摘   要： 提出了基于虛擬儀器結(jié)合PCI采集卡實(shí)現(xiàn)的接地故障檢測(cè)系統(tǒng)的方案，充分利用了虛擬儀器的特點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)了基于小波變換的先進(jìn)檢測(cè)方法，使直流系統(tǒng)的接地故障診斷的準(zhǔn)確性有了很大的提高。
關(guān)鍵詞： 直流系統(tǒng)； LabVIEW； 小波； 接地故障

    直流系統(tǒng)接地故障一直是電力系統(tǒng)中不容忽視的問(wèn)題。目前廣泛使用的低頻信號(hào)檢測(cè)方法由于受到直流系統(tǒng)支路中存在的各種干擾的影響，因而這種方法在檢測(cè)時(shí)存在一定的缺陷[1-2]。利用小波變換[2]對(duì)檢測(cè)到的信號(hào)加以分析和處理，能夠準(zhǔn)確地計(jì)算出支路中接地電阻值，彌補(bǔ)了低頻信號(hào)注入法在直流系統(tǒng)接地檢測(cè)中存在的不足。
    本文通過(guò)采用虛擬儀器[3]并結(jié)合PCI采集卡進(jìn)行直流系統(tǒng)故障檢測(cè)裝置的設(shè)計(jì),加速了數(shù)據(jù)傳輸?shù)乃俣?，可以充分運(yùn)用PC機(jī)平臺(tái)上豐富的軟件和硬件資源，完成大量的復(fù)雜的數(shù)據(jù)處理、目標(biāo)顯示、參數(shù)設(shè)置等任務(wù)，克服了以往采用單片機(jī)設(shè)計(jì)的檢測(cè)裝置存在的缺點(diǎn)[4]，使系統(tǒng)的可靠性有了很大的提高。
　本文采用的基于虛擬儀器平臺(tái)的直流配電網(wǎng)的故障檢測(cè)裝置的設(shè)計(jì)，一個(gè)顯著的優(yōu)點(diǎn)就是利用LabVIEW軟件強(qiáng)大的圖形化編程能力以及靈活多樣的數(shù)據(jù)處理功能，結(jié)合先進(jìn)的小波變換等數(shù)字信號(hào)處理技術(shù)，通過(guò)編寫(xiě)直流電網(wǎng)的檢測(cè)、控制和報(bào)警界面，使得故障檢測(cè)裝置對(duì)于使用者而言操作更加方便。此外，對(duì)于編寫(xiě)檢測(cè)算法而言，如果程序發(fā)生問(wèn)題或需要改進(jìn),在LabVIEW軟件環(huán)境中也可以在最短的時(shí)間內(nèi)得到解決。
1 現(xiàn)有直流系統(tǒng)接地故障檢測(cè)原理及其弊端
　直流系統(tǒng)接地檢測(cè)是通過(guò)實(shí)時(shí)的監(jiān)控各個(gè)支路上的電阻值來(lái)判斷該路是否發(fā)生接地故障：正常情況下，由電路電橋?qū)χ绷飨到y(tǒng)正負(fù)母線對(duì)地絕緣電阻進(jìn)行連續(xù)檢測(cè)，當(dāng)電路電橋檢測(cè)到母線絕緣電阻低于某一界限值時(shí)，啟動(dòng)低頻信號(hào)源，通過(guò)安裝在每個(gè)支路上的電流互感器檢測(cè)出各支路的電流信號(hào)。這時(shí)的電流信號(hào)主要是注入20 Hz的低頻電流，通過(guò)套在每個(gè)支路上的電流互感器檢測(cè)各支路的電流信號(hào)，對(duì)于發(fā)生接地故障的支路，其上的電流互感器可以檢測(cè)到一個(gè)由低頻信號(hào)通過(guò)接地電阻產(chǎn)生的低頻電流，根據(jù)歐姆定律可以計(jì)算出支路的接地電阻值，從而判斷是否該支路接地。
　但是在實(shí)際中，電流互感器檢測(cè)出的故障信號(hào)不僅包含低頻電流信號(hào)，還包括其他成分，因此在支路電阻計(jì)算中會(huì)有很大的誤差，主要包括以下方面：
   (1) 直流系統(tǒng)各支路存在較大的對(duì)地電容。采用低頻信號(hào)注入法檢測(cè)接地故障時(shí)，由于對(duì)地電容的分流作用，沒(méi)有發(fā)生接地的支路也可以檢測(cè)到低頻電流信號(hào)。
