（电力系统及其自动化专业论文）基于模糊多判据的变压器保护在dsp上的实现.pdf

t h e r e a l i z a t i o no nd s po fp o w e rt r a n s f o r m e r p r o t e c t i o nb a s e do n f u z z ys e tt h e o r y a b s t r a c t t r a n s f o r m e ri sa ni m p o r t a n t s u p p l yc o m p o n e n t i np o w e r s y s t e m i tm u s tb e i n s t a l l e dw i t hac r e d i b l ep r o t e c t i o n t h et r a n s f o r m e r p r o t e c t i v ea r i t h m e t i cb a s e d o l lf u z z ys e tt h e o r yi n t e g r a t e st h em e r i t so fs e v e r a lp r o t e c t i o nt h e o r i e sa n dh a s s u f f i c i e n t d e p e n d a b i l i t y a n ds e c u r i t y n o w ，m o s to ft r a n s f o r m e r p r o t e c t i v e d e v i c e sa d o p t16 b i tm c ut oi t sm a i n f r a m e t h e s eh a r d w a r es y s t e mh a v el o w e r o p e r a t es p e e d a n dd o n tf tt oa d v a n c e da r i t h m e t i c t or e a l i z et h ea b o v et r a n s f o r m e rp r o t e c t i v e a r i t h m e t i c ，t h i sp a p e ru s e s h i g h s p e e dd i g i t a ls i g n a lp r o c e s s o rc h i p ( d s p ) t h i sc h i pi m p r o v e s t h es y s t e m s o p e r a t es p e e da n dm a k e si t t om a t c ht h e c o m p l e xa r i t h m e t i c b a s e do nt h e h a r d w a r em a d e u po f d s pa n dm c u c h i p s ，t h ep a p e rp r e s e n t sh a r d w a r ed e s i g n s c h e m eo fat r a n s f o r m e rp r o t e c t i o na n dc h o i c e sm a i nc h i p s t h ep a p e ra l s o p r e s e n t s m a i ns o f t w a r ef l o w t h er e s e a r c hi nt h ep a p e ri n c r e a s e dt h et r a n s f o r m e rp r o t e c t i o nh a r d w a r e p e r f o r m a n c ea n dm a k e si tp o s s i b l et or e a l i z et h ec o m p l e xt h e o r yi nt h ed e v i c e h a r d w a r e t h i sk i n d o ft r a n s f o r m e r p r o t e c t i o ni sm o r e a d v a n c e dt h a nt r a d i t i o n a l o n en om a t t e rh a r d w a r eo rs o f h v a r e i ti s f o r e c a s t e dt h a ti th a sap r o m i s i n g p r o s p e c t i nt h ed e v e l o p m e n to f p o w e r s y s t e m k e yw o r d s ：t r a n s f o r n l e rp r o t e c t i o n ，d s pc h i p ，m a g n e t i z i n gi n r u s hc u r r e n t ， f u z z ys e tt h e o r y 。 