基于Labview的电力线路故障测距系统的设计与实现.docx

基于Labview的电力线路故障测距系统的设计与实现.docx

《基于Labview的电力线路故障测距系统的设计与实现.docx》由会员分享，可在线阅读，更多相关《基于Labview的电力线路故障测距系统的设计与实现.docx（19页珍藏版）》请在冰豆网上搜索。

基于Labview的电力线路故障测距系统的设计与实现

基于LabVIEW的电力线路故障测距系统的设计与实现

本课题以“智能电网系统实验室”建设为背景，在电力实验室的WDT实验台上，模拟电力输电线路的各种短路故障，用Keysight（Agilent）4000X示波器记录电力线路的电压，电流变化。

利用Labview软件实现电脑与示波器的数据共享，将示波器采集的数据传送到电脑，然后对采集的数据进行进一步深入分析算，给出结果故障发生的距离信息，以及故障类型，故障持续的时间等信息，有利于维修人员及时对故障线路进行抢救，从而可以大大提高故障处理的效率，保障供电能够稳定进行。

关键词：

电力线路故障LabVIEW故障测距

1前言

1.1课题背景

随着科学技术的高速发展，近年来智能电网技术正快速发展，智能电网就是电网的智能化，也被称为“电网2.0”，它是建立在集成的、高速双向的、通信网络的基础上，通过先进的传感和测量技术、先进的设备技术、先进的控制方法以及先进的决策支持系统技术的应用，实现电网的可靠、安全、经济、高效、环境友好和使用安全的目标。

1.2课题目的意义

目前，我国已成为世界大国之一，科学技术水平也已经跟世界先进技术接轨，另外，地大物广的中国，人口密度也非常高，各种各样的企业遍地都是，各种各样的活动、各种类型的设备有序运行都十分依赖强有力的电力系统源源不断地提供电力资源，以便为其提供动力以及照明等等。

本课题以智能电网实验室的试验台为背景，设计基于LabVIEW的电力线路故障测距系统。

随着供电需求不断增大，各种企业林立而起，无论是家电还是工厂用电、商业用电，其对电力资源的需求越来越高，电力线路数量快速增长，线路结构更是日益复杂,这样的结果严重增加了电力系统的负担，将会导致线路发生故障的频率上升。

故障次数增多了，线路更复杂了，也就更难排查出故障发生的地点，如果没能及时找出故障点并解决问题，将会导致高压线路自动跳闸，那么将会有一大片地区停电、断电，其带来的经济损失不容小觑，也对电力系统的安全问题造成严重的影响。

因此快速并且精确地找出故障地点、故障类型，让抢修人员能够在第一时间修复故障线路显得越来越重要重要。

同时，这也是电力系统可靠性、稳定性的重要保证。

目前,国内外已广泛使用的电力系统微机继电保护技术,在快速反应及故障测距方面已较为成熟。

如今成型的继电保护系统多采用传统的分析方法，如电流保护，距离保护等。

本课题通过测量稳态波形，获取稳态电压、电流有效值的办法来测量故障距离，具有一定的现实生产价值。

同时，也为实验室建设提供参考。

2实验系统构建

WDT-ⅢC型电力系统综合自动化试验台，是华科大研制的教学试验系统。

此系统除用于试验教学以外，另可用于课程设计试验，也可作为科研人员的产品开发试验。

该综合自动化实验教学系统由实验操作台、发电机组、无穷大系统三大部分组成，如图2.1所示：

图2.1电力系统综合自动化试验台

2.1发电机组

此发电机组是三相同步发电机，该三相同步发电机的直流电机模拟原动机与发电机连接在同一个轴上，其SN=2.5kVA，VN=400V，nN=1500r.p.m。

2.2试验操作台

WDT-ⅢC型电力系统综合自动化试验台如图2.1所示，实验操作台由输电线路、电源开关以及各线路的开关（各线路开关均是绿色灯亮表示为通路，红色等亮表示为断路）、微机线路保护模块、微机调速装置、微机励磁调节器、微机准同期控制装置、仪表测量和模拟短路故障模块等组成。

