基于LabVIEW的氧化鋅避雷器監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的研究

向思怡，陳渝光，劉述喜

(重慶理工大學(xué) 電子信息與自動(dòng)化學(xué)院, 重慶　400054)

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基于LabVIEW的氧化鋅避雷器監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的研究

向思怡，陳渝光，劉述喜

(重慶理工大學(xué) 電子信息與自動(dòng)化學(xué)院, 重慶400054)

摘要：氧化鋅避雷器的金屬氧化物電阻片長(zhǎng)期工作在工頻電壓下會(huì)引起設(shè)備故障，為避免這種故障，對(duì)氧化鋅避雷器泄露電流監(jiān)測(cè)原理進(jìn)行研究。為了減小電力系統(tǒng)諧波引起的誤差，結(jié)合虛擬儀器及圖形化編譯語(yǔ)言LabVIEW軟件，設(shè)計(jì)了一套針對(duì)氧化鋅避雷器泄露電流的在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。該系統(tǒng)可以提高氧化鋅避雷器泄露電流的測(cè)量精度，并使電力系統(tǒng)安全、穩(wěn)定地運(yùn)行。該系統(tǒng)監(jiān)測(cè)原理與理論分析相符，誤差控制在允許范圍以?xún)?nèi)，可靠性及可擴(kuò)展能力強(qiáng)，為今后的優(yōu)化設(shè)計(jì)提供了較好的基礎(chǔ)。

關(guān)鍵詞：金屬氧化物電阻片；阻性電流；諧波；虛擬儀器；LabVIEW

氧化鋅避雷器(簡(jiǎn)稱(chēng)MOA)具有優(yōu)越的非線性保護(hù)特性,已成為當(dāng)今電力系統(tǒng)中必不可少的器件。在電力系統(tǒng)中，若工作電壓處在正常情況下，氧化鋅避雷器電阻片的電阻值很高，類(lèi)似于一個(gè)絕緣體；但在過(guò)電壓作用下，電阻片的電阻值變得很小，并且容易被擊穿，可以將大電流釋放，然后回到高阻狀態(tài)，由此起到保護(hù)作用。

由于電阻片長(zhǎng)期在工頻電壓作用下而產(chǎn)生劣化，引起電阻片阻值的變化，導(dǎo)致電阻片的泄露電流增加，嚴(yán)重時(shí)還可能引起避雷器的爆炸。因此，在電力系統(tǒng)中，對(duì)MOA的泄露電流進(jìn)行監(jiān)測(cè)，根據(jù)監(jiān)測(cè)結(jié)果對(duì)MOA的運(yùn)行狀況進(jìn)行判斷，可對(duì)電力系統(tǒng)安全運(yùn)行提供有力保障[1]。

1　監(jiān)測(cè)原理

現(xiàn)階段監(jiān)測(cè)氧化鋅避雷器的方法有基波法、直接測(cè)量法、補(bǔ)償法、三次諧波法等。

傳統(tǒng)的硬件測(cè)量法無(wú)法排除氧化鋅避雷器一字型排列的相間干擾，其原理是由于變電站中的避雷器一般呈一字形排列,而其他兩相的電壓具有雜散電容，會(huì)對(duì)本相接地線中的電流產(chǎn)生影響。例如中間相B相與旁邊A、C兩相的距離相同，受A、C兩相的影響程度相同，B相的阻性電流分量和容性電流分量的相位關(guān)系基本不會(huì)產(chǎn)生影響。但是旁邊的A相和C相只與B相距離相近,B相對(duì)其影響較大，其阻性電流分量和容性電流分量的相位關(guān)系會(huì)產(chǎn)生偏移，在高電壓等級(jí)的電力系統(tǒng)中，這種偏移可達(dá)3°～5°[3]。

