虚拟接地运算放大器

小电流接地系统发生单相接地故障时，准确检出故障线路对快速排除故障、提高供电可靠性具有重要意义。目前现有的选线装置在技术和管理方面都有一定的不足之处，本文采用基于C/S模式的网络化虚拟仪器技术设计了小电流接地系统单相接地故障选线装置，装置采用LabVIEW编程实现，可以方便的实现复杂的选线算法，有可以缩短开发周期，并且可以通过网络实现对选线装置的管理，可以从技术和管理两个方面提高选线装置的性能。

我国大多数配电网均采用中性点不直接接地系统,即小电流接地系统,包括中性点不接地系统和中性点经消弧线圈接地系统。当发生单相接地故障时,由于故障点电流较小,而且不影响对负荷的正常供电,一般允许继续运行1～2h[1] 。但随着馈线的增多,电容电流也在增大,长时间运行易使故障扩大成两点或多点接地造成短路,弧光接地还可能引起全系统过电压,损坏设备,破坏安全运行,应及时选出故障线路给予排除。小电流接地系统单相接地故障选线装置的研究已经持续了将近二十年，但是应用一直不是很理想。

选线问题的解决，一要靠技术进步，二要靠管理创新，二者相辅相成，缺一不可。技术方面，现有的目前的采用选线装置判据不完备，选线方法单一，选线的正确率不是很高，这样要求选线装置的数据采集和处理方面的难度很大，装置不仅要求有高速的数据采集系统和强大的处理功能，并且具有大量数据的存储和远程数据通信的能力。还要实现方便复杂的选线算法。管理方面，由于小电流装置在现场中属于一种辅助设备, 受重视程度不高, 因此缺少定期的检查和维修，造成很多选线失败的原因。这样要求选线装置必须具有相应的后台管理系统，实时在线监测选线装置的运行情况，对装置进行在线诊断，并为完善和改进选线方法收集样本积累数据[2]。

随着计算机网络技术和现代测试技术的发展，网络化虚拟仪器应运而生，使人们可以从任和分散的地点获得测试数据，比以往虚拟仪器技术有了质的飞跃[3]。本文采用基于LABVIEW设计的网络化虚拟仪器，在技术上可以实现高速数据采集和复杂算法的实现，管理上可以网络进行对现场装置数据管理和远程监控，并且可以提高选线装置的性能，缩短开发周期。

1 选线方法

由于小电流接地系统单相接地时故障特征不明显,且易受诸多因素的影响,所以到目前为止,发展出的各种选线原理都存在着一定的局限性。目前尚没有任何一种单一选线方案能够适应小电流接地系统的各种情况[4]。本文在这里采用基于DS证据理论的信息融合方法进行选线，大大提高了选线判断的准确性。

电流群体比幅比相原理、基于小波变换的奇异性检测理论和能量法是目前常用的可靠性高的判断方法,本方法先对上述三种算法构造相应的故障测度，然后采用DS证据理论对进行融合。证据理论融合的过程是：首先，建立识别框架，来表征一个判决问题所有可能的结论。本问题的识别框架就是由母线及各条线路组成的集合。第二，构造基本信度分配函数，首先，对上述三种算法建立故障测度，根据分配函数可将故障测度值影射为满足证据理论要求的基本信度值。第三，证据融合。按照证据理论提供的组合算法，实现对上述三种测度信息的融合。第四，选线决策。建立一定的选线判决规则，根据融合后各条线路所具有的综合故障测度，做出最终选线决策[5]。整个算法的流程图如图1所示。

图1 证据理论选线算法流程图

2硬件构架

2.1 总体结构

C/S工作模式（客户端与服务器模式）在设备远程状态监测和故障诊断的设计方面是较为理想的模式，本文采用基于这种模式设计网络化虚拟仪器，实现小电流接地系统故障选线。其总体结构如图2所示。

图2 选线系统总体结构

2.2信号转化和调理部分

现场的中性点零序电压和各条线路零序电流经PT/CT完成由强电到弱电的隔离转换。这里采用的是电压互感器SPT204A，电流互感器SCT254AX。信号调理电路将经PT/CT隔离、变换后的电压电流信号进行滤波、电平转换，转换为标准的0—5V的电压信号，送入数据采集卡PCI6014，供计算机采集处理。

2.3 数据采集和处理部分

PCI-6014具有200kS/s采样率、16位精度的16路模拟输入，可以进行实时高精度的多通道数据采集，采样的速率和精度可以达到选线系统的要求。计算机通过采集卡采样中性点零序电压和各条线路的零序电流，通过软件进行选线操作。

2.4 开关量输出部分

开关量输出部分主要用来将选线结果、系统状况等状态信息输出并远传，开关量输出信号由软件以编码方式发给PCI-6014采集卡，由采集卡的开关量输出口输出给开关量板，经译码、放大后驱动继电器输出。

2.5 网络通信部分

网络模式采用C/S组网模式，客户端计算机位于现场侧，一般选择性能好的工控机。通过数据采集卡PCI6014经PCI总线与现场设备进行数据通信，并通过Internet网连接到服务器计算机，实现对测试数据远传和对装置远程监控。

