田涛， 张兆君， 朱超， 陈昊， 罗京， 高丙团

(1.国网江苏省电力公司 检修分公司, 江苏 南京 211102；2.东南大学 电气工程学院,江苏 南京 210096)

基于专家系统的高效核相系统设计与实现

田涛1， 张兆君1， 朱超1， 陈昊1， 罗京2， 高丙团2

(1.国网江苏省电力公司 检修分公司, 江苏 南京 211102；2.东南大学 电气工程学院,江苏 南京 210096)

针对当前核相装置工作效率低和核相需求大的情形，设计并实现了一种高效核相系统。采集包含零线的八路待鉴相信号，基于离散傅里叶变换(discrete Fourier transform，DFT)和软件同步采样方法，实现各路待鉴相信号相位的精确检测。其次，建立核相专家系统用于智能判断，实现待测信号的一次性自动鉴相。进一步地，基于数字信号处理器(digital signal processor，DSP)给出了系统的软硬件实现方法。最后，对所设计系统进行了实验验证，证明所设计系统可实现高效的核相工作。

核相；零线；离散傅里叶变换；专家系统；数字信号处理

0 引 言

在电力系统中，发电厂、变电站、输电线路新建或检修完毕后，经常要做核相试验，以确保三相电相序与待并入电网相序一致，核相包括核对相位和相序，其中，相位检测是判断相序的前提，相序不正确则会导致发电机无法并网、电动机反转等严重事故，威胁生命财产安全[1]。近年来，随着智能电网的发展建设，网络改造工程越发频繁，核相需求也随之日益增加。因此，核相作为电网中一项必不可少的工作，其可靠性和效率值得研究。

现有的核相装置基本为双通道，使用这些装置进行三相系统或三相四线制系统核相工作时，往往需要2～4人协调配合、多次接线测量、人工对电压进行比对，才能实现最终鉴相，工作量大且效率低下[2-3]。而且，当测量发现问题时，往往需要试验人员依据自身经验分析判断，但实际现场中的工作人员技能水平不一，对存在问题的判断始终存在潜在的人为出错风险。在机器装置中引入专家系统，利用人类专家建立的计算机模型来解决现实中需要专家才能解决的复杂问题[4]，可以显著提高工作效率，规避人工误判风险。基于此，本文设计并实现了一种高效的核相系统，以实现三相系统或三相四线制系统的一次性自动鉴相。

1 工作原理及算法

1.1 工作原理

图1 系统原理框图

基于专家系统的高效核相系统由信号获取、DFT处理、专家系统三部分组成，如图1所示。

首先，由信号获取部分采集包含有零线的八路待鉴相信号；其次，对采集的八路信号进行DFT处理，得到待测信号的幅值、相位；最后，将计算得到的幅值和相位信息送入专家系统，由专家系统完成自主判断、自动鉴相。其中，专家系统主要由推理机、知识库和人机界面组成[5]。推理机基于获取的幅值和相位信息，通过选取知识库中的可用知识进行智能匹配，得出八路信号存在的问题或相互之间的匹配接线方式，并通过人机界面显示出鉴相结果。

1.2 相位检测原理

相位检测是核相系统的基础。常见的相位检测方法有过零检测法，波形变换法，相关分析法，Prony法，瞬时值法等[6]。其中，过零检测法硬件实现容易，但在待测信号频率波动时会产生较大测量误差；波形变换法对硬件要求很高，检测准确度不高；相关分析法对硬件要求高且实时性差；Prony法抗噪声干扰的能力较差，上述这几种方法的测量误差都很难准确估量且很难消除。而瞬时值法中的离散傅里叶变换法，很大一部分用软件代替了传统的硬件测量，消除了硬件之间信号传递的干扰和不可靠性，实现方便，计算精准且快速，而且由于DFT是一种时域与频域的映射关系，DFT法在理论上可以达到很高的测量精度，只需采用适当算法，即可具备很高的噪声抑制能力，尤其适用于电力信号的精确快速测量[6-7]。综合以上几种方法的测量精度、对硬件要求和实时性特征，本文系统选用DFT法进行相位测量。

令八路待鉴相中第i路电压为ui(t)(i=1,2,3,4,5,6,7,8)，对其进行采样得到的离散电压序列为xi(n)，则采用DFT法计算ui(t)基波(50 Hz)相位的过程如下：

(1)

式中N为采样点数；n为第n个采样点；k为谐波次数，此处k=1。

令Xi(1)的实部、虚部分别为ai，bi，则可求得第i路电压ui(t)的基波幅值、相位分别为:

(2)

