（电力系统及其自动化专业论文）基于dsp的备用电源自动投入装置的研制.pdf

些! ! 皇垄奎堂堡主堂焦丝苎 摘要 本文分析了变电站综合自动化系统的现状和发展趋势，它以计算机技术为基 础，实现继电保护、就地监控、远动装置和录波装置等功能，其中继电保护是最主 要的功能。由于各个行业对供电质量和供电可靠性的要求不断提高，所以在变电站 综合自动化系统中设置备用电源自动投入装置是十分必要的，它可以保证向用户连 续可靠地供电，从而避免停电带来巨大的经济损失。 本文设计和开发了种基于d s p 的数字式备用电源自动投入装置，适用于分段 各自投、变压器备自投和进线互投方案，并可根据用户的不同要求制定动作方案。 该装置通过测量进线和母线的电压值、电流值，判断当前的运行状态，根据设定的 功能要求完成两组进线的自动投切，即各自投功能。而且，该装置还具有分段断路 器的过流保护功能和母充保护功能，过负荷联切功能以及p t 断线监测功能等。同 时，对装最进行了大量的测试，取得了良好的效果，能很好地实现以上各个功能。 关键词：变电站自动化，d s p ，各自投，模块，抗干扰 a b s t r a c t t h ep r e s e n tc o n d i t i o na n dd e v e l o p m e n to fs u b s t a t i o na u t o m a t i o n s y s t e m i s r e s e a r c h e d t h es y s t e mb a s e do nc o m p u t e rt e c h n o l o g yp e r f o r m st h ew o r ko fr e l a y p r o t e c t i o n ，m o n i t o r i n g ，r e c o r d i n gv a r i a b l e ，c o m m u n i c a t i o na n ds o o n a n dr e l a y p r o t e c t i o ni st h em o s ti m p o r t a n tf u n c t i o ni na 1 1 m a n yi n d u s t r i e sm a k ed e m a n d so n p o w e rq u a l i t ya n dr e l i a b i l i t y ，s ot h a ti t sn e c e s s a r yt oi n s t a l lt h ed e v i c ew h i c hh a st h e f u n c t i o no fa u t o m a t i cs w i t c h i n gt os t a n d b yp o w e r s u p p l yi nt h es u b s t a t i o n t h ed e v i c ew h i c hh a st h ef u n c t i o no fa u t o m a t i cs w i t c h i n gt os t a n d b yp o w e rs u p p l y i sr e s e a r c h e di nt h i sp a p e r t h ed e v i c ec o u l da c c u r a t e l ym e a s u r ec u r r e n ta n dv o l t a g eo f l i n e s ，a n dj u d g et h er u n n i n gs t a t eo fl i n e s t h e ni tp e r f o r m st h ew o r ko fa u t o m a t i c s w i t c h i n gt os t a n d b yp o w e rs u p p l yb a s e do nt h eg i v e nd e m a n d f i n a l l y ，t h ew o r ko f t e s t i n gt h ed e v i c ei sp e r f o r m e d ，a n dt h er e s u l ti sg o o d l ix i a o y a n ( e l e c t r i c a le n g i n e e r i n g & a u t o m a t i o n ) d i r e c t e db yp r o f h er e n m u k e yw o r d s ：s u b s t a t i o na u t o m a t i o n ，d s p , s t a n d b ya u t o m a t i cs w i t c h ，m o d u l e ， a n t i - i n t e r f e f e n c e 声明 本人郑重声明：此处所提交的硕士学位论文基于d s p 的备用电源自动投入装置 的研制，是本人在华北电力大学攻读硕士学位期间，在导师指导下进行的研究工作和 取得的研究成果。