（电力系统及其自动化专业论文）基于dsp的多功能微机保护实验装置硬件研究和设计.pdf

董三呈些墼耋2 鐾丝! 堡呈兰鍪董圣篓耋至垒塑兰生 a b s t r a c t i nt h el a s td e c a d et h ed e v e l o p m e n to fd i g i t a lp r o t e c t i o nt e c h n i q u ei sq u i c k ，a n d v a r i o u sd i f f e r e n td i g i t a lp r o t e c t i o nd e v i c e sa r eu s e de x t e n s i v e l yi np o w e rs y s t e m w i t h t h ed e v e l o p m e n to fm i c r o c o m p u t e ra n di t sa p p l i e dt e c h n i q u e n e wd i g i t a lp r o t e c t i o n d e v i c e sa r ep r o d u c e dc o n t i n u o u s l y b u tt h e s ed e v i c e sw h i c hh a v eb e e ni no p e r a t i o nd o n o ta l l o wt ob eu s e dt od os o m ee x p e r i m e n t s ，s oam u l t i f u n c t i o n a ld i g i t a lp r o t e c t i o n d e v i c eu s e dt e c h n i c a lt r a i n i n go fe l e c t r i c d i s p a t c h e r sa n dt e c h n i c a lp e r s o n n e lc a n i m p r o v e dt h e i rd i g i t a lp r o t e c t i o nt e c h n i q u el e v e l ，w h i c hh a sv e r yi m p o r t a n tm e a n i n g s f o rm a i n t a i n i n gp o w e rs y s t e mw o r k i n gs a f e l ya n d r e l i a b l y ， u n d e rs u c ha b a c k g r o u n d h u n a n u n i v e r s i t yp r o p o s e d t o d e v e l o p t h e m u l t i - f u n c t i o n a ld i g i t a lp r o t e c t i o ns y s t e mw i t hc o o p e r a t i o no fh u n a nu l t r a h i g hv o l t a g e t r a n s m i s s i o na n dt r a n s f e rp o w e rc o m p a n y , a n dt h ep r o j e c tg a i n st h es u p p o r to f e l e c t r i cp o w e rc o o fh u n a np r o v i n c e t h es y s t e mr e g a r d sam i c r o p r o c e s s o rr e l a y p r o t e c t i o nt e s t i n ge q u i p m e n ta st h es i g n a ls o u r c e ，a n df m i s h sm a n yk i n d so fp r o t e c t i o n e x p e r i m e n t st h r o u g ht h em u l t i - f u n c t i o n a ld i g i t a lp r o t e c t i o nd e v i c e t h ep a p e rs t u d i e s t h em u l t i f u n c t i o n a ld i g i t a lp r o t e c t i o nd e v i c em a i n l y , a n dp r o p o s e sh a r d w a r ed e s i g n p l a n s o fd o u b l ec p ub a s e dt m s 3 2 0 l f 2 4 0 7d s p t a k i n gf u l la d v a n t a g eo ft h e i n - a p p l i c a t i o np r o g r a m m i n gc h a r a c t e r i s t i co f3 2 kw o r df l a s hp r o g r a