此处需要说明的是，由于电力负荷波动性[8]，实际电网电压幅值波动之外，频率亦存在波动，采样频率不匹配会产生频谱泄露和栅栏效应，导致DFT法计算出的幅值和相位出现较大误差，要保证测量精度则必须考虑采样同步问题[9-10]，本文系统采用软件方法实现同步采样。

1.3 核相专家系统

核相专家系统是整个装置的核心，包括推理机、知识库和人机界面三部分。其中，知识库来源于工程实际，通过对实际现场中的各种可能接线方式，以及以往工程实践中常见的接线错误进行分析、汇总，形成了一系列鉴相规则。推理机则通过模拟专家鉴相思维，将DFT法得到的幅值与相位信息和鉴相知识库中的可用知识按规则进行推理，得出当前接线方式存在的问题或匹配接线方式。人机界面用于显示鉴相结果。建立的知识库如表1所示。

表1 鉴相知识库

鉴相知识库中的规则均采用“IF-条件 THEN-结论”的方式表示。针对两个待并列运行的三相四线制系统，八路待鉴相分别为U,V,W,N和U’,V’,W’,N’，表1中的核相参数包括：待鉴相数n，第i或j路电压信号的基波幅值Ai,j(其中i=1,2,3,4；j=5,6,7,8)，零线最大允许幅值K0，同相最大允许幅值差KU，同相最大允许相位差Kφ。工程实际中，通常幅值差不超过10 V且相位差不超过10°即判定为同相，即KU=10 V，Kφ=10°，K0则根据实际电网的运行情况确定。除了上述参数，核相过程中还需用到电压等级U。表中规则1用于判别待核系统是否有零线。

表1规则2中的故障指断线故障。下面分析规则2的合理性。针对如图2所示的三相四线制系统，当三相负载平衡(即RA=RB=RC)时，中性点电压可由下式求得:

(3)

图2 三相四线制系统等效电路图

不难发现：对于零线而言，当系统正常无故障运行或零线N发生断线时，零线电压UN=U0且均为0，即三相负载平衡时无法判别出零线是否发生了断线故障。

为此，本文系统采用了三相负载不平衡的方式[11]，此处负载均指精密采样电阻，设三相负载的视在功率分别为SA、SB、SC，定义A、B相的负载不平衡度分别为:

(4)

由于三相负载均为电阻，因而功率因数均为1，故有以下关系:

(5)

将式(5)带入式(3)中，可得:

(6)

由式(6)即可计算出三相负载上的电压分别为:

(7)

(1)系统正常无故障情况下，由式(6)、(7)可求得各相负载上电压的有效值如下:

(2)当零线发生断线故障时，相当于RN→∞，RC/RN=0，同理可求得各相负载上电压的有效值为:

(3)当A相发生断线时，中性点电压为:

(8)

由式(8)可得出B、C相负载上的电压分别为:

(9)

由此可得:

而B相发生断线故障时的情况和A相类似，故不再重复。

(4)当C相发生断线故障时，可得中性点电压:

(10)

由式(10)可计算出A、B相负载上的电压分别为:

(11)

由此可得:

(5)当B，C相发生断线故障时，同理可求得中性点电压:

(12)

由式(12)可计算出A、N相负载上的电压分别为:

(13)

由此可得:

(6)针对其他类型的两相故障，与情况(5)中分析相同，不难发现故障相负载电压为0，非故障相偏将移至0.8U或0.5U左右。针对三相故障，故障相和非故障相负载上电压均为0，具体计算不再重复。

通过以上分析可验证表1中规则2的有效性，当系统正常运行时，三相负载上电压有效值均不超出正常值(即U)±10%，零线电压有效值UN不为0(此时的UN为正常值)；当发生单相或多相断线故障时，故障相电压为0，非故障相及UN均偏离正常值10%以上；当零线发生断线故障时，UN为0，其他相电压不超出正常值±10%。

由此可见，利用“三相不平衡”思想，由规则2(相电压有效值为0)即可判断出系统是否有断线故障，且电压为0的相为故障相。在系统有零线且无故障情况下，因本文系统在实际应用中U一般为57.74 V或220 V，K0取10 V，故由规则3可判别出零线(相电压幅值不超过K0)。在已识别出零线的6路待鉴相中，由规则4(相电压幅值差不超过KU且相位差不超过Kφ)即可判别出待鉴相间的同相关系。

图3 专家系统推理流程

推理机通过模拟专家鉴相思维，根据知识库中的规则，采用正向推理的方式实现八路待鉴相信号的自动鉴相。专家系统的推理流程如图3所示，其中，条件k为鉴相知识库中第k条规则的条件，鉴相结果包括是否有故障及故障相编号、是否有零线及零线编号、同相关系。

