（电力系统及其自动化专业论文）基于dsp的继电保护测试装置仿真算法的研究.pdf

器中的变换情况的研究，继而完全抛弃了b0 坐标系统，为发电 机的电磁暂态模型d q o 坐标系统和网络的a b c 坐标系统建立了直接 而简洁的联接和转换关系，建立了灵活的电力系统暂态仿真机网接 l l 模型和计算方法。对线路采用了多节模型，并计及了线路互感 和耦合电容，比以往的多节模型更为精细。 在上述理论的基础上，用标准c 语言编写了电力系统故障暂态 数字仿真程序，对电力系统可能出现的各种故障情况下的暂态过程 进行了仿真计算，并和动模录波进行了校核，初步证明了数学模型 和计算方法的正确性、合理性。而且，程序设计结构紧凑、小巧， 可以作为基于d s p 的继电保护测试装置的核心软件来模拟系统故 障，并将结果变成波形输出，对继电保护装置进行测试。该软件尤 其适用于快速保护及自动装置的现场测试和校验。l 关键词：继电保护测试、d s p 、单片机、暂态仿真 s t u d yo n t h es i m u l a t i o n a l g o r i t h m i nad s pk e r n e ld e v i c e f o rp r o t e c t i o n r e l a yt e s t i n g a b s t r a c t t h e r e l a yt e s t i n gd e v i c e sb e c o m e m o r em i c r os t y l ea n dm o r ep o w e r f u lb e c a u s eo f f a s td e v e l o p i n gc o m p u t e rt e c h n o l o g y u pt on o w , t h em i c r oc o m p u t e rb a s e dr e l a yt e s t d e v i c e sa r e i m p o r t e d a n d d e p e n d o ne m t ps i m u l a t i o n ，t h e r e f o r e ，h a r dt ob e m o d u l a r i z e d ，i n t e g r a t e da n dm i n i m i z e d t h o s ed e v i c e sa r en o tf l e x i b l ee n o u g ha n d e a s i l yh a n d l e d t h ed s p k e m e lp r o t e c t i o nr e l a y t e s t i n gd e v i c et a k e sf u l la d v a n t a g eo f t h es t a t e o f - a r th a r d w a r et e c h n o l o g y , b ym o d u l a r i z e da n di n t e g r a t e dd e s i g n t h e s o f t w a r ek e r n e lo ft h i sd e v i c ei sa na c c u r a t ea n dh i g h l ye f f i c i e n te l e c t r i c a lp o w e r s y s t e mf a u l ts i m u l a t i o np r o g r a m t h e p o w e rs y s t e m t r a n s i e n ts i m u l a t i o nt e c h n o l o g yi sw e l lk n o w ni np o w e rs y s t e m b u t h a sn o tb e e nf u l l yu s e di nr e l a yp r o t e c t i o nt e s t i n g t h i st h e s i sb u i l d su pt h em o d e l a n dt h ea l g o r i t h mf o rm a c h i n ea n dn e t w o r kt r a n s i e n ts i m u l a t i o n si np o w e rs y s t e m ， w h i c hf i td s pk e r n e ld e v i c ef o rp r o t e c t i o nr e l a yt e s t i n g n o r m a lf a u l tc a l c u l a t i o ni sa p p r o x i m a t ea n de n g i n e e r i n gu s e d i fw en e e da c c u r a t e r e s u l t s ，t h e nt h ea n a l y t i cm e t h o di su s e d i nt h es i m u l a t i o n ，w eu s e dt oc o n s i d