基于LabVIEW的智能開(kāi)關(guān)綜合保護裝置的數據獲取與處理

1 引 言

　　我國電力工業(yè)充滿(mǎn)生機與活力，這為高壓開(kāi)關(guān)制造業(yè)帶來(lái)了難得的發(fā)展機遇和嚴峻的考驗。而高壓開(kāi)關(guān)制造業(yè)必須不斷地進(jìn)行技術(shù)創(chuàng )新，推出一代又一代新品，才能滿(mǎn)足電力市場(chǎng)日益增長(cháng)的需求。目前來(lái)看高壓開(kāi)關(guān)有著(zhù)良好的發(fā)展勢頭。然而高壓隔離開(kāi)關(guān)作為電力系統重要開(kāi)關(guān)設備，其運行狀況直接影響電能的傳輸、分配及系統的安全可靠運行。近年來(lái)，隨著(zhù)用電負荷的增加，新變電所的建設，各種新型結構、材料的電氣設備亦層出不窮，高壓隔離開(kāi)關(guān)也從功能、結構、用途由單一趨于多樣化以適應不同地域、不同接線(xiàn)方式的需要，各種型號的隔離開(kāi)關(guān)雖然用途相同，但結構、適用范圍各不相同，各類(lèi)隔離開(kāi)關(guān)的檢修維護工作也大相徑庭。伴隨著(zhù)高壓開(kāi)關(guān)的廣泛使用，高壓開(kāi)關(guān)的事故也是不斷。給國民生產(chǎn)帶來(lái)了很大的損失。所以需要對高壓開(kāi)關(guān)進(jìn)行智能控制，實(shí)現對高壓開(kāi)關(guān)的智能控制和電網(wǎng)的狀態(tài)監測。

2 智能開(kāi)關(guān)綜合保護裝置

　　智能開(kāi)關(guān)綜合保護裝置是專(zhuān)門(mén)為礦用隔爆型高壓配電裝置而設計的新型保護裝置，適用于3.3 kV，6 kV，10 kV等中性點(diǎn)不接地的供、變電系統，可替代原有的各種模擬保護器和數碼顯示保護器。其核心部分采用超大規模集成電路和虛擬儀器技術(shù)，電氣穩定性好；同時(shí)采取特殊的抗干擾措施，動(dòng)作準確可靠。產(chǎn)品具有良好的過(guò)載反時(shí)限保護、過(guò)流保護、斷相保護及漏電閉鎖保護等多項保護功能，而且各項保護功能均有測試模擬試驗及相對應的數據顯示；此外，它還具有實(shí)時(shí)通訊功能，能與工控機聯(lián)網(wǎng)實(shí)現遠程數據采集，并能接受遠程網(wǎng)絡(luò )的控制和操作。具體功能如下：

(1)短路保護。對高壓電網(wǎng)出現短路故障時(shí)實(shí)施速斷保護，短路保護整定電流值分檔可調，短路速斷動(dòng)作時(shí)間小于0.1 s；同時(shí)還具有特定的過(guò)流直接保護功能，對電網(wǎng)的瞬間嚴重短路情況采用沖擊電流直接驅動(dòng)保護繼電器執行切斷負荷，大大縮短保護響應時(shí)間。

(2)過(guò)載保護。對高壓電網(wǎng)出現斷續、持續過(guò)載情況，實(shí)施定時(shí)限保護和反時(shí)限保護。其中反時(shí)限過(guò)載保護在負荷電流達到1.1倍過(guò)載電流時(shí)啟動(dòng)，采用反時(shí)限特性動(dòng)作，過(guò)載倍數分4檔可整定。它們都是利用熱積累實(shí)現斷續過(guò)載情況下的過(guò)載保護，當負荷電流小于1.0倍整定電流時(shí)，熱積累能量開(kāi)始散熱。過(guò)載動(dòng)作時(shí)間與理論計算值誤差小于±5％。

(3)監視保護。對配電裝置負載側使用雙屏蔽電纜的屏蔽芯線(xiàn)、屏蔽地線(xiàn)實(shí)行絕緣監視保護，超限時(shí)報警，絕緣監視保護功能可通過(guò)參數設置選擇打開(kāi)和關(guān)閉。