上海交通大学 学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下 独立进行研究工作所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外， 本论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的作品成果。 对本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均己在文中以明确方式 标明。本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。 学位论文作者签名：，澹 日期：郴年i 月j 、1 日 十 上海交通大学 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、使用学位论文的规定， 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。本人授权上海交通大学可以将本学位 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。 保密日，在三年解密后适用本授权书。 本学位论文属于 不保密口。 ( 请在以上方框内打“4 ”) 学位论文作者签名： 指导教师警研批钰 善髭l 罩l i 毒 日期：护) 年1 月1 日日期如暖年，月山日 上海交通大学硕士学位论文 第一章绪论 一课题来源 第一章绪论 本课题为“中华电力教育基金会许继奖教金”的子项目。 二课题意义 大型电力变压器是电力系统中极其重要的元件，它的安全与否，直接关系到 电力系统能否连续稳定地工作。当变压器发生故障时，应尽快地跳开故障变压器， 使损失降低到最小限度。同时，变压器保护在非故障( 如励磁涌流、过励磁等) 情况下的误动也将给电力系统造成巨大损失。因此实践中对变压器保护提出了很 高的要求，包括可依赖性( 不拒动) 、安全性( 不误动) 、速动性和足够的灵敏度。 目前，二次谐波制动原理的差动保护仍然是变压器保护的主要形式，由于变 压器本身的复杂性，该原理的保护在实践中的正确动作率不是很高。从实际运行 情况看，变压器保护的正确动作率仅为6 0 一7 0 。这给变压器本身和电力系统的 安全运行带来很大挑战。随着大容量变压器应用的日益增多以及电力系统其它因 素的影响，传统的变压器保护算法已无法完全适应电力系统新的要求，因此有必 要对变压器保护展开新的研究工作。 根据近年来各公司、学校、研究院的研究有几种理论比较突出，比如说波 形比较原理、功率差动原理、低电压判据等等。但每一种理论都有其相应的缺陷， 必须与其它保护算法在一起才能提高其可靠性。这一点在后面章节的分析中会给 出详细说明。 由于大型变压器保护所采集的量比一般的线路保护要多得多，其运算量也成 倍地增长。近年来，微机保护在电力系统中得到了广泛的应用，然而到目前为止， 应用于我国电力系统的微机保护产品采用的c p u 大多为8 位或1 6 位单片机。主 要运算处理芯片为c p u 的系统存在着硬件资源及功能过于简单、速度不能满足要 求等缺点。对于微机保护来说。其功能决定了它有极强的实时性，c p u 芯片要实 时采样并把采样值数字化，还要完成保护原理的计算，这对c p u 的计算功能和速 度提出了很高的要求。目前市场上使用的c p u 大部分受结构、时钟和总线的限制， 其指令功能有限，寻址空间小运算能力弱，在很多功能上只能给出初步近似的结 果，算法原理的实现上也受到一定的限制。因此，在国内和国外的微机变压器保 护中，大多仅使用一种单一保护算法。 从以上的分析我们可以看出，在理论上，多种算法结合会给出可靠有效的保 护手段，但现有流行的硬件则不支持大量的计算，这就形成了一对矛盾。 与此同时，在硬件数字领域，数字信号处理器d s p 芯片尤如异军突起，在通 讯电子、音频、图像处理方面大展身手。d s p 芯片的基本特征包括：哈佛结构、 上海交通大学硕士学位论文第一章绪论 流水线操作、专用的硬件乘法器、特殊的d s p 指令、快速的指令周期。其硬件资 源丰富，功能强大，在计算方面更有着传统c p u 无法比拟的优势。以常用的d s p 芯片t i 公司的t m s 3 2 0 c 4 0 以例，其一次 a c ( 乘加) 运算，仅需要4 0 n s ，这是 普通c p u 芯片难以望其项背的。 d s p 芯片的超强运算能力，可以对实时系统做出强有力的数据处理。如果能 把d s p 技术运用到电力系统的继电保护中，无疑可以给硬件平台带来一个飞跃。 三。大型变压器微机保护装置的现状 1 单原理变压器保护 单原理变压器保护是指仅使用一种原理对变压器本体进行保护。文献 3 1 、 文献 3 3 分别对此进行介绍。以文献 3 1 为例。 该成套装置包括变压器主保护、变压器后备保护、变压器非电量保护。其中 主保护配置为：差动速断保护、比率差动保护。 本保护要求主变的各侧c t 都按“y ”形接线，不需要通过外部接线来进行 角度变换，而在进行差动保护计算时对变压器y 形侧的电流自动进行相位校正。 通过修正系数k b h l 、k b i 丑i 使幅值达到平衡。 