（电力系统及其自动化专业论文）小水电机组综合自动化的研究.pdf

国电自动化研究院硕士学位论文 n o b o d y sa u t o m a t i ct e c h n o l o g yo nd u t yo fs m a l lh y d r o p o w e rs t a t i o n h a sa l r e a d yb e e nr o u t i n et e c h n o l o g yi nt h ed e v e l o p e dc o u n t r y o u rc o u n t r y s t u d i e sa n dl a g sb e h i n dt ot h es m a l l - s c a l ea u t o m a t i o no fp o w e rs t a t i o n ， h a si n f l u e n c e dt h ei m p r o v e m e n to ft h es m a l l s c a l ea u t o m a t i cl e v e lo f p o w e rs t a t i o ns e r i o u s l y s od e v e l o po n es e tw h i c hs u i t a b l ef o rt h ec o n t r o l d e v i c en o wo fs m a l l s c a l ec o m p r e h e n s i v ea u t o m a t i o nt r a n s f o r m a t i o no f p o w e rs t a t i o n , i n c l u d i n gs u c h f u n c t i o n sa sm e a s u r e ，c o n t r o l ，t e s tt h es p e e d ， p r o t e c t o r , s a m ep e r i o d , e t c h a si m p o r t a n tm e a n i n g si ni m p r o v i n gt h e s m a l l - s c a l ea u t o m a t i cl e v e lo fs m a l lh y d r o p o w e rs t a t i o n t h i ss u b j e c ti so n t h eb a s i so fh o l d i n gt h ec h a r a c t e r i s t i co ft h ea u t o m a t i cd e v i c eo ft h es m a l l c a p a c i t yu n i t si na na l l - r o u n dw a y , r e a l i z e st h ep r o t e c t i o nf u n c t i o no ft h e s m a l lc a p a c i t yg e n e r a t i n gu n i t s a d o p t3 2h i g h - p e r f o r m a n c ed s po ft it o r e p l a c e8o r1 6m c u ，c o o p e r a t e sw i t hc p l d ，f l a s h , e t c o n e ，r e a l i z e s s o m ec o m p l i c a t e da l g o r i t h m s ，t h u si m p r o v et h ep e r f o r m a n c et h a tt h e c o m p u t e rp r o t e c t sg r e a t l y k e yw o r d s ：d s p , c o m p u t e rp r o t e c t s ，s e l f - a d a p t a t i o n ，p r o t e c ts y n t h e t i c a l l y 第5 页 国电自动化研究院硕士学位论文 1 1 论文背景及目的 第一章绪论 小水电站无人值班自动化技术在发达国家已是常规技术，单机1 0 b n 以下的 中小电站大部分都实行关门运行，无人值班。加拿大p o w e r b a s e 公司是国外从事 这方面研究的比较典型的一家公司。p o w e r b a s e 公司是一家专门研制、开发和生 产中小水电站无人值班自动化技术和设备的专业公司，其产品遍布加拿大，并销 往世界各地该系统根据小型水电站的特点和功能要求，采用预编程软件，开发 了多个功能模块，适用所有水轮机发电机接口，可根据用户需要选择模块，且 模块之间相互通讯，具有安装维护方便，工程费用低的特点该系统能对全站设 备进行控制、保护、测量和信号显示，并通过接口模块实现厂房内在线的s c a d a 监控和远方遥控；不仅如此，系统运行操作十分简单，有手动和自动两种方式， 在手动方式下，只要按动开机停机按钮，机组就会自动完成开停机全过程；在 自动方式下，电站可根据前池水位按照优化运行出力的原则，完成自动开机、停 机。