LabVIEW——快速構(gòu)建電力測量控制系統(tǒng)的利器

挑戰(zhàn)：近年來，電力系統(tǒng)發(fā)展迅速，供電可靠越來越成為用戶關(guān)心的問題，質(zhì)量再過硬的電力設(shè)備如果缺乏靈敏、快速、安全的測量控制系統(tǒng)，也難保供電的萬無一失。并且隨著電網(wǎng)的日益復(fù)雜，用戶的要求越來越多，如何在短時間內(nèi)滿足用戶需求，構(gòu)建高效穩(wěn)定的測量控制系統(tǒng)漸趨迫切；也為企業(yè)節(jié)約開發(fā)成本，快速占據(jù)市場制高點提供保障。

應(yīng)用方案：利用LabVIEW7.1創(chuàng)建基于串行通信的消弧線圈控制器上位機監(jiān)控系統(tǒng)，實現(xiàn)電網(wǎng)參數(shù)在線顯示、故障在線監(jiān)測、自動生成日報表、報表可查詢打印、設(shè)定控制器運行方式及相關(guān)參數(shù)等。利用NI PXI-8145　RT、M系列數(shù)據(jù)采集卡、串行通訊卡、LabVIEW 7.1、德國西門子TP170A觸摸屏以及定制的信號調(diào)理板、數(shù)字I/O板等構(gòu)建集電容電流測量、異常與故障報警、接地補償與選線、Modbus串行通訊、TCP/IP上位機監(jiān)控及錄波功能于一身的消弧線圈控制器。

使用的產(chǎn)品：

LabVIEW 7.1

LabVIEW RT(實時模塊)

NI PXI-8145 266 MHz實時控制器

NI PXI-6221 M系列數(shù)據(jù)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故障。隨著電網(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，采用消弧線圈接地系統(tǒng)是今后的變電站設(shè)計及改造中的發(fā)展趨勢。要求測量控制系統(tǒng)能夠在正常情況下進(jìn)行常規(guī)電量監(jiān)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圈進(jìn)行補償并采集相關(guān)電量準(zhǔn)確分析出故障線路，。

本文在簡要介紹中性點經(jīng)消弧線圈接地系統(tǒng)的基礎(chǔ)上，主要闡述如何借助于LabVIEW開發(fā)工具，快速構(gòu)建電力測量控制系統(tǒng)。

中性點經(jīng)消弧線圈接地系統(tǒng)

1、簡介   

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

在電網(wǎng)中性點裝設(shè)消弧線圈是減小接地電流，抑制弧光接地過電壓的一種行之有效的措施。這在電力行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)DL/T620-1997《交流電氣裝置的過電壓保護(hù)和絕緣配合》中都有明確規(guī)定。為保證供電可靠性，中性點經(jīng)消弧線圈接地系統(tǒng)在發(fā)生單相接地故障時允許系統(tǒng)繼續(xù)運行兩小時，這時故障持續(xù)存在并可能進(jìn)一步擴大，造成輸變電設(shè)備損壞。實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路并排除故障。為此，研究和開發(fā)小電流接地選線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(diào)容式自動調(diào)諧消弧線圈接地裝置，是用于6－35kV電壓等級配電網(wǎng)的自動補償單相接地故障電流的智能化成套電氣設(shè)備。此裝置采用先進(jìn)的晶閘管技術(shù)和NI PX平臺，可準(zhǔn)確測量電網(wǎng)線路的對地容抗，快速自動補償單相接地電流，補償效果好，運行可靠性高，并且故障發(fā)生后可短時間內(nèi)選出故障線路，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(shè)備。

