摘 要： 提出了基于虛擬儀器結合PCI采集卡實現的接地故障檢測系統的方案，充分利用了虛擬儀器的特點，實現了基于小波變換的先進檢測方法，使直流系統的接地故障診斷的準確性有了很大的提高。
關鍵詞： 直流系統； LabVIEW； 小波； 接地故障
直流系統接地故障一直是電力系統中不容忽視的問題。目前廣泛使用的低頻信號檢測方法由于受到直流系統支路中存在的各種干擾的影響，因而這種方法在檢測時存在一定的缺陷[1-2]。利用小波變換[2]對檢測到的信號加以分析和處理，能夠準確地計算出支路中接地電阻值，彌補了低頻信號注入法在直流系統接地檢測中存在的不足。
本文通過采用虛擬儀器[3]并結合PCI采集卡進行直流系統故障檢測裝置的設計,加速了數據傳輸的速度，可以充分運用PC機平臺上豐富的軟件和硬件資源，完成大量的復雜的數據處理、目標顯示、參數設置等任務，克服了以往采用單片機設計的檢測裝置存在的缺點[4]，使系統的可靠性有了很大的提高。
本文采用的基于虛擬儀器平臺的直流配電網的故障檢測裝置的設計，一個顯著的優點就是利用LabVIEW軟件強大的圖形化編程能力以及靈活多樣的數據處理功能，結合先進的小波變換等數字信號處理技術，通過編寫直流電網的檢測、控制和報警界面，使得故障檢測裝置對于使用者而言操作更加方便。此外，對于編寫檢測算法而言，如果程序發生問題或需要改進,在LabVIEW軟件環境中也可以在最短的時間內得到解決。
1 現有直流系統接地故障檢測原理及其弊端
直流系統接地檢測是通過實時的監控各個支路上的電阻值來判斷該路是否發生接地故障：正常情況下，由電路電橋對直流系統正負母線對地絕緣電阻進行連續檢測，當電路電橋檢測到母線絕緣電阻低于某一界限值時，啟動低頻信號源，通過安裝在每個支路上的電流互感器檢測出各支路的電流信號。這時的電流信號主要是注入20 Hz的低頻電流，通過套在每個支路上的電流互感器檢測各支路的電流信號，對于發生接地故障的支路，其上的電流互感器可以檢測到一個由低頻信號通過接地電阻產生的低頻電流，根據歐姆定律可以計算出支路的接地電阻值，從而判斷是否該支路接地。
但是在實際中，電流互感器檢測出的故障信號不僅包含低頻電流信號，還包括其他成分，因此在支路電阻計算中會有很大的誤差，主要包括以下方面：
(1) 直流系統各支路存在較大的對地電容。采用低頻信號注入法檢測接地故障時，由于對地電容的分流作用，沒有發生接地的支路也可以檢測到低頻電流信號。
(2) 直流系統中會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成，這種裝置會產生紋波電壓，同時通過各支路接地電阻和對地電容在支路中產生紋波電流。
(3) 直流系統采用環網方式供電來保證重要的控制信號回路供電可靠，但卻給接地故障檢測帶來了一定的困難。采用環網方式運行的支路不是獨立的，它可能隨著運行方式的改變不斷發生變化，此時就會造成支路中存在由環網而產生的諧波電流。
(4) 各種干擾信號也是支路電流的一個組成部分。對于直流系統，工頻干擾是一種主要的干擾方式。
(5) 電流互感器在測量支路電流時本身也會產生測量噪聲。
如果能去除干擾，從采樣得到的支路電流信號中提取出真實的低頻電流向量，就可計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
根據對發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雜，除含有有用的低頻特征信號外，還包括基波分量、多次諧波分量和噪聲干擾。而小波變換在時域與頻域具有良好的局部性，通過相應的小波變換從復雜的原始信號中提取出所關心的某一頻率信號的幅值和相位信息。
基于幅頻特性的小波函數具有良好的時域或頻域局部化特征，其相應的小波變換能夠準確分別出信號中所包含的某一特定頻率分量的幅值和相位信息。
設定支路電流信號為10 mA,初始相位設為π/6的30 Hz低頻信號；
外加的干擾信號包括: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，外加零均值的白噪聲干擾信號。通過小波變換，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的幅值和相位，最終可以計算出支路電阻值，從而判斷出故障支路。
3 系統組成
3.1 硬件總體設計