据本人所知，除了文中特别加以标注和致谢之处外，论文中不包含其 他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得华北电力大学或其他教育机构的学 位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中 作了明确的说明并表示了谢意。 学位论文作者签名：盔：亟地日期： 关于学位论文使用授权的说明 本人完全了解华j k 电力大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权保管、 并向有关部门送交学位论文的原件与复印件；学校可以采用影印、缩印或其它复制手 段复制并保存学位论文；学校可允许学位论文被查阅或借阅；学校可以学术交流为 目的，复制赠送和交换学位论文；同意学校可以用不同方式在不同媒体上发表、传播学 位论文的全部或部分内容。 ( 涉密的学位论文在解密后遵守此规定) 作者签名：蠢壹地导师签名：至垒移静暑 日 期：迎i ：i ： 日 期：至：! ：! ：2 兰些皇塑查望塑主堂焦堡茎 一一一一 第一章引言 1 1 课题的背景及意义 变电站综合自动化系统是采用自动控制、信息处理和通信等技术，通过微机软、 硬件系统或自动保护装置代替人工进行各种运行作业的一种自动化系统。它集继电 保护、就地监控、远动装置、录波装置等功能于一体，大大提高了变电站的自动化、 运行和管理水平。而且随着计算机技术的飞速发展，这些功能已逐步由微机来实现。 目前，变电站综台自动化系统是利用微型计算机和大规模集成电路组成自动化系 统，代替了常规的测量和监测仪表，代替了常规控制屏、中央信号处理系统和远动 屏，而且用微机保护代替常规的继电保护改变常规的继电保护装置不能与外界通 信的缺陷。 变电站综合自动化系统通过采集比较齐全的数据信息，然后利用微机的高速计 算能力和逻辑判断能力，可以方便地监视和控制变电站内各种设备的运行和操作。 而继电保护是变电站练台自动化系统的主要功能，它在保证系统安全、稳定和经济 运行等方面都起着积极的作用。由于自然条件、设备质量、运彳亍维护等方面的因素， 电力系统中的各种设备，如发电机、变压器、电容器、输电线路等。可能会发生短 路故障或异常运行状况。因此，继电保护装置通过判断目前设备的运行状态，有选 择性地将故障元件从系统中快速、自动地切除，使危害范围减至最小，并保证快速 恢复无故障部分的正常运行。电力系统要求继电保护具有选择性、速动性、灵敏性 和可靠性。其中可靠性是指在规定的保护范围内发生属于其应该动作的故障时，不 应该拒动，而在不属于其应浚动作的情况下，不应该误动。在设计和研制继电保护 装置的时候，应充分考虑到提高可靠性的各种措施。 随着社会经济和科学技术的迅速发展，电力系统的规模在不断扩大，系统的运 行方式也越来越复杂。而且各个行业对供电质量和供电可靠性的要求越来越高，特 别是一些重要的用电单位具有用电容量大、工艺要求严格及自动化水平高等特点。 只要突然停电，即使停电时间只有儿分钟，都可能使整个生产线停产，而重新恢复 生产要经过很睦时间而且操作复杂。一次突然停电还会给企业带来很大的经济损 失，给人民生活造成极大的团难，从而使国民经济蒙受巨大损失。例如。2 0 0 3 年8 爿1 4l i 北美东部发生有史以来最大的停电事故，1 0 0 多个发电厂和几十条高压输电 线停运，波及2 4 0 0 0 砌2 ，损失负荷6 18 g w ，停电时问长达2 9 h ，受停电影响的人 口约5 0 0 0 万，经济损失达3 0 0 亿美元。所以，在电力系统发生故障列采取有效的 措施，对于提高供电可靠性来说，具有重要的意义。【1 】 目前，最常用的办法是在变电站综合自动化系统中，设置微机型自动装置，并 华北电力大学硕士学位论文 与继电保护配合使用，尽量缩短停电时间和停电范围。常用的自动装置有：自动重 合闸装置、备用电源自动投入装置、自动准同期装置等。本论文设计和研制了一种 基于d s p 的备用电源自动投入装置( 以下简称各自投装置) ，当供电线路由于某种 原因失电后，只要条件满足，各自投装置启动。跳开失压线路，投上备用线路，从 而对用电设备迅速恢复供电。 1 2 国内外研究现状和进展 在现代的生产、生活中，社会对电力的需求日益增强，各行各业对电力质量的 要求越来越高。由于自身的自动化水平低，难以满足社会对高质量电能的要求，电 力行业逐步把常规变电站改造为以计算机为基础的综合自动化系统，从而提高电力 系统的可靠性。综合自动化系统的出现在电力系统的实际应用中发挥了很大的作 用，并成为当前电力行业技术进步的重点之一。 国外从7 0 年代末、8 0 年代初就开始进行保护和控制综合自动化系统的开发和 试验工作。例如美国电力科学研究院和美国西屋电气公司联合研制的s p c s 变电站 保护和控制综合自动化系统；日本关西电力公司和三菱电气共同研制的s d s 2 q 、r 保护和控制综合自动化系统，经过现场试验及试运行，在8 0 年代初交付商业使用。 目前，日立、三菱、东芝、西门予、a b b 、通用电气、西屋电气及阿尔斯通等国际 著名大型电气公司均开发和生产了变电站综合自动化系统，并取得了较为成熟的运 行经验。其主要特点为：系统一般采用分层分布式结构，由站控级和元件间隔级组 成，两级之间采用光纤连接，继保装置就地安装。