2、工作原理

中性點不接地電網(wǎng)發(fā)生單相接地時，如圖1所示。若無消弧線圈，則通過接地點的電流為

若電網(wǎng)中性點加裝消弧線圈，則通過接地點的電流為

       圖1 單相接地電路圖

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

我公司研發(fā)的接地裝置能夠自動跟蹤電網(wǎng)參數(shù)變化，通過調(diào)節(jié)消弧線圈二次側(cè)的電容負(fù)載大小，以此來改變其一次等值感抗，實現(xiàn)動態(tài)調(diào)諧。它在電網(wǎng)正常運行的情況下，改變消弧線圈的檔位，在中性點位移電壓小于10%額定系統(tǒng)相電壓時，同時測量并記錄每檔的中性點電流Io和中性點電壓Uo，然后找出電壓最大的兩檔。利用中性點電流Io與中性點電壓U。的變化數(shù)據(jù)，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電壓；Io1、Io2分別為與Uo1、Uo2對應(yīng)的中性點電流。實踐證明，在系統(tǒng)參量測量正確的條件下，利用上式計算出的系統(tǒng)電容電流誤差較小，取平均值后可得滿意結(jié)果。

目前國內(nèi)的選線裝置主要有基于穩(wěn)態(tài)量分析法、暫態(tài)分析法及信號注入法進(jìn)行選線。穩(wěn)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，由于我國配電網(wǎng)和大型工礦企業(yè)的供電系統(tǒng)增加了很多中性點經(jīng)消弧線圈接地的運行方式，因此選線裝置中又增加了殘流增量法判據(jù)來配合自動調(diào)諧消弧線圈的使用進(jìn)行故障選線。我公司研發(fā)的調(diào)容式自動調(diào)諧消弧線圈接地裝置綜合了幾種選線方法的優(yōu)勢，采用綜合判據(jù)實現(xiàn)高準(zhǔn)確率的選線。

LabVIEW構(gòu)建消弧線圈測量控制系統(tǒng)

1、選擇LabVIEW及NI　PXI

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

使用LabVIEW,可以在交互式的圖形前面板中進(jìn)行系統(tǒng)控制和結(jié)果顯示，也可以通過ActiveX、動態(tài)鏈接庫和數(shù)據(jù)庫，把數(shù)據(jù)顯示在網(wǎng)頁中或連接到其它應(yīng)用程序或現(xiàn)有代碼上。同時可以使用多種硬件設(shè)備采集數(shù)據(jù)。采集數(shù)據(jù)后，可以運用LabVIEW內(nèi)置的強大測試分析和顯示功能，將原始數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化為有意義的結(jié)果。

LabVIEW的開發(fā)速度比傳統(tǒng)的文本編程方式快4到10倍，而且直觀、易學(xué)。利用LabVIEW的模塊化和層次化結(jié)構(gòu)，可以對整個系統(tǒng)進(jìn)行快速原型化、設(shè)計和運行。LabVIEW采用數(shù)據(jù)流編程模式，可以很容易編制能同時執(zhí)行多個任務(wù)的流程圖表。因此，LabVIEW是能同時運行多個程序多任務(wù)系統(tǒng)。

NI　PXI－8145　RT包含了一個運行實時操作系統(tǒng)的嵌入式處理器。在Windows環(huán)境中開發(fā)LabVIEW　RT應(yīng)用程序，然后下載并安裝該程序，使其跟實時操作系統(tǒng)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(yīng)用程序仍可繼續(xù)運行。

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

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

綜上所述，采用LabVIEW開發(fā)平臺及RT嵌入式處理器配合先進(jìn)的數(shù)據(jù)采集卡是我們最佳選擇。

2、系統(tǒng)硬件設(shè)計

圖2　消弧線圈測量控制系統(tǒng)構(gòu)成圖

一次設(shè)備包括：我公司生產(chǎn)的干式接地變壓器（人為提供中性點及站用變）　、消弧線圈（提供感性電流補償電網(wǎng)對地容性電流）　、獲得國家專利的過零觸發(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(diào)理板用于對要采集的模擬量進(jìn)行信號預(yù)處理：模擬量包括中性點電壓、中性點電流、各線路零序電流等，預(yù)處理包括把大信號轉(zhuǎn)換成NI　M系列數(shù)據(jù)采集卡允許范圍的小信號以及濾波等；數(shù)字I/O板用途包括：給數(shù)據(jù)采集卡提供相應(yīng)的數(shù)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(shù)據(jù)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(tǒng)的核心部分。