近年来，国内有关单位( 如亚太地区小水电研究中心) 通过9 8 4 项目的实施， 对该产品进行了引进、吸收、消化，基本满足了我国中小水电站自动化的性能要 求，已在国内十余座电站成功运行，结果表明，该系统是一套功能强、可靠性 高、操作方便、简单易学的无人值班自动化系统，但是相对而言，价格比较昂贵。 国内众多科研院所、公司等对大型水电站计算机监控系统进行了较为深入的 研究，大量的科研成果在大型水电站取得了成功的应用。如南瑞自动控制公司研 制的s j - 2 0 0 、s j - 4 0 0 、s j - 5 0 0 、s j - 6 0 0 等现地控制装置。目前，小型水电站采用 的国产现地控制装置往往照搬大中型电厂模式+ 成套微机保护装置构成综合自 动化装置，成本较高。由此可见，针对大型水电站的计算机监控系统因其成本较 高等原因无法大范围直接运用到小型水电站自动化改造中。可编程控制器( p l c ) 在工业控制领域的通用性限制了它在水电站的应用，p l c 需要同大量其它控制设 备( 如：测速装置、同期装置、保护装置、调速器装置、励磁装置) 相配合才能 完成对水电站的自动控制。对于小型水电站采用如此复杂的系统配置是不现实 的。针对小水电综合自动化工作做得较早、较好的是亚太小水电，目前针对小型 第6 页 国电自动化研究院硕士学位论文 水电站推出了专门的产品，但由于其自身研发力量较弱，故产品还不够完善，还 未得到大面积推广。 针对小水电站自动化的研究滞后，严重影响了小型水电站自动化水平的提 高，因此研制出一套将测量、控制、测速装置、同期装置和保护装置集成在一起， 适合小型水电站综合自动化改造的现地控制装置，对于提高小型水电站自动化水 平有着重要意义。 1 。2 小水电机组综合自动化装置简介 图1 - 1 为小水电机组综合自动化装置的系统结构示意图。 图1 - - 1 小水电机组综合自动化装置系统示意图 1 2 1 水轮机发电机控制模件 水轮机发电机控制模件完成机组测量、控制、保护、调速、励磁功能的核 心模块。如自动开停机、同期并网、运行工况转换、事故停机等逻辑操作功能； 有功、无功负荷自动调节功能；事故、故障报警功能；完成对导叶、轮叶、转速 等的测量；为水轮机发电机控制模件提供输入输出接口扩展，包括数字量输入 输出、模拟量输入输出及其相互组合，基本满足机组控制的需要。 1 2 2 发电机保护模件 微机保护装置的发展大致可以分为以下几个阶段： 第一阶段以单c p u 的硬件结构为主，数据采集系统由逐次逼近式a d 模数转 第7 页 国电自动化研究院硕士学位论文 换器构成，硬件及软件的设计符合。四统一”设计标准，其代表产品为微机高压 输电线路保护装置 第二阶段以多单片机构成的多c p u 硬件结构为主，数据采集系统为电压频率 转换原理的计数式数据采集系统，硬件软件的设计吸取了第一代微机保护装置成 功运行经验，利用多c p u 的特点，强化了自检和互检功能，使硬件故障可以定位， 对保护的跳闸出口回路，具有完善的抗干扰措施以及防止拒动与误动的措旋。 第三阶段以高性能的1 6 位单片机构成的硬件结构为主，具有总线不需引出芯 片，电路简单的特点，抗干扰性能进一步加强，并且完善了通信功能，为实现变 电站自动化提供了方便。 如今，在一些电力系统主设备的微机继电保护装置中，也开始采用了性能更 好、功能更强大的工业控制计算机，例如，基于i n t e l3 8 6 e x 的微机发电机组保 护、分相式母线差动保护等。 数字信号处理( d i g i t a l s i g n a l p r o c e s s i n g ) 处理器是利用专门或通用的 数字信号芯片，以数字计算的方法对信号进行处理，包括对信号的采集、变换、 滤波、估值、增强、压缩、识别等处理，以得到人们需要的信号形式。d s p 处理 器的重要特征是，具有数字信号处理指令和特殊的寻址方式，采用改进的哈佛结 构，具有独立的数据和地址总线，从而使得处理器指令和数据并行，大大提高了 处理效率。 在微机保护产品中采用d s p 处理器取代传统的8 位或1 6 位单片机，可以在 硬件资源、开发平台等方面取得很多优越性，并通过与c p l d 、f l a s h 等的配合， 完成一些复杂的算法，所以基于d s p 平台微机保护能够完成故障诊断等一些比较 复杂的功能，从而大大提高微机保护的性能。 发电机保护模件提供差动保护、过电压保护、过电流保护、相问的电压不平 衡、失磁保护、定子接地、过负荷保护、低频保护、逆功率保护等功能，与水轮 机发电机控制模件通过c a n 现场总线交换信息。发电机保护模件的系统结构和 原理框图在第二章的硬件设计中有详细说明。 。 1 2 3 发电机同期、功率控制模件 同期并列是电力系统中经常进行的一项重大操作。发电厂在系统正常运行 第8 页 国电自动化研究院硕士学位论文 时，随着负荷的增加，要求备用发电机迅速投入系统，以满足用电量增长的需求； 在系统发生事故时，会失去部分电源，要求备用机组快速投入电力系统制止系统 崩溃。