基于LabVIEW的數字式密度繼電器智能校驗系統設計

陳 彪,劉威峰,岳利強,張文濤,顧理強,任偉東,潘銀蓮

(1.國網固原供電公司,寧夏 固原 756000;2.國網寧夏電力有限公司電力科學研究院,寧夏 銀川 750000;3.南京固攀自動化科技有限公司,江蘇 南京 210000)

0 引言

隨著高新科技與社會經濟的飛躍式發展,電力工業系統對供電質量與可靠性的要求越來越高。在這種情況下,電力工業系統逐漸發展成配電自動化、高度智能化的系統,同時其供電安全性的保障力度也越來越大。數字式密度繼電器具有優秀的滅弧性能與良好的絕緣性能,相比傳統的油開關更加安全,已經成為供電安全保障中的重要組成部分,應用越來越廣泛[1]。數字式密度繼電器的主要作用是監視六氟化硫(SF6)電器實際密封情況、 SF6開關本體氣體密度實際變化情況,并在泄漏SF6氣體時產生閉鎖信號或報警信號,以避免發生事故[2]。因此,數字式密度繼電器對于電力系統中的高壓電氣設備十分重要。其性能優劣與高壓電氣設備能否安全運行密切相關[3]。

隨著數字式密度繼電器的應用越來越廣泛,對其實施有效而正確的校驗變得十分重要。在環境溫度有大幅變化時,繼電器可能因誤動作而埋下安全隱患,因此需要進行校驗。對于智能校驗系統的研究,目前已經取得了豐富的研究成果。胡恒山[4]等為了實現智能傳感器實際校驗效率的提升,設計了1種由信號發生器、中繼模塊與上位機軟件構成的自動校驗系統,并通過該系統提高了生產效率。吳金玲[5]針對雨量計的校驗問題,設計了1種核心為Arduino單片機的校驗系統。該系統能夠實現檢測報警、誤差分析、雨量模擬等功能,避免了人工校驗誤差。張海庭等[6]依托智能監控平臺,設計了1套變電站防誤閉鎖邏輯可視化校驗系統。PARK等[7]提出了一種高效節能的危險氣體智能多傳感器系統。該系統的性能可以通過多模式結構和基于學習的模式識別算法自適應優化。此外,該系統可以通過提出的自校準變焦結構準確校準傳感特性中的潛在偏差。SUKHINETS等[8]設計了在車輛和船舶俯仰和傾斜過程中連續測量油箱和油箱中液體質量的系統。該設計使用具有復雜計算處理的擬議測量系統,對液體的溫度、密度、濕度和介電常數進行了校正。以上智能校驗系統受使用環境溫度、監測對象密度、壓力等影響,會造成校驗過程中壓力示值誤差與溫度補償誤差較大。

LabVIEW具有模塊化特性,有利于程序的可重用性。同時,LabVIEW可以非常方便地編制各種控制程序。為此,本文從數字式密度繼電器智能校驗儀器、校驗軟件和數據處理算法這3個方面設計了基于LabVIEW的數字式密度繼電器智能校驗系統。

1 數字式密度繼電器智能校驗系統

1.1 數字式密度繼電器智能校驗儀器設計

數字式密度繼電器智能校驗儀器由工控機、溫控裝置、傳感器和氣壓調節模塊構成。工控機主要由過程輸入/輸出(input/output,I/O)通道、I/O設備、板卡、主板、中央處理器(central processing unit,CPU)構成,搭載Windows 10系統與SQL Server 應用軟件,并配置15英寸(1英寸=25.4 mm)的觸摸屏顯示器。其中,采集板卡選用的是16位、低功耗的模擬量輸入采集板卡,能夠實現組合輸入或32路差分模擬量輸入,以及自動校準功能。模擬量輸出板卡選用14位、低功耗的輸出板卡,擁有4～20 mA、0～20 mA、±10 V的靈活輸出范圍與32路高密度模擬量輸出通道。CPU主頻大于10 GHz。主板選用低成本的Micro-ATX工業級主板。搭載的I/O設備包括調制解調器、網卡、外部存儲器、圖形顯示器。本文搭建I/O設備對應的過程I/O通道。本文將溫控裝置作為調控機構,利用該裝置實現溫度偏差與波動數值的調控。在溫控裝置的設計中,本文采用機械制冷的方式制取低溫。系統使用的制冷機組設備包括蒸發器、膨脹閥、冷凝器、油液分離器以及制冷壓縮機,并通過液氮制冷機進行輔助。制冷機組設備的運行流程如下。

①通過蒸發器制造制冷劑蒸汽。

②壓縮機吸入制冷劑蒸汽,將其壓縮為高壓氣體。

③制冷劑溫度升高。

④經過油液分離器后,通過冷凝器將過熱制冷劑蒸汽的溫度傳遞給冷卻介質,使蒸汽冷凝為液體。

⑤通過膨脹閥后,制冷劑液體得到減壓。減壓后,制冷劑溫度直接下降到蒸發溫度,并流入蒸發器。此時,制冷劑會發生沸騰汽化現象,并吸收環境熱量,以實現制冷功能。

本文將離心風機作為溫控裝置的風機,并在試驗箱上安裝可視防霧玻璃。在壓縮機的選型中,實際總負荷需要滿足式(1)。

γ=1.2v=1.2(v1+v2+v3+v4+v5+v6)