(4)過(guò)壓保護。當電網(wǎng)進(jìn)線(xiàn)電壓Uac>110％～130％額定電壓時(shí)，過(guò)壓保護動(dòng)作，精度為±15％。

(5)欠壓保護。當電網(wǎng)進(jìn)線(xiàn)電壓Uac<75％～55％額定電壓時(shí)，欠壓保護延時(shí)0.1～300 s動(dòng)作，精度為±5％。

(6)漏電保護。對下屬電網(wǎng)中出現的單相接地故障，既可采用零序電流方向型漏電保護方式進(jìn)行檢漏保護，也可采用功率方向法進(jìn)行選擇性檢漏保護，發(fā)生漏電時(shí)均發(fā)出警報。

(7)相不平衡保護?？蓪ω撦d的三相進(jìn)行相不平衡保護。動(dòng)作延時(shí)分檔可選，相不平衡功能可根據需要選擇打開(kāi)或關(guān)閉。

(8)煤礦瓦斯超限保護?？梢煌饨油咚箼z測儀器，當煤礦瓦斯濃度超限時(shí)，瓦斯檢測儀器動(dòng)作輸出后，配電裝置執行閉鎖禁合閘或拒分閘。

(9)聲光報警輸出。當高壓電網(wǎng)出現故障時(shí)，能發(fā)送信號給聲光報警系統進(jìn)行報警。

(10)遠程通信功能。具有遠程通信功能，可實(shí)現群控，可在地面進(jìn)行遠程控制、測試調整。

(11)多種智能記憶功能。具備自檢功能、閉鎖功能、顯示故障性質(zhì)功能等，同時(shí)能在跳閘斷電后對故障性質(zhì)進(jìn)行記憶保存。

3 基于微控制器與SJA1000T智能開(kāi)關(guān)綜合保護單元

　　基于微控制器和SJA1000T CAN總線(xiàn)智能開(kāi)關(guān)綜合保護系統的硬件組成原理如圖1所示。它包括：微控制器89C51、模擬信號的調理電路、A／D轉換電路、串行E2PROM存儲電路、RAM及光電隔離電路等。

　　電流等波形的采樣實(shí)際上是輸入連續模擬量到離散采樣數字量的轉換過(guò)程，這里通過(guò)采樣中斷來(lái)實(shí)現。

　　從外面引入微機保護的開(kāi)關(guān)量，如開(kāi)關(guān)、閘刀位置輔助接點(diǎn)，收發(fā)信機的收發(fā)信狀態(tài)觸點(diǎn)等都是由開(kāi)關(guān)量輸入回路中的光電隔離技術(shù)處理后，將信息送至中央處理系統。從微機保護送出的開(kāi)關(guān)量，如跳閘命令，告警信息等，則是經(jīng)開(kāi)關(guān)量輸出回路中的光電隔離技術(shù)處理后，將中央處理系統的判斷結果送出。光電隔離技術(shù)可以有效抵御干擾侵入。

　　微控制器89C51，即中央處理系統，對數據采集系統輸入的各種原始數據進(jìn)行計算分析、處理、判斷，完成各種繼電保護功能。微控制器89C51是微機保護系統的核心。采用40 MIPS的嵌入式數字信號處理器構成簡(jiǎn)潔高效的數據采集和處理系統。

　　交流插件上設有模擬量輸入變換器，用于將二次交流電壓或電流信號隔離變換為小電壓信號，經(jīng)調整后輸入到A／D，裝置模擬量輸入的原理如圖2所示。

　　其中電壓互感器(TV)為120 V／5.66 V；電流互感器(TA)，測量TA為6 A／3.53 V，保護TA為120 A／3.53 V，TA采用穿心式。選用的隔離變壓器精度高，隔離效果好，具有很高的抗擾度性。零序互感器型號是GLL-5，1 A／0.097 V，保定市三環(huán)電器廠(chǎng)生產(chǎn)。