采用基波法、三次諧波法對(duì)接地線中的電流進(jìn)行分析時(shí)，其前提是假設(shè)系統(tǒng)電壓相對(duì)穩(wěn)定。在電力系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)，往往會(huì)含有大量的諧波分量，它是阻性電流產(chǎn)生變化的主要因素。由于電阻的非線性特征，會(huì)使阻性電流的各次諧波的幅值相位與系統(tǒng)電壓的各次諧波之間不是簡(jiǎn)單的疊加關(guān)系[4]。系統(tǒng)中諧波分量含量的不確定性，以及上述的非線性特征，會(huì)引起阻性電流各項(xiàng)參數(shù)的變化。因此，雖然有許多的監(jiān)測(cè)方法，但要測(cè)出準(zhǔn)確的數(shù)據(jù)并不容易。如果電力系統(tǒng)中諧波含量比較大，監(jiān)測(cè)出的阻性電流的數(shù)據(jù)會(huì)有很大變化，從而掩蓋了對(duì)避雷器的優(yōu)劣判斷，不利于及時(shí)發(fā)現(xiàn)避雷器的劣化情況[6]。

其次是補(bǔ)償法，這也是國(guó)內(nèi)學(xué)者研究得比較多的方法。它的原理是假定氧化鋅避雷器的泄露電流由阻性分量和容性分量組成，通過(guò)移相器將監(jiān)測(cè)出的末端的電壓移相90°，并乘以增益系數(shù)，將泄露電流中的容性分量全部補(bǔ)償?shù)?，然后?jì)算出阻性電流。為了使測(cè)量結(jié)果盡量精確，國(guó)內(nèi)學(xué)者對(duì)補(bǔ)償法消除誤差的研究較為深入。對(duì)傳統(tǒng)的補(bǔ)償法進(jìn)行改進(jìn)，提出多元補(bǔ)償法，它能補(bǔ)償?shù)羧康淖栊苑至?，并運(yùn)用小波去噪方法對(duì)阻性分量進(jìn)行計(jì)算[8]。

由氧化鋅避雷器的結(jié)構(gòu)可以看出：它在正常工作時(shí)由電阻片串聯(lián)而成，相當(dāng)于絕緣體。電阻片長(zhǎng)期承受工頻電壓會(huì)產(chǎn)生劣化，泄露電流急劇增加，其中阻性電流增加明顯，引起發(fā)熱等故障，嚴(yán)重時(shí)還會(huì)引起爆炸。但在總泄露電流中，阻性電流所占比例較小，不易觀察，所以如何從比例大的容性電流為主的泄露電流中觀察并分析到阻性電流的變化是監(jiān)測(cè)泄露電流的關(guān)鍵[10]。

氧化鋅避雷器可等效為電阻與電容串聯(lián)的模型，如圖1所示。

圖1　氧化鋅(MOA)避雷器的等效電路

設(shè)電網(wǎng)電壓為u(t)，泄露全電流為ix，其中容性電流為ic，阻性電流為ir，考慮到電網(wǎng)中的諧波分量，則：

(1)

(2)

(3)

(4)

用FFT算法分別算出電壓u(t)的各諧波幅值U1，U2，U3…，基波相位φu1，φu2，φu3…，全電流ix的基波幅值Ix1，Ix2，Ix3…，基波相位φi1，φi2，φi3…。k次諧波相量圖如圖2所示。

圖2　k次諧波相量圖

圖2中：Ixk為k次諧波的全電流；Uk為k次諧波分量；φxk為k次諧波全電流的初相角；φuk為k次諧波電壓的初相角。

(5)

(6)

最后將上式代入式(4)，便可求得全電流的阻性分量[11]：

(7)

