（机械电子工程专业论文）基于msp430分界断路控制器的设计.pdf

太原理工大学硕士研究生学位论文 摘要 随着城乡电网的发展，支线短路故障问题日益凸显在人们面前，而原 有的广泛应用在线路上的故障指示器却无法适应电力系统的这种变化。分 辨用户界内界外故障、保障供电质量成为迫切需要解决的问题，因此能够 在变电站重合闸之前有效的切断永久用户线路故障的分界断路控制器受到 了人们越来越多的关注。目前市面上各种智能分界断路器控制器在设计上 存在着测量算法有待改进、传统的i e c 6 0 8 7 0 5 系列远动规约由于前期线路 资金投入过大而不易实现等问题。 针对上述实际中存在的诸多问题，论文详细地分析了用户线路各种短 路故障时电网参数的变化情况、确定了线路保护整定值的方法，设计了具 有防涌流、过流保护、速断保护、重合闸、g s m 移动通信等功能的智能分 界断路器控制器。它的核心是m s p 4 3 0 微处理器，可与柱上断路器配套使 用，可以根据电力系统运行方式和电参数变化情况确定线路故障性质( 界 内界外、瞬时永久) 自动切除永久性线路故障，保障其他非故障线路的供 电、减小停电带来的损失。控制系统中所采用的同步交流采样法和改进的 快速傅里叶数字化测量算法能够有效的保证测量精度和速度。g s m 网络中 的s m s 平台的应用进一步实现了控制器无线通信功能。本设计硬软件结构 采用标准化模块设计，具有人机界面友好、易于扩展等特点，提高了继电 保护的性能、电网经济效益。 最终实验室模拟结果表明，本课题所研究的断路器控制器对电力参数 t 太原理工大学硕士研究生学位论文 测量精度高、通信顺畅快捷并能够有效区分用户界内界外线路故障并做出 相应的隔离处理，运行安全可靠。 关键词：m s p 4 3 0 ，交流采样，同步偏差，断路器控制器，电网参数 i i d e s i g no ft h ec o n t r o l l e ro ft h eb o u n d a r y b i 通a k e rb a s e do nm s p 4 3 0 a bs t r a c t w i t hu r b a np o w e rn e t w o r k sr e t r o f i t t i n g ，t h ee x p a n s i o ni s s u eo fs h o r tc i r c u i t f a u l ts t a n d so u tg r a d u a l l ym 也ec o n s u m e r si n t e m a lw l n n g 上n ep r e v i o u s 。 r 一 e l e c t r i cp o w e rc i r c u i tf a u l ti n d i c a t o rc a nn o ta d a p ti t s e l ft ot h ec h a n g e sv e r yw e l l i np o w e rs y s t e m i ti st h em o s tu r g e n tp r o b l e mf o ru s e r st o d of a u l td i a g n o s i s a n dt oi m p r o v et h er e l i a b i l i t yo fp o w e rs u p p l y s ot h eb o u n d a r yb r e a k e ra t t r a c t s m o r ea n dm o r ea t t e n t i o n so fp e o p l e i tc a ne f f e c t i v e l yc u tt h ep o i n to ff a i l u r e b e f o r es u b s t a t i o nr e c l o s e t h e r e a r er o o m sf o r i m p r o v e m e n t i nt h e i r m e a s u r e m e n ta l g o r i t h mi ne x i s t i n gp r o d u c t s i e c 一6 0 8 7 0 - 5t e l e c o n t r o lp r o t o c o l i sd i f f i c u l tt oa c h i e v ef o rt h eh u g ep r o p h a s ev e s t t ot h e s ee x i s t i n gq u e s t i o n s ，t h i sp a p e rd e t a i la n a l y s e st h er e a s o no fs h o r t c i r c u i tf a u l ta n dt h ec h a n g eo fp a r a m e t e ro f e l e c t r i cn e t w o r ka n dd e s i g n sak i n d o fi n t e l l i g e n tc o n t r o l l e ro ft h