（电工理论与新技术专业论文）基于dsp的变压器后备保护装置的研究与设计.pdf

a b s t r a e t w i t ht h er a p i dd e v e l o p m e n to fp o w e ri n d u s t r i a li no u rc o u n t r y ，t h ep r o t e c t i o n d e v i c ef o rt r a n s f o r m e rw h e t h e rc a ne x a c t l y ，t i m e l y ，r e l i a b l ya c t ，w h i c hi so n eo fa n i m p o r t a n tf a c t o rf o rp o w e rg r i dt og u a r a n t e er u n n i n gs e c u r e l yi nm o d e r ne l e c t r i c s y s t e m n o w , t h er e a lt i m e ，p r e c i s i o no fc a l c u l a t i o n a n dt h ev e l o c i t yo fr u n n i n g d a t u ma r e r e q u i r e d t o i m p r o v e o nb a c k u p p r o t e c t i o n d e v i c ef o rt r a n s f o r m e r s i n g l e c h i ps y s t e mc a n ts a r i s f yu s e r sr e q u i r e m e n t si nm a n ys i t u a t i o n sh o w e v e r ， d s ps y s t e mw i l lg r a d u a l l ys u b s t i t u t es i n g l e c h i ps y s t e mb e c a u s eo fi t sa d v a n t a g e s ， s u c ha st h ev e l o c i t yo fr u n n i n ga n dh i g hp r e c i s i o n d s po w n sr a p i di n s t r u c t i o np e r i o d s ，a d d r e s sb u s e ss e p a r a t e df r o md a t ab u s e s ， w h i c hc a ne x c e l l e n t l ya d a p tt ot h er a p i dd i g i t a l s i g n a lp r o c e s s b e s i d e s ，i th a s a b u n d a n c eo fh a r d w a r e r e s o u r c e s ，s t r o n gi n s t r u c t i o n s ，e x c e l l e n c ed e v e l o p i n g c i r c u m s t a n c ea n dc o r r e s p o n d i n gw i t hd e v e l o p i n gp l a t f o r m ，w h i c hg r e a t l yi m p r o v e p e r f o r m a n c eo fp r o t e c t i o np r o d u c t s b a s e do nt h ed s p 5 6 8 0 7c h i po fm o t o r o l a c o m p a n y ，t h i sp a p e rp r o p o s e sad e s i g n i n gs c h e m eo fb a c k u pp r o t e c t i o nd e v i c ef o r t r a n s f o r m e r ，w h i c hi n c l u d e sm e a s u r i n g ，p r o t e c t i o na n dc o m m u n i c a t i o ne t c t h er e l i a b i l i t yo fm i c r oc o m p u t e rp r o t e c t i o n ，p r o t e c t i o n a l g o r i t h m o fm i c r o c o m p u t e ra n dd e s i g n i n go fd e v i c ea r es t u d i e di nt h i sp a p e r f i r s t l y ，t h er e l i a b i l i t yo f m i c r oc o m p u t e rp r o t e c t i o ni sa n a l y z e