主控制室和各级电压配电装置之 间仅有光缆联系，没有强电控制电缆进入主控制室，这样节约了大量控制电缆，减 少了对主控制室计算机系统及其它元件的干扰，提高了运行水平和安全可靠性。 我国变电站综合自动化的研究开始于8 0 年代中期，清华大学电机工程系研制 成功了第一套适用于我国的变电站综合自动化系统，在山东威海望岛投入运行，该 系统由3 台微机及其外围接口电路组成，实现了全站的微机继电保护。8 0 年代中后 期，华北电力大学研制的第1 代微机继电保护投入运行；而后，第2 代微机保护投 入运行并通过部级鉴定，从而使继电保护全面采用微机技术成为现实。随着微机保 护、微机远动、微机故障录波、微机监控装置在电网中的逐步应用，促使变电站综 合自动化系统快速发展。9 0 年代初，数字信号处理( d s p ) 技术的应用为综合自动 化的发展奠定了基础。例如，电流、电压和功率的测量，可以直接通过电流互感器、 电压互感器进行采样，然后由d s p 计算出电流、电压的基波和各次谐波的有效值及 相对相角，还可以进一步计算出有功、无功、功率因数和频率等。而且，通过d s p 技术，可以将各种继电保护的运行值与设定值进行比较，实现相应的保护功能。 十多年来，我国在变电站自动化的研究与开发方面做了大量的工作，主要包括 2 华北电力大学硕士学位论文 以下两个方面的内容： f 1 ) 对2 2 0 k v 及以下中、低压变电站，采用自动化系统，利用现代计算机和通 讯技术，对变电站的二次设备进行全面的技术改造，取消常规的保护、监视、测量、 控制屏，实现综合自动化，以全面提高变电站的技术水平和运行管理水平，并逐步 实现无人值班或减人增效。 ( 2 ) 对2 2 0 k v 以上的变电站，主要是采用计算机监控系统以提高运行管理水平， 同时采用新的保护技术和控制方式，促进各专业在技术上的协调，达到提高自动化 水平和运行管理水平的目的。 目前，变电站综合自动化系统的功能主要包括：电气量的采集和电气设备的状 态监视、控制和调节；实现变电站正常运行的监视和操作，保证其正常工作；发生 事故时，由继电保护和故障录波等装置完成瞬态电气量的采集、监视和控制，并迅 速切除故障设备和完成事故后的恢复正常操作。从长远的发展来看，综合自动化系 统的内容还应包括高压电气设备本身的监视信息。例如断路器、变压器和避雷器等 的绝缘和状态监视等。除了需要将变电站所采集的信息传送给调度中心外，还要送 给运行方式和检修中心，以便为电气设备的监视和检修计划的制定提供原始的数 据。 3 】 纵观目前国内外变电站综合自动化技术的发展轨迹，可以看出有如下发展趋 势： ( 1 ) 在总体结构上引入国际上成熟的先进设计思想，采用计算机网络技术组成 分层分布结构，且通信规约向国际标准靠拢。 ( 2 ) 通信媒介采用光纤，因为除具有频带宽、信道多和衰减少的特点外，还具 有抗强电磁干扰的优点。 ( 3 ) g p s 技术的应用，综合自动化系统可以在1 , u s 的分辨率下统一电网时钟并进 行同步采样，实现各种动态测量。 ( 4 ) 继电保护功能可以由用户任意设置，各种保护算法经过优化设计并综合在 起，达到更好的选择性，更高的冗余度。 在变电站综合自动化系统中，备自投装置是常用的自动装置。当电力系统故障 或其它原因使工作电源被断开后，能迅速将备用电源或备用设备或其它正常工作的 电源自动投入工作，使工作电源被断开的用户能够迅速恢复供电。备用电源自动投 入是保证电力系统连续可靠供电的重要措施，是变电站综合自动化系统的基本功能 之一。目前，在综合自动化系统中，备自投的逻辑功能是由专门的一台或几台装置 实现，或由微机型继电保护装置在完成保护功能的同时来兼作备自投。各自投装置 主要用于1 1 0 k v 以下的中、低压配电系统中，其接线方式主要有如下三种； ( 1 ) 低压母线分段断路器自动投入方案。此方案为暗备用接线方案，两条进线 的主变压器同时运行，而分段断路器断开。当一条进线失压或主变压器故障，则立 3 华北电力大学硕士学位论文 刻跳开该条进线。在另一条线路有压的情况下，闭合分段断路器 ( 2 ) 内桥断路器自动投入方案。此方案为明备用接线方案，一条进线同时带i 段和i i 段母线运行，此时分段断路器在合位。当母线失压后，立刻跳开该条进线。 在另一条进线有压的情况下，投上该条线路。 ( 3 ) 线路备用自动投入方案。此方案是明备用接线方案，为单母线分段，与第 二种方案的区别是没有分段断路器。正常情况下，是一条线路供电，另一条线路备 用。当母线失压时，跳开供电线路。在备用线路有压的情况下，投上备用线路。 以上所述多种方案中，各用电源自动投入具有相同的特点：f 1 ) 工作电源确实 断开后，备用电源才能投入；( 2 ) 备自投装置只允许动作一次；( 3 ) 电压互感器二次 侧回路断线时，备自投装置不能误动，判断母线失压时，还必须判断进线电流无流： ( 4 ) 只有在备用电源电压正常、工作电源已经断开的情况下，才允许投入备用电源； ( 5 ) 应校验备用电源的过负荷能力，当备用电源过负荷超过允许的限度时，备自投 装置的过负荷联切功能启动。 随着电网规模的日益扩大和供电可靠性的不断提高，对备自投装置的要求也就 越来越高。