基于虚拟仪器的直流接地故障检测系统

摘   要： 提出了基于虚拟仪器结合PCI采集卡实现的接地故障检测系统的方案，充分利用了虚拟仪器的特点，实现了基于小波变换的先进检测方法，使直流系统的接地故障诊断的准确性有了很大的提高。
关键词： 直流系统； LabVIEW； 小波； 接地故障

    直流系统接地故障一直是电力系统中不容忽视的问题。目前广泛使用的低频信号检测方法由于受到直流系统支路中存在的各种干扰的影响，因而这种方法在检测时存在一定的缺陷[1-2]。利用小波变换[2]对检测到的信号加以分析和处理，能够准确地计算出支路中接地电阻值，弥补了低频信号注入法在直流系统接地检测中存在的不足。
    本文通过采用虚拟仪器[3]并结合PCI采集卡进行直流系统故障检测装置的设计,加速了数据传输的速度，可以充分运用PC机平台上丰富的软件和硬件资源，完成大量的复杂的数据处理、目标显示、参数设置等任务，克服了以往采用单片机设计的检测装置存在的缺点[4]，使系统的可靠性有了很大的提高。
　本文采用的基于虚拟仪器平台的直流配电网的故障检测装置的设计，一个显著的优点就是利用LabVIEW软件强大的图形化编程能力以及灵活多样的数据处理功能，结合先进的小波变换等数字信号处理技术，通过编写直流电网的检测、控制和报警界面，使得故障检测装置对于使用者而言操作更加方便。此外，对于编写检测算法而言，如果程序发生问题或需要改进,在LabVIEW软件环境中也可以在最短的时间内得到解决。
1 现有直流系统接地故障检测原理及其弊端
　直流系统接地检测是通过实时的监控各个支路上的电阻值来判断该路是否发生接地故障：正常情况下，由电路电桥对直流系统正负母线对地绝缘电阻进行连续检测，当电路电桥检测到母线绝缘电阻低于某一界限值时，启动低频信号源，通过安装在每个支路上的电流互感器检测出各支路的电流信号。这时的电流信号主要是注入20 Hz的低频电流，通过套在每个支路上的电流互感器检测各支路的电流信号，对于发生接地故障的支路，其上的电流互感器可以检测到一个由低频信号通过接地电阻产生的低频电流，根据欧姆定律可以计算出支路的接地电阻值，从而判断是否该支路接地。
　但是在实际中，电流互感器检测出的故障信号不仅包含低频电流信号，还包括其他成分，因此在支路电阻计算中会有很大的误差，主要包括以下方面：
   (1) 直流系统各支路存在较大的对地电容。采用低频信号注入法检测接地故障时，由于对地电容的分流作用，没有发生接地的支路也可以检测到低频电流信号。
   (2) 直流系统中会受到直流电源的影响，直流电源一般由三相桥式整流电路构成，这种装置会产生纹波电压，同时通过各支路接地电阻和对地电容在支路中产生纹波电流。
   (3) 直流系统采用环网方式供电来保证重要的控制信号回路供电可靠，但却给接地故障检测带来了一定的困难。采用环网方式运行的支路不是独立的，它可能随着运行方式的改变不断发生变化，此时就会造成支路中存在由环网而产生的谐波电流。
   (4) 各种干扰信号也是支路电流的一个组成部分。对于直流系统，工频干扰是一种主要的干扰方式。
   (5) 电流互感器在测量支路电流时本身也会产生测量噪声。           
　如果能去除干扰，从采样得到的支路电流信号中提取出真实的低频电流向量，就可计算出各支路的接地电阻值，从而判断出故障支路。
2 基于小波变换的接地故障检测
　根据对发生接地故障后支路电流成分的分析可知，支路电流的成分比较复杂，除含有有用的低频特征信号外，还包括基波分量、多次谐波分量和噪声干扰。而小波变换在时域与频域具有良好的局部性，通过相应的小波变换从复杂的原始信号中提取出所关心的某一频率信号的幅值和相位信息。
   基于幅频特性的小波函数具有良好的时域或频域局部化特征，其相应的小波变换能够准确分别出信号中所包含的某一特定频率分量的幅值和相位信息。
   设定支路电流信号为10 mA,初始相位设为π/6的30 Hz低频信号；
　外加的干扰信号包括:幅值分别为15 mA、5 mA、6 mA，初始相位分别为π/3、π/6、π/12的工频、二、三、四次谐波干扰信号，外加零均值的白噪声干扰信号。通过小波变换，提取的30 Hz低频电流波形如图1所示。