   (2) 直流系統(tǒng)中會(huì)受到直流電源的影響，直流電源一般由三相橋式整流電路構(gòu)成，這種裝置會(huì)產(chǎn)生紋波電壓，同時(shí)通過(guò)各支路接地電阻和對(duì)地電容在支路中產(chǎn)生紋波電流。
   (3) 直流系統(tǒng)采用環(huán)網(wǎng)方式供電來(lái)保證重要的控制信號(hào)回路供電可靠，但卻給接地故障檢測(cè)帶來(lái)了一定的困難。采用環(huán)網(wǎng)方式運(yùn)行的支路不是獨(dú)立的，它可能隨著運(yùn)行方式的改變不斷發(fā)生變化，此時(shí)就會(huì)造成支路中存在由環(huán)網(wǎng)而產(chǎn)生的諧波電流。
   (4) 各種干擾信號(hào)也是支路電流的一個(gè)組成部分。對(duì)于直流系統(tǒng)，工頻干擾是一種主要的干擾方式。
   (5) 電流互感器在測(cè)量支路電流時(shí)本身也會(huì)產(chǎn)生測(cè)量噪聲。           
　如果能去除干擾，從采樣得到的支路電流信號(hào)中提取出真實(shí)的低頻電流向量，就可計(jì)算出各支路的接地電阻值，從而判斷出故障支路。
2 基于小波變換的接地故障檢測(cè)
　根據(jù)對(duì)發(fā)生接地故障后支路電流成分的分析可知，支路電流的成分比較復(fù)雜，除含有有用的低頻特征信號(hào)外，還包括基波分量、多次諧波分量和噪聲干擾。而小波變換在時(shí)域與頻域具有良好的局部性，通過(guò)相應(yīng)的小波變換從復(fù)雜的原始信號(hào)中提取出所關(guān)心的某一頻率信號(hào)的幅值和相位信息。
   基于幅頻特性的小波函數(shù)具有良好的時(shí)域或頻域局部化特征，其相應(yīng)的小波變換能夠準(zhǔn)確分別出信號(hào)中所包含的某一特定頻率分量的幅值和相位信息。
   設(shè)定支路電流信號(hào)為10 mA,初始相位設(shè)為π/6的30 Hz低頻信號(hào)；
　外加的干擾信號(hào)包括:幅值分別為15 mA、5 mA、6 mA，初始相位分別為π/3、π/6、π/12的工頻、二、三、四次諧波干擾信號(hào)，外加零均值的白噪聲干擾信號(hào)。通過(guò)小波變換，提取的30 Hz低頻電流波形如圖1所示。

   從圖1中可以得到低頻電流信號(hào)的幅值和相位，最終可以計(jì)算出支路電阻值，從而判斷出故障支路。
3 系統(tǒng)組成
3.1  硬件總體設(shè)計(jì)
　本文所設(shè)計(jì)的接地故障檢測(cè)系統(tǒng)主要包括不平衡電橋及其監(jiān)測(cè)、多路模擬量采集、信號(hào)調(diào)理轉(zhuǎn)換、低頻信號(hào)源發(fā)生器及其加載電路、PCI采集卡5個(gè)部分。系統(tǒng)原理如圖2所示。

3.2 不平衡電橋及其監(jiān)測(cè)部分
　不平衡電橋主要功能是監(jiān)測(cè)直流電網(wǎng)正負(fù)母線絕緣對(duì)地電阻的變化。當(dāng)發(fā)現(xiàn)直流電網(wǎng)對(duì)地電阻減小時(shí)，則說(shuō)明有故障支路產(chǎn)生。本文設(shè)計(jì)的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)部分采用雙不對(duì)稱(chēng)電橋，如圖3所示。定量地檢測(cè)出直流系統(tǒng)對(duì)地絕緣程度R2//Rf，當(dāng)并聯(lián)電阻值小于20 kΩ時(shí)，判定有接地故障發(fā)生。

3.3 信號(hào)調(diào)理轉(zhuǎn)換和模擬量采集部分