以y 一l l 接线的变压器为例介绍如下： 主变钟点数y d l t 为u 点钟，高压侧本体为y 形接线，则高压侧c t 接线系 数k c t 为3 低压侧本体形接线，则低压侧c t 接线系数k c t 为l ，令高压侧 c t ( 按y 形接线) 的次级三相电流为ia 、i b 和i c 则在微机计算程序中按i a = i a i b ， i b = i b i c ，i c = i c - i a 求得进行差动计算的三相电流i a 、i b 和i c 。 假设变压器一次侧的电流都是流入变压器的，则差动保护测量的各侧c t 二 次输入电流的向量和。由于在正常运行及外部短路时如没有误差则各侧电流的相 量和为零，所以称为差电流。 ， ，d = ，f ( 双卷变n = 2 三卷变n = 3 ) i i l 差动速断保护的动作判据：j l d bj c d s d i c d s d 为差动速断保护定值，此定值应避开各种不平衡电流及涌流。 这个装置是一个单c p u 装置，其硬件使用了i n t e l 公司的8 0 c 1 9 6 芯片。而 且为了满足大量数据的计算，在c p u 板上的晶振已提高到1 6 m 。这是8 0 c 1 9 6 k b 芯片的最高限制频率。可见，即便是一个简单的保护原理，用单片机完成已经是 相当困难了，更不用说使用这种硬件去完成更复杂的软件功能。 2 多原理变压器保护 多原理变压器保护是指使用两种或以上的原理对变压器本体进行保护。文献 上海交通大学硕士学位论文第一章绪论 3 2 中介绍了一种变压器保护w b h - - 1 0 0 ，它适用于各种电压等级的变压器。 该保护在保护原理方面采用了二次谐波制动和波形比较制动双原理差动主 保护。因为它所使用的是二种不同的保护原理相组合韵方式，故在某些故障情况 下它的性能更加稳定。 它的硬件采用分层多c p u 并行运行的系统结构，c p u 仍选用1 6 位单片机。 在本装置的设计思路中，每个c p u 仅完成一种保护功能。采用这种方法的原因， 仍在于普通c p u 的局限性。由于一片c p u 不足以完成多种保护原理，故只能采用 并行处理的方式。 在这种方式下，由于每个c p u 之间的通讯要使用相应的通讯规约，通讯占用 c p u 的时间，还要有一个管理机对不同原理的c p u 进行管理，造成了硬件资源的 浪费。也提高了生产成本。该装置体积过大，不利于生产、运输。 可见，由于单片机芯片的运算能力较弱，如果定要使用单片机来完成多种 原理的保护运算的话，只能采用多c p u 系统。 四本文的主要研究工作 本文分析了现有的常用微机变压器保护的不足，结合已有的变压器保护理 论，试图在微机变压器保护中引入d s p 芯片，使之发挥其强大的计算功能，并推 进继电保护的发展。本文的主要工作如下： ( 1 ) 在当今流行的d s p 芯片中进行探讨研究，绘出相应的资料，分析每一 种芯片的性能，选择最适合电力系统的d s p 芯片。 ( 2 ) 选择合适的中央处理芯片，使之发挥强大的逻辑分析能力，结合d s p 芯片的强大计算能力。二者结合构成新型的保护硬件平台。 ( 3 ) 在详细分析变压器保护原理和硬件特性的基础上，作出硬件设计总体 方案，并详细考虑作为一个现实的装置，其应具有的模拟量输入、开关量输入、 开关量输出、中央处理单元等等各方面的整体设计。 ( 4 ) 根据设计方案，作出一块核心m c u + d s p 板，实现制板，焊接，通电试 验。 上海交通大学硕士学位论文 第= 章基于模糊多判据的变压器保护软件原理 第二章基于模糊多判据的变压器保护软件原理 一基于模糊集合理论的变压器励磁涌流识别算法 1 传统二次谐波制动方式的局限性 在变压器空载合闸或负载分闸时会产生励磁涌流，励磁涌流波形有很大的间 断角，存在较高的二次谐波分量( 一般情况下大于基波分量的1 5 ) ，而内部故 障情况下二次谐波分量较小( 一般小于基波分量的1 0 ) ，所以防止励磁涌流引 起差动保护误动作的通常方法是，当差动电流中的二次谐波含量超过某一门槛值 时闭锁差动保护。 目前我国电力变压器广泛采用二次谐波制动原理的差动保护，随着电力系统 电压等级的提高和容量的扩大，长线带变压器及变压器低压侧装设电容或电抗器 进行无功补偿或吸收的情况经常出现，变压器区内故障时也会产生大量谐波；另 外，如果变压器空载合闸到内部故障时，亦会产生大量的谐波，这将导致二次谐 波制动原理的保护延时动作，甚至拒动。 现代变压器铁心广泛采用高导磁冷轧晶粒硅钢材料，铁芯饱和点低且剩磁较 大，使得励磁涌流中某一相或两相电流的二次谐波分量很小，为了防止励磁涌流 引起的误动作，往往采用三相二次谐波或制动的方式，这使得合闸于内部故障时 保护动作也较慢。 综上所述，二次谐波制动原理的励磁涌流识别方法在实际应用中存在一些缺 点，虽然它防止了保护在励磁涌流情况下的误动作，但同时它也使得差动保护在 变压器某些区内故障时不能灵敏动作。 2 变压器励磁涌流的模糊多判据识别算法 近年来，国内外的学者对变压器励磁涌流的识别进行了很多研究，提出了一 些新的方法，绪论中已经讨论了这些方法的优缺点，在此不再赘述。