虛擬接地

小電流接地系統(tǒng)發(fā)生單相接地故障時，準(zhǔn)確檢出故障線路對快速排除故障、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編程實現(xiàn)，可以方便的實現(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)實現(xiàn)對選線裝置的管理，可以從技術(shù)和管理兩個方面提高選線裝置的性能。

我國大多數(shù)配電網(wǎng)均采用中性點不直接接地系統(tǒng),即小電流接地系統(tǒng),包括中性點不接地系統(tǒng)和中性點經(jīng)消弧線圈接地系統(tǒng)。當(dāng)發(fā)生單相接地故障時,由于故障點電流較小,而且不影響對負(fù)荷的正常供電,一般允許繼續(xù)運行1～2h[1] 。但隨著饋線的增多,電容電流也在增大,長時間運行易使故障擴大成兩點或多點接地造成短路,弧光接地還可能引起全系統(tǒng)過電壓,損壞設(shè)備,破壞安全運行,應(yīng)及時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)和強大的處理功能，并且具有大量數(shù)據(jù)的存儲和遠程數(shù)據(jù)通信的能力。還要實現(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)的后臺管理系統(tǒng)，實時在線監(jiān)測選線裝置的運行情況，對裝置進行在線診斷，并為完善和改進選線方法收集樣本積累數(shù)據(jù)[2]。

隨著計算機網(wǎng)絡(luò)技術(shù)和現(xiàn)代測試技術(shù)的發(fā)展，網(wǎng)絡(luò)化虛擬儀器應(yīng)運而生，使人們可以從任和分散的地點獲得測試數(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)計的網(wǎng)絡(luò)化虛擬儀器，在技術(shù)上可以實現(xiàn)高速數(shù)據(jù)采集和復(fù)雜算法的實現(xiàn)，管理上可以網(wǎng)絡(luò)進行對現(xiàn)場裝置數(shù)據(jù)管理和遠程監(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,本方法先對上述三種算法構(gòu)造相應(yīng)的故障測度，然后采用DS證據(jù)理論對進行融合。證據(jù)理論融合的過程是：首先，建立識別框架，來表征一個判決問題所有可能的結(jié)論。本問題的識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，對上述三種算法建立故障測度，根據(jù)分配函數(shù)可將故障測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，實現(xiàn)對上述三種測度信息的融合。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度，做出最終選線決策[5]。整個算法的流程圖如圖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)備遠程狀態(tài)監(jiān)測和故障診斷的設(shè)計方面是較為理想的模式，本文采用基于這種模式設(shè)計網(wǎng)絡(luò)化虛擬儀器，實現(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信號轉(zhuǎn)化和調(diào)理部分

現(xiàn)場的中性點零序電壓和各條線路零序電流經(jīng)PT/CT完成由強電到弱電的隔離轉(zhuǎn)換。這里采用的是電壓互感器SPT204A，電流互感器SCT254AX。信號調(diào)理電路將經(jīng)PT/CT隔離、變換后的電壓電流信號進行濾波、電平轉(zhuǎn)換，轉(zhuǎn)換為標(biāo)準(zhǔn)的0—5V的電壓信號，送入數(shù)據(jù)采集卡PCI6014，供計算機采集處理。

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，可以進行實時高精度的多通道數(shù)據(jù)采集，采樣的速率和精度可以達到選線系統(tǒng)的要求。計算機通過采集卡采樣中性點零序電壓和各條線路的零序電流，通過軟件進行選線操作。

2.4 開關(guān)量輸出部分

開關(guān)量輸出部分主要用來將選線結(jié)果、系統(tǒng)狀況等狀態(tài)信息輸出并遠傳，開關(guān)量輸出信號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，客戶端計算機位于現(xiàn)場側(cè)，一般選擇性能好的工控機。通過數(shù)據(jù)采集卡PCI6014經(jīng)PCI總線與現(xiàn)場設(shè)備進行數(shù)據(jù)通信，并通過Internet網(wǎng)連接到服務(wù)器計算機，實現(xiàn)對測試數(shù)據(jù)遠傳和對裝置遠程監(jiān)控。

采用虛擬儀器技術(shù)可以大大簡化硬件部分設(shè)計,傳統(tǒng)測試系統(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,由計算機完成數(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)的程序即可實現(xiàn)要求的測試功能，大大增強了系統(tǒng)的靈活性。

