（电力系统及其自动化专业论文）微机继电保护测试装置的算法研究及实现.pdf

西华大学硕士学位论文 a b s t r a c t t h i s p a p e r i n t r o d u c e st h e c u r r e n tc o n d i t i o n s a n d d e v e l o p m e n t s o f m i c r o c o m p u t e r b a s e dp r o t e c t i o nt e s t i n g i n s t r u m e n t sa n dt h ec u r r e n tp r o b l e mf r o m e x p l o i t i n gt h ep r o d u c t a s p e c t a n ds o m ep r o b l e m s a r eg i v e nt h es o l u t i o n a tt h es a m e t i m e ，t h ew o r kp r i n c i p l ea n d t h es y s t e mc o n f i g u r a t i o na r ei n t r o d u c e dp a r t i c u l a r l ya l s o t h e p a p e re x p a t i a t e s o nt h eb a s i cm a t h e m a t i c sm o d e la n dk e r n e la r i t h m e t i ca n d b r i n g sf o r w a r d t h ed e s i g ns c h e m ea m o n gt h ee v e r yo b j e c te x p e r i m e n t i nt h i sr e s e a r c h ，t h ep r e s e n tf a u l tt h e o r yi sm a d es i m p l y f u r t h e r m o r e ，s e v e r a l m o d e l sa r eb r o u g h tf o r w a r di n c l u d i n gt h em o d e lo f s y s t e mi m p e d a n c e i n v a r i a b l e n e s 、 t h em o d e lo fs h o r tc u r r e n ti n v a r i a b l e n e sa n dt h em o d e lo fs h o r tv o l t a g ei n v a r i a b l e n e s a n dg i v et h ee s t a b l i s h e dc o u r s eo f e v e r ym o d e l t h ea r i t h m e t i co ft h ec u m u l a t i n ge r r o rv i ac h a n g i n gt h ei n i t i a lv a l u eo ft i m e ro n s y n t h e s i z i n gs i g n a l m e t h o di sp u tf o r w a r d t h er e l a t i o nb e t w e e nt h eh a m m n i co u t p u ta n dt h eb a s i cw a v eo u t p u to f ft h e m e t h o do fs y n t h e s i z i n gh a r m o n i cs i g n a li sd i s c u s s e dp a r t i c u l a r l ya n dt h ea r i t h n m t i c r e a l i z a t i o ni sg i v e n t h ei n t e r r u p tm o d ei nt h ec o m m u n i c a t i o n sm e t h o do fs e r i a li n t e r f a c ea n dt h e a r i t h m e t i cr e a l i z a t i o no f r e c e i v i n ga n ds e n d i n gb u f f e ra r ed i s c u s s e dm i n u t e l y t h ep a p a ra n a l y z e sa n dd i s c u s s e st h ep r e s e n tp r o b l e mo f m i c r o c o m p u t e r b a s e d p r o t e c t i o nt e s