虛擬接地構建虛擬接地的方法

小電流接地系統(tǒng)發(fā)生單相接地故障時，準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。目前現有的選線裝置在技術和管理方面都有一定的不足之處，本文采用基于C/S模式的網絡化虛擬儀器技術設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，可以方便的實現復雜的選線算法，有可以縮短開發(fā)周期，并且可以通過網絡實現對選線裝置的管理，可以從技術和管理兩個方面提高選線裝置的性能。

我國大多數配電網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)和中性點經消弧線圈接地系統(tǒng)。當發(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,損壞設備,破壞安全運行,應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持續(xù)了將近二十年，但是應用一直不是很理想。

選線問題的解決，一要靠技術進步，二要靠管理創(chuàng)新，二者相輔相成，缺一不可。技術方面，現有的目前的采用選線裝置判據不完備，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據采集和處理方面的難度很大，裝置不僅要求有高速的數據采集系統(tǒng)和強大的處理功能，并且具有大量數據的存儲和遠程數據通信的能力。還要實現方便復雜的選線算法。管理方面，由于小電流裝置在現場中屬于一種輔助設備, 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據[2]。

隨著計算機網絡技術和現代測試技術的發(fā)展，網絡化虛擬儀器應運而生，使人們可以從任和分散的地點獲得測試數據，比以往虛擬儀器技術有了質的飛躍[3]。本文采用基于LABVIEW設計的網絡化虛擬儀器，在技術上可以實現高速數據采集和復雜算法的實現，管理上可以網絡進行對現場裝置數據管理和遠程監(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證據理論的信息融合方法進行選線，大大提高了選線判斷的準確性。

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造相應的故障測度，然后采用DS證據理論對進行融合。證據理論融合的過程是：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，構造基本信度分配函數，首先，對上述三種算法建立故障測度，根據分配函數可將故障測度值影射為滿足證據理論要求的基本信度值。第三，證據融合。按照證據理論提供的組合算法，實現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 證據理論選線算法流程圖

2硬件構架

2.1 總體結構

C/S工作模式（客戶端與服務器模式）在設備遠程狀態(tài)監(jiān)測和故障診斷的設計方面是較為理想的模式，本文采用基于這種模式設計網絡化虛擬儀器，實現小電流接地系統(tǒng)故障選線。其總體結構如圖2所示。

圖2 選線系統(tǒng)總體結構

2.2信號轉化和調理部分

現場的中性點零序電壓和各條線路零序電流經PT/CT完成由強電到弱電的隔離轉換。這里采用的是電壓互感器SPT204A，電流互感器SCT254AX。信號調理電路將經PT/CT隔離、變換后的電壓電流信號進行濾波、電平轉換，轉換為標準的0—5V的電壓信號，送入數據采集卡PCI6014，供計算機采集處理。

2.3 數據采集和處理部分

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據采集，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 開關量輸出部分

開關量輸出部分主要用來將選線結果、系統(tǒng)狀況等狀態(tài)信息輸出并遠傳，開關量輸出信號由軟件以編碼方式發(fā)給PCI-6014采集卡，由采集卡的開關量輸出口輸出給開關量板，經譯碼、放大后驅動繼電器輸出。

2.5 網絡通信部分

網絡模式采用C/S組網模式，客戶端計算機位于現場側，一般選擇性能好的工控機。通過數據采集卡PCI6014經PCI總線與現場設備進行數據通信，并通過Internet網連接到服務器計算機，實現對測試數據遠傳和對裝置遠程監(jiān)控。

采用虛擬儀器技術可以大大簡化硬件部分設計,傳統(tǒng)測試系統(tǒng)的A/D轉換,采樣保持以及數據通信登功能集成在通用數據采集卡中,由計算機完成數據處理功能。用戶可以根據不同需求采用不同的傳感器和編寫相應的程序即可實現要求的測試功能，大大增強了系統(tǒng)的靈活性。

