基于拓扑二值逻辑的电工实验台短路故障定位方法

黄俊奇(上海第二工业大学科研处,上海201209)

基于拓扑二值逻辑的电工实验台短路故障定位方法

黄俊奇
(上海第二工业大学科研处,上海201209)

摘要:针对电工实验台在高校教学过程中发生短路故障后很难快速、准确找到故障位置的问题,通过分析实验系统中短路电流的流向以及电路结构的特点,提出了一种基于拓扑二值逻辑的电工实验台短路故障定位方法。该方法能够很好地解决传统故障定位方法故障定位不准确的问题,并可在复杂拓扑结构电路中实现快速故障定位。实验结果表明,该故障定位方法电路结构简单,故障定位快速准确,且定位过程不易受外界环境干扰,具有较好的实际效果。

关键词:故障定位;电工实验台;强电系统;拓扑结构;二值逻辑

0　引言

近年来,电工实验台已经在高校电工实验教学中获得广泛使用,但在实验过程中经常因实验者的操作不当而造成线路短路故障,而电工实验台中并没有配备对短路故障进行定位的设计[1-6],使得很多学生不知故障因何而起,也不知故障的具体位置,以至于学生既无法及时更正自己所犯的错误,又无法总结经验教训以避免同类错误的再次发生,同时也不利于对实验台设备进行及时修理和维护。因此,有必要研究一种快速、准确的短路故障定位方法,使实验者能够快速查找故障原因并排除故障,进而提高电工实验的教学效果。

目前,业界对以上故障的解决方案主要是根据不同的短路位置所引起电路拓扑结构发生改变的差异不同,通过将所测量的各个支路的电流值带入事先建立好的电路模型中进行运算求解,从而实现短路故障位置的定位[7-9]。然而,此方案很难在电工实验台电气线路的短路故障定位中得到较好应用,主要原因是:根据电流的流向以及电阻串并联原理,小电阻支路上的电流值要比大电阻支路上的电流值大得多,由于引起电路短路的连接导线的电阻值要远远小于白炽灯或电动机等负载的阻值,导致从引起短路的连接导线上流过的电流很大,而从负载上流过的电流很小,在利用多路具有较高测量精度的电流传感器去测量所有支路的电流值时,很难准确测量出流过负载支路的电流大小,造成带入电路模型进行运算后所得到的短路故障位置不准确。

1　短路故障的特点分析

当前高校所用的电工实验台通常由交直流电源、实验挂件、智能仪表、函数信号发生器以及示波器等部分组成,其中有很多实验项目涉及到强电,比如:日光灯功率因数的提高,三相正弦交流电路电压、电流、功率的测量以及三相异步电动机等实验都用到了220 V或380 V的交流电。由于这些交流电路中所涉及的交流电源与负载之间连接了多个接线插孔,在实验线路连接或电参数测量过程中容易接错位置,从而引起“相线-中线”或“相线-相线”短接,最终造成交流电源单相或两相短路。因此,通过分析这些短路故障发生的原因,可以发现故障点通常集中在交流电源与负载之间接线插孔的错误连接上,而且不同的错误连接所引起电路拓扑结构发生改变的差异也不同。

2　短路故障的定位

通过上述对短路电流流向的分析可知,可以利用短路线上流经电流远远大于被短路负载上流经电流的规律,将故障定位的研究从模拟问题离散为数字问题来实现短路故障位置的准确定位。其主要思路是将实验台各接线插孔看作是将电路分割成段的节点,在分割后的各段电路导线上接入电流传感器和设定短路所对应的电流大小,通过利用各电流传感器所检测到的电流值与所设定的短路电流大小进行比较来确定相应线路段上“有/无”短路电流流过(其可对应一个二值逻辑变量),再将所有线路段的比较结果组成集合,并根据每个可能发生短路的位置都会对应一组唯一的集合,建立相应的逻辑函数。

另外,通过对本系统需要进行短路故障定位的电路结构特点进行研究后发现,其所有可能发生短路的对象存在一些类别间的差异和规律。例如,可以将其按照三相电源短路的情况划分为6大类别,包括3种单相电源短路情况和3种两相电源短路情况。同时,由于任意单相或两相电路中,其所涉及的交流电源与负载之间接线插孔的不同错误连接所引起的短路情况又不同,每大类又可以根据各自的电路拓扑结构特点细分为若干小类,通过利用这些差异和规律,为化简所建立的逻辑函数提供依据,进而得出短路故障位置表达式。