mm e m o r yi n t m s 3 2 0 l f 2 4 0 7 t h ed e v i c ec a nd om u l t i f a r i o u sp r o t e c t i o ne x p e r i m e n t st h r o u g h c a r r y i n go u tt h ep r o g r a m m ew h i c ha r ed o w n l o a d e di n f l a s ht h r o u 【g hap e r s o n a l c o m p u t e rb ym a k i n gu s eo fr s 2 3 2s e r i a lc o m m u n i c a t i o ni n t e r f a c e ，a n dt h u si tb r e a k s t h et r a d i t i o n a lp r o t e c t i o nd e v i c e s l i m i t a t i o no fs i n g l ef u n c t i o n ，a n dr e a l i z e sc o l l e c t i n g m a n yk i n d so f p r o t e c t i o ne x p e r i m e n t si na s e to f d e v i c e t h ep a p e rs t u d i e sa n dd e s i g n st h eh a r d w a r eo fm u l t i f u n c t i o n a ld i g i t a lp r o t e c t i o n d e v i c e ，a n da n a l y s e st h ep r i n c i p l ea n df u n c t i o no fe v e r yh a r d w a r ec i r c u i tm o d u l e ，a n d t h ea n t i i n t e r f e r e n c et e c h n o l o g yt h a tt h ed e v i c ea d o p t e di nd e t a i l i na d d i t i o nt h ep a p e r p u t sf o r w a r dan e ww a yo fd o w n l o a d i n gp r o g r a m m e t h em u l t i - f u n c t i o n a ld i g i t a l p r o t e c t i o n d e v i c ei s d e s i g n e db yw a yo fm o d u l a r i z i n gh a r d w a r e , a n dh a st h e c h a r a c t e r i s t i c so fs i m p l es t r u c t u r e ，p o w e r f u lf u n c t i o n ，s t r o n ga n t i i n t e r f e r e n c ea b i l i t y s o i ti sn o to n l ys u i t a b l ef o rd i g i t a lp r o t e c t i o nt r a i n i n gi np o w e rs y s t e mb u ta l s os u i t a b l ef o r t e a c h i n ge x p e r i m e n t so fe l e c t r i c a le n g i n e e r i n gc o l l e g e s ，a n di ti sad i g i t a lp r o t e c t i o n d e v i c ew i t he x t e n s i v ea c t u a lv a l u e i i k e yw o r d s ：d i g i t a tp r o t e c t i o n ；h a r d w a r ed e s i g n ；d i g i t a ls 噜n a lp r o c e s s o r ；d o w n l o a d i n g t e c h n i q u e i 湖南大学 学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的论文是本人在导师的指导下独立进行研究所取 q 得的研究成果。除了文中特别加以标注引用的内容外，本论文不包含任何其 他个人或集体已经发表或撰写的成果作品。对本文的研究做出重要贡献的个 人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的法律后果 由本人承担。 作者签名：享1 1 日 日期：王r 年歹月( 6 日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位沦文的规定，同意学 校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查 阅和借阅。