（信号与信息处理专业论文）分布式电源监控保护装置保护算法研究及软件设计.pdf

分类号： tm 774 密 级： 公 开 学 号： 092030033 工学硕士学位论文 分布式电源监控保护装置保护算法研究 及软件设计 学生姓名 杨 阳 指导教师 王建华 教授 江苏科技大学 二零一二年三月 a thesis submitted in fulfillment of the requirements for the degree of master of engineering the research of protection algorithm and the design of software apply to distributed power monitoring and protection devices submitted by yang yang supervised by professor wang jian-hua jiangsu university of science and technology march，2012 江苏科技大学学位论文原创性声明江苏科技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，均已在文中以明 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： 年 月 日 江江苏科技大学学位论文版权使用授权书苏科技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。 本人授权江苏科技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： (1)保密，在 年解密后适用本授权书。 (2)不保密。 学位论文作者签名： 指导教师签名： 年 月 日 年 月 日 摘要 - i- 摘 要 分布式发电(distributed generation)并不是一种全新的发电技术， 在电能取代水力、 蒸汽、燃煤成为能量驱动负载以前，绝大多数电能都是分布在需要能源的设备附近。 随着生产方式的集中发电、输送方式的远距离输电与分配方式的大电网互联的电力系 统成为当今世界上百分之九十的电力供应，其暴露的问题也在不断增加，分布式电源 与大电网并联运行需求成为 21 世纪电力工业的发展方向， 但含分布式电源的配电网的 保护要与以往的保护有很大的差别，本文针对分布式电源并网后对主网保护的影响而 设计一种微机型后备保护装置。 论文首先分析了分布式电源的并网对传统电网的继电保护的影响，建立了分布式 电源的并网模型，通过对并网模型的分析及继电保护的相关知识，选取分布式电源并 网保护的功能及整定值的设定，设计提出了一种基于 arm 的嵌入式微机型的分布式 电源监控保护装置。 接下来简要介绍了一下分布式电源监控保护装置的硬件平台，在基于 lpc2468 的最小系统上设计交流采样电路、开关量输入输出电路、频率测量电路。 论文的重点在于各种电网电气量的计算方法，保护算法的目的是从离散的采样值 中计算出有用的信号，为保护逻辑判决提供准确而实时的依据。保护算法有很多种， 本文提出的分布式电源保护装置的算法有：基于同期并网的相位检测算法，基于突变 量的元件启动算法，电流电压序分量的计算方法，各种谐波分量的检测算法及基本电 气量的检测算法。 所有算法所设定的信号模型都不一样， 大致可以分为正弦信号模型、 周期信号模型与随机信号模型，从时间窗、精度、计算量及速度等方面对每种算法的 优劣性作了分析。 最后把嵌入式操作系统 uc/os-ii 成功移植到 lpc2468 硬件平台上，建立了多任 务设计环境， 保护装置的每个功能都被分配到一个任务， 且各任务都有不同的优先级， 定时采样中断任务、保护算法任务及故障处理任务是其中最主要的部分，各个任务相 互协调完成了从并网投入、检测监控、保护切除的一系列工作。 分布式电源监控保护装置是继电保护领域一个全新的课题，其主要功能还是在于 检测并网点两侧的信号来设定后备保护，用以辅助分布式电源内部保护及主网保护设 备，随着分布式电源的大范围并网，其应用空间无限宽广。 关键字 分布式电源；保护参数；保护算法；uc/os-ii；多任务设计 abstract - ii - abstract - iii- abstract distributed generation (dg) is not a new power generation technology, before the electricity as energy to drive the load replace the water, steam, coal-fired energy , the vast majority of electricity is distributed in the near the equipment which needed energy. as the power system which with the concentration of power production, long-distance of power transmission and large grid interconnection of power distribution mode to be the 90 percent of the electricity supply in the world. the problems are also growing. with large distributed power grid parallel operation to become the development direction of the electric power industry in 21st century. however, distributed power protection is different from traditional relay protection. this paper focuses on the main impact of power protection after the distributed power grid to design a microprocessor-based back-up protection device. paper first analyzes the grid of distributed power to influence of the traditional grid relay protection, establish the distributed power grid model, and through analysis the grid model and the relevant knowledge of relay, design the distributed power gird protection function and setting the value of protection. based arm embedded to design a microprocessor-based distributed power monitoring and protection devices. then a brief introduction about the protection of distributed power protection hardware design, based on the minimum system of lpc2468 to design the ac sampling circuit, switch input and output circuits, frequency measurement circuit. paper focuses on various methods of calculating the amount of electrical power, the purpose of protect the algorithm is to calculate the useful signal from the discrete sample values, provide accurate and real-time data to the logical decision for the protection. there are many protection algorithms, the proposed algorithm for distributed power protection devices are: the phase detection algorithm based on the synchronizing grid, the components starting algorithm based on mutation, the calculation method of the current and voltage sequence component, the detection algorithms of harmonic components and the detection algorithm of basic electrical quantities. all the algorithms are not based the same signal model that can be divided into sinusoidal