在变电所，同期操作可以使系统中分开运行的线路断路器正确投入，实现 系统并列运行，以提高系统的稳定、可靠运行及线路负荷的合理，经济分配。理 想的同期条件是待并侧与系统侧的电压差、频率差和相角差为零为了减少机组 的空载能耗、实现快速并网，允许待并侧和系统侧存在一定的压差和频差，这将 导致并网瞬间并列点两侧出现一定无功功率和有功功率的交换，不论是发电机对 系统或系统对系统并网对这种功率交换都有相当承受力。但发电机并网时相角差 的存在将导致机组的损伤，甚至会诱发后果更为严重的次同步谐振。因此，一个 好的同期装置应确保在相角差为零时完成并网。 微机自动准同期装置可用于多个同期对象；可以对开关两侧电压进行相角补 偿、幅值补偿；可以实时测量断路器实际动作时间；具有频差闭锁、压差闭锁、 相角差闭锁等功能。面向小水电综合自动化的微机自动化准同期装置为发电机提 供自动准同期功能；并提供有功、无功调节提供输出，与水轮机发电机控制模 件通过c a n 现场总线交换信息。 图l 一2 小水电机组综合自动化自动准同期结构框图 1 2 4 水轮机发电机调速控制模件 随着科技的发展，水轮机调速器经过了飞速发展，经历了从模拟电路到集 成电路再到计算机数字控制的过程，计算机在水电厂的应用越来越广。2 0 世纪 8 0 年代以来，世界上先进国家都在研究微机调速器，目前已有大批微机调速器 第9 页 国电自动化研究院硕士学位论文 投入使用。在调节规律方面，从常规p i d 调节、有级变参数p i d 发展到连续变参 数适应式p i d 、智能控制、自适应控制、最优p i d 控制以及预测控制和基因控制 等新型控制规律。 调速器主要功能包括：空载运行时，具有频率给定及频率跟踪两种控制方式 在跟踪方式下，机组频率能自动跟踪系统频率，实现快速自动并网；具有功率调 节功能，实现机组功率反馈和出力限制，自动调整机组功率；能实现机组开机、 停机、空载、负载、单机及手动工况下稳定运行，配合计算机监控系统实现机组 现地和远方控制；具有故障保护、过速保护、实现机组过速时自动关机、参数采 集显示等功能，就地显示并传输所采集到的诸如工况、频率、开度、功率及各调 节参数等；具有控制结构自适应和参数自适应的调节功能；采用图像操作终端( 智 能液晶触摸屏) 具有实时人机对话功能，运行人员能方便地了解调速器运行状况 水轮机发电机调速控制模件为水轮机发电机提供调速功能，包括按频率， 功率，导叶开度等多目标、变参数p i d 控制等，与水轮机发电机控制模件通过 c a n 现场总线交换信息。 按照一般的划分，水轮机微机调速器由微机调节器和机械( 电气) 液压系 统组成。机械( 电气) 液压系统能将电气或数字信号转换成机械液压信号和将机 械液压信号转换成电气或数字信号，它在很大程度上影响到调速器的性能和可靠 性，我们设计的重点在于调速器电气部分的设计，机械部分将和其他单位协作 由微机调速器所建立的水轮机调节系统是一个计算机闭环控制系统。图 1 - 3 是小水电综合自动化中调速器装置设计的原理框图。调速器的控制核心可以 是单片机、工业控制计算机，也可以是可编程逻辑控制器或可编程计算机控制器。 人机联系设备通常按功能分为输入设备和输出设备。在微机调速器中现在常用的 人机交换设备是智能液晶触摸屏，可以用来显示调速器的控制结果和过程信息， 触摸屏和主控单元相连接。另外，微机调速器中主控模件和调速模件之间通过现 场总线交换数据，在调速模件上还具备r s 2 3 2 ，r s 4 8 5 等通信端口。 第l o 页 国电自动化研究院硕士学位论文 触摸屏 数据显示参数设定 图1 3 小水电机组综合自动化自动准同期结构框图 1 2 5 水轮机发电机励磁控制模件 励磁系统是同步发电机的重要组成部分，直接影响发电机的运行特性。优良 的励磁系统可以保证发电机可靠和稳定运行，而且可以有效地提高发电机及电力 系统的技术经济指标。近年来通过与国外知名励磁设备制造厂的广泛技术交流和 合作，我国水电站励磁系统的设计、开发和制造等已取得非常明显进步。可控硅 自并励励磁方式、干式励磁变压器得到了普遍采用，数字式励磁调节和控制已逐 步取代模拟式励磁调节和控制方式。在众多改善同步发电机稳定运行的措施中， 运用现代控制理论、提高励磁系统的控制性能是公认的经济而有效的手段之一 励磁调节控制系统可以维持发电机端或指定控制点的电压在给定水平上；提高电 力系统运行的静态稳定性；改善暂态、动态稳定性。 面向小水电站的综合自动化装置广泛采用模块化结构设计思想、现场总线技 术( c a n 网) 提供灵活的系统配置，提高对环境的适应性和可靠性。励磁功能由 于它在时间和功能上的要求，其相对监控系统比较独立，因此要求一个励磁模件 即使和监控系统脱离，也能完成励磁的功能。小水电综合自动化中励磁模件是和 保护模件、同期模件、调速模件并行连接在系统的现场总线上和主控模件相连， 实现相互的数据交换。水轮机发电机励磁控制模件为水轮机发电机提供励磁调 节功能，包括按机端电压闭环p i d 调节、强励、欠励保护等。与水轮机发电机 第“页 国电自动化研究院硕士学位论文 控制模件通过c a n 现场总线交换信息 在励磁系统中，励磁调节器是系统的核心，整个励磁系统的动态和静态性能 很大程度上决定于励磁调节器的性能。