利用PCI2006 数据采集卡实现谐振接地系统的故障选线

邹 晖，于 蒙，豆占良

(华北电力大学 电气与电子工程学院，北京102206)

0 引言

在现代社会获取信息的方式多种多样，准确、迅速地获取显得至关重要。在电力系统中，需要实时地采集电压电流信号传输给控制系统，通过保护装置的正常工作，确保电力系统的安全运行。谐振接地系统就是电网的中性点经消弧线圈接地的系统，当发生单相接地故障时，通过消弧线圈的补偿作用可以有效抑制弧光接地过电压，并降低接地故障电流，而控制消弧线圈，就需要根据采集到的线路信号来具体操作。但与此同时，非故障相对地的电压都升高了，如果不及时找出故障线路，长时间在此工频过电压下运行，对于绝缘设备老化的线路和设备，很容易发展成第2 点或多点击穿，导致事故扩大，危及人身和设备安全。因此，准确的故障选线变得至关重要［1，2］。

要想实现准确的故障选线，就需要可靠、稳定的控制系统作为支持。一个控制系统需要实时采集大量的数据来分析各种情况，然后采取不同的措施。本文采用阿尔泰科技公司的PCI2006 数据采集卡，它的采样频率很高，能满足自动跟踪补偿装置实时监测与控制的相关功能，且具有使用方便、性能稳定、性价比高等特点。结合谐振接地系统相关知识，把PCI2006 数据采集卡应用于控制系统中，来实现故障选线。

1 零序电流增量法

谐振接地系统的故障选线就是当谐振接地系统发生接地故障，快速准确地找出故障线路的技术。国内外学者提出了大量不同的故障选线方法，主要有首半波法、小波法、零序电流增量法(残留增量法)等。

首半波法是利用发生故障后的第一个半周期，由于故障线路与非故障线路的零序电流高频分量方向相反，与零序电压的相位关系也相反，且故障线路的零序电流高频分量最大，利用这个特征进行谐振接地系统的故障选线。

小波法就是基于小波变化的故障选线方法，是通过对零序电压、零序电流进行奇异性检测，确定它们在故障后突变部分的极性和大小，比较其在各条出线上的不同情况，从而识别出故障选线［3］。

就目前现场应用的普遍情况看，在谐振接地系统的所有故障选线方法中零序电流增量法准确率最高，可靠性最强，应用最为普遍。下面将详细介绍零序电流增量法。

零序电流增量法的原理是:在电网发生单相永久性接地故障的情况下，改变消弧线圈的档位，则消弧线圈参数的改变引起的补偿电流的变化只会反应在故障线路的零序电流中。这样，通过对比找出零序电流变化与补偿电流变化相符的线路，就可以确定为发生永久性接地故障的线路。

如图1 所示为一个补偿电网系统零序电流分布图，电网共有n 条支路，设支路i 的C 相经电阻Rd发生单相接地。图中，i 代表故障线路，j 代表非故障线路，Ri，Rj为线路等效电阻，Ci，Cj为线路对地电容，RL，L 为消弧线圈的等效电阻和电抗，Rd为接地电阻，0为中性点电压。

图1 谐振接地系统零序电流分布图Fig．1 Zero sequence current distribution in resonant grounding system

如图1 所示，非故障线路i 的零序电流为

消弧线圈支路零序电流为

故障线路i 的零序电流为

中性点零序电压为

而各支路零序电流变化量为

非故障线路:

故障线路:

式中:RL，L 为故障前消弧线圈的等效电阻和电抗;RL'，L'为故障后消弧线圈的等效电阻和电抗;'和分别是消弧线圈支路故障前后的零序电流［4，5］。

由以上两式可以看出，正常线路的零序电流不会发生变化，只有故障线路的零序电流会发生变化，而且Δ与消弧线圈变档前的中性点电压、消弧线圈改变的大小密切相关。所以需要在控制系统中掌握消弧线圈的参数，及时准确地采集中性点电压以及各条线路的零序电流，通过编写的程序算法，就能实现谐振接地系统的故障选线。

根据实际现场情况，考虑线路的白噪声信号，如果零序电流增量不是很大，再经过二次设备，会衰减到一个更小的值，难以用以上的方法实现故障选线。与此同时，若为了选线而进一步增大电感电流变化量，虽然是提高了选线的准确率，但是增大了故障点的残流，既不利于消弧，还会加重故障程度，使故障有可能往更严重的方向发展。鉴于此，考虑到对信号进行改进后再处理。从统计学角度分析，现场的白噪声信号都是随机信号，如果把信号多次叠加(次数趋于无穷)，那么总的代数和就会趋近于零。所以当采集到弱信号后，叠加多个周波信号，对于故障线路而言，消弧线圈调档前后的零序电流值是固定的，相当于把有用的信号放大了求和次数倍。同时，叠加后的白噪声信号的数值会越来越小，从有用的信号中区别开来，保证了选线的准确率。本文将采用此改进的零序电流增量法来选出故障线路。

2 PCI 2006 数据采集卡

根据上述分析的改进零序电流增量法，要想满足现场的需要，采集卡必须有足够多的通道来采集各条线路的零序电流和中性点电压。同时数据采集卡的采样频率必须足够高，以满足自动跟踪补偿装置实时监测与控制的相关功能，另外再考虑造价等方面的因素，本文采用阿尔泰科技公司的PCI 2006 型数据采集卡。它是一种基于PCI总线的数据采集卡，可直接插在IBM-PC/AT 或与之兼容的计算机内的任一PCI 插槽中，构成数据采集、波形分析和处理系统，具有很强的通用性。采集卡的最高采样速率为400 kHz (2.5 μs/点)，最低采样速率为39 Hz (约25 ms/点)，转换精度为14 位(Bit)。它拥有32 路单端模拟信号采集通道，能够满足现场实际电压、电流对于信号通道数目的要求，而且有16 路数字量输入(DI)通道，用以检测现场各个开关量(消弧线圈各档位开关)的开通和关断状态，16 路数字量输出(DO)通道，用以控制现场各个开关量的开通和关断。把PCI2006 数据采集卡插在研华工控机的PCI 插槽中，作为控制系统，对系统的各种情况进行分析控制，各部件关系如图2 所示［6］。

