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(diǎn)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(jī)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(yùn)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(bǔ)償與選線、Modbus串行通訊、TCP/IP上位機(jī)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(bǔ)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(diǎn)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(diǎn)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(kuò)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(diǎn)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(diǎn)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(yùn)行兩小時，這時故障持續(xù)存在并可能進(jìn)一步擴(kuò)大，造成輸變電設(shè)備損壞。實際運(yùn)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(kuò)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(bǔ)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(bǔ)償單相接地電流，補(bǔ)償效果好，運(yùn)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(diǎn)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(diǎn)的電流為

若電網(wǎng)中性點(diǎn)加裝消弧線圈，則通過接地點(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，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(bǔ)償?shù)簦拥仉娀『苋菀拙拖?。但是，在電網(wǎng)正常運(yùn)行時，消弧線圈的這個感抗值會使電網(wǎng)中性點(diǎn)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(diǎn)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(yùn)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(bǔ)償下接近線路的對地容抗；而在電網(wǎng)正常運(yùn)行時，消弧線圈的感抗自動遠(yuǎn)離此諧振點(diǎn)。

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(yùn)行的情況下，改變消弧線圈的檔位，在中性點(diǎn)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(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(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(diǎn)電壓；Io1、Io2分別為與Uo1、Uo2對應(yīng)的中性點(diǎn)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(diǎn)經(jīng)消弧線圈接地的運(yùn)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(yùn)用LabVIEW內(nèi)置的強(qiáng)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(yùn)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(yùn)行多個程序多任務(wù)系統(tǒng)。

NI　PXI－8145　RT包含了一個運(yùn)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(dú)立的硬件進(jìn)行控制。即使主機(jī)突然停止工作，LabVIEW的嵌入式應(yīng)用程序仍可繼續(xù)運(yùn)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(dú)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(yùn)行可靠，抗干擾能力強(qiáng)，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(diǎn)及站用變）　、消弧線圈（提供感性電流補(bǔ)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(diǎn)電壓、中性點(diǎn)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(jī)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(jī)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(yùn)行參數(shù)、查詢數(shù)據(jù)記錄及控制運(yùn)行方式。

安裝LabVIEW應(yīng)用程序的計算機(jī)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(yùn)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(diǎn)（Invoke Node）動態(tài)控制VI運(yùn)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(yùn)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(bǔ)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(jī)監(jiān)控等等。

LabVIEW強(qiáng)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\(yùn)用For循環(huán)結(jié)構(gòu)可以使得某些運(yùn)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(qiáng)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(yùn)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(jī)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(yùn)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(jī)監(jiān)控圖片

結(jié)論：

隨著電力設(shè)備產(chǎn)品功能的增強(qiáng)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(bǔ)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(jī)的，也有基于DSP的，硬件設(shè)計都很精巧，運(yùn)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(fèi)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(fèi)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(dú)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。