（控制理论与控制工程专业论文）新型母线保护装置的研究.pdf

工程硕士学位论文 新型母线保护装置的研究 a b s t r a o t c o m b i n i n g w i t h k e yr e s e a r c hp r o j e c t “t h ed e v e l o p m e n to ft h en e w - t y p eb u s b a r p r o t e c t o r ”s e tu pb yo u rc o m p a n y , t h i sp a p e ri sm a i n l yo nd e v e l o p i n g as u i to f n e w - t y p e d e v i c ef o rh i g hv o l t a g e ，s u p e r v o l t a g eb u s b a rp r o t e c t i o ni np o w e r s y s t e m t h i sp a p e rh a si n t r o d u c e dt h ec u r r e n ts i t u a t i o n so ft h ed e v e l o p m e n to ft h eb u s b a r p r o t e c t o ra n dt e c h n o l o g ya tp r e s e n ta tf i r s t , a n dt h e nt h ea p p l i c a t i o no fd i s i t a ls i g n a l p r o c e s s i n gt e c h n o l o g y i nr e i a yp r o t e c t i o n a tt h es a m et i m eab r i e f i n t r o d u c t i o nb em a d e t ot h ed e v e l o p m e n to f t h e e x i s t i n gd i g i t a ls i g n a lp r o c e s s i n gt e c h n o l o g y t h ei t e m sr e l a t e dt ot h eo b j e c tw e s t u d y , i n c l u d h a gp r i n c i p l e , t e c h n i c a lp r o p e r t i e s ，a r e c a r r i e do ni nd e t a i l si nc l l a l p t e rt w o , e s p e c i a l l yo nt h ea n r a n tt e c h n o l o g i c a ls i t u a t i o no f e x i s t i n gb u s b a rp r o t e c t o r , s o v e r a lk e yp r o b l e m s t h a tw e s t u d y8 r ep u tf o r w a r df u l t h c r - t h e c h o i c eo f t h ea c t i o nc r i t e r i o na n dt h er e s e a r c ho f t h ei 蜊a l g o r i t h mo f b u s b a r p r o t e c t o r , t h e s e l f - a d a p t = i o n o fb u s b a r p r o t e c t o r a n d t h r o u g h f u l t h c f i n v e s t i g a t i o n o ft h e m e c h a n i s mo fc ts a t u r a t i o nt oo v e r c o m et h ei n f l u e n c ea n dd e p e n d a b i l i t yo fb u s - b a r p r o t e c t o r , e t c i nc h a p t e rf o u r , t h e r ei sad e t a i l e di n t r o d u c t i o no f t h e t e c h n o l o g ys c h e m eo f t h ed e v i c e , i n c l u d i n gt h ei m p l e m e n t a t i o ns c h e m eo fd i v i d ep h a s ed i f f e r e n t i a l ，t h e w h o l es e to f h a r d w a r ed e s i g n , t h ec h o i c eo fm a i n c h i p s , s o f i w a l d e s i j z m g a n d d e b u t i n g r