利用PCI2006 數(shù)據(jù)采集卡實(shí)現(xiàn)諧振接地系統(tǒng)的故障選線

鄒 暉，于 蒙，豆占良

(華北電力大學(xué) 電氣與電子工程學(xué)院，北京102206)

0 引言

在現(xiàn)代社會(huì)獲取信息的方式多種多樣，準(zhǔn)確、迅速地獲取顯得至關(guān)重要。在電力系統(tǒng)中，需要實(shí)時(shí)地采集電壓電流信號(hào)傳輸給控制系統(tǒng)，通過保護(hù)裝置的正常工作，確保電力系統(tǒng)的安全運(yùn)行。諧振接地系統(tǒng)就是電網(wǎng)的中性點(diǎn)經(jīng)消弧線圈接地的系統(tǒng)，當(dāng)發(fā)生單相接地故障時(shí)，通過消弧線圈的補(bǔ)償作用可以有效抑制弧光接地過電壓，并降低接地故障電流，而控制消弧線圈，就需要根據(jù)采集到的線路信號(hào)來具體操作。但與此同時(shí)，非故障相對(duì)地的電壓都升高了，如果不及時(shí)找出故障線路，長(zhǎng)時(shí)間在此工頻過電壓下運(yùn)行，對(duì)于絕緣設(shè)備老化的線路和設(shè)備，很容易發(fā)展成第2 點(diǎn)或多點(diǎn)擊穿，導(dǎo)致事故擴(kuò)大，危及人身和設(shè)備安全。因此，準(zhǔn)確的故障選線變得至關(guān)重要［1，2］。

要想實(shí)現(xiàn)準(zhǔn)確的故障選線，就需要可靠、穩(wěn)定的控制系統(tǒng)作為支持。一個(gè)控制系統(tǒng)需要實(shí)時(shí)采集大量的數(shù)據(jù)來分析各種情況，然后采取不同的措施。本文采用阿爾泰科技公司的PCI2006 數(shù)據(jù)采集卡，它的采樣頻率很高，能滿足自動(dòng)跟蹤補(bǔ)償裝置實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)與控制的相關(guān)功能，且具有使用方便、性能穩(wěn)定、性價(jià)比高等特點(diǎn)。結(jié)合諧振接地系統(tǒng)相關(guān)知識(shí)，把PCI2006 數(shù)據(jù)采集卡應(yīng)用于控制系統(tǒng)中，來實(shí)現(xiàn)故障選線。

1 零序電流增量法

諧振接地系統(tǒng)的故障選線就是當(dāng)諧振接地系統(tǒng)發(fā)生接地故障，快速準(zhǔn)確地找出故障線路的技術(shù)。國(guó)內(nèi)外學(xué)者提出了大量不同的故障選線方法，主要有首半波法、小波法、零序電流增量法(殘留增量法)等。

首半波法是利用發(fā)生故障后的第一個(gè)半周期，由于故障線路與非故障線路的零序電流高頻分量方向相反，與零序電壓的相位關(guān)系也相反，且故障線路的零序電流高頻分量最大，利用這個(gè)特征進(jìn)行諧振接地系統(tǒng)的故障選線。

小波法就是基于小波變化的故障選線方法，是通過對(duì)零序電壓、零序電流進(jìn)行奇異性檢測(cè)，確定它們?cè)诠收虾笸蛔儾糠值臉O性和大小，比較其在各條出線上的不同情況，從而識(shí)別出故障選線［3］。

就目前現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用的普遍情況看，在諧振接地系統(tǒng)的所有故障選線方法中零序電流增量法準(zhǔn)確率最高，可靠性最強(qiáng)，應(yīng)用最為普遍。下面將詳細(xì)介紹零序電流增量法。

零序電流增量法的原理是:在電網(wǎng)發(fā)生單相永久性接地故障的情況下，改變消弧線圈的檔位，則消弧線圈參數(shù)的改變引起的補(bǔ)償電流的變化只會(huì)反應(yīng)在故障線路的零序電流中。這樣，通過對(duì)比找出零序電流變化與補(bǔ)償電流變化相符的線路，就可以確定為發(fā)生永久性接地故障的線路。