觸摸屏提供人機交互接口。西門子TP170A觸摸屏支持Modbus協(xié)議，　通過232雙絞線與PXI－8145　RT的RS－232通訊口聯(lián)接。用西門子觸摸屏組態(tài)軟件創(chuàng)建觸摸屏用戶接口界面，用LabVIEW7.1創(chuàng)建多線程Modbus通訊應(yīng)用程序，實現(xiàn)PXI－8145　RT從站與觸摸屏主站之間的數(shù)據(jù)交流，這樣用戶就可以方便的監(jiān)測現(xiàn)場數(shù)據(jù)、修改運行參數(shù)、查詢數(shù)據(jù)記錄及控制運行方式。

安裝LabVIEW應(yīng)用程序的計算機通過以太網(wǎng)或232雙絞線與PXI－8145　RT控制器聯(lián)接，主要用于電站自動化，實現(xiàn)數(shù)據(jù)遠(yuǎn)程監(jiān)控、記錄、操作及查詢打印功能。

3、系統(tǒng)軟件設(shè)計

為了保證程序運行的實時性，程序中主要采用了Timed Loop循環(huán)，此循環(huán)可在用戶指定的時間內(nèi)完成任務(wù)。此外，在程序中使用了調(diào)用節(jié)點（Invoke Node）動態(tài)控制VI運行及事件結(jié)構(gòu)，更為重要是，采用了多線程的編程方法，實現(xiàn)了多個程序同時運行的多任務(wù)系統(tǒng)。

程序主要包括：數(shù)據(jù)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、常規(guī)操作與控制、TCP/IP通訊服務(wù)以及上位機監(jiān)控等等。

LabVIEW強大的數(shù)據(jù)采集與分析函數(shù)使得對大量數(shù)據(jù)分析極為方便準(zhǔn)確，大大減輕了工作量。適當(dāng)?shù)倪\用For循環(huán)結(jié)構(gòu)可以使得某些運算大大簡化。如電量的有功功率、諧波相位、暫態(tài)分析等。更顯著的是LabVIEW強大的工具包支持，使得系統(tǒng)構(gòu)建更簡捷。各種計算模塊如FFT運算模塊應(yīng)有盡有，使得電力系統(tǒng)的潮流計算更加簡單。

圖7顯示為我公司為西北某企業(yè)電站提供的上位機監(jiān)控系統(tǒng)畫面。本監(jiān)控系統(tǒng)完全采用LabVIEW7.1編寫，采用RS－232通訊輪詢，實現(xiàn)了現(xiàn)場六套消弧線圈控制器數(shù)據(jù)監(jiān)控、參數(shù)設(shè)置、運行方式設(shè)置、各種故障指示報警、數(shù)據(jù)報表自動生成、報表打印、選線結(jié)果顯示等。在現(xiàn)場得到了良好應(yīng)用。

圖7　上位機監(jiān)控圖片

結(jié)論：

隨著電力設(shè)備產(chǎn)品功能的增強及市場競爭的日趨激烈，各電力企業(yè)不得不縮短產(chǎn)品的開發(fā)周期，早日使可靠產(chǎn)品占據(jù)市場。

為了可靠精確地控制消弧線圈的補償電流及在發(fā)生故障后迅速地找到故障線路，各相關(guān)企業(yè)都在努力開發(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(shè)計都很精巧，運行也比較可靠，但是隨著新的測量控制方法的出現(xiàn)，改動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能達(dá)到理想的效果，測試相當(dāng)費力。而基于虛擬儀器技術(shù)，LabVIEW及其相關(guān)硬件就使得構(gòu)建測量控制系統(tǒng)變得容易起來，無論從開發(fā)難度、維護(hù)工作量還是開發(fā)成本上來說都有著得天獨厚的優(yōu)勢與潛力。經(jīng)實踐，我公司采用基于LabVIEW開發(fā)平臺的消弧選線集成控制器測量準(zhǔn)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(dāng)?shù)膬?yōu)勢。