e s u l t so f p r o t o t y p eo f a m a c h i n e f i n a l l y , c o n s i d e r i n gt h ei m p o r t a n c eo fb u s b a rp r o t e c t o r f o rp o w e rs y s t e ms e c u r i t y , s t a b i l i t y d e p e n d a b i l i t ya n ds oo n w ep r o p o s ea n di m p r o v ef u r t h e rt h er e s e a r c ho f d e p e n d a b i l i t yo f b u s - b a rp r o t e c t o r i nt h el a s tc h a p t e r e s p e c i a l l y , a n d i l l u s t r a t et h em e s s u r e o f p r e v e n t i n gt h ed e v i c ef i o mm i s - a c t i o n o r r e f u s i n ga c t i o n , r = p t i v e l yf r o m h a r d w a r e c i r c u i td e s i g n , s o f t w a r e d i 即a n dt e c h n o l o g i c a ld e s i g n ，e t c k e yw o r d s ：b u s b a rp r o t e c t i o n ，s e l f - a d a p t a t i o n , c ts a t u r a t i o n d s p 2 工零硕士学位论文新型母线保护装置的研究 1 绪论 1 1 目前几种成熟的母线保护装置分析n 2 3 目前世界上性能较好、具有代表性的母线保护装置主要有：r a d s s 型、7 s s i o 型及i n x 5 型这三种母线保护装置，下面逐一介绍。 ( 1 ) r a d s s 母线保护 r a d s s 母线保护的接线如图i 1 所示。 图1 1r a d s s 型保护接线圈 它采用中阻抗差动回路，比率制动差动方式，它的动作方程为： l ，l ， l 仆k 。k i ， 这种保护的一个特点是k l 是可变的，在内部故障时提供的制动量只；有外部 故障时的一半，它的另一个特点是故障检测抢在c t 饱和之前进行，并将结果加以 保持记忆，不受c t 饱和的影响，能在l 3 m s 内检测出故障。具有很高的可靠性和 灵敏性，足够快的动作速度，对于单母线、一个半开关接线的母线是一种较为理想 的保护装置；对于双母线接线，要接入大量的中间切换继电器，使用隔离开关的辅 助接点，可靠性不高。 ( 2 ) 7 s s l 0 母线保护 它是s i e m e n s e 公司的产品，属于比例差动继电器，其逻辑电路由集成电路组 成，动作速度块，且在外部故障c t 饱和时不会误动。接线图如图1 2 ，动作特性 如图1 3 所示。 4 工零硕士学位论文新型母线保护装置的研究 1 绪论 1 1 目前几种成熟的母线保护装置分析n 2 3 目前世界上性能较好、具有代表性的母线保护装置主要有：r a d s s 型、7 s s i o 型及i n x 5 型这三种母线保护装置，下面逐一介绍。 ( 1 ) r a d s s 母线保护 r a d s s 母线保护的接线如图i 1 所示。 图1 1r a d s s 型保护接线圈 它采用中阻抗差动回路，比率制动差动方式，它的动作方程为： l ，l ， l 仆k 。k i ， 这种保护的一个特点是k l 是可变的，在内部故障时提供的制动量只；有外部 故障时的一半，它的另一个特点是故障检测抢在c t 饱和之前进行，并将结果加以 保持记忆，不受c t 饱和的影响，能在l 3 m s 内检测出故障。具有很高的可靠性和 灵敏性，足够快的动作速度，对于单母线、一个半开关接线的母线是一种较为理想 的保护装置；对于双母线接线，要接入大量的中间切换继电器，使用隔离开关的辅 助接点，可靠性不高。 ( 2 ) 7 s s l 0 母线保护 它是s i e m e n s e 公司的产品，属于比例差动继电器，其逻辑电路由集成电路组 成，动作速度块，且在外部故障c t 饱和时不会误动。接线图如图1 2 ，动作特性 如图1 3 所示。 4 工程蠖士学霞论文 新鹫母线探护装置豹研究 圈1 27 s s l 0 型保护接线圈 爨i 。37 s s l 0 型绦护动终特性 由网可知；动作方程与r a d s s 保护样，只是这里的k 1 是不可变的： 副- k , 翻珥 当岁 部放障，c t 穗窝辩，二次电流波形密瑗秧损，在激严重璐食，帮缀籍开 始，二个周波内电压( u 叫s ) 表观为短暂脉冲，在以后几个周波内，k u s u a ，保 护不动作。在母线梭障时，从一湃始u k u s ，保护动作逻辑框潮如图1 4 。 