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:
能源/電力

產品:
cRIO-9014, 實時模塊, FPGA模塊, NI 9239, LabVIEW

挑戰:
開發一個通信靈活的便攜式測量設備，可以記錄電力系統中的高頻瞬變以及在線向多個用戶顯示數據。

解決方案:
使用NI CompactRIO平臺與LabVIEW軟件快速開發了一個高度靈活的測量系統原型，提供快速采樣和大帶寬。

"該原型系統是基于CompactRIO和LabVIEW，展示了低成本靈活的開發平臺如何結合現代通信技術實現對電力系統中各個部分的控制和測量。"

大 部分電網保護系統的主要缺點是無法準確地檢測接地故障的根源。導致出現接地故障后，電網的大部分不得不被強行斷開，許多客戶將失去電力供應。這不僅導致客 戶對電力服務失望并且電力供應商也將收到罰單。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。現有保護系統的基本限制來自于測量信號高 頻成分數據的缺失。

瑞典隆德大學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的分配系統。該項目意在模擬和準確地檢測出影響電力系統正常運行的不利因素，如接地故障等。

高頻瞬變在電網中屢見不鮮。除接地故障，瞬變也出現在健康的系統中，通常是由于線路開關通電時產生的瞬變。瞬變信號的分析表明其頻率成分可達到數千赫茲（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果

傳統上，電網使用的故障記錄儀要么是獨立儀器要么被集成到現代數字繼電保護裝置中。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字繼電器中的故障記錄儀。

現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有繼電 保護裝置對于間歇發生的接地故障的檢測能力表現得如此糟糕。如果沒有高頻數據，設計一個針對間歇接地故障的可靠算法，極其困難。

系統開發

在開發過程中，一個獨立單元的性能至關重要，因為設備將被放置在一個發電站里。為了滿足這一要求，開發團隊選擇了NI CompactRIO硬件以及圖形化系統設計軟件LabVIEW。本系統提供了可移動性、靈活性和可擴展性以適應應用的需要。此外，LabVIEW大量現成可用的軟件庫，加上商用現成的硬件模塊，大大地縮短了開發時間。

NI 9239模 擬輸入模塊具有內置的抗混疊濾波器，它能夠在高效帶寬下快速采樣。50kHz的采樣頻率和優化的內置濾波器提供了22 kHz的有效帶寬。同時支持高達250伏的通道隔離特性，提供了一個現成即用的測量系統無需自定制。一個便攜式的3G調制解調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功能。

CompactRIO FPGA上執行程序具有高度的時間確定性，并且LabVIEW Real-Time Module具有數據記錄和通信能力，這一平臺為構建高性能測量系統提供了良好的基礎。此外，完善的解決方案適合于快速原型化應用。

通信

由于電力設備包括電站內的一個獨立系統，操作者保持可靠的遠程通信至關重要。為了確保測量單元的可移動性，我們選擇了使用3G調制解調器和一個小路 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應用程序生成器設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的使用經驗。

圖2 通信

未來計劃

該原型系統基于CompactRIO和LabVIEW展示了現代通信技術如何結合低成本靈活的開發平臺實現對電力系統各個部分的控制和測量。電力供 應商和客戶從這個可靠的、高性能的繼電保護系統中受益，該系統通過集成具備完整功能的故障記錄儀來協調整個變電站。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。

作者信息:
Christoffer Örndal
Department of Measurement Technology and Industrial Electrical Engineering, Lunds University
瑞典

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