　從直流電網(wǎng)中分壓得到的多個(gè)電壓信號(hào)，以及從直流電網(wǎng)各條支路中檢測(cè)到的支路電流信號(hào)都需要送入信號(hào)采集單元進(jìn)行采樣。其中，系統(tǒng)內(nèi)需要進(jìn)行采樣的信號(hào)有50路支路電流信號(hào)、 4路電壓信號(hào)和低頻信號(hào)源加載到直流系統(tǒng)正負(fù)母線上的實(shí)際電壓us+、us-，因此裝置需要保證信號(hào)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路模擬輸入通道。
   系統(tǒng)中需要采集的支路電流信號(hào)是含有各種噪聲和比較微弱的正弦波信號(hào)，而PCI采集卡中使用的A/D轉(zhuǎn)換單元只能對(duì)電壓信號(hào)進(jìn)行采樣，因此在對(duì)支路電流信號(hào)進(jìn)行采樣之前，需要首先經(jīng)過(guò)相應(yīng)的電流/電壓轉(zhuǎn)換。
　為了提高支路電流信號(hào)的信噪比,濾除高頻噪聲,系統(tǒng)設(shè)計(jì)了一個(gè)二階低通濾波電路。結(jié)合實(shí)際情況，本監(jiān)測(cè)裝置取的截至頻率為500 Hz。
3.4 低頻信號(hào)源發(fā)生器
　本文的檢測(cè)裝置中，低頻信號(hào)是依據(jù)直接數(shù)字頻率合成信號(hào)發(fā)生器的原理實(shí)現(xiàn)的。
　這里的數(shù)模轉(zhuǎn)換采用PCI采集卡中自帶的D/A轉(zhuǎn)換單元結(jié)合LabVIEW平臺(tái)編程實(shí)現(xiàn)，過(guò)程如下：
   判斷需要開(kāi)啟信號(hào)源后，程序設(shè)定好定時(shí)時(shí)間，并按時(shí)啟動(dòng)一個(gè)D/A轉(zhuǎn)換，將預(yù)定義好的正弦波形數(shù)據(jù)輸出到D/A轉(zhuǎn)換單元。通過(guò)調(diào)整軟件的計(jì)數(shù)值和預(yù)定義正弦數(shù)據(jù)，即可精確實(shí)現(xiàn)任意周期甚至是任意波形的輸出控制。
3.5 加載電路
   加載電路的功能是將低頻信號(hào)發(fā)生部分產(chǎn)生的較低幅值的低頻電壓信號(hào)經(jīng)過(guò)功率放大和升壓變換后通過(guò)一定的電路加載到直流系統(tǒng)正負(fù)母線上。
   由低頻信號(hào)發(fā)生單元產(chǎn)生的低頻電壓信號(hào)功率較低，首先需要進(jìn)行功率放大。裝置中使用功率放大器設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了一個(gè)功率放大電路，能夠有效提高低頻電壓信號(hào)的功率。功率放大后的低頻電壓信號(hào)幅值仍然較低，一般為＋5 V,如果直接加載到直流系統(tǒng)正負(fù)母線上，其通過(guò)接地電阻和對(duì)地電容在支路中產(chǎn)生的低頻電流幅值很小，一般為零點(diǎn)幾毫安。這樣微弱的電流信號(hào)在直流系統(tǒng)存在較強(qiáng)的噪聲干擾時(shí)很容易被淹沒(méi)，因此需要適當(dāng)?shù)靥岣呒虞d到正負(fù)母線上的低頻電壓幅值。本系統(tǒng)裝置中，通過(guò)控制變壓器來(lái)完成低頻電壓的升高。
3.6 PCI采集卡
   在本系統(tǒng)中,為了實(shí)現(xiàn)多路模擬信號(hào)的輸入和低頻信號(hào)的發(fā)生,采用AD-LINK生產(chǎn)的DAQ-2205系列PCI板卡來(lái)完成數(shù)據(jù)采集。該板卡具有64路模擬量輸入接口，16位A/D分辨率，最高采樣頻率可達(dá)500 kHz，并且板卡上載有1 KB采樣A/D FIFO。同時(shí),采集卡還自帶2路帶波形發(fā)生功能的12位分辨率的D/A輸出通道，最高刷新率達(dá)1 MS/s,其FIFO緩存有1 024個(gè)點(diǎn)。
　另外該板卡附帶有與LabVIEW接口的驅(qū)動(dòng)程序，可以方便地在LabVIEW平臺(tái)下實(shí)現(xiàn)對(duì)信號(hào)的實(shí)時(shí)采集與控制。