t i n gi n s t r u m e n t s i te x i s t st h ei m p o r t a n ts i g n i f i c a t i o nt ot h ep l o t e c t i o n t e s t i n gi n s t r u m e n t si nt h ef u t u r e t h ep a p a ro f f e r st h es t a t e df o u n d a t i o nf o r i n v e s t i g a t i n g t h e p r o t e c t i o nt e s t i n g j n s t r u m e n t st o m o r r o w k c vw o r d ： p r o t e c t i o n t e s th a r m o n i c s e r i a li n t e r f a c e i n t e n u p t c o m m u n i c a t i o n 堕兰查堂婴主堂堡堡兰 第一章绪论 第一节继电保护测试装置的现状与发展 在我国，继电保护的应用己有8 0 多年的历史，但就其试验和测试来说，长期 使用经麒的电气测量方法和常规电工仪表。近年来，随着我国电力工业的迅速发 展，新型继电保护装置特别是微机型继电保护得到广泛使用，对测试技术提出了 更高的要求，正在逐渐形成有别于一般电气测量的专门技术领域继电保护测 试技术。国内外的科研单位、电力系统及其相关产品的生产厂家纷纷投入大批的 科研力量，相继研制出多种新型的继电保护测试装置。采用计算机实现故障再现、 实时仿真、自动测试等先进技术的数字式继电保护试验装置已经成为电力系统的 生产、调试、运行以及科研等部门不可缺少的专用设备，随着计算机、数字仿真 及微电子技术的发展，数字式暂态试验系统发展迅速，它的发展方向大致可以分 为两类：一类是朝着功能强大、实时仿真的方向发展。另一类是朝着轻巧便携、 专用系统的方向发展。 1 1 继电保护测试技术的发展动力 1 1 _ l 继电保护的发展促进了保护测试的发展 新型继电保护装置特别是数字式保护和安全自动装置已得到广泛的推广应 用。在对这些设备检验的过程中，已逐步屏弃传统试验方法而引进新的试验手段， 涉及计算机自动测试、数字仿真、微电子、大功率器件等先进技术的微机型继电 保护试验装置己成为继电保护测试领域必不可少的专用设备。 1 1 2 新技术的发展促进了保护测试技术及测试装置的发展 随着计算机芯片和电子器件技术的高速发展，高性能运放i g b t 、m o s e f t 等高 速、全控型器件的广泛应用以及逆变电源技术的飞速发展，使一些新的测试技术 以及数字仿真技术的实现成为可能。 1 2 采用新的测试技术的意义 1 2 l 提高工作效率 先进的测试技术和测试手段的应用，不断的使测试工作变得方便快捷，从而 大大的提高了测试工作的效率。 1 2 2 对产品的整体性能更全面、深入的了解 应用新的测试技术和测试设备，能够更加真实的模拟系统状况，检验继电保 西华大学硕士学位论文 一 护装置在各种复杂情况下的运行状况和动作特性a l ，2 ，3 避免在实际应用中的损失 新技术的应用，使测试装置具有很强的综合分柝和判断能力，几乎就是一个 智能专家系统，因此极大的提高了测试工作可靠性。避免在实际中由于人为的疏 忽造成的损失。 1 3 继电保护测试的发展历程 1 3 1 模拟式继电保护测试装置 2 0 世纪7 0 、8 0 年代我国使用的模拟式测试台，主要由各种模拟设备、仪表连接 而成，精度低、体积大、重量沉、操作繁琐，现场使用极不方便，现基本被淘汰。 1 3 ，2 微机型继电保护测试装置 2 0 世纪8 0 年代后期，出现了内置c p u 、无后台p c 计算机控制的测试装嚣。由于 单片机计算能力的限制该类装置界面不够友好：数学模型简化、故障数据产生 方式简单；输出精度不高；输出信号频率带宽较窄。 1 3 3 基于后台计算机控制的测试装置 测试装置和后台计算机通过并口连接采用“微机+ 智能控制放大电路”的整 体设计方案，故障数据的产生、控制由后台计算机完成。软件方面具备手动、自 动测试各种类型继电器的定值和特性，还可进行高压线路保护装置的整组试验， 模拟各种类型的瞬时、永久及转换性故障的暂态过程和模拟开关跳闸及重合全过 程的功能，另外还具有模拟系统振荡功能。另外，功率放大器的输出端都没有变 压器，可以真实地仿真突然短路时的非周期电流，能放大各种暂态波形，可以考 验保护设备在短路暂态过程中的工作性能：是目前我国的主流机型。但是由于并 口传输速率的限制，测试装置的精度和暂态特性受到一定影响，并且这种设计方 案只能被限制在d o s 下运行。 1 3 4 单c p u 、有后台计算机的测试装置 特点为人机界面友好，w i n d o w s 界面；测试装置和后台计算机之间通过串口或 网络连接，故障数据产生方式简单、模型简化；输出精度高：输出信号频率带宽 指标高；开放性好、功能强。 