e rt h e f a u l t sh a p p e n e da tt h et e r m i n a lo ft h eg e n e r a t o r t h i sp a p e rs h o w st h em a t h e m a t i c m o d e l sa n dt h ec a l c u l a t i o nm e t h o d so ft h et r a n s i e n ts i m u l a t i o ni np o r te q u a t i o nf o r m w i t hf u l lc o n s i d e r a t i o no ft h ep e r i o d i cp a r ta n dt h en o n p e r i o d i c p a r to f t h es h o r tc i r c u i t c u r r e n ta n dp u tt h et r a n s f o r m e r 、t r a n s m i s s i o nl i n ea n dt h ei n f i n i t ep o w e rs o u r c ei n c o n s i d e r a t i o n i nr e s i s t a n c e s t y l e f a u l ti th a sp e r f e c t f l e x i b i l i t y t h ec o n c e p t o f s y n t h e s i z e dp h a s ev e c t o r ，d q 0 ，a b c ，qb0c o o r d i n a t es y s t e m sa r ew i d e l ya p p l i e di n p o w e rs y s t e ms t u d y t h ep a p e ra l s os t u d i e st h es y n t h e s i z e dv e c t o r ，d q 0 ，a b c ，o p0 c o o r d i n a t es y s t e m sa n dt h e i rp h a s ec h a n g i n gi nt r a n s f o r m e r w ed i s c a r d e dt h eqb0 c o o r d i n a t es y s t e ma n db u i l dad i r e c tc o n n e c t i o na n ds u c c i n c tt r a n s f o r m a t i o nb e t w e e n t h em o d e l so fg e n e r a t o re l e c t r o m a g n e t i cd q os y s t e ma n dn e t w o r k a b cs y s t e m m u l t i - n m o d e li su s e df o rt r a n s m i s s i o nl i n ea n dt h ec o u p l i n gi m p e d a n c ea n dc o u p l i n g c a p a c i t a n c e a r ec o n s i d e r e d ，w h i c hi sm o r ep r e c i s et h a nt h es i m p l em u l t i nm o d e l b e f o r e t h ea n s ic p r o g r a m so fp o w e rs y s t e mf a u l tt r a n s i e n ts i m u l a t i o n a r ec o d e db a s e d o nt h ep r i n c i p l ea b o v e t h et r a n s i e n tp r o c e s sr e s u l t so fm a n yt y p e so ff a u l ti np o w e r s y s t e mw e r eo b t a i n e db yu s i n gt h ep r o g r a m c o m p a r e d w i t hw a v er e c o r d e dd u r i n g p h y s i c a lc o r r e c ts i m u l a t i o nt e s t s ，w h i c hp r o v e dt h em a t h e m a t i c s m o d e la n d a l g o r i t h m a r ec o r r e c t t h em o d u l a rt y p es o f t w a r ei s d e s i g n e dt ob ec o m p a c t i tc o u l db et h e s o f t w a r ek e r n e lo fd s pk e r n e ld e