基于LabVIEW的智能开关综合保护装置的数据获取与处理

1 引 言
    我国电力工业充满生机与活力，这为高压开关制造业带来了难得的发展机遇和严峻的考验。而高压开关制造业必须不断地进行技术创新，推出一代又一代新品，才能满足电力市场日益增长的需求。目前来看高压开关有着良好的发展势头。然而高压隔离开关作为电力系统重要开关设备，其运行状况直接影响电能的传输、分配及系统的安全可靠运行。近年来，随着用电负荷的增加，新变电所的建设，各种新型结构、材料的电气设备亦层出不穷，高压隔离开关也从功能、结构、用途由单一趋于多样化以适应不同地域、不同接线方式的需要，各种型号的隔离开关虽然用途相同，但结构、适用范围各不相同，各类隔离开关的检修维护工作也大相径庭。伴随着高压开关的广泛使用，高压开关的事故也是不断。给国民生产带来了很大的损失。所以需要对高压开关进行智能控制，实现对高压开关的智能控制和电网的状态监测。

2 智能开关综合保护装置
    智能开关综合保护装置是专门为矿用隔爆型高压配电装置而设计的新型保护装置，适用于3．3 kV，6 kV，10 kV等中性点不接地的供、变电系统，可替代原有的各种模拟保护器和数码显示保护器。其核心部分采用超大规模集成电路和虚拟仪器技术，电气稳定性好；同时采取特殊的抗干扰措施，动作准确可靠。产品具有良好的过载反时限保护、过流保护、断相保护及漏电闭锁保护等多项保护功能，而且各项保护功能均有测试模拟试验及相对应的数据显示；此外，它还具有实时通讯功能，能与工控机联网实现远程数据采集，并能接受远程网络的控制和操作。具体功能如下：
    (1)短路保护。对高压电网出现短路故障时实施速断保护，短路保护整定电流值分档可调，短路速断动作时间小于0．1 s；同时还具有特定的过流直接保护功能，对电网的瞬间严重短路情况采用冲击电流直接驱动保护继电器执行切断负荷，大大缩短保护响应时间。
    (2)过载保护。对高压电网出现断续、持续过载情况，实施定时限保护和反时限保护。其中反时限过载保护在负荷电流达到1．1倍过载电流时启动，采用反时限特性动作，过载倍数分4档可整定。它们都是利用热积累实现断续过载情况下的过载保护，当负荷电流小于1．O倍整定电流时，热积累能量开始散热。过载动作时间与理论计算值误差小于±5％。
    (3)监视保护。对配电装置负载侧使用双屏蔽电缆的屏蔽芯线、屏蔽地线实行绝缘监视保护，超限时报警，绝缘监视保护功能可通过参数设置选择打开和关闭。
    (4)过压保护。当电网进线电压Uac>110％～130％额定电压时，过压保护动作，精度为±5％。
    (5)欠压保护。当电网进线电压UaC<75％～55％额定电压时，欠压保护延时0．1～300 s动作，精度为±5％。
    (6)漏电保护。对下属电网中出现的单相接地故障，既可采用零序电流方向型漏电保护方式进行检漏保护，也可采用功率方向法进行选择性检漏保护，发生漏电时均发出警报。
    (7)相不平衡保护。可对负载的三相进行相不平衡保护。动作延时分档可选，相不平衡功能可根据需要选择打开或关闭。
    (8)煤矿瓦斯超限保护。可外接瓦斯检测仪器，当煤矿瓦斯浓度超限时，瓦斯检测仪器动作输出后，配电装置执行闭锁禁合闸或拒分闸。
    (9)声光报警输出。当高压电网出现故障时，能发送信号给声光报警系统进行报警。
    (10)远程通信功能。具有远程通信功能，可实现群控，可在地面进行远程控制、测试调整。
    (11)多种智能记忆功能。具备自检功能、闭锁功能、显示故障性质功能等，同时能在跳闸断电后对故障性质进行记忆保存。

3 基于微控制器与SJAl000T智能开关综合保护单元
    基于微控制器和SJAl000T CAN总线智能开关综合保护系统的硬件组成原理如图l所示。它包括：微控制器89C51、模拟信号的调理电路、A／D转换电路、串行E2PROM存储电路、RAM及光电隔离电路等。

电流等波形的采样实际上是输入连续模拟量到离散采样数字量的转换过程，这里通过采样中断来实现。从外面引入微机保护的开关量，如开关、闸刀位置辅助接点，收发信机的收发信状态触点等都是由开关量输入回路中的光电隔离技术处理后，将信息送至中央处理系统。从微机保护送出的开关量，如跳闸命令，告警信息等，则是经开关量输出回路中的光电隔离技术处理后，将中央处理系统的判断结果送出。光电隔离技术可以有效抵御干扰侵入。
    微控制器89C51，即中央处理系统，对数据采集系统输入的各种原始数据进行计算分析、处理、判断，完成各种继电保护功能。微控制器89C51是微机保护系统的核心。
    采用40MIPS的嵌入式数字信号处理器构成简洁高效的数据采集和处理系统。
    交流插件上设有模拟量输入变换器，用于将二次交流电压或电流信号隔离变换为小电压信号，经调整后输入到A／D，装置模拟量输入的原理如图2所示。

其中电压互感器(TV)为120 V／5．66 V；电流互感器(TA)，测量TA为6 A／3．53 V，保护TA为120 A／3．53 V，TA采用穿心式。选用的隔离变压器精度高，隔离效果好，具有很高的抗扰度性。零序互感器型号是GLL一5，1 A／O．097 V，保定市三环电器厂生产。