输电线路采用双回路远距离输电线路模型，每回线路分成两段，并设置中间开关站，使发电机与系统之间可构成四种不同联络阻抗，便于实验分析比较。

微机保护模块选用的是YHB-A型微机线路保护装置，该装置转为实验教学设计，具有过流选相跳闸、自动重合闸功能，同事还具备事故记录功能，以便实验分析。

微机调速装置具有测量发电机转速、测量电网频率、测量系统功角、手动模拟调节，手动数字调节、微机自动调速以及过速保护等功能。

微机励磁调节器可选择它励、自并励两种，具有恒UF、恒IL、恒ɑ、恒Q四种控制方式。

2.3无穷大系统

无穷大电源是由15kVA的自耦调压器组成。

通过调整自耦调压器的电压可以改变无穷大母线的电压。

实验操作台的操作面板上有模拟接线图、操作按钮、切换开关、指示灯以及测量仪表等等，指示灯表示线路的工作的状态。

在做实验时，发电机与系统并网之前，需要调节好系统跟发电机的电压以及频率一致，并且至少要实现一个回路能够触成并网，等待两者电压相位一致时，可自行手动按下并网开关，也可以按下准同期按钮，令其自动并网。

试验台中XL1、XL2、XL3、XL4为电抗器，实验台的模拟短路故障回路为XL2、XL4这条线路，可进行单相接地短路故障、两相短路故障、两相接地短路故障以及三相短路故障实验，短路故障点默认在是XL2最右端，其线路阻抗为15Ω，也可以把故障点切换到XL4，这时线路阻抗为20Ω.该试验台的模拟回路图如图2.2所示：

图2.2实验用到线路组合XL2和XL4

3线路短路故障分析原理

本课题研究的电力系统故障测距模型为单端电源输电线路的单相及相间线路故障。

输电线路发生短路故障时，电流增大及电压降低为其主要特征，其中以三相短路电流最大，影响最为广泛。

三相短路最大电流计算公式为：

（3.1）

式中U——发电机母线相电压；

——从系统到故障点的总阻抗；

其中，

——线路单位长度正序电抗，单位Ω/㎞；

——短路点至测量保护设备安装处的距离，单位km。

由公式可知道，不同短路点对应的短路电流不相同，两者之间存在着线性关系。

两相短路电流的计算公式为：

（3.2）

则两项短路电流跟三相短路电流的关系为：

（3.3）

根据对称分量法，单相短路最大电流为：

（3.4）

式中

分别为单相短路回路的正序，负序，零序阻抗。

当远离发电机发生单相短路时，Z1∑=Z2∑,该电流表达式可表示为：

（3.5）

则单项短路电流跟三相短路电流的关系为：

（3.6）

由于Z0∑＞Z1∑，故

.

在工程设计中，常用如下公式计算单相短路最大电流：

（3.7）

式中

为单向短路的阻抗模。

4.安捷伦示波器介绍

惠州学院智能微电网系统实验室中配备了Keysight（Agilent）4000X标配示波器（如图4.1所示）。

其具有模拟通道2+4路，带宽500MHz最大采样率5GSa/s，最大存储器深度4Mpts（标准配置），波形捕获率大于1,000,000个波形/秒。

图4.1安捷伦示波器

全新的4000X示波器借助100万个波形/秒的更新速率、最佳的MegaZoomIV智能存储技术和标配分段存储器，找出设计中的最大难题。

业界最大的12.1英寸显示屏、最先进的电容式触摸屏技术、触摸式界面以及创新的InfiniiScanZone触摸触发功能为您带来无与伦比的操控享受。

五位一体的综合性仪器：

示波器、逻辑分析仪（MSO）、USB串行协议分析仪、双通道WaveGen和3位电压表完美集成，其包括带宽在内的全部特性均可进行升级，提供全面的投资保护。

（补充说明：

该安捷伦示波器的USB串口为串行接口，其中输出数据的信号线仅有一根，因此只能在同一时间输出一个信号通道的波形，其串口协议有信号通道的优先选择原则）

5.Labview测距系统设计

5.1Labview的概念

LabVIEW最大特点就是图形化编程语言，即G语言。

Labview应用广泛，功能强大，发展迅速，它将复杂的计算机语言转化成具有选择功能的控件或者图标，使用者也可以根据需要自行设计控件并保存起来，以便需要时可以直接只用该控件而无需再编程一次，这样的好处就是能够使程序看起来十分简洁，更容易去理解。

5.2Labview的功能及组成

VI是Labview的核心，作为对话窗口，VI具有前面板以及后面板。

前面板是供使用者根据需求存入或者修改输入，同时也是显示窗口，在前面板的显示控件可以直截了当地看到该输入情况下的直接输出结果。

后面板是供使用者编程的窗口，从菜单中选择需要的控件，根据功能节点进行连线，也就是数据的传输路径，始端为输入控件，中间变量为各种各样的算法，终端为显示控件。

5.3Labview的特点以及优势

特点：

（1）可读性

（2）可编程性

（3）可写性

（4）可重用性

（5）可理解性

（6）灵活性。

优势：

（1）化复杂程序为简单编程；

（2）可灵活提取以及传输数据；

（3）与仪器的通讯方便简单；

（4）方便程序调试.