小水电综合自动化中励磁模件起到了励磁 调节器的作用。图1 - 4 为励磁模件的原理框图。 _ + 厂、 ，_ o o o o o o o o 、 【交流量测量) _ + 叫智能触摸屏) ，一、 - ，- _ _ - _ - - - _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ c p 吵 控制 同步检测卜- - ，。、 - - 一， 单元 _ 电源模块) 压砂 - - ，一， l 脉冲放大) 一 、。- - - - _ - - - _ - - - - _ _ 一， + 、 o 神l 可控硅j 鉴查里至) 1 3 本课题的主要工作 本课题的主要工作就是要研究和开发适合小容量发电机组的微机保护模 件。采用t i 的3 2 位高性能浮点d s p 芯片t m s v c 3 3 - 1 5 0 ，与c p l d 、f i , a s i t 等相配 合，并以此作为硬件平台，完成保护程序的开发分析比较目前主流保护算法、 保护原理、各种软硬件滤波器的优缺点，结合小容量机组保护的特点，选择最适 合的保护算法，保护原理和软硬件滤波器实现方式。保护程序采用流行的c 语言 进行编写，最大限度的保证程序的可移植性。 第二章硬件设计 2 1 保护c p u 模件的硬件设计 2 1 1 保护c p u 模件的整体结构 整个c p u 模件采样模块化的设计方式，共分成五大模块：前置低通滤波模块、 第1 2 页 国电自动化研究院硕士学位论文 a d 同步采样模块、d s p 模块、开出模块和开入模块，各个模块之间的关系如下 图2 - 1 所示 模拟重输入信号开关量输入信号 图2 1 保护模件硬件结构图 2 1 2 前置低通滤波模块n “棚 由奈奎斯特( n y q u i s t ) 采样定理可知：如果被采样信号为有限带宽的连续 信号，为了保证采样后的信号能够完全恢复而不会畸变，不会产生频谱混叠现象， 其采样频率工要求不小于信号所含的最高频率分量f m 的两倍，即，j 2 ，m 。 玛。八 厂卜厂ff 。f 0 i) ， y r i a l ：f ol t 0 一 ：1 5 f e啷b i “、 一一 、 i t 、 一 一 、 。、一 旧 ， ? t 、 一东：i ，、j 、， = 2 f o r 、 ， 、 ， 、 0 ； ， 、 、 f 。、 r ，、 y 州 图2 2 频谱混叠示意图 第1 3 页 国电自动化研究院硕士学位论文 电力系统发生故障时，故障电压，电流里常含有高频分量，其频率往往高达 2 k h z 以上、为了防止频谱混叠，微机保护系统的采样频率，j 必须高达4 t d l z 以上， 这样对c p u 的速度提出了过高的要 m 求数据采集系统是以采样频率，j 不 d 研 z 圈2 - 9 模拟低通滤波器的理想传递特性 断向c p u 输入数据，而c p u 必须在两 次采样间隔时间内，处理完对每一组 采样值必须的做的各种操作和运算 如果在故障电压或电流等模拟量进入 采样保持器之前，用模拟低通滤波器 将高频分量滤掉，可降低对微机保护 系统硬件过高的要求。图2 - 3 为模拟 低通滤波器的理想传递特性，由于电压互感器和电流互感器对高频分量已经有相 当大的抑制作用，因此往往不要求模拟低通滤波器具有理想的衰减特性，否则高 阶的模拟低通滤波器将带来过长的过渡过程，影响保护系统的快速动作。 下面简述微机保护模拟低通滤波器的设计过程。滤波器是一种能使有用频率 信号通过同时抑制( 或大为衰减) 无用频率信号的电子装置。工程上常用它来作 信号处理、数据传送和抑制干扰等。这里的滤波器指的是模拟滤波器。以往这种 滤波器主要采用无源元件r 、l 和c 组成，六十年代以来，集成运放获得了迅速 图2 4 滤波器的般结构 发展，由它和r 、c 组成的有源 滤波器，具有不用电感、体积小、 重量轻等优点、此外由于集成运 放的开环电压增益和输入阻抗 均很高，输出阻抗又低，构成有源滤波器后还具有一定的电压放大和缓冲作用。 但是集成运放的带宽有限，所以目前有源滤波器的工作频率可达1 m h z 左右，这 是它的不足之处滤波器的一般结构如图2 - 4 所示。 图中的玑“) 表示输入信号，玑( t ) 表示输出信号。假设滤波器是一个线性时不 变网络，则在复频域内有 a ( s ) ：v o ( s ) k ( j ) 第1 4 页 国电自动化研究院硕士学位论文 式中的a ( s ) 是滤波器的电压传递函数，一般为复数。对于实际频率来说 ( s ；，甜) ，则有 a ( j 叻= a ( j w ) l p 押细 这里的ia ( j ) i 是传递函数的模，烈研为其相位角。此外我们在滤波器中 所关心的另外一个量是时延彳( 国) ，它定义为 删：一生掣( ，) 口c p 通常用幅频响应来表征一个滤波器的特性，欲使信号通过滤波器的失真很 小，则相位和时延响应亦需考虑。当相位响应妒沏) 作线性变化，及时延响应f ( 脚) 为常数时，输出信号才可能避免失真。 图2 5 为二阶有源低通滤波器的通用电路图。