4 CAN总线和CAN232MB
    CAN(Controller Area Network)，意为控制区域网络。其是国际上流行的现场总线中的一种。其是一种特别适合于组建互连的设备网络系统或子系统。由德国Bosch公司最先提出，是国际上应用最广泛的现场总线之一。CAN是一种多主方式的串行通讯总线，基本设计规范要求有高的位速率、高抗电磁干扰性，而且要能够检测出总线的任何错误。当信号传输距离达10 km时CAN仍可提供高达50 kb／s的数据传输速率。
    CAN(Controller Area Network)即控制器局域网络，属于工业现场总线的范畴。与一般的通信总线相比，CAN总线的数据通信具有突出的可靠性、实时性和灵活性。由于其良好的性能及独特的设计，CAN总线越来越受到人们的重视。它在汽车领域上的应用是最广泛的，世界上一些著名的汽车制造厂商，如BENZ(奔驰)、BMW(宝马)、PORSCHE(保时捷)、ROLLS—ROYCE(劳斯莱斯)和JAGUAR(美洲豹)等都采用CAN总线来实现汽车内部控制系统与各检测和执行机构间的数据通信。同时，由于CAN总线本身的特点，其应用范围目前已不再局限于汽车行业，而向自动控制、航空航天、航海、过程工业、机械工业、纺织机械、农用机械、机器人、数控机床、医疗器械及传感器等领域发展。CAN已经形成国际标准，并已被公认为几种最有前途的现场总线之一。其典型的应用协议有：SAE J1939／ISO11783，CANOpen，CANaerospace，Devi—ceNet，NMEA 2000等。
    按照’ISO11898规范，为了增强CAN—bus通讯的可靠性，CAN—bus总线网络的两个端点通常要加入终端匹配电阻(120 Ω)，如图3所示。终端匹配电阻的大小由传输电缆的特性阻抗所决定，例如，双绞线的特性阻抗为120 Ω，则总线上的2个端点也应集成120 Ω终端电阻。

CAN232MB转换器内部电路没有集成120 Ω的终端电阻(终端电阻随机附送)。当CAN232MB转换器作为终端设备时，用户可以在CAN232MB转换器的CAN接口，引脚7即“Res+”、引脚8即“Res+”之间，连接120Ω的终端电阻。
    CAN232MB智能协议转换器采用Philips公司的
CAN控制器SJAl000(16 MHz的晶体振荡器)、CAN收发器PCA82C251来实现CAN通讯接口功能，如图4所示。CAN232MB转换器和CAN总线连接的时候是CANL连接CANL，CANH连接CANH。

CAN232MB转换器内置看门狗，保障长期工作的可靠性；同时，转换器内置非易失性存储器，用于保存用户上次配置运行的参数。CAN232MB转换器在正常工作时，实时对CAN总线和RS 232／RS 485总线进行监听，一旦检测到某一侧总线上有数据接收到，立即对其进行解析，并装入各自的缓冲区，然后按设定的工作方式处理并转换发送到另一侧的总线，实现数据格式的转换。在CAN232MB转换器中，CAN—bus通讯电路采用隔离电压为DC 2 500 V的电气隔离。RS 232通讯接口用3线(TXD，RXD，GND)连接，RS 485通讯接口用2线(A+，B一)差分连接。

5 LabVIEW程序设计
    数据处理软件的开发平台是LabVIEW，LabVIEW的图形化编成界面给该数据处理软件的制作带来了极大的方便。数据获取与处理系统软件的功能是：实时显示经过CAN232MB转换后通过串口传回来的数据，同步显示数据采集的波形图、通过对数据的处理、给出电网状态指示信号。

6 系统测试
    智能开关综合保护装置的系统软测试包括软件测试和现场工作测试。软件测试主要使用单片机模拟CAN232MB发送给串口的数据，然后用LabVIEW设计的软件来读取数据。测试软件的性能情况良好。单片机的串口数据发送程序如下：

智能开关综合保护装置的系统现场测试的原理是基于高压电网正常工作的时候零序电压和零序电流都为零，所以通过检测高压电网的零序电压和零序电流来判断电网的供电情况；在系统连接成功后就对数据进行测试，运行情况正常。
    从数据库读出所获得零序电压数据如下：

从上面的数据可以看出零序电压在O～10V内波动。在这个范围内的波动是允许的。最后检测出的状态是电网供电性能好。
    从数据库中读出检测出的零序电流数据如下：

从以上数据可以看出零序电流都在1 A以内。这对高压电网来说是可以接受的相不平衡。可以认为是正常的供电。

7 结 语
    智能开关综合保护装置通过CAN转换过来的数据实现了高压电网的状态检测和开关的智能控制。组成网络后中心控制站的系统运行界面需要对保护的配电设备进行选择、控制等。对某个高压配电装置的保护方式中心控制站可以通过中断和过滤的方式进行。
    中断方式 每个综合保护装置在没有接收到控制指令的时候只对自己保护的开关进行保护。采集的数据并不发送到CAN总线上。如果中心站需要获取某个保护装置的数据时则发送出相应的控制字。该控制字发送到CAN总线上后综合保护装置对接收到的控制字进行处理。如果是要求本装置发送数据则发送中心站需要的数据。如果不是对本保护装置进行控制的指令则抛弃该指令。
    过滤方式 每个综合保护装置都采集自己保护开关的数据，不停的监测和保护。将采集回来的数据不停的转发到CAN总线上。数据再经过CAN232MB传送到中心控制站。中心站对接受到的数据进行过滤。如果接收到的数据是需要检测开关的参数则接收它；如果不是则抛弃。
    今后发展方向是构成网络式的高压配电装置保护网。它不仅可以很好地应用在中性不接地高、低压配电系统，也可以推广运用在其他工业控制领域。