da n dc a l c u l a t e da c c o r d i n gt ot h e o r y a tt h e s a m et i m e ，t h er e l i a b i l i t yo fb a c k u pp r o t e c t i o nd e v i c ef o rt r a n s f o r m e rw i t hs e l f - e x a m i se s t i m a t e db yc o n s t r u c t i n gs t a t e m o d u l e s o m em e a s u r e m e n t so fr e l i a b i l i t ya b o u t b a c k u pp r o t e c t i o nd e v i c e f o rt r a n s f o r m e ra r ea l s op r e s e n t e ds e c o n d l y ，s o m eo f t y p i c a lp r o t e c t i o na l g o r i t h m sa b o u tm i c r oc o m p u t e ra r er e s e a r c h e di nt h e o r yl a s t l y ， b a s e do nu n d e r s t a n d i n gt h es t r u c t u r ea n df u n c t i o no fb a c k u pp r o t e c t i o nd e v i c ef o r t r a n s f o r m e r ，i t sh a r d w a r ea n ds o f t w a r ea r ed e s i g n e da n di n t r o d u c e d t h eb a c k u pp r o t e c t i o nd e v i c ef o rt r a n s f o r m e rb a s e do nd s pw a sp a s s e d p e r f o r m a n c ec r i t e r i o n so fr e q u i r e db yu s i n gd y n a m i cs i m u l a t i o n s r e s u l t st e s t i f i e d t h a tt h ed e v i c eh a sh i g hm e a s u r i n gp r e c i s i o n ，h i g hc o r r e c ta c t i o n ，h i g hr e l i a b i l i t ye t c n o w , t h ea p p l i c a t i o no fb a c k u pp r o t e c t i o nd e v i c ef o rt r a n s f o r m e rb a s e do nd s pi s v e r yw i d ef r d i ni t sr e s e a r c h i n g k e yw o r d s ：v r a n s f o r m e r ；b a c k u pp r o t e c t i o n ；i ) s p ；a l g o r i t h mo fp r o t e c t i o n ； r e l i a b i l i t y 湖南大学 学位论文原创性声明 本人郑重声明；所呈交的泛文是本人在导魉豹擐导下独克避行研究所取 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 他个人域集体已绎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插明。本入完全意识到本声明的法律后果 由本人承担。 作者签名： 丁律氰 日期：瑚年辛月t o 丑 学位论文版权使用授权书 本学位沦文作者完全了解学校有关保留、诬瑁学位论文的规定，嗣意学 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何论文的全部或部分内容编入有关 数据序进行检索，叫以采用影印、综e p 或扫描等复铡手段保存和汇编本学位 论文。 本学位论文属于 l 、缲餐口，在年解密后适用本授权书。 2 、不保密。 ( 请在以上相应方框内打“”) 作者签名： 丁痒氮 日期： 侧年辛月，口日 导师签名： 粼喃 日期： 即6 年垆届f d 日 硕士学位论文 第1 章绪论 随着我国经济的不断发展，人们对电的需求和依赖性变得越来越强烈，电力 j 二业得到了前所未有的发展，它对国民经济的快速发展起到了强大的支撑作用， 担负着为工农业生产和人们生活提供电能的重要责任。伴随着电力工业的蓬勃发 展，继电保护事业也同时得到了很大的发展。满足电力系统安全运行的要求一直 都是电力系统继电保护发展的强大动力。 