基于LabVIEW的智能開關(guān)綜合保護(hù)裝置的數(shù)據(jù)獲取與處理

1 引 言

　　我國電力工業(yè)充滿生機(jī)與活力，這為高壓開關(guān)制造業(yè)帶來了難得的發(fā)展機(jī)遇和嚴(yán)峻的考驗(yàn)。而高壓開關(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，才能滿足電力市場(chǎng)日益增長的需求。目前來看高壓開關(guān)有著良好的發(fā)展勢(shì)頭。然而高壓隔離開關(guān)作為電力系統(tǒng)重要開關(guān)設(shè)備，其運(yùn)行狀況直接影響電能的傳輸、分配及系統(tǒng)的安全可靠運(yùn)行。近年來，隨著用電負(fù)荷的增加，新變電所的建設(shè)，各種新型結(jié)構(gòu)、材料的電氣設(shè)備亦層出不窮，高壓隔離開關(guān)也從功能、結(jié)構(gòu)、用途由單一趨于多樣化以適應(yīng)不同地域、不同接線方式的需要，各種型號(hào)的隔離開關(guān)雖然用途相同，但結(jié)構(gòu)、適用范圍各不相同，各類隔離開關(guān)的檢修維護(hù)工作也大相徑庭。伴隨著高壓開關(guān)的廣泛使用，高壓開關(guān)的事故也是不斷。給國民生產(chǎn)帶來了很大的損失。所以需要對(duì)高壓開關(guān)進(jìn)行智能控制，實(shí)現(xiàn)對(duì)高壓開關(guān)的智能控制和電網(wǎng)的狀態(tài)監(jiān)測(cè)。

2 智能開關(guān)綜合保護(hù)裝置

　　智能開關(guān)綜合保護(hù)裝置是專門為礦用隔爆型高壓配電裝置而設(shè)計(jì)的新型保護(hù)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(tǒng)，可替代原有的各種模擬保護(hù)器和數(shù)碼顯示保護(hù)器。其核心部分采用超大規(guī)模集成電路和虛擬儀器技術(shù)，電氣穩(wěn)定性好；同時(shí)采取特殊的抗干擾措施，動(dòng)作準(zhǔn)確可靠。產(chǎn)品具有良好的過載反時(shí)限保護(hù)、過流保護(hù)、斷相保護(hù)及漏電閉鎖保護(hù)等多項(xiàng)保護(hù)功能，而且各項(xiàng)保護(hù)功能均有測(cè)試模擬試驗(yàn)及相對(duì)應(yīng)的數(shù)據(jù)顯示；此外，它還具有實(shí)時(shí)通訊功能，能與工控機(jī)聯(lián)網(wǎng)實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)采集，并能接受遠(yuǎn)程網(wǎng)絡(luò)的控制和操作。具體功能如下：

(1)短路保護(hù)。對(duì)高壓電網(wǎng)出現(xiàn)短路故障時(shí)實(shí)施速斷保護(hù)，短路保護(hù)整定電流值分檔可調(diào)，短路速斷動(dòng)作時(shí)間小于0.1 s；同時(shí)還具有特定的過流直接保護(hù)功能，對(duì)電網(wǎng)的瞬間嚴(yán)重短路情況采用沖擊電流直接驅(qū)動(dòng)保護(hù)繼電器執(zhí)行切斷負(fù)荷，大大縮短保護(hù)響應(yīng)時(shí)間。

(2)過載保護(hù)。對(duì)高壓電網(wǎng)出現(xiàn)斷續(xù)、持續(xù)過載情況，實(shí)施定時(shí)限保護(hù)和反時(shí)限保護(hù)。其中反時(shí)限過載保護(hù)在負(fù)荷電流達(dá)到1.1倍過載電流時(shí)啟動(dòng)，采用反時(shí)限特性動(dòng)作，過載倍數(shù)分4檔可整定。它們都是利用熱積累實(shí)現(xiàn)斷續(xù)過載情況下的過載保護(hù)，當(dāng)負(fù)荷電流小于1.0倍整定電流時(shí)，熱積累能量開始散熱。過載動(dòng)作時(shí)間與理論計(jì)算值誤差小于±5％。

