采集數據。采集數據后，可以運用LabVIEW內置的強大測試分析和顯示功能，將原始數據轉化為有意義的結果。

LabVIEW的開(kāi)發(fā)速度比傳統的文本編程方式快4到10倍，而且直觀(guān)、易學(xué)。利用LabVIEW的模塊化和層次化結構，可以對整個(gè)系統進(jìn)行快速原型化、設計和運行。LabVIEW采用數據流編程模式，可以很容易編制能同時(shí)執行多個(gè)任務(wù)的流程圖表。因此，LabVIEW是能同時(shí)運行多個(gè)程序多任務(wù)系統。

NI　PXI－8145　RT包含了一個(gè)運行實(shí)時(shí)操作系統的嵌入式處理器。在Windows環(huán)境中開(kāi)發(fā)LabVIEW　RT應用程序，然后下載并安裝該程序，使其跟實(shí)時(shí)操作系統一起對獨立的硬件進(jìn)行控制。即使主機突然停止工作，LabVIEW的嵌入式應用程序仍可繼續運行。

M系列卡可以充分利用超線(xiàn)程和多線(xiàn)程技術(shù)，且都可使用LabVIEW RT模塊和NI－DAQmx建立無(wú)需用戶(hù)干預的可靠的、確定性的獨立程序。

對于消弧線(xiàn)圈接地系統的測量控制裝置，就其本身來(lái)說(shuō)，要求采樣的模擬量多達幾十路之多，輸入輸出也有十多路，且數據分析工作量大、精度要求也比較高，而且在電力系統中要求運行可靠，抗干擾能力強，另外，開(kāi)發(fā)周期又相對比較緊張。如果用傳統的自制信號調理板、采樣保持板、數字I/O板及諸如DSP的控制系統，不僅耗時(shí)耗力，而且最終的結果可能是抗干擾能力差、程序漏洞百出且維護工作量大，對以后的技術(shù)培訓及升級換代帶來(lái)不必要的麻煩。

綜上所述，采用LabVIEW開(kāi)發(fā)平臺及RT嵌入式處理器配合先進(jìn)的數據采集卡是我們最佳選擇。

2、系統硬件設計

圖2　消弧線(xiàn)圈測量控制系統構成圖

一次設備包括：我公司生產(chǎn)的干式接地變壓器（人為提供中性點(diǎn)及站用變）　、消弧線(xiàn)圈（提供感性電流補償電網(wǎng)對地容性電流）　、獲得國家專(zhuān)利的過(guò)零觸發(fā)技術(shù)的觸發(fā)板、大功率高性能可控硅組件、自愈式低壓并聯(lián)電容器、電壓互感器、電流互感器（包括零序電流互感器）、熔斷器。

信號調理板用于對要采集的模擬量進(jìn)行信號預處理：模擬量包括中性點(diǎn)電壓、中性點(diǎn)電流、各線(xiàn)路零序電流等，預處理包括把大信號轉換成NI　M系列數據采集卡允許范圍的小信號以及濾波等；數字I/O板用途包括：給數據采集卡提供相應的數字觸發(fā)信號，給觸發(fā)板提供觸發(fā)信號進(jìn)而控制晶閘管通斷，提供報警及跳閘信號等

NI PXI－1031四槽帶電源機箱、PXI－6221數據采集卡、PXI－8145　RT控制器以及PXI－8423雙端口RS-485串行卡組成了測量控制系統的核心部分。

觸摸屏提供人機交互接口。西門(mén)子TP170A觸摸屏支持Modbus協(xié)議，　通過(guò)232雙絞線(xiàn)與PXI－8145　RT的RS－232通訊口聯(lián)接。用西門(mén)子觸摸屏組態(tài)軟件創(chuàng )建觸摸屏用戶(hù)接口界面，用LabVIEW7.1創(chuàng )建多線(xiàn)程Modbus通訊應用程序，實(shí)現PXI－8145　RT從站與觸摸屏主站之間的數據交流，這樣用戶(hù)就可以方便的監測現場(chǎng)數據、修改運行參數、查詢(xún)數據記錄及控制運行方式。

安裝LabVIEW應用程序的計算機通過(guò)以太網(wǎng)或232雙絞線(xiàn)與PXI－8145　RT控制器聯(lián)接，主要用于電站自動(dòng)化，實(shí)現數據遠程監控、記錄、操作及查詢(xún)打印功能。

3、系統軟件設計

為了保證程序運行的實(shí)時(shí)性，程序中主要采用了Timed Loop循環(huán)，此循環(huán)可在用戶(hù)指定的時(shí)間內完成任務(wù)。此外，在程序中使用了調用節點(diǎn)（Invoke Node）動(dòng)態(tài)控制VI運行及事件結構，更為重要是，采用了多線(xiàn)程的編程方法，實(shí)現了多個(gè)程序同時(shí)運行的多任務(wù)系統。

程序主要包括：數據采集與分析、Modbus觸摸屏通訊、投檔測量與控制、投檔補償與故障選線(xiàn)、常規操作與控制、TCP/IP通訊服務(wù)以及上位機監控等等。

LabVIEW強大的數據采集與分析函數使得對大量數據分析極為方便準確，大大減輕了工作量。適當的運用For循環(huán)結構可以使得某些運算大大簡(jiǎn)化。如電量的有功功率、諧波相位、暫態(tài)分析等。更顯著(zhù)的是LabVIEW強大的工具包支持，使得系統構建更簡(jiǎn)捷。各種計算模塊如FFT運算模塊應有盡有，使得電力系統的潮流計算更加簡(jiǎn)單。

圖7顯示為我公司為西北某企業(yè)電站提供的上位機監控系統畫(huà)面。本監控系統完全采用LabVIEW7.1編寫(xiě)，采用RS－232通訊輪詢(xún)，實(shí)現了現場(chǎng)六套消弧線(xiàn)圈控制器數據監控、參數設置、運行方式設置、各種故障指示報警、數據報表自動(dòng)生成、報表打印、選線(xiàn)結果顯示等。在現場(chǎng)得到了良好應用。

圖7　上位機監控圖片

結論：

隨著(zhù)電力設備產(chǎn)品功能的增強及市場(chǎng)競爭的日趨激烈，各電力企業(yè)不得不縮短產(chǎn)品的開(kāi)發(fā)周期，早日使可靠產(chǎn)品占據市場(chǎng)。

為了可靠精確地控制消弧線(xiàn)圈的補償電流及在發(fā)生故障后迅速地找到故障線(xiàn)路，各相關(guān)企業(yè)都在努力開(kāi)發(fā)自己的產(chǎn)品，有基于PC－104工控機的，也有基于DSP的，硬件設計都很精巧，運行也比較可靠，但是隨著(zhù)新的測量控制方法的出現，改動(dòng)硬件及軟件就顯得比較困難，往往花費大量的人力物力財力也沒(méi)能達到理想的效果，測試相當費力。而基于虛擬儀器技術(shù)，LabVIEW及其相關(guān)硬件就使得構建測量控制系統變得容易起來(lái)，無(wú)論從開(kāi)發(fā)難度、維護工作量還是開(kāi)發(fā)成本上來(lái)說(shuō)都有著(zhù)得天獨厚的優(yōu)勢與潛力。經(jīng)實(shí)踐，我公司采用基于LabVIEW開(kāi)發(fā)平臺的消弧選線(xiàn)集成控制器測量準確、控制可靠，相比于原有控制器，性能上有了較大的提高，而且在綜合成本上也有相當的優(yōu)勢。