eb o u n d a r yb r e a k e rw i t hf u n c t i o no f i n r u s hc u r r e n t a n do v e r - c u r r e n tp r o t e c t i o n t h em e t h o do fs e l f - a d a p t i o nc h e c ka c t u a lo p e r a t i o n v a l u ei sp r o p o s e d t h ec o n t r o l l e ro ft h eb o u n d a r yb r e a k e rw i t ht h ek e r n e lo f 16 b i tm i c r o p r o c e s s o rm s p 4 3 0i sc o m m o n l yu s e di np o l e 。m o u n t e dc i r c u i t b r e a k e r i tc a nr e a l i z et h ef u n c t i o no fc o n f i r m i n gl i n ef a u ka n da u t o m a t i cr e s e c t i o no f t h e f a u l tl i n eb y d e t e c t i n gt h ec h a n g e so ft h ee l e c t r i cp a r a m e t e r sa n dt h eo p e r a t i o n i i i c o n d i t i o no fp o w e rs y s t e m t h e s ef u n c t i o n sh e l pt oe n s u r e s t a b l e e l e c t r i c i t y s u p p l ya n dt or e d u c ee c o n o m i cl o s s s y n c h r o n o u sd e v i a t i o na n dm e a s u r et i m ei s m i n i m i z e de f f i c i e n t l yb ys o f t w a r es y n c h r o n o u sa c s a m p l ea n di m p r o v e df f t a l g o r i t h mi nt h ec o n t r o ls y s t e m s m sp l a t f o r mo fg s mt h ec o n t r 0 1 1 e ro ft h e b o u n d a r yb r e a k e ra d o p t sf u r t h e rr e a l i z e dw i r e l e s sc o m m u n i c a t i o nf u n c t i o n c o m p a r e d 晰t 1 1t h es i m i l a rp r o d u c t s ，t h i sd e s i g na d o p t sn o r m a l i z a t i o nd e s i g n ， h a su s e r - f r i e n d l yi n t e r f a c ea n d e a s y t o e x t e n dm o d u l a r i z e dc i r c u i tf e a t u r e s t h e s ef e a t u r e sc a ni m p r o v et h er e l a y p r o t e c t i o np e r f o r m a n c ea n de c o n o m i c b e n e f i t so fe l e c t r i cn e t w o r k t h es i m u l a t i o nt e s t i n gi n d i c a t e st h a tt h eb o u n d a r yb r e a k e r d e s i g n e di nt h i s p a p e ri sp r e c i s et od e t e c t ，a n dr e l i a b l et oo p e r a t e c o n s u m e r si n t e r n a lf a u l tw i r i n g i tc a ne f f e c t i v e l yd i s t i n g u i s h k e yw o r d s ：m s p 4 3 0 ，a cs a m p l i n g ，s y n c h r o n o u s e r r o r , c i r c u i tb r e a k e r c o n t r o l l e r , p a r a m e t e ro fe l e c t r i cn e t w o r k i v 太原理工大学硕士研究生学位论文 1 1 课题的研究意义 第一章绪论 如今，无论是工业、农业生产用电还是家庭生活用电都对电力系统的正常运行提出 了越来越高的要求。