本人授权湖南大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关 数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位 论文。 本学位论文属于 l 、保密口，在年解密后适用本授权书。 2 、不保密团。 ( 请在以上相应方框内打“”) 作者签名： 导师签名： 享q 囡 闻唯次 日期：2 加r 年f 月6 日 日期：垆矿年，月肜日 硕士学位论文 第1 章绪论 1 1 国内外微机继电保护技术的发展与现状 继电保护系统是电力系统自动化的重要组成部分，是保证电力系统安全可靠运 行的主要措施之一。在以大机组、大电网和超高压为特征的现代电力系统中，如果 没有专门的继电保护系统，一旦电力系统发生故障，根本不可能维持系统的正常可 靠工作，轻则导致损失负荷，重则发生电网解列，造成大面积停电。因此，继电保 护技术是维护电网安全稳定运行、预防灾难性事故的最基本、最重要、最有效的技 术手段。 始于四十年代的静态型继电器保护经历了半导体、晶体管、集成电路的发展阶 段，己进入微处理机控制为核心的时代p 3 】。计算机技术的飞速发展不仅深入地影 响了科学技术、生产和生活的各个领域，同样也影响到继电保护技术的发展。自六 七十年代计算机保护概念提出后，继电保护装置技术才真正开始进入自动化、智能 化、高性能的新阶段。二十年来，各国都在微机继电保护方面进行了不懈的研究。 国外在微型计算机应用于继电保护方面的研究较早。1 9 6 5 年初，英国剑桥大 学的e g m a c l a r e n 等提出利用采样技术实现输电线路的距离保护。1 9 6 6 年下半年， 澳大利亚新南威尔大学的i e m o r r i s o n 预测了输电线路和变电站采用计算机控制的 前景，包括利用计算机作为继电保护的前景，并进一步进行了计算机式保护的理论 研究，主要研究适用于继电保护的各种算法。1 9 6 9 年前后，美国西屋公司的 g d r o c k e f f e l l e r 等开始进行具体装置的研制，并于1 9 7 2 年发表该装置的试运行样 机的原理结构与现场试验结果，这是第一套比较完整的用于现场的计算机继电保护 样机，它已经具备了计算机保护的基本组成部分【。自7 0 年代初出现大规模集成 电路后，很快就为计算机保护所应用，特别是八十年代，高性能价格比的微处理芯 片问世以来，继电保护技术得到了飞速发展，各种基于微处理器的继电保护装置从 实验室走向现场，使电力系统继电保护产生质的飞跃。微处理器技术的飞速发展使 传统的保护原理得以数字化实现，各种数字信号处理技术被应用于对电网复杂信号 的分析和高速计算，为新的和复杂的保护方法的应用提供了丰富的手段。8 0 年代 国外开始研制发电机及变压器整套微机保护，出现正式商业产品，如s i e m e n s 和 a b b 公司均研制成功微机发电机组全套保护，g e 公司也有微机发电机全套保护问 世。 我国从7 0 年代末就已开始了计算机继电保护的研究，、高等院校和科研院所起 着先导的作用。华中理工大学、东南大学、华北电力学院、西安交通大学、天津大 基于d s p 的多功能微机保护实验装置硬件研究和设计 学、。上海交通大学、重庆大学和南京电力自动化研究院都相继研制了不同原理、不 同形式的微机保护装置。1 9 8 4 年原华北电力学院研制的输电线路微机保护装置首 先通过鉴定，并在系统中获得应用，揭开了我国继电保护发展史上新的一页，为微 机保护的推广开辟了道路。在主设备保护方面，9 0 年代初我国微机主设备( 变压器、 发电机) 保护成套装置开始问世，东南大学和华中理工大学研制的发电机失磁保护、 发电机保护和变压器组保护相继于1 9 8 9 、1 9 9 4 年通过鉴定，投入运行。南京电力 自动化研究院研制的微机线路保护装置也于1 9 9 1 年通过鉴定。天津大学与南京电 力自动化设备厂合作研制的微机相电压补偿式方向高频保护，西安交通大学与许昌 继电器厂合作研制的正序故障分量方向高频保护也相继于1 9 9 3 、1 9 9 6 年通过鉴定。 至此，不同原理、不同机型的微机线路和主设备保护各具特色，为电力系统提供了 一批新一代性能优良、功能齐全、工作可靠的继电保护装置。随着微机保护装置的 研究，在微机保护软件、算法等方面也取得了很多理论成果，可以说从9 0 年代开 始我国继电保护技术已进入了微机保护的时代。 现在我国无论是输电线路保护还是电力主设备保护都有一系列成套实用的微 机保护装置，微机保护装置以其维护调试方便、可靠性高、使用灵活方便、具有远 方监控特性等独有的优势迅速淘汰了原有的集成电路和晶体管继电保护装置，而被 大量采用。在全国电力调度系统“十五”发展计划纲要中提出，继电保护领域大量 应用了微机保护装置，2 2 0 千伏及以上线路微机保护应用率达8 6 ；在安全自动装 置、故障录波装置和继电保护整定计算等方面全面推进微机化；电网故障录波信息 联网正在逐步实现。现在在我国新建的高中压变电站的输变电设备均采用了各种形 式的微机保护装置，而老变电站的输变电设备继电保护改造也采用了微机保护装 置。 