如圖1 所示為一個(gè)補(bǔ)償電網(wǎng)系統(tǒng)零序電流分布圖，電網(wǎng)共有n 條支路，設(shè)支路i 的C 相經(jīng)電阻Rd發(fā)生單相接地。圖中，i 代表故障線路，j 代表非故障線路，Ri，Rj為線路等效電阻，Ci，Cj為線路對(duì)地電容，RL，L 為消弧線圈的等效電阻和電抗，Rd為接地電阻，0為中性點(diǎn)電壓。

圖1 諧振接地系統(tǒng)零序電流分布圖Fig．1 Zero sequence current distribution in resonant grounding system

如圖1 所示，非故障線路i 的零序電流為

消弧線圈支路零序電流為

故障線路i 的零序電流為

中性點(diǎn)零序電壓為

而各支路零序電流變化量為

非故障線路:

故障線路:

式中:RL，L 為故障前消弧線圈的等效電阻和電抗;RL'，L'為故障后消弧線圈的等效電阻和電抗;'和分別是消弧線圈支路故障前后的零序電流［4，5］。

由以上兩式可以看出，正常線路的零序電流不會(huì)發(fā)生變化，只有故障線路的零序電流會(huì)發(fā)生變化，而且Δ與消弧線圈變檔前的中性點(diǎn)電壓、消弧線圈改變的大小密切相關(guān)。所以需要在控制系統(tǒng)中掌握消弧線圈的參數(shù)，及時(shí)準(zhǔn)確地采集中性點(diǎn)電壓以及各條線路的零序電流，通過編寫的程序算法，就能實(shí)現(xiàn)諧振接地系統(tǒng)的故障選線。

根據(jù)實(shí)際現(xiàn)場(chǎng)情況，考慮線路的白噪聲信號(hào)，如果零序電流增量不是很大，再經(jīng)過二次設(shè)備，會(huì)衰減到一個(gè)更小的值，難以用以上的方法實(shí)現(xiàn)故障選線。與此同時(shí)，若為了選線而進(jìn)一步增大電感電流變化量，雖然是提高了選線的準(zhǔn)確率，但是增大了故障點(diǎn)的殘流，既不利于消弧，還會(huì)加重故障程度，使故障有可能往更嚴(yán)重的方向發(fā)展。鑒于此，考慮到對(duì)信號(hào)進(jìn)行改進(jìn)后再處理。從統(tǒng)計(jì)學(xué)角度分析，現(xiàn)場(chǎng)的白噪聲信號(hào)都是隨機(jī)信號(hào)，如果把信號(hào)多次疊加(次數(shù)趨于無窮)，那么總的代數(shù)和就會(huì)趨近于零。所以當(dāng)采集到弱信號(hào)后，疊加多個(gè)周波信號(hào)，對(duì)于故障線路而言，消弧線圈調(diào)檔前后的零序電流值是固定的，相當(dāng)于把有用的信號(hào)放大了求和次數(shù)倍。同時(shí)，疊加后的白噪聲信號(hào)的數(shù)值會(huì)越來越小，從有用的信號(hào)中區(qū)別開來，保證了選線的準(zhǔn)確率。本文將采用此改進(jìn)的零序電流增量法來選出故障線路。

2 PCI 2006 數(shù)據(jù)采集卡

根據(jù)上述分析的改進(jìn)零序電流增量法，要想滿足現(xiàn)場(chǎng)的需要，采集卡必須有足夠多的通道來采集各條線路的零序電流和中性點(diǎn)電壓。同時(shí)數(shù)據(jù)采集卡的采樣頻率必須足夠高，以滿足自動(dòng)跟蹤補(bǔ)償裝置實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)與控制的相關(guān)功能，另外再考慮造價(jià)等方面的因素，本文采用阿爾泰科技公司的PCI 2006 型數(shù)據(jù)采集卡。它是一種基于PCI總線的數(shù)據(jù)采集卡，可直接插在IBM-PC/AT 或與之兼容的計(jì)算機(jī)內(nèi)的任一PCI 插槽中，構(gòu)成數(shù)據(jù)采集、波形分析和處理系統(tǒng)，具有很強(qiáng)的通用性。采集卡的最高采樣速率為400 kHz (2.5 μs/點(diǎn))，最低采樣速率為39 Hz (約25 ms/點(diǎn))，轉(zhuǎn)換精度為14 位(Bit)。它擁有32 路單端模擬信號(hào)采集通道，能夠滿足現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際電壓、電流對(duì)于信號(hào)通道數(shù)目的要求，而且有16 路數(shù)字量輸入(DI)通道，用以檢測(cè)現(xiàn)場(chǎng)各個(gè)開關(guān)量(消弧線圈各檔位開關(guān))的開通和關(guān)斷狀態(tài)，16 路數(shù)字量輸出(DO)通道，用以控制現(xiàn)場(chǎng)各個(gè)開關(guān)量的開通和關(guān)斷。把PCI2006 數(shù)據(jù)采集卡插在研華工控機(jī)的PCI 插槽中，作為控制系統(tǒng)，對(duì)系統(tǒng)的各種情況進(jìn)行分析控制，各部件關(guān)系如圖2 所示［6］。