v i c ef o rp r o t e c t i o nr e l a yt e s t i n g ，w h i c hs i m u l a t e st h e f a u l t si np o w e rs y s t e m ，p r o d u c e st h ev o l t a g ea n dc u r r e n tw a v ea tt h es p o tw h e r et h e r e l a yp r o t e c t i o ni si n s t a l l e d t h ed e v i c eo u t p u t st h ew a v e t ot e s tt h er e l a yp r o t e c t i o n e q u i p m e n t t h i ss o f t w a r ei s s u i t a b l ef o rf i e l d - t e s t i n ga n dv e r i f i c a t i o no ff a s t r e l a y p r o t e c t i o no ra u t o m a t i ce q u i p m e n t k e y w o r d s ：p r o t e c t i o nr e l a yt e s t ，d s p ，s i n g l ec h i p ，t r a n s i e n ts i m u l a t i o n 基于d s p 的继电保护测试装置仿真算法的 i j f 究 第一章绪论 随着我国电力工业的发展，继电保护设备的测试技术也得到了很大的发展。 尤其是近年来，计算机技术的飞速发展使得我们可以组建更高速、更小型化的 基于d s p 的硬件平台。进而研究灵活、简单、易用、精确的、适用于该硬件平 台的电力系统故障仿真算法核心，成为研制新一代便携型继电保护测试装置的 1 1 继电保护测试装置的历史 在我国，继电保护的应用已有8 0 多年历史，但就其试验和测试来况，长 期采用经典的电气测量方法和常规电工仪表。近年来，随着超高压电网的建设 和微机型继电保护的应用，继电保护的试验和测量技术得到了快速发展，逐渐 形成了有别于一般电气测量的专门技术领域继电保护测试技术，并研制出 多种新型继电保护测试装置，被现场广泛使用。 6 0 年代前，我国电网结构简单、容量小、电压等级低，大部分为li o k v 及 以下的线路。大量采用的是电流、电压继电器等组成的简单保护。现场往往采 用临时接线的方法，由移相器、调压器、变阻器等调节装置提供可变的电气激 励量，以测试和量度继电器的特性，采用手动短接( 或断丌) 被试保护装置的 某触点( 或回路) 来模拟电力系统的故障，以检查整套保护装置的逻辑功能和动 作行为。这种临时接线的方法不但调试手段初级、功能少，不能进行复杂试验， 而且容易接错线，且劳动强度大，调试时间长。为改善现场试验工作条件，缩 短检修时间，适应新型保护的要求和提高调试质量，自7 0 年代术起，我国丌 始大规模地研制、生产和使用定型继电保护试验装置，其发展过程大致可分为3 个阶段： 起步阶段( 7 0 年代末至8 0 年代初) 1 9 7 8 年水力电力部在广州召丌的“接 地距离和综合重合闸技术经验交流会”上作出了一项决议，强调保护装置与综 合重合闸装置投运前必须与其直接相关的其他装置构成整体做整组试验，不许 用短接回路的方法而应该由输入相应的电流、电压来模拟可能发生的故障，还 必须配置与实际断路器跳、合闸线圈回路相似的模拟断路器电路。根据此要求， 研究部门应用物理模拟原理，研制出能模拟各种故障、产生相应电流、电压激 励量的继电保护试验装置。这种装置曾在大型电厂和2 2 0 k v 变电站现场调试中 得到应用。 第2 阶段( 发展阶段) 8 0 年代后半期8 0 年代中期后，随着大容量发 电厂的建设和5 0 0 k v 系统的建立，继电保护技术发展迅猛，在3 个方面有力地 推动我国继电保护试验装置的发展：( 1 ) 各大电网在引进成套继电保护装置的 同时，引进了一批先进的现场继电保护试验装置，例如，a s e a 的t u r h 型三相 继电器试验装置，s i e m e n s 的7 v p 型三相试验系统，d o b l e 的f s 一3 型三相试验 系统等，给国内研制开发和改进继电保护试验装置提供了借鉴。( 2 ) 1 9 8 7 年“四 统一”高压线路继电保护装置研制成功，并推广应用，对测试装置提出了新的 要求，例如要求能模拟三相同时性故障和多种转换性故障等。( 3 ) 1 9 8 7 年底水 利电力部颁发了新的继电保护及电网安全自动装置检验条例，对继电保护试 验接线( 包括继电保护试验装置) 规定了新的基本技术指标。第2 阶段中，继 基于d s p 的继电保护测试装置仿真算法的研，e 电保护测试装置得到了较大发展。多功能试验装置、计算机控制继电保护测试 仪、继电保护综合试验车等多种型式装置相继出现，在原理上除了物理模拟型 外，还有组合式和微机可编程式。 