引言

       在運行中的220千伏以上的超高壓輸電線路上進行故障實驗,將導致嚴重的電網事故,這幾乎是不可能。為了測試繼電保護和自動裝置的動作性能以及滿足其他科研和教學的需求,通常是用模擬超高壓輸電線路來代替真實的超高壓輸電線路來進行故障實驗。實驗中,故障數據的采集和保存顯得尤其重要。傳統的測試設備已經不能滿足實驗的要求。

       本文提出了一種基于計算機的數據采集系統,在中文Windows平臺下,運用美國國家儀器公司的LabVIEW工具軟件和恒凱電子公司的數據采集板,實現模擬超高壓輸電線路故障錄波功能的微機應用軟件包。該軟件包可以實現開關量實時采集和顯示功能,實現電壓、電流等數據實時采集、顯示及故障數據的保存、分析功能。它為電力系統故障實驗、繼電保護和自動裝置的性能測試提供了記錄分析工具,對電力系統繼電保護的科研和教學都具有十分重要的現實意義。 作者：恒凱數據采集卡 https://www.bilibili.com/read/cv6287092?spm_id_from=333.999.0.0 出處：bilibili

硬件電路

       這一基于計算機的數據采集系統,是由模擬量、數字量調理電路,數據采集卡和計算機幾部分組成。

2.1模擬量、數字量調理電路

       模擬量、數字量調理電路是獨立設計開發的。目的是將來自模擬線路的交流220V電壓量和交流10A的電流量轉換成適用于數據采集卡的交流5V電壓量,將直流24V開關量信號轉換成適用于數據采集卡的直流5V開關量信號。

       模擬量信號調理包括隔離、濾波、放大三個處理環節。模擬信號經過電壓變送器、電流變送器變送并隔離,阻-容電路低通濾波,運算放大器放大后即可獲得適用于數據采集卡的交流5V電壓信號。模擬量調理硬件電路圖如圖1所示。

圖1模擬量調理硬件電路圖

        開關量信號調理包括濾波、光電隔離兩個處理環節。開關量信號經過濾波、光電隔離后即可獲得適用于數據采集卡的直流開關量信號。

2.2數據采集卡

       目前,數據采集卡產品型號很多。選擇美國虛擬儀器公司的與LabVIEW軟件配套的數據采集卡最為合適,但是考慮到價格因素,我們選擇了國內恒凱電子公司的USB6203采集卡,此卡附帶LabVIEW軟件的驅動程序。它的采樣頻率、分辨率、通道數、輸入范圍、觸發方式等均能滿足要求。

       在USB6203板卡上需要進行采集參數的設置。其中輸入電壓范圍選擇正負5V,DI0-DI15設置為開關量輸入,AD0-AD15設置為模擬量輸入,模擬量輸入方式設置為單端輸入。

2.3計算機

       計算機采用工控機是比較合適的,在安裝了USB6203板卡的驅動程序后,數據采集測試正常。在家用電腦上安裝USB6203板卡也是可行的，在win7，win10系統下均可正常工作。 

軟件設計

3.1LabVIEW軟件

       LabVIEW軟件(laboratory virtual instrument engineering workbench——實驗室虛擬儀器工作平臺)是虛擬儀器領域最具代表性的圖形化編程軟件。它是直觀的前面板與流程因式的編程方法的結合,是簡化了而又更易于使用的基于圖形化編程語言G的開發環境。它具有內置的程序編譯器,速度大體相當于編譯C的速度。它具有靈活的程序調試手段,功能強大的函數庫,支持多種系統平臺。

3.2軟件平臺

       我們使用LabVIEW工具軟件和國內恒凱電子公司的USB6203采集卡,在取得比較好的經濟效益的同時,編程也并不復雜。我們首先需要安裝并配置好USB6203采集卡,安裝相應的驅動程序。簡單的說,讓計算機識別USB6203采集卡。安裝完驅動程序后,使用LabVIEW調用USB6203采集卡的DLL功能函數。如圖2所示。

圖2調用DLL函數

3.3恒凱電子公司DLL函數結點簡介

這些功能結點完全取代了LabVIEW本身所具有的Data Acquisition中的結點,它們的用法也完全不同。簡單地說,我們主要用到的有以下4個:打開驅動器(openUSB),配置輸入范圍(ad_continu_conf),讀模擬輸入通道(Read_AdBuf),關閉驅動器(closeUSB)。

3.3.1打開驅動器(openUSB)

打開USB設備。

函數：int openUSB(void);

3.3.2配置輸入范圍(ad_continu_conf)

設置AD采集參數并啟動AD采樣。

函數：int ad_continu_conf(int ad_os,int ad_range,int freq,int trig_sl,int trig_pol,int clk_sl,int ext_clk_pol);

3.3.3讀模擬輸入通道(Read_AdBuf)

該函數用于讀取緩沖區FIFO的數據。

函數：int Read_AdBuf(float* databuf,int num);

3.3.4關閉驅動器(closeUSB)

關閉USB設備。

函數：void closeUSB(void);

3.4主界面(Panal)

主界面如圖3所示。主界面中左上方小窗口顯示故障前數據,正中第一個窗口顯示四路電壓,正中第二個窗口顯示四路電流,正中第三個窗口顯示四路開關量的變位數據?！案唠娢弧北硎尽昂汀?“低電位”表示“分”。右上方顯示開關量最終變位情況。若要保存為歷史數據,按下“保存”按紐。

圖3為單相接地故障時A、B、C三相電壓、零序電壓,A、B、C三相電流、零序電流,以及開關量變位情況。(由于未接被測繼電保護裝置,開關量只有一個變位。)

圖3故障錄波主界面

3.5圖形程序(Diagram)

       如圖4所示。圖形程序(Diagram)由兩個循環(While)構成。第一個小循環為正常情況下模擬量和開關量的采集,第二個循環為故障錄波,包括8路模擬量和4路開關量。故障被切除后,錄波結束,并顯示波形。最右邊的為保存程序,即將此次故障波形保存為歷史數據。

圖4圖形程序

結論

(1)故障波形清晰,概念清楚。暫態過程表現明了。利用這一故障錄波的波形,完成滿足檢測超高壓線路繼電保護裝置性能的要求。

(2)基于美國NI公司的工具軟件LABVIEW和國內恒凱電子公司的USB6203采集卡,錄波性能良好。這就為使用LabVIEW工具軟件作數據采集提供了又一條解決方案。

(3)國內恒凱電子公司的USB6203采集卡與美國NI公司的數據采集板相比較,其性能完全可以滿足模擬超高壓線路故障錄波的要求,但價格要低的多。編程過程也比較簡單。 

附：USB6203采集卡主要參數

HK-USB6203

l AI：16bit，200Ksps，16通道同步采集，多量程可選。

l AO：12bit，2通道，10V量程。

l DIO：32通道，5V電平。

l 附加功能：2通道PWM測量，2通道PWM輸出。