本文所設計的接地故障檢測系統主要包括不平衡電橋及其監測、多路模擬量采集、信號調理轉換、低頻信號源發生器及其加載電路、PCI采集卡5個部分。系統原理如圖2所示。
3.2 不平衡電橋及其監測部分
不平衡電橋主要功能是監測直流電網正負母線絕緣對地電阻的變化。當發現直流電網對地電阻減小時，則說明有故障支路產生。本文設計的實時監測部分采用雙不對稱電橋，如圖3所示。定量地檢測出直流系統對地絕緣程度R2//Rf，當并聯電阻值小于20 kΩ時，判定有接地故障發生。
3.3 信號調理轉換和模擬量采集部分
從直流電網中分壓得到的多個電壓信號，以及從直流電網各條支路中檢測到的支路電流信號都需要送入信號采集單元進行采樣。其中，系統內需要進行采樣的信號有50路支路電流信號、 4路電壓信號和低頻信號源加載到直流系統正負母線上的實際電壓us+、us-，因此裝置需要保證信號采集多通道的要求。本文采用的PCI采集卡DAQ2205具有高性能的64路模擬輸入通道。
系統中需要采集的支路電流信號是含有各種噪聲和比較微弱的正弦波信號，而PCI采集卡中使用的A/D轉換單元只能對電壓信號進行采樣，因此在對支路電流信號進行采樣之前，需要首先經過相應的電流/電壓轉換。
為了提高支路電流信號的信噪比,濾除高頻噪聲,系統設計了一個二階低通濾波電路。結合實際情況，本監測裝置取的截至頻率為500 Hz。
3.4 低頻信號源發生器
本文的檢測裝置中，低頻信號是依據直接數字頻率合成信號發生器的原理實現的。
這里的數模轉換采用PCI采集卡中自帶的D/A轉換單元結合LabVIEW平臺編程實現，過程如下：
判斷需要開啟信號源后，程序設定好定時時間，并按時啟動一個D/A轉換，將預定義好的正弦波形數據輸出到D/A轉換單元。通過調整軟件的計數值和預定義正弦數據，即可精確實現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發生部分產生的較低幅值的低頻電壓信號經過功率放大和升壓變換后通過一定的電路加載到直流系統正負母線上。
由低頻信號發生單元產生的低頻電壓信號功率較低，首先需要進行功率放大。裝置中使用功率放大器設計實現了一個功率放大電路，能夠有效提高低頻電壓信號的功率。功率放大后的低頻電壓信號幅值仍然較低，一般為＋5 V,如果直接加載到直流系統正負母線上，其通過接地電阻和對地電容在支路中產生的低頻電流幅值很小，一般為零點幾毫安。這樣微弱的電流信號在直流系統存在較強的噪聲干擾時很容易被淹沒，因此需要適當地提高加載到正負母線上的低頻電壓幅值。本系統裝置中，通過控制變壓器來完成低頻電壓的升高。
3.6 PCI采集卡
在本系統中,為了實現多路模擬信號的輸入和低頻信號的發生,采用AD-LINK生產的DAQ-2205系列PCI板卡來完成數據采集。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500 kHz，并且板卡上載有1 KB采樣A/D FIFO。同時,采集卡還自帶2路帶波形發生功能的12位分辨率的D/A輸出通道，最高刷新率達1 MS/s,其FIFO緩存有1 024個點。
另外該板卡附帶有與LabVIEW接口的驅動程序，可以方便地在LabVIEW平臺下實現對信號的實時采集與控制。
4 系統軟件設計
LabVIEW(Laboratory Virtual Instrument Engineering Workbench)是一種圖形化的編程語言。它廣泛地被工業界、學術界和研究實驗室所接受，被視為一個標準的數據采集和儀器控制軟件。LabVIEW集成了與滿足GPIB、VXI、RS-232和RS-485協議的硬件及數據采集卡通信的全部功能。它還內置了便于應用TCP/IP、ActiveX等軟件標準的庫函數，是一個功能強大且靈活的軟件。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程都生動有趣。本文應用美國NI公司LabVIEW系統開發平臺結合PCI數據采集卡[5](DAQ)，通過數據采集、低頻信號的D/A轉換以及對接地電阻的判斷等實現直流系統接地故障診斷。LabVIEW 強大的數據處理能力、豐富的數據表達方式和高效率，有力地支持和加快了系統的研制速度。
系統主要工作過程如下：
(1) 正負母線對地絕緣電阻的實時監測；
(2) 判斷接地故障后系統報警；
(3) 啟動低頻信號發生器；
(4) 對低頻電壓進行采樣；
(5) 檢測各個支路的電流信號，并用小波算法進行分析和電阻值的計算。
