使用LabVIEW和CompactRIO快速原型測(cè)量系統(tǒng)用于檢測(cè)

使用CompactRIO檢測(cè)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(zhàn):
開發(fā)一個(gè)通信靈活的便攜式測(cè)量設(shè)備，可以記錄電力系統(tǒng)中的高頻瞬變以及在線向多個(gè)用戶顯示數(shù)據(jù)。
解決方案:
使用NI CompactRIO平臺(tái)與LabVIEW軟件快速開發(fā)了一個(gè)高度靈活的測(cè)量系統(tǒng)原型，提供快速采樣和大帶寬。
該原型系統(tǒng)是基于CompactRIO和LabVIEW，展示了低成本靈活的開發(fā)平臺(tái)如何結(jié)合現(xiàn)代通信技術(shù)實(shí)現(xiàn)對(duì)電力系統(tǒng)中各個(gè)部分的控制和測(cè)量。
大 部分電網(wǎng)保護(hù)系統(tǒng)的主要缺點(diǎn)是無(wú)法準(zhǔn)確地檢測(cè)接地故障的根源。導(dǎo)致出現(xiàn)接地故障后，電網(wǎng)的大部分不得不被強(qiáng)行斷開，許多客戶將失去電力供應(yīng)。這不僅導(dǎo)致客 戶對(duì)電力服務(wù)失望并且電力供應(yīng)商也將收到罰單。背后的原因大多存在于保護(hù)單元的采樣頻率過(guò)低以及采用了低通濾波?，F(xiàn)有保護(hù)系統(tǒng)的基本限制來(lái)自于測(cè)量信號(hào)高 頻成分?jǐn)?shù)據(jù)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(yàn)室研究電網(wǎng)的分配系統(tǒng)。該項(xiàng)目意在模擬和準(zhǔn)確地檢測(cè)出影響電力系統(tǒng)正常運(yùn)行的不利因素，如接地故障等。
高頻瞬變?cè)陔娋W(wǎng)中屢見不鮮。除接地故障，瞬變也出現(xiàn)在健康的系統(tǒng)中，通常是由于線路開關(guān)通電時(shí)產(chǎn)生的瞬變。瞬變信號(hào)的分析表明其頻率成分可達(dá)到數(shù)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)線是 NI 9239模擬輸入模塊以50kHz的采樣率采集到的原始信號(hào)，虛線則是同樣的信號(hào)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(jié)果
傳統(tǒng)上，電網(wǎng)使用的故障記錄儀要么是獨(dú)立儀器要么被集成到現(xiàn)代數(shù)字繼電保護(hù)裝置中。雖然獨(dú)立的故障記錄儀有高采樣頻率（高達(dá)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(shù)字繼電器中的故障記錄儀。
現(xiàn)代繼電保護(hù)裝置通常使用大約1 kHz的采樣速率和低通濾波，達(dá)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(hào)的能力。帶寬的不足說(shuō)明了為什么現(xiàn)有繼電 保護(hù)裝置對(duì)于間歇發(fā)生的接地故障的檢測(cè)能力表現(xiàn)得如此糟糕。如果沒(méi)有高頻數(shù)據(jù)，設(shè)計(jì)一個(gè)針對(duì)間歇接地故障的可靠算法，極其困難。
系統(tǒng)開發(fā)
在開發(fā)過(guò)程中，一個(gè)獨(dú)立單元的性能至關(guān)重要，因?yàn)樵O(shè)備將被放置在一個(gè)發(fā)電站里。為了滿足這一要求，開發(fā)團(tuán)隊(duì)選擇了NI CompactRIO硬件以及圖形化系統(tǒng)設(shè)計(jì)軟件LabVIEW。本系統(tǒng)提供了可移動(dòng)性、靈活性和可擴(kuò)展性以適應(yīng)應(yīng)用的需要。此外，LabVIEW大量現(xiàn)成可用的軟件庫(kù)，加上商用現(xiàn)成的硬件模塊，大大地縮短了開發(fā)時(shí)間。
NI 9239模 擬輸入模塊具有內(nèi)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(nèi)置濾波器提供了22 kHz的有效帶寬。同時(shí)支持高達(dá)250伏的通道隔離特性，提供了一個(gè)現(xiàn)成即用的測(cè)量系統(tǒng)無(wú)需自定制。一個(gè)便攜式的3G調(diào)制解調(diào)器和一個(gè)小的路由器保證了與 用戶的通信暢通，并且提供了遠(yuǎn)程開發(fā)功能。
CompactRIO FPGA上執(zhí)行程序具有高度的時(shí)間確定性，并且LabVIEW Real-Time Module具有數(shù)據(jù)記錄和通信能力，這一平臺(tái)為構(gòu)建高性能測(cè)量系統(tǒng)提供了良好的基礎(chǔ)。此外，完善的解決方案適合于快速原型化應(yīng)用。
通信
由于電力設(shè)備包括電站內(nèi)的一個(gè)獨(dú)立系統(tǒng)，操作者保持可靠的遠(yuǎn)程通信至關(guān)重要。為了確保測(cè)量單元的可移動(dòng)性，我們選擇了使用3G調(diào)制解調(diào)器和一個(gè)小路 由器的解決方案。一個(gè) PC主機(jī)處理與操作者的通信，如圖2所示。此外，該小組使用LabVIEW應(yīng)用程序生成器設(shè)計(jì)了一個(gè)易于使用的界面，這主要是因?yàn)榇蟛糠植僮鲉T缺乏 LabVIEW的使用經(jīng)驗(yàn)。

圖2 通信
未來(lái)計(jì)劃
該原型系統(tǒng)基于CompactRIO和LabVIEW展示了現(xiàn)代通信技術(shù)如何結(jié)合低成本靈活的開發(fā)平臺(tái)實(shí)現(xiàn)對(duì)電力系統(tǒng)各個(gè)部分的控制和測(cè)量。電力供 應(yīng)商和客戶從這個(gè)可靠的、高性能的繼電保護(hù)系統(tǒng)中受益，該系統(tǒng)通過(guò)集成具備完整功能的故障記錄儀來(lái)協(xié)調(diào)整個(gè)變電站。此種解決方案支持精確的故障檢測(cè)，而無(wú) 需對(duì)眾多客戶斷電。
作者信息:
Christoffer Örndal
Department of Measurement Technology and Industrial Electrical Engineering, Lunds University
瑞典

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