2　系統(tǒng)構(gòu)成

基于虛擬儀器技術(shù)的氧化鋅避雷器監(jiān)測(cè)系統(tǒng)由硬件測(cè)量和軟件處理2部分構(gòu)成。硬件電路由傳感器和變換器、信號(hào)調(diào)理設(shè)備、數(shù)據(jù)采集卡、計(jì)算機(jī)構(gòu)成。通過(guò)傳感器把非電的物理量轉(zhuǎn)變成模擬電量(如電壓、電流等)。信號(hào)調(diào)理設(shè)備包括前置放大器、濾波器等，前置放大器用來(lái)放大和緩沖輸入信號(hào)。由于輸出傳感器的信號(hào)通常較小，因此需要加以放大才能滿足大多數(shù)A/D轉(zhuǎn)換器的量程輸入要求。此外，由于某些傳感器的輸出功率小且內(nèi)阻較大，也需要用放大器起到阻抗變換器的作用來(lái)緩沖輸入信號(hào)。傳感器以及后續(xù)處理電路中的器件常會(huì)產(chǎn)生噪聲，工頻信號(hào)也會(huì)成為一種人為的干擾源。為了提高模擬輸入信號(hào)的信噪比，濾波器用于對(duì)噪聲信號(hào)進(jìn)行一定的衰減[13]。從傳感器獲取的有用信息傳到數(shù)據(jù)采集卡，然后轉(zhuǎn)換成計(jì)算機(jī)能識(shí)別的數(shù)字信號(hào)，計(jì)算機(jī)再對(duì)數(shù)字信號(hào)進(jìn)行相應(yīng)處理，得出所需數(shù)據(jù)。監(jiān)測(cè)系統(tǒng)硬件的構(gòu)成如圖3所示。

圖3　監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的硬件構(gòu)成

精度和速度是決定數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)性能好壞的主要因素。為滿足實(shí)時(shí)采集、實(shí)時(shí)處理和實(shí)時(shí)控制的要求，可以在保證精度的條件下，采樣速度盡可能高。數(shù)據(jù)采集卡選用PCI-6251，在安裝相應(yīng)的DAQ驅(qū)動(dòng)之后，在LabVIEW中程序框圖的函數(shù)選板的測(cè)量I/O-DAQmx中有豐富的硬件驅(qū)動(dòng)程序用于數(shù)據(jù)測(cè)量。使用其中的DAQmx創(chuàng)建通道、DAQmx定時(shí)(采樣時(shí)鐘)、DAQmx開(kāi)始任務(wù)、DAQmx讀取、DAQmx清除任務(wù)等函數(shù)即可以構(gòu)建測(cè)量模塊，實(shí)現(xiàn)對(duì)電壓量的讀取。

3　系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的軟件由模擬信號(hào)采集與處理程序、數(shù)字信號(hào)采集與處理程序、開(kāi)關(guān)信號(hào)處理程序、運(yùn)行參數(shù)設(shè)置程序、系統(tǒng)管理程序、通信程序等組成。對(duì)模擬輸入信號(hào)進(jìn)行采集、標(biāo)度變換、濾波處理及二次數(shù)據(jù)計(jì)算是模擬信號(hào)采集與處理程序的主要功能，然后將數(shù)據(jù)存入磁盤(pán)。將各個(gè)功能模塊程序組織成一個(gè)程序系統(tǒng)、管理和調(diào)用各個(gè)功能模塊程序是運(yùn)行參數(shù)設(shè)置程序的主要功能。為完成上位機(jī)與各個(gè)數(shù)據(jù)采集站之間的數(shù)據(jù)傳送工作，需要設(shè)計(jì)通信程序。上位機(jī)向數(shù)據(jù)采集站發(fā)送命令，并且接受和判斷數(shù)據(jù)采集站送回的數(shù)據(jù)、信號(hào)。

本系統(tǒng)計(jì)算機(jī)用NI公司的圖形化編譯語(yǔ)言LabVIEW作為軟件開(kāi)發(fā)平臺(tái)。LabVIEW程序可以非常容易地與各種數(shù)據(jù)采集硬件、以太網(wǎng)系統(tǒng)無(wú)縫連接,并與各種主流的現(xiàn)場(chǎng)總線通信以及與大多數(shù)通用數(shù)據(jù)庫(kù)鏈接。

本系統(tǒng)利用LabVIEW自帶的NI-DAQmx驅(qū)動(dòng)程序。LabVIEW是由美國(guó)國(guó)家儀器公司(簡(jiǎn)稱(chēng)NI公司)開(kāi)發(fā)的一種圖形化編譯語(yǔ)言，簡(jiǎn)稱(chēng)G語(yǔ)言，它是目前應(yīng)用最廣、發(fā)展最快、功能最強(qiáng)的圖形化軟件開(kāi)發(fā)集成環(huán)境。LabVIEW軟件采用數(shù)據(jù)流的方式編程，整個(gè)程序由前面板和程序框圖組成。系統(tǒng)充分應(yīng)用了LabVIEW的函數(shù)庫(kù)，包括數(shù)據(jù)采集、GPIB、串口控制、數(shù)據(jù)分析、數(shù)據(jù)顯示及數(shù)據(jù)存儲(chǔ)等。