l _ 3 5 基于多c p u 、d s p 技术的实时继电保护测试系统 高性能信号处理器d s p ( d i g i t a ls i g n a lp r o c e s s o r ) 与后台计算机构成主从式 计算机系统。( p c 机用作人机界面，控制仿真运行及实时数据处理等，d s p 进行实 时解算系统模型、i o 输入输出处理等) 。可以实现电力系统的实时仿真。通过缳 2 堕兰查竺堕主兰些笙兰 护装置、自动重合闸、操作箱、模拟断路器的完全闭环，实现对继电保护装置的 动态测试。 1 3 6 基于专用硬件平台的多d s p 并行系统 该结构是继电保护测试装置未来发展的方向。可以建立高精度的各种电力系 统元件的数学模型，通过d s p 强大的运算能力，和多d s p 的相互配合，模拟复杂电 力系统的运行状况，从而实现对继电保护装置的全面闭环测试。 1 4 继电保护测试技术及测试装置的现状 不同用户在不同场合对继电保护测试技术和测试系统的要求是不同的。先进 的微机型继电保护测试装置基本上可以满足大多数用户的需要，分下面两类情 况。 1 4 1 静态模拟试验 静态的输出故障电压、故障电流等故障信号。目前的微机型继电保护测试装 置可以胜任。 1 4 2 动态模拟试验 对故障暂态过程模拟的真实程度、是否引入保护的动作信号、测试保护的类 型作为其性能指标，分下述情况。 ( 1 ) 对故障暂态过程模拟的真实程度 a 只考虑基波及较低频率分量。可以通过简化的数学模型计算得到。 b 考虑较高次频率分量、发电机和负荷动态特性、输电线路分布参数等因素时， 模型比较复杂。如要考虑闭环保护动作信号，动模能够满足要求。 ( 2 ) 动作信号的返回 a 开环试验。模拟系统不随保护动作情况的变化而相应变化；实时性要求不高， 常用故障录波或e m t p 等高级离线仿真软件产生故障数据并回放。 b 闭环试验。模拟系统随保护动作情况的变化而相应变化；能够真实模拟实际 电力系统的运行状况，可很好的测试继电保护装置的动作特性。 ( 3 ) 实时性要求较高的被测试保护的类型 a 线路保护测试。故障暂态模拟比较精确，测试手段比较完善。 b 元件保护测试( 发电机、变压器内部故障测试) 。参数计算比较复杂电流、频 率以及电动势之间的角位移等等；电磁过程比较复杂。 大多数继电保护试验( 如静态试验、只考虑基波和较低频率分量的动态模拟 试验) 可以由微机型继电保护测试装置来完成。对于精度要求高、保护信号闭烁 3 西华大学硕士学位论文 返回的情况，需要利用动模试验等先进的数字实时仿真器进行测试。 继电保护生产和运行单位的大部分试验是简单的静模和动模试验，微机型继 电保护测试装置完全可以胜任继电保护设备的生产测试以及继电保护应用部门 的现场定期年检的需要，受到广泛认可和欢迎。 这类设备体积小，重量轻、携带方便、使用方便且高度自动化。一套装置既 可进行各种保护的测试、仪表的校准，无须携带多种设备。 第二节继电保护测试装置目前需要解决的问题及解决方案 2 1 测试信号的产生及处理 大部分国产数字式继电保护测试装置的电压、电流信号由计算机产生，通过 并口或总线同时送到测试装置。利用计算机强大的运算功能可以完成一些复杂的 数学运算。实现一些复杂的试验过程，如叠加按时问常数衰减的非周期分量、简 单的暂态仿真试验等。另外，利用计算机巨大的存储空间还可以实现长过程的 故障再现及离线数学仿真。 这种方式的缺点是，由于计算机计算速度有限，使得每周波的离散数据点数 不能太多，一般在1 5 0 点左右。由于大量的计算和输出控制任务是通过计算机来 完成，使计算机忙于大量的计算和控制任务中，造成计算机处于“只讲( o n l y t a l k i n g ) ”状态，没有时间对测试装置输出的电压和电流进行实时临控。当电流 回路开路或过载时，计算机并不清楚测试装置电流输出的异常情况而仍在运行， 只有试验人员分析了最终结果后，才能发现问题。因此具备闭环的实时测试系统， 对于被试保护装置的测试精度和测试装置自身的安全都是必不可少的，具有实时 监视和完善的自检及异常工况报警功能，是国产继电保护测试装置近期亟待研究 解决的重大课题。 假设计算机每工频周波输出的数据点为1 0 0 点，用5 k h z 采样频率，根据采样 定律，信号的低通滤波器的截止频率可以取到2 5 k h z 。虽然有2 5 k h z 自9 z 号带宽， 但由于低通滤波器的幅频特性不是特别平坦实际上对= f = 1 5 0 h z 及以上的信号随 着频率的升高其幅值明显降低。所以要在有用的信号频带内保持非常好的幅频 特性和相频特性，唯一的办法是增加每周波数据点数，提高低通滤波器的截止频 率。 在一定的采样频率下，小信号精度主要与d a 转换位数有关系。对于满量程 4 塑竺查堂婴主兰竺兰兰 为3 0 a ( 交流有效值) ，如果采用1 2 位d a 其量化误差约为6 m a ：采用】6 位时则只 有0 4 m i ，对于0 1 a 输出电流其误差分别为6 f 0 4 。