备自投装置应具有智能化的自识别功能，能够根据当前的接线方式自动 投入与之相对应的备自投方案，这样就增加了运行方式的灵活性、操作的方便性和 供电的可靠性。另外，各自投装置应与其它继电保护装置合理地配合使用，避免变 电站综合自动化系统中元件间隔级的保护装置过多，也便于站控级的数据处理和保 护管理。 1 3 论文研究的内容和主要工作 本论文的主要任务是在研究变电站综合自动化系统现状和发展趋势的基础上， 设计和开发了一种基于d s p 的数字式备自投装置，该装置的硬件以m o t o r o l a 公司 生产的d s p 5 6 f 8 0 7 芯片为核心，软件采用c 语言编程，适用于3 8 0 v 1 1 0 k v 各种 电压等级的各自投的控制，可以灵活设置各种运行方式。并且通过c a n 网传送丰 富的信息，诸如每个出口的准确动作时间，各开关量的变化情况以及告警、事故和 事件的记录。 在论文的研究过程中，主要包括以下几个方面的工作： ( 1 ) 各自投方案的确定，该装置适用于三种运行方式：分段各自投、变压器互 投和进线互投。变压器互投方式与其它两种方式的接线方式不同，并且要通过人机 对话板选择运行方式。而分段备自投和进线互投是通过判断开入量，自动选择运行 在哪种方式下。 ( 2 ) 硬件的设计改进和调试。 ( 3 ) 软件的编程和调试，包括软件的模块化设计，以及通讯规约与软件的制定 4 华北电力大学硕士学位论文 和编写。软件方面具体实现以下功能：备自投自动投入功能；分段断路器三段过流 保护；过负荷联切功能：p t 断线监测功能；故障录波功能等。 ( 4 ) 装置功能的测试。 华北电力大学硕士学位论文 第二章硬件结构及其实现 在本章中，从装最的功能、结构和原理等方面阐述了硬件的设计过程。一个优 秀的设计方案应该在技术、经济上具有优越性，在技术、工艺上具有可行性。它要 满足基本的设计要求，还要考虑到可能出现的不利因素，从设计上保证装置在可能 遇到的最恶劣的环境下仍能保持正常工作。同时，设计要保持简洁，因为简洁的设 计意味着可靠、成本低、易维护。基于上述思想，认真设计了系统的硬件和软件。 2 1 装置的功能、结构和原理 2 1 1 装置功能综述 各自投装置适用于高压侧内桥接线方式、单母线分段、线路变压器组接线的自 投和互投方案，并可根据用户的不同要求制定动作方案。主要具备以下功能： ( 1 ) 分段断路器三段过流保护功能，可作为母充保护用； ( 2 ) 低压分段断路器或桥开关自投； ( 3 ) 变压器互投； ( 4 ) 进线互投； ( 5 ) 过负荷联切，分三时限逐步切除负荷； ( 6 ) p t 断线监测功能： ( 7 ) 面板上具有汉字液晶显示功能，通过键盘操作，可方便实现测量跟踪，在 线修改设定值或投退某些保护功能： ( 8 ) 装置通过c a n 网与变电站综合自动化系统通讯，可完成远方监视和控制功 能。 2 1 2 装置的结构 备自投装罱采用功能模块化的设计思想，这样有利于提高装置硬件的通用性， 即不同功能的装置可以由相同的各功能组件按需要组合配置，实现了功能模块的标 准化。该装置由c p u 插件、交流插件、电源插件、出口插件、操作插件和人机对话 板构成，各插件的布置如下图所示： 华北电力大学硕士学位论文 123 456 交电 1 拌2 撑 操 c p u 出 出 流源作 插 口 口 插插 插 件插 插 件件件 件件 2 1 3 装置的原理 图2 - 1 装置插件布置 幅值较大的工频电流、电压信号经过电流、电压互感器变为幅值较小的交流信 号，然后进行模数转换( a d 转换) ，其中a d 转换的参考电压v r e f 由电压基准模 块提供。在一个周期内对1 1 路信号( 6 路电压信号、5 路电流信号) 进行同步采样， 每路信号每个周波采集2 4 个点。d s p 对这些数据进行处理，通过傅立叶变换得到 1 l 路交流信号的有效值和相对角度。根据保护判据，把这些采集的模拟量和设定值 进行比较，从而判断继电器是否动作。 在人机对话板上，可以循环显示电压和电流有效值、进线状态及功能投退等信 息。而且还可以手动操作显示开关量状态、设定某些参数值、调取历史报告及改变 投入功能等。为了保证通讯任务的正常实现，在硬件上选择了抗干扰能力很强的 r s 2 3 2 串口通讯和c a n 总线的通讯方式。 2 2 装置的模块化设计 2 2 1c p u 插件 c p u 插件原理如图2 - 2 所示。采用嵌入式数字信号处理器d s p 构成简洁高效的 数据采集和处理系统。由于在c p u 插件上没有外引的总线，并且采用了多层印制板 及表面贴装工艺，所以大大提高了装置的可靠性和抗电磁干扰能力。 竺i ! 皇垄奎堂堡主堂垡丝苎 圈一， 转换 至 d s p 画路 一二亟口_ 一， 总线 障刊j 叵卜一 图2 - 2 c p u 插件原理图 2 2 1 1 中央处理器介绍 中央处理器采用m o t o r o l a 公司的数字信号处理器d s p 5 6 f 8 0 7 ，它具有丰富的i o 口和多种外围设备，同时具有6 0 k x1 6 位的程序f l a s h 存储器、2 k 1 6 位的程序 r a m 存储器、8 k 1 6 位的数据f l a s h 存储器、4 k x1 6 位的数据r a m 存储器。 