第3 阶段( 9 0 年代) 进入9 0 年代，我国电力工业持续高速发展，高压电 网继电保护的配置与选型发生了很大变化，主保护采用双高频配置方案，枢纽 变电站均装设微机故障录波器，大量采用以c k f ，c k j 系列为代表的集成电路型 高压线路保护和以w x b 一1 1 型( 含w x h l l 型) ，l f p 一1 0 0 系列为代表的微机型保 护。与模拟式保护相比，微机型保护采用新原理，功能强、性能优良，具有速 度快、准确度高和智能化的特点，原有现场继电保护测试装置已不适用，迫切 要求有适用的现场测试装置与其配套。这一阶段积极采用数字控制、数字显示、 微机可编程和实时仿真高新技术。与前两个阶段相比，技术水平明显提高，与 国外的差距明显缩短。与组合式试验装置相比，这些装置在性能上具有明显优 势，因而尽管价格较贵，仍为用户优选。在3 5 k v 及以下线路保护装置的检验 中，由于价格便宜以及操作简单、可靠等原因，仍以组合式试验装置为主。 1 2 继电保护测试装置特点分析 目前，国产现场用继电保护测试装置多达近20 个型号，大约可归纳为组 合式、物理模拟式、数字控制式和微机可编程式4 类。 组合式继电保护试验装置主要由一个可产生三相试验电压的独立回路和一个 输出单相移相试验电流的独立回路组合而成。其基本特点是：输出功率大：电 压与电流分别由两个独立回路形成，不能正确模拟电力系统中的故障电压、电 流变化的同时性和畸变一致性：电流回路经电阻或升流器产生稳态试验电流， 无直流分量，因而只能作继电保护的稳态特性和定值整定：升流设备的非线性 会引起波形失真，移相器的过渡过程会引起不真实的暂态分量。 物理模拟式继电保护试验装置一般由5 个部分组成：1 三相输电线路模型：2 电流互感器模型，电压互感器模型：3 模拟断路器：4 故障控制回路：5 检测仪 表。物理模拟式继电保护试验装置有如下特点：( 1 ) 三相输出试验电压、电流 直接来自所( 厂) 用电，功率大：( 2 ) 试验电压、电流由同一输电线路模型产 生，可真实地模拟负荷电量、故障电量及其变化，与保护装置运行时实际感受 一致：( 3 ) 输电线路模型为感性的，合闸相位角可控，能产生直流分量电流，可 用于测试量度继电器的暂态特性和动态超越：( 4 ) 输电线路模型中设置零序插入 阻抗z o ，可真实模拟实际线路上发生接地短路时零序电流的影响：( 5 ) 所采用 的模型断路器，与原型断路器具有相同的跳合闸功能、操作电压、跳合闸电流 和跳合闸时间，并能经受频繁的操作。 数字控制式，目前采用的数字控制型继电保护综合试验装置，其产生试验 电流、电压的原理与组合式相似。不同之处如下：( 1 ) 硬件上大量采用集成芯 片，实现触摸开关控制、数字拨轮调节、数字l e d 显示和新型静态变压器式移 相器( 2 ) 操作面板上的数字拨轮开关和触摸开关，可方便地对三相试验电压、 故障转换时怕j 、复归时间、试验电流相位和合闸相位角实现数字定量调节，“j _ 方便地对试验功能、故障类型、故障相别、重合闸方式、p t 切换、送受切换、 仪表投退和触发方式实现控制：( 3 ) 装置自各有数字式相位计、毫秒计、电压表、 电流表，除调试高频收发信机外，均不需要携带其他仪器设备。 微机可编程式继电保护测试装置主要由信号控制单元、电流放大器和电压 基于d s p 的继电保护测试装置仿真算法的训究 放大器3 个部分组成。信号控制单元以微机为主构成，实质上是一个可编程的 信号发生器，模拟电力系统各种正常和故障状态下的电气量，它输出的是弱信 号，经电流放大器、电压放大器放大成强功率电流、电压激励信号。我所研究 的电磁暂态故障仿真程序就是应用在基于d s p 的微机型继电保护测试装置中的 软件核心。这类装置的特点 ( 1 ) 不同测试均可通过编制不同的软件来实现。能不同程度上f 确模拟电 力系统各种类型的瞬时、永久以及转换性故障，整组试验方便： ( 2 ) 用数字方法合成试验波形，如正弦波或叠加直流分量和高次谐波，可 测试继电器的稳态特性或暂态特性： ( 3 ) 输出试验电压、电流的频率可调， 能对频率继电器进行定值校验和 d f d t 试验： ( 4 ) 对现场电源无特殊要求，采用单相电源可获得- - - - h 试验电流、电压的输 出，不受现场电源电压畸变的影响，但输出功率不易提高； ( 5 ) 能自动搜索继电器的定值，并能显示( 或打印) 其定值、动作时f 、日j 及动 作特性曲线，能构成自动测试系统，智能化高： ( 6 ) 采用人机对话方式，操作方便，不需外接表计，接线简单。总之，除 输出功率还有待改善外，微机可编程式试验装置的上述优点是突出的。 基于d s p 的继电保护测试装置是微机型继电保护测试装置发展的高级阶 段，由于采用了先进的一体化、模块化硬件设计( 详见第二章) 和高度集成的 软件仿真核心，使得装置更为小巧、灵活，功能扩展性强，发展前景广阔。 1 3 故障暂态仿真的研究背景 1 3 1 研究开发电力系统故障暂态仿真软件的必要性 随着电力工业的飞速发展，电力系统的复杂性日益表现在超高压、长距离、 重负荷的输电网络的出现。系统中快速继电保护是安全控制的一个重要方面， 对系统中装设的各种快速保护继电保护装置的要求也越来越高。 例如，超高压系统为保证系统稳定，一般要求在o 1 秒内切除故障，如果 计及丌关动作三周波( 6 0 m s ) ，保护装置就要求在两个周波( 4 0 m s ) 之内证确动 作。