1 1 继电保护概述 在电力系统运行过程，由于各种各样的原因，从而导致各种故障和不正常运 行状态的发生，最常见同时也是最危险的故障是发生各种形式的短路。在发生短 路时可能产生以下的后粜【l # j ： ( 1 ) 通过故障点很大的短路电流和所燃起的电弧，使故障设备烧坏。 ( 2 ) 发生故障时，由于通过短路电流时所产生的热和电动力导致系统中设 备的使用寿命缩短。 ( 3 ) 因电压降低，破坏用户工作的稳定性或影响产品质量。 ( 4 ) 破坏电力系统并列运行的稳定性，引起系统振荡，甚至使整个系统瓦 解。 电力系统中电气元件的正常工作遭到破坏，但没有发生故障，这种情况属于 不正常运行状态。例如，因负荷超过电气设备的额定值而引起的电流升高( 一般 又称过负荷) ，就是一种最常见的不正常运行状态。由于过负荷，使元件载流部分 和绝缘材料的温度不断升高，加速绝缘的老化和损坏，就可能发展成故障。此外， 系统发生功率缺额而引起的频率降低，发电机突然甩负荷而产生的过电压，以及 电力系统发生振荡等，都属于不正常运行状态。一旦故障和不正常运行状态存在， 就有可能在电力系统中引起各种事故。 因此，在电力系统中，除应采取各项积极措施消除或减少发生故障的可能性 以外，故障一旦发生，必须迅速而有选择性地切除故障元件，这是保证电力系统 安全运行的最有效的方法之一。切除故障的时间常常要求小到几十毫秒甚至十几 毫秒，实践让明只有装设在每个电气元件上的继电保护装置才有可能满足这个要 求。继电保护装置，就是指能反应电力系统中电气元件发生故障或不正常运行状 态，并动作于断路器跳闸或发出信号的一种自动装置。它的基本任务是 1 】= ( 1 ) 自动、迅速、有选择性地将故障元件从电力系统中切除，使故障元件 免于继续遭到破坏，保证其它无故障部分迅速恢复正常运行。 ( 2 ) 反应电气元件的不正常运行状态，并根据运行维护的条件( 例如有无 基于d s p 的变压器后备保护装置响计艽与啦计 经常值班人员) ，而动作于发出信号、减负荷或跳闸。此时一般不要求保护迅速动 作，而是根据对电力系统及其元件的危害程度规定一定的延时，以免不必要的动 作和由于干扰而引起的误动作。 1 2 我国微机保护技术的发展 近半个世纪束，由于计算机技术的飞速发展，计算机已经应用于各行各业， 给各个部门的面貌带来了巨大的甚至质的变化，小可避免，它的影响也扩展到了 继电保护技术的发展。微机保护以其优于晶体管，电磁型及集成电路型的继电保 护特性而迅速得到了普及、推广及应用，得到了长足的发展和普遍的认同。 自从2 0 世纪6 0 年代末南g d r o c k e f e l l e r 等人倡议用计算机构成继电保护装 置后，随着微机技术的迅速发展。微机保护由研究丌发逐步进入实际应用，国外 各继电保护装鼍制造厂家均已推出基于微机型的继电保护产品 3 - 5 1 。我国微机保 护的研制起步虽晚，但步伐很快。在我国，微机继屯保护的发展大体经历了三个 阶段1 6 1 1 1 ：第一个阶段为以单c p u 硬件结构为主，数据采集系统由逐次逼近式的 a d 5 7 4 芯片构成，硬件及软件的设计符合我国微机保护装置的“四统一”设计标准。 使用单c p u 的微机保护具有较强的针对性，系统结构紧凑、整体性能和可靠性高， 但通用性、可扩展性相对较差。单片机内的片内资源有限，实际应用时常常需要 对其功能进行补充和外部扩展；第二个阶段为以多个单片机构成的多c p u 硬件结 构为丰，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，硬件及软件 的设计方面吸取了第一阶段微机保护装置的成功运行经验，并针对第一阶段微机 保护装置存在的问题进行了改进。同时，利用多c p u 的特点，强化了自检和互检 功能，使硬件故障可定位到插件，对保护的跳闸出口回路，具有完善的抗干扰措 施及防止拒动和误动的措施，容易实现与多单片机系统的多c p u 接口；第三阶段 为以高性能的1 6 位单片机构成的硬件结构为主，具有总线不引, q t 芯片，电路简单 的特点，抗干扰能力进一步加强，完善了通信功能，为变电站综合自动化系统的 实现提供了强有力的环境，由于高性能单片机包含了微机保护所需的各种硬件功 能，使新型微机保护的电路设计异常简单可靠。目前，国内微机保护在原理、性 能和主要技术指标上均己达到国际先进水平，其制造工艺也逐步达到先进水平。 1 3 采用微机保护的优越性 目前，微机保护已取得了许多现场运行经验，为电力系统安全稳定运行发挥了 作用。它具有以下优点“ ： ( 1 ) 体积小、功能全：由软件实现多种保护功能，可大大简化装置的硬件 结构，可以在事故后，打印出各种有用数据，例如故障前后电压、电流的采样值、 硕士学位论文 故障点距离、保护的动作过程和出口时间等。 ( 2 ) 灵活性强：由于微机保护装置是由软件和硬件结合来实现保护功能的， 因此在很大程度上，不同原理的继电保护的硬件可以是一样的，换咀不同的程序 即可改变继电保护功能。 ( 3 ) 可靠性高：体现在数字元件的特性不易受温度变化、电源波动、使用 年限的影响，不易受元件更换的影响；且自检和巡检能力强，可用软件方法榆测 主要部件、部件的工况以及功能软件本身。 ( 4 ) 综合判断能力强：利用微计算机的逻辑判断能力，很容易解决常规继 电保护中当需要考虑的因素太多时，用模拟电路很难实现的问题，因而可以使继 电保护的动作规律更合理。 ( 5 ) 町毗进行远方监控：微机保护装置具有串行通信功能，与变电所微机 监控系统的通信联络使微机保护具有远方监控的特性。 1 4d s p 技术在微机保护中应用的意义 目前，随着电力系统的不断发展，电力系统对保护设备的实时性、计算能力 及大量数据运算速度等各方面的要求不断提高，传统的微机保护装置因其硬件资 源及功能过于简单、运算能力弱、冗余度低、开发平台不完善等问题，已不能很 好地满足系统要求。而新一代处理器数字信号处理器( d s p ) ，具有丰富的硬 件资源、强大的数据处理能力以及先进的开发平台等优势。快速的指令周期、哈 佛结构、专用的乘法器、特殊的指令，加上集成电路优化设计，可以使d s p 的指 令周期达到2 0 0 n s 。在相同的主频下，比目前最先进的个人计算机快1 0 5 0 倍。 将d s p 应用于微机继电保护，极大地缩短了数字滤波、滤序和傅立叶算法的计算 时间，不但可以完成数据采集、信号处理的功能，还可以完成以往主要由c p u 完 成的计算功能，甚至完成独立的继电保护功能，这些都极大的提高了保护产品的 性能【8 1 0 。 因此将d s p 芯片应用丁；_ 微机保护装置中，有着传统单片机不可比拟的优势。 随着d s p 芯片的性价比不断提高，开发工具越来越完善，应用领域越来越广，它 将逐步取代单片机。将d s p 芯片应用于微机保护装置不仅可行，而且很有必要， 具有重要的现实意义。 1 5 本文所做工作 课题进行了以下几个方面的理论与实际问题的研究： ( 1 ) 微机保护可靠性方而的研究。 ( 2 ) 小波变换在保护算法方面的理论研究。 基千d s p 的变肝器后备保护装置的研咒与世计 ( 3 ) 根据变压器后备保护的特点，选择高速、灵敏度好、实用性强的保护 算法。 ( 4 ) 基于d s p 的变压器后备保护装置的硬、软件设计。 针对课题研究内容，论文安排如r ： 第1 章绪论 第2 章微机保护的可靠性研究 第3 章微机保护的算法研究 第4 章变压器后各保护装置的设计 第5 章装置性能测试与结果 结论 硕士学位论文 第2 章微机保护的可靠性研究 可靠性是电力综合自动化系统的基本要求之。随着电力系统的容量及负荷 的增加，电力系统日趋复杂，在提高电力系统运行经济性的同时，对电力系统的 可靠性要求也必然提高。因此，提高保护系统的可靠性是一项十分重要和迫切的 工作，开展对微机保护可靠性的理论研究有着巨大的现实意义。由于微机保护可 靠性研究涉及范围广，在课题中不可能逐一展开研究，只能对其中我们比较关心 的问题进行初步的研究，为今后该课题的进一步深化打r 一个基础，故在论文中 对微机保护系统的可靠性、微机保护装置的可靠性作了较为详细的讨论。 2 1 可靠性基本理论与分析方法 可靠性是指元件、产品、系统在规定环境下、规定时间内完成规定功能的能 力，或者是产品能保持其功能的时间。它综合反映了元件、产品、系统的耐久性、 维修性、无失效性和使用经济性等。 可靠性的研究对象是元件或系统，而元件或系统的概念是相对的，为简便起 见，在研究微机保护系统的可靠性时，统一用元件作为定义对象。通常，可以将 元件分为不可修复元件和可修复元件两大类。由于微机保护装置属于可修复元件， 而构成保护装置的许多基本元件属于不可修复元件。为此，有必要介绍涉及这两 类元件的可靠性的基本概念f 1 2 , 1 3 。 1 可靠性理论中常用的基本概念 ( 1 ) 可靠度：元件在规定的条件下和规定的时间区间内，完成规定功能的 概率，称为元件的可靠度，因为它是在规定的时间内的概率，所以可靠度是时间 的函数。一般用r ( t ) 表示。 ( 2 ) 可用率：元什在起始时刻正常工作的条件下，在时刻t 正常工作的概 率，通常用a ( t ) 表示。 ( 3 ) 累积失效概率：元件在规定的条件下和规定时间内失效的概率，其数 值上等于1 减可靠度，一般用f ( t ) 表示。 ( 4 ) 平均失效间隔时间m t b f ( m e a nt i m eb e t w e e nf a i l u r e s ) ；元件两次失效 间的平均时间。 ( 5 ) 失效前平均时问m t t f ( m e a n t i m e t of a i l u r e ) ：元件从开始使用到发生 失效的平均时间。 ( 6 ) 平均修复时间m t t r ( m e a nt i m et or e p a i r ) ：元件每次连续检修所用时 间的平均值。 2 不可修复元件的可靠性 基于d s p 的变压嚣后备保护装置的研究与设计 如果元件在工作一段对阔后发生失效但不能被修复，或虽能被修复但得z ；偿 失，则这种元件称为不可修复元件。其可靠性可以用可靠度、累积失效率和失效 前平均时间这三个指标来衡量。在不町修复元件可靠性研究过程中，寿命r 足一 个搌重要的对闽变量，它是指元件从使用翼失效止所经历的时间i “1 。 若丁为连续随机变量，表示元件或系统的无失效工作时问，那么时刻f 可靠 工作的概率为： p ( p f ) 一r ( f ) ( 2 1 ) r q ) 称为可靠函数，与，有关，r ( o tm = l ，且( f ) f ，= o 。 