(1)

式中:v為總計算負荷值;v1為負載熱負荷;v2為箱內空氣熱負荷;v3為離心風機運行負荷;v4為箱內照明負荷;v5為防霧玻璃熱負荷;v6為圍護結構負荷。

排氣量需要滿足式(2)。

(2)

式中:μ為單位容積制冷劑的制冷量;t為輸氣系數。

本文為溫控裝置設置RS-485通信接口,使其能夠與工控機聯機。傳感器選用SF6壓力傳感器與SF6溫度傳感器。其中,SF6壓力傳感器主要用于數字式密度繼電器放氣校驗中動作壓力值與報警壓力值的測定,需實現1.00 MPa以下壓力的測定。SF6溫度傳感器用于采集SF6氣體溫度。以PT100鉑熱電阻作為智能校驗儀器的SF6溫度傳感器,能夠實現-150～+950 ℃范圍內的溫度測定。

SF6壓力傳感器電路設計如圖1所示[9]。圖1中:1和3為進線;2和4為出線。在氣壓調節模塊的設計中,本文設計1個SF6氣體壓力調控機構。該機構由驅動機構、特制氣缸、密度繼電器接口、電磁閥、閥門等構成[6]。

圖1 SF6壓力傳感器電路設計

SF6氣體壓力調控機構的運行流程如下。

①氣體經過驅動機構進行驅動,進入特制氣缸。

②充氣操作時,在充氣閥門前接入SF6壓力傳感器。

③氣體經過SF6壓力傳感器與充氣閥門,進入壓力表中進行測試。

④氣體經過減壓器,在減壓器后設置1個閥門和1個電磁閥,接入SF6溫度傳感器,并將密度繼電器接口與數字式密度繼電器連接,以完成充氣操作。

⑤在放氣操作時氣體經過放氣閥門,在放氣閥門分別設置1個閥門和1個電磁閥,通過密度繼電器接口與數字式密度繼電器的連接,完成放氣操作[10]。

1.2 校驗軟件設計

LabVIEW帶有可以產生最佳編碼編譯器的圖形化開發環境,運行速度等同于編譯好的C或C++程序。圖形化編程方法可幫助用戶可視化應用程序的各方面,包括硬件配置、測量數據和調試。這種可視化可幫助用戶輕松集成來自任意供應商的測量硬件,在程序框圖上表現復雜的邏輯,并開發數據分析算法,以及設計自定義工程用戶界面。為此,本文在校驗軟件設計中,將LabVIEW作為語言開發環境,使用圖形化編輯語言。校驗軟件由1個后面板和1個人機交互界面構成。后面板是各種程序的功能實現部分。人機交互界面則是數據顯示與參數輸入部分。本文將人機交互界面作為前面板,并將其分為兩個部分。第一部分是通信配置設置部分。第二部分是測量結果實時顯示部分[11]。在第一部分中,本文設置停止位、奇偶校驗位、數據位數、波特率、串口號等項目界面。在第二部分中,本文設置波形顯示界面,實現波形的輸出、顯示。后面板的設計分為2個界面,分別為數據處理界面和數據傳輸界面。本文在后面板與人機交互界面上搭載多種程序。

本文設計校驗程序以實現軟件層面的數字式密度繼電器校驗。校驗程序的執行流程如圖2所示[12]。

圖2 校驗程序的執行流程圖

圖2中,P20表示當前溫度下的壓力值轉換結果。當P20大于設定充氣壓力值時,軟件記錄的P20值即實際閉鎖動作值或報警動作值。本文采用LabVIEW編程系統與函數庫設計1種數據采集程序,主要通過異步串行通信方式與集成采集功能實現數字式密度繼電器校驗數據的采集與傳輸。本文設計了1種數據處理程序,通過數字信號處理視覺識別(visual identity,VI)庫和I/O VI 庫,以實現數據處理功能。本文將校驗軟件安裝在工控機上,以實現數字式密度繼電器的控制。

1.3 數據處理算法設計

在數字式密度繼電器校驗中,需要對信號相位差進行計算。相位差算法的具體計算步驟如下。

①假設2個同頻校驗信號a(x)與b(x)均被噪聲污染,則兩者的表達式如下。

(3)

式中:C為a(x)的幅值;θ1為a(x)與b(x)的角頻率;φ1為b(x)的初相位;Ei(x)為a(x)的信號帶噪聲;D為b(x)的幅值;φ2為a(x)的初相位;Ej(x)為b(x)的信號帶噪聲[13-15]。

②實施a(x)與b(x)的相關運算,具體如式(4)所示。

{Dsin[θ1(x+ε)+φ2]+Ej(x+ε)}dx

(4)