圖2 控制系統(tǒng)各部件的連接圖Fig．2 Relationship of various components in the control system

PCI2006 數(shù)據(jù)采集卡還可以應(yīng)用于許多數(shù)據(jù)采集的場(chǎng)合，可以與工控機(jī)、單片機(jī)、PLC 等硬件結(jié)合，配合其他的控制電路構(gòu)成控制系統(tǒng)，完成分析控制的任務(wù)。

3 零序電流增量法的軟件實(shí)現(xiàn)

本文研華工控機(jī)控制系統(tǒng)的開發(fā)軟件采用Visual Basic (簡(jiǎn)稱VB)，它是一種可視化的、面向?qū)ο蠛筒捎檬录?qū)動(dòng)方式的結(jié)構(gòu)化高級(jí)程序設(shè)計(jì)語言，可用于開發(fā)Windows 環(huán)境下的各類應(yīng)用程序。在軟件開發(fā)的過程中，需要先對(duì)PCI2006數(shù)據(jù)采集卡進(jìn)行數(shù)據(jù)類型的自定義，之后對(duì)其各個(gè)參數(shù)進(jìn)行相應(yīng)設(shè)置。在模塊中進(jìn)行數(shù)據(jù)類型的自定義如下［7］:

根據(jù)諧振接地系統(tǒng)的實(shí)際情況，編寫一套VB程序，在工控機(jī)上實(shí)現(xiàn)諧振接地系統(tǒng)的故障選線。具體的實(shí)現(xiàn)方法是:利用PCI2006 數(shù)據(jù)采集卡，在無故障時(shí)，高速采集每條線路的零序電流信號(hào)和中性點(diǎn)電壓信號(hào)，A/D 轉(zhuǎn)換后自動(dòng)寫入采集卡的大容量循環(huán)存儲(chǔ)器中。當(dāng)發(fā)生故障，中性點(diǎn)電壓有較大變化，系統(tǒng)所測(cè)量的中性點(diǎn)電壓幅值超過設(shè)定的門檻值時(shí)，采集單元發(fā)出信號(hào)立刻記錄此時(shí)時(shí)刻，并激活定時(shí)電路。待設(shè)定的時(shí)間過后，啟動(dòng)選線模塊，采集數(shù)據(jù)，然后發(fā)出數(shù)字量信號(hào)調(diào)整消弧線圈的檔位繼續(xù)采集數(shù)據(jù)，采集設(shè)定的周波后再調(diào)回原來的檔位采集數(shù)據(jù)，接著CPU 響應(yīng)外部中斷，在中斷的過程中讀取存儲(chǔ)器中的指定長(zhǎng)度數(shù)據(jù)，并對(duì)該數(shù)據(jù)進(jìn)行分析處理。軟件的具體選線過程流程圖如圖3 所示［8］。

圖3 故障選線流程圖Fig．3 Software flow chart of line selection

4 實(shí)例驗(yàn)證

以華東某地區(qū)的一個(gè)變電站為例，它有兩段母線，第一段母線有12 條出線，第二段母線有5條出線。選擇第二段母線的數(shù)據(jù)來搭建外部物理模型，模擬實(shí)際的系統(tǒng)(包括各條出線以及中性點(diǎn)的調(diào)容式消弧線圈)，把電壓變?yōu)閷?shí)際的1/100，電流降低為實(shí)際的1/20，則電感和電阻變?yōu)閷?shí)際的1/5，電容和電導(dǎo)變?yōu)閷?shí)際的5 倍，相當(dāng)于與二次側(cè)的參數(shù)。物理模型設(shè)置5 條饋電線路，只模擬出各條線路的對(duì)地電容(在檢測(cè)零序電流時(shí)，接地電容起主要的作用)，模擬的各條線路對(duì)地電容分別為:C01= 8 μF，C02= 8 μF，C03=0.33μF，C04=0.68 μF，C05=0.68 μF (各個(gè)電容值已轉(zhuǎn)換，而且為一相的電容值)，中性點(diǎn)的調(diào)容式消弧線圈的電感L =95.8 mH，阻尼電阻為R=5.5 Ω，每檔之間的電容差值ΔC=5.5 μF。

