使用CompactRIO檢測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 – Lund University
Magnus Akke - DLAB – Lund University
行業(yè):
能源/電力
產(chǎn)品:
cRIO-9014, 實時模塊, FPGA模塊, NI 9239, LabVIEW
挑戰(zhàn):
開發(fā)一個通信靈活的便攜式測量設(shè)備，可以記錄電力系統(tǒng)中的高頻瞬變以及在線向多個用戶顯示數(shù)據(jù)。
解決方案:
使用NI CompactRIO平臺與LabVIEW軟件快速開發(fā)了一個高度靈活的測量系統(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)平臺如何結(jié)合現(xiàn)代通信技術(shù)實現(xiàn)對電力系統(tǒng)中各個部分的控制和測量。"
大 部分電網(wǎng)保護系統(tǒng)的主要缺點是無法準(zhǔn)確地檢測接地故障的根源。導(dǎo)致出現(xiàn)接地故障后，電網(wǎng)的大部分不得不被強行斷開，許多客戶將失去電力供應(yīng)。這不僅導(dǎo)致客 戶對電力服務(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單元的采樣頻率過低以及采用了低通濾波。現(xiàn)有保護系統(tǒng)的基本限制來自于測量信號高 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共同合作建立了實驗室研究電網(wǎng)的分配系統(tǒng)。該項目意在模擬和準(zhǔn)確地檢測出影響電力系統(tǒng)正常運行的不利因素，如接地故障等。
高頻瞬變在電網(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)通電時產(chǎn)生的瞬變。瞬變信號的分析表明其頻率成分可達到數(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，其中實線是 NI 9239模擬輸入模塊以50kHz的采樣率采集到的原始信號，虛線則是同樣的信號經(jīng)過一個截止頻率為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立儀器要么被集成到現(xiàn)代數(shù)字繼電保護裝置中。雖然獨立的故障記錄儀有高采樣頻率（高達20kHz）和適合諧波分析的帶寬，但是價格可能極其昂貴。一個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)代繼電保護裝置通常使用大約1 kHz的采樣速率和低通濾波，達到約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的能力。帶寬的不足說明了為什么現(xiàn)有繼電 保護裝置對于間歇發(fā)生的接地故障的檢測能力表現(xiàn)得如此糟糕。如果沒有高頻數(shù)據(jù)，設(shè)計一個針對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)過程中，一個獨立單元的性能至關(guān)重要，因為設(shè)備將被放置在一個發(fā)電站里。為了滿足這一要求，開發(fā)團隊選擇了NI CompactRIO硬件以及圖形化系統(tǒng)設(shè)計軟件LabVIEW。本系統(tǒng)提供了可移動性、靈活性和可擴展性以適應(yīng)應(yīng)用的需要。此外，LabVIEW大量現(xiàn)成可用的軟件庫，加上商用現(xiàn)成的硬件模塊，大大地縮短了開發(fā)時間。
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。同時支持高達250伏的通道隔離特性，提供了一個現(xiàn)成即用的測量系統(tǒng)無需自定制。一個便攜式的3G調(diào)制解調(diào)器和一個小的路由器保證了與 用戶的通信暢通，并且提供了遠程開發(fā)功能。
CompactRIO FPGA上執(zhí)行程序具有高度的時間確定性，并且LabVIEW Real-Time Module具有數(shù)據(jù)記錄和通信能力，這一平臺為構(gòu)建高性能測量系統(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)的一個獨立系統(tǒng)，操作者保持可靠的遠程通信至關(guān)重要。為了確保測量單元的可移動性，我們選擇了使用3G調(diào)制解調(diào)器和一個小路 由器的解決方案。一個 PC主機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)計了一個易于使用的界面，這主要是因為大部分操作員缺乏 LabVIEW的使用經(jīng)驗。

 
   
圖2 通信

未來計劃
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)平臺實現(xiàn)對電力系統(tǒng)各個部分的控制和測量。電力供 應(yīng)商和客戶從這個可靠的、高性能的繼電保護系統(tǒng)中受益，該系統(tǒng)通過集成具備完整功能的故障記錄儀來協(xié)調(diào)整個變電站。此種解決方案支持精確的故障檢測，而無 需對眾多客戶斷電。