3　短路故障定位的具体实现

在电工实验系统装置中,涉及到电气线路短路故障的主要有单相和三相交流电路实验,下面就以三相正弦交流电路负载星形连接的实验线路为例,依据前述的定位方法对短路故障定位的具体实现步骤进行说明,其实验线路连接图如图1所示。

图1　三相正弦交流电路负载星形连接线路示意图Fig.1 Diagram of three-phase circuit when the load connected in star

通过前述所分析的实验系统中短路电流的流向以及电路拓扑结构特点,可以将短路故障定位的实现步骤划分为以下4个阶段:列出拓扑全集,建立逻辑函数,化简逻辑函数,得出求解公式。

(1)列出拓扑全集。利用穷举法把三相正弦交流电路负载星形连接线路中所有可能发生短路的位置全部罗列出来,并编上序号,如表1所示。

在把所有的可能发生短路的位置全部罗列出来之后,下一步就要建立适当的逻辑函数,因此需要将所有可能发生短路的位置与逻辑函数表达式中的变量联系起来。

(2)建立逻辑函数。通过分析负载星形连接的实验电路特点,可以在图1线路中标号为L1∼L8的线段上接入短路电流检测装置,每个短路电流检测装置将自己是否检测到有短路电流流经的二值结果作为一个二值逻辑输入变量,这样就实现将所有可能发生短路的位置与逻辑函数表达式中的变量联系了起来。表2为负载星形连接的实验电路中所有可能发生短路位置与对应能检测到短路电流的线段。

本文支持单值、模糊单值、区间值三种QoS数值表达方式。如，响应时间为单值属性；安全性描述为一个集合{高，中，低}对应的数值描述为{3,2,1}，为模糊单值属性；价格区间100元以内，为区间型属性。本文将数值进行统一划归成精确型单值数据来表示。

从表2可以看出,每一个可能发生短路的位置都有唯一的一组能检测到短路电流的线段与之对应,因此可以将此表的对应关系看作是一个8输入变量的逻辑函数,每个输入逻辑变量Xt(t取0∼ 7)的二元值对应标号为L1∼L8的线段上短路电流检测装置是否检测到短路电流(其中二元值“0”表示相应线段上有检测到短路电流,“1”则反之),逻辑函数输出Y的取值对应24种可能发生短路的情况,即逻辑函数表达式Y=f(X0,X1,···,X7),其真值表如表3所示。

表1　负载星形连接所有可能发生短路的位置Tab.1　The positions of all short circuit when the load connected in star

表2　所有可能短路位置与对应能检测到短路电流的线段Tab.2　The correspondence between all short circuit and the line number

表3　8变量逻辑函数真值表Tab.3 Eight variable logic function truth table

(3)化简逻辑函数。为了得到逻辑函数的最简表达式,对于表3的逻辑函数真值表通常可以选用公式化简法或卡诺图化简法[10-11]进行化简,但是在采用这两种方法进行化简时,由于涉及到多变量(8输入变量)逻辑函数的化简,需要解决化简过程中运算量大、逻辑相邻不容易确定等问题。而通过前述对本实验系统电路拓扑结构特点的研究可知,其所有可能发生短路的对象存在一些类别间的差异和规律,通过借助这些信息可以更加方便、快速地对逻辑函数进行化简。

因此,利用三相电源短路情况可分为3种单相电源短路和3种两相电源短路的特点,可对表3中的真值进行分类,将24种可能短路的位置划分为6大类(表3中以X0∼X34位输入变量来区分表示),且通过映射实现将6大类与变量i(i取0∼5)一一对应,其映射关系图如图2所示。

另外,如图3所示,又可根据各自电路拓扑结构特点将每大类细分为4小类,在表3里选取4位输入变量X4∼X7中不重复的两位XjXk并成一组来区分表示(其中j,k取4∼7,XjXk的取值范围为0∼3),共可并成C24=6种组合,其与所有短路情况所划分的6大类相对应。