任何形式的电力系统的故障和非正常运行状态都会对社会经济的发 展产生了不利影响。这就要求供电系统具有比较高的自动化程度和智能化水平，即故障 时，系统中的智能保护设备能及时识别故障类型并快速切除故障部分，其目的是改进电 能质量、降低运行费用、防止故障进一步扩大，保障整个系统能够正常运行【1 ，2 1 。 在各种电力故障中所占比重最大的是线路相间短路和单相接地故障，它们对电力系 统造成的危害也最为严重。例如常常使故障元件损坏、减少电气设备的使用寿命、影响 工厂的正常生产，更有甚者的直接破坏电气元件并造成严重的人身伤害。另外，支线上 单一用户线路的故障造成的变电站出现断路器分闸，则往往会波及整条馈线而引起大面 积的停电并引起相关责任纠纷。为了解决这个问题，国家加大了对城市配网的建设和改 造，改造后架空线路中主干网线路故障大量减少，用户内部线路故障比例逐渐上升并占 全部故障的8 0 以上。某电力系统2 0 年的统计数据资料显示，用户界内单相接地短路 累计5 1 0 次，约占总故障数的8 7 9 。用户界内两相接地短路累计3 4 次，占总故障数 的5 8 。用户界内两相短路8 次，用户界内三相短路1 1 次，用户界内断线8 次。而原 来的电力自动化系统中的故障指示器和用户分界隔离刀闸，存在故障查找困难、找到后 不能及时向监测中心反映报告、无法在第一时间切断故障用户线路防止故障波及等诸多 问题。在故障发生后，迅速选出故障线路并确定故障点，具有如下重要意义：( 1 ) 可降低 设备绝缘污闪事故率。( 2 ) 可降低电压互感器( p t ) 等电气设备的绝缘事故率。( 3 ) 可降低 形成两相异地短路和相间直接短路的机会 3 。5 】。 引起配电线路故障的原因很多，主要可分为自然因素和人为因素两大类，其中自然 因素有雷击事故、动物性危害、树木造成的故障。而人为因素主要有：( 1 ) 随着城市建设 步伐的加快，一些市政及基建工程施工时，若不注意，很容易破坏配网，如路面挖开造 成地下铺设的电缆被挖断，物料或施工机械超高超长碰触带电部位或破坏杆塔等。( 2 ) 城区大部分线路架设在公路边，车流量大，常出现车辆撞到电线杆上，造成倒杆、断杆， 或者刮断线路等一些交通事故破坏配电线路。( 3 ) 盗窃引发的事故。在一些城乡结合部， 1 太原理工大学硕士研究生学位论文 常出现盗窃电力设施的犯罪行为，他们往往贪图蝇头小利而置电网安全于不顾，导致倒 塔、倒杆等严重破坏电力系统的事故。( 4 ) 集镇街道边上房屋或厂房上的杂物掉落导线上， 引起线路故斟6 ，7 1 。 针对架空线路作为电力传输的主要方式之一，柱上用户分界断路控制器受到了人们 广泛的关注，成为工业配电系统中必不可少的基础元件，为配电系统提供线路故障保护， 如短路瞬时保护、短路短延时保护和过载长延时保护等。它随着数字处理技术、网络通 信技术、电力电子技术的发展而不断发展，实现了自动切除永久性单相接地故障、自动 断开相间短路故障、快速定位故障支线、监控用户负荷等功能，保障其他非故障用户线 路的供电、减小停电带来的损失，提高系统的供电质量。另外，它的初期建设成本和运 行成本低，非常适合我国乡镇用户的实际情况【8 l 。 本课题针对现有的同类柱上分界断路器控制器产品中功能单一、经济效益低、保护 和通信性能有待提高等问题，采用低功耗m s p 4 3 0 微处理器、改进的电力参数算法、软 件同步交流采样方式、g s m 移动通信等技术确保了测量保护精度的同时降低了产品的 功耗，增强了智能无线通信功能，更好的满足了我国实际情况。 1 2 断路器控制器的发展现状 在2 0 世纪5 0 年代，国外诸多西方发展国家就开始了电磁型或感应型断路器的研究， 其特点是都具有机械传动部件，因此也叫做机电式断路器。经过几十年的实践证明，其 工作比较可靠，但由于电磁型或感应型断路器体积大、功耗大、分合闸动作时间长，因 此不能满足大容量电力系统的发展要求。 高压断路器的智能化研究起于2 0 世纪6 0 年代初。当时，随着晶体管的飞速发展， 人们开始了晶体管断路器的研究探索。它比起机电式断路器，具有体积小、动作快、无 机械转动部分等优点，但在实际应用时，人们却发现其容易受到电磁干扰的影响，所以 对它的研究也曾一度停滞不前。我国在7 0 年代引入晶体管断路器时，抗干扰理论已经 日趋成熟，断路器抗干扰问题基本得到解决。 2 0 世纪8 0 年代后期，半导体技术的完美发展使得断路器向着第二代集成电路式断 路器发展。9 0 年代初，具有强大的计算、分析和逻辑判断能力、有完善的存贮记忆性、 可实现复杂的保护原理的第三代断路器在国内大量涌现并成为了主要形式。它增加了自 检、故障录波、测距、交换信息等功能，大大提高了断路器的可靠性、标准化。 太原理工大学硕士研究生学位论文 随着微处理器芯片性能、电力参数数字测量理论和网络通信技术的不断提高。断路 器控制器不管从元件、材料、结构还是控制原理、制造工艺方面都进行了很大的改善。 综合保护、测量、故障报警、控制、参数管理等功能的新一代智能断路器控制器逐渐进 成为了人们的首选。