利用PCI2006 數據采集卡實現諧振接地系統的故障選線

鄒 暉，于 蒙，豆占良

(華北電力大學 電氣與電子工程學院，北京102206)

0 引言

在現代社會獲取信息的方式多種多樣，準確、迅速地獲取顯得至關重要。在電力系統中，需要實時地采集電壓電流信號傳輸給控制系統，通過保護裝置的正常工作，確保電力系統的安全運行。諧振接地系統就是電網的中性點經消弧線圈接地的系統，當發生單相接地故障時，通過消弧線圈的補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，就需要根據采集到的線路信號來具體操作。但與此同時，非故障相對地的電壓都升高了，如果不及時找出故障線路，長時間在此工頻過電壓下運行，對于絕緣設備老化的線路和設備，很容易發展成第2 點或多點擊穿，導致事故擴大，危及人身和設備安全。因此，準確的故障選線變得至關重要［1，2］。

要想實現準確的故障選線，就需要可靠、穩定的控制系統作為支持。一個控制系統需要實時采集大量的數據來分析各種情況，然后采取不同的措施。本文采用阿爾泰科技公司的PCI2006 數據采集卡，它的采樣頻率很高，能滿足自動跟蹤補償裝置實時監測與控制的相關功能，且具有使用方便、性能穩定、性價比高等特點。結合諧振接地系統相關知識，把PCI2006 數據采集卡應用于控制系統中，來實現故障選線。

1 零序電流增量法

諧振接地系統的故障選線就是當諧振接地系統發生接地故障，快速準確地找出故障線路的技術。國內外學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。

首半波法是利用發生故障后的第一個半周期，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系也相反，且故障線路的零序電流高頻分量最大，利用這個特征進行諧振接地系統的故障選線。

小波法就是基于小波變化的故障選線方法，是通過對零序電壓、零序電流進行奇異性檢測，確定它們在故障后突變部分的極性和大小，比較其在各條出線上的不同情況，從而識別出故障選線［3］。

就目前現場應用的普遍情況看，在諧振接地系統的所有故障選線方法中零序電流增量法準確率最高，可靠性最強，應用最為普遍。下面將詳細介紹零序電流增量法。

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

如圖1 所示為一個補償電網系統零序電流分布圖，電網共有n 條支路，設支路i 的C 相經電阻Rd發生單相接地。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為中性點電壓。

圖1 諧振接地系統零序電流分布圖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發生變化，只有故障線路的零序電流會發生變化，而且Δ與消弧線圈變檔前的中性點電壓、消弧線圈改變的大小密切相關。所以需要在控制系統中掌握消弧線圈的參數，及時準確地采集中性點電壓以及各條線路的零序電流，通過編寫的程序算法，就能實現諧振接地系統的故障選線。

根據實際現場情況，考慮線路的白噪聲信號，如果零序電流增量不是很大，再經過二次設備，會衰減到一個更小的值，難以用以上的方法實現故障選線。與此同時，若為了選線而進一步增大電感電流變化量，雖然是提高了選線的準確率，但是增大了故障點的殘流，既不利于消弧，還會加重故障程度，使故障有可能往更嚴重的方向發展。鑒于此，考慮到對信號進行改進后再處理。從統計學角度分析，現場的白噪聲信號都是隨機信號，如果把信號多次疊加(次數趨于無窮)，那么總的代數和就會趨近于零。所以當采集到弱信號后，疊加多個周波信號，對于故障線路而言，消弧線圈調檔前后的零序電流值是固定的，相當于把有用的信號放大了求和次數倍。同時，疊加后的白噪聲信號的數值會越來越小，從有用的信號中區別開來，保證了選線的準確率。本文將采用此改進的零序電流增量法來選出故障線路。

2 PCI 2006 數據采集卡

根據上述分析的改進零序電流增量法，要想滿足現場的需要，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電壓。同時數據采集卡的采樣頻率必須足夠高，以滿足自動跟蹤補償裝置實時監測與控制的相關功能，另外再考慮造價等方面的因素，本文采用阿爾泰科技公司的PCI 2006 型數據采集卡。它是一種基于PCI總線的數據采集卡，可直接插在IBM-PC/AT 或與之兼容的計算機內的任一PCI 插槽中，構成數據采集、波形分析和處理系統，具有很強的通用性。采集卡的最高采樣速率為400 kHz (2.5 μs/點)，最低采樣速率為39 Hz (約25 ms/點)，轉換精度為14 位(Bit)。它擁有32 路單端模擬信號采集通道，能夠滿足現場實際電壓、電流對于信號通道數目的要求，而且有16 路數字量輸入(DI)通道，用以檢測現場各個開關量(消弧線圈各檔位開關)的開通和關斷狀態，16 路數字量輸出(DO)通道，用以控制現場各個開關量的開通和關斷。把PCI2006 數據采集卡插在研華工控機的PCI 插槽中，作為控制系統，對系統的各種情況進行分析控制，各部件關系如圖2 所示［6］。