(3)監(jiān)視保護(hù)。對(duì)配電裝置負(fù)載側(cè)使用雙屏蔽電纜的屏蔽芯線、屏蔽地線實(shí)行絕緣監(jiān)視保護(hù)，超限時(shí)報(bào)警，絕緣監(jiān)視保護(hù)功能可通過參數(shù)設(shè)置選擇打開和關(guān)閉。

(4)過壓保護(hù)。當(dāng)電網(wǎng)進(jìn)線電壓Uac>110％～130％額定電壓時(shí)，過壓保護(hù)動(dòng)作，精度為±15％。

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

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

(7)相不平衡保護(hù)。可對(duì)負(fù)載的三相進(jìn)行相不平衡保護(hù)。動(dòng)作延時(shí)分檔可選，相不平衡功能可根據(jù)需要選擇打開或關(guān)閉。

(8)煤礦瓦斯超限保護(hù)?？梢煌饨油咚箼z測(cè)儀器，當(dāng)煤礦瓦斯?jié)舛瘸迺r(shí)，瓦斯檢測(cè)儀器動(dòng)作輸出后，配電裝置執(zhí)行閉鎖禁合閘或拒分閘。

(9)聲光報(bào)警輸出。當(dāng)高壓電網(wǎng)出現(xiàn)故障時(shí)，能發(fā)送信號(hào)給聲光報(bào)警系統(tǒng)進(jìn)行報(bào)警。

(10)遠(yuǎn)程通信功能。具有遠(yuǎn)程通信功能，可實(shí)現(xiàn)群控，可在地面進(jìn)行遠(yuǎn)程控制、測(cè)試調(diào)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(duì)故障性質(zhì)進(jìn)行記憶保存。

3 基于微控制器與SJA1000T智能開關(guān)綜合保護(hù)單元

　　基于微控制器和SJA1000T CAN總線智能開關(guān)綜合保護(hù)系統(tǒng)的硬件組成原理如圖1所示。它包括：微控制器89C51、模擬信號(hào)的調(diào)理電路、A／D轉(zhuǎn)換電路、串行E2PROM存儲(chǔ)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(xù)模擬量到離散采樣數(shù)字量的轉(zhuǎn)換過程，這里通過采樣中斷來實(shí)現(xiàn)。

　　從外面引入微機(jī)保護(hù)的開關(guān)量，如開關(guān)、閘刀位置輔助接點(diǎn)，收發(fā)信機(jī)的收發(fā)信狀態(tài)觸點(diǎn)等都是由開關(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(tǒng)。從微機(jī)保護(hù)送出的開關(guān)量，如跳閘命令，告警信息等，則是經(jīng)開關(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(tǒng)的判斷結(jié)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(tǒng)，對(duì)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)輸入的各種原始數(shù)據(jù)進(jìn)行計(jì)算分析、處理、判斷，完成各種繼電保護(hù)功能。微控制器89C51是微機(jī)保護(hù)系統(tǒng)的核心。采用40 MIPS的嵌入式數(shù)字信號(hào)處理器構(gòu)成簡(jiǎn)潔高效的數(shù)據(jù)采集和處理系統(tǒng)。

　　交流插件上設(shè)有模擬量輸入變換器，用于將二次交流電壓或電流信號(hào)隔離變換為小電壓信號(hào)，經(jīng)調(diào)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(cè)量TA為6 A／3.53 V，保護(hù)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(hào)是GLL-5，1 A／0.097 V，保定市三環(huán)電器廠生產(chǎn)。