智能断路器已将传感器技术、微电子技术和信息传输技术等融于一 体，使电力设备的模块化、系统化成为可能。微控制器技术的不断发展又为智能断路器 功能的多样化，可靠性的提高，性能优化提供了技术保斟9 1 。 智能断路器的技术发展主要有以下几个趋势： 1 新型传感器、大存储容量微处理器、集成化外设将使得智能断路器性能不断的 优化。 2 总线技术将提高智能断路器传输的信息量、信息传输的精度，从而提高系统的 性能及可靠性。 3 采用新的更完善的通信协议，向着标准化、开放性发展的同时，更要注重互联 网络接口的产品间的通用性。 4 智能断路器朝着功能全面化方向发展。如实时观测电网的工作情况等等。 5 将人工智能技术用于智能断路器可以提高智能控制器的控制精确度【l 们。 新一代智能断路器主要是利用自适应继电保护控制原理、通信与智能控制理论、模 块化与环保新技术来提高分界断路器的各种性能。例如为了提高电力系统运行的可靠 性，通过工业以太网通信适配器与网络相连。如今，国外各大智能断路器生产公司都开 始关注于新一代智能用户分界断路器控制器的研究。比较著名的有施耐德公司的 n t ( n w ) 系列断路器、德国西门子公司的w l 系列断路器、a b b 的e m a x ( n e w ) 断 路器。a b b 为它的g i s 开发出第三代智能式二次技术。作为开关柜，开发出i - z s j 型智 能化开关柜及z x 2 型智能化充气柜。其中二次技术采用1 l e f 5 4 2 p l u s 智能化控制保护 单元。s i e m e n s 公司在它的n x a i r 型开关柜采用s i p r o t e c 4 型数字监控装置，集保护、控 制、测量、通信、操作、监视及整个程序控制于一体。该公司还在n x p l u s 充气柜中采 用更为完善的7 s j 6 3 型多功能数字继电器，进一步提高了智能化程度u 。 我国断路器的发展大致可以分为三个阶段，第四代产品正在积极准备研发当中，并 且已经取得了一定的成果【1 2 1 。 第一代产品开发于6 0 年代，由上海电器科学研究所组织统一设计，在模仿的基础 上开发了有统一标准的以d w l 0 、d z l 0 等系列为代表的产品。其技术特征为：性能指 3 太原理工大学硕士研究生学位论文 标低、体积大、耗材、耗能、保护性能单一，规格及品种较少。现已被国家列入淘汰产 口 i ：1 1 ：1o 第二代产品开发于7 0 年代末到8 0 年代末，是在引进了国外先进技术的基础上制造 的，以d w l 5 、d z 2 0 为代表。其技术特征为：技术指标较第一代产品明显提高，保护 特性较完善，体积明显缩小，结构上适应成套装置的要求等。这些产品达到了国外7 0 年代末的水平。 第三代产品开发于9 0 年代，主要是上海电器科学研究所和各企业跟踪国外先进技 术自行设计的系列产品，以d w 4 0 、d w 4 5 、d z 4 0 等系列产品为代表。这些产品的主要 技术性能为：高性能、小型化、电子化、模块化、多功能化等。这些产品已达到国外9 0 年代的水平。同以前的相比，该类型产品除保持了显示、控制和在线实验调整等功能外， 在提高模数转换精度的同时，还增加了网络通信功能，使用户可通过通信接口实现对断 路器的遥测、遥控、遥信和遥调等功能。 第四代产品是行业中正在积极准备研发的产品，其主要技术特征是采用现代电子 技术和通讯技术，使断路器产品具有高度智能化的功能。 国产分界断路器在智能电网、新能源等领域的发展带动下，市场不断扩大，国内断 路器及其配套产业在未来有强大的发展空间，同时市场供需平衡、产品质量的稳定和提 升将成为行业所追求的目标【1 3 】。国内的配电网与国外配电网也有所不同，简单地照搬国 外的设计方案明显不可行。我国所开发的分界断路控制器大多采用柱上真空断路器加零 序电流互感器的模式，只检测零序电流大小，为线路是否接地的判断依据，检测三相电 流大小作为线路是否有过流和短路故障的判断依据。多采用现代微电子技术和通信技术 等多种高新技术设计，具有集成度高、配置灵活、界面友好、高稳定性、抗干扰能力强、 内部消耗小、安全系数高等特点。 1 3 课题的主要研究内容 课题根据行业要求，在分析国内同类产品基础上对实际应用中存在的电力参数测量 算法有待改进、传统的有线通信方式因分界断路器分布广和布线困难而无法应用等问题 做出了分析，提出了改进的方案。 本文主要内容包括： 1 对架空配电线路用户界内短路时电力参数的变换情况进行数学分析，为以后的 4 太原理工大学硕士研究生学位论文 智能分界控制器的测量、保护提供依据。 2 对架空配电线路保护及其整定计算进行数学分析。 3 改进了电力参数快速傅里叶测量算法。为了满足同步交流采样，对交流采样时 刻做出了具体分析。 案。 4 设计完成了分界开关控制器的硬件、软件系统及实验板的试制。 5 在实验室对控制器的性能做出模拟实验并分析实验结果的原因、提出了优化方 6 结合智能控制原理与技术对智能分界断路器控制器未来的发展方向做出展望。 5 太原理工大学硕士研究生学位论文 6 太原理工大学硕士研究生学位论文 第二章分界断路器控制器的设计原理 课题所设计的分界断路器控制器是具有无线短信通信功能的继电保护装置，可以和 断路器本体一起配合使用，适用于辐射型配电系统的继电保护。