若考虑通道延时，启动及出口元件时延及必要的裕度，则保护装置的判别 元件一般希望在一周波左右正确动作。因此，对超高压系统中的快速保护装置 进行分析、评价，在新装置投入运行前校验其在各种情况下动作的快速性、j 下 确性，尤其是在暂态过程中动作的可靠性，是一项相当重要的任务。 目前，保护装置的测试一般在动模上进行试验。随着微机型继电保护测试 装置功能的日趋完善，这种装置已经越来越多的应用在继电保护的测试中，尤 其是在现场测试中得到了更多的应用。故障波形的产生软件是微机型继电保护 的核心，是微机型继电保护测试装置多功能的基础。研发集成化、体化程度 很高的基于d s p 的继电保护测试装置，就要求得到功能强大、灵活的故障波形 软件核心的支持，要求我们对电力系统故障过程进行分析，并且建立合理的数 学模型。 基于d s p 的继电保护测试装置仿真算法的研究 1 3 2 动态模拟实验进行仿真测试的优缺点 目前，已制成的保护装置在投入生产或运行前一般要求经过动模的考验， 模拟系统一般根据保护应用的地点采用单机对无穷大，单回线或者双回线。但 是，动模在进行有些课题的研究时，尚存在一定的困难。例如： ( 1 )当新保护判据尚在构思，新保护装置尚在设计时，就较难在动模卜- 对之进行研究、分析、评价，一般要等装置做成后，才能做动模试验： ( 2 )对原有的反映工频量的保护装置进行改进时，需校验其在暂态过程 中的特性是否理想。这一方面要求在动模上模拟各种暂态过程，另一方面要分 析装置对暂态波形的反映，而前者对一些特殊的暂态过程，有时较难在动模上 控制与实现( 如故障初相位等) ，后者则由于装罨反映极快，其在暂态中的反 映细节不易掌握； ( 3 )对于运行中的保护装置误动或者据动原因进行分析时，常希望能根 据运行时的工况，再现系统当时的暂态过程，这要在动模上实现是有困难的， 也不甚经济。 此外动模实验尚有以下几个问题： ( 1 )在动模试验中，由于规模与条件的限制，模拟系统与真实系统可能 有较大的出入； ( 2 ) 有些复杂、特殊的工况较难模拟； ( 3 ) 模拟精度也不太高； ( 4 )当网络结构变更及系统工况变更时，实验接线、装置调整、测试二r 作量较大，实验准备工作量大： 基于d s p 的继电保护测试装置就是要在d s p 处理器上运行电力系统故障仿 真程序，并将波形输出，用于继电保护装景的测试，为解决以上问题提供了很 好的补充工具。数字仿真程序模拟系统故障或操作引起的暂态过程，以获得保 护安装点的电量瞬时值变化规律。也就是说，电力系统故障暂态仿真是该装置 首要及关键的核心。 数字仿真相对动模有一系列明显的优点：大规模仿真能力强，通用性强， 仿真灵活，精度较高，准备工作量相对较少。 t 3 3 一些仿真软件及其方法的优缺点 国内为了研究系统的暂态稳定而对系统的机电暂态过程的仿真研究较多， 相应的电力系统模型一般忽略网络暂态及发电机定子暂态，而仅计及发电机的 机电暂态特性。在研究线路及设备的操作过电压及雷电过电压，因其历程很短， 一般对发电机采用次暂态电势恒定模型，而对线路则采用精细的波过程模型， 仿真步长极短。在继电保护领域的电磁暂态计算大多为故障初瞬基波分量，并 据此进行反映工频量的常规保护的整定及分析，也有采用序分量的方法得到短 路电流的周期分量，故而网络用稳态模型，发电机用次暂态电势恒定模型。 为了对故障暂态进行仿真，对快速继电保护进行考核，要同时计及发电机 和网络的暂态模型，在很短的时间内可以暂时不考虑机电暂态过程。网络在故 障电磁暂态中存在丰富的高频分量及非周期分量，需要用暂态模型，而不能用 基于d s p 的继电保护测试装置仿真算法的 l l f t 只计及周期分量的序网模型，同时，波过程在数百公里的线路上影响只有几个 毫秒，也无需考虑。总之，电力系统故障暂态仿真应同时计及机网暂态。 国内外已经有了一些相当优秀的电力系统暂态仿真软件，比如现在广泛使 用的e m t p 、n e t o m a c 等等。这些软件在研制基于d s p 的继电保护测试装置中无 法应用，首先他们都是公司成熟产品，固化到d s p 芯片中很困难而且有版权问 题。其次，这些软件由于其通用性，附加功能过于丰富，规模庞大，准备工作 量大，不经济。曾有单位将e m t p 用于继电保护测试装置上，也存在一些缺陷。 对网络部分暂态仿真的研究和描写发电机暂态过程的模型与网络部分暂念 模型接口是电力系统暂态仿真的两大部分研究成果。为了计及输电线路在扰动 后初瞬的丰富谐波，一般输电线用波过程模型，其研究成果集中反映在用网格 法、特征线法、改进的富氏变换法来进行网络暂态仿真的工作。特征线法由于 有一系列优点而为e m t p 所用。网络与发电机模型的接口是进行全系统暂念仿真 的关键。发电机为旋转部件，网络为静止部件，发电机参数一般在d q 轴不对称， 而网络参数往往a b c 三相不对称，描写发电机暂态特性的方程组为非线性微分 方程组，另外发电机通常经d y 1 1 变压器升压并网，d y 1 1 变压器两侧a b e 坐标下电量的变换矩阵奇异不可逆，这都是机网接口的难点。e m t p 使用补偿法 及等值电阻法进行机网接口的计算。 网格法是利用输电线上的行波的折反射规律，根据叠加原理，在时域进行 线路波过程计算，将各个时刻到达节点的折反射波按时间先后叠加，可得到各 节点电压的瞬时值。