5.4硬件系统

本设计在发电机输出端附近设置信号采集点，通过安捷伦4000X示波器采集电流变换器二次侧的三相线路电压信号，然后将示波器获取的信号通过USB线传输至电脑，以便对信号进行处理。

分析系统硬件系统框图如图5.1所示：

电流电压电压

图5.1实验系统设备联接图

5.5软件系统

5.5.1信号的获取

NI公司与许多的示波器公司都有合作，并研发了许多种仪器与Labview通讯的程序控件工具，安装好Labview之后，首先要将示波器与电脑连接，可通过NIMAX查看通讯地址，并检测是否能与示波器通讯，确认可以之后，需要使用Labview下载示波器的驱动文件，将其拷贝到instr.lib目录下，然后找到Initialize.Vi

、ConfigureContinuousAcquisition.vi

、Autosetup.Vi

与ReadWaveforms（single）.Vi

按照图5.2的连接方式连接好即可实现Labview与示波器的通讯，将示波器获取的波形实时传送到电脑端，以便对数据进行处理.

图5.2示波器与Labview数据传输

在以上程序的基础上，设置一个触发信号，即可获取故障的瞬态波形，并保存下来，如图5.3所示：

图5.3获取瞬态波形

5.5.2信号的处理

Labview中有各种算法可以对提取信号进行处理，所需的控件也是内部自带的。

上述已经提取到故障的瞬态波形，接下来就是要从瞬态波形中提取稳态波形，再取其有效值，用于下列算法中

图5.4数值处理

5.5.3总的程序框图

6.WDT-III实验台测试

基于WDT试验台的三相短路电流的测量，需要配备的器材有Keysight（Agilent）4000X示波器，测量探头，以及电流互感器。

在试验台的微机保护模块中，有A、B、C三相的电流输出口，可以用于提取三相电流波形，此电流输出口是利用电流变换器，将电流以电压的方式输出来。

在做实验时，发现此三个输出口输出的电压波形完全紊乱了，即使利用程序进行了数字滤波，也无法提取正弦波，经检测，此三个输出口所在的电路板的电压源已经出现了谐波，电源进入电路板以后波形就完全紊乱了，由于时间紧迫，只好放弃维修该模块。

6.1电流表测量法

经过考虑，计划用示波器从一次侧通过接入一个电流表获取电流表两端的电压波形，从靠近发电机端串联进电路，如图6.1所示：

图6.1一次侧测量法

其原理接线图如图6.2所示：

~

图6.2原理接线图

但是，一、示波器的信号探头地线与交流电源的保护线（PE）连接到一起；二、示波器的内阻太大。

因此将示波器直接接入一次侧都会导致电源漏电保护动作——跳闸。

6.2电流互感器测量法

由于地线的问题，没法从一次侧获取电流信息，而根据该微机保护模块输出电压波形的原理，也就是将电流转化为电压输出，于是购买了邢仪电气的穿线闭合式电流互感器BH-0.66，0.5级，电流变换比为15/5,如图6.3所示：

图6.3电流互感器

其安装方法是将发电机母线穿过中间的孔，其内部线圈感应磁场，从S1端输出电流，再从S2端流回，其原理接线图如图6.4所示：

图6.4电流互感器原理接线图2

将其安装到靠近发电机端，再利用示波器测量其二次侧的电压，再将数据传送到电脑进行加工处理，不过由于发电机输出端电压原本就存在干扰，该仪器的安装方式也比较粗糙，没法达到预期要求，测出来的波形如图6.5所示：