元件累积失效的概率为： ，( 如r ) = h 0 ( 2 2 ) f 0 ) 是随桩变量r 的分布番鼗，它反映了元件飙开始使用到时刻f 的所有时b j 内可 能发生失效的概率之和，显然f ( 0 | ，= o = 0 ，h r ) l 。o = 1 。其糍度函数为： ，( f ) = 导f ( f ) ( 2 3 ) - 厂( f ) 是非条件概率密度。 丑9 ) 称为失效率函数，是条件概率密度。其推导过程如下： 硼扣瓣言尸( r 诎i t o = 脚吉坐罱掣 = 脚古等器铲 = 脚壶等2 嚣 泣。， 凼为： f ( t ) = 警= d 1 - 出r ( t ) = 一掣d t 卅 ( 2 5 ) 讲讲 由此推出： 一器一丢l 啡) ( 2 6 ) 对大量不同类型元件的失效数据妁研究表明，五( ，) 呈浴盆曲线形状，并具青 三个明显的区域，如图2 1 所示： 可用藏布尔分布来表示失效率藏线： 五( ，) = 船哥1( 2 7 ) 当f l 1 硕士学位论文 时，五( f ) 呈上升趋势，即区域i i i 。 x ( t ) ii i i 】i 二二- - t 图2 1 浴盆曲线 同时，这i 个区域的分布又代表了元件在运行过程中的三个阶段，具体阐述 如下： 区域i ：元件投入运行的初期阶段，在这一阶段内，主要由于设计上的不完善， 制造上的缺陷，检验疏忽所造成的，例如装置的电路，在制造时锡焊技术不好、 印刷板质量不佳、插件的接触不良都可能给装置造成这类失效，又譬如管理的不 良，没有对元器件进行严格的筛选，使得一些不良元器件安装到了装置中，从而 失效率较高。但随着时间的推移及运行人员的恰当维护，失效率逐渐下降，最后 趋于稳定。 区域i i ：工程上称为正常运行阶段，其运行时间最长。由于前期出现的问题 已经暴露，故中期阶段的失效率, t q ) 接近于常数，这一期问的失效具有随机性质。 区域i i i ：晚期阶段，电子产品在一定使用时间以后，常常使晶体管、集成元 件、电容、电阻等电子元器件老化，寿命趋于衰竭，因而失效率上升，应该更换 元件。 不可修复元件的第三个可靠性指标是失效前平均时间m 了1 z f 。按定义，町表 达为： 肘料= i 矿( t ) d t ( 2 8 ) d 由公式( 2 t 5 ) 可知脚= 一； f t 讲a - - r ( t ) 出= 1 墟( 圳；弘0 ( r ) d t ；再加上由r 俐k 。 = l ，r m i ，：。= o 的条件，从而可以推出t r ( t ) 瞄= 0 的结论。 因此： 以丌= i r ( t ) d t ( 2 9 ) 对于不可修复元件的可靠性计算可以采用多种方法，比如布尔展开定理分析 摹于d s p 的变压器后备保护装置明圳艽与世计 法、全概率公式分析法、最小路集法和故障树分析法等。 3 可修复元件的可靠性 如果元件在t 作一段时间后发牛失效，经过修复后能再次恢复到原先的工作 状态，则这种元件叫可修复元件。它通常具有二个状态，即工作状态和修复状态。 这两个状态的交替描述了元件的整个t 作过程。 描述可修复元什叫靠性的主要指标是可用率a ( 0 、平均失效间隔时间m t b f 及平均修复时间m t t r 。在元件长期运行的稳态情况下，可用率a a ) 为一常数， 且可表示为i t 4 ： 4 f 1 = 塑竺 ( 2 1 0 ) m 1 i r + m i b p 可修复元件的工作属于具有两个状态的马尔柯夫过程。 马尔柯夫过程的具体定义如下”1 ：对于某一个随机过程，如果集合 ( f i ，吐：“) 中的时刻o l 屯 b 越) ， ( 2 2 9 ) 式中： 器一由被铡对象实际情况狭定的两次采样允许的最大差值 j ，、j 。第、1 次的采样值 当采样的个别数据存在偏差时，为了剔除这些错误数据，可采用比较取舍法。 3 。阶递推数字滤波法 模拟系统中常用一阶低通滤波器来削弱干扰信号，但r c 滤波器的时间常数 却不能设计得太大，其主要原因是元件的精度和体积之问静矛盾，使得在制作上 存在很大的困难。因此，考虑用软件方法来代替硬件r c 低通滤波器，即采用一 阶递推数字滤波法。其算法公式为； 乓= e - 7 k 珞一l + ( 1 一口。h ) | j ( 2 。3 0 ) 式中： 、矗一l 第、- 1 次的滤波计算值； j 。第次的采样值： 弘一采样周期； 硕士学位论文 f 一一滤波器的时间常数，f 的大小根据干扰信号的频率来选取。 采用数字滤波法来克服数据采集过程中的随机误差，有以下几大优点； ( 1 ) 可以通过共用一个软件“滤波器”的方式实现对于多路输入信号的滤 波，从而节省系统的硬件成本。 ( 2 ) 数字滤波法是由软什程序实现的，因此不同于硬件，不存在阻抗匹配 的问题。 ( 3 ) 只要适当改变软件“滤波器”的程序或运行参数，就能方便的改变滤波 特性，这对于克服低频脉冲干扰和随机噪声是很有效的。 2 3 3 3 控制失灵的软件抗干扰性措施 控制失灵软件干扰措施主要是为了克服干扰对丌关量读入和动作信号输出的 影响，常用的方法如下： 1 指令复执 指令复执对于重要的指令，特别是输入，输出指令，要重复执行，以确保其正 确。