虛擬接地構(gòu)建虛擬接地的方法

小電流接地系統(tǒng)發(fā)生單相接地故障時(shí)，準(zhǔn)確檢出故障線路對(duì)快速排除故障、提高供電可靠性具有重要意義。目前現(xiàn)有的選線裝置在技術(shù)和管理方面都有一定的不足之處，本文采用基于C/S模式的網(wǎng)絡(luò)化虛擬儀器技術(shù)設(shè)計(jì)了小電流接地系統(tǒng)單相接地故障選線裝置，裝置采用LabVIEW編程實(shí)現(xiàn)，可以方便的實(shí)現(xiàn)復(fù)雜的選線算法，有可以縮短開發(fā)周期，并且可以通過網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)對(duì)選線裝置的管理，可以從技術(shù)和管理兩個(gè)方面提高選線裝置的性能。

我國(guó)大多數(shù)配電網(wǎng)均采用中性點(diǎn)不直接接地系統(tǒng),即小電流接地系統(tǒng),包括中性點(diǎn)不接地系統(tǒng)和中性點(diǎn)經(jīng)消弧線圈接地系統(tǒng)。當(dāng)發(fā)生單相接地故障時(shí),由于故障點(diǎn)電流較小,而且不影響對(duì)負(fù)荷的正常供電,一般允許繼續(xù)運(yùn)行1～2h[1] 。但隨著饋線的增多,電容電流也在增大,長(zhǎng)時(shí)間運(yùn)行易使故障擴(kuò)大成兩點(diǎn)或多點(diǎn)接地造成短路,弧光接地還可能引起全系統(tǒng)過電壓,損壞設(shè)備,破壞安全運(yùn)行,應(yīng)及時(shí)選出故障線路給予排除。小電流接地系統(tǒng)單相接地故障選線裝置的研究已經(jīng)持續(xù)了將近二十年，但是應(yīng)用一直不是很理想。

選線問題的解決，一要靠技術(shù)進(jìn)步，二要靠管理創(chuàng)新，二者相輔相成，缺一不可。技術(shù)方面，現(xiàn)有的目前的采用選線裝置判據(jù)不完備，選線方法單一，選線的正確率不是很高，這樣要求選線裝置的數(shù)據(jù)采集和處理方面的難度很大，裝置不僅要求有高速的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)和強(qiáng)大的處理功能，并且具有大量數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)和遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)通信的能力。還要實(shí)現(xiàn)方便復(fù)雜的選線算法。管理方面，由于小電流裝置在現(xiàn)場(chǎng)中屬于一種輔助設(shè)備, 受重視程度不高, 因此缺少定期的檢查和維修，造成很多選線失敗的原因。這樣要求選線裝置必須具有相應(yīng)的后臺(tái)管理系統(tǒng)，實(shí)時(shí)在線監(jiān)測(cè)選線裝置的運(yùn)行情況，對(duì)裝置進(jìn)行在線診斷，并為完善和改進(jìn)選線方法收集樣本積累數(shù)據(jù)[2]。

隨著計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)和現(xiàn)代測(cè)試技術(shù)的發(fā)展，網(wǎng)絡(luò)化虛擬儀器應(yīng)運(yùn)而生，使人們可以從任和分散的地點(diǎn)獲得測(cè)試數(shù)據(jù)，比以往虛擬儀器技術(shù)有了質(zhì)的飛躍[3]。本文采用基于LABVIEW設(shè)計(jì)的網(wǎng)絡(luò)化虛擬儀器，在技術(shù)上可以實(shí)現(xiàn)高速數(shù)據(jù)采集和復(fù)雜算法的實(shí)現(xiàn)，管理上可以網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行對(duì)現(xiàn)場(chǎng)裝置數(shù)據(jù)管理和遠(yuǎn)程監(jiān)控，并且可以提高選線裝置的性能，縮短開發(fā)周期。

1 選線方法

由于小電流接地系統(tǒng)單相接地時(shí)故障特征不明顯,且易受諸多因素的影響,所以到目前為止,發(fā)展出的各種選線原理都存在著一定的局限性。目前尚沒有任何一種單一選線方案能夠適應(yīng)小電流接地系統(tǒng)的各種情況[4]。本文在這里采用基于DS證據(jù)理論的信息融合方法進(jìn)行選線，大大提高了選線判斷的準(zhǔn)確性。

