基于LabVIEW的數(shù)字式密度繼電器智能校驗系統(tǒng)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(wǎng)固原供電公司,寧夏 固原 756000;2.國網(wǎng)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(jīng)濟的飛躍式發(fā)展,電力工業(yè)系統(tǒng)對供電質(zhì)量與可靠性的要求越來越高。在這種情況下,電力工業(yè)系統(tǒng)逐漸發(fā)展成配電自動化、高度智能化的系統(tǒng),同時其供電安全性的保障力度也越來越大。數(shù)字式密度繼電器具有優(yōu)秀的滅弧性能與良好的絕緣性能,相比傳統(tǒng)的油開關(guān)更加安全,已經(jīng)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(shù)字式密度繼電器的主要作用是監(jiān)視六氟化硫(SF6)電器實際密封情況、 SF6開關(guān)本體氣體密度實際變化情況,并在泄漏SF6氣體時產(chǎn)生閉鎖信號或報警信號,以避免發(fā)生事故[2]。因此,數(shù)字式密度繼電器對于電力系統(tǒng)中的高壓電氣設備十分重要。其性能優(yōu)劣與高壓電氣設備能否安全運行密切相關(guān)[3]。

隨著數(shù)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(huán)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(tǒng)的研究,目前已經(jīng)取得了豐富的研究成果。胡恒山[4]等為了實現(xiàn)智能傳感器實際校驗效率的提升,設計了1種由信號發(fā)生器、中繼模塊與上位機軟件構(gòu)成的自動校驗系統(tǒng),并通過該系統(tǒng)提高了生產(chǎn)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(tǒng)。該系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)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(jiān)控平臺,設計了1套變電站防誤閉鎖邏輯可視化校驗系統(tǒng)。PARK等[7]提出了一種高效節(jié)能的危險氣體智能多傳感器系統(tǒng)。該系統(tǒng)的性能可以通過多模式結(jié)構(gòu)和基于學習的模式識別算法自適應優(yōu)化。此外,該系統(tǒng)可以通過提出的自校準變焦結(jié)構(gòu)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(xù)測量油箱和油箱中液體質(zhì)量的系統(tǒng)。該設計使用具有復雜計算處理的擬議測量系統(tǒng),對液體的溫度、密度、濕度和介電常數(shù)進行了校正。以上智能校驗系統(tǒng)受使用環(huán)境溫度、監(jiān)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(shù)字式密度繼電器智能校驗儀器、校驗軟件和數(shù)據(jù)處理算法這3個方面設計了基于LabVIEW的數(shù)字式密度繼電器智能校驗系統(tǒng)。

1 數(shù)字式密度繼電器智能校驗系統(tǒng)

1.1 數(shù)字式密度繼電器智能校驗儀器設計

數(shù)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(diào)節(jié)模塊構(gòu)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(gòu)成,搭載Windows 10系統(tǒng)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?qū)崿F(xiàn)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(yè)級主板。搭載的I/O設備包括調(diào)制解調(diào)器、網(wǎng)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(diào)控機構(gòu),利用該裝置實現(xiàn)溫度偏差與波動數(shù)值的調(diào)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(tǒng)使用的制冷機組設備包括蒸發(fā)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(fā)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(jīng)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(zhì),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(fā)溫度,并流入蒸發(fā)器。此時,制冷劑會發(fā)生沸騰汽化現(xiàn)象,并吸收環(huán)境熱量,以實現(xiàn)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(nèi)空氣熱負荷;v3為離心風機運行負荷;v4為箱內(nèi)照明負荷;v5為防霧玻璃熱負荷;v6為圍護結(jié)構(gòu)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(shù)。

本文為溫控裝置設置RS-485通信接口,使其能夠與工控機聯(lián)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(shù)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(xiàn)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?qū)崿F(xiàn)-150～+950 ℃范圍內(nèi)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(diào)節(jié)模塊的設計中,本文設計1個SF6氣體壓力調(diào)控機構(gòu)。該機構(gòu)由驅(qū)動機構(gòu)、特制氣缸、密度繼電器接口、電磁閥、閥門等構(gòu)成[6]。