5 工程硕士学位论文新型母线保护装置的研究 起动元件 田t 2 矧硼l l 墨置 _ (2 2n 垡n2 2 丌到1 圻一，。 3 4 5 图i 47 s s l 0 型保护逻辑框图 s 6 由输入端设有两个插孔位置l 和2 ，当i 接通时，此时测量元件在u a k u s 时间大于3 5 m s 时动作：当2 接通时，在一个周波内u a k u s 必须出现两次，测 量元件才能动作，此时整组动作时间将廷迟半个周波，这样就防止c t 饱和保护误 动。它对双母线的处理方法与r a d s s 保护相似 ( 3 ) i n x 5 母线保护 它的主要特征如下： 1 ) 以双通道分别检测电流信号，具有很高的可靠性： 2 ) 具有c t 饱和信号发生嚣，即使主c t 在区外故障1 5 “2 m s 后饱和，也能可 靠闭锁： 3 ) 整定值不受负荷影响，灵敏度不受馈线数目影响： 4 ) 利用隔离开关辅助接点反映一次母线系统接线，保证选择性。 保护使用两种不同判据检测故障： 1 ) 差动电流： 。酣 ，。k ，凡为整定值。 z ，稳定系数k ：k = ，卅善t j 计算i 善t i ，l 是在瞬时值和，t 周波积分的基础上建行，具有饱和检测功能。 饱和信号发生器原理如图1 5 所示，电流被分成两个半波：正半波( i 。) 和负半 波( i n ) ，形成半波电流叠加甜。，甜一，同时饱和信号发生器对正、负半波形成闭 6 工程硕士学位论文新型母线保护装置的研究 锁信号b + 和b 一。 1 w 9 s h 南篚礤叫砖蕊：唾 【l“v j i“v l 七弃 = d 1 一j 一 _ 图1 5i n x 5 型保护饱和和信号发生器原理图 i n x 5 型母线保护利用饱和信号发生器对保护闭锁，闭锁时间由饱和信号发生器 实时跟踪c t 饱和程度决定。 1 2 微机母线保护的发展现状“5 。 1 2 1 微机母线保护发展过程 八十年代初，国内外有许多学者就对微机母线保护的理论与实践进行了大量的 探索与研究。微机母线保护由于其特殊的地位，发展比较缓慢。随着计算机与网络 通信技术的飞速发展，微机母线保护在九十年代蓬勃发展，各种原理、模式的微机 母线保护相继推出，具有代表的是集中式微机母线保护及分布式母线保护。 微机母线保护的主要问题仍然是c t 饱和、自适应于各种系统运行方式以及计 算机系统的高可靠性不管是集中式还是分布式母线保护，均属于低阻抗型，它们 均采用电流比率制动判据。 中华人民共和国电力行业标准微机母线保护装置通用技术条件也于1 9 9 9 年8 月发布，并于1 9 9 9 年1 0 月1 日实施。本标准同时使用上述二种类型的母线保 护。 1 2 2 集中式微机母线保护方案分析 西门子7 s s 6 0 型母线保护是一种简单的数字式差动保护装置，适用于各种主接 线的中压、高压和超高压变电站及发电厂。特别适用于单母线及1 个半开关接线中。 可以构成分相差动保护方案，也可与综合交流器合成一相差动保护方案两种方案 如图1 6 所示。 其计算机系统仅处理差电流、制动电流。这样对计算机系统的要求就很低。但 7 工程硕士学位论文新型母线保护装置的研究 锁信号b + 和b 一。 1 w 9 s h 南篚礤叫砖蕊：唾 “vj“vl 七弃 = d 1 一j 一 _ 图1 5i n x 5 型保护饱和和信号发生器原理图 i n x 5 型母线保护利用饱和信号发生器对保护闭锁，闭锁时间由饱和信号发生器 实时跟踪c t 饱和程度决定。 1 2 微机母线保护的发展现状“5 。 1 2 1 微机母线保护发展过程 八十年代初，国内外有许多学者就对微机母线保护的理论与实践进行了大量的 探索与研究。微机母线保护由于其特殊的地位，发展比较缓慢。随着计算机与网络 通信技术的飞速发展，微机母线保护在九十年代蓬勃发展，各种原理、模式的微机 母线保护相继推出，具有代表的是集中式微机母线保护及分布式母线保护。 微机母线保护的主要问题仍然是c t 饱和、自适应于各种系统运行方式以及计 算机系统的高可靠性不管是集中式还是分布式母线保护，均属于低阻抗型，它们 均采用电流比率制动判据。 中华人民共和国电力行业标准微机母线保护装置通用技术条件也于1 9 9 9 年8 月发布，并于1 9 9 9 年1 0 月1 日实施。本标准同时使用上述二种类型的母线保 护。 1 2 2 集中式微机母线保护方案分析 西门子7 s s 6 0 型母线保护是一种简单的数字式差动保护装置，适用于各种主接 线的中压、高压和超高压变电站及发电厂。特别适用于单母线及1 个半开关接线中。 可以构成分相差动保护方案，也可与综合交流器合成一相差动保护方案两种方案 如图1 6 所示。 其计算机系统仅处理差电流、制动电流。这样对计算机系统的要求就很低。但 7 工程硕士学位论文新型母线保护装置的研究 是外回路就很复杂，需要匹配变流器、整流器件及出口器件。虽然这些器件很多， 但非常可靠，维护量极小。 特别是“综合式”方案，将i a 、i b 、i c 三相电流按照一定的比例生成一个综 合电流，对此电流进行计算、判断。识别出母线发生内部、外部故障。综合电流变 换器的绕组变比：n l ：n 2 ：n 3 = 2 ：1 ：3 ，电流变比：i a ：i b ：i c = 5 ：3 ：4 。