开关量的读入必须两次以上读入一致才有效；若是按键类开关，还应加软件 除抖保护，即加软件延时，延时值一般2 0 m s 左右。动作信号输出时，需将输出 回读，以保证输出信号的正确性。对于微机保护装置，应不断重复该输出命令， 确保动作无误。只要有可能，重复周期应尽可能短，这样当外部设备接到一个被 干扰的错误信息后，还来不及做出有效的反应，一个正确的输出又来到，就可及 时防止错误动作的产生。 2 多重动作指令 保护出口驱动电路的控制不由单条指令实现，而要分成两条或多条指令的组 合来执行，否则对该控制指令的任何干扰都有可能引起误动作。 3 设置当前输出状态寄存单元 当干扰侵入输出通道造成输出状态破坏时，系统可以及时查询当前输出状态 寄存单元的输出状态信息，及时纠正错误的输出状态。 4 设置自检程序 在计算机系统内的特定部位或某些内存单元设状态标志，在运行中不断循环 测试，以保证系统中信息存储、传输、运算的高可靠性。 2 3 3 4 程序跑飞的软件抗干扰性措施 程序跑飞的软件抗干扰措施主要有“指令冗余”、“软件陷阱”和“软件狗”。 1 指令冗余 d s p 取指令的过程是先取操作码，然后取操作数。区别某个数据是操作码还 是操作数，完全由取指令顺序决定。当一条完整的指令执行完后，紧接着取下一 条指令的操作码，操作数。对于这些操作时序都是通过程序计数器p c 控制的。 9 基于d s p 的变压器后备保护装置的研究与设计 因此，一旦p c 因干扰出现错误，程序就会出现“跑飞”的现象。当程序“跑飞”到某 单字节指令上时，能自动纳入正轨；当程序“跑飞”到某双字节指令或三字节指令 上时，若刚好在取指令时刻落在其操作数r ，就会将操作数误当为操作码，导致 程序出错。因此为了确保指令的正确执行，可在双字节或j 字节的指令后插入几 个单字节空指令，以保证跑飞的程序能重返正常轨道。指令冗余得以实现的前提 是程序跑飞到程序区并执行了空操作，否则指令冗余不起作用。应当注意的是在 一个程序中“指令冗余”不要使用过多，否则会降低程序的执行效率。因此一般只 在一些对程序流向起着决定作用的指令( 如跳转指令) 及对系统工作状态至关重 要的指令( 如中断指令) 前面，人为地插入几条空操作指令。 2 软件陷阱 软件陷阱是指存程序存储器的未使用区域中，加上若干条空操作或无条件跳 转指令，如果程序跳到这些未使用区域中，就会执行无条件跳转指令，强行将程 序引向一个指定的地址，在那里有一段专门对程序h 错处理的程序，以便引导程 序进入正常的运行状态。由于软件陷阱都安排在正常程序执行不到的地方，因此 小会对程序的执行效率造成影响。 3 软件狗 “看门狗”是根据程序在运行指定时间间隔内未进行相应的操作，即未按时复 位看门狗定时器，来判断程序运行出错的。因此，软件狗实际上是一个软件监视 系统，通常利用软件定时器或硬件定时器的中断，在中断程序查询某个设定的标 志时，若标志不为零，则清零或减1 后退出；若标志为零，则执行复位指令或转 向出错处理程序，在出错处理程序中完成各种善后工作，再使系统复位。在系统 中根据要求的j | 【视时间的k 短去设置标志，一旦程序未能在给定的时间内熏j 葺! 标 志，就会导致系统复位。软件狗对不带硬件狗电路而有定时器中断的微机系统特 别有用，其缺点是额外占用了一个定时器。 软件抗干扰和硬件抗干扰各有其优缺点，其中软件抗干扰可以根据信号和环 境的不同，选用不同的抗干扰方法，而无须改变硬件结构，因而灵活多变，功能 强大，可以解决硬件所不能解决的一些问题，同时有利于节省硬件开销。但软件 抗干扰是被动的，本质在于“抗”，而不在于“拒”，此外它抗持续强干扰的效果并 不理想。而硬件抗干扰在于“拒”，即把干扰“拒”于系统之外，使系统免受干扰的 影响，达到稳定运行的目的。但是，硬件抗干扰措施无论如何完善，彻底消除干 扰是不可能的口“。因此，只有采用硬件和软件相结合的办法柬取长补短，才能取 得最佳的抗干扰效果，从而使微机保护装置的可靠性得到很大程度的提高。 2 4 小结 可靠性是微机保护的基本要求之一，本章首先讨论了有关可靠性的基本理论 硕士学位论文 与分析方法在上述理论的指导下，对于属于可修复元件的微机保护装置，构造 了个状态空间模型，为带自检的变压器后备保护装置的可靠性作出了估算。同 时，本章还给出了提高微机保护的各种措施，主要从硬件冗余、硬件抗干扰、软 件抗干扰这三个方面进行了论述。 ：一：茎三! 垩墼圣竺量星茎堡篓董茎竺至薹皇耋鎏 第3 章微机保护的算法研究 微机保护是针对若干个离散的、量化了的数字采样序列，通过采用数学运算 方法柬实现故障量的测量、分析和判断。微机保护的基本问题就是寻找适当的离 散运算方法，不但能使运算结果的精度满足要求，同时，还使计算耗时尽可能短。 3 1 工频有效值的计算方法 变压器后备保护的算法种类很多，而参数计算的准确性关系到装置的动作行 为是否正确。在保护算法中主要针对的是故障时的信号，反应故障特征的量，这 时信号通常含有严重的直流分量及衰减的谐波分量等。常用的工频有效值计算的 方法有：两点采样值乘积法、半周积分算法、傅氏算法等。 3 1 1 两点采样值乘积算法 该算法以假设被采集的电流、电压信号均为理想的正弦函数为前提，未考虑 非周期分量和高次谐波。