它能根据配电系统线路 短路故障情况下的电力参数数值变化，及时准确判断系统线路故障的性质并控制断路器 本体来隔离故障用户线路，减少因停电而产生的经济损失。在具体设计时，我们不仅需 要选择适合的电力参数算法，还必须区分具体的线路短路故障并根据具体的保护功能控 制断路器做出相应的动作。 2 1 用户界内线路相问短路故障分析 判断电力系统线路中是否存在故障，应该首先分析系统在故障运行状态下电力参数 的变化情况，并使之与系统正常状态下做出比较。在一般电力系统架空线路故障中，单 相接地故障和相间短路故障占很大比例。而且它们也经常会转换成其他故障形式，所以 本章主要对用户界内界外发生相间短路和单相接地时各种电力参数的变化进行了数学 分析。 当用户线路发生相间短路时，流过分界断路器控制器的电流将会突然变大。通过测 量来自电流互感器二次侧的电流值来计算线路上实际电流并与各种继电保护整定值比 较，可判断用户线路有没有发生相间短路故障。其电流特征如图2 1 表示。 l 图2 - 1 相问短路电流特征图 f i g 2 - 1p h a s ef a u l tc u r r e n tc h a r a c t e r i s t i c sg r a p h 7 太原理工大学硕士研究生学位论文 当单侧电源电力系统处于正常运行状态时，如图中的线l 所示，靠近电源侧的电流 较大。当有相间短路故障时，流过电源到短路点的短路电流工频周期分量公式为： f 厶= k 9 竺_( 2 1 ) z s + z k 式中e 伊为系统等效电源的相电动势，五为故障点到分界断路器控制器之间的阻抗， 压为分界断路器到系统等效电源之间的阻抗，k 9 为短路类型系数。 在实际运行时，随着电力系统的网络拓扑、负荷变化，系统等效电源e 伊和阻抗五都 会变化，由公式可以看出，电流也就跟着变化。例如系统在最大运行方式时，短路电流 最大，如线3 所示。而系统在最小运行方式时，短路电流最小，如线2 所示。在系统所 有的运行方式下，在相同地点发生不同类型的短路时流过用户分界开关的电流都介于2 、 3 线之间。它们与系统正常状态1 线所示比较差别很明显，所以判断相间短路故障就的 依据为将分界断路器控制器所测量的a 、c 相电流与线路继电保护整定值比较。电流幅 值与电力系统运行方式、电力系统正常运行状态、短路类型都密切相关【1 4 1 。 2 2 中性点不接地系统用户单相接地故障分析 用户单相接地时的故障电流与相间短路相比很小，三相间的电压也保持对称。一般 电力系统中这种情况有时可以白行排出故障，大概可以准许带故障再继续运行1 到2 个 小时。这期间接地故障有自然消失的情况，但如果没有自然消失就容易发展为短路故障， 在接地故障发展为短路故障的过程中，对配电设备绝缘的破坏是很大的，而绝缘的破坏又 成为新的接地故障发生的因素，因此在接地故障发生初期，快速地切断故障是抑制设备劣 化的有效措施15 1 。 因此分界断路器控制器发现单相接地故障时并不需要马上断开断路器而只是向监 测中心发出故障信号等待人工做出处理，并对故障时间进行累加计时，若超时故障还未 处理则强行对断路器进行分闸。这样做的好处是可大大降低停电的频率，提高供电系统 性能。 中性点不接地系统用户单相接地时的电流特征如图2 2 所示，当a 相线路发生单相 接地故障，a 相电压降为0 。其它两相升到3 倍【1 6 1 。 8 奎堕望三奎兰堡主竺窒生堂垡笙窒 _ - - - _ _ - - _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ - _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ - - _ _ l _ _ _ _ - _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ - - - i l _ _ 一。 电源端历斗i c 负荷端 c b a 图2 - 2 单相接地故障电流特征图 f i g 2 2s i n g l e p h a s ee a r t hf a u l tc u r r e n tc h a r a c t e r i s t i c sg r a p h 在故障处各相对地的电压为： 觇d = 0 妇：岛也：压岛g 叫5 0 0 ( 2 - 2 ) ( 2 - 3 ) d 西：皮甚f 怕也p 脚矿( 2 - 4 ) 故障点的零序电压和其它非故障相会在故障点产生电容电流的计算公式为： 阮：土( 扎+ 妇+ 比) = 一也 ( 2 - 5 ) 、 j 厶= o b 4 w c o ( 2 - 6 ) 五= o c 4 w c o ( 2 - 7 ) 可以算的他们的有效值相等都为矩眺w g 。 从接地点流回的电流五为： 厶= 厶也= 缈c o ( 妇+ 阮) = - 3 j c o c o e a = 一3 j 国c o u , ( 2 - 8 ) 式子中，u 9 为系统的相电压。 而实际情况更加复杂，在主线路上分布着多条用户支线，每条用户支线对地电容用 c 。l 、c 0 2 、c o 来表示，当用户线路i i 发生a 相单相接地故障时，如图2 - 3 所示。 