1 2 本文研究课题的来源及意义 本文研究课题“基于d s p 的多功能微机保护实验装置”的硬件开发是为湖南 省超高压输变电公司培训中心开发的一套继电保护实验培训系统提供下位机硬件 设备。 近十年来微机保护技术飞速发展，各种不同型号的微机继电保护装置在电力系 统中得到了广泛的应用，但是大量投入运行的微机继电保护装置不允许用来进行实 验、培训。同时随着国民经济的快速发展，电力供需矛盾不断加剧，而电网基础相 对比较薄弱，所以电网停电检修压力与日俱增，继电保护装置定期检修的停电时间 也随之一再压缩，在这么短的停电检修时间内，继电保护运行检修人员不可能很快 熟悉保护装置的性能及内部结构，这样一来他们就需要经过相当长时间的摸索和学 习才能胜任其工作，这对培养担当保网重要角色的继电保护队伍是很不利的，因此 开展行之有效的继电保护培训工作显得至关重要。正是在这样的背景下，湖南大学 和湖南省超高压输变电公司提出了合作研制多功能微机保护实验培训系统，并获省 电力公司立项支持。 针对现有的用于电力系统实验、培训的微机保护实验装置种类少、功能单一的 不足，本装置在系统设计上突破了传统的一套保护装置只能完成一种保护功能的局 限，实现了集多种保护功能于一套实验装置，实验者可分别选择高频保护、距离保 护、母线保护、变压器保护和综合重合闸等多种不同的保护程序，或自行设计保护 算法、编制程序。通过上位机下载到实验装置，从而完成相应的保护功能实验。本 装置的设计参考了南瑞和许继等厂家的产品，无论是在装置面板，还是菜单设嚣及 操作等方面，使得实验装置与现场运行设备更加接近，这样更有利于培训人员接受。 同时实验装置还配有友好的上位机界面，形象逼真，图文并茂，操作简单灵活，实 验过程清晰、直观，另外上位机设置了功能强大的学习帮助软件，详细讲述了一般 的微机保护装置硬件的基本结构、各部分的组成原理和功能，以及保护原理和算法 等等。本装置不仅适用于电力系统技术培训，同样也适用于高校及大中专学校微机 继电保护教学实验。它面向技术和理论，面向实践，具有广泛的应用价值。 1 3 论文所做的工作 基于d s p 的多功能微机保护实验装置的开发是在参考了国内外类似产品以及 本装置上一代产品的结构和功能，并查阅了大量的技术资料的基础上，进行研究和 设计的。本人参与了整个装置的前期研究和设计工作，主要侧重硬件的研究和开发。 本文所做的工作主要包括： 1 简述了国内外微机继电保护技术的发展与现状； 2 研究了整个多功能微机保护实验系统的结构，以实验系统构成之一的微机保 护实验装置为论文研究和设计的主要对象，详述其结构和功能，以及实验装置所用 到的数字滤波与保护算法，并以数字式变压器保护为例，对微机保护的原理进行了 分析； 3 设计了基于d s p 的多功能微机保护实验装置的硬件，并以插件的形式，详 细说明各个硬件电路模块的原理和功能，以及装置所采用的抗干扰技术。实验装置 的硬件电路采用模块化设计，具有结构简单、功能强大、抗干扰能力强、运行可靠 等特点： 4 提出了一种新的在线下载程序的方法，充分利用t m s 3 2 0 l f 2 4 0 7d s p 的片 内3 2 k 字f l a s h 程序存储器可擦写编程特点，通过r s 2 3 2 串口在线引导加载不同 的保护程序到f l a s h 中执行，从而实现了一套实验装置的硬件完成多种不同保护功 能实验； 5 简单介绍了多功能微机保护实验装置的软件。 基于d s p 的多功能微机保护实验装置硬件研究和设计 第2 章多功能微机保护实验系统的结构、功能和原理 2 1 多功能微机保护实验系统的构成 多功能微机保护实验系统操作台主要由多个常规保护继电器、一台多功能微机 保护实验装置、一台微机型继电保护试验测试仪、一台p c 机和一台打茚机构成。 其系统结构图如图2 1 ( a ) 所示。 多功能微机保护实验装置i e 幽 薹匝群 常规继电器j _ t 磊矗 l 信号 a ) 单套系统结构图 b ) 多功能微机保护实验系统操作台 图2 1 多功能微机保护实验系统 1 ) 微机型继电保护试验测试仪：作为整个多功能微机保护实验系统的信号源， 受p c 机控制，用于对电力系统中任意线路或设备正常运行以及故障情况进行模拟， 产生相应的电流、电压信号和开关量信号 4 】。这些信号将送给多功能微机保护实验 装置和常规继电器，同时测试仪还向p c 机传送电流、电压的录波数据、各开关量 变位信息及各保护或重合闸的动作时间数据。 微机型继电保护试验测试仪改变了停留在用移相器、调压器、升流器和滑杆电 阻等调整三相电压、电流的幅值和相位，并配合电压表、电流表、相位表和频率计 等一起对继电保护和自动装置进行调试的传统测试方法，避免了由于传统测试方法 引起的易接错线，劳动强度大、调试周期长，功能单一和不能进行复杂的试验等不 足，从而大大提高了试验测试水平。 2 ) 常规继电器：与微机型继电保护试验测试仪连接，利用测试仪测试各种常规 继电器的特性，为微机继电保护课程的教学实验服务。 3 ) 多功能微机保护实验装置：多功能微机保护实验装置是整个实验系统完成多 功能任务的核心设备，也是本论文研究和设计的重点。