10 kV 電網(wǎng)物理模型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖4 所示。

圖4 10 kV 電網(wǎng)物理模型拓?fù)鋱DFig．4 Topological diagram 10 kV grid model

連接外部物理模型時(shí)，PCI2006 數(shù)據(jù)采集卡的模擬量采集端口的0 通道采集中性點(diǎn)電壓，模擬量采集端口的1 ～5 通道采集各條線路的零序電流，數(shù)字量通道連接消弧線圈的開關(guān)，通過Visual Basic 編程初始化采集卡。采集卡采樣時(shí)，1 個(gè)周波采集20 個(gè)采樣點(diǎn)，采集20 個(gè)周波后疊加對(duì)應(yīng)時(shí)刻的采樣值，設(shè)定中性點(diǎn)電壓門檻值為25 V，6 條通道(其中5 條采集各條線路的零序電流，1 條采集中性點(diǎn)電壓)，采樣頻率1 kHz，中性點(diǎn)消弧線圈的檔位通過采集卡的數(shù)字量輸入、輸出端口控制開關(guān)通斷。定時(shí)電路設(shè)定的時(shí)間為2 s (因?yàn)閱蜗嘟拥毓收蠒r(shí)發(fā)生間歇性電弧接地，持續(xù)時(shí)間約為0.2 ～2 s，然后變?yōu)榉€(wěn)定電弧接地，持續(xù)2 ～10 s，最后變?yōu)橛谰眯越饘俳拥毓收?。因此選線過程改為接地后2 s)，待進(jìn)入穩(wěn)定接地階段后，調(diào)整消弧線圈檔位，采樣、再調(diào)檔、再采樣、二次選線，從而提高選線準(zhǔn)確率。

如接線圖所示，人為地使線路5 發(fā)生金屬性接地故障，調(diào)檔前消弧線圈位于第7 檔(補(bǔ)償電流1.105 A)，調(diào)檔后增加補(bǔ)償量0.09 A，同時(shí)PCI2006 數(shù)據(jù)采集卡對(duì)每條線路的零序電流和中性點(diǎn)電壓采樣20 個(gè)周波，將多個(gè)周波對(duì)應(yīng)的采樣值疊加后計(jì)算出故障前后的增量值，之后彈出故障顯示頁面如圖5。

圖5 故障顯示界面Fig．5 Fault display page

當(dāng)點(diǎn)擊“選線詳情”按鈕時(shí)，彈出利用改進(jìn)的零序電流增量法的選線依據(jù)，如圖6 所示。

如圖6 所示，可清晰地看到，第5 條線路的電流變化量相對(duì)于別的線路，數(shù)值比較大，若是再疊加多個(gè)周波，則變化量的區(qū)別更明顯。根據(jù)對(duì)比各條線路的數(shù)值，彈出了如上的故障頁面，而且兩次選線，從而保證選出故障線路的準(zhǔn)確率。

圖6 電流變化量頁面Fig．6 Report of current change

5 結(jié)論

本文主要使用了PCI2006 數(shù)據(jù)采集卡，結(jié)合著研華工控機(jī)，編寫一套完整的Visual Basic 高級(jí)設(shè)計(jì)語言程序，完成了電網(wǎng)的控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。通過接入物理模型，依據(jù)改進(jìn)的零序電流增量法，疊加采集到的信號(hào)來放大故障信號(hào)，從而達(dá)到利用較小調(diào)整電流來提取明顯的故障電流特征的目的，同時(shí)提高了故障選線的準(zhǔn)確性。通過此次物理模型的實(shí)驗(yàn)，得到了很好的效果，有待于進(jìn)一步完善系統(tǒng)的相關(guān)功能，并應(yīng)用于實(shí)際現(xiàn)場(chǎng)。

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