通过对离散信号的傅旱 叶分析，采用1 2 位d a ，在0 1 a 的输出电流中含有一定成分的5 0 0 h z 、1 5 0 0 h z 等 谐波信号。而采用1 6 位d a ，在0 1 a 电流中所包含的谐波信号在5 k h z 以上，这些 谐波完全可通过低通滤波过滤掉。另外，小信号的精度问题也可采用信号分档的 办法得到解决。例如，对于满量程为3 0 a 的测试装置，可以将其输出在6 a 的地方 分为两档，当输出电流值小于6 a 时，通过软件在试验之前自动切换到低档。当输 出电流值大于或等于6 a 时则采用高档位。采用分档的方法可以极大地提高信号分 辨率、减少量化误差。 2 2 暂态特性 近年来，使用暂态分量作为判据的保护装置逐步增多，在试验中需要模拟和 确定电流变化率( d i d t ) 、电压变化率( d r d r ) 、频率变化率( d f d t ) 和短路 阻抗( z ) 的数值大小。所以，对测试装置所输出的突变量上升速率即测试装置 的暂态特性提出了更高的要求。电压、电流上升速率过慢将使第一个周波的波形 产生较大的失真，因而不能准确控制合闸角，严重时甚至直接影响到以突变量为 判据的保护以及快速保护的调试。 2 3 电源电压自动跟踪技术 对于所带负载较大或需要较大的试验电流( 如故障再现) 的继电保护装置的调 试，为了使测试装置输出的电流不失真，要求功放级的直流电源电压必须足够大， 以保证测试装置一定的带载能力。但如果电流功放级的直流电源电压按最高要求 设计，那么在小于i o a 的长期工作电流下，消耗在功放管上的压降将过大，功放 管的散热及可靠性问题将变得十分突出。因此，有必要采用电源电压自动跟踪技 术，当电流端口上的电压降低或开商时，电流功放的直流电源电压自动跟随降低 或升高。这样，既保证了较大负载下输出电流不至于失真，又使较小负载下的管 耗不至于过大。在测试装置中采用高效的开关电源技术将极大地降低电源回路的 时间常数，提高电压和电流的响应速度。 2 4 计算机操作系统及程序语言的选择 w i n d o w s 以其丰富致的图形用户界面、强大的系统资源、简单灵活的操作 方式已广泛被用户所使用，因此，采用w i n d 。w s 操作系统，用户可以充分利用 w i n d o w s 的系统资源。目前大部分国产继电保护测试装置是采用中断来实现的定 时输出方式，而w i n d o w s 则是非抢先式多任务系统，不具备实时性。仅仅领先系 耍兰奎兰望主兰垡堡兰一 统资源并严格遵守既定的w i n d o w s 规范及消息驱动机制是无法进行实时系统开发 的。只有依靠测试装置本身的高速微处理器或多c p u 并行处理进行数据运算和实 时控制，才能取消p c 机的中断工作机制。这样计算机的控制和数掘采集就可用 w i n d 。w s 操作系统，使测试装置的应用软件上升到w i n d o w s 的使用平台上。 2 5 软件设计思想 测试装置的测试软件，应为用户提供以下三种测试模式： ( 1 )标准测试模式。用在某种未知特性的保护装置测试中，按常规保护的典 型持性对其进行测试。 ( 2 )专用测试模式。是专门用于由保护生产厂家提供的经运行单位确认的专 用测试模块。如w x b 一1 1 或l f p 一9 0 1 等保护产品的专用测试模块。试验人员只需 输入些必要的试验条件和保护整定值，即可自动对保护进行全面检测。 ( 3 ) 自定义( 可编程) 测切模式。用于一些不常用的或是有特殊需要而自行编 程组合的测试方式。这种测试模块中包含为试验人员提供绘制特性曲线的：【具。 另外。还应汇集有较为典型的保护装置的测试模板，对其试验参数和试验条 件不需修改或只要做很小的修改即可对保护装置进行测试。这样，可大大提高测 试人员的工作效率，同时减少试验参数和试验条件设置时人为因素造成的误差。 2 6 试验报告的规范化管理 为了适应不同单位管理方面的要求、测试数据应能调入w o r d 、e x c e l 和f o r p r 0 等文字处理、电子表格和数据库等常用软件，对测试数据进行再处理。在试验报 告的数据库中应汇集有发、供电部门提供的标准的试验报告格式，当用户选择了 其中的一种格式，测试完成后，试验数据自动存入数据库，并自动生成所选定记 录格式的试验报告。 2 7 建立特殊仿真数据的数据库 保护的测试或故障分析过程中，有时需要考虑一些复杂因素对保护的影响， 如直流分量、c t 饱和、弧光电阻、次同步谐波以及复杂短路故障等因素的模拟。 这些物理过程在试验过程中很难模拟，但如果将数字式故障示波器所记录的典型 故障波形或是通过e m p t 暂态计算程序获得的计算数据，或者是将试验过程记录下 的各种试验项目及其波形编辑成仿真和保护试验专用的数据库。根据需要，在现 场实验时随时提取到需要的仿真数掘进行各类性质的仿真和故障再现。 2 8 采用复杂的故障的数学模型 目前，继电保护测试装置普遍考虑了试验过程中的断路器延时动作的特殊情 6 况。