通过p c 机下载不同的保护 程序、整定各保护定值、设置参数、查询保护动作报告，和接收微机型继电保护试 验测试仪产生的模拟量和开关量信号，从而完成多种微机保护和测控功能，同时实 硕士学位论文 验装置还负责将保护动作量通过开关量输出反馈回微机型继电保护试验测试仪，以 及将保护和重合闸的动作信息、及各开入量状态上传给p c 机。下文还将对多功能 微机保护实验装置，特别是其硬件部分作详细地研究和分析。 4 ) p c 机：p c 机是实验系统的管理者。它控制微机型继电保护试验测试仪产生 各种实验所需的模拟量和开关量信号，向多功能微机保护实验装置下载程序、整定 保护定值，并接收微机型继电保护试验测试仪和多功能微机保护实验装置上传的信 息。同时在p c 机上还会显示实验界面和实验结果，便于进行各种微机保护实验及 培训。 该系统具有集成度高、结构简洁清晰、占地面积小、投资少等特点。采用通用 性硬件平台，通过从上位机下载保护程序，可完成电流、电压、功率方向等多种继 电保护实验以及自动重合闸、低频减载等多种功能。同时软件采用模块化设计，不 但可以完成单个继电器的特性试验，还可系统集成为微机线路保护综合实验和主设 备微机保护综合试验，不仅适合电力系统调度、变电运行、检修人员进行微机保护 学习培训使用，而且可供高等院校电气工程专业的各类学生实验和教学。 2 2 实验装置的功能和性能特征 2 2 1 实验装置的功能 基于d s p 的多功能微机保护实验装置是针对电力系统投入运行的微机保护装 置不允许用来进行试验培训而设计的，它可使参加实验培训的人员在动手操作实验 的基础上，迅速、全面地掌握微机保护装置硬件构成、保护算法原理、保护之间的 配合和配置原则等相关知识，清楚地了解保护的动作过程，并能下载自编的保护程 序。本装置可实现的功能具体有： 1 实验功能 本装置硬件通用性强，可灵活下载软件，通过在同一硬件平台上下载各种不同 的保护和监控软件，来完成多种保护实验。 i 数字继电器特性实验：对单个继电器进行动作值整定和特性测试，在上位机 实验界面上显示继电器动作信息、故障波形，以及继电器动作演示。其中保护定值 整定既可在下位机面板上就地设定，也可在上位机设定后下载到多功能微机保护实 验装罱中。可进行的继电其特性实验包括：差动继电器( 差动电流继电器、比率制 动式差动电流继电器) 、阻抗继电器( 圆特性阻抗继电器、方向性多边形阻抗继电器) 以及安全自动装置继电器实验。 i i 输电线路综合实验：1 1 0 k v 及其以上超高压线路保护( 高频保护、距离保护、 零序电流、重合闸功能) 。 i i i 主设备保护实验：变压器保护( 差动电流速断、二次谐波制动、比率制动、 复合电压闭锁方向过流保护、零序方向过流保护等) 、电容器保护、母线保护( 单相 硕士学位论文 验装置还负责将保护动作量通过开关量输出反馈回微机型继电保护试验测试仪，以 及将保护和重合闸的动作信息、及各开入量状态上传给p c 机。下文还将对多功能 微机保护实验装置，特别是其硬件部分作详细地研究和分析。 4 1p c 机：p c 机是实验系统的管理者。它控制微机型继电保护试验测试仪产生 各种实验所需的模拟量和开关量信号，向多功能微机保护实验装置下载程序、整定 保护定值，并接收微机型继电保护试验测试仪和多功能微机保护实验装置上传的信 息，同时在p c 机上还会显不实验界面和实验结果，便于进行各种微机保护实验及 培训。 该系统具有集成度高、结构简洁清晰、占地面积小、投资少等特点。采用通用 性硬件平台，通过从上位机下载保护程序，可完成电流、电压、功率方向等多种继 电保护实验以及自动重合闸、低频减载等多种功能。同时软件采用模块化设计，不 但可以完成单个继电器的特性试验，还可系统集成为微机线路保护综合实验和主设 备微机保护综合试验，不仅适合电力系统调度、变电运行、检修人员进行微机保护 学习培训使用，而且可供高等院校电气工程专业的各类学生实验和教学。 2 2 实验装置的功能和性能特征 2 2 1 实验装置的功能 基于d s p 的多功能微机保护实验装置是针对电力系统投入运行的微机保护装 置不允许用来进行试验培训而设计的，它可使参加实验培训的人员在动手操作实验 的基础上，迅速、全面地掌握微机保护装置硬件构成、保护算法原理、保护之间的 配合和配置原则等相关知识，清楚地了解保护的动作过程，并能下载自编的保护程 序。本装置可实现的功能具体有： 1 实验功能 本装置硬件通用性强，可灵活下载软件，通过在同一硬件平台上下载各种不同 的保护和监控软件，来完成多种保护实验。 i 数字继电器特性实验：对单个继电器进行动作值整定和特性测试，在上位机 实验界面上显示继电器动作信息、故障波形，以及继电器动作演示。其中保护定值 整定既可在下位机面板上就地设定，也可在上位机设定后下载到多功能微机保护实 验装嚣中。可进行的继电其特性实验包括：差动继电器( 差动电流继电器、比率制 动式差动电流继电器) 、阻抗继电器( 圆特性阻抗继电器、方向性多边形阻抗继电器) 以及安全自动装置继电器实验。 讧输电线路综合实验：1 1 0 k v 及其以上超高压线路保护f 高频保护、距离保护、 零序电流、重合闸功能1 。 缸主设备保护实验：变压器保护( 差动电流速断、二次谐波制动、比率制动、 复合电压闭锁方向过流保护、零序方向过流保护等) 、电容器保护、母线保护( 单相 复合电压闭锁方向过流保护、零序方向过流保护等) 、电容器保护、母线保护( 单相 硕士学位论文 验装置还负责将保护动作量通过开关量输出反馈回微机型继电保护试验测试仪，以 及将保护和重合闸的动作信息、及各开入量状态上传给p c 机。