4 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)
　LabVIEW(Laboratory Virtual Instrument Engineering Workbench)是一種圖形化的編程語(yǔ)言。它廣泛地被工業(yè)界、學(xué)術(shù)界和研究實(shí)驗(yàn)室所接受，被視為一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)的數(shù)據(jù)采集和儀器控制軟件。LabVIEW集成了與滿足GPIB、VXI、RS-232和RS-485協(xié)議的硬件及數(shù)據(jù)采集卡通信的全部功能。它還內(nèi)置了便于應(yīng)用TCP/IP、ActiveX等軟件標(biāo)準(zhǔn)的庫(kù)函數(shù)，是一個(gè)功能強(qiáng)大且靈活的軟件。利用它可以方便地建立自己的虛擬儀器，其圖形化的界面使得編程及使用過(guò)程都生動(dòng)有趣。本文應(yīng)用美國(guó)NI公司LabVIEW系統(tǒng)開(kāi)發(fā)平臺(tái)結(jié)合PCI數(shù)據(jù)采集卡[5](DAQ)，通過(guò)數(shù)據(jù)采集、低頻信號(hào)的D/A轉(zhuǎn)換以及對(duì)接地電阻的判斷等實(shí)現(xiàn)直流系統(tǒng)接地故障診斷。LabVIEW 強(qiáng)大的數(shù)據(jù)處理能力、豐富的數(shù)據(jù)表達(dá)方式和高效率，有力地支持和加快了系統(tǒng)的研制速度。
   系統(tǒng)主要工作過(guò)程如下：
   (1) 正負(fù)母線對(duì)地絕緣電阻的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)；
   (2) 判斷接地故障后系統(tǒng)報(bào)警；
   (3) 啟動(dòng)低頻信號(hào)發(fā)生器；
   (4) 對(duì)低頻電壓進(jìn)行采樣；
   (5) 檢測(cè)各個(gè)支路的電流信號(hào)，并用小波算法進(jìn)行分析和電阻值的計(jì)算。
　系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)主要包括低頻信號(hào)源的直流支路注入、數(shù)據(jù)采集、信號(hào)處理和接地電阻計(jì)算4個(gè)部分。
4.1 低頻信號(hào)源的直流支路注入
   低頻信號(hào)發(fā)生部分的主要功能是根據(jù)上層軟件的測(cè)量要求，發(fā)出指定頻率的正弦交流信號(hào)，通過(guò)設(shè)定好的D/A值完成低頻信號(hào)產(chǎn)生的任務(wù)。由于LabVIEW本身提供了大量的控制對(duì)象，包含有專(zhuān)門(mén)用于設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)采集程序和控制程序的功能庫(kù)和開(kāi)發(fā)工具庫(kù)。本文采用NI公司的LabVIEW PnP 1.24驅(qū)動(dòng)程序來(lái)實(shí)現(xiàn)A/D采集和D/A轉(zhuǎn)換單元。低頻信號(hào)發(fā)生部分的程序框圖如圖4所示。

4.2 數(shù)據(jù)采集
   信號(hào)的采集部分在整個(gè)程序中至關(guān)重要。其參數(shù)設(shè)置正確與否,直接影響到后邊對(duì)直流接地故障的計(jì)算與分析。
　數(shù)據(jù)采集部分的參數(shù)設(shè)置主要包括：
   (1) Device：用來(lái)控制PCI2205數(shù)據(jù)采集板在計(jì)算機(jī)內(nèi)的初始化信息；
   (2) Channels：用來(lái)選擇要工作的數(shù)據(jù)采集通道；