在模型建立过程中只考虑一般故障理论的情况，例如：考愿负葡甩胤j j 够f 1 1 q ： 采用故障的序分量算法，并在假设正序阻抗和负序阻抗相等的基础上进行计算。 但是，实际上过渡电阻，接地电阻在故障情况是普遍存在的，并且正、负序阻抗 在一些情况下是不相等的。只有真实的模拟实际故障情况，才能更好的检验继电 保护装置的优良。 第三节本文所做的工作 本文从一个产品开发的角度对继电保护测试装置从整体设计、工作原理、系 统构成、模型建立算法以及信号合成算法进行了系统的阐述。并针对目前继电保 护测试装置存在的部分问题进行相应的改进，取得良好成果。 第二章微机型继电保护测试装置总体设计方案 第一节微机型继电保护测试装置的工作原理 继电保护测试装置是保证电力系统安全可靠运行的一种重要测试工具。随着 现代电力系统的规模不断扩大，对电力系统运行和管理的可靠性、高效性要求的 不断提高，继电保护人员的测试工作变得更加繁重和复杂。在计算机技术、微电 子技术、电力电子技术飞跃发展的今天，应用最新技术成果不断推出新型高性能 继电保护测试装置是技术进步的必然趋势，也是时代赋予我们的责任。下面从产 品开发的角度系统阐述继电保护测试装置的基本原理。 本装置可大致分为三部分：笔记本电脑( 人机界面) 、嵌入式微型计算机 p c i 0 4 ( 作为波形合成及算法实现) 、输出部分( 功率放大部分) 。 笔记本电脑首先通过串口发出控制命令给p c i 0 4 ，p c i 0 4 通过命令报文进行 波形数据的计算输出相应试验波形。p c i 0 4 将笔记本电脑与电压、电流功率放 大信号反馈、接点状态等有机地联系起来，它是继电保护测试装置的核心部分、 起到承上启下的作用。 1 1 信号输出 继电保护测试装置信号输出部分直接接受p c i 0 4 的控制，输出三相电压和三 相电流。笔记本电脑提供的各种关系和类型的试验用电压和电流数据，经信号输 出部分均能转换成相应的三相电压和- 2 t ：i j 电流。除了能实现交流量的输出外，还 有3 路开出量，实现直流量的输出，可对各类直流变送器进行校核。 信号输出部分能提供高精度的合成信号。1 6 位精度的信号变化和1 6 位精度 刁 西华大学硕士学位论文 一_一 的程控增益调节，能确定信号在各个量程上都具有同样高的精度。 1 2 信号输入 继电保护测试装置信号输入部分提供了1 6 路开入量。其中，8 路开入量做 为继电器接点动作检测量。另外8 路开入量做为继电保护测试装置的自身信号检 测量，例如：电流量开路，温度检测等。 1 3 电压源 继电保护测试装置具有电压源功能，输出三相电压u a 、u b 、u c ，在继电保 护测试装置内部以共地方式输出。 三种电压源，采用相同的放大电路，其组成方框图如图2 1 所示： 近叵巫h 蔓亟叵h 夏至丑叵麓 图2 - 1 电压功放电路工 u i 是由1 6 位d a 送来的合成电压信号，正弦信号为o 5 v ：首先经过前置差分 放大电路进行首级放大。信号放大后产生的交跃失真由失真电路加以恢复。再经 过两级o c l 电路进行二次放大，最后滤波电路实现最终的电压波形的恢复。 1 4 电流源 继电保护 9 1 i l 试装置具有电流源功能，输出三相电流i a 、l b 、i c ，在继电保护 测试装置内部都以共地方式输出。 + 图2 - 2 电流功放电路 三相电流源，采用相同的放大电路，其组成方框图如图2 - 2 所示： i i 是由1 6 位d a 送来的合成电流信号；首先，经过初级反向比例放大和次级比 例放大后，再经过前置差分放大得到放大的电流信号，接着由克服交跃失真电路 消除交跃失真，然后经过两级o c l 电路和滤波电路形成最终的输出电流。输出 电流由开路检测电流进行监视，由反馈电路将开路信息反馈给次级放大电路，作 8 塑兰奎兰堡! 主兰些堡苎 一 针对电路输出开路的处理。 第二节微机型继电保护测试装置的系统构成 2 1 硬件结构 系统硬件部分的设计主要是指从机部分的设计。其硬件的原理构图如图 ( 2 3 ) 。从机部分的硬件电路主要由p c i 0 4 及其外围电路构成，外围电路主要包 括：数据锁存电路、译码电路、d a 转换电路、滤波电路、功放电路、光耦隔离 电路、开出量输出电路、开关量检测电路、异常监测电路等几部分。从机接收到 来自主机的命令字，按照命令的要求进入相应的试验模块，进行试验所需的信号 输出，同时主程序不断检测开关量的变位情况并启动监视电路，如果开关量变位 或出现异常信号，马上由从机上传报文，主机接到报文后进行分析，并显示反馈 信息。 2 1 1 从机的选择 从机的核心部分是嵌入式p c i 0 4 ，通过p c i 0 4 将各外围电路统一协调起来完 成所需的功能。嵌入式p c i 0 4 有许多型号，我们根据实际功能的需要、性能价格 比及厂家的供贷情况进行选取。综上考虑，我们选取的p c i 0 4 功能模块如下： 2 个串口( 实现主从机的通信需要) 1 0 0 m 主频( 高的主频对开关检测是信号数据计算有利) 定时器( 产生信号频率) r a m( 6 4 k ) 22 ，2 硬件功能模块 2 2 2 1信号输出电路部分 首先由1 6 位锁存电路对要输出的数据进行锁存，由译码电路产生片选信号， 同时选通6 路输出，实现信号输出的同步性。