4 CAN總線和CAN232MB

　　CAN(Controller Area Network)，意為控制區(qū)域網(wǎng)絡(luò)。其是國際上流行的現(xiàn)場(chǎng)總線中的一種。其是一種特別適合于組建互連的設(shè)備網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)或子系統(tǒng)。由德國Bosch公司最先提出，是國際上應(yīng)用最廣泛的現(xiàn)場(chǎng)總線之一。CAN是一種多主方式的串行通訊總線，基本設(shè)計(jì)規(guī)范要求有高的位速率、高抗電磁干擾性，而且要能夠檢測(cè)出總線的任何錯(cuò)誤。當(dāng)信號(hào)傳輸距離達(dá)10 km時(shí)CAN仍可提供高達(dá)50 kb／s的數(shù)據(jù)傳輸速率。

　　CAN(Controller Area Network)即控制器局域網(wǎng)絡(luò)，屬于工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)總線的范疇。與一般的通信總線相比，CAN總線的數(shù)據(jù)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(dú)特的設(shè)計(jì)，CAN總線越來越受到人們的重視。它在汽車領(lǐng)域上的應(yīng)用是最廣泛的，世界上一些著名的汽車制造廠商，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總線來實(shí)現(xiàn)汽車內(nèi)部控制系統(tǒng)與各檢測(cè)和執(zhí)行機(jī)構(gòu)間的數(shù)據(jù)通信。同時(shí)，由于CAN總線本身的特點(diǎn)，其應(yīng)用范圍目前已不再局限于汽車行業(yè)，而向自動(dòng)控制、航空航天、航海、過程工業(yè)、機(jī)械工業(yè)、紡織機(jī)械、農(nóng)用機(jī)械、機(jī)器人、數(shù)控機(jī)床、醫(yī)療器械及傳感器等領(lǐng)域發(fā)展。CAN已經(jīng)形成國際標(biāo)準(zhǔn)，并已被公認(rèn)為見種最有前途的現(xiàn)場(chǎng)總線之一。其典型的應(yīng)用協(xié)議有：SAE J1939／ISO11783，CANOpen，CANaerospace，DeviceNet，NMEA 2000等。

　　按照ISO11898規(guī)范，為了增強(qiáng)CAN-bus通訊的可靠性，CAN-bus總線網(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，雙絞線的特性阻抗為120 Ω，則總線上的2個(gè)端點(diǎn)也應(yīng)集成120 Ω終端電阻。

　　CAN232MB轉(zhuǎn)換器內(nèi)部電路沒有集成120 Ω的終端電阻(終端電阻隨機(jī)附送)。當(dāng)CAN232MB轉(zhuǎn)換器作為終端設(shè)備時(shí)，用戶可以在CAN232MB轉(zhuǎn)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(zhuǎn)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來實(shí)現(xiàn)CAN通訊接口功能，如圖4所示。CAN232MB轉(zhuǎn)換器和CAN總線連接的時(shí)候是CANL連接CANL，CANH連接CANH。

　　CAN232MB轉(zhuǎn)換器內(nèi)置看門狗，保障長期工作的可靠性；同時(shí)，轉(zhuǎn)換器內(nèi)置非易失性存儲(chǔ)器，用于保存用戶上次配置運(yùn)行的參數(shù)。CAN232MB轉(zhuǎn)換器在正常工作時(shí)，實(shí)時(shí)對(duì)CAN總線和RS 232／RS 485總線進(jìn)行監(jiān)聽，一旦檢測(cè)到某一側(cè)總線上有數(shù)據(jù)接收到，立即對(duì)其進(jìn)行解析，并裝入各自的緩沖區(qū)，然后按設(shè)定的工作方式處理并轉(zhuǎn)換發(fā)送到另一側(cè)的總線，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)格式的轉(zhuǎn)換。在CAN232MB轉(zhuǎn)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(TXD，RXD，GND)連接，RS 485通訊接口用2線(A+，B-)差分連接。