式中:ε為b(x)相對于a(x)的延遲時間;F為相關閾值。

當ε=0時,則有:

{Dsin[θ1(x)+φ2]+Ej(x)}dx

(5)

③由于信號與噪聲之間幾乎不相關,且噪聲間也幾乎不相關,本文進行相關運算值的積分處理,可得到式(6):

(6)

式中:X、Y為積分閾值;arccos()為反余弦函數;Pa(0)為b(x)=0時的相關運算值;Pb(0)為a(x)=0時的相關運算值。

④實際處理的信號是實施采樣后的離散點序列,需要繼續實施離散計算。

(7)

式中:l為采樣點;m為x的離散值。

⑤計算相位差值。

(8)

2 系統性能測試與分析

2.1 校驗功能驗證

本文對設計的基于LabVIEW的數字式密度繼電器智能校驗系統進行性能測試。本文在測試中選用的數字式密度繼電器為MD1型數字式密度繼電器。通過對MD1型數字式密度繼電器進行閉鎖壓力與報警壓力校驗,驗證本文設計系統的有效性。本文在測試中共對8個MD1型數字式密度繼電器進行校驗。本文對數字式密度繼電器智能校驗儀器進行組裝,并對系統進行調試,從而利用系統進行校驗。由于工作環境不同,本文需設定不同的閉鎖壓力值與報警壓力值。8個密度繼電器的閉鎖與報警壓力值如表1所示。

表1 8個密度繼電器的閉鎖與報警壓力值

數字式密度繼電器校驗結果如表2所示。

表2 數字式密度繼電器校驗結果

根據表2的校驗結果:2臺MD1型繼電器的閉鎖功能與報警功能非正常;剩余6臺的閉鎖功能與報警功能正常。這證明了通過本文設計系統能夠實現數字式密度繼電器閉鎖功能與報警功能的校驗。

2.2 性能測試

2.2.1 壓力示值誤差測試

本文將引言中提到的文獻[4]與文獻[5]智能校驗系統與本文設計系統作為對比系統,共同進行性能測試。本文通過數字壓力控制器實施壓力示值誤差的測試。本文在測試中共選擇6個測試點。6個測試點包括滿量程與零點。本文選擇的6個壓力測試點均位于量程范圍內。本文連接各系統與數字壓力控制器,以確認無泄漏的連接管路。本文首先進行升壓測試,將壓力調節至壓力測試點,當壓力穩定后,分別讀取測試系統與數字壓力控制器的壓力值,并觀察3個系統的壓力示值誤差;然后依次測試6個點,直至達到量程上限;接著實施降壓測試,同樣依次測試6個點,直至達到量程下限;最后,對所有測試數據進行記錄。壓力示值誤差的計算式如式(9)所示。

(9)

式中:Q1為某校準點處系統的壓力示值;Q3為系統壓力量程;Q2為某校準點處數字壓力控制器的壓力示值。

測試中需要注意的是,文獻[4]、文獻[5]系統采用測試中的最佳參數。本文設計系統參數為:設置5個串行通信節點,分別實現串口設置、寫串口、讀串口、檢測串口緩存、中斷等功能。這些節點位于功能模板→Instrument I/O子模板→Serial子模板中。

升壓測試結果如圖3所示。

圖3 升壓測試結果

由圖3可知,在升壓測試中,本文設計系統的壓力示值誤差最低為0.007 1%;文獻[4]、文獻[5]提出的系統的最低壓力示值誤差分別為0.013 8%、0.007 6%。本文設計系統的壓力示值誤差最低,并在各點測試中一直保持最低。

降壓測試結果如圖4所示。

圖4 降壓測試結果

在降壓測試中,本文設計系統的壓力示值誤差最低為0.008 2%;文獻[4]、文獻[5]提出的系統的最低壓力示值誤差分別為0.011 1%、0.010 8%。本文設計系統的壓力示值誤差仍然最低。

2.2.2 溫度補償誤差測試

本文在不同溫度下測試3種系統的溫度補償誤差。溫度補償誤差測試結果如圖5所示。

圖5 溫度補償誤差測試結果

由圖5可知,3種系統在從0 ℃以下上升至0 ℃的過程中,溫度補償誤差一直在降低;在0 ℃左右達到了穩定的溫度補償誤差;在0 ℃以上時,保持著穩定的誤差。其中,本文設計系統的溫度補償誤差最低。

3 結論

在數字式密度繼電校驗問題的研究中,本文設計了基于LabVIEW的數字式密度繼電器智能校驗系統。首先,本文通過設計工控機、溫控裝置、傳感器和氣壓調節模塊的具體配置,研發了智能校驗儀器。然后,本文基于LabVIEW設計了智能校驗軟件,剝離同頻校驗信號中的噪聲干擾,在離散計算采樣信號后,實現對相位差的計算,由此補償了校驗誤差。最后,試驗驗證了本文設計系統可以實現比較準確的閉鎖功能與報警功能校驗,在升壓和降壓測試中均可以呈現較低的誤差值,溫度補償誤差也較低。