采用虚拟仪器技术可以大大简化硬件部分设计,传统测试系统的A/D转换,采样保持以及数据通信登功能集成在通用数据采集卡中,由计算机完成数据处理功能。用户可以根据不同需求采用不同的传感器和编写相应的程序即可实现要求的测试功能，大大增强了系统的灵活性。

3软件设计

系统的软件设计包括客户端部分和服务器部分的设计，由LabVIEW开发，LabVIEW是目前较为流行的虚拟仪器软件开发环境。LabVIEM使用图形化程序设计语言G(Graphic)，用框图代替了传统的程序代码。利用它组建仪器测试系统和数据采集系统可以大大简化程序设计[6]。

3.1 总体功能

客户端主要实现数据采集，数据处理，故障记录的存储和查询，生成报表以及与服务器端的网络通信，上传故障信息或接收执行服务器的命令。运行界面如图3所示。其主要软件流程图如图所示。

图3 软件运行界面

服务器主要功能是发生故障时接收客户端上传的数据，作为改进和完善选线方法的样本，定期向对客户端进行在线诊断，向客户端发送故障特征数据检验其判断结果。通过网络实现远程管理。

图4 软件流程图

3.2 数据采集的实现

在使用数据采集卡之前，必须进行配置。数据采集卡一般有多个通道，因此必须对要使用的通道进行配置。一般常用安装程序自带的软件MAX来对采集卡进行通道配置，如通道名，输入输出类型，测量类型，定义单位和范围等。

LabVIEW中可以利用其中的函数方便的操作PCI-6014。LabVIEW的数据采集函数位于函数模板的DATA ACQUISITION子模板中。该模板根据操作涉及到的类型不同分成六个子模板，模拟输入，模拟输出，数字输入，数字输出，数字I/O，计数器，校准器和配置，信号调理。用户可根据不同的需要进行选择。

本文中的程序实现过程如下：利用analog input子模板中的ai sample channel vi函数进行数据采集，该函数可以实现对指定通道号的信号进行测量，并返回测量的电压值。在使用之前要对其端口参数进行设置，包括设备号，通道号和上下限。

图5 数据采集部分的程序框图

采集进来的数据为波形数据，我们将其转换为一个一维数组，以方便我们使用，由于采集卡至于计算机内部，受到计算机内部噪音的干扰，采集进来的数据难免有些误差，我们将直接采集进来的数据首先进行滤波处理，这样会消除高次谐波干扰，获得较好的数据。将进行滤波前后的数据曲线进行比较，便可以发现滤波之后的数据比较平稳，误差比较小。这样处理后的数据每5个作为一组，去掉最大值和最小值后在进行求取平均值，最后获得数据比较接近真实值。

在本文设计中，由于采多路信号，而且在主程序中不同的位置进行调用，为了方便，将数据采集程序做成子程序。这样，在调用时，只需要对接口参数（设备号和通道号）进行修改就可以。数据采集部分的程序框图如图5所示。

3.3 网络通信的实现

本文采用LabVIEW提供了TCP/IP函数进行网络通信，其通信程序分为服务器和客户端两部分程序。服务器程序要守候在一个固定网址上等待客户端程序的请求，客户端程序则向这网址请求连接，然后得到相应的服务。TCP应用程序的网络通信基本步骤如下：1）服务器开始工作，聆听客户请求2）客户建立请求；3）服务器响应并建立连接；4）客户请求所需要的数据；5）服务器接受请求，并发送数据给客户。6）客户端收到数据，请求下一数据[8]。

服务器与客户端之间采用特定通信协议，进行数据通信，从实现不同的操作。通信命令由服务器发起，客户端接受执行，客户端收到信息后，首先检验地址码，然后核对校验位，如果错误，则放弃，执行其他程序。否则，根据操作码的内容进行相应操作，发送信息给服务器，服务器接收后采用同样的方式进行信息处理。

4 网络测试分析

在局域网和INTERNET网对系统测试分析，在服务器将不同故障下的特征数据（各个线路的零序电流和中性点零序电压）通过网络发送客户端，对客户端进行在线诊断测试，测试的故障类型包括中性点不接地系统和谐振接地系统经不同的大小过度电阻接地，每种情况均能取得良好测试效果，既验证了装置所采用算法的可靠性，又验证了C/S模式数据传输的稳定性以及选线系统的良好的通信性能。

应用网络化虚拟仪器，可以对比传统的选线装置能实现复杂的算法，提高选线的准确率，可以通过先进的网络技术对现场侧装置进行诊断和管理，从技术和管理两个方面提高小电流接地选线系统的性能。

5 结论

经实际运行和性能测试，系统软件及硬件各项技术性能指标符合设计要求，采用LABVIEW开发的选线装置能实现复杂的选线算法，提高选线准确率，C /S模式通信时，数据传输稳定，以实现仪器的远程测试与诊断，提高测试效率。随着网络技术的不断发展，网络化虚拟仪器应用将会进一步解决小电流接地系统单相接地故障选线这一难题。

（摘编自《电气技术》，原文标题为“基于网络化虚拟仪器的小电流接地系统故障选线”，作者为皮志勇、孙伟红等。）