我们认为， 由于变压器的非线性励磁特性，要精确定义一个变压器的模型是十分困难的，而 且影响变压器励磁涌流大小的因素( 如合闸角、变压器漏抗等) 在实践中难以预 测或计算，因此只有全面采集变压器的信息，利用模糊集合处理不确定性知识的 能力，综合利用变压器信息，才可能实现一个较为完善的保护。 在现有的变压器保护算法中，二次谐波制动原理、波形比较原理、功率差动 原理以及低电压加速判据具有较好的微机可实现性，可以通过模糊集合理论结合 这些算法来实现一个高可靠性且快速动作的变压器保护新算法。 上海交通大学硕士学位论文 第二章基于模糊多判据的变压器保护软件原理 2 1 二次谐波制动原理及其判据的模糊化 二次谐波制动原理是目前广泛应用的算法，运行经验十分丰富，一般取 五正 1 5 一2 0 时确定为励磁涌流，但变压器内部故障时也有可能产生较大的谐波 分量，一般可以认为二次谐波含量越低，是故障的可自2 性越大，因此我们对二次 谐波含量取一隶属函数，即l l 与是故障的可能性_ 。的关系可以用图2 1 来表 不o 1 0ab i 。fi 。 图2 1 谐波含量的隶属函数 其中a 、b 为常数。 2 2 波形比较原理及其判据的模糊化 图2 2 显示了励磁涌流和短路电流的波形，为了滤除直流分量的影响，先对 励磁涌流和短路电流进行差分数字滤波，即： a i ( n ) = f ( 功一i ( n 一1 ) ( 2 1 ) 上述的励磁涌流和短路电流经差分滤波后的波形如图2 3 所示。经差分滤波 后，励磁涌流前半波和后半波的波形是不对称的，而短路电流的前半波和后半波 基本上是对称的。根据此特点，对差分电流进行差分滤波后，利用励磁涌流和短 路电流的对称程度不同，就可以识别励磁涌流和短路电流。 设一个周期内采样点数为2 m 对前半波采样点4f ( 肋和后半波采样点d j ( n 脚定义一个如下的波形对称度函数： x ( k ) = l f ( _ j ) + a i ( k + n ) 1 ( 2 2 ) 显然，短路电流波形的对称度函数的值接近于0 ，而励磁涌流的对称度函数 值比较大。当然，当励磁涌流的问断角较大时。前半波和后半波的采样点都位于 间断角时，此时虽然j ( 脚值较小，但不应认为是对称情况，所以还需设一个门 槛值，只有当d 鼻i4 j ( ) i + l 4j ( 肝曲) i 时，才利用式( 2 2 ) 定义的 对称度函数来判别涌流和短路情况，否则认为采样点位于间断角部分，是励磁涌 流情况。 ( a 图2 2 励磁涌流( a ) 和短路电流( b ) 的一、二 次波形 图2 3励磁涌流( a ) 和短路电流 的波形 p ri m a r yc u r r 已兀卜 s e c o n d a r y c u r r e n t r ( b ) 差分滤波后 上述对称度函数值是故障可能性的隶属函数，它可以用如下的偏小型梯形分 布来表示： f1 翮姐a n d 世 d 粤a 6 o r r 立 隶属函数口( 觑肋) 的分布如图2 4 所示，它表示了采样点与故障情况的对应 程度，口( 从曲) 越大，采样点是故障的可能性越大。 1 o 默 图2 4 对称度隶属函数分布 经过分析，可以发现，当采样点位于故障电流的过零点时，0 ( 瓜) 的值有 可能为零另外，当采样点受到干扰时，也有可能使得口( j ( 曲) 的值出现较大误 差。为此，我们取连续5 个点的口( 瓜硒) 的平均值作为识别励磁涌流的特征值， 即 圬m 5 o弓m惜 上海交通大学硕士学位论文 第= 章基于模糊多判据的变压器保护软件原理 酏) = ，叁( 删 ( 2 4 ) 这样，当口( x ( 七) ) 大于某一门槛值 时，即认为该采样电流是故障情况，但由于 采样电流经过c t 传交后，涌流的间断角消失，所以实践表明，要满足对所有的 涌流情况不误动，九的值相应地取得较大，考虑一定的裕度，取为o 8 ，这样以 后，艿不能保证对所有的故障情况都能快速动作，甚至出现拒动的情况。 现在我们假设一个偏大型的隶属函数来解决这一问题，设 j0 奂硐) q 8 对应函数分布如图2 5 所示： 图2 5 隶属函数z ：的分布 这样，_ ：就成为采样电流是否是故障情况的隶属度。 2 3 功率差动原理及其判据的模糊化 在变压器正常运行情况下，变压器本身消耗的功率很小，因为对几乎所有高 电压等级变压器而言，它在正常情况下的铜损和铁损不超过额定容量的1 ；而 在故障情况下，由于故障点的电弧放电发热，将消耗大量的有功；在涌流情况下， 由于涌流有一个充电过程，所以在初始阶段，它也消耗一定的功率，但随着充电 过程的结束，它消耗的功率越来越小；通过计算我们发现，在空载合闸到故障时， 由于涌流和故障电流的共同作用。初始阶段消耗的有功特别大，因此可以根据这 一特点来判别变压器空载合闸到故障的情况，而空载合闸到故障正是二次谐波制 动原理和波形比较原理难以判别的情况。 当变压器发生区外故障时，由于变压器流过较大的穿越电流，此时变压器也 消耗较大的有功，因此本判据还需结合传统的差动保护来进行，当差动电流大于 整定值时，再利用差动功率来判别变压器是否处于故障状态。 对一个二绕组变压器而言，它所消耗的有功可以表示如下： 1， f n = 二i ( k l + k ，一r ? 