   从图1中可以得到低频电流信号的幅值和相位，最终可以计算出支路电阻值，从而判断出故障支路。
3 系统组成
3.1  硬件总体设计
　本文所设计的接地故障检测系统主要包括不平衡电桥及其监测、多路模拟量采集、信号调理转换、低频信号源发生器及其加载电路、PCI采集卡5个部分。系统原理如图2所示。

3.2 不平衡电桥及其监测部分
　不平衡电桥主要功能是监测直流电网正负母线绝缘对地电阻的变化。当发现直流电网对地电阻减小时，则说明有故障支路产生。本文设计的实时监测部分采用双不对称电桥，如图3所示。定量地检测出直流系统对地绝缘程度R2//Rf，当并联电阻值小于20 kΩ时，判定有接地故障发生。

3.3 信号调理转换和模拟量采集部分
　从直流电网中分压得到的多个电压信号，以及从直流电网各条支路中检测到的支路电流信号都需要送入信号采集单元进行采样。其中，系统内需要进行采样的信号有50路支路电流信号、 4路电压信号和低频信号源加载到直流系统正负母线上的实际电压us+、us-，因此装置需要保证信号采集多通道的要求。本文采用的PCI采集卡DAQ2205具有高性能的64路模拟输入通道。
   系统中需要采集的支路电流信号是含有各种噪声和比较微弱的正弦波信号，而PCI采集卡中使用的A/D转换单元只能对电压信号进行采样，因此在对支路电流信号进行采样之前，需要首先经过相应的电流/电压转换。
　为了提高支路电流信号的信噪比,滤除高频噪声,系统设计了一个二阶低通滤波电路。结合实际情况，本监测装置取的截至频率为500 Hz。
3.4 低频信号源发生器
　本文的检测装置中，低频信号是依据直接数字频率合成信号发生器的原理实现的。
　这里的数模转换采用PCI采集卡中自带的D/A转换单元结合LabVIEW平台编程实现，过程如下：
   判断需要开启信号源后，程序设定好定时时间，并按时启动一个D/A转换，将预定义好的正弦波形数据输出到D/A转换单元。通过调整软件的计数值和预定义正弦数据，即可精确实现任意周期甚至是任意波形的输出控制。
3.5 加载电路
   加载电路的功能是将低频信号发生部分产生的较低幅值的低频电压信号经过功率放大和升压变换后通过一定的电路加载到直流系统正负母线上。
   由低频信号发生单元产生的低频电压信号功率较低，首先需要进行功率放大。装置中使用功率放大器设计实现了一个功率放大电路，能够有效提高低频电压信号的功率。功率放大后的低频电压信号幅值仍然较低，一般为＋5 V,如果直接加载到直流系统正负母线上，其通过接地电阻和对地电容在支路中产生的低频电流幅值很小，一般为零点几毫安。这样微弱的电流信号在直流系统存在较强的噪声干扰时很容易被淹没，因此需要适当地提高加载到正负母线上的低频电压幅值。本系统装置中，通过控制变压器来完成低频电压的升高。
3.6 PCI采集卡
   在本系统中,为了实现多路模拟信号的输入和低频信号的发生,采用AD-LINK生产的DAQ-2205系列PCI板卡来完成数据采集。该板卡具有64路模拟量输入接口，16位A/D分辨率，最高采样频率可达500 kHz，并且板卡上载有1 KB采样A/D FIFO。同时,采集卡还自带2路带波形发生功能的12位分辨率的D/A输出通道，最高刷新率达1 MS/s,其FIFO缓存有1 024个点。
　另外该板卡附带有与LabVIEW接口的驱动程序，可以方便地在LabVIEW平台下实现对信号的实时采集与控制。
4 系统软件设计
　LabVIEW(Laboratory Virtual Instrument Engineering Workbench)是一种图形化的编程语言。它广泛地被工业界、学术界和研究实验室所接受，被视为一个标准的数据采集和仪器控制软件。LabVIEW集成了与满足GPIB、VXI、RS-232和RS-485协议的硬件及数据采集卡通信的全部功能。它还内置了便于应用TCP/IP、ActiveX等软件标准的库函数，是一个功能强大且灵活的软件。利用它可以方便地建立自己的虚拟仪器，其图形化的界面使得编程及使用过程都生动有趣。本文应用美国NI公司LabVIEW系统开发平台结合PCI数据采集卡[5](DAQ)，通过数据采集、低频信号的D/A转换以及对接地电阻的判断等实现直流系统接地故障诊断。LabVIEW 强大的数据处理能力、丰富的数据表达方式和高效率，有力地支持和加快了系统的研制速度。
   系统主要工作过程如下：
   (1) 正负母线对地绝缘电阻的实时监测；
   (2) 判断接地故障后系统报警；
   (3) 启动低频信号发生器；
   (4) 对低频电压进行采样；
   (5) 检测各个支路的电流信号，并用小波算法进行分析和电阻值的计算。
　系统的软件设计主要包括低频信号源的直流支路注入、数据采集、信号处理和接地电阻计算4个部分。
4.1 低频信号源的直流支路注入
   低频信号发生部分的主要功能是根据上层软件的测量要求，发出指定频率的正弦交流信号，通过设定好的D/A值完成低频信号产生的任务。由于LabVIEW本身提供了大量的控制对象，包含有专门用于设计数据采集程序和控制程序的功能库和开发工具库。本文采用NI公司的LabVIEW PnP 1.24驱动程序来实现A/D采集和D/A转换单元。低频信号发生部分的程序框图如图4所示。