9 太原理工大学硕士研究生学位论文 _ + i c + i 壬l 厉一i c ，v ，、 一一 二c o l 吖m 庙叫b 扫2如2 吖m 厦 c o l 一 一 - + i c 一 + i b 拈l扛 厶7 l 一 = c 0 2 (：il 。厶ft 一 拈f乒f 图2 - 3 单相接地故障电流特征图 f i g 2 - 3s i n g l e p h a s ee a r t hf a u l tc u r r e n tc h a r a c t e r i s t i c sg r a p h 在多用户线路系统中： d = i b l + i c l + i s 2 + i c 2 + i 瞰七i q ( 2 - 9 ) 其有效值计算为3 u j ( c o _ ，+ c 钯+ c 矽。 对于非故障线路i ，线路故障点处的零序电流的公式可以表示为： 3 1 0 l = i m + i c l = 一3 j 国c o l u , 陀一10 ) 而故障线路i i 中的零序电流的公式为： 3 1 0 2 = 一i a + 锄+ i c 2 = 一3 j c o ( c o l + c o f ) u q , ( 2 11 ) 由上面的数学分析，我们知道电力线路中某用户线路发生单相接地故障时，通过分 界断路器控制器处的零序电流值比发生在用户界外时所产生的零序电流要大的多，故可 以根据测得的零序电流与整定值比较来及区别用户单相接地故障。 2 3 线路保护及其整定计算 本节结合工程上的实际，对电网线路保护的通用整定原则和方法，按过电流保护、 无时限电流速断保护、带时限电流速断保护分别进行讨论。 1 0 太原理工大学硕士研究生学位论文 2 3 1 过电流保护整定值计算 过电流保护的动作电流一般按照下式进行整定： l r o p ：堡k 。 ( 2 1 2 ) = 一场“ l z - l z l k , n l n 、 7 式子中，如为继电器动作电流，即二次整定值； 心为可靠系数，一般取1 。2 1 3 ： 母为继电器返回系数，d l 1 0 型取0 8 5 ，g l 1 0 型取0 8 ： 母为接线系数，当电流互感器二次接成完全星形或不完全星形时取为1 ， 接成两相差或三角形时取为3 ； n u t 为电流互感器的变比； k 吖为最大负荷电流，必须考虑到实际可能的最严重情况； 另外，相邻保护之间还应考虑配合问题，即上一级线路比下一级线路的整定值要大 一个系数，即l o p ：k , m o p ，其中，砌为配合系数，一般取1 1 1 52 _ n t l 7 】。 2 3 2 电流速断保护整定值计算 根据速动性要求，分界开关在选择性的条件下，应该说是越快越好。如图2 - 1 所示。 当线路a b 上发生故障时，开关1 应该动作而且开关2 不动作，当k 2 点发生故障时， 开关2 动作并且开关1 不动作。但实际上，k 1 、k 2 点短路时，分界开关所测得的电流值 几乎没什么分别。所以我们需要优先满足整定值应该对开下一条线路口中的短路整定值 原则 1 8 】。 故无时限电流速断保护的动作电流一般按下式进行整定。 i o p ：k ，c ，k j xi = 默(213)lop 2 a x二。 v 日 式中，屉为可靠系数，一般取1 2 一1 3 ； i m 缸为线路末端短路时，流过保护装置地点的最大短路电流( 一般取系统最 大运行方式下的三相短路电流) ； 为电路互感器的变比； 琢为接线系数，取值与过电流保护相同。 太原理工大学硕士研究生学位论文 2 3 3 带限时电流速断保护整定计算 电流限时速断保护的工作原理如图2 1 所示，为当l 【2 处发生短路时，控制器1 和 控制器2 都能监测到故障并控制断路器分闸。这样就会对非故障线路a b 产生了误动作。 如果控制器1 是具有电流限时功能的，那么当k 2 处短路，控制器2 动作，控制器1 因 为需要累积延时所以不予动作，这样就保证了非故障线路的正常运行。带时限电流速断 保护的动作时限一般取0 5 s ，最长取1 5 s 。动作电流一般按照下式进行整定。 i o p = 尼而1 ( 2 1 4 ) 式子中，屉为可靠系数，取1 1 1 1 5 ； i o p l 为下一级线路的无时限速断保护的动作值( 一次值) ； 岛为本线路带时限电流速断保护的动作值( 一次值) ； 2 4 电力参数的算法 电力系统故障诊断时，我们需要实时监测的电力参数主要是电压u 、电流i 、有功 功率p 、无功功率q 、功率因数、频率等【捌。 频率的测量方法是在进过电流、电压互感器后的测量信号经过过零比较器电路、通 过定时计数器来计算两次过零点的时间即为电力信号的测量周期t ，然后再取倒数。 2 4 1 同步交流采样原理 电力信号的采集方式分为直流采样和交流采样两种模式，直流采样就是将交流电信 号经过整流、滤波等电路，再通过a d 转换器来采集。其优点是被测量值只需要通过一 次比例变化即可，但它的缺点也很明显，整流、滤波电路的稳定性对采样值影响很大， 检测维护难。因此，控制器采用交流采样对电信号进行采集。其过程是通过a d 转换器 直接采集经过电压互感器、电流互感器后的交流信号，再通过一定的电力参数数字算法 来得到测量值。