使用LabVIEW和CompactRIO快速原型測量系統用于檢測

使用CompactRIO檢測電弧的間歇性接地故障
作者:
Christoffer Örndal - Department of Measurement Technology and Industrial Electrical Engineering, Lunds University
Andreas Andreas Jönsson - DLAB C Lund University
Magnus Akke - DLAB C Lund University
行業(yè):
能源/電力
產(chǎn)品:
cRIO-9014, 實(shí)時(shí)模塊, FPGA模塊, NI 9239, LabVIEW
挑戰:
開(kāi)發(fā)一個(gè)通信靈活的便攜式測量設備，可以記錄電力系統中的高頻瞬變以及在線(xiàn)向多個(gè)用戶(hù)顯示數據。
解決方案:
使用NI CompactRIO平臺與LabVIEW軟件快速開(kāi)發(fā)了一個(gè)高度靈活的測量系統原型，提供快速采樣和大帶寬。
該原型系統是基于CompactRIO和LabVIEW，展示了低成本靈活的開(kāi)發(fā)平臺如何結合現代通信技術(shù)實(shí)現對電力系統中各個(gè)部分的控制和測量。
大 部分電網(wǎng)保護系統的主要缺點(diǎn)是無(wú)法準確地檢測接地故障的根源。導致出現接地故障后，電網(wǎng)的大部分不得不被強行斷開(kāi)，許多客戶(hù)將失去電力供應。這不僅導致客 戶(hù)對電力服務(wù)失望并且電力供應商也將收到罰單。背后的原因大多存在于保護單元的采樣頻率過(guò)低以及采用了低通濾波?，F有保護系統的基本限制來(lái)自于測量信號高 頻成分數據的缺失。
瑞典隆德大學(xué)的電子工程系與能源公司E.ON Elnät共同合作建立了實(shí)驗室研究電網(wǎng)的分配系統。該項目意在模擬和準確地檢測出影響電力系統正常運行的不利因素，如接地故障等。
高頻瞬變在電網(wǎng)中屢見(jiàn)不鮮。除接地故障，瞬變也出現在健康的系統中，通常是由于線(xiàn)路開(kāi)關(guān)通電時(shí)產(chǎn)生的瞬變。瞬變信號的分析表明其頻率成分可達到數千赫茲（圖1）。

圖1 圖中的表格記錄了接地故障期間的瞬變，其中實(shí)線(xiàn)是 NI 9239模擬輸入模塊以50kHz的采樣率采集到的原始信號，虛線(xiàn)則是同樣的信號經(jīng)過(guò)一個(gè)截止頻率為300Hz的二階的巴特沃茲低通濾波器之后以1000Hz的采樣率采集后的結果
傳統上，電網(wǎng)使用的故障記錄儀要么是獨立儀器要么被集成到現代數字繼電保護裝置中。雖然獨立的故障記錄儀有高采樣頻率（高達20kHz）和適合諧波分析的帶寬，但是價(jià)格可能極其昂貴。一個(gè)成本較低的替代方法是使用集成在數字繼電器中的故障記錄儀。
現代繼電保護裝置通常使用大約1 kHz的采樣速率和低通濾波，達到約300Hz的有效帶寬。如圖1所示，具有這種帶寬的單元缺乏捕獲高頻瞬變信號的能力。帶寬的不足說(shuō)明了為什么現有繼電 保護裝置對于間歇發(fā)生的接地故障的檢測能力表現得如此糟糕。如果沒(méi)有高頻數據，設計一個(gè)針對間歇接地故障的可靠算法，極其困難。
系統開(kāi)發(fā)
在開(kāi)發(fā)過(guò)程中，一個(gè)獨立單元的性能至關(guān)重要，因為設備將被放置在一個(gè)發(fā)電站里。為了滿(mǎn)足這一要求，開(kāi)發(fā)團隊選擇了NI CompactRIO硬件以及圖形化系統設計軟件LabVIEW。本系統提供了可移動(dòng)性、靈活性和可擴展性以適應應用的需要。此外，LabVIEW大量現成可用的軟件庫，加上商用現成的硬件模塊，大大地縮短了開(kāi)發(fā)時(shí)間。
NI 9239模 擬輸入模塊具有內置的抗混疊濾波器，它能夠在高效帶寬下快速采樣。50kHz的采樣頻率和優(yōu)化的內置濾波器提供了22 kHz的有效帶寬。同時(shí)支持高達250伏的通道隔離特性，提供了一個(gè)現成即用的測量系統無(wú)需自定制。一個(gè)便攜式的3G調制解調器和一個(gè)小的路由器保證了與 用戶(hù)的通信暢通，并且提供了遠程開(kāi)發(fā)功能。
CompactRIO FPGA上執行程序具有高度的時(shí)間確定性，并且LabVIEW Real-Time Module具有數據記錄和通信能力，這一平臺為構建高性能測量系統提供了良好的基礎。此外，完善的解決方案適合于快速原型化應用。
通信
由于電力設備包括電站內的一個(gè)獨立系統，操作者保持可靠的遠程通信至關(guān)重要。為了確保測量單元的可移動(dòng)性，我們選擇了使用3G調制解調器和一個(gè)小路 由器的解決方案。一個(gè) PC主機處理與操作者的通信，如圖2所示。此外，該小組使用LabVIEW應用程序生成器設計了一個(gè)易于使用的界面，這主要是因為大部分操作員缺乏 LabVIEW的使用經(jīng)驗。

圖2 通信
未來(lái)計劃
該原型系統基于CompactRIO和LabVIEW展示了現代通信技術(shù)如何結合低成本靈活的開(kāi)發(fā)平臺實(shí)現對電力系統各個(gè)部分的控制和測量。電力供 應商和客戶(hù)從這個(gè)可靠的、高性能的繼電保護系統中受益，該系統通過(guò)集成具備完整功能的故障記錄儀來(lái)協(xié)調整個(gè)變電站。此種解決方案支持精確的故障檢測，而無(wú) 需對眾多客戶(hù)斷電。
作者信息:
Christoffer Örndal
Department of Measurement Technology and Industrial Electrical Engineering, Lunds University
瑞典

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