它具有如下特点： f 1 ) 超高速的处理能力，在8 0 m h z 时钟频率下可达到4 0 兆条指令秒的指令执 行速度； ( 2 ) 关键部分采用双哈佛结构，支持并行处理； ( 3 ) 支持1 5 种不同的寻址方式； ( 4 ) 单指令周期可以完成1 6 位1 6 位的并行乘一加运算； f 5 ) 支持可由用户灵活定义的多级中断优先级； ( 6 ) 具有3 条内部地址总线、4 条内部数据总线和各1 条外部地址总线和数据总 线： ( 7 ) 高效的c 编译器，支持局部变量； ( 8 ) j t a g o n c e 程序调试接口，允许在系统设计工程中随时进行调试，并可对 软件进行实时调试等。 2 2 1 ，2 模拟量输入 模拟输入信号首先经滤波电路及电压跟随器，再连接到a d 转换器。各自投装 置的a d 转换器采用两个m a x t 2 5 芯片，实现1 1 路交流信号的模数转换功能。 以第一路模拟信号为例，图2 - 3 为该路模拟信号的处理电路。其输入a d l 为交 流信号经过电流变换器( 或电压变换器) 后输出的结果。其输出a n l 直接连接到 m a x l 2 5 的输入通道。 华北电力大学硕士学位论文 图2 - 3 模拟输入信号处理电路 在图2 - 3 中，双向稳压管把输入电压限制在( + u 。) 范围内，当输入电压超 过( u ：+ u 。) 时，输入电压为 z + u 。) 或- ( u ：+ u d ) 。其中，u ：表示稳压二极管 中的电流为规定电流时，稳压二极管两端的电压；u 。表示稳压二极管正向导通电压。 l 1 、r l 和c 1 组成低通滤波电路。滤波后为了提高带负载能力，加一个电压跟随器。 为了提高对模拟输入量的滤波效果，在电压跟随器后再连接一个r 2 、c 2 组成的滤 波电路。 各自投装置中的a d 转换芯片m a x l 2 5 是单片1 4 位多通道高速模数转换芯片， 内置同步采样保持器。它由高速1 4 位逐次逼近型a d c 、参考电压源、4 个高速采 样保持电路以及数据寄存器等部分组成。每个采样保持器对应两个可二选一的输 入信号( a 信号和b 信号) ，所以总共可对8 路信号进行转换。本装置需要采集1 1 路模拟量，所以采用两个m a x l 2 5 芯片。当芯片的片选信号为低时，该芯片才工作。 片选信号是由c p u 控制的，两个芯片的片选信号不能同时为低。 2 2 1 3 数字量输入 1 6 路数字量输入信号首先经过光电隔离器，再经数据缓冲器输入到c p u 上。 数字量输入信号处理电路如图2 - 4 所示。当d i i 为低电平时，光电隔离器不导通，d i 1 为高电平。当d 1 1 为高电平时，光电隔离器导通，d i 1 为低电平。所以，当输入量 为高电平时，c p u 将检测到低电平。 图2 - 4 数字量输入信号处理电路 华北电力大学硕士学位论文 备自投装置的开入量是用于判断各个断路器处于断开或闭合状态。通过准确地 读取断路器的状态，可以判断目前的运行状态。模拟量与设定值比较的同时，也 要判断开入量，两者配合起来，提高各自投装置动作的准确性。 2 2 1 4 数字量输出 数字量输出信号首先锁存到数据缓冲器上，再经过光电隔离器输出。每路数字 量输出均由开出使能和相应的数字输出编码控制位控制，只有当开出使能位为使能 状态、数字输出控制位为“编码值”时，该路数字量输出为“通”，否则数字量输 出为“断”。复位时，数字量输出控制位、输出缓冲器均被清除。 2 2 1 5 通讯功能 备自投装罱采用了c a n 总线通讯方式与变电站综合自动化系统进行通讯，可 以完成远方监视、控制功能等。同时，还采用了r s 2 3 2 串口通讯方式与人机对话 板进行通信，一方面实现人机对话板对装置的控制功能，另一方面保证在人机对话 板上正确显示装置的信息。 2 2 2 交流插件 交流插件共有1 1 路模拟量输入变换器，用于将二次交流信号隔离变换成小电流 或小电压信号，经c p u 插件上的a d 转换芯片转换成数字信号，输入到d s p 芯片。 交流插件由电流、电压变换器和滤波电路构成。其中进线电流互感器( c t ) 为 6 a 3 5 3 v ；保护电流互感器( c t ) 为1 2 0 a 3 5 3 v ；电压互感器( p t ) 为1 2 0 v 3 5 3 v 。 1 0 华北电力大学硕士学位论文 黼护墨 愀护l 护曩 嗍线电l z 蝴电l l 2 2 3 电源插件 屏蔽地。 母线电压u a i 母线电压 母线电压 母线电压 母线 母线 r v 5 母线电压u x i 5 t v 6 母线电压u x 2之 ，。j 屏蔽地i 图2 - 5 交流插件原理图 电源插件的功能是为装置中的各插件提供工作电源。采用2 2 0 v 1 1 0 v 交直流两 用的开关电源，可输出2 4 v 、1 2 v 和5 v 直流电源。2 4 v 用于开入量和开出量， 1 2 v 用于a d 采集部分，5 v 用于d s p 系统。 2 2 4 出口插件 出口插件共有两个，通过接受c p u 下发的命令来完成控制命令的输出，该插件 共有1 1 个独立的命令输出。其中有两个配有信号继电器，主要是控制信号指示灯和 信号输出。 