图6.5提取波形图

6.3隔离变压器测量法

为了避开地线带来的问题以及获取更精准的波形，经过筛选，选择了徐州善缘变压器厂生产的BK-100VA控制变压器（如图6.6所示）：

图6.6控制变压器

其输入电压有220V和380V两种，相应的输出电压有12V、24V、36V、110V以及220V。

并且该变压器一次侧跟二次侧是完全隔离，可以避开地线的问题，另外，其制作工艺更加，效果也较明显，其接线原理图如图6.7所示：

图6.7控制变压器接线原理图

以三相短路实验为例，具体的实验操作如下：

（1）将电流表（内阻为0.1Ω）接入靠近发电机端的输出母线，再将控制变压器跟该电流表并联，选择220V输入档位，最后用示波器测量该变压器二次侧的电压，二次侧也是选择220V，即该变压器的变比为1：

1；

（2）通过USB线，将电脑与Keysight（Agilent）4000X示波器连接好；

（3）打开测距系统.vi，打开示波器，调节试验台的时间继电器为1s；

（4）启动同步机组：

a、开启同步电机前将WTD实验台的励磁方式旋钮打至全自动励磁，调节调速器上的电位器指针指在0位置；

b、合上电源操作开关，实验台所有开关信号灯均为绿灯亮、红灯熄；

c、按调速器上的“微机方式自动/手动”按钮按下，使调速器面板上“微机自动”灯亮，即微机自动方式。

按下“停机/开机”按钮，开机指示灯亮；

d、合上发电机开关和线路开关QF1，QF2,QF3,QF4,QF6和系统开关（以双回路的方式并网），查看系统电压是否正常，查看压差、频差指示灯是否亮，若是，可调节发电机频率调节频差，增磁或减磁可调节系统电压；

e、待使发电机电压达到上述要求，按下准同期命令按钮，等待系统并网。

（5）成功并网之后，调整好示波器，使其进入预备状态，从示波器可以看到谐波影响依旧很大，于是给发电机增加输出有功功率至1KW，这样的目的是增大母线的电流值，抑制谐波对提取波形的干扰，提取的波形以及滤波后的波形如图6.8所示；

图6.8提取波形以及滤波波形

（6）运行Labview程序，可以看到电脑里的虚拟示波器与Keysight（Agilent）4000X示波器几乎同步显示；

（7）按下A相、B相、C相的短路开关，再按下短路总开关，等待程序对暂态波形的数值进行计算，同时给出结果，如图6.9所示：

图6.9计算结果

（8）重复5次以上实验，对结果做记录并比较。

实验中得到的五次结果如下表所示：

表6.1实验数据

项目

第1次

第2次

第3次

第4次

第5次

电流值（A）

12.80

13.0

12.80

12.90

12.7

阻抗值（Ω）

17.1876

16.9231

17.1876

17.0543

16.9231

在实验中，从前面板的微机保护装置也可以看到短路时，母线的电流值，如图6.9所示：

图6.10试验台计算的电流值

结合表6.1以及图6.10，从电流值来看，实验的结果12.8A以及试验台给出的数据12.9A，非常的接近；另一方面，从阻抗值的数据来看，该实验是在XL2线路末端短路的，该线路的阻抗为15Ω，从发电机端到XL2首段的线路阻抗值很小，再者波形提取的位置的选择以及干扰信号都对最后得出的阻抗值有影响，也就是说系统对阻抗值的计算也算挺精确的了，该实验总的接线原理图如图6.11所示：

图6.11实验接线原理图

由于X1〈X2，故公式3.1可转换为：

（6.1）

其中I1=

。

在实际的应用中，从电网获取的电压波形应当是正弦波，强电压受干扰信号的影响几乎可以忽略，通过变压器从二次侧获取电流值数据，只需要知道线路的单位阻值，即可得到故障的距离，如图6.12所示：

图6.12程序框图前面板

7.总结

本课题设计的基础原理虽然简单，不过在实际应用中总会遇到各种各样的问题，从一开始的不知道该怎样实现电脑跟Labview的通信，到发现前面板的微机保护装置电流输出口输出的波形不正确，再到一步一步地去排查问题所在，并想办法解决问题，到最后终于提取到波形，虽然依旧还是有谐波影响，不过这个是试验台本身的问题，从发电机发出的电压波形就已经存在谐波了，而在实际电网中，这种现象是不该存在，提取的波形应该是正弦波，数据也会更精准、更可靠。

本设计最后也基本完成了实验的要求，不过从中发现了实验台的许多问题，对于实验台的维修还是有参考价值，建议学院组织电气卓越班的师弟师妹们对存在的问题进行维修，用理论去解释问题，用实际的操作论证理论，这对于他们的实际动手能力有很大的帮助。

8、附录

附录一、提取波形的线路搭建

附录二、电力系统综合自动化试验台