图中= 里芋，称为同 t u ，( s ) - u 3 ( s ) + 竽+ 罕v o ( s ) u 3 ( s ) ：。 第1 5 页 国电自动化研究院硕士学位论文 郴) 2 器= 万面面- 面了a 丽u f ( 百1 1 r 石i r 2 c 丽i c 2 冱) 币了瓦x 鬲 令 和 则有 r i r z c i c 2 s 2 + r 2 c z + 墨c 2 + 蜀c l ( 1 一a | ，) 】s + l a = 小惫 纯2 = i l r i r 2 c i c z q = c 2 ( r 1 + 匝r 2 ) + r t c l ( 1 - a w ) ( s ) ；v u o ，c ( s s _ _ a ，5 i 南2 ：了：务峨q q ! 。 上式为二阶低通滤波器传递函数的典型表达式。其中蛾为特征角频率，而q 则为等效品质因素。为了求出二阶有源低通滤波器频率响应，可令式中的 s = j a , ，由此可以求得其幅频响应和相频响应分别为 a ( j c o ) 由上式可见，当街= 0 时，a ( c o ) 2 ；当_ 一时，a ( 妫= 0 ，这是低通 滤波特性。由相频特性可知，当国 击时， 才存在幅频特性的峰值。 们：2 0 1 9 压= 3 d b ， 当q = 去时，求幅值由直 _ 吼 流时的增薷下降到3 d b 的 丧2 2 得截止频率皱= 魄，具有这种特性得滤波器称为b u t t e r w o r t h ( 巴特沃思) 型滤波器n 。“1 。设纵坐标用规一化后的幅值取对数表示，即 第1 7 页 国电自动化研究院硕士学位论文 加蚓叫。k 1 - 州+ 剖 以q 为参变量时的二阶低通有源滤波器的对数幅频特性如图2 - 6 所示。 加咭矧 微机保护前置低通滤波器的主要功能是滤除高次谐波，降低高频干扰，使交 流采样满足采样定律，防止频谱混叠。前置低通滤波器设计成二阶低通有源滤波 器，滤波器的截止频率定在2 6 0 h z ，如果需要改变截止频率，只需改变滤波回路 的电容和电阻值。为了保证模拟量采集的精度，滤波回路的电阻采用精密电阻， 电容采用涤纶电容，运放采用高精度，低温漂的0 p a 4 2 2 7 滤波回路还设计了防 止过电压保护整个滤波模块可以实现1 6 路模拟量的前置低通滤波。单路模拟 量前置低通滤波器的原理图如图2 - - 7 所示 2 1 3 d 采样模块 图2 - - 7 模拟低通有源滤波器 早期的微机保护系统一般采用基于逐次比较式a d 转换的模拟量输入系统。 一般包括电压形成回路、a l f 、s h 、肝x 、即 d 五部分。 2 1 3 1 电压形成回路 同传统保护一样，微机保护的输入信号来自被保护线路或者设备的电流互感 器、电压互感器的二次侧。这些互感器的二次电流或者电压一般数值较大，变化 第1 8 页 国电自动化研究院硕士学位论文 范围也较大，不适应模数转换器的工作要求，故需对它进行变换。一般采用各种 中间变换器来实现这种变换其原理图如图2 8 所示。 t t vt i i 匝豳匝，蚕l 匝 图2 - - 8 各种中间变换器 2 i 3 2a l f 回路 a l f 回路即前置低通滤波回路，这部分内容在2 1 2 已经详细说明，此处不 再重复。 2 1 3 3 采样保持( s h ) 电路 微机处理的都是数字信号，要用微机保护实现保护的功能，必须将输入的模 拟信号变成数字信号。为达到这个目的，首先要对模拟量信号进行采样。采样是 将一个连续的时间信号x ( t ) 变成离散时间信号信号x 奉( t ) 的过程，图2 9 为采 样过程示意图。等o ) = x o ) i 嘲 1 图2 9 采样过程示意图 保护装置往往要反映多个系统参数而工作，所以在采样系统中必须保留输入 信号的相位关系，实现同时采样，早期a d 芯片较贵，同时为了简化硬件电路， 一般在a d 回路前加采样保持回路，多个回路通过卯x 共用一个a d 转换器。图 2 1 0 为理想采样保持信号 第1 9 页 计m i 1 国电自动化研究院硕士学位论文 采样信号保持信号 皿k 细k 口 图2 一l o 理想采样保持示意图 2 1 3 4 模拟多路转换开关( 肝x ) 如前所述保护装置往往要反映多个系统参数而工作，所以在采样系统中通常 是几路模拟量输入通道公用一个a d 芯片，采用多路转换开关将各个通道保持的 模拟量输入信号分时送给a d 芯片转换器。多路转换开关包括接通路数的二进制 译码电路和由它控制的各路电子开关，它们被集成在一片集成电路芯片中 2 1 3 5a d 微机处理的都是数字信号，要用微机保护实现保护的功能，必须将输入的模 拟信号变成数字信号。a d 转换器就是将采样保持回路输出的模拟信号变为离散 数字信号的器件微机保护利用这些离散数字信号量来实现保护功能。 随着人工智能技术和小波分析理论，以及行波保护、暂态保护等概念逐步引 入继电保护领域，对采样速度提出了更高的要求。在变电站的母线保护、变压器 保护和发电机保护中，由于需要进行采样的电流通道很多，对采样速度也有比较 高的要求。采样率的提高导致了采样间隔的缩短，从而留给c p u 进行采样数据预 处理、保护启动计算、主保护计算的时间大大缩短。因此，必须大大压缩数据采 集的时间。 