圖1 SF6壓力傳感器電路設計

SF6氣體壓力調(diào)控機構(gòu)的運行流程如下。

①氣體經(jīng)過驅(qū)動機構(gòu)進行驅(qū)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(jīng)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(jīng)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(shù)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(jīng)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(shù)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(chǎn)生最佳編碼編譯器的圖形化開發(fā)環(huán)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(shù)據(jù)和調(diào)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(xiàn)復雜的邏輯,并開發(fā)數(shù)據(jù)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(fā)環(huán)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(gòu)成。后面板是各種程序的功能實現(xiàn)部分。人機交互界面則是數(shù)據(jù)顯示與參數(shù)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(jié)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(shù)據(jù)位數(shù)、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(xiàn)波形的輸出、顯示。后面板的設計分為2個界面,分別為數(shù)據(jù)處理界面和數(shù)據(jù)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(xiàn)軟件層面的數(shù)字式密度繼電器校驗。校驗程序的執(zhí)行流程如圖2所示[12]。

圖2 校驗程序的執(zhí)行流程圖

圖2中,P20表示當前溫度下的壓力值轉(zhuǎn)換結(jié)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(tǒng)與函數(shù)庫設計1種數(shù)據(jù)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(xiàn)數(shù)字式密度繼電器校驗數(shù)據(jù)的采集與傳輸。本文設計了1種數(shù)據(jù)處理程序,通過數(shù)字信號處理視覺識別(visual identity,VI)庫和I/O VI 庫,以實現(xiàn)數(shù)據(jù)處理功能。本文將校驗軟件安裝在工控機上,以實現(xiàn)數(shù)字式密度繼電器的控制。

1.3 數(shù)據(jù)處理算法設計

在數(shù)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(guān)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(guān)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(guān),且噪聲間也幾乎不相關(guān),本文進行相關(guān)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(shù);Pa(0)為b(x)=0時的相關(guān)運算值;Pb(0)為a(x)=0時的相關(guān)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(xù)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(tǒng)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(shù)字式密度繼電器智能校驗系統(tǒng)進行性能測試。本文在測試中選用的數(shù)字式密度繼電器為MD1型數(shù)字式密度繼電器。通過對MD1型數(shù)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(tǒng)的有效性。本文在測試中共對8個MD1型數(shù)字式密度繼電器進行校驗。本文對數(shù)字式密度繼電器智能校驗儀器進行組裝,并對系統(tǒng)進行調(diào)試,從而利用系統(tǒng)進行校驗。由于工作環(huán)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(shù)字式密度繼電器校驗結(jié)果如表2所示。

表2 數(shù)字式密度繼電器校驗結(jié)果

根據(jù)表2的校驗結(jié)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(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)數(shù)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(tǒng)與本文設計系統(tǒng)作為對比系統(tǒng),共同進行性能測試。本文通過數(shù)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(nèi)。本文連接各系統(tǒng)與數(shù)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(diào)節(jié)至壓力測試點,當壓力穩(wěn)定后,分別讀取測試系統(tǒng)與數(shù)字壓力控制器的壓力值,并觀察3個系統(tǒng)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(shù)據(jù)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(tǒng)的壓力示值;Q3為系統(tǒng)壓力量程;Q2為某校準點處數(shù)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(tǒng)采用測試中的最佳參數(shù)。本文設計系統(tǒng)參數(shù)為:設置5個串行通信節(jié)點,分別實現(xiàn)串口設置、寫串口、讀串口、檢測串口緩存、中斷等功能。這些節(jié)點位于功能模板→Instrument I/O子模板→Serial子模板中。

升壓測試結(jié)果如圖3所示。

圖3 升壓測試結(jié)果

由圖3可知,在升壓測試中,本文設計系統(tǒng)的壓力示值誤差最低為0.007 1%;文獻[4]、文獻[5]提出的系統(tǒng)的最低壓力示值誤差分別為0.013 8%、0.007 6%。本文設計系統(tǒng)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(jié)果如圖4所示。

圖4 降壓測試結(jié)果

在降壓測試中,本文設計系統(tǒng)的壓力示值誤差最低為0.008 2%;文獻[4]、文獻[5]提出的系統(tǒng)的最低壓力示值誤差分別為0.011 1%、0.010 8%。本文設計系統(tǒng)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(tǒng)的溫度補償誤差。溫度補償誤差測試結(jié)果如圖5所示。

圖5 溫度補償誤差測試結(jié)果

由圖5可知,3種系統(tǒng)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(wěn)定的溫度補償誤差;在0 ℃以上時,保持著穩(wěn)定的誤差。其中,本文設計系統(tǒng)的溫度補償誤差最低。

3 結(jié)論

在數(shù)字式密度繼電校驗問題的研究中,本文設計了基于LabVIEW的數(shù)字式密度繼電器智能校驗系統(tǒng)。首先,本文通過設計工控機、溫控裝置、傳感器和氣壓調(diào)節(jié)模塊的具體配置,研發(fā)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(xiàn)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(tǒng)可以實現(xiàn)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(xiàn)較低的誤差值,溫度補償誤差也較低。