3軟件設(shè)計

系統(tǒng)的軟件設(shè)計包括客戶端部分和服務(wù)器部分的設(shè)計，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)計語言G(Graphic)，用框圖代替了傳統(tǒng)的程序代碼。利用它組建儀器測試系統(tǒng)和數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)可以大大簡化程序設(shè)計[6]。

3.1 總體功能

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

圖3 軟件運行界面

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

圖4 軟件流程圖

3.2 數(shù)據(jù)采集的實現(xiàn)

在使用數(shù)據(jù)采集卡之前，必須進行配置。數(shù)據(jù)采集卡一般有多個通道，因此必須對要使用的通道進行配置。一般常用安裝程序自帶的軟件MAX來對采集卡進行通道配置，如通道名，輸入輸出類型，測量類型，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，計數(shù)器，校準(zhǔn)器和配置，信號調(diào)理。用戶可根據(jù)不同的需要進行選擇。

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)進行數(shù)據(jù)采集，該函數(shù)可以實現(xiàn)對指定通道號的信號進行測量，并返回測量的電壓值。在使用之前要對其端口參數(shù)進行設(shè)置，包括設(shè)備號，通道號和上下限。

圖5 數(shù)據(jù)采集部分的程序框圖

采集進來的數(shù)據(jù)為波形數(shù)據(jù)，我們將其轉(zhuǎn)換為一個一維數(shù)組，以方便我們使用，由于采集卡至于計算機內(nèi)部，受到計算機內(nèi)部噪音的干擾，采集進來的數(shù)據(jù)難免有些誤差，我們將直接采集進來的數(shù)據(jù)首先進行濾波處理，這樣會消除高次諧波干擾，獲得較好的數(shù)據(jù)。將進行濾波前后的數(shù)據(jù)曲線進行比較，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個作為一組，去掉最大值和最小值后在進行求取平均值，最后獲得數(shù)據(jù)比較接近真實值。

在本文設(shè)計中，由于采多路信號，而且在主程序中不同的位置進行調(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，只需要對接口參數(shù)（設(shè)備號和通道號）進行修改就可以。數(shù)據(jù)采集部分的程序框圖如圖5所示。

3.3 網(wǎng)絡(luò)通信的實現(xiàn)

本文采用LabVIEW提供了TCP/IP函數(shù)進行網(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固定網(wǎng)址上等待客戶端程序的請求，客戶端程序則向這網(wǎng)址請求連接，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，聆聽客戶請求2）客戶建立請求；3）服務(wù)器響應(yīng)并建立連接；4）客戶請求所需要的數(shù)據(jù)；5）服務(wù)器接受請求，并發(fā)送數(shù)據(jù)給客戶。6）客戶端收到數(shù)據(jù)，請求下一數(shù)據(jù)[8]。

服務(wù)器與客戶端之間采用特定通信協(xié)議，進行數(shù)據(jù)通信，從實現(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，首先檢驗地址碼，然后核對校驗位，如果錯誤，則放棄，執(zhí)行其他程序。否則，根據(jù)操作碼的內(nèi)容進行相應(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行信息處理。

4 網(wǎng)絡(luò)測試分析

在局域網(wǎng)和INTERNET網(wǎng)對系統(tǒng)測試分析，在服務(wù)器將不同故障下的特征數(shù)據(jù)（各個線路的零序電流和中性點零序電壓）通過網(wǎng)絡(luò)發(fā)送客戶端，對客戶端進行在線診斷測試，測試的故障類型包括中性點不接地系統(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試效果，既驗證了裝置所采用算法的可靠性，又驗證了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，可以對比傳統(tǒng)的選線裝置能實現(xiàn)復(fù)雜的算法，提高選線的準(zhǔn)確率，可以通過先進的網(wǎng)絡(luò)技術(shù)對現(xiàn)場側(cè)裝置進行診斷和管理，從技術(shù)和管理兩個方面提高小電流接地選線系統(tǒng)的性能。

5 結(jié)論

經(jīng)實際運行和性能測試，系統(tǒng)軟件及硬件各項技術(shù)性能指標(biāo)符合設(shè)計要求，采用LABVIEW開發(fā)的選線裝置能實現(xiàn)復(fù)雜的選線算法，提高選線準(zhǔn)確率，C /S模式通信時，數(shù)據(jù)傳輸穩(wěn)定，以實現(xiàn)儀器的遠程測試與診斷，提高測試效率。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)用將會進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。）