这种方法计算速度较快，可对复杂的网络迸行计算，适应 能力良好。但是也还存在一些缺陷，一般的r l c 元件要化为等值线段，精度与 仿真步长有关，故步长只能极小；步长受最短线路上传输时间的限制，同时， 步长若取大了，会影响电压波形用阶越增量叠加来等值的精度，故步长一般取 很小的数值，仿真总时阳j 长时，网格法适应能力较差；电压以增量形式计算， 非线性元件处理不慎方便，多重操作及故障处理不方便；当非线性元件多时， 计算中折、反射系数还要不断修正折反射系数矩阵，准备工作量大；累计误差 可能对精度影响很大。 特征线法以描述输电线路波过程规律的贝瑞隆( b e r g e r o n ) 法及其相应的 等值电路为基础分析输电线路的电磁暂态过程。在特征线法中，电量不象网格 法那样以增量形式叠加计算，而是以全电量计算，故对非线性元件的适应能力 较好，也比较便于和发电机暂态模型接口，以便同时计及电机和网络暂态。该 方法计算速度较快，因而在时域线路暂态仿真中得到广泛应用，并被e m t p 采纳 作为网络部分暂态仿真。特征线法的主要缺点在于仿真计算步长受最短线路波 传播时间的限制，且考虑故障初瞬的高次谐波仿真精度，步长需要很小，般 为0 1 m s 左右，所以计算量可能很大而且累计误差可能很大。 改进的富氏变换法是在频域中求线路的频率响应，再反变换到时域求解， 能够精确计及线路参数的依频变化的一种方法。他要求系统元件均为线性元件， 因而对非线性元件的适应能力较差，较难计及发电机的暂态特性，对多重操作 的适应能力也较差。计算量大，仿真速度慢。 e m t p 采用的特征线法进行网络部分的暂态仿真，由于受线路波过程模型的 限制及故障初瞬高周分量仿真精度的限制，步长取得很小，耗费大量机时，并 能导致较大的累计误差。同时操作或故障引起的非状态变量不正常的摆动问题 没有很好的解决。 线路的集中参数万节模型灵活性强，潮流计算、暂态过程都可以很好的统 苎型塑竺皇型堂堂墅型燮 一，适用于非线性元件。缺点是线路长时，为了不使精度降低，太多的z 节导 致的计算量很大。我们的软件应用在线路数百公里左右，5 0 公里一个丌节，计 算精度和速度都能很好的满足要求。 暂态仿真中若要同时计及发电机和网络暂态，则必须依靠良好的机网问接 口计算方法。 g r o s s 提出的补偿法根据补偿原理，用特征线法在忽略发电机存在的条件 下求解网络节点电压，再求网络相对发电机的三相戴维南等值电路参数，并将 之从网络a b c 坐标化为发电机d q o 坐标，以与发电机d q o 坐标方程联立求解， 在求出发电机定子电流后，再将该发电机的作用叠加到原来所求网络节点电压 上。该方法要求网络为线性，对非线性元件适应性差，而且要使用特殊的虚短 线路方法。该方法采用网络a b c 坐标向发电机d q o 坐标“靠拢”的方法。不能 适用于线路的等值z 节描述的线路。 但是g r o s s 方法中，在处理发电机的非线性微分方程组的时候，通过预报 下一时刻发电机转速、转子角及励磁电压，使之差分化为线性方程组，并可在 定子等值方程中消去转子量，并顺利进行坐标变换，有利于机网接口计算。 等值电阻法，用特征线法计算网络部分的等值伴随导纳阵及等值电流源向 量，消去网络节点后，直接以a b c 坐标的等值导纳阵相应方程与发电机接口。 对于发电机则在d q o 坐标下，先把微分方程差分化，然后再定子等值方程中小 去转子电流量，并化为定长电阻阵后面串一个时变的等值内电势，最后再由d q o 坐标向a b c 坐标靠拢，与网络接口。此法求解过程简单，对非线性元件适应能 力强。但该方法在线路应用等值石节描述时，会给定子d q 轴电流的准确预报带 来困难。发电机用等值阻抗阵描写，网络中有非线性元件时，计算量大，求解 速度很慢，等值阻抗阵的导出对精度也有一定影响。 以上方法在发电机模型处理上以及算法上都有其值得借鉴的地方，但是都 存在一些缺点，特别在线路使用多石节描述时，几种方法都不合适。 在考虑变压器的网络中，通常使用一种中间坐标系统c 【d o 直角坐标系统， 由于其把a b c 三相分量进行很好的解耦，使得变压器两侧电量的变换矩阵满秩。 将发电机d q 坐标下的定子等值方程变换到b 坐标系统中，再转换到变压器另 一侧，同时根据变压器对零序的回路计入零序分量后变换到a b c 坐标即可和网 络接口。但是这种方法增加了一个坐标系统，增加了模型的复杂性和程序的计 算量，不够简洁，容易增加累计误差。我对d q o 、a p o 、a b c 三个在电力系统暂 态仿真中常用的坐标系统进行了详尽的分析，联系综合相量研究了变压器中这 三个坐标系统和综合相量的变化关系，进而抛弃a p o 坐标系统，直接用d q o 坐 标系统进行机网接口( 详见第三章) ，这种模型应用在继电保护测试装置的仿真 核心里面更显简洁、方便、高效，精度更好。 综上所述，继电保护的仿真核心要从实际的要求出发，使这一仿真应能适 应如下情况： 单机对无穷大系统：便于计及发电机的暂态特性，对发电机非线性微分方 程组处理时收敛性好；对变压器有较好的处理模型，能计及变压器的角度问题： 网络微分方程处理时数值稳定性好；能适应各种短路故障和各种短路故障；便 于适应非线性元件：在数值稳定的情况下，使用标准的c 语言，便于使用相应 软件编译移植到d s p 中；应有不会使保护误动的仿真精度。 