在基本的數(shù)據(jù)采集驅(qū)動(dòng)中，NI-DAQmx驅(qū)動(dòng)軟件具有較強(qiáng)的功能，尤其是在數(shù)據(jù)采集以及控制應(yīng)用等方面顯現(xiàn)出非常高的效率和性能。DAQ系統(tǒng)的每一方面都由NI-DAQmx控制，貫穿于從系統(tǒng)配置、設(shè)備控制、LabVIEW編程到底層操作系統(tǒng)。子程序部分主要涉及數(shù)據(jù)采集子VI和數(shù)據(jù)處理子VI的設(shè)計(jì)。

圖4　系統(tǒng)流程框圖

本系統(tǒng)流程框圖如圖4所示。本系統(tǒng)對(duì)數(shù)據(jù)采集子VI和數(shù)據(jù)處理子VI進(jìn)行設(shè)計(jì)。本系統(tǒng)初始化后，首先啟動(dòng)數(shù)據(jù)采集子VI，使用前述數(shù)據(jù)采集卡、信號(hào)調(diào)理設(shè)備等進(jìn)行采集，完成電壓、電流信號(hào)的采集。同時(shí)啟動(dòng)數(shù)據(jù)處理子VI，按照前述監(jiān)測(cè)原理進(jìn)行數(shù)據(jù)處理及分析，并把分析結(jié)果傳給專(zhuān)家系統(tǒng)進(jìn)行顯示、存儲(chǔ)及打印等相關(guān)工作。

3.1數(shù)據(jù)采集子VI

選取測(cè)量I/O模塊中的DataAcquisition中的AnalogInput中的AIAcquireWaveform.vi子模塊，連接4個(gè)輸入控件，分別是數(shù)據(jù)采集卡的器件編號(hào)、通道編號(hào)、采樣點(diǎn)數(shù)量及采樣速率，輸出與后續(xù)數(shù)據(jù)分析模塊相連。該子VI對(duì)設(shè)備編號(hào)所對(duì)應(yīng)的數(shù)據(jù)采集硬件的一個(gè)通道進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，并由用戶(hù)決定采樣速率和采集的數(shù)據(jù)點(diǎn)數(shù)。

3.2數(shù)據(jù)處理子VI

由本文的分析可知：在避雷器泄露電流的數(shù)據(jù)處理的核心算法中將用到信號(hào)處理中的FFT子模塊，對(duì)輸入信號(hào)進(jìn)行傅里葉變換。傅里葉變換是信號(hào)處理中常用的頻率分析工具，它可以完成從時(shí)域信號(hào)到頻域信號(hào)的變換，方便使用者更好地對(duì)信號(hào)進(jìn)行分析處理。該模塊的流程見(jiàn)圖5。

圖5　監(jiān)測(cè)流程

數(shù)據(jù)處理模塊將上述DAQ模塊采集到的數(shù)據(jù)連接FFT控件。FFT控件對(duì)輸入信號(hào)進(jìn)行快速傅里葉變換，將前述時(shí)域信號(hào)轉(zhuǎn)換成頻域信號(hào)，輸出信號(hào)的頻率及相位信息，然后運(yùn)用到LabVIEW軟件數(shù)學(xué)模塊中的基本四則運(yùn)算子控件，按照相應(yīng)公式計(jì)算出Ak的值，并連接波形圖進(jìn)行顯示。將計(jì)算好的Ak與移相90°的Uk做乘法運(yùn)算，如圖5中的Ak*Uk。最后用數(shù)組索引控件對(duì)生成的Ak*Uk數(shù)組按照頻率索引出相應(yīng)的值作為需疊加容性分量電流值的幅值，運(yùn)用正弦信號(hào)生成控件連接對(duì)應(yīng)的正弦波形三要素(分別以索引出Ak*Uk的值作為幅值、Uk的頻率作為基頻、Uk移相90°后的角度作為初相角)，并累加成ic。ix與ic做簡(jiǎn)單的差分運(yùn)算便可做出ir的波形。