4 CAN總線(xiàn)和CAN232MB

　　CAN(Controller Area Network)，意為控制區域網(wǎng)絡(luò )。其是國際上流行的現場(chǎng)總線(xiàn)中的一種。其是一種特別適合于組建互連的設備網(wǎng)絡(luò )系統或子系統。由德國B(niǎo)osch公司最先提出，是國際上應用最廣泛的現場(chǎng)總線(xiàn)之一。CAN是一種多主方式的串行通訊總線(xiàn)，基本設計規范要求有高的位速率、高抗電磁干擾性，而且要能夠檢測出總線(xiàn)的任何錯誤。當信號傳輸距離達10 km時(shí)CAN仍可提供高達50 kb／s的數據傳輸速率。

　　CAN(Controller Area Network)即控制器局域網(wǎng)絡(luò )，屬于工業(yè)現場(chǎng)總線(xiàn)的范疇。與一般的通信總線(xiàn)相比，CAN總線(xiàn)的數據通信具有突出的可靠性、實(shí)時(shí)性和靈活性。由于其良好的性能及獨特的設計，CAN總線(xiàn)越來(lái)越受到人們的重視。它在汽車(chē)領(lǐng)域上的應用是最廣泛的，世界上一些著(zhù)名的汽車(chē)制造廠(chǎng)商，如BENZ(奔馳)、BMW(寶馬)、PORSCHE(保時(shí)捷)、ROLLS-ROYCE(勞斯萊斯)和JAGUAR(美洲豹)等都采用CAN總線(xiàn)來(lái)實(shí)現汽車(chē)內部控制系統與各檢測和執行機構間的數據通信。同時(shí)，由于CAN總線(xiàn)本身的特點(diǎn)，其應用范圍目前已不再局限于汽車(chē)行業(yè)，而向自動(dòng)控制、航空航天、航海、過(guò)程工業(yè)、機械工業(yè)、紡織機械、農用機械、機器人、數控機床、醫療器械及傳感器等領(lǐng)域發(fā)展。CAN已經(jīng)形成國際標準，并已被公認為見(jiàn)種最有前途的現場(chǎng)總線(xiàn)之一。其典型的應用協(xié)議有：SAE J1939／ISO11783，CANOpen，CANaerospace，DeviceNet，NMEA 2000等。

　　按照ISO11898規范，為了增強CAN-bus通訊的可靠性，CAN-bus總線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )的兩個(gè)端點(diǎn)通常要加入終端匹配電阻(120 Ω)，如圖3所示。終端匹配電阻的大小由傳輸電纜的特性阻抗所決定，例如，雙絞線(xiàn)的特性阻抗為120 Ω，則總線(xiàn)上的2個(gè)端點(diǎn)也應集成120 Ω終端電阻。

　　CAN232MB轉換器內部電路沒(méi)有集成120 Ω的終端電阻(終端電阻隨機附送)。當CAN232MB轉換器作為終端設備時(shí)，用戶(hù)可以在CAN232MB轉換器的CAN接口，引腳7即“Res+”、引腳8即“Res+”之間，連接120 Ω的終端電阻。

　　CAN232MB智能協(xié)議轉換器采用Philips公司的CAN控制器SJA1000(16 MHz的晶體振蕩器)、CAN收發(fā)器PCA82C251來(lái)實(shí)現CAN通訊接口功能，如圖4所示。CAN232MB轉換器和CAN總線(xiàn)連接的時(shí)候是CANL連接CANL，CANH連接CANH。

　　CAN232MB轉換器內置看門(mén)狗，保障長(cháng)期工作的可靠性；同時(shí)，轉換器內置非易失性存儲器，用于保存用戶(hù)上次配置運行的參數。CAN232MB轉換器在正常工作時(shí)，實(shí)時(shí)對CAN總線(xiàn)和RS 232／RS 485總線(xiàn)進(jìn)行監聽(tīng)，一旦檢測到某一側總線(xiàn)上有數據接收到，立即對其進(jìn)行解析，并裝入各自的緩沖區，然后按設定的工作方式處理并轉換發(fā)送到另一側的總線(xiàn)，實(shí)現數據格式的轉換。在CAN232MB轉換器中，CAN-bus通訊電路采用隔離電壓為DC 2500 V的電氣隔離。RS 232通訊接口用3線(xiàn)(TXD，RXD，GND)連接，RS 485通訊接口用2線(xiàn)(A+，B-)差分連接。