该方法具有实时性好、效率高等特点，非常适用于电力参数的测量。 2 4 2 软件同步交流采样法 交流采样法的原理就是按一定的等时间间隔点对连续的交流电信号进行瞬时值采 1 2 太原理工大学硕士研究生学位论文 集，再使用各种电力参数数字算法来计算电力参数值。其本质就是利用软件算法来替换 直流采样中的整流、滤波电路。当采样频率和信号基频不同步时，模拟信号用离散信号 代替会出现泄漏误差是电力参数实时监测时的主要误差。所以为了减少泄露误差，我们 要使得采样间隔t s 与交流信号的周期t 满足关系式t = n t s ，这就是同步交流采样， 对于本系统要采集的正弦信号，采样点越多越接近正弦曲线。而软件同步交流采样法是 首先测量正弦电信号的周期t ，需要考虑谐波成分时应满足采样定理即采样频率要大于 下 二倍的最高谐波频率才能保证测量不失真。具体采样时刻可根据t s = 去来确定，从而进 n 一步计算定时计数器的设定初值并使用定时中断的方式来使用软件触发a d 转换器进行 采样。 2 4 3 均方根法测量算法 均方根值( i 洲s ) 测量算法是从有效值和平均功率的定义来计算个电力参数的。具 体来说，就是使用数列积分来近似的代替连续积分。该算法还具有实时性好、实现简单 等特点，可高速有效对周期模拟信号进行有关的测量。其具体算法原理公式如下： u = 腼 i = 陌 ( 2 - 1 5 ) ( 2 - 1 6 ) 式子中：t 为正弦测量信号的最小正周期，u ，i 为测量信号的瞬时值口0 1 。 但是，此公式无法直接利用微处理器的运算单元进行直接计算。必须将其先离散化 为数列，再通过对数列做积分运算来近似代替其真实值。离散化公式变形为： u = 瓯k = 0 卜四k = 蕞0 ( 2 - 1 7 ) ( 2 - 1 8 ) 式子中：n 为正弦测量信号的一个周期的离散数列个数，u k ，i k 为测量信号的离散 数列数值。其它电力参数如有功功率、视在功率、功率因数的计算公式为： 一l 尸= e “( ) f ( 1 ) ( 2 - 1 9 ) k = o 1 3 太原理工大学硕士研究生学位论文 2 4 4 离散傅里叶测量算法公式 s = p c o s o = 二- s 电力交流信号数学公式可表示为： o o z ( f ) = x o + 妊c o s ( k c o l t + 呼o k ) k = l ( 2 - 2 0 ) ( 2 2 1 ) ( 2 2 2 ) 式子中：x o 为直流分量，缈为基频角频率，妊，仍为k 次谐波分量的幅值和相位。 具体分析时，可以将公式化为： x ( f ) = x o + x kc o s ( 呼o k ) s i n ( k c 0 1 t ) + x ks i n ( 呼o k ) c o s ( k c o l t )( 2 2 3 ) k = l 那么第k 次谐波份实部，虚部可用x k c o s ( ) ，m s i n ( 仕) 来表示。设采样产生 n 个有限序列，实部，虚部离散化为： ( 2 2 4 ) ( 2 2 5 ) 那么由此可得第k 次谐波振幅就为压瓣、相角为甜c 留( 面y r k ) 、有效值为 x x 2 以( 2 + 琢2 ) 。 得到了各谐波分量后再运用叠回原理进行计算。 i = 0 i j + i ；+ i ；+ q 2 6 ) u = 畴+ 昕+ 暖+ ( 2 2 7 ) 尸2 厶+ 互+ 昱+ ( 2 - 2 8 ) q = q + q + ( 2 - 2 9 ) 上式中u 。，i o 代表恒定分量的电压、电流，u ，为1 次谐波电压、电流有效值， 其他变量为此类推。 m 一 一 n 6，j g 潞 砖 旧 p z ) “ 嘶 孰二孕 2 一 2 一 2一 2一 太原理工大学硕士研究生学位论文 2 4 5 改进的快速傅氏测量算法 在一般电力故障情况下，电力信号常会含有衰减直流分量和高次谐波等干扰信号。 因此要求对输入的电流信号进行预处理，尽可能的滤除非周期分量和高频分量。傅氏算 法本身带有很强的滤除高次谐波的功能，且收敛稳定，因而得到了广泛的应用。此外， 我们在进行参数计算前要首先使用数字的差分滤波方法滤除衰减的直流分量。差分滤波 方程为： y ( 即) = z ( 刀) 一x ( n - k )( 2 - 3 0 ) 式子中：k 为差分步长。那么信号x ( t ) = x m s i n ( 2 n f i 十弘) 在n t s 时刻的采样值为： x ( n ) = x m s i n ( 2 l r f n t s + 弘)( 2 - 31 ) x ( n - k ) = ) s i n ( 2 万厂m k t o + 伽)( 2 - 3 2 ) 经过差分滤波后，输出信号数列为： y ( n ) = x 皿s l n ( 2 刀弘+ 孕h ) ? x 皿s l n ( 2 万( 厶一k t o + 孕h ) ：2 s i n ( 丝譬銎) c 。s ( 2 万届+ 弘一2 n f ，k t s ) 2 - 3 3 ) 差分滤波的幅频特性为： 日( d = 面y m = 陋嗡叫 ( 2 - 3 4 ) 式子中：f l 为基频频率； n 为每个基频周期内采样点数； 当厂：聊万n 时，m 取o ，1 ，2 ，3 时，h ( f ) 为0 ，直流分量将被完全滤除。 