图2　6大类与变量i映射关系图Fig.2 The mapping of six kinds and variable i

图3　各类映射关系图Fig.3 All kinds of mapping

(4)得出求解公式。对于表3逻辑函数真值表的化简过程为:先对X0∼X34位输入变量进行判断,并根据图2进行映射得到当前所属大类所对应变量i的取值,进而可计算出当前短路故障所属大类所在的首序号值为A×i(其中A为每大类所划分的小类个数),再通过图3寻找当前所属大类所对应的小类XjXk的取值,进而求出短路故障位置相对于所属大类所在首序号值的偏移值为(A−XjXk),最终就可以求出当前短路故障所在的序号值,并通过表1找到序号值所对应的短路故障位置。

4　短路故障定位的实例验证

下面就具体以一短路实例来验证此故障定位方法的实际效果。

假设图4所示电路中U1和V1两个接线端因错误连接而引起短路故障。

图4　线路发生短路故障示意图Fig.4 Schematic diagram of short-circuit fault

(1)由图4可知,此时仅有标号为L1,L2,L6,L5 的4根导线上的短路电流检测装置能检测到短路电流,其表3中8位输入变量X0∼X7的取值对应为10011100;

(2)由图2映射关系图可得所属大类X0∼X3 为1001所对应的变量i的取值为3,进而可计算出当前短路故障所属大类所在的首序号值为A×i=4×3=12(其中A为每大类所划分的小类个数,因为本例划分4类,故这里A的取值为4,即每大类划分了4小类),又可从图3寻找当前所属大类所对应的小类XjXk为X7X6,从而可知X7X6此时的取值为00,因此求得故障位置相对于所属大类所在首序号值的偏移值为(A−XjXk)=(4−0)=4;

(3)由式(1)求得当前短路故障点的序号值:

(4)由表1可知,短路故障点序号值为16所对应的短路故障位置为U1—V1,即电路中U1和V1两个接线端发生了错误连接,由此造成短路故障的发生。

同样,对于单相类型的短路情况,例如,假设图4所示电路中U和N两个接线端因错误连接而引起短路故障,此时仅有标号为L1和L3两根导线上的短路电流检测装置能检测到短路电流,其8位输入变量X0∼X7的取值对应为00111111,再根据上述第2、3步骤可求得当前短路故障点的序号值:

即由表1可知,短路故障点序号值为1所对应的短路故障位置为U—N。

5　结语

基于拓扑二值逻辑的定位方法能够很好地实现对电工实验台电气线路中的短路故障进行定位,且此定位方法同样适用于三相负载三角形连接实验以及三相电动机实验等电路,因此具有一定的推广应用价值。对于电路拓扑结构非常复杂的电路,由于需要进行短路监测的点很多,导致所涉及到的变量相应增多,所以不易根据电路的拓扑结构特点进行分类化简来得出求解公式,这些需要在后续的研究中进一步探索和研究相关改进措施。

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中图分类号:TM08

文献标志码:A

文章编号:1001-4543(2015)03-0236-07

收稿日期:2015-05-18

通讯作者:黄俊奇(1987–),男,福建莆田人,助理工程师,硕士,主要研究方向为智能检测与控制技术。电子邮箱jqhuang@sspu.edu.cn。

Research on the Fault Location of Short-Circuit for the Electrical Test Bench Based on Topology&Binary Logic

HUANG Jun-qi
(Research Administration Office,Shanghai Second Polytechnic University,Shanghai 201209,P.R.China)

Abstract:Aiming at the problem of difficult to find the fault location quickly and accurately in the electrical test bench after the short-circuit fault occurs during the teaching of colleges,through the analysis of the flow mechanism of short-circuit current and the characteristics of the circuit structure in the system,a short-circuit fault location method for the electrical test bench base on topology &binary logic is presented.The method can not only solve the problem of inexact location with traditional fault diagnosis methods,but also provide the quick fault locating for the complex topology circuit.The experimental results show that this method have the advantages of simple circuit structure and the fault position is fixed quickly and preciously.It is not influenced by the outside environment during fault locating and have a better actual effect.

Keywords:fault location;electrical test bench;electric system;topological structure;binary logic