薛 磊

（中鐵一局集團(tuán)電務(wù)工程有限公司）

0 引言

整定計(jì)算是地鐵接觸網(wǎng)繼電保護(hù)裝置在遇到短路故障時(shí)能否及時(shí)有效地切斷電源的關(guān)鍵。由于各地鐵接觸網(wǎng)的線索類型、長度、安裝形式等條件差異大，造成估算的線路阻抗誤差大，且計(jì)算過程復(fù)雜[1]，從而導(dǎo)致整定計(jì)算結(jié)果難以有效地指導(dǎo)繼電保護(hù)整定。因此，研發(fā)了一種通過低壓電源測試線路阻抗并能仿真地鐵接觸網(wǎng)整定計(jì)算的裝置。

1 研究背景與意義

本裝置采用低壓電源進(jìn)行短路試驗(yàn)，設(shè)計(jì)同步采樣電路采樣短路試驗(yàn)過程的電流電壓，由基于牛頓迭代法的線路阻抗求解方法求解線路阻抗，進(jìn)行短路電流仿真計(jì)算。由于短路試驗(yàn)采樣的電流電壓數(shù)據(jù)量龐大，阻抗計(jì)算時(shí)運(yùn)算過程復(fù)雜，因此，開發(fā)了地鐵接觸網(wǎng)阻抗測試及短路仿真軟件，能完成短路試驗(yàn)參數(shù)設(shè)定，地鐵接觸網(wǎng)的線路阻抗計(jì)算，基于雙邊供電模型的短路電流仿真，并能自動(dòng)生成試驗(yàn)報(bào)告等功能。

2 硬件配置及軟件功能分析

2.1 高速AD 采樣與傳輸技術(shù)

為了更好地對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析和傳輸，選用某廠家DAQ-USB4010 型號(hào)的高速AD 采樣電路對(duì)電壓電流信號(hào)進(jìn)行同步采樣。如圖1 所示，該高速AD 采樣電路具有以下優(yōu)勢：①可實(shí)現(xiàn)8 通道16 位數(shù)據(jù)的同步采樣。②采樣頻率最高200k，即采樣周期最低為5μs，采樣精度高。③可支持C#、Matlab、C++、Qt等多種語言上位機(jī)界面編程。④可采用USB 傳輸線實(shí)現(xiàn)采樣數(shù)據(jù)的同步上傳和下載。

圖1 雙通道高速AD 采樣裝置

選用高速AD 采樣電路的0、1 采樣通道連接到采樣電路兩端，同步采樣地鐵接觸網(wǎng)短路試驗(yàn)過程的電壓電流。其采樣的數(shù)據(jù)樣式如表1 所示，采樣周期為5μs，采樣點(diǎn)數(shù)為10000 點(diǎn)。

表1 采樣數(shù)據(jù)樣式

如表1 所示，通道0 采樣數(shù)據(jù)為A1~An，通道1采樣數(shù)據(jù)為B1~Bn，通道0、1 采樣的數(shù)據(jù)均必須在0~10 之間。

因此，為了滿足通道采樣要求，在設(shè)計(jì)電路時(shí)對(duì)電壓電流值進(jìn)行縮放處理，其縮放比例分別為k0、k1，則有：

2.2 功能需求分析

綜合考慮基本功能需求及考慮軟硬件設(shè)備的情況，本軟件應(yīng)當(dāng)具備的基本功能需求如表2 所示，主要有采樣參數(shù)配置、數(shù)據(jù)導(dǎo)入、數(shù)據(jù)處理、參數(shù)計(jì)算、結(jié)果展示、電流仿真、自動(dòng)報(bào)告生成等功能。

表2 本軟件的主要功能需求

2.3 軟件的功能架構(gòu)

軟件功能架構(gòu)圖如圖2 所示，包括采樣參數(shù)配置、線路阻抗計(jì)算、電流仿真、自動(dòng)生成報(bào)告。采樣參數(shù)的配置主要配置通道、模式、點(diǎn)數(shù)、周期、觸發(fā)模式等信息，線路阻抗計(jì)算主要包括數(shù)據(jù)導(dǎo)入、數(shù)據(jù)處理、阻抗計(jì)算。電流仿真主要包括單邊記錄、雙邊仿真。自動(dòng)生成報(bào)告有Word 中保存文字和截圖，自動(dòng)保存Word 文檔等功能。

圖2 軟件的功能架構(gòu)圖

3 軟件整體設(shè)計(jì)

3.1 整體架構(gòu)設(shè)計(jì)

軟件采用WPF 框架開發(fā)，實(shí)行MVVM 架構(gòu)。各模塊分工明確，系統(tǒng)的開發(fā)、維護(hù)和迭代便捷。如圖3 所示，整個(gè)架構(gòu)分為Model 層、View 層、ViewModel 層。Model 層是原始數(shù)據(jù)層，負(fù)責(zé)為ViewModel 層提供數(shù)據(jù)模型。View 層是數(shù)據(jù)展示層，負(fù)責(zé)將數(shù)據(jù)用特定的方式展示給用戶。ViewModel 層是數(shù)據(jù)交互層，負(fù)責(zé)View 層與Model 層之間的數(shù)據(jù)交互。對(duì)Model 層的數(shù)據(jù)做數(shù)據(jù)處理然后讓View 層進(jìn)行展示，當(dāng)用戶對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行更改時(shí)，ViewModel 層對(duì)Model 層進(jìn)行相應(yīng)的更改。

