基于LabVIEW的智能開關綜合保護裝置的數(shù)據(jù)獲取與處理

1 引 言

　　我國電力工業(yè)充滿生機與活力，這為高壓開關制造業(yè)帶來了難得的發(fā)展機遇和嚴峻的考驗。而高壓開關制造業(yè)必須不斷地進行技術創(chuàng)新，推出一代又一代新品，才能滿足電力市場日益增長的需求。目前來看高壓開關有著良好的發(fā)展勢頭。然而高壓隔離開關作為電力系統(tǒng)重要開關設備，其運行狀況直接影響電能的傳輸、分配及系統(tǒng)的安全可靠運行。近年來，隨著用電負荷的增加，新變電所的建設，各種新型結(jié)構(gòu)、材料的電氣設備亦層出不窮，高壓隔離開關也從功能、結(jié)構(gòu)、用途由單一趨于多樣化以適應不同地域、不同接線方式的需要，各種型號的隔離開關雖然用途相同，但結(jié)構(gòu)、適用范圍各不相同，各類隔離開關的檢修維護工作也大相徑庭。伴隨著高壓開關的廣泛使用，高壓開關的事故也是不斷。給國民生產(chǎn)帶來了很大的損失。所以需要對高壓開關進行智能控制，實現(xiàn)對高壓開關的智能控制和電網(wǎng)的狀態(tài)監(jiān)測。

2 智能開關綜合保護裝置

　　智能開關綜合保護裝置是專門為礦用隔爆型高壓配電裝置而設計的新型保護裝置，適用于3.3 kV，6 kV，10 kV等中性點不接地的供、變電系統(tǒng)，可替代原有的各種模擬保護器和數(shù)碼顯示保護器。其核心部分采用超大規(guī)模集成電路和虛擬儀器技術，電氣穩(wěn)定性好；同時采取特殊的抗干擾措施，動作準確可靠。產(chǎn)品具有良好的過載反時限保護、過流保護、斷相保護及漏電閉鎖保護等多項保護功能，而且各項保護功能均有測試模擬試驗及相對應的數(shù)據(jù)顯示；此外，它還具有實時通訊功能，能與工控機聯(lián)網(wǎng)實現(xiàn)遠程數(shù)據(jù)采集，并能接受遠程網(wǎng)絡的控制和操作。具體功能如下：

(1)短路保護。對高壓電網(wǎng)出現(xiàn)短路故障時實施速斷保護，短路保護整定電流值分檔可調(diào)，短路速斷動作時間小于0.1 s；同時還具有特定的過流直接保護功能，對電網(wǎng)的瞬間嚴重短路情況采用沖擊電流直接驅(qū)動保護繼電器執(zhí)行切斷負荷，大大縮短保護響應時間。

(2)過載保護。對高壓電網(wǎng)出現(xiàn)斷續(xù)、持續(xù)過載情況，實施定時限保護和反時限保護。其中反時限過載保護在負荷電流達到1.1倍過載電流時啟動，采用反時限特性動作，過載倍數(shù)分4檔可整定。它們都是利用熱積累實現(xiàn)斷續(xù)過載情況下的過載保護，當負荷電流小于1.0倍整定電流時，熱積累能量開始散熱。過載動作時間與理論計算值誤差小于±5％。

(3)監(jiān)視保護。對配電裝置負載側(cè)使用雙屏蔽電纜的屏蔽芯線、屏蔽地線實行絕緣監(jiān)視保護，超限時報警，絕緣監(jiān)視保護功能可通過參數(shù)設置選擇打開和關閉。

(4)過壓保護。當電網(wǎng)進線電壓Uac>110％～130％額定電壓時，過壓保護動作，精度為±15％。

(5)欠壓保護。當電網(wǎng)進線電壓Uac<75％～55％額定電壓時，欠壓保護延時0.1～300 s動作，精度為±5％。

(6)漏電保護。對下屬電網(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方式進行檢漏保護，也可采用功率方向法進行選擇性檢漏保護，發(fā)生漏電時均發(fā)出警報。

(7)相不平衡保護?？蓪ω撦d的三相進行相不平衡保護。動作延時分檔可選，相不平衡功能可根據(jù)需要選擇打開或關閉。

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

(9)聲光報警輸出。當高壓電網(wǎng)出現(xiàn)故障時，能發(fā)送信號給聲光報警系統(tǒng)進行報警。

(10)遠程通信功能。具有遠程通信功能，可實現(xiàn)群控，可在地面進行遠程控制、測試調(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，同時能在跳閘斷電后對故障性質(zhì)進行記憶保存。

3 基于微控制器與SJA1000T智能開關綜合保護單元

　　基于微控制器和SJA1000T CAN總線智能開關綜合保護系統(tǒng)的硬件組成原理如圖1所示。它包括：微控制器89C51、模擬信號的調(diào)理電路、A／D轉(zhuǎn)換電路、串行E2PROM存儲電路、RAM及光電隔離電路等。

　　電流等波形的采樣實際上是輸入連續(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現(xiàn)。

　　從外面引入微機保護的開關量，如開關、閘刀位置輔助接點，收發(fā)信機的收發(fā)信狀態(tài)觸點等都是由開關量輸入回路中的光電隔離技術處理后，將信息送至中央處理系統(tǒng)。從微機保護送出的開關量，如跳閘命令，告警信息等，則是經(jīng)開關量輸出回路中的光電隔離技術處理后，將中央處理系統(tǒng)的判斷結(jié)果送出。光電隔離技術可以有效抵御干擾侵入。