系統的軟件設計主要包括低頻信號源的直流支路注入、數據采集、信號處理和接地電阻計算4個部分。
4.1 低頻信號源的直流支路注入
低頻信號發生部分的主要功能是根據上層軟件的測量要求，發出指定頻率的正弦交流信號，通過設定好的D/A值完成低頻信號產生的任務。由于LabVIEW本身提供了大量的控制對象，包含有專門用于設計數據采集程序和控制程序的功能庫和開發工具庫。本文采用NI公司的LabVIEW PnP 1.24驅動程序來實現A/D采集和D/A轉換單元。低頻信號發生部分的程序框圖如圖4所示。
4.2 數據采集
信號的采集部分在整個程序中至關重要。其參數設置正確與否,直接影響到后邊對直流接地故障的計算與分析。
數據采集部分的參數設置主要包括：
(1) Device：用來控制PCI2205數據采集板在計算機內的初始化信息；
(2) Channels：用來選擇要工作的數據采集通道；
(3) Scan Rate：用來控制系統的采樣頻率；
(4) Buffer size：用來控制數據緩存區的大小；
(5) Input config：設置信號采樣的單雙端模式。
數據采集程序框圖如圖5所示。
4.3信號處理模塊
帶阻濾波器：對于直流系統，工頻干擾是一種主要的干擾形式,為此系統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如圖6所示。
4.4 接地電阻計算及故障分析
系統中的數據分析部分采用基于小波變換[6]的先進算法來對接地故障進行處理。小波去噪系統采用以下兩種消噪處理方法：
(1) 默認閾值消噪處理：對支路電流信號利用默認閾值確定函數產生信號的默認值對信號進行消噪處理，由系統產生的默認參數有：軟硬閾值的選取、閾值的確定、信號低頻部分的處理方式。
(2) 自定義自動消噪處理：由默認產生的參數進行信號消噪有時不如根據經驗獲得參數消噪具有可信度，本文同時設計了自動消噪函數來自定義確定消噪的參數,如:閾值選取規則、軟硬閾值的選取、閾值的調整形式。
根據處理后的兩種電流信號將每一路的電阻值計算出來并進行參考，從而找出故障支路。
本文在虛擬儀器平臺下采用LabVIEW與Matlab接口編程技術實現了小波算法及故障分析,如圖7所示，通過在Matlab模塊中編寫消噪程序并發布COM組件，再通過LabVIEW引用其生成的COM對象，使開發復雜的先進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的信號分析的準確可靠。
5 系統測試
在直流接地故障檢測系統測試中，通過一個20 k?贅的接地電阻和一個6 μF的對地電容，在直流電網某一支路中人為地產生正極一點接地故障。系統對加載到模擬直流電網正母線上的低頻電壓信號和支路電流進行采樣，采樣頻率為1 000 Hz，采樣點數為1 000 。經系統處理后得到的低頻電壓幅值為Us+=23.706 6 V，采樣初始時刻相位Φ+=-0.008 6，低頻電流幅值I=15.224 8，采樣初始時刻相位Φ=1.536 7，得出接地電阻為20.148 9 kΩ。從結果可以驗證系統對直流接地故障檢測的準確性。
本文設計的直流系統接地故障檢測裝置基于LabVIEW強大的數據處理能力和PCI總線高速的數據傳輸能力，實時性好，準確性高，在實際應用中取得了很好的效果。同時系統的軟件部分在LabVIEW平臺下有很好的擴展性，為系統的進一步完善設計提供了一個良好的開發平臺。
參考文獻
[1] 李冬輝，史臨潼.發電廠和變電站直流系統接地故障檢測總體方案[J]．電網技術，2005，29(1)：56-59．
[2] 李冬輝，任曉棟．基于復值小波變換的直流系統接地故障檢測[J]．中國電力，2003，36(11)：12-14．
[3] 陳棟，岳林．LabVIEW和PCI_4472虛擬測試儀器的研制[J]．中國測試技術，2005，31(3)：118-120．
[4] 費萬民，張艷莉，呂征宇，等．基于新原理的直流接地故障檢測儀[J]．電力系統自動化，2002,34(8)：51-53．
[5] 劉君華, 賈惠芹, 丁暉,等. 虛擬儀器圖形化編程語言LabVIEW教程[M]. 西安：西安電子科技大學出版社,
2001.
[6] 彭玉花.小波變換與工程應用.北京：科學出版社,2002.
[7] 李冬輝，周巍巍．基于ARM微處理器的直流系統接地故障檢測裝置的設計與實現[J]．低壓電器，2000(2)：55-58．