以前使用的v f c 数据采集系统难以满足要求，必须对此单独进行考虑。为 了进一步简化电路设计与调试，一些半导体厂家将完整的数据采集系统( s h 、 m p x 、k d ) 集成到一块芯片中，能够自动完成所有输入通道的数据采集而无需 c p u 干预。本课题采用了a d 公司的a d 7 8 6 5 芯片。a d 7 8 6 5 集成了2 组各4 路输入 通道( 4 个采样保持器) ，1 4 位分辨率和2 4i is 的模数转换时间。采用这种专用 数据采集芯片，极大简化单片机型微机保护a d 采样回路的设计，提高了微机保 护装置的硬件集成度，减小了硬件出故障的概率。使c p u 可以腾出更多的时间进 第页 国电自动化研究院硕士学位论文 行保护运算，完成复杂保护功能，大大提高了微机保护装置的性能 本课题设计的a d 采样模块采用多片i d 7 8 6 5 芯片，最多可以实现1 6 路模拟 量同步采样，保留交流量之间的相位。同时使跟踪频率交流采样成为可能。图 2 - l l 示出了单片t i ) 7 8 6 5 芯片实现四路模拟量同步采样的电路。 图2 - - 1 1 四路模拟量同步采样电路 2 1 4 开入、开出模块 设计了1 0 路开关量输入，2 l 路开关量开出，开关量输出具有反馈自检功能。 图2 - 1 2 是开入回路，开出回路和自检回路原理图。( 单路) 图2 - - 1 2 开入回路，开出回路，和自检回路原理图 2 1 5d s p 模块叶“”叫 本课题采用t i 的3 2 位高性能浮点d s p ( t m s 3 2 0 v c 3 3 - - 1 5 0 ) 取代传统的8 第2 l 页 国电自动化研究院硕士学位论文 位或1 6 位单片机，并通过与c p l d 、f l a s h 等的配合，组成保护c p u 模件的硬件 核心部分t m s 3 2 0 v c 3 3 高性能浮点d s p 的应用使得保护算法中大量的浮点乘加 运算时间大大减少，减轻了处理器的负担，使实现复杂保护算法成为可能，提高 了微机保护装置的整体性能。 可编程d s p 芯片是一种具有特殊结构的微处理器，为了达到快速进行数字信 号处理的目的，d s p 芯片一般都具有程序和数据分开的总线结构、流水线操作功 能、单周期完成乘法的硬件乘法器以及一套适合数字信号处理的指令集。t i 的 t m s 3 2 0 系列的d s p 的基本结构包括：( 1 ) 哈佛结构；( 2 ) 流水线操作；( 3 ) 专用的 硬件乘法器；( 4 ) 特殊的d s p 指令；( 5 ) 快速的指令周期这些特点使得t m s 3 2 0 系列d s p 芯片可以实现快速的d s p 运算，并使得大部分运算可以在一个指令周期 内完成。 2 1 5 1 哈佛结构 哈佛结构是不同于传统的冯诺曼结构的并行体系结构，其主要特点是将程 序和数据存储在不同的存储空间中，每个存储器独立编址，独立访问。从而使数 据的吞吐量提高了一倍。冯诺曼结构结构是将指令和数据统一编址在哈佛结 构中由于程序和数据存储在两个分开的空间中，因此取指和执行能完全重叠运 行。为了进一步提高运行速度和灵活性，t m s 3 2 0 系列d s p 芯片在基本哈佛结构 的基础上作了改进，一是允许数据存放在程序存储器中，并被算术运算指令直接 使用，增强了芯片的灵活性；二是指令存储在高速缓冲器( c a c h e ) 中，当执行此 指令时，不需要再从存储器中读取指令，节约了一个指令周期的时间。 2 1 5 2 流水线操作 d s p 芯片广泛采用流水线操作以减少指令执行时间，从而增强了处理器的处 理能力。t m s 3 2 0 v c 3 3 支持四级流水线操作 2 1 5 3 专用的硬件乘法器，特殊的d s p 指令和快速的指令周期 乘法是d s p 的重要组成部分。在数字滤波器设计中，对于每个滤波器抽头， 必须做一次乘法和一次加法。乘法速度越快，d s p 处理器的性能就越高。在通用 的微处理器中，乘法指令是由一系列加法来实现的，故需要许多个指令周期来完 成。相比而言，d s p 芯片的特征就是有一个专用的硬件乘法器。d s p 的另一个重 要特征是采用特殊的指令，将一些特殊运算用一条硬件指令实现大大提高了d s p 第2 2 页 国电自动化研究院硕士学位论文 处理性能。d s p 芯片内部具有倍频电路，使得系统主频进一步提高，指令周期降 低。 t m s 3 2 0 v c 3 3 主频为7 5 m h z 时的主要性能和内部结构；指令周期是1 3 n s ；每 秒执行1 5 0 虾l o p s ( 百万次浮点操作) ：7 5 h i p s ( 百万条指令) ：一个指令周期可以 完成一次3 2 位浮点数乘法和一次加法：采用哈佛结构多总线结构；流水作业技 术( 四级流水) ：片内具有3 4 k 的快速r 埘，d s p 可以无等待的访问片内快速r a m ， 可以把程序加载到片内r a m 中运行。大大提高了程序的运行效率：具有适合于数 字信号处理的特殊的寻址方式和指令。 