毕业答辩-微机继电保护测试系统研究.ppt

微机继电保护测试系统研究 学院：电气与电子工程学院 班级： 07级电化2班 答辩人： 戚亮亮 同组人:杨希，邱亮，罗利 指导老师：王银乐 微机继电保护测试仪实际图片 微机继电保护测试系统实物连接图 1.课题研究情况 1.1继电保护测试系统介绍 1.2国内外研究状况 1.3微机继电保护测试系统发展状况 1.4微机继电保护测试系统组成 1.5微机继电保护测试仪应用 1.6小组分工 1.1 课题研究背景及意义 随着人们的生活与电的联系越来越紧密，为此必须 保证电力系统安全可靠的运行。而电力系统的安全可 靠的供电，取决于组成电力系统的各个电气元件的正 常运行情况，每一个元件的故障或不正常运行都将影 响电力系统的正常供电。微机继电保护是继电保护装 置的主要形式，微机保护代表着电力系统继电保护的 未来。一旦电力系统发生故障或不正常运行，将会对 社会产生相当严重的危害，为了将电力系统危害降到 最小，电力系统中必须要有继电保护。本课题设计主 旨是对微机继电保护测试装置研究，了解硬件组成和 分析软件构成。 1.2 国内外研究状况 （1）国外研究状况 微机继电保护指的是以数字式计算机为基础构成的继电 保护，它起源于20 世纪60 年代中后期,是在英国、澳大 利亚和美国的一些学者的倡导下开始进行研究的。20 世 纪60 年代中期,有人提出用小型计算机实现继电保护的 设想,但没有在保护方面取得实际应用,但由此开始了对 计算机继电保护理论计算方法和程序结构的大量研究。 计算机技术在20 世纪70 年代初期和中期使得微型处理 器和微型计算机进入了实用阶段。在20 世纪70 年代后 期,出现了比较完善的微机保护样机。20 世纪80 年代, 微机保护在硬件结构和软件技术方面日趋成熟,并已在一 些国家推广应用。20 世纪90 年代,电力系统继电保护技 术发展到了微机保护时代。 （2）国内研究状况 目前国内使用的微机继电保护测试仪有从国外进口的，也有些是 我国自主研发生产的，新一代的微机继电保护测试仪功能上大同 小异，普遍存在以下特点； （1）硬件电路采用模块化设计，可根据用户的要求进行灵活的 组合； （2）多采用DSP高速处理器，速度快、精度高； （3）功率放大器不经变压器输出，暂态响应好、可靠性高、线 性度好； （4）国外今后的微机继电保护测试仪可以符合COMTRAD(美国 电力系统暂态数据交换标准)格式文件的数据还原成文件数据波形 完全一致的模拟量输出，再现实际系统中的暂态数据波形； （5）兼容GPS全球定位系统，可进行同步测试； （6）用户可以使用内部编程语言，进行专用模块的再开发； （7）基于windows测试软件，人机界面友好。 1.3 继电保护测试装置的发展历程 模拟式继电保护测试台 微机型继电保护测试装置 基于后台PC 计算机控制的测试装置 单CPU、有后台计算机的测试装置 基于多CPU、DSP 技术的实时继电保护测试系统 基于专用硬件平台的多DSP 并行系统 微机型继电保护测试装置的发展趋势 硬件方面 缩小硬件的体积、 降低功耗、 提高输出功率、 软件方面： 升级软件版本使功能更加完善。 有的厂家还对产品进行更新换代,推出 了功能更强的新产品。 1.4微机继电保护系统组成 （1）硬件结构 微处理器 D/A转换模块 功率放大器模块 开关量输入输出模块 保 护 装 置 PC机 （2）软件结构 微机继电保护测试系统 通信模块软件 测试模块软件 信号发生模块软件 驱动模块软件 基本测试 模拟测试 实验测试 1.5 微机继电保护测试仪在电力网中的应用 一、微机继电保护测试仪的测试项目和功能 本课题设计的微机继电保护测试仪可完成 现场大多数试验检定工作，可对各种继电器 （如电流、电压、反时限、功率方向、阻抗 、差动、低周、同期、频率、直流、中间、 时间等）及微机保护进行鉴定，并可模拟各 种复杂的瞬时性、永久性、转换性故障进行 整组试验。主要试验功能有： （1）交流电压、电流试验。 （2）交、直流电压、电流试验。 （3）整组试验。 （4）距离保护定值试验。 （5）零序保护定值试验。 （6）差动继电器制动特性试验。 （7）谐波叠加试验。 （8）同期试验。 （9）高、低周及频率试验。 （10）I-t 特性曲线测试。 （11）功率方向继电器和阻抗继电器测试。 其中的谐波叠加实验在现场使用较 多，在谐波叠加实验中，同时附带有谐波分 析的功能，谐波分析是现场查找问题的重要 依据，因此在现场使用频繁.。 1.7 小组分工 戚亮亮：微机继电保护测试系统硬件研究。主要任务是 设计一套以DSP为处理器的测试装置，研究其硬件组成 及测试优点 杨希：微机继电保护测试系统硬件研究。分析微机继电 保护测试系统硬件部分构成原理，主要研究硬件采集系 统。 邱亮：微机继电保护测试系统软件研究。就微机保护中 的一些算法进行研究。并对其中的谐波算法以及正弦波 合成算法进行主要研究。 罗利：微机继电保护测试系统软件研究。主要对消除谐 波分量和衰减直流分量对傅式算法的影响进行了研究和 改进。 DSP的微机继电保护测试系统硬 件设计 姓 名：戚亮亮 专 业：电气工程及其自动化 学 号：20070210010131 指导老师：王银乐 任务 1、熟悉微机继电保护测试系统的组成原理和 研究状态； 2、了解微机继电保护测试系统的测试内容及 对测试系统硬件的要求 ； 3、分析微机继电保护测试系统硬件部分构成 原理； 4、设计一套或部分符合实际要求的硬件系统 。 硬件设计思路 （1）设计一套DSP的微机继电保护测试系 统，主要对其硬件方面做一个详细的设计 。 （2）测试装置的硬件要按较高的标准要求 来设计 。 （3）与单片机做一个对比，分析其优缺点 。 （4）简单介绍下算法和上下位机的软件。 测试装置的系统结构图 D/A转换模块与DSP接口电路 单片机的硬件电路总体结构图 微机继电保护测试系统硬件设计 姓 名：杨希 专 业：电气工程及其自动化 学 号：20070210010109 指导老师：王银乐 硬件的构成 微机保护装置硬件系统包含以下五个部分： （1）数据采集单元即模拟量输入系统。包括电压形成、模拟滤波、 采样保持、多路转换以及模数转换等功能块，完成将模拟输入量准确 地转换为所需的数字量的功能。 （2）数据处理单元即微机主系统。包括微处理器、只读存储器、随 机存取存储器以及定时器等微处理器执行存放在只读存储器中的程 序，对由数据采集系统输入至随机存取存储器中的数据进行分析处理 ，以完成各种继电保护的功能。 （3）数字量输入/输出接口即开关量输入输出系统。由若干并行接口 、光电隔离器及中间继电器等组成，以完成各种保护的出口跳闸、信 号警报、外部接点输入及人机对话等功能。 （4）通信接口。包括通信接口电路及接口以实现多机通信或联网。 （5） 电源。供给微处理器、数字电路、A/D转换芯片及继电器所需的 电源。 保护装置的硬件示意图 器件的选择 在微处理器件上，选取了DSP式（数字信号处理器TMS320F206芯片 ）。 存储器：故障数据记录所需要的临时存储是由随机读写存储器RAM实 现。 设定值或其它重要信息则放在可编程只读存储器EPROM中。 D/A转换模块主要由16位高性能数模转换芯片AD669。 驱动电路是由74HC224构成。 滤波器选取了有源模拟低通滤波器。 光隔处理TLP521-4是一个四通道的光电藕合器，八路开光量输入需要 两个TLP521-4。 通讯电路主要是由TMS320F206和MAX232芯片以及CPU构成。 功率放大电路是由电流放大电路和电压放大电路组成。 上图是低通滤波电路原理图 ，这种滤波器接线简单 ， 但电阻与电容回路对信号有衰减作用，并会带来 延迟，对快速保护不利，仅适用于对速度和性能要 求不高的微机保护。对于要求高性能又快速的保护 ，必须采用有源的低通滤波器。有源低通滤波器通 常由上述无源滤波器加上运算放大器构成，此时电 容可取较小的数值，从而加快了保护动作速度。所 以在这里我们选取了有源滤波器。 然而D/A转换模块主要由16位高性能数模转换 芯片AD669、光电隔离电路和滤波电路组成 。其功能主要是将DSP产生的数字信号经过 数模转换(D/A)合成模拟信号，再经过滤波处 理消除高频成份的影响。 D/A转换性能列表： 微机继电保护测试系统软件设计 姓 名：邱亮 专 业：电气工程及其自动化 学 号：20070210010123 指导老师：王银乐 主要任务 1.