（电气工程专业论文）基于统一硬件平台的保护测控一体化装置的研制.pdf

东南大学工程硕士学位论文 摘要 题名：基于统一硬件平台的保护测控一体化装置的研制 研究生姓名：赵雪飞 导师姓名：吴在军( 副教授) 、施冲( 高级工程师) 学校：东南大学 小型水电站综合自动化系统对于继电保护装置的功能、成本及维护方面提出了更高的要求。本 课题的目的就是研制一套适合于小水电站应用的继电保护装置。该装置采用高性能、低成本的统一 硬件平台，根据软件的不同实现不同的保护功能。同时，装置具有丰富的通讯接口，满足与监控系 统及其它设备间信息交换的要求。 论文从总体方案设计、保护功能规划与实现、硬件电路设计和调试等方面给出了基于统一硬件 平台的小型水电站继电保护装置的设计过程，着重阐述了基于d s p 的微机保护的硬件原理、保护功 能及判据，以及在调试中遇到的问题，研制了一套满足小水电继电保护需求、基于统一硬件平台的 保护装置，并通过了相关的试验验证。试验结果表明设计的装置满足国标及行标对于小水电继电保 护性能指标的规定，具备了实际使用的条件。 最后，论文对后续的发展进行了展望。 关键词：继电保护统一平台通讯d s p 电磁兼容 a b s t r a c t t h ei n t e g r a t e da u t o m a t i o ns y s t e mo fs m a l lh y d r o p o w e rp l a n t sh a st h eh i g h e rr e q u e s tf o rt h er e l a y p r o t e c t i o nd e v i c ei nf u n c t i o n , c o s ta n dm a i n t e n a n c e t h ep u r p o s eo ft h i ss u b j e c ti s t od e s i g nar e l a y p r o t e c t i o nd e v i c e ，w h i c hs h o u l db es u i tf o r t h es m a l lh y d r o p o w e rp l a n t s t h ed e v i c es h o u l du s et h eu n i f i e d h a r d w a r ep l a t f o r mw i t hh i g hp e r f o r m a n c ea n dl o wc o s t , a n dr e a l i z et h ed i f f e r e n tp r o t e c t i o nf u n c t i o n a c c o r d i n gt ot h ed i f f e r e n ts o f t w a r e t h ed e v i c es h o u l dh a v ep o w e r f u lf u n c t i o ni nc o m m u n i c a t i o nt os a t i s f y t h er e q u e s to ft h ei n f o r m a t i o ne x c h a n g ew i t ho t h e rd e v i c e ， t h i sa r t i c l ei n t r o d u c e st h ed e s i g np r o c e s so ft h ep r o t e c t i o nd e v i c ef r o ms o m ea s p e c t s ，s u c ha st h eo v e r a l l d e s i g n ，t h ep r o t e c t i o nf u n c t i o n a ld e s i g n ，t h eh a r d w a r ed e s i g na n dd e b u g g i n ga n ds o o n t h i sa r t i c l e e x p a t i a t e so nt h eh a r d w a r ep r i n c i p l eo ft h ed e v i c ew h i c hi sb a s e do nt h ed s pm i c r o c o m p u t e r , t h ef u n c t i o n o f t h er e l a yp r o t e c t i o n ，t h eq u e s t i o ni nt h ed e b u g g i n g t h ea u t h o ro f t h i sa r t i c l ed e v e l o p e dar e l a yp r o t e c t i o n d e v i c ew h i c hi ss u i tf o rt h es m a i lh y d r o p o w e rp l a n t sa n dh a st h eu n i f i e dh a r d w a r ep l a t f o r m t h ed e v i c eh a s p a s s e dt h ee x p e r i m e n t a lc o n f i r m a t i o n ，a n dc a ns a t i s f yt h er e q u e s to f t h es t a n d a r d , a n dc a nb eu s e da c t u a