图2 - 1 3 为本课题c p u 模件中d s p 模块的整体结构 图2 - - 1 3c p u 模件中d s p 模块的整体结构 t m s 3 2 0 v c 3 3 外部最大寻址空间为1 酬，为了实现保护硬件的最大化，同时实 现保护故障录波功能，外扩了2 5 6 k 高速r a m 、5 1 2 kf l a s h 。t m s 3 2 0 v c 3 3 具有内 部高速同步串口( s p i 口) ，可以方便的实现板内及板间器件的同步通讯，由于 t m s 3 2 0 v c 3 3 没有异步串口，所以本课题利用t l l l 6 c 5 5 0 芯片外扩了一个异步串 口，图2 - 1 4 为外扩异步通讯模块的原理图。 第2 3 页 国电自动化研究院硕士学位论文 图2 - - 1 4 外扩异步通讯模块的原理图 2 2 保护c p u 模件硬件设计小结 保护c p u 模件硬件设计借鉴软件模块化设计思想，将保护模件的核心d s p 模块 和信号模块独立设计，充分考虑微机保护硬件设计的最大化原则，解决了以往微 机保护装置普遍存在的硬件升级困难的问题，同时不同的微机保护可以继承已经 成熟的保护硬件核心模块，使新的微机保护装置开发周期缩短。 保护模件的核心模块采用t i 的3 2 位高性能浮点d s p ( t 螨3 2 0 v c 3 3 1 5 0 ) 取 代传统的8 位或1 6 位单片机，使得保护算法中大量的浮点乘加运算时间大大减少， 减轻了处理器的负担，使实现复杂保护算法成为可能，提高了微机保护装置的整 体性能。采用a l t r a 公司的c p l d 技术将大量的外围逻辑电路集成在一块芯片中， 使得电路的设计更加简化和灵活，增加系统可靠性并具有良好的保密性由于 t m s 3 2 0 v c 3 3 是3 2 位处理器( 外部数据总线3 2 位，运算器4 0 位) 在微机保护应用中 实现数字滤波器时可以达到很高的精度。 保护模件的信号模块设计充分考虑了硬件抗干扰措施和自检功能。为了防止 外部浪涌影响微机工作，应该保证外部端子排任一点同微机部分无电的联系。所 以对输入、输出信号都进行了隔离和屏蔽措施。模拟量输入回路所涌入的共模干 扰信号可以由电压形成回路中的小变压器进行隔离，对于差模信号，它对保护威 胁一般不大，数据采集系统中的前置低通滤波器能很好地吸收差模干扰。对于发 电机的转子电压，它是直流电压，可以用光电隔离。开关量输入经过了光电隔离。 开关量输出回路也进行了光电隔离，驱动继电器线圈的弱电电源和微机所用电源 之间进行了光电隔离，以防止线圈回路切换产生的干扰影响微机工作。 第2 4 页 国电自动化研究院硕士学位论文 第三章数字滤波及保护算法分析 3 1 电力系统故障频谱哪 3 1 1 连续频谱 故障发生后所有的电信号一般都呈现为连续频谱，严格地说，在故障发生后 的暂态过程中，所有的电信号呈现为瞬变非周期信号，它必须是连续频谱。前置 模拟低通滤波器虽然可以抑制高频分量，但是无法改变连续频谱特征。故障暂态 信号精确的数学表达式往往很复杂。实用中可以根据工程实际需要作以下不同的 假设。 ( 1 ) 输入信号由衰减直流分量，加上衰减基波分量和有限个衰减谐波分量， 包括整次和非整次谐波组成，即 f ( t ) - - a o e - 却+ a e 嗍咖( q f + 妒j ) m ( 2 ) 输入信号由衰减直流分量，稳恒基波分量和有限个稳恒谐波分量组成， 即 ，( f ) = 屯p 一鼬+ as i n ( 吼f + 织) ( 3 ) 输入信号由衰减直流分量，稳恒基波分量和稳恒整次谐波分量组成，即 n ，o ) = a 口p 嘞+ 酬f q f + 识) 式中劬为基波角频率 连续频谱可用如下傅氏积分表示为 ，( 妫= f ( t ) e - l d t 0 第2 5 页 国电自动化研究院硕士学位论文 3 1 2 离散频谱 离散频谱只是一种工程上的近似，但在低压网络或某些元件的慢速保护中是 能够满足要求的。同时也考虑输入信号是高频带限的，可根据工程要求作以下不 同的假设： ( i ) 输入信号由稳恒直流分量，稳恒基波分量和稳恒谐波分量组成，即 ，( f ) = 屯+ a 酬鳓h 织) i m l ( 2 ) 输入信号由稳恒直流分量，稳恒基波分量和稳恒整次谐波分量组成，即 f ( t ) = a o + a ls i n ( i ：- o l t + o i ) i - i 按照具体的保护指标和对象的特性，选择合适的输入信号数学模型，这是设 计数字滤波器的前提 3 2 数字滤波器i “姗 电力系统在故障起始瞬间，电压和电流信号中含有衰减的直流分量信号和谐 波成份。微机保护装置要在系统故障时，以尽可能短的时间，在尽可能小的范围 内，把故障设备从电网中切除。微机保护装置的原理一般建立在正弦基波或者某 些整次谐波的基础上的，所以微机保护在对a d 采样后得到的数字信号进行分析 处理之前，要先经过数字滤波处理。 数字滤波器可以理解为一段程序，微机保护通过执行这段程序，将输入信号 的数字时间序列转换成代表输出信号的数字时间序列，并在转换过程中，使信号 按照预定的形式变化，以取得信号中的有用分量去掉无用分量，从而达到滤波的 目的。对模拟滤波器，要设计一个物理电路，使其输入输出满足预定的滤波要求 而实现同一特性的数字滤波器，只需要按所设计的数学模型编制程序。