5 LabVIEW程序設(shè)計(jì)

　　數(shù)據(jù)處理軟件的開發(fā)平臺(tái)是LabVIEW，LabVIEW的圖形化編成界面給該數(shù)據(jù)處理軟件的制作帶來了極大的方便。數(shù)據(jù)獲取與處理系統(tǒng)軟件的功能是：實(shí)時(shí)顯示經(jīng)過CAN232MB轉(zhuǎn)換后通過串口傳回來的數(shù)據(jù)，同步顯示數(shù)據(jù)采集的波形圖、通過對(duì)數(shù)據(jù)的處理、給出龜網(wǎng)狀態(tài)指示信號(hào)。

6 系統(tǒng)測(cè)試

　　智能開關(guān)綜合保護(hù)裝置的系統(tǒng)軟測(cè)試包播軟件測(cè)試和現(xiàn)場(chǎng)工作測(cè)試。軟件測(cè)試主要使用單片機(jī)模擬CAN232MB發(fā)送給串口的數(shù)據(jù)，然后用LabVIEW設(shè)計(jì)的軟件來讀取數(shù)據(jù)。測(cè)試軟件的性能情況良好。單片機(jī)的串口數(shù)據(jù)發(fā)送程序如下：

　　智能開關(guān)綜合保護(hù)裝置的系統(tǒng)現(xiàn)場(chǎng)測(cè)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，所以通過檢測(cè)高壓電網(wǎng)的零序電壓和零序電流來判斷電網(wǎng)的供電情況；在系統(tǒng)連接成功后就對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行測(cè)試，運(yùn)行情況正常。

　　從數(shù)據(jù)庫讀出所獲得零序電壓數(shù)據(jù)如下：

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

　　從數(shù)據(jù)庫中讀出檢測(cè)出的零序電流數(shù)據(jù)如下：

　　從以上數(shù)據(jù)可以看出零序電流都在1 A以內(nèi)。這對(duì)高壓電網(wǎng)來說是可以接受的相不平衡?？梢哉J(rèn)為是正常的供電。

7 結(jié) 語

　　智能開關(guān)綜合保護(hù)裝置通過CAN轉(zhuǎn)換過來的數(shù)據(jù)實(shí)現(xiàn)了高壓電網(wǎng)的狀態(tài)檢測(cè)和開關(guān)的智能控制。組成網(wǎng)絡(luò)后中心控制站的系統(tǒng)運(yùn)行界面需要對(duì)保護(hù)的配電設(shè)備進(jìn)行選擇、控制等。對(duì)某個(gè)高壓配電裝置的保護(hù)方式中心控制站可以通過中斷和過濾的方式進(jìn)行。

　　中斷方式 每個(gè)綜合保護(hù)裝置在沒有接收到控制指令的時(shí)候只對(duì)自己保護(hù)的開關(guān)進(jìn)行保護(hù)。采集的數(shù)據(jù)并不發(fā)送到CAN總線上。如果中心站需要獲取某個(gè)保護(hù)裝置的數(shù)據(jù)時(shí)則發(fā)送出相應(yīng)的控制字。該控制字發(fā)送到CAN總線上后綜合保護(hù)裝置對(duì)接收到的控制字進(jìn)行處理。如果是要求本裝置發(fā)送數(shù)據(jù)則發(fā)送中心站需要的數(shù)據(jù)。如果不是對(duì)本保護(hù)裝置進(jìn)行控制的指令則拋棄該指令。

　　過濾方式 每個(gè)綜合保護(hù)裝置都采集自己保護(hù)開關(guān)的數(shù)據(jù)，不停的監(jiān)測(cè)和保護(hù)。將采集回來的數(shù)據(jù)不停的轉(zhuǎn)發(fā)到CAN總線上。數(shù)據(jù)再經(jīng)過CAN232MB傳送到中心控制站。中心站對(duì)接受到的數(shù)據(jù)進(jìn)行過濾。如果接收到的數(shù)據(jù)是需要檢測(cè)開關(guān)的參數(shù)則接收它；如果不是則拋棄。

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