出口插件是由微型继电器组构成的。c p u 插件通过运算处理得到开出结果，控 制出口插件上的继电器动作，然后按照其设定的逻辑来驱动操作插件和一些信号元 件。所以，出口插件具有逻辑判断、隔离强电和弱电的功能。 2 2 5 操作插件 接收出口插件的控制命令，完成操作机构的跳闸、合闸操作及防跳功能；控制 华北电力大学硕士学位论文 回路断线后，发控制厕路断线信号。 ( 1 ) 分段断路器合闸保持，启动合闸输入经合闸压板输入高电平， 动作，合闸继电器自保持同时输出跳闸高电平。 ( 2 ) 分段断路器跳闸保持，启动跳闸输入经跳闸压板输入高电平， 动作，跳闸继电器自保持同时输出合闸高电平。 合闸继电器 跳闸继电器 ( 3 ) 防跳，若合闸输入电平长期为高电平，则收到跳闸命令切断合闸电平的输 出，只有输入高电平消失后才可合闸。 ( 4 ) 跳合闸位置，由跳合闸继电器实现。 ( 5 ) 控制回路断线检测，由跳合闸继电器的常闭节点串联实现。 2 2 6 人机对话板( 洲l 板) 人机对话板又称m m i 板。m m i 板为用户提高友好的适用界面，可以方便地查 看测量数据、修改定值及进行传动试验。m m i 板主要是由a t m a 9 1 2 8 芯片、键盘、 复归按钮、液晶和信号指示灯等部分构成，完成键盘响应、菜单操作、液晶显示、 信号指示、复归和确认操作，并与c p u 进行通讯。其原理图如图2 - 6 所示。 忑忑 一一- 一一液晶显示电路 i 看门狗及复位电路i 。 - a t m a 9 1 2 8_ ，j 鬣嚣 1 ，。：时钟电路k 一， 一一- 一一 串口通讯电路 2 3 硬件综述 图2 - 6 人机对话板原理图 各自投装置的硬件设计采用了模块化的设计思想。所谓模块化，是按照具体实 现的功能将装置分为c p u 插件、交流插件、电源插件、出口插件、操作插件和人机 对话板，通过完成各个模块的设计达到装置整体设计的目的。而且采用模块化设计 可以增强装置的通用性，例如通过改变各个模块的组合方式或者通过更换某些模 块，实现新的功能，这样可以降低相关装置的开发成本，缩短开发时间。 硬件设计是装置功能实现的基础，它决定了系统的功能、抗干扰能力、绝缘性 t 2 华北电力大学硕士学位论文 能和机械性能等关键指标。而且，合理的硬件设计也使得软件编写、装置调试等工 作大大简化。因此，硬件设计的好坏关系到整个装置性能是否良好。在设计硬件的 时候，一定要考虑到各个方面的因素，如果某些细节没有考虑到，可能就会影响到 整个装置的性能。所以硬件设计工作一定要全面、细致。平时应多积累实际经验， 并在逐步把设计经验升华到设计思想，这样可以避免在以后的工作中走弯路，可以 使硬件的性能更加完善。 华北电力大学硕士学位论文 第三章继电保护算法的探讨和实现 继电保护装置根据模数转换器提供的输入电气量的采样数据进行分析、运算和 判断，以实现各种继电保护功能的方法称为算法。各自投装置所采用的算法是；根 据输入电气量的若干点采样值通过一定的数学式或方程式计算出保护所反映的量 值，然后与设定值进行比较。 3 1 算法的选择 备自投装置的首要任务是保证用户的不间断供电，当供电线路出现故障后，应 立即切掉故障线路，投上备用线路。因此，关键问题是寻找合适的离散运算方法， 使运算结果的精度能满足工程的要求，而计算耗时又尽可能短。近十几年来，国内 外继电保护工作者围绕这个问题作了大量的研究。提出了许多适合于继电保护的算 法，例如全周傅氏算法、半周傅氏算法、最小二乘方算法和r l 模型算法等。 分析和评价各种不同算法的优劣标准是速度和精度。速度包括两个方面：一是 算法所需要的采样点数( 或称数据窗长度) ：二是算法的运算工作量。而精度和速 度又总是矛盾的。若要提高计算精度，则往往要利用更多的采样点和进行更多的计 算。所以研究算法的实质是如何在速度和精度两方面进行权衡。此外，有些算法本 身具有数字滤波的功能，有些算法则需配以数字滤波器一起工作。因此选择算法时 还要考虑对数字滤波的要求。1 2 j 全周傅氏算法、最小二乘方算法和r l 模型算法都各有其特点。( 1 ) 傅氏算法是 一种能够适用于各种保护的算法，在实际中应用较多。一般在采用傅氏算法时，需 考虑衰减直流分量造成的计算误差，并采取适当的补救措施。( 2 ) 应用最小二乘方算 法，在设计、选择拟合模型时，要认真顾及到精度和速度两方面的合理折衷，否则 可能造成精度虽然很高，但响应速度太慢，计算量太大等不可取的局面。( 3 ) r ，l 模 型算法一般不宜单独应用于分布电容不可忽视的较长线路，但若将它配以适当的数 字滤波器而构成的高压、超高压长距离输电线的距离保护，还是能得到满意的效果 的。 上述算法，都是从若干采样值序列中计算出有关电流、电压的幅值、相位、功 率等基本电参数，然后根据不同保护原理所对应的动作判据，用上述算法得出的电 气参数进行运算，从而实现保护功能。各自投装置要用到的算法有全周、半周傅氏 算法、差分算法等，有的算法会加以改进再应用。 3 2 傅氏算法 华北电力大学硕士学位论文 3 2 1 全周傅氏算法 傅氏算法由于原理简单、计算精度高，所以在继电保护中得到了广泛的应用。 傅氏算法的基本思想源于傅立叶级数，是将周期函数分解为恒定直流分量、基波分 量和各次谐波分量，最适用于继电保护计算其基波分量和谐波分量，并且具有良好 的滤波功能。