与模拟滤 波器相比，数字滤波器主要有以下优点。 ( 1 ) 滤波精度高。在数字滤波器中增加字长很容易提高精度。 ( 2 ) 性能稳定。模拟滤波器中各元件受温度变化，元件老化等因素影响比较 大，而数字滤波器不存在元件老化、元件特性差异等导致滤波器特性不一致等问 题。一旦程序设计完成，每台装置的特性可以做到完全一致，而不用逐台调试。 第拍页 国电自动化研究院硕士学位论文 ( 3 ) 灵活性高。如果改变数字滤波器的性能，只要改变程序或者存储的参 数值就可以得到不同特性的滤波器，而模拟滤波器改变性能就比较麻烦 ( 4 ) 可以时分复用。若采用模拟滤波器则必须每个通道装设一个滤波器，而 一个数字滤波器通过分时调用程序，可以完成多个通道的滤波任务。 d 哆 嘲 睦l 睦 b 啊 0 岛 旧 图3 1 四种理想溺良器的幅频特性 纠低通嘲高逶时带通l d l 带阻 滤波器就频率 特性而言可以分为 高通、低通、带阻和 带通滤波器。其理想 幅频特性如图3 _ 1 所 示。在继电保护中， 低通、带通、和带阻 特性都有应用，虽然 在数字信号处理领 域，对数字滤波器的 研究已经有了非常完善的理论体系和成熟的设计方法，但是电力系统信号具有自 身的特点，有些方法并不是完全能够适用的。同时，对于电力系统中各种故障信 号研究的结果，又导致了许多具有针对性的新的数字滤波器。 3 2 1 数字滤波器的主要性能指标 数字滤波器的一般形式，可以表示为以下的n 阶常系数线性差分方程 y ( n ) = y a , x ( n - i ) - b f | y ( n f ) 其中x ( n ) ，y ( n ) 为滤波器的输入序列和输出序列，a k 、以为滤波器的系数 m 、 4 l z 一 以加嚣2 轰n 滤波器的差分方程通过z 变换得到的传递函数h ( z ) 后，令z = e 鹇，就得到 国电自动化研究院硕士学位论文 了滤波器的频域响应； h ( z ) i ：。_ = h 0 喝) = 日0 鹏) i e 州峨 式中，国= 2 万，l 为采样周期。 ih ( e j d , ) l 为滤波器的幅频特性，似明：) 为滤波器的相频特性。 延迟特性定义为 f ( 妫；d e ( a f t , ) d c a 对多数微机保护来说，只用到基波和某次谐波，因此最关心的是幅频特性。 进行相位比较时，只要参加比相的各量采用相同的滤波器，其相对相位总是不变 的，因此极少考虑滤波器的相频特性。对幅频特性的要求是阻带衰减大，过渡带 下降陡，对高次谐波等干扰分量幅值衰减大，通带不能太窄，以保证系统频率发 生波动时( 尤其在故障状态时) 有足够的增益。 频域特性是滤波器对单一频率输入信号时的响应特性，而实际输入的信号除 基波外还含有大量的低频和高频分量，虽然对于线性滤波器可以应用叠加原理来 处理，但是所需要的参数算法，如幅值、相位、阻抗、功率等的计算却是非线性 的。另外，继电保护要对突发故障作出正确响应，因此更关心在突加故障信号时 滤波器的响应，即暂态响应，这不同于通常意义的频域特性。 3 2 1 2 时延和计算 时延和计算量与采样率、数据窗有紧密关系。电力系统数字滤波有着自身的 特点，考虑到微机保护快速动作的需要，滤波器数据窗不宜选择过长。对于通用 处理器来说加减运算时间微不足道，但是乘除法所费时远远大于加减法，所以采 用通用处理器的微机保护装置要采取一些特殊的方法来减轻处理器的运算负担， 加快乘除法运算。本课题采用t i 的d s p 处理器，其一个指令周期可以完成一次 乘法和一次加法，大大提高了处理器对乘除法的运算能力，简化了微机保护软件 设计，使微机保护软件设计者可以把精力更多的用于保护原理的实现。 3 2 2 微机保护常用几种数字滤波器的分析和设计方法脚 3 2 2 1 减法滤波器 减法滤波器的差分方程为 第篮页 国电自动化研究院硕士学位论文 y ( n ) = 板以) 一x ( n k ) 将上式两边进行z 变换，可得到传递函数h ( z ) 为 日( z ) ；嚣- l 一 令z = 口埔，得到减法滤波器的频率特性为 幅频特性为 h ( e l d , ) 1 - e - j d r = 1 一咄( 七红) + j 蛳_ | 碣) i 么呼一切丢) 日。鸬) 厄；面面再i 丽丽 其相频特性为 ：2 l s i n 剿 i 2l m = a 础( 朋= 嗍毒箍 k o y r , ；删。至：至一丝 副怫翦2 i 一彳 s m 一 如果想要滤去a 次谐波，设国= 概，q 为基波的角频率，q = 2 矾， 是 基波脯酬日 鹏籼，即2 l s i n 铡- o ，贿 下k 2 a , , t , = p 石( p = 。，1 ，2 ，) 当，j 确定后，按设计要求得a 值，便可以确定减法滤波器的k 值。 第2 9 页 p a = 堕研 到 拈 得 工一 = 一工 = t 国电自动化研究院硕士学位论文 注意当国= o ，必然有a - - 0 ，则1 日0 鸠) o ，所以无论l ，k 取何值，直 流分量总能滤除。若令k = ，j ， ，减法滤波器将消去基波以及直流，所有的整 次谐波，在稳态情况下，该滤波单元没有输出在发生