圖3 WPF 框架的MVVM 架構(gòu)

3.2 邏輯功能的設(shè)計(jì)

邏輯控制流程圖如圖4 所示，邏輯功能主要為：①參數(shù)配置：用戶打開軟件后，點(diǎn)擊參數(shù)配置，開始連接設(shè)備，如果連接成功則進(jìn)入配置參數(shù)，如果連接不成功，則返回繼續(xù)配置。②采集數(shù)據(jù)：當(dāng)參數(shù)配置完成后，開始短路試驗(yàn)，高速AD 采樣器采樣數(shù)據(jù)，并將采樣的數(shù)據(jù)保存到xlsx、txt 的文件中。③阻抗計(jì)算：選擇前面保存的數(shù)據(jù)文件，判定數(shù)據(jù)是否有效，然后數(shù)據(jù)處理，再通過曲線擬合進(jìn)行阻抗計(jì)算。④電流仿真：將此次阻抗計(jì)算的結(jié)果記錄，再進(jìn)行判斷，如果是記錄的雙邊結(jié)果，則電流仿真，如果單邊記錄則繼續(xù)選擇文件。⑤生成數(shù)據(jù)報(bào)告：將阻抗計(jì)算結(jié)果及仿真結(jié)果寫入Word 文檔中，并自動(dòng)生成報(bào)告[2]。

圖4 控制流程圖

4 軟件實(shí)現(xiàn)

4.1 軟件開發(fā)環(huán)境

本軟件使用的操作系統(tǒng)為Windows10，使用Microsoft Visual Studio進(jìn)行開發(fā)，采樣C#語言編程[3-4]，運(yùn)行環(huán)境為NET6.0。

4.2 采樣參數(shù)配置及數(shù)據(jù)采集的實(shí)現(xiàn)

用戶將采集卡連接至嵌入式電腦，打開參數(shù)配置頁面，軟件自動(dòng)讀取設(shè)備信息以及自定義參數(shù)配置。采樣主要界面如圖5 所示，由設(shè)備信息、采樣通道、采樣模式、文件保存、觸發(fā)模式等構(gòu)成。

設(shè)備信息展示高速AD 采樣器的設(shè)備類型和設(shè)備名稱，用以校驗(yàn)采樣設(shè)備連接是否良好。采樣通道用以配置采樣通道模式及具體的采樣通道。采樣模式主要配置采樣周期、采樣次數(shù)、采樣點(diǎn)數(shù)等信息。文件保存主要設(shè)置文件保存的類型及路徑。觸發(fā)模式主要用以配置短路試驗(yàn)觸發(fā)方式是軟件觸發(fā)還是硬件按鈕觸發(fā)。

4.3 阻抗計(jì)算實(shí)現(xiàn)

當(dāng)完成采集任務(wù)或選擇了需要處理的數(shù)據(jù)文件并且已做數(shù)據(jù)處理操作，點(diǎn)擊阻抗計(jì)算，各類參數(shù)計(jì)算結(jié)果以及數(shù)據(jù)分析圖將會(huì)出現(xiàn)在右側(cè)，阻抗計(jì)算模塊的運(yùn)行界面如圖6 所示。

圖6 阻抗計(jì)算模塊的運(yùn)行界面

電感參數(shù)需要通過擬合變量K去計(jì)算，而K則需要通過牛頓迭代法實(shí)現(xiàn)計(jì)算，在代碼中使用遞歸法來實(shí)現(xiàn)牛頓迭代法計(jì)算擬合變量K。

4.4 短路電流仿真

如圖7 所示為基于1500V 直流雙邊供電模型的電流變化趨勢預(yù)測，結(jié)果顯示，其穩(wěn)態(tài)值結(jié)果為21812A。

圖7 預(yù)測雙邊供電情況下的電流變化

5 結(jié)束語

為了解決在地鐵接觸網(wǎng)整定計(jì)算過程中線路阻抗估算誤差大的問題，提出了低壓短路試驗(yàn)求線路阻抗的方法，由于采樣數(shù)據(jù)量大，計(jì)算過程復(fù)雜，因此開發(fā)了地鐵接觸網(wǎng)阻抗測試及短路仿真軟件。本軟件采用WPF 框架開發(fā)，MVVM 架構(gòu)，適配Windows10及以上版本操作系統(tǒng)，能夠完成參數(shù)配置、線路阻抗計(jì)算、電流仿真、自動(dòng)生成報(bào)告等主要功能，具有兼容性、安全性和易用性等多方面優(yōu)勢。應(yīng)能夠提高數(shù)據(jù)處理的效率和精度，減少試驗(yàn)成本，在城市軌道交通的接觸網(wǎng)短路試驗(yàn)和繼電保護(hù)裝置整定計(jì)算中發(fā)揮出重要的作用，具有廣闊的應(yīng)用前景。