2 硬件设计

基于专家系统的高效核相系统的硬件结构如图4所示，包括信号采集、信号调理、A/D采样、DSP处理、人机界面、以及存储器模块等部分。

图4 系统结构框图

2.1 信号采集部分

本文核相系统的信号采集部分共有八路采样通道，可采集包含零线的8条电力线路电压信号。信号采集部分的输入取自实际电力线路母线电压互感器(PT)的二次侧，PT二次侧输出线电压一般为100 V。从PT二次侧取得的电压信号经过精密型电流互感器(CT)隔离转变为与原始电压信号同频率、同相位的低电流信号。本文系统的信号采集部分设计允许最大输入为220 V，因此，对于380/220 V的三相四线制系统，也可直接引入一次侧相电压实现直接核相。

2.2 信号调理部分

经过信号采集得到的低电流信号，需先经过I/V电路还原成电压信号，但此时电压在幅值上仍不能满足A/D采样幅值要求，还需要经过信号调理电路调理，以使电压幅值在-5 V～+5 V之间。系统的信号调理电路如图5所示，包括I/V电路、电压跟随、比例放大以及RC滤波环节，图中R1为精密采样电阻。

图5 信号调理电路

2.3 A/D采样部分

A/D采样部分采用MAXIM公司生产的高速采样芯片MAX125，该芯片包含一个3微秒、14位分辨率的连续逼近型模数转换模块，一个+2.5 V内部参考电压，一个参考输入缓冲器，四个同步采样/保持电路，一个可编程序列发生器，四个可存放转换数据的14位RAM，允许八路信号输入，每路具有±16.5 V输入故障保护，每个同步采样/保持电路前有一个2选1开关[12]。

由于MAX125只能同时保证4路采样保持，因此本系统采样部分选用两片MAX125，在转换时，两片芯片分别用于采集U,V,W,N和U′,V′,W′,N′这八路电压信号，以保证采样同步性，待转换结束后，两片MAX125均产生一个外部中断信号，即转换完成标志，DSP接收到转换完成信号后读取八路采样值。

非同步采样会影响核相系统精度，常用的同步采样方法分硬件法和软件法两种。为了减小硬件投入成本，本文系统采用软件法实现同步采样。具体实现方法为：在信号调理电路后级增加比例放大、过零比较环节，将待测电压信号整形为幅值较小的方波信号，再通过DSP的CAP引脚捕获方波信号相邻的两个上升沿从而测出被测信号的周期T，用周期T除以一个周期内的采样点数即可得到采样间隔TS，并以此来确定定时器的周期计数值，从而保证采样间隔能跟随电网频率的变化，用定时器周期中断方式实现同步采样[12-13]。

2.4 其他部分

系统数据信号处理部分采用TI公司生产的32为定点DSP芯片TMS320F2812，它既具备数据信号处理能力，又具有强大的事件管理能力和嵌入式控制功能，特别适合于大批量数据处理的测控场合。F2812工作频率为150 MHz，片内资源丰富，具有128K×16位FLASH，4K×16位SRAM。

人机交互部分为一台TFT触摸屏，通过SPI接口与DSP相连，用于鉴相结果显示。

3 软件设计

图6 主程序流程图

系统软件部分程序包括系统初始化子程序、采样中断子程序、专家系统子程序和液晶显示子程序。程序在CCS3.3软件开发环境下采用C语言编写，采用模块化、结构化的编程思想，条理清晰，可移植性好。主程序工作流程如图6所示。

主程序的功能为：系统上电后，首先，进行自检及初始化，初始化对象包括DSP片内资源及外设单元、液晶显示、核相参数等；其次，调用采样中断子程序对八路待鉴相电压信号进行同步采样并保存采样数据，进而判断采样是否结束，若采样结束则DSP读取采样数据，并对采样数据进行DFT运算，求出待测电压信号的基波幅值和相位；然后，调用专家系统子程序对计算结果进行处理和分析，得出待测八路电压信号的匹配关系；最后，调用液晶显示子程序，将上述专家系统的鉴相结果通过液晶屏显示，以供现场工作人员参考。

4 实验结果与分析

图7 样机实物及测试环境

核相系统样机制作并调试完成后，利用博电“PW4361系列继电保护测试仪”对系统进行了实验验证，样机实物及测试环境如图7所示。

具体实验流程如下：(1)设置“继电保护测试仪”输出电压分别为57.74 V∠0°，57.74 V∠120°，57.74 V∠-120°，0 V∠0°；(2)设置专家系统中的核相参数n=8，U=57.74 V，K0=10 V，KU=10 V，Kφ=10°；(3)从“继电保护测试仪”电压输出端口引出八路电压(模拟两个三相四线制系统)，依次接入核相系统的8个接线端子Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ和Ⅴ、Ⅵ、Ⅶ、Ⅷ；(4)每次接线完毕后给系统上电，系统启动后自动完成鉴相，并记录鉴相结果；(5)每次测量后，将鉴相结果与“继电保护测试仪”输出电压的相位关系进行人工比对校验；(6)交换接线，重复上述操作(保持其中一个系统接线不变，则待核系统共有4×3×2×1=24种正常接线方式)。结合校验结果发现，针对八路待鉴相的各种可能接线方式，该系统均能快速准确判断出待鉴相间的相位关系，表2给出了4种接线情况下核相系统的实验结果。