3軟件設計

系統(tǒng)的軟件設計包括客戶端部分和服務器部分的設計，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)和數據采集系統(tǒng)可以大大簡化程序設計[6]。

3.1 總體功能

客戶端主要實現數據采集，數據處理，故障記錄的存儲和查詢，生成報表以及與服務器端的網絡通信，上傳故障信息或接收執(zhí)行服務器的命令。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

服務器主要功能是發(fā)生故障時接收客戶端上傳的數據，作為改進和完善選線方法的樣本，定期向對客戶端進行在線診斷，向客戶端發(fā)送故障特征數據檢驗其判斷結果。通過網絡實現遠程管理。

圖4 軟件流程圖

3.2 數據采集的實現

在使用數據采集卡之前，必須進行配置。數據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方便的操作PCI-6014。LabVIEW的數據采集函數位于函數模板的DATA ACQUISITION子模板中。該模板根據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，數字輸入，數字輸出，數字I/O，計數器，校準器和配置，信號調理。用戶可根據不同的需要進行選擇。

本文中的程序實現過程如下：利用analog input子模板中的ai sample channel vi函數進行數據采集，該函數可以實現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進行設置，包括設備號，通道號和上下限。

圖5 數據采集部分的程序框圖

采集進來的數據為波形數據，我們將其轉換為一個一維數組，以方便我們使用，由于采集卡至于計算機內部，受到計算機內部噪音的干擾，采集進來的數據難免有些誤差，我們將直接采集進來的數據首先進行濾波處理，這樣會消除高次諧波干擾，獲得較好的數據。將進行濾波前后的數據曲線進行比較，便可以發(fā)現濾波之后的數據比較平穩(wěn)，誤差比較小。這樣處理后的數據每5個作為一組，去掉最大值和最小值后在進行求取平均值，最后獲得數據比較接近真實值。

在本文設計中，由于采多路信號，而且在主程序中不同的位置進行調用，為了方便，將數據采集程序做成子程序。這樣，在調用時，只需要對接口參數（設備號和通道號）進行修改就可以。數據采集部分的程序框圖如圖5所示。

3.3 網絡通信的實現

本文采用LabVIEW提供了TCP/IP函數進行網絡通信，其通信程序分為服務器和客戶端兩部分程序。服務器程序要守候在一個固定網址上等待客戶端程序的請求，客戶端程序則向這網址請求連接，然后得到相應的服務。TCP應用程序的網絡通信基本步驟如下：1）服務器開始工作，聆聽客戶請求2）客戶建立請求；3）服務器響應并建立連接；4）客戶請求所需要的數據；5）服務器接受請求，并發(fā)送數據給客戶。6）客戶端收到數據，請求下一數據[8]。

服務器與客戶端之間采用特定通信協(xié)議，進行數據通信，從實現不同的操作。通信命令由服務器發(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，根據操作碼的內容進行相應操作，發(fā)送信息給服務器，服務器接收后采用同樣的方式進行信息處理。

4 網絡測試分析

在局域網和INTERNET網對系統(tǒng)測試分析，在服務器將不同故障下的特征數據（各個線路的零序電流和中性點零序電壓）通過網絡發(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模式數據傳輸的穩(wěn)定性以及選線系統(tǒng)的良好的通信性能。

應用網絡化虛擬儀器，可以對比傳統(tǒng)的選線裝置能實現復雜的算法，提高選線的準確率，可以通過先進的網絡技術對現場側裝置進行診斷和管理，從技術和管理兩個方面提高小電流接地選線系統(tǒng)的性能。

5 結論

經實際運行和性能測試，系統(tǒng)軟件及硬件各項技術性能指標符合設計要求，采用LABVIEW開發(fā)的選線裝置能實現復雜的選線算法，提高選線準確率，C /S模式通信時，數據傳輸穩(wěn)定，以實現儀器的遠程測試與診斷，提高測試效率。隨著網絡技術的不斷發(fā)展，網絡化虛擬儀器應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》，原文標題為“基于網絡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。）