它利用正弦函数的特性，从若干离散采样值中计算工频 有效值，以电流信号为例，其具体公式如下： ：望生二堡i 竺竺三( 3 1 ) 2 s i n w a t 式中i 2 与i l 相差一个采样岗期间隔n 为基波分量的角频率；，为工频有效值。 该算法只用到2 点采样值，计算简单，但精度差，日由丁以被采集的信号为理想 的正弦函数为前提，因此受各次谐波的影响都很大。 3 1 2 半周积分算法 半周积分算法的依据是一个正弦信号在任意半个周期内绝对值的积分为常 数m 。以电流信号为例： r 2 m = f 压，is i n ( r o t + 口) l d ( 32 ) i f 述积分改为求和，采用矩形积分得： 上述积分改为求和，采用矩形积分得： m ：主l 睁k ( 口) 扭 ( 3 3 ) k = l 2 丘( 口) = i s i n 口+ ( 女一1 跹】| k = l ( 34 ) 硕士学位论文 其中：第k 次的电流采样值； 一周内的采样点数； a 第一个采样值的初相角； r 采样周期。 求 ；m 、k ( c t ) 的值就可以求得电流的有效值，。 半周积分算法的突出的优点是由于计算量较小，因此可以迅速得到输入采样 值的有效值。算法本身具有一定的滤除高频分量的能力，对叠加在工频分量上的 幅值不大的高频分量在半周积分中其对称的正负半周相抵消，而未被抵消的部分 所占的比重就减小了，但是该算法无法抑制直流分量。 3 1 3 全波傅氏算法 傅里叶算法的基本原理是将被测的周期信号分解为 系列三角函数之和，再 采用某一正交样品函数组，与被分析的时变周期函数进行积分变换，求出与样品 函数频率相同分量的实、虚部系数，从而求出被分析函数中该频率谐波分量的有 效值。 将被采样的模拟信号近似为一个周期性的时问函数，根据傅氏级数的概念， 可将此信号分解为不衰减的直流分量和各整次谐波分量。以电流输入信号为例， 如果电流为： f ( ，) = i o + 1 。c o s ( h o o t 一) ( 3 5 ) 月t l 式中：。恒定直流分量 t 频角频率 ，。第”次谐波分量的幅值 吼第n 次谐波分量的相位 将公式( 3 5 ) 展开，并用实部和虚部形式表示，则： 耐) = 厶+ ( kc o s n o t + i 。s i n n o x ) ( 3 6 ) n - i 上式包含了恒定的直流分量及各次谐波分量，后备保护主要考虑工频分量( n = 1 ) 。 工频分量的实部( 。) 和虚部( 。) 分别为： ，i 。= 土n ( r ) c o s o j t d t ( 3 7 ) “二 1 ；= 一二i i ( os i n ( o t d t ( 3 + 8 ) 刀_ | 对于离散数字信号，上述积分改为求和，采用矩形积分，如果每周采样次， 则第置次采样时的电流工频分量的实部( ，一。) 和虚部( 几) 分别为： 董三呈垩竺茎里矍呈量堡篓兰兰墼至耋皇篓坠 c ( k ) 2 专m 萋f ( 五一+ 吖) c 。8 等 3 9 ) 1 t “耻一号差t c k - n + 坤i n 等m 则申流工 顷有效侑为： ，：塑篮 v2 ( 3 1 1 ) 拿波傅氏算法可以达到较为理想的滤波目的，不侗能滤除所有整次谐波分量 和恒定的直流分量，也能较好地滤除线路分布电容引起的高频分量。但对于短路 电流中含有按指数衰减的非周期分量，由于它具有很宽的连续频谱，在低频段密 度最大，傅氏算法在这种情况下计算误差较大；另外，由于它要求输入信号为周 期函数，所蛆非周期函数的输入将会产生一定的误差。因此，傅氏算法对滤除衰 减的直流分量、非整次谐波却不够精确。 3 1 4 半波傅氏算法 全波傅氏算法的滤波效果是比较好的，但是数据窗需要一个周波，半波傅氏 算法将数据窗缩短到半个周波加一个采样周期。此时，信号工频分量的余弦系数 和正弦系数分别只是在系数和采样点的数量上发生了变化。 仍以全波傅氏算法中的电流输入信号f ( t ) 为例，这时工频分量的实部( i n 。) 和虚部( 几) 分别为： 。= 二i l ( f ) c o s 叫出 ( 3 1 2 ) 万； 1 1 ，= 一= i 坤) s i l lc o t d t ( 3 1 3 ) 万i 写成离散形式后，有如下公式： k ( 班专篙似一n 瑚c o s 等m ( 3 “耻一砉篙峭蛳；n 等m 则电流t 频有效值为： ，( 3 1 6 ) 半波傅氏算法不能消除偶次惜波的影响，当偶次谐波幅值较大时，算法的精 度会降低。因此半波傅氏算法不如全波傅氏算法，它小能有效滤去直流分量和偶 次谐波。 硕士学位论文 3 1 5 基于小波变换的算法 以上算法都是以假定信号无随机噪声干扰为前提进行计算，但实际故障信号 均是含有随机噪声的。本文尝试着把小波变换引入到工频有效值的计算中，利用 小波变换优良的多分辨率特性，滤除衰减直流分量、噪声、频率波动和非整次谐 波分量的影响，从而使工频有效值的计算精度进一步提高。 小波函数的选取不具有唯一性，它有很大的灵活性。不同的小波基函数均有 各自的优势和缺陷，其优劣不可一概而论。事实上，同一个工程问题用不同的小 波函数进行分析时有可能产生截然不同的结果，小波函数的选取一直都是小波分 析应用到实际中的一个难点问题，同时也是小波研究的一个热点问题。