经过d a 转换和滤波电路后，实现 了数模转换和波形的整形。其中d a 采用1 6 位转换器。1 6 位分辨率分辨率保证 了全范围内电流、电压的精度和线性度。由于d a 分辨率高和波形输出点数多， d a 转换输出的阶梯波已具有相当好的波形质量，后级仅需较简单的低通滤波电 路即可滤除高频分量，还原出高质量、高稳定的正弦波形，很好地克服了幅值和 相位漂移等问题。经滤波的信号再经过功放电路实现信号的放大输出。 2 22 2 开出量输出部分 某个试验需要开出量输出时，对其中一条或多条数据线进行数据锁存，幽译 码电路对其进行片选，在经过继电器驱动电路，实现吸合继电器触点输出直流量 9 西华大学硕士学 丑论文 的功能。 2 2 2 _ 3开关量检测电路 整个测试装置的所有检测信息都是从开关量检测电路得到的。当某个或多个 开关量变位时，将驱使光耦电路工作，对相应位置位，同时变位信息将锁存在锁 存电路的锁存器中，当译码电路选中锁存时，变位信息被p c i 0 4 读取。然后通过 串口将变位信息上传到主机显示。 2 2 2 4开关监测电路 由于试验装置要输出大电流和较高的电压，所以试验仪本身的安全也是至关 重要的。所以针对这个问题设计了试验监视电路，以保护试验装置的安全。其工 作过程为：8 路开关量的监视电路不断被检测，当发现有变位信息，通过对变位 信息的定义，有底层程序直接进行处理，尽量减小损失。然后上传主机信息提示 用户，进行设备异常处理。 、 笔 记 杰 电 脑 r 一数据锁存r + _ d a 及滤波电路r 一“功放电路i ，一1 一、一一 p c l 0 4l 一译码电路 数据锁存 数据锁存 1r 开关量输出卜一继电器驱动 i 。一【，。、一 光猫隔离k 8 路开关量检测 数据锁存1 】8 路开关量监测 图2 3 继电保护测试装置总体硬件电路 2 2 软件结构 2 2 1 软件开发平台 测试软件开发基于下面的软件环境： 操作系统：w i n d o w s 9 8 n t 及d o s 软件开发环境：v i s u a l c + + 6 o 及b o r l a n d c + + 3 0 2 2 2 软件模块及流程 系统的软件部分分别在主机和从机上运行，主机软件为最终用户提供友好的 耍兰查堂堡主兰壁丝苎 人机界面，发送试验命令字。从机进行试验命令接收和波形合成输出。 主机功能模块需要完成： 1 ) 用户可以方便地选择合适的参数，由软件自动生成命令报文： 2 ) 当试验开始时，主机同步演示输出的三相电压和电流的向量图及输出波 形，提示用户注意： 3 ) 用户在主机处于等待状态时也可以随时进行干预( 进行试验暂停、试验终 止等) ： 4 ) 主机软件处于循环等待状态，随时准备接收来自从机上传的报文并解释报 文；当从机上传报文( 开关量变位报文或异常监测报文) ，主机的用户可 以很直观地在屏幕上观察测试的结果，并可以文件的形式进行保存。 5 ) 对同一试验的进行多次试验测试结果的比较，更精确的判定保护装置的优 良状况。 6 ) 提供上下文相关的帮助。 从机模块作以下工作： 1 ) 首先设备开启电源从机处于循环检测串口的等待状态。 2 ) 从机在接收完命令报文后，解释报文并按照要求进行输出信号的合成运 算。并输出试验信号。 3 ) 在试验处于进行状态，从机主程序不断进行开关量和串口检测。当有玎关 量变位立即按协议组装报文并上传报文：当检测到串口命令，立即解释命 令并进行实质性的试验干预。 第三章 继电保护测试装置所用的数学模型及算法 第一节 短路故障模型的算法建立 我们的计算模型采用图3 1 所示的网络。 m ，f p 十厂 卜z s 二牝z l 一 图3 - 1 单电源网络模型 m 点到短路点k 的等值阻抗( 短路阻抗) 为z 。( 正序) 和z 。，( 零序) ，系 统侧阻抗为z 1 x ( f 序) 和z 0 。( 零序) ，整个系统对短路点的等值j 且抗为 l f 塑兰查堂堡主兰垡堡兰 z 萨瓦z o z = z o s + z o l , 烈燃数k s 簪h 。= 簪， 下述用妒( ) 表示取向量相角。 1 1 单相接地短路 假定在图3 1 中，k 点发生a 相接地短路，短路处咀相量表示的边界条件方 程为： 口h = 0 ：屯= ，。= 0 ( 3 - 1 ) 转换为对称分量关系 d 鼬= 驴f 1 + d 。2 + u o = 0 或d k l = 一( u 。：+ d 。o ) ( 3 2 ) ，l = ，f2 = ，o = f 。 ( 3 - 3 ) 可见，单相接地短路时短路点有零序电压，同时也存在零序电流( 在中性点接地 的系统中) 。由上述公式可知，a 相接地短路时选基准相为a 相，故障点b 相和c 相的序电压、序电流就不会有上述简单的关系。同样，b 相接地时选择基准相为 b 相，c 相接地时选基准相为c 相，基准相的序电压、序电流具有上述类似公式 的关系。 