一r ，) d r ( 2 6 ) 、。 7 ，二 。 一 其中k ，五，k ，厶是变压器一、二次绕组的瞬时电压电流值，对数字式保护而言， 上海交通大学硕士学位论文第二章基于模糊多判据的变压器保护软件原理 我们可以先计算变压器消耗的瞬时功率： p ( f ) = u ，i + ，2 一只1 ，? 一r 2 ，； ( 2 7 ) 而变压器消耗的有功( 平均功率) 为： 帅) = 万1 尧u - ip ”争) 2 8 现在我们定义一个隶属函数来表示w ( ) 与故障之间的关系： ? 一。 ( 小“ ( 2 9 ) p ，： 型尘旦ms 矿( ，) h “。7 1 ”j “( r ) n 对应函数分布如图2 6 所示： 1 o 以曲 0mn 图2 6 隶属函数。的分布 2 4 低电压判据及其模糊化 当变压器发生接地故障时，故障相电压会变得很小，传统的二次谐波制动原 理一般认为当相电压低于额定值的7 0 时，认为不可能发生涌流情况，但为了防 止区外故障切除后，电压回升产生的励磁涌流造成保护误动作，所以在三“ 五。 且“一。 五“时将保护闭锁，其中五。，为当前时刻前一周的电流和电压， “为 当前时刻的电压，五。为变压器空载时的励磁电流。为了防止保护误动，我们也 可以把整定值定得低一点，比如是1 0 而不是7 0 ，我们可以用隶属度函数来解 决这一问题，定义： | 5 f 07 l - 、 叱锄1 ( 2 1 0 ) 。： ! ! ! 二! 掣ol se ，。o7 、 i ； u ，们 对应函数分布如图2 7 所示： 口4 1 0 上海交通大学硕士学位论文 第= 章基于模糊多判据的变压器保护软件原理 2 5 多判据的综合模糊化 考虑到综合利用几种励磁涌流判别方法，会使保护的可靠性有较大的提高， 而且使保护动作的速度也有所改进，所以我们用一个总的隶属度来综合上述多判 据，即： = 脚l 1 + 2 2 十3 3 + 国4 4 ( 2 1 1 ) 其中u ，、。：、u ，、“；是该判据的权重，并且满足 甜i + 甜2 + 甜3 + o 产1( 2 1 2 ) 当大于某一整定值时，保护将出口动作，否则认为是励磁涌流情况。从 上面对各判据的分析可以看出，当掣，( i = 1 ，2 ，3 ，4 ) 等于1 时，该判据可以 确定为故障，所以，我们引入每四个加速判据，即当掣。( i = l ，2 ，3 ，4 ) 等于l 时，直接出口跳闸，不受f 大小的限制。 二基于模糊集合理论的变压器匝间短路保护算法 1 变压器差动保护在匝间短路时的弱点 变压器匝间短路主要依靠差动保护和瓦斯保护来动作，瓦斯继电器的动作必 须要油箱中气体积累到一定的量，动作时间偏长，而差动保护直接反映电气量， 动作速度快，但如果变压器短路匝数太少，则虽然短路匝中的故障电流较大，差 动电流还不足以使差动保护动作，其主要原因在于变压器的不平衡电流过大，导 致抬高了差动保护的动作门槛。影响变压器不平衡电流的主要有以下因素： 变压器各侧构成差动保护所用电流互感器的额定参数不可能完全相同，差动 回路产生的不平衡电流较大。 变压器每相原副边电流之差是变压器差动保护不平衡电流的种来源。 变压器正常运行时，需要带负荷调节分接头，这也增大变压器的不平衡电流。 变压器差动保护应能反映高压侧( 中心点直接接地系统) 区内经高阻接地的 单相短路，此时故障电流较小。 当变压器绕组匝间短路时，变压器仍带有负荷，这就是说变压器内部短路时 被保护设备仍有流出电流，影响保护的灵敏动作。 综上所述，差动保护用于变压器，一方面由于各种因素产生较大或很大的不 平衡电流，另一方面又要求能反映具有流出电流的轻微内部故障。正是由于这样 的特点，如何提高变压器差动保护对内部轻微故障的灵敏度一直是国内外学者的 个研究热点。 2 基于模糊集合理论的差动保护算法 差动保护应用于变压器的难点主要在于既要求变压器外部故障时可靠不误 动，相应地使制动系数整定得较大，又希望这样的制动系数能使差动保护在变压 上海交通大学硕士学位论文第二章基于模糊多判据的变压器保护软件原理 器内部轻微匝间故障时灵敏动作。从上面的分析可知，要提高差动保护对于变压 器轻微匝间故障的灵敏度，也即增大差动保护在变压器内部故障时的允许流出电 流，必须降低制动系数。传统差动保护的制动系数是不可变的，因此为了满 足保护在外部故障时的可靠性，相应地牺牲了保护在内部故障时的灵敏度。把模 糊集合理论与传统的差动保护结合起来，可以使制动系数根据变压器的运行状态 来进行调整，既保证保护在变压器区外故障时有足够的可靠性，又能使保护在变 压器轻微匝间短路时灵敏动作，使得新算法具有一定的自适应性。 仔细分析变压器的内部轻微匝间故障和区外故障，我们发现它们之间还是有 区别的，传统的差动保护只反映差动电流，因此不能很好地区分它们。一般说来， 变压器在轻微匝间故障时，高压侧和低压侧的电流幅值较小，相位差也较小；而 对于严重的区外故障，则表现为高压侧和低压侧的电流幅值很大，相位差较小； 至于较为严重的区内故障，高压侧和低压侧的电流幅值和相位差都较大。根据这 样的特点，本文将定义两个模糊隶属函数来表述它们。 ( 1 ) 幅值隶属度n 的确定。该隶属函数主要反映变压器高压侧和低压侧的电 流幅值的大小，幅值越大，则是严重故障( 包括区内、区外故障) 的可能性越大， 设d = m a x ( 五。