3.3軟件測(cè)試

對(duì)本監(jiān)測(cè)軟件數(shù)據(jù)處理部分進(jìn)行測(cè)試，輸入工頻為5 Hz，含有3次、5次諧波的正弦波，基波初次諧波相角為0，3次、5次諧波有一定的初相角。經(jīng)上述算法計(jì)算后，輸出的阻性電流波形如圖6所示。對(duì)輸出的阻性電流進(jìn)行FFT分析，阻性電流各次諧波的頻率與輸入電壓基本相同，與理論分析相符。軟件部分測(cè)試如圖6所示。

圖6　軟件部分測(cè)試

4　結(jié)束語(yǔ)

本氧化鋅泄露電流在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)基于諧波分次補(bǔ)償法和LabVIEW軟件進(jìn)行開(kāi)發(fā)，解決了電網(wǎng)頻率波動(dòng)對(duì)MOV阻性電流測(cè)量的影響,所測(cè)阻性電流與外施電壓基本同相,提高了MOV阻性電流測(cè)量的準(zhǔn)確度。虛擬儀器開(kāi)發(fā)軟件LabVIEW能與外接硬件電路很好地連接，可實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)采集與數(shù)據(jù)分析準(zhǔn)確同步進(jìn)行。

本文研究了系統(tǒng)內(nèi)部設(shè)計(jì)及算法可行性，采用MOV阻性電流測(cè)量準(zhǔn)確度的方法即諧波分次補(bǔ)償法，并運(yùn)用準(zhǔn)同步采樣和離散傅里葉變換等技術(shù)，使電流和電壓信號(hào)的幅值、相位等偏差小于5‰。本系統(tǒng)消除了電網(wǎng)諧波以及非線性系統(tǒng)包括頻率波動(dòng)對(duì)阻性電流的影響。通過(guò)仿真實(shí)驗(yàn)可以看出：本系統(tǒng)的可靠性及可擴(kuò)展能力強(qiáng)，可以基本補(bǔ)償避雷器總泄露電流中的容性分量，從而使避雷器的阻性分量和外施電壓同相位。

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(責(zé)任編輯楊文青)

收稿日期：2015-12-28

基金項(xiàng)目：重慶市教委科學(xué)技術(shù)研究一般項(xiàng)目(2014CJ31)

作者簡(jiǎn)介：向思怡(1988—)，女，重慶人，碩士研究生，主要從事電氣測(cè)試技術(shù)方向的研究；陳渝光(1962—)，男，江蘇無(wú)錫人，教授，碩士生導(dǎo)師，主要從事車(chē)輛電子技術(shù)、電氣測(cè)試方面的研究。

doi:10.3969/j.issn.1674-8425(z).2016.07.017

中圖分類(lèi)號(hào)：TM86

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：1674-8425(2016)07-0098-05

MonitorforZinc-OxideSurgeArrestorwithLabVIEW

XIANGSi-yi,CHENYu-guang,LIUShu-xi

(CollegeofElectronicEngineeringandAutomation,ChongqingUniversityofTechnology,Chongqing400054,China)

Abstract:For avoiding the resistor discs with zinc-oxide faults during the allowing frequency for a long time, the monitor theory of zinc-oxide’s current was invested for declining the error of the harmonic wave, and an on-line monitor system for zinc-oxide’s current was designed, incorporating with virtual instrument and graphical design language LabVIEW. This system can increase the accuracy of zinc-oxide surge arrestor’s current and improve the stability and safety of the grid system. This system’s theory agrees with practice, and its error control is allowed, and it is reliable and extensional, which provides the basic guarantee for the future development.

Key words:metal oxygen discs; resistive current; harmonic wave; virtual instrument; LabVIEW

引用格式：向思怡，陳渝光，劉述喜.基于LabVIEW的氧化鋅避雷器監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的研究[J].重慶理工大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué))，2016(7):98-102.

Citationformat：XIANGSi-yi,CHENYu-guang,LIUShu-xi.MonitorforZinc-OxideSurgeArrestorwithLabVIEW[J].JournalofChongqingUniversityofTechnology(NaturalScience)，2016(7):98-102.