5 LabVIEW程序設計

　　數據處理軟件的開(kāi)發(fā)平臺是LabVIEW，LabVIEW的圖形化編成界面給該數據處理軟件的制作帶來(lái)了極大的方便。數據獲取與處理系統軟件的功能是：實(shí)時(shí)顯示經(jīng)過(guò)CAN232MB轉換后通過(guò)串口傳回來(lái)的數據，同步顯示數據采集的波形圖、通過(guò)對數據的處理、給出龜網(wǎng)狀態(tài)指示信號。

6 系統測試

　　智能開(kāi)關(guān)綜合保護裝置的系統軟測試包播軟件測試和現場(chǎng)工作測試。軟件測試主要使用單片機模擬CAN232MB發(fā)送給串口的數據，然后用LabVIEW設計的軟件來(lái)讀取數據。測試軟件的性能情況良好。單片機的串口數據發(fā)送程序如下：

　　智能開(kāi)關(guān)綜合保護裝置的系統現場(chǎng)測試的原理是基于高壓電網(wǎng)正常工作的時(shí)候零序電壓和零序電流都為零，所以通過(guò)檢測高壓電網(wǎng)的零序電壓和零序電流來(lái)判斷電網(wǎng)的供電情況；在系統連接成功后就對數據進(jìn)行測試，運行情況正常。

　　從數據庫讀出所獲得零序電壓數據如下：

　　從上面的數據可以看出零序電壓在0～10 V內波動(dòng)。在這個(gè)范圍內的波動(dòng)是允許的。最后檢測出的狀態(tài)是電網(wǎng)供電性能好。

　　從數據庫中讀出檢測出的零序電流數據如下：

　　從以上數據可以看出零序電流都在1 A以?xún)?。這對高壓電網(wǎng)來(lái)說(shuō)是可以接受的相不平衡?？梢哉J為是正常的供電。

7 結 語(yǔ)

　　智能開(kāi)關(guān)綜合保護裝置通過(guò)CAN轉換過(guò)來(lái)的數據實(shí)現了高壓電網(wǎng)的狀態(tài)檢測和開(kāi)關(guān)的智能控制。組成網(wǎng)絡(luò )后中心控制站的系統運行界面需要對保護的配電設備進(jìn)行選擇、控制等。對某個(gè)高壓配電裝置的保護方式中心控制站可以通過(guò)中斷和過(guò)濾的方式進(jìn)行。

　　中斷方式 每個(gè)綜合保護裝置在沒(méi)有接收到控制指令的時(shí)候只對自己保護的開(kāi)關(guān)進(jìn)行保護。采集的數據并不發(fā)送到CAN總線(xiàn)上。如果中心站需要獲取某個(gè)保護裝置的數據時(shí)則發(fā)送出相應的控制字。該控制字發(fā)送到CAN總線(xiàn)上后綜合保護裝置對接收到的控制字進(jìn)行處理。如果是要求本裝置發(fā)送數據則發(fā)送中心站需要的數據。如果不是對本保護裝置進(jìn)行控制的指令則拋棄該指令。

　　過(guò)濾方式 每個(gè)綜合保護裝置都采集自己保護開(kāi)關(guān)的數據，不停的監測和保護。將采集回來(lái)的數據不停的轉發(fā)到CAN總線(xiàn)上。數據再經(jīng)過(guò)CAN232MB傳送到中心控制站。中心站對接受到的數據進(jìn)行過(guò)濾。如果接收到的數據是需要檢測開(kāi)關(guān)的參數則接收它；如果不是則拋棄。

　　今后發(fā)展方向是構成網(wǎng)絡(luò )式的高壓配電裝置保護網(wǎng)。它不僅可以很好地應用在中性不接地高、低壓配電系統，也可以推廣運用在其他工業(yè)控制領(lǐng)域。