l l ) ，其中五表示电流的额定有效值，则可以用一个偏大型隶 属函数来表示电流幅值大小与故障可能性的关系。 p 。= 工( 4 ) = 04 b ( 2 1 3 ) p 的值越大，则变压器是严重故障( 包括区内外故障) 的可能性越大。 ( 2 ) 相位差隶属度皿的确定。对变压器来说，高压侧电流和低压侧电流的相 位差确实反映了一定的故障情况，在正常情况下，其理论相位差为1 8 0 0 ，如果考 虑误差因数则其正常一隋况为1 8 0 0 a ，如超过这个范围则可以认为是内部故障或 异常。当相位差从1 8 0 0 向9 0 0 或2 7 0 。变化时，表明可能是故障，反之可能不是故 障，故利用相位差来进行故障判别是一个方法。为此定义一个中间型隶属函数来 表示电流相位差大小与区内故障可能性的关系。 ，： f 西1 ：j 1 ，一9 0 。 - 9 0 。(214)p 2 2 厶( 庐) 5 1 c ( 庐一1 8 0 ) 21 8 0 。；2 7 0 。 2 _ 其中c 为常数，西为高压侧和低压侧电流的相位差。 ( 3 ) 综合模糊隶属度p 的确定。p 综合反映了变压器属于严重故障( 包括区 内、区外故障) 或轻微故障的可能性，设x = n + 助，定义如下的隶属函数 p。xm p = _ ，j ( x ) = ! 吾兰警( 工一埘) + p 。 m p k ( i ，一i , o ) ， ，m ( 2 1 6 ) 上海交通大学硕士学位论文 第= 章基于模糊多判据的变压器保护软件原理 其中，一= i i m + i f 为动作电流，i ，：| i 。一i 。i 为制动电流，厅为制动系数。 i o 为最小动作电流，i 。为最小制动电流。 在传统的比率制动式差动保护中引入模糊集合理论后，可以通过调节相应的 系数或常数来改变判据的动作行为，具有很大的灵活性，从而对变压器的轻微匝 间短路具有很强的反应能力，同时对穿越性区外故障也具有很强的制动能力，改 善了判据的动作性能和制动性能。 最后需要指出的是，改进后的新算法对变压器区内严重故障并没有降低判据 的制动系数，事实上传统的比率差动保护对变压器区内严重故障是具有足够的动 作灵敏度的；另外对于变压器轻微区外故障，新判据也会在一定程度上降低其制 动系数，但正是因为变压器此时处于轻微区外故障，所以稍稍降低其制动系数并 不会引起保护的误动作，因为传统比率差动保护中的制动系数根据变压器在严重 区外故障( 此时变压器中流过很大的穿越电流) 时不误动而整定的，也即考虑了 最极端的情况：当然，对于变压器严重区外故障，新判据是不会降低其制动系数 的，因此保证了保护在区外故障时有足够的可靠性。 三总结 通过计算分析，本文认为仅仅利用一种判据很难获得满意的结果，这主要在 于变压器的励磁涌流和匝间短路与众多的不可知因素相关，单- - n 据很难全面表 述变压器的状态信息，而通过多判据则可以更好地收集变压器的各种信息，因为 不同的判据利用的变压器信息也不相同，这些判据之间可以傲到相互取长补短， 从而提高保护装置的可靠性和灵敏性。 以上分析了基于模糊多判据的变压器保护算法，这是本文进行硬件设计工作 的基础。 上海交通大学硕士学位论文 第三章d s p 芯片的原理及应用现状 1 第三章d s p 芯片的原理及应用现状 在上一章节中，已经阐述了基于模糊多判据的变压器保护软件原理。该保护 原理比较复杂，相当于把几种完全独立的算法综合起来，对保护装置的硬件速度 要求很高。本文的另一着重点就是在装置中引入高速o s p 芯片，并选择了适当的 d s p 芯片。在本章节中，介绍了d s p 芯片的基本结构及应用现状，并以a d s p 2 1 8 1 的开发系统为例，详细介绍了该芯片的开发过程。 一d s p 芯片简介 l _ d s p 芯片的简介和结构特点 d s p 芯片，即数字信号处理器，是种具有特殊结构的微处理器。自第一个 微处理器问世以来，处理器技术水平得到了十分迅速的提高，而快速傅利叶变换 等算法的提出促进了专门数字信号处理的一类微处理器的分化和发展。数字信号 处理有别于普通的科学计算与分析。它强调运算处理的实时性，因此d s p 除了具 备普通微处理器所强调的高速运算和控制功能外，针对实时数字信号处理，在处 理器结构、指令系统、指令流程上做了很大的改动，其结构特点如下： 令d s p 普遍采用了数据总线和程序总线分离的哈佛结构及改进的哈佛结 构，比传统处理器的冯一诺依曼结构有更高的指令执行速度； 夺d s p 大多采用流水线技术，即每条指令都由片内多个功能单元分别完成 取指、译码、取数、执行等多个步骤，从而在不提高时钟频率的条件下 减少了每条指令的执行时间； 夺片内有多条总线可以同时进行取指令和多个数据存取操作，并且有辅助 寄存器用于寻址，它们可以在寻址访问前或访问后自动修改内容，以指 向下一个要访问的地址： 令针对滤波、相关、矩阵运算等需要大量乘法累加运算的特点。d s p 大都 配有独立的乘法器和加法器，使得同一时钟周期内可以完成相乘、累加 两个运算。