電流群體比幅比相原理、基于小波變換的奇異性檢測(cè)理論和能量法是目前常用的可靠性高的判斷方法,本方法先對(duì)上述三種算法構(gòu)造相應(yīng)的故障測(cè)度，然后采用DS證據(jù)理論對(duì)進(jìn)行融合。證據(jù)理論融合的過程是：首先，建立識(shí)別框架，來(lái)表征一個(gè)判決問題所有可能的結(jié)論。本問題的識(shí)別框架就是由母線及各條線路組成的集合。第二，構(gòu)造基本信度分配函數(shù)，首先，對(duì)上述三種算法建立故障測(cè)度，根據(jù)分配函數(shù)可將故障測(cè)度值影射為滿足證據(jù)理論要求的基本信度值。第三，證據(jù)融合。按照證據(jù)理論提供的組合算法，實(shí)現(xiàn)對(duì)上述三種測(cè)度信息的融合。第四，選線決策。建立一定的選線判決規(guī)則，根據(jù)融合后各條線路所具有的綜合故障測(cè)度，做出最終選線決策[5]。整個(gè)算法的流程圖如圖1所示。

圖1 證據(jù)理論選線算法流程圖

2硬件構(gòu)架

2.1 總體結(jié)構(gòu)

C/S工作模式（客戶端與服務(wù)器模式）在設(shè)備遠(yuǎn)程狀態(tài)監(jiān)測(cè)和故障診斷的設(shè)計(jì)方面是較為理想的模式，本文采用基于這種模式設(shè)計(jì)網(wǎng)絡(luò)化虛擬儀器，實(shí)現(xiàn)小電流接地系統(tǒng)故障選線。其總體結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 選線系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)

2.2信號(hào)轉(zhuǎn)化和調(diào)理部分

現(xiàn)場(chǎng)的中性點(diǎn)零序電壓和各條線路零序電流經(jīng)PT/CT完成由強(qiáng)電到弱電的隔離轉(zhuǎn)換。這里采用的是電壓互感器SPT204A，電流互感器SCT254AX。信號(hào)調(diào)理電路將經(jīng)PT/CT隔離、變換后的電壓電流信號(hào)進(jìn)行濾波、電平轉(zhuǎn)換，轉(zhuǎn)換為標(biāo)準(zhǔn)的0—5V的電壓信號(hào)，送入數(shù)據(jù)采集卡PCI6014，供計(jì)算機(jī)采集處理。

2.3 數(shù)據(jù)采集和處理部分

PCI-6014具有200kS/s采樣率、16位精度的16路模擬輸入，可以進(jìn)行實(shí)時(shí)高精度的多通道數(shù)據(jù)采集，采樣的速率和精度可以達(dá)到選線系統(tǒng)的要求。計(jì)算機(jī)通過采集卡采樣中性點(diǎn)零序電壓和各條線路的零序電流，通過軟件進(jìn)行選線操作。

2.4 開關(guān)量輸出部分

開關(guān)量輸出部分主要用來(lái)將選線結(jié)果、系統(tǒng)狀況等狀態(tài)信息輸出并遠(yuǎn)傳，開關(guān)量輸出信號(hào)由軟件以編碼方式發(fā)給PCI-6014采集卡，由采集卡的開關(guān)量輸出口輸出給開關(guān)量板，經(jīng)譯碼、放大后驅(qū)動(dòng)繼電器輸出。

2.5 網(wǎng)絡(luò)通信部分

網(wǎng)絡(luò)模式采用C/S組網(wǎng)模式，客戶端計(jì)算機(jī)位于現(xiàn)場(chǎng)側(cè)，一般選擇性能好的工控機(jī)。通過數(shù)據(jù)采集卡PCI6014經(jīng)PCI總線與現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備進(jìn)行數(shù)據(jù)通信，并通過Internet網(wǎng)連接到服務(wù)器計(jì)算機(jī)，實(shí)現(xiàn)對(duì)測(cè)試數(shù)據(jù)遠(yuǎn)傳和對(duì)裝置遠(yuǎn)程監(jiān)控。

采用虛擬儀器技術(shù)可以大大簡(jiǎn)化硬件部分設(shè)計(jì),傳統(tǒng)測(cè)試系統(tǒng)的A/D轉(zhuǎn)換,采樣保持以及數(shù)據(jù)通信登功能集成在通用數(shù)據(jù)采集卡中,由計(jì)算機(jī)完成數(shù)據(jù)處理功能。用戶可以根據(jù)不同需求采用不同的傳感器和編寫相應(yīng)的程序即可實(shí)現(xiàn)要求的測(cè)試功能，大大增強(qiáng)了系統(tǒng)的靈活性。