图2 控制系统各部件的连接图Fig．2 Relationship of various components in the control system

PCI2006 数据采集卡还可以应用于许多数据采集的场合，可以与工控机、单片机、PLC 等硬件结合，配合其他的控制电路构成控制系统，完成分析控制的任务。

3 零序电流增量法的软件实现

本文研华工控机控制系统的开发软件采用Visual Basic (简称VB)，它是一种可视化的、面向对象和采用事件驱动方式的结构化高级程序设计语言，可用于开发Windows 环境下的各类应用程序。在软件开发的过程中，需要先对PCI2006数据采集卡进行数据类型的自定义，之后对其各个参数进行相应设置。在模块中进行数据类型的自定义如下［7］:

根据谐振接地系统的实际情况，编写一套VB程序，在工控机上实现谐振接地系统的故障选线。具体的实现方法是:利用PCI2006 数据采集卡，在无故障时，高速采集每条线路的零序电流信号和中性点电压信号，A/D 转换后自动写入采集卡的大容量循环存储器中。当发生故障，中性点电压有较大变化，系统所测量的中性点电压幅值超过设定的门槛值时，采集单元发出信号立刻记录此时时刻，并激活定时电路。待设定的时间过后，启动选线模块，采集数据，然后发出数字量信号调整消弧线圈的档位继续采集数据，采集设定的周波后再调回原来的档位采集数据，接着CPU 响应外部中断，在中断的过程中读取存储器中的指定长度数据，并对该数据进行分析处理。软件的具体选线过程流程图如图3 所示［8］。

图3 故障选线流程图Fig．3 Software flow chart of line selection

4 实例验证

以华东某地区的一个变电站为例，它有两段母线，第一段母线有12 条出线，第二段母线有5条出线。选择第二段母线的数据来搭建外部物理模型，模拟实际的系统(包括各条出线以及中性点的调容式消弧线圈)，把电压变为实际的1/100，电流降低为实际的1/20，则电感和电阻变为实际的1/5，电容和电导变为实际的5 倍，相当于与二次侧的参数。物理模型设置5 条馈电线路，只模拟出各条线路的对地电容(在检测零序电流时，接地电容起主要的作用)，模拟的各条线路对地电容分别为:C01= 8 μF，C02= 8 μF，C03=0.33μF，C04=0.68 μF，C05=0.68 μF (各个电容值已转换，而且为一相的电容值)，中性点的调容式消弧线圈的电感L =95.8 mH，阻尼电阻为R=5.5 Ω，每档之间的电容差值ΔC=5.5 μF。

10 kV 电网物理模型拓扑结构如图4 所示。

图4 10 kV 电网物理模型拓扑图Fig．4 Topological diagram 10 kV grid model

连接外部物理模型时，PCI2006 数据采集卡的模拟量采集端口的0 通道采集中性点电压，模拟量采集端口的1 ～5 通道采集各条线路的零序电流，数字量通道连接消弧线圈的开关，通过Visual Basic 编程初始化采集卡。采集卡采样时，1 个周波采集20 个采样点，采集20 个周波后叠加对应时刻的采样值，设定中性点电压门槛值为25 V，6 条通道(其中5 条采集各条线路的零序电流，1 条采集中性点电压)，采样频率1 kHz，中性点消弧线圈的档位通过采集卡的数字量输入、输出端口控制开关通断。定时电路设定的时间为2 s (因为单相接地故障时发生间歇性电弧接地，持续时间约为0.2 ～2 s，然后变为稳定电弧接地，持续2 ～10 s，最后变为永久性金属接地故障。因此选线过程改为接地后2 s)，待进入稳定接地阶段后，调整消弧线圈档位，采样、再调档、再采样、二次选线，从而提高选线准确率。

如接线图所示，人为地使线路5 发生金属性接地故障，调档前消弧线圈位于第7 档(补偿电流1.105 A)，调档后增加补偿量0.09 A，同时PCI2006 数据采集卡对每条线路的零序电流和中性点电压采样20 个周波，将多个周波对应的采样值叠加后计算出故障前后的增量值，之后弹出故障显示页面如图5。

图5 故障显示界面Fig．5 Fault display page

当点击“选线详情”按钮时，弹出利用改进的零序电流增量法的选线依据，如图6 所示。

如图6 所示，可清晰地看到，第5 条线路的电流变化量相对于别的线路，数值比较大，若是再叠加多个周波，则变化量的区别更明显。根据对比各条线路的数值，弹出了如上的故障页面，而且两次选线，从而保证选出故障线路的准确率。

图6 电流变化量页面Fig．6 Report of current change

5 结论

本文主要使用了PCI2006 数据采集卡，结合着研华工控机，编写一套完整的Visual Basic 高级设计语言程序，完成了电网的控制系统的设计。通过接入物理模型，依据改进的零序电流增量法，叠加采集到的信号来放大故障信号，从而达到利用较小调整电流来提取明显的故障电流特征的目的，同时提高了故障选线的准确性。通过此次物理模型的实验，得到了很好的效果，有待于进一步完善系统的相关功能，并应用于实际现场。

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