最新出现的一些d s p 芯片可以同时进行乘、加、减运算，大 大加快了f f t 的蝶形运算速度： 夺许多d s p 芯片带有d m a 通道控制器，以及串行通令口等，配合片内多总 线结构，数据块传送速度大大提高； 夺具有软、硬件等待功能，能与各种存储器接口。 2 d s p 与m c u 的区别 数字信号处理器( d s p ) 与微控制器( m c u ) 的区别在于：d s p 面向高性能、 重复性、数值密集型的实时处理，m c u 则逻辑功能较强，适用于以控制为主的处 理过程。 上海交通大学硕士学位论文第三章d s p 芯片的原理及应用现状 d s p 本身具有以下功能，支持实时数字信号处理应用： 夺单指令周期的乘、加运算； 夺特殊的高速寻址方式，可以在其它操作进行的同时完成地址寄存器指针 的修改，并具有循环寻址、位反序寻址功能。循环寻址用于f i r 滤波器， 可以省去大量的数据移动，用于f f t 则可以紧凑地存放旋转因子表。 夺针对实时处理所设计的存储器接口，能在单指令时间内完成多次存储器 或i 0 设备访问； 令专门的指令流控制，具有无附加开销的循环功能以及延迟跳转指令； 夺专门的指令集和较长的指令字，一个指领字同时控制片内多个功能单元 的操作： 夺单片系统，高度集成，易于小型化设计； 夺低功耗，一般为0 5 - 4 w ，采用低功耗技术的d s p 只有o 1 w ，对嵌入式 系统很适合。 因此，与m c u 相比，d s p 的运算速度要高得多，以f f t 为例，高性能的d s p 不仅处理速度是m c u 的4 一1 0 倍，而且可以流水无间断地完成数据的实时输入输 出。 正是基于d s p 的这些优势，在新推出的高性能通用微处理器( p e n t i u mm m x 、 p o w e rp c6 0 4 e 等) 片内已融入了d s p 的功能，而以这种通用微处理器构成的计算 机在网络通信、语音图像处理、实时数据分析等方面的效率大大提高。 二d s p 芯片的应用 随着d s p 性能的迅速提高和成本价格的大幅度下降，d s p 的应用领域不断扩 大，成为当前产量和销售量增长最快的电子产品之一。它的高速发展，一方面得 益于集成电路的发展，另一方面也得益于巨大的市场。在短短的十多年时间，d s p 芯片已经在信号处理、通信、雷达等许多领域得到广泛的应用。目前，o s p 芯片 的价格也越来越低，性能价格比日益提高，具有巨大的应用潜力。d s p 芯片的应 用主要有： 夺通用数字信号处理：如，数字滤波、自适应滤波、快速傅里叶变换、相 关运算、频谱分析、卷积等。 夺通信：如，调制解调器、自适应均衡、数据加密、数据压缩、回坡抵消、 多路复用、传真、扩频通信、纠错编码、波形产生等。 夺语音：如语音编码、语音合成、语音识别、语音增强、说话人辨认、说 话人确认、语音邮件、语音储存等。 令图像图形：如二维和三维图形处理、图像压缩与传输、图像增强、动 画、机器人视觉等。 夺军事：如保密通信、雷达处理、声纳处理、导航等。 夺仪器仪表：如频谱分析、函数发生、锁相环、地震处理等。 夺自动控制：如引擎控制、深空、自动驾驶、机器人控制、磁盘控制。 夺医疗：如助听、超声设备、诊断工具、病人监护等。 审家用电器：如高保真音响、音乐合成、音调控制、玩具与游戏、数字电 话电视等。 在以上领域中，本次设计所要涉及到的d s p 应用领域即为通用数字信号处 理。 三d s p 系统的开发系统和开发过程 1 d s p 系统的设计过程 与普通的单片机开发过程相似，d s p 系统的设计过程也包括定义应用要求、 软件设计、硬件设计等几个方面，下图是一个简化的d s p 系统设计与开发流程图。 1 分析应用系统 定义系统需求i _ 1 一 国叵 。，一1。，一 h t 一j l 竺竺! 坌堡兰【 函丽 厂r 一 i 设计原理图 测试源代码 制作样板i 门一广一 i 。一 l ，- - - - - - - - ，、。，一 2 d s p 的开发系统 l墨垫叁壅 匦巫 图3 1d s p 设计流程图 随着d s p 功能的不断复杂化以及对d s p 产品开发周期不断缩短的要求，设计 调试d s p 系统越来越依靠于d s p 开发系统和调试工具。开发系统和调试工具为设 计者建立了一个良好的软件环境，可以很方便地对软、硬件进行跟踪和调试。 a d 公司的的开发软件包a d s p 2 1 x t 6 1 提供了完整的开发工具。解压缩后， 运行一个安装程序，就可以将整个软件安装在p c 机中。 软件包主要包括了以下功能和程序：汇编器a s m 2 l 、链接器l d 2 1 、引导加载 程序b l d 2 1 、软件模拟器d e b u g a p p 、c 语言编译器9 2 1 、库管理器1 i b 2 1 、r o m 代 码生成器s p l 2 l 。 上海交通大学硕士学位论文 第三章d s p 芯片的原理及应用现状 2 1 结构文件 结构文件定义了d s p 系统的存储器分配，这个文件需要用户根据自身的实际 硬件原理编写。链接器利用此结构文件在d s p 存储器资源范围内分配程序和数 据，软件仿真器通过它准确地建立起程序运彳亍环境，另外，在仿真过程中，下载 程序时也需要结构文件。 结构文件的后缀名为a c h ，它必须以指令s y s t e m 开关，并以e n d s y s 结尾。 