薛 磊

（中鐵一局集團電務工程有限公司）

0 引言

整定計算是地鐵接觸網繼電保護裝置在遇到短路故障時能否及時有效地切斷電源的關鍵。由于各地鐵接觸網的線索類型、長度、安裝形式等條件差異大，造成估算的線路阻抗誤差大，且計算過程復雜[1]，從而導致整定計算結果難以有效地指導繼電保護整定。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整定計算的裝置。

1 研究背景與意義

本裝置采用低壓電源進行短路試驗，設計同步采樣電路采樣短路試驗過程的電流電壓，由基于牛頓迭代法的線路阻抗求解方法求解線路阻抗，進行短路電流仿真計算。由于短路試驗采樣的電流電壓數據量龐大，阻抗計算時運算過程復雜，因此，開發(fā)了地鐵接觸網阻抗測試及短路仿真軟件，能完成短路試驗參數設定，地鐵接觸網的線路阻抗計算，基于雙邊供電模型的短路電流仿真，并能自動生成試驗報告等功能。

2 硬件配置及軟件功能分析

2.1 高速AD 采樣與傳輸技術

為了更好地對數據進行分析和傳輸，選用某廠家DAQ-USB4010 型號的高速AD 采樣電路對電壓電流信號進行同步采樣。如圖1 所示，該高速AD 采樣電路具有以下優(yōu)勢：①可實現8 通道16 位數據的同步采樣。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等多種語言上位機界面編程。④可采用USB 傳輸線實現采樣數據的同步上傳和下載。

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短路試驗過程的電壓電流。其采樣的數據樣式如表1 所示，采樣周期為5μs，采樣點數為10000 點。

表1 采樣數據樣式

如表1 所示，通道0 采樣數據為A1~An，通道1采樣數據為B1~Bn，通道0、1 采樣的數據均必須在0~10 之間。

因此，為了滿足通道采樣要求，在設計電路時對電壓電流值進行縮放處理，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備的情況，本軟件應當具備的基本功能需求如表2 所示，主要有采樣參數配置、數據導入、數據處理、參數計算、結果展示、電流仿真、自動報告生成等功能。

表2 本軟件的主要功能需求

2.3 軟件的功能架構

軟件功能架構圖如圖2 所示，包括采樣參數配置、線路阻抗計算、電流仿真、自動生成報告。采樣參數的配置主要配置通道、模式、點數、周期、觸發(fā)模式等信息，線路阻抗計算主要包括數據導入、數據處理、阻抗計算。電流仿真主要包括單邊記錄、雙邊仿真。自動生成報告有Word 中保存文字和截圖，自動保存Word 文檔等功能。

圖2 軟件的功能架構圖

3 軟件整體設計

3.1 整體架構設計

軟件采用WPF 框架開發(fā)，實行MVVM 架構。各模塊分工明確，系統(tǒng)的開發(fā)、維護和迭代便捷。如圖3 所示，整個架構分為Model 層、View 層、ViewModel 層。Model 層是原始數據層，負責為ViewModel 層提供數據模型。View 層是數據展示層，負責將數據用特定的方式展示給用戶。ViewModel 層是數據交互層，負責View 層與Model 層之間的數據交互。對Model 層的數據做數據處理然后讓View 層進行展示，當用戶對數據進行更改時，ViewModel 層對Model 層進行相應的更改。

圖3 WPF 框架的MVVM 架構

3.2 邏輯功能的設計

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

圖4 控制流程圖

4 軟件實現

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進行開發(fā)，采樣C#語言編程[3-4]，運行環(huán)境為NET6.0。

4.2 采樣參數配置及數據采集的實現

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

設備信息展示高速AD 采樣器的設備類型和設備名稱，用以校驗采樣設備連接是否良好。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、采樣點數等信息。文件保存主要設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 阻抗計算實現

當完成采集任務或選擇了需要處理的數據文件并且已做數據處理操作，點擊阻抗計算，各類參數計算結果以及數據分析圖將會出現在右側，阻抗計算模塊的運行界面如圖6 所示。

圖6 阻抗計算模塊的運行界面

電感參數需要通過擬合變量K去計算，而K則需要通過牛頓迭代法實現計算，在代碼中使用遞歸法來實現牛頓迭代法計算擬合變量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測，結果顯示，其穩(wěn)態(tài)值結果為21812A。

圖7 預測雙邊供電情況下的電流變化

5 結束語

為了解決在地鐵接觸網整定計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求線路阻抗的方法，由于采樣數據量大，計算過程復雜，因此開發(fā)了地鐵接觸網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，適配Windows10及以上版本操作系統(tǒng)，能夠完成參數配置、線路阻抗計算、電流仿真、自動生成報告等主要功能，具有兼容性、安全性和易用性等多方面優(yōu)勢。應能夠提高數據處理的效率和精度，減少試驗成本，在城市軌道交通的接觸網短路試驗和繼電保護裝置整定計算中發(fā)揮出重要的作用，具有廣闊的應用前景。