这样， 当b 相或c 相发生单相故障时，增加了单相故障的灵敏度。同时，该方案使母线保 护装置特别简洁，尤其对于单母线及1 个半开关接线。西门子7 s s 6 0 母线保护方案 是将原“中阻抗”母线保护计算机化。使其既具有“中阻抗”母线保护抗c t 饱和 能力强、可靠性高优势，又有数字继电保护装置优势。 因此，西门子7 s s 6 0 母线保护方案是一种性能价格比极佳的方案。目前，西门 子公司已有近百套装置在全世界电力系统中运行。 图1 6 “综合式”母线保护系统框图 1 2 3 分布式母线保护 西门子公司研制的7 s s 5 2 型分布式母线保护是一套比较成熟的分布式母线保 护，在国外也得到了较为广泛的应用。下面以7 s s 5 2 型分布式母线保护为例加以阐 述，其系统框图如图1 7 。 7 s s 5 2 型分布式母线保护系统是面向间隔的。可以将所谓的问隔单元( b u ) 安 装在靠近开关设备的间隔级控制与保护柜上，每个b u 通过专用光纤总线与中央单 元( c u ) 相连，c u 汇集b u 上传的数据并执行全部算法及其他功能。所有的信息交 换通过光纤接口传送到中央单元。 王驾硕士学位论文新型母线保护装置的研究 图1 7 西门子7 s s 5 2 型分布式母线保护总体结构 分散式间隔单元叫测量各个间隔的三相电流，监视开关及隔离隔离开关的状 态、断路器失灵保护启动跳闸命令通过b u 内部继电器发出。可以直接跳闸。b u 对电流量进行每周鸽点采样，并进行模拟滤波和数字滤波( 每周四次) ，将采样电 流值转化为电流相量，然后将这些相量带上相应的时标，在算法设定的时间间隔内 传送到c u 单元。同时，叫还对断路器及隔离隔离开关的位置进行检测，将从c u 接受到的跳闸信号作用予出口跳闸继电器。 中央单元c u 负责进行算法处理及故障检测、以及母线运行方式识别、自适应 进行保护区的计算、判别，实现与变电站控制系统的同步与互联c u 的光纤星型 耦合器最多可接4 8 个叫单元。 b u 单元与c u 之间传送的数据采用一定的编码方法并且用纠错码确保数据的准 确性。 1 2 4 几种微机母线保护方案评价 不管是集中式还是分布式母线保护，都应满足以下条件： 母线保护应能够适应各种母线主接线： 内部故障时，母线保护可靠动作； 区外故障3 0 倍的穿越电流时。母线保护不误动； 9 工程硕士学位论文 新型母线保护装置的研究 对c t 无特殊要求，适用p 级、t p y 级c t 或两者混用。允许不同的c t 变比： c t 断线灵敏度为5 i n ，交流电流断线应闭锁母线保护： 母线保护整组动作时间不大于2 0 m s ： 足够的输出接点：跳闸回路、闭锁重合闸、启动失灵保护( 快速返回) 、 启动告警、s o e 及遥信： 简单、可靠，调试、维护、运行容易。 集中式微机母线保护要将每个连接元件的c t 、p t 、隔离开关辅助接点以及开 关的跳闸接点接入母线保护屏内，位于主控制室。由于主控制室与开关场距离较远， 需要大量电缆。二次回路十分复杂，给现场运行、维护带来很多困难。 面向间隔的分布式母线保护装置的每个问隔单元( 阴) 位于现场保护小室内， 中央单元( c u ) 位于主控制室内，c u 、叫一般通过光纤连接。然后经通信网络传 输到进行处理。即分布式数据采集、分布式数据存储及算法和保护功能的分布实现。 同时也实现了分布式数据通信，使得系统中各单元可以采取更为简单、可靠的硬件 结构，便于就地布置，而且具备更好的灵活性、扩展性，更易于附加其它的保护功 能。但是通信方式、同步采样方式、计算机系统可靠性对于分布式母线保护极其重 要。 微机母线保护与常规母线保护相比有以下优势：简化回路、增加系统自检、互 检，可构成各种保护判据及c t 饱和检测判据，较高的灵活性及扩展性 1 3 数字信号处理技术在继电保护发展中的应用1 毛”“”1 1 3 1 计算机保护概述 近三十年来，数字式计算机技术飞速发展，计算机应用己广泛深入的影响着科 学技术、生产和生活的各个领域。计算机保护自六十年代提出以来，获得了长足发 展。其发展经历了以下三个阶段。 第一阶段：七十年代以前，主要集中在保护算法研究上，即如何获得精度高、 速度快、时空开销小的数字算法，从理论上提高了传统继电器保护的性能。 第二阶段：七十年代到八十年代初，计算机本身出现了重大突破。随着大规模 集成电路技术发展，微机进入实用阶段，且价格大幅度下降，可靠性大大提高，就 为微机保护提供了良好的技术和经济上的条件。其间主要集中在微机保护装置的试 1 0 工程硕士学位论文 新型母线保护装置的研究 对c t 无特殊要求，适用p 级、t p y 级c t 或两者混用。允许不同的c t 变比： c t 断线灵敏度为5 i n ，交流电流断线应闭锁母线保护： 母线保护整组动作时间不大于2 0 m s ： 足够的输出接点：跳闸回路、闭锁重合闸、启动失灵保护( 快速返回) 、 启动告警、s o e 及遥信： 简单、可靠，调试、维护、运行容易。 集中式微机母线保护要将每个连接元件的c t 、p t 、隔离开关辅助接点以及开 关的跳闸接点接入母线保护屏内，位于主控制室。由于主控制室与开关场距离较远， 需要大量电缆。二次回路十分复杂，给现场运行、维护带来很多困难。 