在本硕士论文中，所定义的结构文件比较简单，源文件见下文，其中“；”后的 文字是注释： a d s p 一2 1 8 1 m e m o r y a s s i g n m e n t s y s t e m ； a d s p 2 1 8 1 ：所用芯片 m m a p 0 ；下载方式 p r o g r m e m o r ys e c ti o n s e g p m r a m a b s = o c o d ek e r n e l h # 2 0 0 0 ；o 一2 0 0 0 h 被定义为代码段。 s e g p m r a m a b s = h 9 2 0 0 0 c o d e d a t a p md a t a h # 2 0 0 0 3 ： d a t am e m o r ys e c t i o n s e g d m r a m a b s = o d a t ad m _ d a t a 1 6 3 5 2 ；数据段定义。 e n d s y s ： 2 2 汇编器 汇编器由d s p 芯片厂家提供，它的功能是把每个汇编源文件( 后缀名为a s m ) 编译成目标文件( 后缀名为o b j ) 。这一阶段是最基本的，如果汇编源程序有语 法错误，则汇编器会指出其错误数、错误定位。 对a d 2 1 8 1 来说，其运行格式为：a r e s 2 1 源文件 一开关参数 - - 2 1 8 1 开关参数主要用于对编译进行特殊控制，在正常使用时可不写开关参数。 2 。3 。 链接器 d s p 程序可以包括多个汇编程序，这些汇编程序与所用到的库文件一起，在 结构文件的硬件指导下，由链接器对此进行链接，生成存储器映射的执行文件( 后 缀名为e x e ) 。把执行文件和结构文件输入到仿真器中，就可以调试程序了。同 时链接器还生成存储器分布图文件( 后缀名为m a p ) ，可以打开该文件查看存储 器的分布和定义。 对2 1 8 1 来说，其运行格式为：l d 2 1 一i 文件名列表文件 一开关参数 文件名列表文件包括了所有要链接的文件。 2 4 软件模拟器 软件模拟器利用p c 机建立了一个模拟环境，它根据所输入的结构文件，进 行相应的配置，在没有硬件的情况下，可以对已生成的d s p 代码进行调试。软件 模拟器均带有丰富的帮助文件。不同类型的软件模拟器有以下共同的功能： 夺指令级程序执行，对源代码进行单步调试、断点调试； 夺模拟中断系统； 上海交通大学硕士学位论文第三章d s p 芯片的原理及应用现状 夺对指令进行反汇编； 夺观察和修改所有的寄存器和存储器； 夺下载文件。 2 5 r o m 代码生成器 r o m 代码生成器负责把链接好的程序e x e 文件，生成p r o m 文件，可以固化 到r o m 上去。一般说来，经软件模拟器调试好的程序已接近调试完成，这时将调 好的程序生成二进制代码，并固化到r o m 上直接检验程序在正式板上的运行情 况。其运行格式为：s p l 2 1e x e 文件名p r o m 文件名 一l o a d e r - - 2 1 8 1 一i 其中，一l o a d e r - - 2 1 8 1 表示固化文件中包括b d m a 方式的引导方式。一i 表 示固化程序为i n t e l 十六进制格式。 3 d s p 系统的开发过程 利用厂家所提供的软件包，能够方便地进行开发。图3 1 所示软件开发部分 及系统测试和调试部分可以细化为以下流程，如下图所示。 构文件i 适空： 图3 2 软件开发和系统测试流程图 上图中，箭头的方向表示开发顺序，上图构成一个循环，表示在未生成r o m 代码之前，可以不断地对汇编源文件进行修改。详述如下： 根据硬件原理图，编写结构文件( a c h 文件) ： 根据软件原理框图，编写汇编源程序( a s m 文件) ； 调用汇编器( a s m 2 1 e x e ) 对汇编程序汇编，并检查其中的语法错误，生成o b j 文件； 利用结构文件，调用链接器( 1 d 2 1 e x e ) 对o b j 文件处理，检查内部资源的 合理性，同时以生成需要的可执行文件( e x e 文件) ； 使用软件模拟器对e x e 文件进行软件调试，以确保得到正确的源代码： 调用p r o m 生成程序( s p l 2 1 e x e ) ，生成可固化到e p r o m 上的程序代码，此 代码就是最终的源代码。把该文件对正式板进行引导和加载，并进行最终验证。 上海交通大学硕士学位论文 第四章系统硬件设计总体方案 第四章系统硬件设计总体方案 保护装置总体简介 作为一个微机保护装置来说，包括以下几个部分：电源、模拟量采样、低通 滤波、a d 采样、滤波计算、c p u 逻辑分析、人机界面、开关量输入、开关量输出 这几个部分。 对于本论文研究的变压器保护装置，其整体设计由以下模块构成。详见下图。 图4 1 变压器保护装置构成 二开关量输入及防抖处理 1 开关量输入路数 作为一套完整的微机变压器保护装置，开关量输入部分设计是不可忽略的一 步。对于变压器保护来说，其开关量输入包括： 外来的开入量控制，以方便运行人员