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

PCI2006 數據采集卡還可以應用于許多數據采集的場合，可以與工控機、單片機、PLC 等硬件結合，配合其他的控制電路構成控制系統，完成分析控制的任務。

3 零序電流增量法的軟件實現

本文研華工控機控制系統的開發軟件采用Visual Basic (簡稱VB)，它是一種可視化的、面向對象和采用事件驅動方式的結構化高級程序設計語言，可用于開發Windows 環境下的各類應用程序。在軟件開發的過程中，需要先對PCI2006數據采集卡進行數據類型的自定義，之后對其各個參數進行相應設置。在模塊中進行數據類型的自定義如下［7］:

根據諧振接地系統的實際情況，編寫一套VB程序，在工控機上實現諧振接地系統的故障選線。具體的實現方法是:利用PCI2006 數據采集卡，在無故障時，高速采集每條線路的零序電流信號和中性點電壓信號，A/D 轉換后自動寫入采集卡的大容量循環存儲器中。當發生故障，中性點電壓有較大變化，系統所測量的中性點電壓幅值超過設定的門檻值時，采集單元發出信號立刻記錄此時時刻，并激活定時電路。待設定的時間過后，啟動選線模塊，采集數據，然后發出數字量信號調整消弧線圈的檔位繼續采集數據，采集設定的周波后再調回原來的檔位采集數據，接著CPU 響應外部中斷，在中斷的過程中讀取存儲器中的指定長度數據，并對該數據進行分析處理。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 實例驗證

以華東某地區的一個變電站為例，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據來搭建外部物理模型，模擬實際的系統(包括各條出線以及中性點的調容式消弧線圈)，把電壓變為實際的1/100，電流降低為實際的1/20，則電感和電阻變為實際的1/5，電容和電導變為實際的5 倍，相當于與二次側的參數。物理模型設置5 條饋電線路，只模擬出各條線路的對地電容(在檢測零序電流時，接地電容起主要的作用)，模擬的各條線路對地電容分別為:C01= 8 μF，C02= 8 μF，C03=0.33μF，C04=0.68 μF，C05=0.68 μF (各個電容值已轉換，而且為一相的電容值)，中性點的調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 電網物理模型拓撲結構如圖4 所示。

圖4 10 kV 電網物理模型拓撲圖Fig．4 Topological diagram 10 kV grid model

連接外部物理模型時，PCI2006 數據采集卡的模擬量采集端口的0 通道采集中性點電壓，模擬量采集端口的1 ～5 通道采集各條線路的零序電流，數字量通道連接消弧線圈的開關，通過Visual Basic 編程初始化采集卡。采集卡采樣時，1 個周波采集20 個采樣點，采集20 個周波后疊加對應時刻的采樣值，設定中性點電壓門檻值為25 V，6 條通道(其中5 條采集各條線路的零序電流，1 條采集中性點電壓)，采樣頻率1 kHz，中性點消弧線圈的檔位通過采集卡的數字量輸入、輸出端口控制開關通斷。定時電路設定的時間為2 s (因為單相接地故障時發生間歇性電弧接地，持續時間約為0.2 ～2 s，然后變為穩定電弧接地，持續2 ～10 s，最后變為永久性金屬接地故障。因此選線過程改為接地后2 s)，待進入穩定接地階段后，調整消弧線圈檔位，采樣、再調檔、再采樣、二次選線，從而提高選線準確率。

如接線圖所示，人為地使線路5 發生金屬性接地故障，調檔前消弧線圈位于第7 檔(補償電流1.105 A)，調檔后增加補償量0.09 A，同時PCI2006 數據采集卡對每條線路的零序電流和中性點電壓采樣20 個周波，將多個周波對應的采樣值疊加后計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

當點擊“選線詳情”按鈕時，彈出利用改進的零序電流增量法的選線依據，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于別的線路，數值比較大，若是再疊加多個周波，則變化量的區別更明顯。根據對比各條線路的數值，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確率。

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

5 結論

本文主要使用了PCI2006 數據采集卡，結合著研華工控機，編寫一套完整的Visual Basic 高級設計語言程序，完成了電網的控制系統的設計。通過接入物理模型，依據改進的零序電流增量法，疊加采集到的信號來放大故障信號，從而達到利用較小調整電流來提取明顯的故障電流特征的目的，同時提高了故障選線的準確性。通過此次物理模型的實驗，得到了很好的效果，有待于進一步完善系統的相關功能，并應用于實際現場。

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