根据国内外研究情况的分析，用在继保测试装置中的这一机网暂态仿真要 | ， 茎主塑些塑塑燮型堕燮 解决如下问题：建立适用于继电保护测试的简化电力系统模型；选择量元佳的 仿真数学模型；对各种数学模型提出并选择相应的计算方法，尤其是机网孽早 和变压器进行研究和探讨：数学模型的灵活转换，导出转换公式，确定计算方 法；对数值震荡问题提出并实施解决方法；对全部模型进行编程计算；对可能 采用的方法研究比较，对相关理论分析研究，使实际应用的模型和计算方法物 理概念明晰，计算简洁，对系统的实际要求适应能力好，满足继电保护测试要 求；用动模录波进行校核，检验模型、方法、软件的合理性、正确性。 第二章硬件结构设计及其对算法的影响 基于d s p 的继电保护测试装置其仿真硬件核心是d s p 芯片。d s p 芯片具 有强大的指令集合，高度的灵活性，快速的数字处理能力以及全新的内部结构。 近年来，d s p 技术已经被应用于某些电力系统产品中，并充分发挥出了它的优 势。将d s p 应用于电力系统继电保护测试装置的硬件结构设计中，就是要充分 发挥d s p 在数字信号处理以及通信方面的优势，将电力系统数字仿真的模型和 算法软件植入d s p ，充分利用d s p 强大的运算能力和先进的软件编程技术对电 力系统进行数字化仿真计算，根据设定的系统阻抗、负荷情况、故障类型、过 渡电阻和故障角的不同，结合优化的解耦算法，产生各种试验波形的仿真数字 信号，经d a 变换、功率放大后送出试验电流、电压。这种方法最接近于实际 系统中的故障波形，仿真程度高，测试准确。对于进行大规模并行计算实时仿 真也提供了可能。 结合灵活设计硬件电路和人机接口，使得该装置能够针对不同的系统，快 速、灵活而精确地仿真故障时，继电保护安装处的电流、电压的实际动态过程， 从而为继电保护动态试验提供一种便捷而有力的工具。 建立了基于d s p 的更快速、更灵活的模块化、一体化硬件平台，对进一步 提高继电保护测试装置的性能、提高波形仿真的精度都将具有十分重要的意义。 2 1 总体构架 该装置能够按照测试的要求，输出继电保护安装处的三相电压、电流波形 或者是故障回放波形，以校验继电保护设备的性能。装置的结构如图2 1 所示， 它以a t m e l 公司的新一代增强型a v r 结构的单片机a t 9 0 s 8 5 3 5 为控制核心， 负责逻辑参数控制和波形发生，以t r 公司的d s pt m $ 3 2 0 c 5 4 x 为电力系统动 态数字信号产生的仿真核心，负责根据控制命令和系统参数产生系统故障仿真 信号，并将这些数字信号传送给单片机。数字信号由单片机负责存储在| = j j 存， 当需要波形输出时，再从闪存中提取数据并产生仿真波形或录波波形。装置还 包括键盘显示接口、开关量输入输出转换、大容量快速缓存、d a 转换、录波 装置通信接口。 t m s 3 2 0 c 5 4 x 系列芯片是1 6 位定点d s p ，具有高度的操作灵活性和运行 速度，可达4 0 到1 0 0 m i p s 。它采用了优化的h a r v a r d 结构。使用8 个总线( 一 根程序总线，三根数据总线和四根地址总线) ，使处理能力得到大大提高。独立 的程序和数据区使访问程序指令和数据能并行进行。而且数据可以在程序和数 据区之间传递，这种平行结构支持一系列算术、逻辑和位处理运算，堡二盒摆 磊周期内能完成大量算数，逻辑运算。c 5 4 x 存储器由三个独立的可选择空间年 成：程序、数据和i o 空间。c 5 4 x 还有映射到数据存储器空间的2 6 个c p u 寄 继电保护录波部分l 被测的继电保护装置 t m $ 3 2 0 c 5 4 xd s p 产生电力系统动态模拟数据 海 晕 闪 存 h p l 接口 与卤 斟r a 9 0 s 8 5 3 5c p u 机界面 d a 转换 图2 1装置的硬件结构 f i 9 2 1 h a r d w a r es t r u c t u r eo fd e v i c e 基于d s p 的继电保护测试装置中，d s p 与单片机的通信量很大而且很重 要。c 5 4 x 拥有丰富多样的外设接口，其中很有特色的是主端口接口( h p i ) ：主 端口接口提供了和主处理器通讯的并行接口。测试装置中d s p 与单片机通过此 接口来交换数据。通过d s p 的片载内存，c 5 4 x 和主处理器进行数据交互。主 处理器通过指定的地址寄存器、数据寄存器和h p i 控制寄存器访问h p i ，d s p 不能直接访问该地址、数据寄存器但能够访问h p i 控制寄存器。h p i 另外和主 处理器通过h p i 控制逻辑器件交互接口控制信号。 h p i 有两种操作模式，共享存储模式和主机存储模式。一般我们用共享存 储模式，在这个模式里，d s p 和主处理器都可以访问h p i 记忆体，主处理器的 异步访问被内部同步化，当主处理器和d s p 同时存取访问造成冲突时，d s p 将 等待一个时钟周期以避免冲突。主机存储模式是当5 4 0 2 复位或休眠时，其所有 的内部时钟和外部时钟停止，在c 5 4 x 的休眠情况下主处理器仍然能够访问h p i 记忆体。 