signal model, random periodic signal model and signal model. in terms of the time window, accuracy, speed and computation to analyze advantages and disadvantages of each algorithm. finally, embedded operating system uc/os-ii successfully transplanted to the abstract - iv - lpc2468 hardware platform, then based on which to establish a multi-task design, each functional unit is assigned to a task, time sampling interrupt task, the protection algorithm task and the fault processing task are the most important part, and all the tasks coordinate to finish a series of works that grid connection, inspection and monitoring, fault cleaning. distributed power monitoring and protection device is a new subject area, its main function lies on signal detected of the both sides and to design the back-up protection for auxiliary the internal main protection of distributed power and grid protection equipment, with the a large-scale distributed power grid, the space of its use will unlimited breadth. keywords distributed power; protection parameter; protection algorithm; uc/os-ii; multi-task design 目录 - vi- 目 录 摘要 . i abstract . iii 第 1 章 绪论 . 1 1.1 分布式发电系统概述 . 1 1.2 分布式电源接入系统继电保护的特点 . 2 1.2.1 分布式发电方式对继电保护的影响 . 2 1.2.2 分布式电源对电流保护的影响 . 3 1.2.3 分布式电源对自动重合闸的影响 . 4 1.2.4 分布式电源的电网电压的影响 . 5 1.3 本论文研究的主要内容与结构安排 . 6 第 2 章 含分布式电源的配电网保护策略研究 . 7 2.1 分布式电源并网模型建立与分析 . 7 2.1.1 分布式电源并网准则 . 7 2.1.2 并网模型分析 . 7 2.2 含分布式电源的配电网的保护 . 11 2.2.1 分布式电网并网参数要求 . 11 2.2.2 分布式电源保护装置在并网运行中的作用 . 14 2.2.3 分布式电源的孤岛检测 . 14 2.3 本章小结 . 17 第 3 章 分布式电源监控保护装置硬件设计 . 18 3.1 微机保护技术的优越性 . 18 3.2 装置的硬件平台介绍 . 20 3.3 核心模块的硬件电路设计 . 22 3.3.1 数据处理单元 . 22 3.3.2 频率检测单元 . 23 3.3.3 交流采集单元 . 23 3.3.4 开关量输入输出单元 . 25 3.4 本章小结 . 26 第 4 章 分布式电源监控保护装置保护算法与判据 . 27 4.1 同期并网算法 . 27 4.2 装置的故障启动算法 . 30 4.3 基本电气量算法 . 31 4.3.1 基于正弦模型的算法 . 31 目录 - vi - 4.3.2 基于周期模型的算法 . 33 4.3.3 基于随机模型的算法 . 37 4.4 序分量算法 . 39 4.4.1 正序分量的计算方法 . 40 4.4.2 负序分量的计算方法 . 40 4.4.3 零序分量的计算方法 . 40 4.5 基于小波分析的谐波检测方法 . 41 4.6 保护判据的设计 . 43 4.6.1 电流保护判据 . 43 4.6.2 电压保护判据 . 44 4.6.3 频率保护判据 . 44 4.6.4 其他保护 . 45 4.7 本章小结 . 45 第 5 章 分布式电源监控保护装置软件设计 . 46 5.1 嵌入式操作系统综述 . 46 5.2 uc/os-ii 嵌入式操作系统 . 50 5.2.1 uc/os-ii 内核简介 . 50 5.2.2 uc/os-ii 多任务管理与调度 . 50 5.2.3 uc/os-ii 任务间的同步机制 . 52 5.2.4 uc/os-ii 在 lpc2468 上的移植 . 53 5.3 保护装置应用程序设计 . 57 5.3.1 分布式电源保护装置的软件的任务划分 . 57 5.3.2 交流采样任务 . 59 5.3.3 保护算法任务 . 61 5.3.4 故障处理任务 . 63 5.3.5 其他任务 . 64 5.4 本章小结 . 64 工作总结与展望 . 65 参考文献 . 67 攻读硕士学位期间所发表的学术论文 . 69 致谢 . 70 catalog - vii - catalog abstract(chinese) . i abstract . iii chapter 1 introduction . 1 1.1 overview of distributed power generation system . 1 1.2 characteristics of relay with dg . 2 1.2.1 impact of distributed dg to relay protection . 2 1.2.2 impact of distributed dg to current protection . 3 1.2.3 impact of distributed dg to automatic reclosing . 4 1.2.4 impact of distributed dg to grid voltage . 5 1.3 arrangement of thesis . 6 chapter 2 research of protection strategy to dg . 7 2.1 distribution network with distributed power protection analysis . 7 2.1.1 the criteria for distributed power grid . 7 2.1.2 analysis of gird module . 7 2.2 distribution network protection with dg . 11 2.2.1 the parameters and settings of dg protection . 11 2.2.2 the effect of protection device to distributed power grid . 14 2.2.3 islanding detection of dg . 14 2.3 summary . 17 chapter 3 the hardware design of dg protect device . 18 3.1 the advantages of microprocessor-based protection technology . 18 3.2 introduction hardware platform . 20 3.3 the hardware design of core module . 22 3.3.1 units of data processing . 22 3.3.2 units of frequency detection . 23 3.3.2 units of ac sampling . 23 3.3.3 units of switch input and output . 25 3.4 summary . 26 chapter 4 protection algorithms and criterion of dg protection device . 27 4.1 algorithm of synchronizing . 27 4.2 algorithm of breakdown start . 30 4.3 algorithm of basic electrical quantities. 31 4.3.1 algorithm based on sine model . 31 catalog - viii - 4.3.2 algorithm based on periodic model . 33 4.3.3 algorithm based on stochastic model . 37 4.4 the calculation of sequence component . 39 4.4.1 of positive -sequence component . 40 4.4.2 the calculation of negative-sequence component . 40