下文还将对多功能 微机保护实验装置，特别是其硬件部分作详细地研究和分析。 4 ) p c 机：p c 机是实验系统的管理者。它控制微机型继电保护试验测试仪产生 各种实验所需的模拟量和开关量信号，向多功能微机保护实验装置下载程序、整定 保护定值，并接收微机型继电保护试验测试仪和多功能微机保护实验装置上传的信 息。同时在p c 机上还会显示实验界面和实验结果，便于进行各种微机保护实验及 培训。 该系统具有集成度高、结构简洁清晰、占地面积小、投资少等特点。采用通用 性硬件平台，通过从上位机下载保护程序，可完成电流、电压、功率方向等多种继 电保护实验以及自动重合闸、低频减载等多种功能。同时软件采用模块化设计，不 但可以完成单个继电器的特性试验，还可系统集成为微机线路保护综合实验和主设 备微机保护综合试验，不仅适合电力系统调度、变电运行、检修人员进行微机保护 学习培训使用，而且可供高等院校电气工程专业的各类学生实验和教学。 2 2 实验装置的功能和性能特征 2 2 1 实验装置的功能 基于d s p 的多功能微机保护实验装置是针对电力系统投入运行的微机保护装 置不允许用来进行试验培训而设计的，它可使参加实验培训的人员在动手操作实验 的基础上，迅速、全面地掌握微机保护装置硬件构成、保护算法原理、保护之间的 配合和配置原则等相关知识，清楚地了解保护的动作过程，并能下载自编的保护程 序。本装置可实现的功能具体有： 1 实验功能 本装置硬件通用性强，可灵活下载软件，通过在同一硬件平台上下载各种不同 的保护和监控软件，来完成多种保护实验。 i 数字继电器特性实验：对单个继电器进行动作值整定和特性测试，在上位机 实验界面上显示继电器动作信息、故障波形，以及继电器动作演示。其中保护定值 整定既可在下位机面板上就地设定，也可在上位机设定后下载到多功能微机保护实 验装罱中。可进行的继电其特性实验包括：差动继电器( 差动电流继电器、比率制 动式差动电流继电器) 、阻抗继电器( 圆特性阻抗继电器、方向性多边形阻抗继电器) 以及安全自动装置继电器实验。 i i 输电线路综合实验：1 1 0 k v 及其以上超高压线路保护( 高频保护、距离保护、 零序电流、重合闸功能) 。 i i i 主设备保护实验：变压器保护( 差动电流速断、二次谐波制动、比率制动、 复合电压闭锁方向过流保护、零序方向过流保护等) 、电容器保护、母线保护( 单相 基于d s p 的多功能微机保护实验装置硬件研究和设计 差动) 。 2 测量、谐波分析 实时测出三相电压、三相电流、频率、有功功率、无功功率、功率因数等电气 量，用波形图显示三相电压和三相电流；还可进行谐波电压和谐波电流分析。 3 通信联网功能 装置具有灵活的通信功能，可直接与p c 机进行r s 2 3 2 串行通信，装置可以根 据上位机的指令有选择的计算测量电气量，并将测得的电气量及事故时所记录下的 故障前后以及跳闸前后的信息上传给上位机，还可实现上位机对装置的远方控制， 其中包括远方修改保护的整定值、保护局部或全部功能的投、退。 装置还具有联网功能，配置了高速r s 4 8 5 总线和c a n 现场总线，在规定一定 的通信协议后，即可联入r s 4 8 5 或c a n 通信网络，由多套装置组成变电站综合自 动化实验系统。 4 教学培训功能 多功能微机保护实验装置采用大屏幕l c d 中文菜单和图形显示，可容纳丰富 的信息量，电气一次图、实时监测的电气量、电压波形、电流波形、故障类型、保 护动作信息都可以清晰地显示在屏幕上，通过实际操作人机对话面板上的薄膜按键 来进行教学实践。同时，除了可进行装置硬件部分操作培训外，装置还配备相应的 上位机软件，它结合各种实验，提供了丰富的教学培训内容。软件的帮助文件中细 述了微机保护装置硬件的基本结构、各组成部分的原理和功能，并以多功能微机保 护实验装置为例对其硬件和软件系统进行研究。教学培训软件还着重介绍了多功能 微机保护实验装置中所涉及到的保护算法以及一些新型的保护原理和算法，以提高 受训人员的理论知识水平。为使实验者清楚地了解电力系统工程实际中继电保护及 安全自动装置的应用和技术要求，依据继电保护和安全自动装置技术规程 ( d l 4 0 0 9 1 ) 阐述了电力系统中电力设备和线路的保护和安全自动装置的配置原则， 本装置所有的实验项目也都是依据这些原则设置的，因此受训人员可以结合实验迅 速、全面地理解和掌握这些规程 5 】。 2 2 2 实验装置的性能特征 考虑到d s p 具有运算速度快、内存大等特点，硬件采用双d s p 的模块化设 计，保护d s p 独立采样，并完成所有的数字滤波、保护算法和出口逻辑，而监控 d s p 完成装置的总起动、人机界面和后台通信。 监控d s p 内设总起动元件，只有总起动元件动作才能开放出口继电器正电 源，完成装置的总起动，从而真正保证了任一器件损坏不致引起保护误动。 充分利用d s p 片内f l a s h 的在应用编程0 a p ) 功能，通过下载不同的保护和 监控软件来实现用一套保护实验装置硬件完成多种不同保护功能实验。 硕士学位论文 友好的人机接口、汉字显示。 