使用LabVIEW和CompactRIO快速原型测量系统用于检测电力系统中的高频瞬变

使用CompactRIO检测电弧的间歇性接地故障

　　"该原型系统是基于CompactRIO和LabVIEW，展示了低成本灵活的开发平台如何结合现代通信技术实现对电力系统中各个部分的控制和测量。"
　　- Christoffer Örndal, Department of Measurement Technology and Industrial Electrical Engineering, Lunds University
　　挑战:
　　开发一个通信灵活的便携式测量设备，可以记录电力系统中的高频瞬变以及在线向多个用户显示数据。
　　解决方案:
　　使用NI CompactRIO平台与LabVIEW软件快速开发了一个高度灵活的测量系统原型，提供快速采样和大带宽。
　　大部分电网保护系统的主要缺点是无法准确地检测接地故障的根源。导致出现接地故障后，电网的大部分不得不被强行断开，许多客户将失去电力供应。这不仅导致客户对电力服务失望并且电力供应商也将收到罚单。背后的原因大多存在于保护单元的采样频率过低以及采用了低通滤波。现有保护系统的基本限制来自于测量信号高频成分数据的缺失。
　　瑞典隆德大学的电子工程系与能源公司E.ON Elnät共同合作建立了实验室研究电网的分配系统。该项目意在模拟和准确地检测出影响电力系统正常运行的不利因素，如接地故障等。
高频瞬变在电网中屡见不鲜。除接地故障，瞬变也出现在健康的系统中，通常是由于线路开关通电时产生的瞬变。瞬变信号的分析表明其频率成分可达到数千赫兹（图1）。

图1  图中的表格记录了接地故障期间的瞬变，其中实线是 NI 9239模拟输入模块以50kHz的采样率采集到的原始信号，虚线则是同样的信号经过一个截止频率为300Hz的二阶的巴特沃兹低通滤波器之后以1000Hz的采样率采集后的结果
　　

　　传统上，电网使用的故障记录仪要么是独立仪器要么被集成到现代数字继电保护装置中。虽然独立的故障记录仪有高采样频率（高达20kHz）和适合谐波分析的带宽，但是价格可能极其昂贵。一个成本较低的替代方法是使用集成在数字继电器中的故障记录仪。
　　现代继电保护装置通常使用大约1 kHz的采样速率和低通滤波，达到约300Hz的有效带宽。如图1所示，具有这种带宽的单元缺乏捕获高频瞬变信号的能力。带宽的不足说明了为什么现有继电保护装置对于间歇发生的接地故障的检测能力表现得如此糟糕。如果没有高频数据，设计一个针对间歇接地故障的可靠算法，极其困难。
　　系统开发
　　在开发过程中，一个独立单元的性能至关重要，因为设备将被放置在一个发电站里。为了满足这一要求，开发团队选择了NI CompactRIO硬件以及图形化系统设计软件LabVIEW。本系统提供了可移动性、灵活性和可扩展性以适应应用的需要。此外，LabVIEW大量现成可用的软件库，加上商用现成的硬件模块，大大地缩短了开发时间。
　　NI 9239模拟输入模块具有内置的抗混叠滤波器，它能够在高效带宽下快速采样。50kHz的采样频率和优化的内置滤波器提供了22 kHz的有效带宽。同时支持高达250伏的通道隔离特性，提供了一个现成即用的测量系统无需自定制。一个便携式的3G调制解调器和一个小的路由器保证了与用户的通信畅通，并且提供了远程开发功能。
　　CompactRIO FPGA上执行程序具有高度的时间确定性，并且LabVIEW Real-Time Module具有数据记录和通信能力，这一平台为构建高性能测量系统提供了良好的基础。此外，完善的解决方案适合于快速原型化应用。
　　通信
　　由于电力设备包括电站内的一个独立系统，操作者保持可靠的远程通信至关重要。为了确保测量单元的可移动性，我们选择了使用3G调制解调器和一个小路由器的解决方案。一个 PC主机处理与操作者的通信，如图2所示。此外，该小组使用LabVIEW应用程序生成器设计了一个易于使用的界面，这主要是因为大部分操作员缺乏LabVIEW的使用经验。

图2 通信
　　

　　未来计划
　　该原型系统基于CompactRIO和LabVIEW展示了现代通信技术如何结合低成本灵活的开发平台实现对电力系统各个部分的控制和测量。电力供应商和客户从这个可靠的、高性能的继电保护系统中受益，该系统通过集成具备完整功能的故障记录仪来协调整个变电站。此种解决方案支持精确的故障检测，而无需对众多客户断电。
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