　　微控制器89C51，即中央處理系統(tǒng)，對數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)輸入的各種原始數(shù)據(jù)進行計算分析、處理、判斷，完成各種繼電保護功能。微控制器89C51是微機保護系統(tǒng)的核心。采用40 MIPS的嵌入式數(shù)字信號處理器構(gòu)成簡潔高效的數(shù)據(jù)采集和處理系統(tǒng)。

　　交流插件上設有模擬量輸入變換器，用于將二次交流電壓或電流信號隔離變換為小電壓信號，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)，測量TA為6 A／3.53 V，保護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。其是國際上流行的現(xiàn)場總線中的一種。其是一種特別適合于組建互連的設備網(wǎng)絡系統(tǒng)或子系統(tǒng)。由德國Bosch公司最先提出，是國際上應用最廣泛的現(xiàn)場總線之一。CAN是一種多主方式的串行通訊總線，基本設計規(guī)范要求有高的位速率、高抗電磁干擾性，而且要能夠檢測出總線的任何錯誤。當信號傳輸距離達10 km時CAN仍可提供高達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，屬于工業(yè)現(xiàn)場總線的范疇。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、實時性和靈活性。由于其良好的性能及獨特的設計，CAN總線越來越受到人們的重視。它在汽車領域上的應用是最廣泛的，世界上一些著名的汽車制造廠商，如BENZ(奔馳)、BMW(寶馬)、PORSCHE(保時捷)、ROLLS-ROYCE(勞斯萊斯)和JAGUAR(美洲豹)等都采用CAN總線來實現(xiàn)汽車內(nèi)部控制系統(tǒng)與各檢測和執(zhí)行機構(gòu)間的數(shù)據(jù)通信。同時，由于CAN總線本身的特點，其應用范圍目前已不再局限于汽車行業(yè)，而向自動控制、航空航天、航海、過程工業(yè)、機械工業(yè)、紡織機械、農(nóng)用機械、機器人、數(shù)控機床、醫(yī)療器械及傳感器等領域發(fā)展。CAN已經(jīng)形成國際標準，并已被公認為見種最有前途的現(xiàn)場總線之一。其典型的應用協(xié)議有：SAE J1939／ISO11783，CANOpen，CANaerospace，DeviceNet，NMEA 2000等。

　　按照ISO11898規(guī)范，為了增強CAN-bus通訊的可靠性，CAN-bus總線網(wǎng)絡的兩個端點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個端點也應集成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(終端電阻隨機附送)。當CAN232MB轉(zhuǎn)換器作為終端設備時，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，轉(zhuǎn)換器內(nèi)置非易失性存儲器，用于保存用戶上次配置運行的參數(shù)。CAN232MB轉(zhuǎn)換器在正常工作時，實時對CAN總線和RS 232／RS 485總線進行監(jiān)聽，一旦檢測到某一側(cè)總線上有數(shù)據(jù)接收到，立即對其進行解析，并裝入各自的緩沖區(qū)，然后按設定的工作方式處理并轉(zhuǎn)換發(fā)送到另一側(cè)的總線，實現(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程序設計

　　數(shù)據(jù)處理軟件的開發(fā)平臺是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：實時顯示經(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、通過對數(shù)據(jù)的處理、給出龜網(wǎng)狀態(tài)指示信號。

6 系統(tǒng)測試

　　智能開關綜合保護裝置的系統(tǒng)軟測試包播軟件測試和現(xiàn)場工作測試。軟件測試主要使用單片機模擬CAN232MB發(fā)送給串口的數(shù)據(jù)，然后用LabVIEW設計的軟件來讀取數(shù)據(jù)。測試軟件的性能情況良好。單片機的串口數(shù)據(jù)發(fā)送程序如下：

　　智能開關綜合保護裝置的系統(tǒng)現(xiàn)場測試的原理是基于高壓電網(wǎng)正常工作的時候零序電壓和零序電流都為零，所以通過檢測高壓電網(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)連接成功后就對數(shù)據(jù)進行測試，運行情況正常。

　　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。在這個范圍內(nèi)的波動是允許的。最后檢測出的狀態(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)。這對高壓電網(wǎng)來說是可以接受的相不平衡?？梢哉J為是正常的供電。

7 結(jié) 語

　　智能開關綜合保護裝置通過CAN轉(zhuǎn)換過來的數(shù)據(jù)實現(xiàn)了高壓電網(wǎng)的狀態(tài)檢測和開關的智能控制。組成網(wǎng)絡后中心控制站的系統(tǒng)運行界面需要對保護的配電設備進行選擇、控制等。對某個高壓配電裝置的保護方式中心控制站可以通過中斷和過濾的方式進行。

　　中斷方式 每個綜合保護裝置在沒有接收到控制指令的時候只對自己保護的開關進行保護。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保護裝置的數(shù)據(jù)時則發(fā)送出相應的控制字。該控制字發(fā)送到CAN總線上后綜合保護裝置對接收到的控制字進行處理。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)。如果不是對本保護裝置進行控制的指令則拋棄該指令。

　　過濾方式 每個綜合保護裝置都采集自己保護開關的數(shù)據(jù)，不停的監(jiān)測和保護。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。中心站對接受到的數(shù)據(jù)進行過濾。如果接收到的數(shù)據(jù)是需要檢測開關的參數(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)絡式的高壓配電裝置保護網(wǎng)。它不僅可以很好地應用在中性不接地高、低壓配電系統(tǒng)，也可以推廣運用在其他工業(yè)控制領域。