3軟件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)包括客戶端部分和服務(wù)器部分的設(shè)計(jì)，由LabVIEW開發(fā)，LabVIEW是目前較為流行的虛擬儀器軟件開發(fā)環(huán)境。LabVIEM使用圖形化程序設(shè)計(jì)語(yǔ)言G(Graphic)，用框圖代替了傳統(tǒng)的程序代碼。利用它組建儀器測(cè)試系統(tǒng)和數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)可以大大簡(jiǎn)化程序設(shè)計(jì)[6]。

3.1 總體功能

客戶端主要實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)采集，數(shù)據(jù)處理，故障記錄的存儲(chǔ)和查詢，生成報(bào)表以及與服務(wù)器端的網(wǎng)絡(luò)通信，上傳故障信息或接收?qǐng)?zhí)行服務(wù)器的命令。運(yùn)行界面如圖3所示。其主要軟件流程圖如圖所示。

圖3 軟件運(yùn)行界面

服務(wù)器主要功能是發(fā)生故障時(shí)接收客戶端上傳的數(shù)據(jù)，作為改進(jìn)和完善選線方法的樣本，定期向?qū)蛻舳诉M(jìn)行在線診斷，向客戶端發(fā)送故障特征數(shù)據(jù)檢驗(yàn)其判斷結(jié)果。通過網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程管理。

圖4 軟件流程圖

3.2 數(shù)據(jù)采集的實(shí)現(xiàn)

在使用數(shù)據(jù)采集卡之前，必須進(jìn)行配置。數(shù)據(jù)采集卡一般有多個(gè)通道，因此必須對(duì)要使用的通道進(jìn)行配置。一般常用安裝程序自帶的軟件MAX來(lái)對(duì)采集卡進(jìn)行通道配置，如通道名，輸入輸出類型，測(cè)量類型，定義單位和范圍等。

LabVIEW中可以利用其中的函數(shù)方便的操作PCI-6014。LabVIEW的數(shù)據(jù)采集函數(shù)位于函數(shù)模板的DATA ACQUISITION子模板中。該模板根據(jù)操作涉及到的類型不同分成六個(gè)子模板，模擬輸入，模擬輸出，數(shù)字輸入，數(shù)字輸出，數(shù)字I/O，計(jì)數(shù)器，校準(zhǔn)器和配置，信號(hào)調(diào)理。用戶可根據(jù)不同的需要進(jìn)行選擇。

本文中的程序?qū)崿F(xiàn)過程如下：利用analog input子模板中的ai sample channel vi函數(shù)進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，該函數(shù)可以實(shí)現(xiàn)對(duì)指定通道號(hào)的信號(hào)進(jìn)行測(cè)量，并返回測(cè)量的電壓值。在使用之前要對(duì)其端口參數(shù)進(jìn)行設(shè)置，包括設(shè)備號(hào)，通道號(hào)和上下限。

圖5 數(shù)據(jù)采集部分的程序框圖

采集進(jìn)來(lái)的數(shù)據(jù)為波形數(shù)據(jù)，我們將其轉(zhuǎn)換為一個(gè)一維數(shù)組，以方便我們使用，由于采集卡至于計(jì)算機(jī)內(nèi)部，受到計(jì)算機(jī)內(nèi)部噪音的干擾，采集進(jìn)來(lái)的數(shù)據(jù)難免有些誤差，我們將直接采集進(jìn)來(lái)的數(shù)據(jù)首先進(jìn)行濾波處理，這樣會(huì)消除高次諧波干擾，獲得較好的數(shù)據(jù)。將進(jìn)行濾波前后的數(shù)據(jù)曲線進(jìn)行比較，便可以發(fā)現(xiàn)濾波之后的數(shù)據(jù)比較平穩(wěn)，誤差比較小。這樣處理后的數(shù)據(jù)每5個(gè)作為一組，去掉最大值和最小值后在進(jìn)行求取平均值，最后獲得數(shù)據(jù)比較接近真實(shí)值。