故障处以序分量表示的边界条件指明了三序网络在故障端k 点的联结方式。 分析上式，由，。，= ，。：= ，。，所以正序网、负序网、零序网应串联：同时，因 一二，簟： 一垒一旦一 一 ，f5 f - 。 z ： ，- ， r i 二二二l 二- = l k2 f t 一 兰二兰一。!一_ l 一k o z i n 。； 图3 - 2 单相接地短路故障时的复合序网图 u ”1 + ，r2 + ( ，。= 0 ，故三个序网串联后应短接，画出复合序网如图3 2 所示。 西华大学硕士学位论文 由复合序网可求出故障处的各序电流和电压 k = 志 u # 1 = 一( u k 2 + u o ) = 一，k i ( z 2 + z o ) = e o 一，r 1 z l z u k 2 = 一i x 2 2 2 u x o2 一l x o z o 根据对称分量的合成公式，可得到各相电流、电压为 j 。= j 。、+ i 。1 + i 。o = 3 ik 。= 3 ik l = 3 i 。 氏= ( 口2 + 日+ 1 ) ，。= 气= 0 0 n = 0 。+ 0 r2 + 0 f o = 0 0 一= a2 0 ，+ a u k 2 + 驴。= ，i ( 日2 a ) z 2 + ( 口2 1 ) z o ：】 u ( = a o k i + 。2 0 r 2 + 抄。= j k i ( d 一。2 ) z 2 s + ( 。一1 ) z 。= ( 3 4 ) ( 3 5 ) ( 3 6 ) ( 3 - 7 ) 各相短路电流： j a = 厶+ 厶z + 厶。= 羲( 假定z 1 ：= z ：) ( 3 - 1 3 ) = i c = 0 m 点各相电压：0 。= 驴+ ，。i z i + ，。2 2 2 e + ，r 。z 。， 2 ( 2z l 。+ z 0 。) l ， = 冬( z 0 。+ 2 z t 。) = 每( 孙s k t z , 。+ 2 2 1 ) 所以0 。= ? 。( 1 + k 。) z 。， ( 3 - 1 5 ) ( 3 1 4 ) 剐 ” ” ” 西华大学硕士学位论文 u m = u 肼+ 口2 ，岸l z l l + a i k 2 2 2 l + ，f o 乙l = 口2 驴k i + a o k2 + 驴。+ ，f l ( 日2 z l l + 以1 l + z o l ) 口2 ( t 。一j x , z 1 ) 一o f l z 2 = 一i k i z 。+ ，i ( z 。，一z 1 ) a 2 e o e l 2 ，k l z i - a i i z ! ! 一，k l z 。e + 3 i n i k l z j ， = 毛+ k 】( z i z z o z ) + ，。k z l l e + ，k i ( z l n + z l l z o - z o l ) + ，。k z 2 e h 一3 1 k k z l n 一3 1 l k z 】l + i o k l z i ， o m = 或一j o k n z 。 1 ( 3 1 6 ) 同理 d 。= d f 。+ ，k 1 z j l + 口2 ，k2 2 2 l + i x o z 。t u 。2 t 一。k 。z i 当短路电流l l 恒定时 即川= k ， 妒( z 。) = 妒【( 1 + k 。) z 。 。 由以上各式得到 妒( ，。) = 妒眩) 一妒 ( 1 + k 。) ，z 一 ， = 1 = 0 ( 3 1 7 ) 可假设k 。= 0 ， i d 。j = i 气，| - 1 0 + k 。) ，z 小妒p 。) ：妒。) u 月m = e h o 。：= 意? 当短路电压阿。f 恒定时，即j 口。l = l 沙。l ，根据前面各方程可得到 4 ( 3 1 8 ) ( 3 19 ) ( 3 2 0 ) ( 3 - 2 】) ( 3 2 2 ) 西华大学硕士学位论文 ( 3 - 2 3 ) ( 3 - 2 4 ) ( 3 - 2 5 ) ( 3 - 2 6 ) ( 3 _ 2 7 ) ( 3 2 8 ) 1 2 两相短路 假定在3 1 图中k 点发生b c 两相短路。这种情况下以相量表示的边界条件 方程如下： j = 0 t i k h = 一i “lu n = u “ t 3 - 2 9 、 转换成对称分量 ik 、：k i x ，+ ix h + l x c ) ：o 因 故 ；( 气+ 。如+ 拼o ：，每 o v j k = ：( 1 x o + a - 。+ a l x , ) 叫每 o 3 u r = 驴k o + 群2 沙k i + 口矽f2 u 。= d r o + 口矽r 】+ 口2 d 2 ( 3 3 0 ) ( 3 3 1 ) ( 3 - 3 2 ) ( 3 - 3 3 ) ( 3 - 3 4 ) ( 3 3 5 ) ( 3 3 6 ) 一z 、 惫叱卸茎?e 一 ：， = l m f l = = w = u m o 小以 瓯 西华大学颂士学位论文 ( 口2 一a ) w l = ( 臼2 一a ) u f2 u k l = u k 2 ( 3 - 3 7 ) u = u 1 + u 2 = 2 u l = 2 1 l z 2 或d “= 或一j i ( z 。