研究微机继电保护中常用的算法。 2.对傅氏算法的缺陷提出改进方法 傅氏算法算法 1.传统算法的分类和原理 1）全周傅里叶算法 构成：两个全周的 数据窗：每周波的全部采样点。 特点：精度高，滤波效果好，但是响应速度慢 2）半周傅里叶算法 构成：两个半周的 数据窗：每周波全部采样点的一半 特点：响应速度快，倒是滤波效果差 2.傅氏算法的主要误差来源 (1)离散求和方法的影响 (2)衰减直流分量的影响 （1）三数据窗消元的改进傅氏算法一 将连续三个数据窗的傅氏变换结果，消去中间变 量 求出第一个数据窗中衰减直流分量引入的误差 从第一个数据窗傅氏算法输出中减去误差 从而得到理论上的精确值 改进方法 （2）三数据窗消元的改进傅氏算法二 选取了合适的中间变量，使运算过程比起第一种 算法大为简便。 （3）递推求解衰减直流分量的改进傅氏算法 在首次计算衰减直流分量误差时，先算出衰减直流分量参 数 照计算故障起始点后第一个数据窗（k = N - 1）时的误差 相量的幅值和相角，根据误差的直接计算公式算出当前采样 点处的误差相量。 在其后计算衰减直流分量误差时，只须递推即可。 结论 前两种算法：从故障起始点开始记录采样值（即 算法所需的数据窗必须从故障起始点开始），运 算量大。 算法三：以采样值序列的任意点为起点，精确推 算出任意时刻衰减直流分量引入的误差，算法过 程大大简化。 学院：电气与电子工程学院 班级： 07级电化(2)班 姓名： 罗 利 指导老师：王银乐 微机继电保护测试系统算法研究 1.微机保护算法分类 算法分类算法的类型简 介 正弦波形合成算法 在这里我们通过使用8253定时器软件定时的工作 方式实现继电 保护测试 装置的调频 、调相及调 幅算法，详细阐 述了其算法原理。 波形跟随算法 继电 保护测试仪 在变频时 的一个最根本问题 是 如何在变频过 程中,达到频率之间有效的点跟随, 从而不会在变频过 程中产生非跃点现象。其基本 思想为对 达到变频时间 后,对最后一个周波的输 出点进行监视 ,当其当前输出点输出后,立即将新 的频率计算点压入输出点缓存,并在N - 1 点写 入新的 K11，K22的值,在第N 点写入新的N 值， 从而达到变频 的目的。 定时器中断算法 定时器中断是实现 波形输出的根本。中断程序主 要实现 点输出及K11、K22的定时初值交替,即在 第N-1点写入K22 值,在N 点写入K11值。 谐波合成算法 为了避免谐波对电 力系统的损害，在电力系统 中采用了大量的谐波保护装置。谐波保护装置的 好坏直接关系到电力系统的安全稳定运行。为了 检测电 力系统的谐波保护装置，我们在继电 保 护测试 装置中设置了谱波试验 模块，可以完成1 -9次谐波的波形合成和稳定输出。 变频 算法 变频试验 是整个继电 保护测试 装置的核心试验 之一，整个试验 分为手动变频试验 和自动变频 试验 。 微 机 保 护 算 法 2.傅里叶算法 1.傅里叶算法： 傅氏算法是一种常用的、针对周期函数的算法。该算法将周期信号分解为傅氏 级数，即正弦和余弦函数的和。周期为T 的信号f(t)的傅里叶级数展开式为： 由上式可知，f(t)的第n次谐波分量是： 在电力系统中，假设故障信号为x(t)。它是一个周期信号，其中包含基波以及衰减的 直流分量和各次谐波分量。 式中,Xi,i分别为第i次谐波分量的幅值和初相角；Xsi、Xci分别为第i次谐波分解后相 应的正弦、余弦分量的幅值；A 、分别为衰减直流分量的初始值和衰减常数。 傅氏算法包括全波傅氏算法、半波傅氏算法以及各种改 进算法。全波傅氏算法可以滤除所有整数次谐波分量， 且稳定性好。但其数据窗较长，不利于快速响应。半波 傅氏算法对全波傅氏算法响应速度虽有所改进，但是滤 波效果不及前者，不能滤除偶次谐波。全波傅氏算法和 半波傅氏算法各有所长、各有所短。两者之间的取舍， 也就是电力系统继电保护中，在滤波效果和滤波速度之 间的取舍。 3.问题与改进 问题:傅氏滤波算法以其良好的性能和相对简便的算法，在微机保护中 获得广泛的应用。但是在电力系统发生故障和扰动时，电流、电压信 号中不仅含有基波分量，还有大量的谐波分量和衰减的直流分量，由 于衰减直流分量是非周期信号，利用传统的傅氏算法，将会给计