灵活的后台通讯方式，配有r s 2 3 2 c 通信接口、r s 4 8 5 通信接口和c a n l 3 u s 接口。 硬件设计上采用多种抗干扰技术，强弱电严格分开，大大提高装置的抗干扰 能力。 2 3 实验装置的原理分析 2 3 1 数字滤波和继电保护算法 2 3 1 1 非递归数字滤波器( f i r 滤波器) 高速继电保护装置都工作在故障发生后的最初瞬变过程中，而此时的电压和 电流信号由于混有衰减直流分量和复杂的谐波成分而发生严重的畸变嘲。目前大多 数保护装置的原理是建立在反映j 下弦基波或某些整数倍谐波基础之上，所以滤波器 是继电保护装置的关键器件。本装置中主要采用的是数字滤波器。所谓数字滤波器 通常是指一种程序或算法，在微机保护中，数字滤波器的运算过程可用常系数线性 差分方程( 2 1 ) 来描述，即 y ( 行) = a j x ( n - i ) + b ，y ( n - j ) ( 2 1 ) i = 0 j = 0 式中x ( 玎) 、y ( 叻一数字滤波器的输入值和输出值序列： 口、b 一数字滤波器系数。 通过选择数字滤波器系数a i 和6 ，可滤除输入信号序列x ( n ) 中的某些无用频率 成分，使数字滤波器的输出序列y ( n ) 能更明确地反映有效信号的变化特征。在式( 2 1 ) 中，系数b 全部为0 时，称之为非递归数字滤波器( f r o 滤波器) 。非递归数字滤波 器的现行输出y ( m 仅与现行输入及其前行输x x ( n i ) 有关，而与前行输出y 一j ) 无 关，因而该滤波器具有滤波速度确定、数据窗明确、滤波稳定的特点。当短路故障 发生后，经过滤波算法确定的数据窗时间，不需要短路故障前的数据，即不需要历 史资料，因此，非递归数字滤波器在微机保护中获得广泛应用。常用到的有差分( 减 法) 滤波、积分滤波等，这里仅介绍本装置中使用的差分滤波器。 差分滤波器的差分方程为 y ( 挖) = x ( 叻一x ( n 一七)( 2 2 ) 经过差分滤波后，输入信号中的直流分量以及频率为警z 和i n z 的整次倍谐波 分量将完全滤除。差分滤波器的主要作用是： ( 1 ) 抑制故障信号中的衰减直流分量的影响。差分滤波器的突出优点之一是完 全滤除输入信号中的恒定直流分量，即使对衰减的直流分量( 非周期分量的主要成 基于d s p 的多功能微机保护实验装置硬件研究和设计 分) 也有良好的抑制作用。为了减少算法数据窗，加快计算速度，装置使用的差分 滤波器k = 1 。但需要指出的是，差分滤波器对故障信号中的高频分量有一定的放 大作用，因此采用将差分滤波器与傅氏算法相配合的方式，这样才能保证在故障信 号同时含有衰减直流分量和其他高频分量时，仍具有良好的综合滤波效果。 ( 2 ) 提取故障信号中的故障分量。在式( 2 - 2 ) 中，若将k 值取为n ，滤波方程为 y ( n ) = 工( 竹) 一x ( n 一)( 2 3 ) 于是滤波器可滤除直流、基频及所有整次谐波分量。这样，当电力系统正常运 行时，滤波器无输出，y ( n 1 = 0 ，而发生故障时，在故障后的第一个基频周期内，输出 量y ( 功为故障信号中的故障分量。根据这一特点，差分滤波器常用来实现故障的检 测元件、选相元件以及其他利用故障分量原理构成的保护网。 2 3 1 2 傅氏算法 设被采样的模拟信号z ( f ) 是一个周期性时间函数，除基波分量外还含有各整次 谐波和不衰减的直流分量，则x ( t ) 可表示为 z ( r ) = 【口 s i n ( ；t w l f ) + 6 zc o s ( 2 c 0 1 f ) 】 ( 2 4 ) 式中2 一自然数，五= o ，1 ，2 ，； a 。、一分别为各次谐波( 包括基波) 正弦项和余弦项的振幅，6 0 是直流分量值。 按傅氏级数原理，a 。、b 。可表示为 = 吾r x ( f ) s i n ( 丑。，) 西 ( 2 5 ) 咖吾知) c 。s ( 2 c o 。t ) d t ( 2 6 ) 其中，是x p ) 的周期。当五= l 时，a 。、b l 就是基波正弦项、余弦项的幅值，于 是x ( r ) 中的基波分量x 1 ( t ) 为 x 1 ( t ) = a is i n ( c o l t ) + b ic o s ( c o l t ) = 4 2 x is i n ( c o l t + 0 1 )( 2 7 ) 其中x 。是基波分量的有效值，0 1 是t = 0 时的初相角。将上式用和角公式展开， 就可得到 a l = 4 2 x ic o s 0 i( 2 8 ) b l = 4 2 x 。s i n 0 1( 2 9 ) 再根据a 。和b 。，求出基波有效值鼻。和初相角b 8 硕士学位论文 2 x ：= a ；+ 砰 ( 2 1 0 ) t g o l = u j _ i f 2 1 1 ) 口1 同理，当丑= n ( n 为除l 以外的自然数) 时，根据a 。和b 。就可求出玎次谐波分量 的有效值和初相角。例如在变压器保护的二次谐波制动元件中，就是利用傅氏算法 来求2 次谐波分量的有效值和初相角的。 在用微机计算。