面向间隔的分布式母线保护装置的每个问隔单元( 阴) 位于现场保护小室内， 中央单元( c u ) 位于主控制室内，c u 、叫一般通过光纤连接。然后经通信网络传 输到进行处理。即分布式数据采集、分布式数据存储及算法和保护功能的分布实现。 同时也实现了分布式数据通信，使得系统中各单元可以采取更为简单、可靠的硬件 结构，便于就地布置，而且具备更好的灵活性、扩展性，更易于附加其它的保护功 能。但是通信方式、同步采样方式、计算机系统可靠性对于分布式母线保护极其重 要。 微机母线保护与常规母线保护相比有以下优势：简化回路、增加系统自检、互 检，可构成各种保护判据及c t 饱和检测判据，较高的灵活性及扩展性 1 3 数字信号处理技术在继电保护发展中的应用1 毛”“”1 1 3 1 计算机保护概述 近三十年来，数字式计算机技术飞速发展，计算机应用己广泛深入的影响着科 学技术、生产和生活的各个领域。计算机保护自六十年代提出以来，获得了长足发 展。其发展经历了以下三个阶段。 第一阶段：七十年代以前，主要集中在保护算法研究上，即如何获得精度高、 速度快、时空开销小的数字算法，从理论上提高了传统继电器保护的性能。 第二阶段：七十年代到八十年代初，计算机本身出现了重大突破。随着大规模 集成电路技术发展，微机进入实用阶段，且价格大幅度下降，可靠性大大提高，就 为微机保护提供了良好的技术和经济上的条件。其间主要集中在微机保护装置的试 1 0 工程硕士学位论文 新型母线保护装置的研究 验、研究及形成装置上，计算机保护趋于实用。 第三阶段：八十年代开始，大量的不同原理的保护装置投入实际电力系统，积 累了大量实际运行经验，也发现了一些问题。 从投入运行的微机保护装置的结构来看，大多属于单c p u 结构。他们在改善传 统保护功能上取得可明显的进展。但还存在不足，集中表现在： ( 1 ) 从计算机系统可靠性看，硬件没有容错能力，总线上任一元件故障，将导 致整个系统中止工作。同时软件由单c p u 分时处理，当出现程序出格时，可能使整 套保护工作混乱。此外，c p u 损坏时，保护拒动。 ( 2 ) 保护动作速度受到限制。由于所有功能都由同一c p u 完成，故对于计算量 很大的复杂保护，其动作速度难以得到提高。同时，当应用微机实现成套线路保护 或元件保护时单c p u 结构难以获得独立的主保护和后备保护。 ( 3 ) 单c p u 结构的故障诊断是可能的，但是准确定位是十分困难的。因为各元 器件是并联在计算机总线上，而c p u 是串行诊断故障 ( 4 ) 单c p u 结构的装置不易于进一步开发和扩充新功能 为了克服上述缺点，近几年来人们主要是围绕着如何提高计算机保护系统运行 性能上寻找对策。 1 3 2 基于多c p u 的微机保护方案 为了充分利用计算机的特点，使微机保护的运行性能更高，人们提出了许多切 实可行的方案，其共同特征是：多c p u 、模块化以及并行处理。 加拿大魁北克电力研究所最早采用的多c p u 、并行处理式距离保护硬件中八个 c p u 硬件完全相同各自配有r a m 、e p r 伽和其他电路。c p u l 、c p u 2 分别对电压量、 电流量作数字、滤波处理。其结果送入公共r 删区中。c p u 3 、c p u 4 、c p u 5 是三个 阻抗计算器，负责计算一相对地和相对相阻抗。这个系统所有计算量都是在每个采 样间隔内完成。系统故障诊断有所加强。每个c p u 板内自检和板间互捡，可以使故 障定位。 但是多四u 结构缺点是系统庞大复杂，总线引出板外，抗干扰能力削弱。同时。 各c p u 间通过c p , a m 交换数据，一旦c r a m 损坏。全系统将终止工作。 华北电力学院与南京电力自动化设备总厂联合研制的w x b - i i 微机线路保护。 系多c p u 、并行处理及模块化结构。装置采用了多单片机8 0 3 l 并行工作方式的硬 塑士学位论文新型母线保护装置的研究 件结构，配置了四个硬件完全相同的c p u 插件，分别完成高频保护、距离保护、零 序保护、综合重合闸等功能。另外配置了一块接口板，完成对各保护c p u 插件巡检、 人机对话和与系统连机等功能。 近几年来，国内很多院校、科研院所和制造厂家研制的变压器保护、发电机保 护等都采用了多c p u 方案。 1 4 数字信号处理器概述m t ” 1 4 1 d s p 概述 d s p 芯片，又称数字信号处理器，是一种特别适用于进行实时数字信号处理 的微处理器。它的主要特点是： ( 1 )哈佛结构 早期的微处理器内部大多采用冯诺伊曼( v o n - n e u m a n n ) 结构，其片内程序空 间和数据空间是合在一起的，取指令和取操作数都是通过一条总线分时进行的。当 高速运算时。不但不能同时取指令和取操作数，而且还会造成传输通道上的瓶颈现 象。而d s p 内部采用的是程序空间和数据空间分开的哈佛o a v m d ) 结构，允许同时 取指令( 来自程序存储器) 和取操作数( 来自数据存储器) 。而且，还允许在程序空间 和数据空间之间相互传送数据，即改进的哈佛结构。 ( 2 ) 多总线结构 许多d s p 芯片内部都采用多总线结构，这样可以保证在一个机器周期内可以多 次访问程序空间和数据空间。