该算法假设输入信号为一周期性函数信号，而继电保护装置采集的电 流和电压可视为周期性函数信号，除基波外还含有直流分量和各次谐波。此时，采 集量可表示为： l x o ) = x 。s i n ( n c o l t + ) = 【( 。s i n a 。) c o s h 0 ) l h ( 。c o s a 。) s i n n o l f 】 n = o = ( 6 。c o s n 0 9 1 t + a 。s i n n1 f ) n = o ( 3 - 1 ) 式中= 0 , 1 ，2 ，： 弛一基波角频率； n 。、b 。一分别为直流、基波和各次谐波的正弦项和余弦项的幅值，b 。= x 。s i n a 。， a 。= x 。c o s d 。 由于各次谐波的相位可能是任意的，所以把它们分解成有任意振幅的正弦项和 余弦项之和。q 、b 。分别为基波分量的正、余弦项的振幅，b 。为直流分量的值。 根据傅氏级数的原理。可以求出口。、6 。分别为： 铲吾r 坤) s i n ( n c o d ) 出( 3 - 2 ) 屯= ；“f ) c o s ( 嘲啪( 3 - 3 ) 式中t 一函数x ( t ) 的周期。 在数学计算中，式( 3 2 ) 和( 3 3 ) 用采样值计算时为： 铲斋静s i n 争 p 。， 专知c o s 雠争 p s ， 堡j ! 皇垄奎堂堡主堂垡笙壅 式中n 一基波信号的一周期采样点数； 磁一第k 次采样值。 当d 取不同的数值，可求出不同次谐波分量的实部和虚部， a l 、b 1 分别为： ”；似) s i n ( 吖) 西 6 1 = 亍2f x ( f ) c 。s ( q f ) 础 于是x ( t ) 中的基波分量为： 一( f ) = a ls i n ( c a i f ) + b ic o s ( e o l t ) 合并正弦、余弦项，可写5 b ： x 1 ( f ) = , 5 x 1s i n ( c 0 1 f + 口1 ) 式中x 一基波分量的有效值； 一f = 0 时基波分量的相角。 将s i n ( c o 。t + 口。) 用和角公式展开，可得： q = , 5 x lc o s 0 5 】 b l = , i x ls i nc e l 用复数表示为： 量= 击( ”两) 因此，可根据q 、b ，求出有效值和相角为： 2 x ? = 口卜6 7 例如，取行= 1 时 ( 3 6 ) ( 3 - 7 ) ( 3 培) ( 3 9 ) ( 3 1 0 ) ( 3 1 1 ) ( 3 - 1 2 ) ( 3 - 1 3 ) 瞎口，：堕( 3 1 4 ) 口 在备自投保护装置中，实现对x o ) 定时间隔采样是通过m a x l 2 5 芯片实现的， 每隔t = r n 对x ( f ) 采样一次。在实时计算时，一般须在每出现一个新采样值后就 计算一次。根据式( 3 - 4 ) 和式( 3 5 ) 的要求，c p u 应对这一新采样值前的n 个采样值( 包 括新出现的个) 同时加以运算。但在该保护装置中，由于采样芯片采样时，所传 1 6 华北电力大学硕士学位论文 送过来的采样值是整数，所以在实际运算时，对n 个采样值都分别乘以不同的系数 s i n 施等和c 。s 础等，然后求和，所得和乘以每个通道的标变系数再加上该通道的 零漂即得实际的信号值。 3 2 2 半周傅氏算法 假设周期性时间函数形式如( 3 - 1 ) 式所示，但不包含有直流分量， 算法计算1 1 次谐波的实部、虚部分别为： 铲面4n 舒2s i n 争 则用半周傅氏 ( 3 - 1 5 ) 坟= 昙c o s ( n k 等) ( 3 1 6 ) 。l 周期分量中n 次谐波有效值、初相角的求取同全周傅氏算法一样。 半周傅氏算法需要的数据窗长度为1 0 m s ，相对较长，它本身有一定的滤除高频 分量的能力，因为叠加在基频分量上的幅度不大的高频分量在半周积分中其对称的 正负半周互相抵消，剩余的未被抵消的部分占的比重就减小了。这种算法运算量极 小，能够快速反映故障电流。但它最大缺点是不能抑制直流分量以及偶次谐波，电 力系统故障不可能没有直流分量，并且是衰减的直流分量，因此对些要求不高的 电流、电压保护可以采用该算法，但在数字式保护中，数字滤波用软件实现比较容 易，通常得配上一定的滤波器来抑制电流、电压中的非周期分量。 3 2 3 傅氏算法的频率响应 根据式( 3 4 ) = 弓喜扎s i n 以等及式( 3 5 ) 以= 面2 白芒嘞c 。s 托庀, 万2 z 可知，当用 傅氏算法提取离散电流序列i + 中某次倍频的量值时，可以用余弦和正弦两个样品函 数分别对i 。作相关运算，以计算其实部和虚部。当此算式的输入i 。的频率变化时， 其输出口。和b 。的频率响应将依频率而变化。 4 】 下面以计算基频数值的算式为例进行分析，分析中取n = 1 2 ，其实部为： ，= 万2 著n t s i n 豇等= i 1 荟1 2 私i n 女詈 ( 3 - 1 7 ) 展开得： 华北电力大学硕士学位论文 1 2 a l = 2 ( 屯一南) + ( 一+ f 5 一i 1 1 ) + 4 3 0 2 一i s + i 4 一i l o ) ( 3 - 1 8 ) 同理，其虚部为； 岛= 万2 善n 屯c 。