5 结束语

针对电力施工现场的核相工作，本文提出并实现了一种基于专家系统的高效核相系统。与现有核相装置相比，该系统只需一人操作、一次接线即可，可完成三相系统或三相四线制的一次性自动鉴相，实现了核相自动化。对于接线过程中可能存在的脱线、断线问题，本文系统也予以考虑，并通过人机界面直观显示出断线情况或鉴相结果，供现场人员参考，降低了现场试验人员的劳动强度，避免了人工误判风险。

表2 实验结果

[ 1 ] 左学荣. 二次核相方法在焦煤电网的应用[J]. 自动化与仪器仪表, 2016,41(5): 45-46.

[ 2 ] 欧阳青. 输变电工程投运现场核相试验方法[J]. 电力安全技术, 2002, 4(2): 25-27.

[ 3 ] 张金波, 王俊, 范梅荣, 等. 实用高压电力线路无线核相仪的设计[J]. 电力自动化设备, 2005, 25(10): 65-67.

[ 4 ] 张煜东, 吴乐南, 王水花. 专家系统发展综述[J]. 计算机工程与应用, 2010, 46(19): 43-47.

[ 5 ] 刘守明, 胡志坤, 王美玲. 基于知识库的电力变压器故障诊断专家系统[J]. 计算机测量与控制, 2011, 19(7): 1569-1571.

[ 6 ] 叶林, 周弘, 张洪, 等. 相位差的几种测量方法和测量精度分析[J]. 电测与仪表, 2006, 43(4): 11-14.

[ 7 ] 宋长宝, 竺小松. 一种基于DFT的相位差测量方法及误差分析[J]. 电子信息对抗技术, 2003, 18(5):16-19.

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[ 9 ] 马令坤, 戴志美, 于新颖, 等. 基于采样序列同步化的电力谐波DFT分析方法[J]. 电测与仪表, 2015, 52(3): 26-30.

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[11] 陈雅芳. 低压系统断零与缺相故障诊断技术及解决方案研究[D]. 广东:广东工业大学, 2016.

[12] 徐雷钧, 赵不贿, 唐平, 等. 一种通用电力谐波分析装置的设计[J]. 电测与仪表, 2004, 41(10): 40-43.

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Design and Implementation of a Highly-efficient Phase Detection System Based on the Expert System

Tian Tao1, Zhang Zhaojun1, Zhu Chao1, Chen Hao1, Luo Jing2, Gao Bingtuan2

(1.Maintenance Branch, State Grid Jiangsu Electric Power Co., Nanjing Jiangsu 211102, China；2. School of Electrical Engineering, Southeast University, Nanjing Jiangsu 210096, China)

In view of current low efficiency of phase detection devices and high demand on phase detection, this paper introduces a design and implementation of a highly efficient phase detection system. First, signals for phase detection are collected from 8 channels including the neutral line, and accurate phase detection is completed for these signals, based on discrete Fourier transform (DFT) and synchronous software sampling method. Second, the expert system of phase detection is established for the purpose of intelligent judgment, which can realize in one stepautomatic phase detection of the signals to be tested. Furthermore, hardware/software implementation methods of thesystem are presented based on the digital signal processor (DSP). Finally, results of experimental verification of thedesigned system show that the system can conduct highly efficient phase detection work.

phase detection; neutral line; discrete Fourier transform; expert system; digital signal processing

10.3969/j.issn.1000-3886.2017.04.007

TM933.2

A

1000-3886(2017)04-0022-04

定稿日期: 2017-02-21

国家自然基金资助项目(51577030)；国家电网公司科学技术项目(SGTYHT/14-JS-188)

田涛(1972-)，男，江苏南京人，高级工程师，硕士，主要研究方向为输电网运维自动化。 张兆君(1977-)，男，江苏金坛人，工程师，学士，主要研究方向为输电网运维自动化。 朱超(1987-)，男，江苏南京人，工程师，博士，主要研究方向为输电网运维自动化。 陈昊(1980-)，男，江苏南京人，高级工程师，博士，主要研究方向为输电网运维自动化。 罗京(1993-)，男，江苏淮安人，硕士生，主要研究方向为电力系统监测与控制。 高丙团(1981-)，男，江苏淮安人，教授，博士生导师，主要研究方向为电力系统监测、控制与自动化。