h p l 支持高速的背靠背式的主机存取。在共享模式下，5 4 系列d s p 运行在 4 0 m h z 的情况下h p i 的传输速率可达6 4 m b p s 。h p i 能够充分利用带宽，5 4 系 列d s p 的主频乘以主处理器对外设访问的倍频除以5 ，就是h p i 的运行频率。 一般，4 0 m h z 的5 4 x d s p 对应的主处理器倍频可以是4 ，主处理器可以毫无延 迟地运行在3 2 m h z 。在主处理器访问方式下，h p i 可以独立于5 4 x d s p 的时钟 之外以更高的速度运行，达1 6 0 m b p s 。 装置还可以通过d s p 丰富的外设接口由外接计算机实现人机信息交换，也 可以由智能键盘显示器作为人机信息交换接口，通过接受键盘命令，接受动态 基于d s p 的继电保护测试装冒仿真舅：注的训t 模拟的参数，控制数字波形的发生，实现不同故障情况下，输出系统尊皂孚塑 黾流。同时对继电器或保护装置的触点动作信号进行实时检测，并将信息在液 晶显示器上显示，据此测量继电保护装置的各种性能。 2 2 故障回放或数字仿真数据的产生和储存 如果采用故障回放来对继电保护进行测试，单片机就通过r s 2 3 2 通信接口 直接获取继电保护的录波数据，并储存在海量闪存中。要是应用电力系统动态 仿真数据对继电保护进行测试，单片机就要从d s p 获得故障情况下的三相电压、 电流以及零序电压、电流的仿真数据，这些数据由植入d s p 的电力系统动态仿 真软件产生。这八路仿真数据同样被送至海量闪存存储。 由于我们应用d s p 作为电力系统动态模拟的模珠，用来接收系统的所有参 数和控制命令，并把运算结果输出交给单片机，由单i 片机的控制软件负责存储、 产生输出波形。所以，d s p 的运算速度、数字处理能力和外设接口在这旱尤为 重要。 c 5 4 x 系列具有特别为快速算法和高级语言设计优化的指令集。性能优良的 c 5 4 x d s p 为我们进行大规模的电力系统暂态数字仿真提供了可靠的硬件基础和 良好的编程环境。 2 3 数据的存取和输出波形的产生 装置的控制核心单片机通过d s p 的h p l 接口接收到数据后，按照不同 的数据类型把数据发送到存储器中，并且按照数据类型分块进行存储。单片机 与存储器进行数据传送时是使用s p i ( 同步串行接口) 串行数据传送模式来进 行的。在要求进行继电器检测时，需要发送波形时，单片机从存储器接收数据， 并且进行线性插值处理后再进行数据d a 转换，恢复波形，然后经过功率放大 把模拟故障波形输出到继电保护装置，波形在输出时是由单片机的i o 口控制 采样保持电路来使八路的波形数据轮流进行发送。同时，装霞实时检测继电保 护是否有动作。 仿真软件可采用电压电流由正常运行值突变到故障值的方法来模拟各种简 单故障和复杂故障情况，因此除了用于对各种电压、电流、负序、阻抗、方向、 差动、交直流中间继电器等各类装置进行单元校验外，还可模拟各种单相接地、 两相短路、三相短路故障的发生与切除过程及各种复故障过程中电流电压的变 化，借以检验被检装簧的整体动作性能。特别适用于现场及实验室的调试校验。 2 4 波形还原和插值对仿真步长的影响 电力系统周波为5 0 h z ，根据n y q u i s t 采样定律至少要用1 0 0 h z ( 即每周波 2 点) 的采样才能保证最低要求。而一般故障波形的高频分量较丰富，所以仅 仅用l o o h z 的采样频率是远远不够的。由于固化在d s p 上的仿真程序是基于计 算的，所以波形的采样点数( 对d s p 来说仅仅意味着暂态仿真算法的步长) 完 全取决于合理性和装置的软硬件限制。合理性主要考虑到实际的故障波形的最 高谐波；装置的硬件限制主要集中于闪存容量大小的限制以及d a 转换速度的 快慢。所以，编制暂态仿真程序时使用了灵活的步长设置，可以由用户自己定 挂于d s p 的继电保护测试装置仿真算法的训究 义。在第五章算例中使用了每周波4 0 点，“采样”频率为2 k h z ，可描述最高 为2 0 倍工频的谐波。这对于还原任何一种电力系统故障波形来说都是足够了。 当每周波为4 0 点数据时，要求闪存至少能够存储8 路1 秒左右的数据；而d a 的波形建立时间为也要足够快。在算例中每周波4 0 点的数据还是比较合理和精 确的。 在波形还原时，输出波形可根据需要进行各种简单或复杂的插值计算，如： 线性插值或三点不等唰距插值。插值方法使原来的每周波的数据点数成倍增加。 出数字信号处理的原理可知，这样的插值虽然并不能使信息量增加，但能使波 形更加顺畅。 2 5c o d ec o m p o s e rs t u d i o 软件平台简介 c o d ec o m p o s e rs t u d i o1 1 是t i 公司开发的对d s p 编程的十分优秀的可视 化的高度集成开发环境系统，集成了硬件的模拟，软件的编写，调试功能为一 体。能够支持多种t id s p 的软硬件仿真。能够在程序调试时灵活地设置断点， 在断点处自动更新窗口，可对参数、变量等进行监测，可观察和分配内存和寄 存器，可观察栈，使用p r o b ep o i n t 工具来向目标传输数据和得到内存瞬态图， 可将目标信