目前，往 往通过经验或不断的试验来选择小波函数。本文是在对多次实验结果进行分析、 比较的基础上，选用了d b 4 小波。 1 d b 小波系介绍 1 9 8 8 年，小波理论的奠基者之一d a u b e c h i e s 对尺度2 整幂条件下的小波变换 进行了较深入的研究，提出d b n 系列小波，它是紧支集正交小波的代表，具有以 下特点 2 9 , 3 0 ： ( 1 ) 支撑集长度为2 n - l 。n 越小，尺度函数( r ) 和小波函数( r ) 支集越小， 它们对时域信号的局部化能力越强。 ( 2 ) n 代表了小波函数v p ) 的消失矩阶数，相应频域表示为高阶零点，便 于突出信号的高阶起伏和高阶导数中可能存在的奇点。 ( 3 ) n 阶次越高正则性越好，小波的光滑性越好，频率扩( ) 表现出良好的 局部化能力。 这里，我们给出d b 4 小波的尺度函数、小波函数、分解滤波器和重构滤波器 的图形，如图3 1 所示： 2 多分辨率分析及m a l l a t 算法介绍 定义空间r ( 置) 中的多分辨率分析是指上2 ( 胄) 满足如下条件的一个空间序列 ( 一 椰 ( 1 ) 一致单调性 v _ i 。k k ； ( 2 ) 渐近完全性 n = pu 一= r ( 屁) 妒z e ： ( 3 ) 伸缩规则性能： ，( x ) 一f ( 2 x ) l ，w z 基于d s p 的变压= ；| 后备保护装置的研究与设计 ( 4 ) 平移不变性： ，( x ) j f ( x 一2 j ) 一，v t z 分孵低遁瓣靛嚣 一。，。9 “ ”：i ? ?1 0235巷， 熏构低通滤波嚣 ? 一。l ? | ii o12345a7 分解高谴滹涟嚣 ” 。拣一1 _ 二ij 重构膏遁滤漩器 。 蕊 赣 i 1 9 7?!j 图3 1d b 4 小波的尺度函数、小波函数、分解滤波器和重构滤波器的图形 小波多分辨率分析的信号分解算法，可以将信号在时间和频率不同的多个尺 度上进行分解观察信号在多个尺度上表现，提取所需的特征。多分辨率分析的 过程即为频率剥离的过程口。4 ”。 m a l l a t 塔式算法的基本思想是，将一个分辨率为1 的离散逼近4 ，分解为一 个粗分辨率2 的逼近4 ，和逐次细节信号d j f ( 0 ，t ，) ，其分解可以不断地进 行下去。但在实际应用巾，一般有一个截止频率，分解到以该频率为上限频率的 频段时，整个分解过程结束。这一算法可利用离散小波变换实现。 m a l l a t 分解算法为； 啊( ) = c ，( m ) h ( m - 2 n ) ( 3 1 7 ) d + 。( h ) = c ，( m 培( m 一2 一) ( 3 1 8 ) e 2 硕士学位论文 m a l l a t 重构算法为： c j ( h ) = c 川( m ) 一2 m ) + y , d j + 。( 啪g 印一2 m ) ( 3 1 9 ) 式中c 1 ( 一) 为原始采样信号。h 、g 分别为低通、高通滤波器参数，为分解 层数。 3 算法介绍 通过以上理论分析：若采样频率为6 0 0 h z ，由香农采样定理可知，信号最高 频率为3 0 0 h z 。由多分辨率分析知，c l ( h ) 为o 1 5 0 h z 的信号分量，d l ( n ) 为 1 5 0 - 3 0 0 h z 的信号分量，c 2 ( n ) 为0 - 7 5 h z 的信号分量，a 2 ( n ) 为7 5 1 5 0 h z 的信号 分量，c 3 ( n ) 为0 3 7 5 h z 的信号分量，d 3 ( n ) 为3 7 5 7 5 h z 的信号分量，其中d 3 ( n 1 包含了信号的工频分量，通过重构们( ) 就可阻得到准确的工频信号，系数a 3 ( n ) 可以看成工频信号在相应小波基上的映射，两者存在对应的关系 3 4 , 3 5 i 。信号的能 量与小波变换系数的平方和是等价的，即小波变换系数a 3 ( n ) 的平方和与工频信号 能量存在着对应的关系 3 6 , 37 。 如果用e 。，表示一个周波信号小波变换系数如( n ) 的平方和，则日，反映了这 一频段的能量，设一。为工频信号的幅值，e 。= ( 一。) 2 表示工频信号的能量； 两者能量成正比关系，e 。，岛，= 女，k 为一常数与使用的小波函数和分解方式有关。 对于女值的求法，先用一个已知的纯工频信号进行分解和计算，求出。与，的 比值，即为值。求出i 值后，我们只要采用相同的小波函数进行信号分解，然 后计算出小波变换系数的平方和日；，就可以得到所求工频信号的幅值【” ： 爿6 。= e d 3 + k ( 3 2 0 ) 工频信号的有效值与幅值是i i 倍的关系，因此只要将幅值除以j 就可以得到 所求的有效值。 4 算法仿真 设有如下信号： y q ) = 1 5 0 e 一3 0 t + 1 5 0 s i n ( 1 0 0 m + 2 0 。) - i - 5 0 s i n ( 2 5 0 m + 6 0 。) + 5 0 s i n ( 3 0 0 z a + 1 2 0 。) + 5