例如t m s 3 2 0 c 5 4 x 内部有p 、c 、d 、e 等4 条总线( 每 条总线又包括地址总线和数据总线) ，可以在一个机器周期内从程序存储器取l 条 指令、从数据存储器读2 个操作数和向数据存储器写1 个操作数，大大提高了d s p 的运行速度因此，对d s p 来说，内部总线是个十分重要的资源。总线越多，可以 完成的功能就越复杂。 ( 3 ) 流水线结构 d s p 执行一条指令，需要通过取指、译码、取操作和执行等几个阶段。在d s p 中，采用流水线结构，在程序运行过程中这几个阶段是重叠的这样，在执行本条 指令的同时。还依次完成了后面3 条指令的取操作数、译码和取指，将指令周期降 低到最小值。 1 2 塑士学位论文新型母线保护装置的研究 件结构，配置了四个硬件完全相同的c p u 插件，分别完成高频保护、距离保护、零 序保护、综合重合闸等功能。另外配置了一块接口板，完成对各保护c p u 插件巡检、 人机对话和与系统连机等功能。 近几年来，国内很多院校、科研院所和制造厂家研制的变压器保护、发电机保 护等都采用了多c p u 方案。 1 4 数字信号处理器概述m t ” 1 4 1 d s p 概述 d s p 芯片，又称数字信号处理器，是一种特别适用于进行实时数字信号处理 的微处理器。它的主要特点是： ( 1 )哈佛结构 早期的微处理器内部大多采用冯诺伊曼( v o n - n e u m a n n ) 结构，其片内程序空 间和数据空间是合在一起的，取指令和取操作数都是通过一条总线分时进行的。当 高速运算时。不但不能同时取指令和取操作数，而且还会造成传输通道上的瓶颈现 象。而d s p 内部采用的是程序空间和数据空间分开的哈佛o a v m d ) 结构，允许同时 取指令( 来自程序存储器) 和取操作数( 来自数据存储器) 。而且，还允许在程序空间 和数据空间之间相互传送数据，即改进的哈佛结构。 ( 2 ) 多总线结构 许多d s p 芯片内部都采用多总线结构，这样可以保证在一个机器周期内可以多 次访问程序空间和数据空间。例如t m s 3 2 0 c 5 4 x 内部有p 、c 、d 、e 等4 条总线( 每 条总线又包括地址总线和数据总线) ，可以在一个机器周期内从程序存储器取l 条 指令、从数据存储器读2 个操作数和向数据存储器写1 个操作数，大大提高了d s p 的运行速度因此，对d s p 来说，内部总线是个十分重要的资源。总线越多，可以 完成的功能就越复杂。 ( 3 ) 流水线结构 d s p 执行一条指令，需要通过取指、译码、取操作和执行等几个阶段。在d s p 中，采用流水线结构，在程序运行过程中这几个阶段是重叠的这样，在执行本条 指令的同时。还依次完成了后面3 条指令的取操作数、译码和取指，将指令周期降 低到最小值。 1 2 三塑堡主兰垡望塞新型母线保护装置的研究 ( 4 )多处理单元 d s p 内部一般都包括有多个处理单元，如算术逻辑运算单元( a l u ) 、辅助寄存 器运算单元( a r a u ) 、累加器( a c c 以及硬件乘法器( m u l ) 等。它们可以在二个指令周 期内同时进行运算。例如，当执行一次乘法和累加的同时，辅助寄存器单元已经完 成了下一个地址的寻址工作，为下一次乘法和累加运算做好了充分的准备。因此， d s p 在进行连续的乘加运算时，每一次乘加运算都是单周期的。d s p 的这种多处理 单元结构，特别适用于f i r 和i i r 滤波器。此外，许多d s p 的多处理单元结构还可 以将一些特殊的算法，例如f f t 的位码倒置寻址和取模运算等，在芯片内部用硬件 实现以提高运行速度。 ( 5 ) 特殊的d s p 指令 为了更好地满足数字信号处理应用的需要，在d s p 的指令系统中，设计了一些 特殊的d s p 指令。例如，t m s 3 2 0 c 2 5 中的m ( 乘法、累加和数据移动) 指令，具有 执行l t 、d m o v 、m p y 和a p a c 等4 条指令的功能：t m s 3 2 0 c 5 4 x 中的f i r s 和l m s 指 令，则专门用于系数对称的f i r 滤波器和l m s 算法。 ( 6 ) 指令周期短 早期的d s p 的指令周期约4 0 0 n s ，采用4uh l 瑚0 s 制造工艺，其运算速度为 5 m i p s ( 每秒执行5 百万条指令) 。随着集成电路工艺的发展，d s p 广泛采用亚微米 c m o s 制造工艺，其运行速度越来越快。以t m s 3 2 0 c 5 4 x 为例，其运行速度可达1 0 0 m i p s 。t m s 3 2 0 c 6 2 0 3 的时钟为3 0 0 m h z ，运行速度达到2 4 0 0 m i p s 。 ( 7 ) 运算精度高 早期d s p 的字长为8 位，后来逐步提高到1 6 位、2 4 位、3 2 位。为防止运算过 程中溢出，有的累加器达到4 0 位。此外。一批浮点d s p ，例如t m s 3 2 0 c 3 x 、t m s 3 2 0 c a x 、 a d s p 2 1 0 2 0 等，则提供了更大的动态范围。 ( 8 ) 硬件配置强 新一代d s p 的接口功能愈来愈强。片内具有串行口、主机接口( 髓i ) 、d m a 控 制器、软件控制的等待状态产生器、锁相环时钟产生器以及实现在片仿真符合i e e e 11 4 9 1 标准的测试访问口，更易于完成系统设计。许多d s p 芯片都可以工作在省 电方式，使系统功耗降低。 d s p 芯片的上述特点，使其在各个领域得到越来越广泛的应用。 工程硕士学位论文新型母线保护装置的研究 1 4 2 o s p 系统的应用与发展 第个d s p 芯片诞生于2 0 世纪7 0 年代末。以脒i 公司的$ 2 8 1 l 和i n t e l 公司 的2 9 2 0 为代表的第代d s p 芯片，其片内都还没有单周期硬件乘法器。1 9 8 0 年以 后，d s p 芯片取得了突飞猛进的发展，主要表现在以下几个方面： ( 1 ) 制造工艺 早期d s p 采用4u m 的n 沟道m o s ( m s ) 工艺；现在的d s p 贝q 普遍采用亚微米 c m 0 s 工艺，达到0 2 5u m 或0 1 8um 。d s p 芯片的引脚数量从4 0 个左右增加到 2 0 0 个以上，需要设计的外围电路越来越少，每m i p s 的成本、体积和功耗都有很 大的下降。 ( 2 ) 存储器容量 2 0 世纪8 0 年代初的d s p ，片内的程序存储器和数据存储器只有几百个单元， 有的片内设有r 叫。目前。d s p 片内的数据和程序存储器可达几十k 字。此外，对 片外程序存储器和数据存储器的寻址能力也大大增强，可分别达到1 6 m 木4 8 位和 4 g 4 0 位以上。 ( 3 ) 内部结构 目前。d s p 芯片内部广泛采用多总线、多处理单元和多级流水线结构，加上完 善的接口功能，使d s p 的系统功能、数据处理能力以及与外部设备的通信功能大大 增强。例如，t m $ 3 2 0 c 6 2 0 1 c p u 中包含8 个并行的处理单元，一个时钟周期可以执 行8 条指令，每秒最高进行1 6 亿次的定点运算。 ( 4 ) 运行速度 将近2 0 年的发展，使d s p 的指令周期从4 0 0n s 缩短到1 0a s 以下，相应的运 行速度从2 5 m i p s 提高到2 0 0 0 m i p s 以上。具有代表性的是，t i 公司的 t m s 3 2 0 c 6 2 0 l d s p ，执行一次1 0 2 4 点复数f f t 运算的时间只有6 6 us 。 ( 5 ) 运算精度和动态范围 由于输入信号动态范围以及迭代算法可能产生误差积累阀题，因此对单片d s p 的精度提出了较高的要求。d s p 的字长从8 位增加到1 6 位、2 4 位、3 2 位，累加器 的长度也增加到4 0 位。超长字指令字“l i w ) 结构和高性能的浮点d s p 的出现，扩 大了数据处理的动态范围。 ( 6 ) 开发工具 1 4 工程硕士学位论文 新型母线保护装置的研究 2 0 世纪9 0 年代推出的d s p ，都有较为完善的软件和硬件开发工具，其中包括 s i m u l a t o r 软件仿真器、e m u l a t o r 在线仿真器、c 编译器等，给开发应用带来很大 方便。 随着d s p 技术的迅速推进以及应用领域的不断拓展，导致d s p 的功能越来越 多样。例如，厂商们新推出多种款式可选择的独立器件、d s p 与m p u 相结合的器件、 为执行d s p 功能量身定做的m p u 器件、以及许多公司为a s i c 或s o c 解决方案所提 供的软硬d s p 内核。 未来1 0 年，全球d s p 产品将向着高性能、低功耗、加强融合和拓展多种应用 的趋势发展，d s p 芯片将越来越多地渗透到各种电子产品当中，成为各种电子产品 尤其是通信类电子产品的技术核心。将会越来越受到业界的青睐。 工程联士掌毽论文赣登蹲线豫护装鳖的研究 2 2 母线毒；i 护原理及分耩敬“2 “”蕊2 磅 2 2 1 电流筵动原堞保护 差动原理由于简单、快速和可靠而广泛地应用在元件保护和短线保护上。蒺动 保护的基本判据： 阻卜 它的动作特性如图2 1 所示，巍线l 以上为动作区，直线2 为c t 误差线，直 线2 教下为岁 都敌簿嚣( 毯锯正常运： 亍) 。当嚣误差小子l 踟尊，直线2 静方程是： 睦t b o 泌兰刚 l t = 1l i - - - i 当i 。整定盼比较小时( 童线3 ) 。它的灵敏度比较高。艇是。躲不平衡电流的 能力差。为了躲过外部故障时的不平衡电流，要加大l 。这样保护的灵敏度有时又 不挠灌足要求。彦 ；乏。在实涨痤用蓑渤暴理掇残保护鹣过程巾，蓄先器解决懿是保 证襁内部故障时保护灵敏、可靠的动作，同时又要在外部故障时可靠的不动作这一 矛麓。 l 图2 。l 差动粼据的动作特性 1 7 工程硕士学位论文新型母线保护装置的研究 差 动 继 电 器 图2 2 差动回路 常规母差保护将母线上各元件c t 的二次绕组按统一变比同极性相连构成差动 回路，如图2 2 所示。由于c t 不能实现理想的线性传变。在正常运行时差动回路 中也有不平衡电流流过，特别是在外部故障时。