d f t 算法实现很方便，但其运算量过大使得计算时间过长降低了系统的实时性。如 上所述，x ( o 长度为n 的有限序列x ( n ) 的d f t 为： x ( 七) ：n - 1 x ( 刀) 形：， k = o ，1 ，n 1( 2 3 5 ) 其全部的运算次数与n 的平方成正比，设序列x ( n ) 长度为n = 2 肼，m 为自然数。 按r l 的奇偶将x ( n ) 分解为两个n 2 点的序列： x l ( ，) = x ( 2 ，) ， r = 0 ，1 ，n 2 - 1( 2 3 6 ) 1 5 太原理工大学硕士研究生学位论文 x 2 ( r ) = x ( 2 r + 1 ) ，r = 0 ，1 ，n 2 - 1( 2 3 7 ) 有限序列x ( n ) 的d f t 为： 由于形= 形，：上式可以变形为： n 2 - 1 n 2 - 1 x ( 七) = x ，( r ) 形：，：+ 形：，x z ( r ) 形：，：= x t ( 忌) + 形z ( 七) ( 2 3 8 ) k = 0 ，1 ，n - 1 ( 2 3 9 ) 其中x l ( k ) ，x 2 ( k ) 为x l ( r ) ，x 2 ( r ) 的n 2 点d f t ，那么上式可变形为： x ( k ) - x 1 ( 尼) + 形2 ( 露) ， k = o 1 一, n 2 1 ( 2 4 0 ) x ( k + n 2 ) = x l ( 尼) 一w 2 ( 七) ， k = o 1 一, n 2 - 1 ( 2 - 4 1 ) 这样，就将n 点d f t 分解为两个n 2 点的d f t 的运算，使总体运算量显著下降。 当然还可以按照上述办法进一步继续化简计算量。f f t 算法需要进行多次乘法和加法运 算，因此在软件设计上我们应着重考虑以下几项误差。1 ，在微处理器的运算单元进行 乘法运算时会采用右位移操作，这时可能会由于数据过大发生溢出而使得数据失真。2 ， 尽量避免较小的除数，那样会造成较大的商的绝对误差【2 1 】。 2 5 本章小结 本章研究了单侧电源系统相间短路、中性点不接地系统单相接地故障下的电力参数 变化情况。结合实际情况确定了线路保护整定计算方法，介绍了电力参数软件同步采样 原理及其在本设计中的应用。在数字滤波原理的基础上，改进的电力参数快速傅氏测量 算法。针对具体微处理器电力参数软件计算，提出了几个需要注意的问题。 1 6 撕形 耽 胁枷 七形 + 撕形 驴 x 一脚 = y 太原理工大学硕士研究生学位论文 第三章分界断路器控制器的硬件设计 系统硬件电路设计的好坏，直接影响到控制器性能。本控制器集测量、保护、控制、 通讯等功能于一体，所以控制器必须对电流进行精确采样、输出各种控制及状态信号的 同时可以和上位机进行通讯【2 2 1 。另外，硬件电路设计还要综合考虑到经济因素，它决定 产品是否能够适应市场的需求。 3 1 分界断路器控制器的设计方案及功能 3 1 1 断路器控制器设计方案 考虑到电力运行环境复杂多变，控制器应具有较高的稳定性、安全性和灵敏性等。 本设计在结构上采用双单片机结构，这样的设计可以将电力信号的采集功能、电参数的 计算及通信功能分布在不同的单片机上，大大提高控制器的计算和通信性能。主单片机 负责电网参数的计算、故障的判断和网络通信功能，从单片机主要控制电力参数的快速 采集和前期的数字滤波快速处理。主从单片机之间的信息传输使用s p i 总线来完成，这 样可使得双单片机之间信息交换更加快速方便。 在控制器总体外形结构设计上，考虑到控制器主要工作在较强的电磁环境中，采用 了防电磁干扰设计，对强电电路和控制弱电电路进行必要的分隔。控制器系统分成上下 两个电路板。他们之间通过接口线相连。为了保护装置内部核心易损芯片，微处理器核 心电路与外部输入、输出控制电路需要光电隔离芯片进行隔离。系统结构示意图如图3 1 所示。 。在通信方式上，本系统设计了g s m 移动通信网络模块接口和r s 4 8 5 总线接口设计 两种方式。其中r s 。4 8 5 总线通信方式为串行通信方式，主要用于在实验室中分界断路 器自身各项性能的检测及各种初始参数的设定。全球移动通讯系统g s m ，它采用移动 通信技术标准，可以使所有符合网络标准的通信终端进行无线通信。尤其适合像分界断 路器控制器这样分布较广、工作环境布线复杂的监测终端之间的通信。监测管理人员只 要拥有一个获得授权的s i m 卡号就可以随时随地的通过g s m 网络来监测电力线路故障 或进行进一步的设置和发布控制命令。 1 7 太原理工大学硕士研究生学位论文 3 1 2 控制器的主要功能 图3 - 1 系统结构图 f i g 3 - 1s y s t e ms t r u c t u r ec h a r t 本设计中的断路器控制器可以测量输电线路上的各相电流，根据各项参数值的大 小，利用单片机高速的数据处理和运算能力，实现基于电流的各种保护功能2 3 1 。具体功 能如下： ( 1 ) 电流速断保护功能：线路出现故障时，无时限速断保护可以瞬时动作，断开 断路器，甩掉故障支线。 ( 2 ) 过流保护：当电力线路因相间短路而引起超负荷时，开关自动断开