a 和b l 时，通常采用有限项方法算得，即将工o ) 用各莱样点数值 代入，通过梯形法求和代替积分法来求式( 2 5 ) 、( 2 6 ) 的积分值，即 铲昙鼢净咄争 ”专善娴c o s ( 庀等) ( 2 1 3 ) 式中一一个工频周期采样点数 x ( k ) 一x ( t ) 在时刻的采样值 可以看出，傅氏算法实际上是通过同时获取相隔9 0 。的a 。、b l ( 口，超前b l 相角 9 0 。) 计算出基波分量的有效值和相位，其时间窗长度是一个基频周期，故该算法 又称为全周傅氏算法。当输入信号为周期性信号时，傅氏算法可以准确地求出输入 信号的基频分量。但在实际故障情况下，故障信号通常不是呈周期性变化，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，这样一来，采用傅氏算 法进行计算会产生一定误差。 根据对傅氏算法幅频特性的分析可知傅氏算法除了完全滤去输入信号中的整 数次的高次谐波外，对于其他的非整次( 分次) 谐波，虽然不能完全滤除，但仍有一 定的抑制作用。其中对高频分量的滤波能力相当强，即使不采取措施，一般也能保 证良好的计算精度。而对于低频分量( 主要由衰减的非周期分量产生) ，算法的滤波 效果相对较差。但事实上在电力系统发生故障后的电磁暂态过程中，电压电流信号 均有较大的衰减非周期分量，本文针对这一问题，提出的解决方案是在傅氏算法计 算前进行一次差分滤波y ( 以) = x ( 胛) 一x ( n 一1 ) ，以削弱非周期分量的影响8 1 。 2 3 1 3 短数据窗移相算法 这里介绍的是短数据窗移相算法是移相算法的一种，这种算法不仅移相角度可 以任意调整，同时数据窗较短。设电流以及超前口角的电流分别是 f ( f ) = ，。s i n ( 耐+ 0 ( ，) = i 。s i n ( 耐+ 0 + 口) ( 2 1 4 ) 佗1 5 ) 基于d s p 的多功能微机保护实验装置硬件研究和设计 用相量表示为、。令砸一t ) = i ms i n ( 耐+ 0 一蝇) ，正为一个采样间隔时间， 2 丌 以相量表示该时刻电流为不，即；互，n 为一个采样周期的采样点数。j 、 ，。三者之间的关系如图2 2 所示。 f z墅 a ) 超前运算 b ) 滞后运算 图2 2 移相运算时的相量图 图中l = a i - b k ( 其中拉、b 为系数) ，则在图2 2 ( a ) 中由，。、a i 、b l 。组成的 三角形中，有 鸯掣i i a l 巧l i s i n a 2sin s i n ( ( 2 1 6 ) 一= l ，l h i z 石，万、 万一口一) nn 。 计及i li = l l ，得到系数口、b 为 一洲争 口2 互产 锄万 6 ：s i n _ ( a ) z 万 s m 一 f 2 1 7 ) r 2 1 8 ) 采样频率一定后，根据要求超前的相角口，系数日、b 可先离线计算得到。因 此屯( f ) 又可写为屯0 ) = a i ms i n ( c o t + 口) 一岷s i n ( o ) t + 日一出z ) ，于是 ( 珂) = a i ( 叻一b i ( n 一1 )( 2 1 9 ) 硕士学位论文 这样一来，可通过相邻两个改f ) 的采样值来获得超前相角t 2 的电流采样值，实 现超前移相运算。移相后的电流幅值保持不变，相角口可取任意值，时间窗长度只 要一个采样间隔时间z 。 同理，由图2 2 可得到滞后移相算式为 f 。( 开) = a i ( n ) 一b i ( n + 1 ) ( 2 2 0 ) 其中系数、b 表示式与式( 2 1 7 ) 、( 2 1 8 ) 相同。 2 3 1 4 序分量计算方法 电力系统发生短路故障( 包括元件故障) 时，一般情况下会产生零序分量、负序 分量、正序分量的电流和电压。对于正序分量来说，其中包含负荷正序分量在内。 因此，序分量电流、电压的出现( i e 序分量中应去除负荷正序分量) 可用来反映短路 故障或不正常运彳亍工况 9 1 。 t 零序电流的计算方法 零序电流可从三相电流获取，算式为 3 i o ( 行) = i a ( 玎) 十i b ( n ) + t ，( 胛)( 2 2 1 ) ( ”) 、i 。( n ) 、t ( 行) 一正弦工频电流采样值( 滤波后获得) 零序电流也可从三相电流互感器二次侧中性线中直接获取。为避免暂态中不平 衡电流的影响，可通过差分算法、傅氏算法后求出3 f n 的有效值。 2 负序电流的计算方法 在己知，。、j 。、j f 的情况下计算出负序电流值。因负序电流计算时，需将，。、 k 移相，所以通常有两种计算方法。 ( 1 ) 以相量方法计算负序电流 负序电流的表示式为 3 1 2 = j 4 + j 日e 一1 2 0 + i ce 一2 4 矿 f 2 2 2 ) 相量方法计算负序电流是指先将三相电流进行滤波取出正弦量，而后移相滤序 实现负序电流的计算。通常情况下，采用傅氏算法求取三相电流的实部、虚部，可 得到以相量方法获取负序电流的实部、虚部，见式( 2 。1 2 ) 、( 2 1 3 ) ，可将式( 2 2 2 ) b 1 ： 为算式 ( 3 ：) 。= 万2 白n “梆i 七等) + 善如( 啪i ( 七百2 n - + 了2 n ) + 善f c ( s i n ( 七百2 r 一了2 ；, r ) ) ( 2 _ 2 3 ) 基十d s p 的多功能微机保护实验装置硬件研究和设计 (