在本文設(shè)計(jì)中，由于采多路信號(hào)，而且在主程序中不同的位置進(jìn)行調(diào)用，為了方便，將數(shù)據(jù)采集程序做成子程序。這樣，在調(diào)用時(shí)，只需要對(duì)接口參數(shù)（設(shè)備號(hào)和通道號(hào)）進(jìn)行修改就可以。數(shù)據(jù)采集部分的程序框圖如圖5所示。

3.3 網(wǎng)絡(luò)通信的實(shí)現(xiàn)

本文采用LabVIEW提供了TCP/IP函數(shù)進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)通信，其通信程序分為服務(wù)器和客戶端兩部分程序。服務(wù)器程序要守候在一個(gè)固定網(wǎng)址上等待客戶端程序的請(qǐng)求，客戶端程序則向這網(wǎng)址請(qǐng)求連接，然后得到相應(yīng)的服務(wù)。TCP應(yīng)用程序的網(wǎng)絡(luò)通信基本步驟如下：1）服務(wù)器開始工作，聆聽客戶請(qǐng)求2）客戶建立請(qǐng)求；3）服務(wù)器響應(yīng)并建立連接；4）客戶請(qǐng)求所需要的數(shù)據(jù)；5）服務(wù)器接受請(qǐng)求，并發(fā)送數(shù)據(jù)給客戶。6）客戶端收到數(shù)據(jù)，請(qǐng)求下一數(shù)據(jù)[8]。

服務(wù)器與客戶端之間采用特定通信協(xié)議，進(jìn)行數(shù)據(jù)通信，從實(shí)現(xiàn)不同的操作。通信命令由服務(wù)器發(fā)起，客戶端接受執(zhí)行，客戶端收到信息后，首先檢驗(yàn)地址碼，然后核對(duì)校驗(yàn)位，如果錯(cuò)誤，則放棄，執(zhí)行其他程序。否則，根據(jù)操作碼的內(nèi)容進(jìn)行相應(yīng)操作，發(fā)送信息給服務(wù)器，服務(wù)器接收后采用同樣的方式進(jìn)行信息處理。

4 網(wǎng)絡(luò)測(cè)試分析

在局域網(wǎng)和INTERNET網(wǎng)對(duì)系統(tǒng)測(cè)試分析，在服務(wù)器將不同故障下的特征數(shù)據(jù)（各個(gè)線路的零序電流和中性點(diǎn)零序電壓）通過網(wǎng)絡(luò)發(fā)送客戶端，對(duì)客戶端進(jìn)行在線診斷測(cè)試，測(cè)試的故障類型包括中性點(diǎn)不接地系統(tǒng)和諧振接地系統(tǒng)經(jīng)不同的大小過度電阻接地，每種情況均能取得良好測(cè)試效果，既驗(yàn)證了裝置所采用算法的可靠性，又驗(yàn)證了C/S模式數(shù)據(jù)傳輸?shù)姆€(wěn)定性以及選線系統(tǒng)的良好的通信性能。

應(yīng)用網(wǎng)絡(luò)化虛擬儀器，可以對(duì)比傳統(tǒng)的選線裝置能實(shí)現(xiàn)復(fù)雜的算法，提高選線的準(zhǔn)確率，可以通過先進(jìn)的網(wǎng)絡(luò)技術(shù)對(duì)現(xiàn)場(chǎng)側(cè)裝置進(jìn)行診斷和管理，從技術(shù)和管理兩個(gè)方面提高小電流接地選線系統(tǒng)的性能。

5 結(jié)論

經(jīng)實(shí)際運(yùn)行和性能測(cè)試，系統(tǒng)軟件及硬件各項(xiàng)技術(shù)性能指標(biāo)符合設(shè)計(jì)要求，采用LABVIEW開發(fā)的選線裝置能實(shí)現(xiàn)復(fù)雜的選線算法，提高選線準(zhǔn)確率，C /S模式通信時(shí)，數(shù)據(jù)傳輸穩(wěn)定，以實(shí)現(xiàn)儀器的遠(yuǎn)程測(cè)試與診斷，提高測(cè)試效率。隨著網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的不斷發(fā)展，網(wǎng)絡(luò)化虛擬儀器應(yīng)用將會(huì)進(jìn)一步解決小電流接地系統(tǒng)單相接地故障選線這一難題。

（摘編自《電氣技術(shù)》，原文標(biāo)題為“基于網(wǎng)絡(luò)化虛擬儀器的小電流接地系統(tǒng)故障選線”，作者為皮志勇、孫偉紅等。）