故障支路c t 可能严重饱和，产生 很大的不平衡电流流过差动回路，使保护误动。同时，保护的动作电流要躲过外部 故障时的最大不平衡电流。保护的灵敏度有时不能满足要求。所以，母差保护需要 减少不平衡电流的影响、特别c t 饱和时对保护的影响，提高保护的可靠性和灵敏 度，通常采用下面这六种方法： ( 1 ) 采用速饱和变流器 这是最早采用的方法，它将差动继电器通过一个速饱和变流器接入差动回路， 可以有效的防止由于外部故障时故障电流直流分量过大引起的c t 饱和所致的饱和 误动。但是，它对稳态不平衡电流不起作用，当外部故障交流分量过大引起c t 饱 和时，保护仍会误动。另外，在内部故障，电流中存在直流分量时，由于速饱和交 流器的影响，保护将延时动作，与高压母线应快速切除故障的要求冲突，这种方法 已逐渐被淘汰。 ( 2 ) 在差动回路中串入强制电阻的方法 差动回路中串入强制电阻后，当外部故障支路c t 完全饱和时，根据强制电阻 的大小，在差动回路与故障支路c t 二次绕组之间分配不平衡电流，强制部分或全 部不平衡电流流入饱和c t 的二次绕组，减小差动回路的不平衡电流，还补偿了故 障支路二次电流的幅值和相位。这种方法可以有效的解决因c t 饱和带来的保护误 动问题 ( 3 ) 快速动作 即使在外部故障，c t 严重饱和的情况下，二次电流每半周波至少有2 3 l i l s 的 线性上升阶段，尤其是故障后第一个周波的线性更好，在这一线性阶段差动关系仍 1 8 工程硕士学位论文新型母线保护装置的研究 然存在。这种方法就是利用故障发生到c t 饱和前的这几个毫秒的线性阶段快速判 断出故障类型，作出是跳闸还是闭锁保护的选择。这种方法的关键是怎样检测出故 障发生时刻以及在c t 饱和前停止差动检测，快速动作的方法在现代保护中应用很 多。 ( 4 ) 采用带制动特性的差动方案 带制动特性母线差动保护的一般动作方程为： 川一足川卜， 式中：，。：差动电流，为动作量 l ：制动量 x ：制动系数，o k l 、，：定值 ， 图2 3 差动判据的动作特性 如图2 3 所示，直线l 是一般差动保护的动作特性，曲线2 是带制动特性的 差动保护的动作特性，直线8 是不平衡电流的变化曲线。从图可以看出。带静j 动特 性保护的动作电流，随着外部短路电流的变化，在较小的运行方式下也具有较高的 灵敏度。当制动量选取得比较好时，可在内部故障时。制动量很小，具有较高的灵 敏度：在外部故障时，有很大的制动量，具有很好的躲不平衡电流的能力。这种方 法在实际保护装置中得到广泛应用。 ( 5 ) c t 保护信号发生器 当c t 饱和时，c t 饱和信号发生器发出信号，闭锁保护，防止保护误动，现在， 工程硕士学位论文新型母线保护装置的研究 c t 饱和信号发生器的原理有两种： 一种是检测c t 二次倒的电流波形，利用波形缺损的部分产生闭锁信号。另一 种方法是检测c t 铁心中的磁通量，c t 饱和时，它铁心中的磁通量会超过磁化特性 的弯曲点。检测到这一状态就将保护闭锁。 ( 6 ) 空芯变流器 电流之间的线性关系，不会出现c t 饱和。但是，现在的空芯变流器还存在着 一定的缺陷，如放大了高频噪声，使工频信号的相角偏移等，这阻碍了它的推广应 用。 现在，正在研制的磁一光效应电流互感嚣，具有近乎完好的暂态响应和稳态响 应。将给保护提供近似理想的输入信号。这样，由于没有不平衡电流，没有c t 饱 和，将来的母线保护将变得十分简单，只要一个差动回路即可。但是，这种磁一光 效应电流互感器由实验室到广泛应用还有很长一段时间。 2 2 2 相位比较原理 图2 4 相位比较原理图 这种保护原理可用图2 4 说明。 在正常运行或母线外部故障时，i 。、i 。与i ，的相位相反，如图( b ) ；而在母线 内部故障时。i 。、i 。与i ，的相位基本相同，如图( c ) 。利用比相元件比较各元件电 流的相位，便可判断故障类型，从而构成保护。 相位比较式保护只与电流的相位有关，而与电流幅值的大小无关。因此，不须 考虑不平衡电流的影响，也不要求采用同型号和同变比的电流互感器，从而提高了 保护的灵敏度，增加了使用的灵活性。相位比较原理的一个缺陷是不适用于内部故 障时有流出电流的母线。 工程硕士学位论文 新型母线保护装置的研究 2 2 3 双母线保护 双母线由于运行灵活、工作可靠而得到广泛应用。通常的运行方式是将母联断 路器闭合，两条母线同时运行。由于双母线的这一固有特点，要求母线保护具有选 择性。当其中一条母线发生故障时，只切除这条故障母线，另一条非故障母线继续 运行。选择性的问题就是双母线保护比单母线、单母线分断和一个半开关接线的保 护复杂的地方。所以，我们这个课题针对双母线带旁路的母线接线，其目的是这类 接线保护的问题解决了，其它形式的母线保护也基本上解决了。 目前，国内电力系统中的双母线保护普遍采用下面三种保护方式： ( 1 ) 利用接于两条母线上各元件电流组成的总差动回路作为启动元件q d j ，以 各条母线上元件电流组成的小差动回路作为故障选择元件l x z j 。2 x z j ，l b y j ，2 b y j 为i 母和i i 母的电压闭锁元件保护装置如图2 5 所示。 jl x z j i b y j l 0 7 一 1