4.2 数据采集
   信号的采集部分在整个程序中至关重要。其参数设置正确与否,直接影响到后边对直流接地故障的计算与分析。
　数据采集部分的参数设置主要包括：
   (1) Device：用来控制PCI2205数据采集板在计算机内的初始化信息；
   (2) Channels：用来选择要工作的数据采集通道；
   (3) Scan Rate：用来控制系统的采样频率；
   (4) Buffer size：用来控制数据缓存区的大小；
   (5) Input config：设置信号采样的单双端模式。
　数据采集程序框图如图5所示。

4.3信号处理模块
　带阻滤波器：对于直流系统，工频干扰是一种主要的干扰形式,为此系统引入带阻滤波器滤除工频50 Hz的干扰。
　LabVIEW中带阻滤波器滤波函数如图6所示。

4.4 接地电阻计算及故障分析
　系统中的数据分析部分采用基于小波变换[6]的先进算法来对接地故障进行处理。小波去噪系统采用以下两种消噪处理方法：
   (1) 默认阈值消噪处理：对支路电流信号利用默认阈值确定函数产生信号的默认值对信号进行消噪处理，由系统产生的默认参数有：软硬阈值的选取、阈值的确定、信号低频部分的处理方式。
   (2) 自定义自动消噪处理：由默认产生的参数进行信号消噪有时不如根据经验获得参数消噪具有可信度，本文同时设计了自动消噪函数来自定义确定消噪的参数,如:阈值选取规则、软硬阈值的选取、阈值的调整形式。
　根据处理后的两种电流信号将每一路的电阻值计算出来并进行参考，从而找出故障支路。
　本文在虚拟仪器平台下采用LabVIEW与Matlab接口编程技术实现了小波算法及故障分析,如图7所示，通过在Matlab模块中编写消噪程序并发布COM组件，再通过LabVIEW引用其生成的COM对象，使开发复杂的先进算法的周期大大缩短，并且采用这种方法有效地保证了系统的信号分析的准确可靠。

5 系统测试
   在直流接地故障检测系统测试中，通过一个20 k 赘的接地电阻和一个6 μF的对地电容，在直流电网某一支路中人为地产生正极一点接地故障。系统对加载到模拟直流电网正母线上的低频电压信号和支路电流进行采样，采样频率为1 000 Hz，采样点数为1 000 。经系统处理后得到的低频电压幅值为Us+=23.706 6 V，采样初始时刻相位Φ+=-0.008 6，低频电流幅值I=15.224 8，采样初始时刻相位Φ=1.536 7，得出接地电阻为20.148 9 kΩ。从结果可以验证系统对直流接地故障检测的准确性。
   本文设计的直流系统接地故障检测装置基于LabVIEW强大的数据处理能力和PCI总线高速的数据传输能力，实时性好，准确性高，在实际应用中取得了很好的效果。同时系统的软件部分在LabVIEW平台下有很好的扩展性，为系统的进一步完善设计提供了一个良好的开发平台。
参考文献
[1]  李冬辉，史临潼.发电厂和变电站直流系统接地故障检测总体方案[J]．电网技术，2005，29(1)：56-59．
[2]  李冬辉，任晓栋．基于复值小波变换的直流系统接地故障检测[J]．中国电力，2003，36(11)：12-14．
[3]  陈栋，岳林．LabVIEW和PCI_4472虚拟测试仪器的研制[J]．中国测试技术，2005，31(3)：118-120．
[4]  费万民，张艳莉，吕征宇，等．基于新原理的直流接地故障检测仪[J]．电力系统自动化，2002,34(8)：51-53．
[5]  刘君华, 贾惠芹, 丁晖,等. 虚拟仪器图形化编程语言LabVIEW教程[M]. 西安：西安电子科技大学出版社,
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[6]  彭玉花.小波变换与工程应用.北京：科学出版社,2002.
[7]  李冬辉，周巍巍．基于ARM微处理器的直流系统接地故障检测装置的设计与实现[J]．低压电器，2000(2)：55-58．