   (3) Scan Rate：用來(lái)控制系統(tǒng)的采樣頻率；
   (4) Buffer size：用來(lái)控制數(shù)據(jù)緩存區(qū)的大??；
   (5) Input config：設(shè)置信號(hào)采樣的單雙端模式。
　數(shù)據(jù)采集程序框圖如圖5所示。

4.3信號(hào)處理模塊
　帶阻濾波器：對(duì)于直流系統(tǒng)，工頻干擾是一種主要的干擾形式,為此系統(tǒng)引入帶阻濾波器濾除工頻50 Hz的干擾。
　LabVIEW中帶阻濾波器濾波函數(shù)如圖6所示。

4.4 接地電阻計(jì)算及故障分析
　系統(tǒng)中的數(shù)據(jù)分析部分采用基于小波變換[6]的先進(jìn)算法來(lái)對(duì)接地故障進(jìn)行處理。小波去噪系統(tǒng)采用以下兩種消噪處理方法：
   (1) 默認(rèn)閾值消噪處理：對(duì)支路電流信號(hào)利用默認(rèn)閾值確定函數(shù)產(chǎn)生信號(hào)的默認(rèn)值對(duì)信號(hào)進(jìn)行消噪處理，由系統(tǒng)產(chǎn)生的默認(rèn)參數(shù)有：軟硬閾值的選取、閾值的確定、信號(hào)低頻部分的處理方式。
   (2) 自定義自動(dòng)消噪處理：由默認(rèn)產(chǎn)生的參數(shù)進(jìn)行信號(hào)消噪有時(shí)不如根據(jù)經(jīng)驗(yàn)獲得參數(shù)消噪具有可信度，本文同時(shí)設(shè)計(jì)了自動(dòng)消噪函數(shù)來(lái)自定義確定消噪的參數(shù),如:閾值選取規(guī)則、軟硬閾值的選取、閾值的調(diào)整形式。
　根據(jù)處理后的兩種電流信號(hào)將每一路的電阻值計(jì)算出來(lái)并進(jìn)行參考，從而找出故障支路。
　本文在虛擬儀器平臺(tái)下采用LabVIEW與Matlab接口編程技術(shù)實(shí)現(xiàn)了小波算法及故障分析,如圖7所示，通過(guò)在Matlab模塊中編寫(xiě)消噪程序并發(fā)布COM組件，再通過(guò)LabVIEW引用其生成的COM對(duì)象，使開(kāi)發(fā)復(fù)雜的先進(jìn)算法的周期大大縮短，并且采用這種方法有效地保證了系統(tǒng)的信號(hào)分析的準(zhǔn)確可靠。

5 系統(tǒng)測(cè)試
   在直流接地故障檢測(cè)系統(tǒng)測(cè)試中，通過(guò)一個(gè)20 k?贅的接地電阻和一個(gè)6 μF的對(duì)地電容，在直流電網(wǎng)某一支路中人為地產(chǎn)生正極一點(diǎn)接地故障。系統(tǒng)對(duì)加載到模擬直流電網(wǎng)正母線上的低頻電壓信號(hào)和支路電流進(jìn)行采樣，采樣頻率為1 000 Hz，采樣點(diǎn)數(shù)為1 000 。經(jīng)系統(tǒng)處理后得到的低頻電壓幅值為Us+=23.706 6 V，采樣初始時(shí)刻相位Φ+=-0.008 6，低頻電流幅值I=15.224 8，采樣初始時(shí)刻相位Φ=1.536 7，得出接地電阻為20.148 9 kΩ。從結(jié)果可以驗(yàn)證系統(tǒng)對(duì)直流接地故障檢測(cè)的準(zhǔn)確性。
   本文設(shè)計(jì)的直流系統(tǒng)接地故障檢測(cè)裝置基于LabVIEW強(qiáng)大的數(shù)據(jù)處理能力和PCI總線高速的數(shù)據(jù)傳輸能力，實(shí)時(shí)性好，準(zhǔn)確性高，在實(shí)際應(yīng)用中取得了很好的效果。同時(shí)系統(tǒng)的軟件部分在LabVIEW平臺(tái)下有很好的擴(kuò)展性，為系統(tǒng)的進(jìn)一步完善設(shè)計(jì)提供了一個(gè)良好的開(kāi)發(fā)平臺(tái)。
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