s 尼等= 丢善c 。s t 詈 ( s - 9 ) 展开得： 1 2 b l = 2 ( j 1 2 一f 6 ) + ( j 2 一i 3 + 。一) + ；( 一i 7 + i l l i 5 ) ( 3 - 2 0 ) 现在，假设输入电流信号的角频率为融，并令甜= p c o o ，即i ( t ) = ，。s i n ( c o t + 吼) 第k 个采样值为： 仁铀i n ( 飓螺+ 刚“扭n ( 砧等慨) ( 3 - 2 1 ) 以n = 1 2 ，= 0 ，k = 1 1 2 代入式( 3 1 8 ) 、( 3 - 2 0 ) 、( 3 - 2 1 ) ，可得： t z 毒叫渤c 扣“n c 轫啦c 扣砒c 扣+ s i n 和“n c 芸例 + j 【s i n ( 詈矽) 一s i n ( 詈窄) + s i n ( 昙印) 一s i n ( 詈印) ( 3 2 2 ) 利用三角函数的和差化积公式，经过整理得： 1 2 专= 一s i n ( 三硼c 。s ( 砌 1 + c o s ( 1 n p ) + 扫c o s ( ：矽) ( 3 - 2 3 ) 同理，可得； 他每叫s i n c 物“n c 却+ s i n ( 匆“n c 知“啄l o 砂s i 世却 响s i n 咕咖s i n ( 和“n ( 芸砂s i n ( 却 = 4 s i n ( 圭p ) c 。s 毫翟) 一2 s i n ( 印) 【s i n 嗉印) + j s i n 专矽) 】 ( 3 - 2 4 ) 式( 3 2 3 ) 及( 3 - 2 4 ) 说明，当要求计算基频分量，、，但输入的却是其它频率信号时，照 样可以得到一个输出结果，这个结果的相对模值为： 蚓：乒：幅珥( 3 - 2 5 ) 它是相对频率1 9 的函数，其频率响应曲线如下图所示，不过这是在口：0 时的情况。 华北电力大学硕士学位论文 1 2 1 d 8 0 6 04 02 0 国 m 0 图3 - 1 傅氏算法提取基波的频率特性曲线 从频率特性曲线可以看出，当频率厂是基频z 的整数倍时，1 日i = 0 ，说明了傅氏 算法具有很强的滤波特性。对于基波算法的频率特性，在p = 1 时，基波分量的幅值 最大，在频率处于基波频率附近时，傅氏算法的计算值比频率为基频z 时的计算值 小。 3 3 差分算法抑制衰减直流分量的影响 全周傅氏算法的数据窗为基波周期。当输入信号为周期性信号时，采用该算 法可准确求出信号中的基波分量。也就是说，傅氏算法的计算精度不受直流分量和 谐波分量的影响。但在实际情况下，故障信号通常不是呈周期性变化的，如非周期 分量不是恒定不变的纯直流分量，而是依指数规律衰减。由频谱分析可知，衰减直 流分量的频谱是连续的，包含基波分量的频谱。因此，采用傅氏算法时，计算所得 的基波分量的结果必有误差。 设输入信号为： 以) = a e “+ ，。( n ) s i n ( n o t + c p ) = i f 3 2 6 ) 华北电力大学硕士学位论文 其中式( f ) = a e “为非周期分量；f 。o ) = ，。( n ) s i n ( n + q 9 。) 是基波及各次谐 n = l 波分量的总和，是周期为r ：2 z 的周期交流量。 对f o ) 同步采样，每周期采样点数为n ，采样周期瓦2 专，得采样序列f ( o ) ，i 0 ) ， f ( 2 ) ，i ( n ) 。 对采样值进行一次差分滤波，可得： f ( o ) = i ( 1 ) 一f ( 0 ) ： i ( 1 ) = i ( 2 ) 一i ( 1 ) ； f 。( | 一1 ) = f ( ) 一f ( 一1 ) ； 得到新的采样序列i ( o ) ，i 。( 1 ) ，f 。( 2 ) ，f + ( _ ) 后，再利用傅氏算法则可提 取相对比较精确的基波及各次谐波分量，不过此时算出的幅值、相角有所变化，推导 如下： 假设输入信号如下，暂不考虑衰减直流分量的影响： f o ) = ，。s i n ( r i c o l f + 妒，) 】 利用全周傅氏算法提取一次差分谐波分量为： 小万2 酗n 枷咖t 等= 专鼢删叫纠s i n 础等 = 寺扣圳s i n 础争寺鼢净砒等 = le o s ( 伊。- 4 - n o ) l 疋) 一，c o sn 一2 l 。s i n ( 毕s i n ( ”等) ( 3 - 2 7 ) 6 = 专鼢灿肼等= 昙扣删删如眺等 = 斋弘州s n 础争号鼢坷百2 7 7 华北电力大学硕士学位论文 = i ，s i n ( 咿h + 0 3 j s 、一ins i n ( a 划冲( 警) c o s ( ”警) ( 3 - 2 8 ) 从上面算法的推导计算过程可以看出，校正算法的数据窗为( n + 1 ) 个点，计算 量较小，采用这种差分修正采样值方法，不需要作任何假设，也不需作任何简化， 只要输入信号具有式( 3 2 6 ) 的形式，则可比较精确的消除衰减非周期分量的影响， 能较好的滤出基波及各次谐波分量的实部和虚部，不过滤出的基波及各次谐波分量 的实部和虚部跟实际