：一z 2 ) ( 3 3 8 ) 于是，以序分量表示的b c 相短路的边界条件为 j 。= 0 ；j 。一丘：d 。= d 。：( 3 3 9 ) 须注意，b c 相短路时选基准相为a 相，故障点基准相的序电流、序电压才有上式 的关系，b 相和c 相的序电流、序电压就没有这个关系。当然a c 相短路时选b 相为基准相，a b 短路时选c 相为基准相，其故障点的序电流、序电压同样有这一 关系。 根据边界条件，k 点b e 两相短路时因，。：0 ，故零序网丌路：又 ，r ：+ ，。，= 0 、驴。= 驴。2 ，所以复合序网是正序网和负序网并联而成的如图3 3 所示，由复合序网可求得 丘，2 焘一k ( 3 - 4 0 ) l 一，。 k t 厂一一_ 1 一= 0 ltu r i z 。 ，f ： 一一= _ 二二一：二一= 一k 2 l产2 图3 - 3 两相短路故障时的复合序网图 以= 屯一，。z 1 ：，口。：= 一疋：z ：= ? n z ：( 3 4 1 ) 各相短路电流： i a2jk l + i k 2 20 t 3 4 2 ) 耍兰查兰婴主兰焦笙兰一 “a 一如i a 2 - a ：e oa 铂2 - ：a 丘= 喾( 3 - 。，) j 。e 2 。z - l e b m 点各相短路电压： 【7 。= u r 。+ i x l z l 。+ i x2 2 2 = e a d 。j 却。寸毋i 。z 。l + d i 。：z 。 = 口2 以l + 口氓2 + ( d 2 a ) i l z = d 2 ( 或一 k i z i e ) + a j i z l z + ( 日2 一a ) i r l z j l = 或+ ( 口一日2 ) ，k 1 ( z l z z i l ) = e + l b ( z l 一z l ! ) = e 一l h z i n 同理 口。= 酋。+ j 。z 1 n 糊蝴魁叫仆i 吲北i 。i ， 假定妒( z ，。) = 妒( z 。) ，得 畅汁锗牛一 妒( ，。) = 妒( 左。一。) 一妒( z 。) = ，妒( j 。) = p ( ，小_ 1 8 0 0 ，。= 0 7 ( 3 4 4 ) ( 3 - 4 5 ) ( 3 - 4 6 ) ( 3 - 4 7 ) ( 3 4 8 ) ( 3 - 4 9 ) ( 3 5 0 ) ( 3 - 5 1 ) 堕兰查兰堡主兰些丝苎 0 。，= e 。 ( 3 - 5 2 ) u n j h = e h i b z 、s u 。= e c + ic z 、s 当短路电压恒定时，即玩。= 或一t 恒定 讣= p ( 厶) = 妒( j 。) + 1 8 0 。 ，。= 0 妒( j 。) = 妒( 或一言，) 一妒( z 。) 假定妒( z 。) = 妒( z ，。) i 声一声l 衍“i z e s 2 赞一z 1 。 u 。= e o u m = e h l h 互 u m ：= e ：+ ib z l s l t 3 两相接地短路 假定在3 1 图中k 点发生b c 两相接地短路。 为： i g o = 0 ：u m = 0 ； 转换为对称分量关系为 i ，= ic l i 2 + ik 。 ( 3 - 5 3 ) ( 3 - 5 4 ) ( 3 - 5 5 ) ( 3 - 5 6 ) ( 3 - 5 7 ) ( 3 - 5 8 ) ( 3 5 9 ) ( 3 - 6 0 ) ( 3 6 1 ) ( 3 ，6 2 ) 短路处以相量表示的边界条件 u 。= 0 0 或，。= 一( ，k2 + ，k 。) 8 ( 3 - 6 3 ) ( 3 6 4 ) 世划 1 1 堕篓奎兰婴主兰堡笙苎一 0 。= d r ：= 7 k 。= 妻口。 ( 3 6 5 ) 可见，与单相接地情况相同，具有零序电压，也有零序电流( 在中性点直接 接地的系统中) 。另外，b e 相接地短路故障时选基准相为a 相，自然，c a 相接地 短路故障时选基准相为b 相，a b 相接地短路故障时选基准相为c 相，与两相短路 是的基准相选择完全相同。根据边界条件得复合序网如图3 - 4 所示： ，o 、，! ，鱼k ， r 一o 一一 二_ _ _ 二) 1 _ = = 兰上一一三一t i 一 虹1 厂一 k 2 2 k l l ，可得( n 一1 ) k i j t o 与 a c k 命令结束 失步时：命令 等待应答超时；命令2 , - 等待应答超时： 命令 等待应答超时一 s t p 命令结束 效验错：命令一 报文效验错n a k ：命令 报文效验错n a k ： 命令一 报文效验错n a k s t p 命令结束 执行错：命令 命令执行错n a k ；命令 命令执行错n a k ： 命令