l l y i nt h el a s t , t h ea r t i c l ef o r e c a s t st h ef o l l o w i n gw o r k k e yw o r d s ：r e l a yp r o t e c t i o n ；u n i f i e dp l a t f o r m ；c o m m u n i c a t i o n ；d s p ；e m c 东南大学学位论文独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成 果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发表 或撰写过的研究成果，也不包含为获得东南大学或其它教育机构的学位或证书而使用过 的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并 表示了谢意。 研究生签名：蜘日 东南大学学位论文使用授权声明 东南大学、中国科学技术信息研究所、国家图书馆有权保留本人所送交学位论文的 复印件和电子文档，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。本人电子文档的内 容和纸质论文的内容相一致。除在保密期内的保密论文外，允许论文被查阅和借阅，可 以公布( 包括刊登) 论文的全部或部分内容。论文的公布( 包括刊登) 授权东南大学研 究生院办理。 研究生签名：耋：坌鲶师虢聊 日期：弦歹r 争 第1 章概述 1 1 继电保护的发展及现状 第1 章概述 电力系统继电保护装置历经了四个发展阶段：机电式继电保护、晶体管式继电保护、集成电路 继电保护和微机保护。微机型继电保护指的是以数字式计算机( 包括微型机) 为基础而构成的继电 保护。它起源于2 0 世纪6 0 年代中后期，是在英国、澳大利和美国的一些学者的倡导下开始进行 研究的。6 0 年代中期，有人提出用小型计算机实现继电保护的设想，但是由于当时计算机的价格昂 贵，同时也无法满足高速继电保护的技术要求，因此没有在保护方面取得实际应用，但由此开始了 对计算机继电保护理论计算方法和程序结构的大量研究，为后来的继电保护发展奠定了理论基础。 计算机技术在7 0 年代初期和中期出现了重大突破，大规模集成电路技术的飞速发展，使得微型处理 器和微型计算机进入了实用阶段。价格的大幅度下降，可靠性、运算速度的大幅度提高，促使计算 机继电保护的研究出现了高潮。在7 0 年代后期，出现了比较完善的微机保护样机，并投入到电力系 统中试运行。8 0 年代，微机保护在硬件结构和软件技术方面日趋成熟，并已在一些国家推广应用。 9 0 年代，电力系统继电保护技术发展到了微机保护时代，形成了继电保护技术发展历史过程中的第 四代【1 埘。 我国的微机保护研究起步于2 0 世纪7 0 年代末期、8 0 年代初期，尽管起步晚，但是由于我国继 电保护工作者的努力，进展却很快。经过1 0 年左右的奋斗，到了8 0 年代末，计算机继电保护，特 别是输电线路微机保护已达到了实用的程度。我国对计算机继电保护的研究过程中，高等院校和科 研院所起着先导的作用。从7 0 年代开始，华中科技大学、东南大学、华北电力学院、西安交通大学 和电力自动化研究院都相继研制了不同原理、不同形式的微机保护装置。1 9 8 4 年原华北电力学院研 制的输电线路微机保护装置首先通过鉴定，并在系统中获得应用，揭开了我国继电保护发展史上的 新一页，为微机保护的推广开辟了道路。在主设备保护方面，东南大学和华中科技大学研制的发电 机失磁保护、发电机保护和发电机一变压器组保护也相继于1 9 8 9 年、1 9 9 4 年通过鉴定并投入运行。 南京电力自动化研究院研制的微机线路保护装置也于1 9 9 1 年通过鉴定。天津大学与南京电力自动化 设备厂合作研制的微机相电压补偿式方向高频保护，西安交通大学与许昌继电器厂合作研制的正序 故障分量方向高频保护也相继于1 9 9 3 年、1 9 9 6 年通过鉴定。至此，不同原理、不同机型的微机线 路和主设备保护各具特色，为电力系统提供了一批新一代性能优良、功能齐全、工作可靠的继电保 护装置。因此到了9 0 年代，我国继电保护进入了微机时代。随着微机保护装置的研究，在微机保护 软件、算法等方面也取得了很多理论成果，并且应用于实际之中。 随着计算机硬件技术的迅猛发展，微机保护的硬件也在不断发展。从早期以8 0 3 1 、8 0 5 1 为代表 的8 位单片机到后来的1 6 位、3 2 位单片机，从单c p u 结构到双c p u 其至多c p u 结构，从总线不 出板到总线不出芯片结构，硬件性能得到了大大提高，从而使微机保护装置功能更加强大，运行更 加可靠，同时成本也更加降低。近年来，随着数字信号处理( d s p ) 技术的发展，数字信号处理器 ( d s p ) 芯片以其强大的计算能力和快速的运算速度越来越多的受到继电保护设计者的关注，目前 已经有部分厂家的继电保护装置开始采用d s p 芯片作为继电保护装置的微处理器。由于继电保护装 置性能的提高，继电保护装置也不再仅仅局限于单独的继电保护功能，而是成为集保护、控制、测 量、数据通信于一体的综合性保护测控装置。 1 2 小型水电站继电保护的特点 中国有丰富的水力资源，理论蕴藏量、技术可开发和经济可开发水能资源均居世界第一位，可 开发量达3 7 8 亿k w ，其中小水电开发量0 7 5 亿k w 。近几年来，小水电发展十分迅速，大有超越 大水电的趋势。尤其在四川、云南等西南地区，一个县的小水电站就可达数十座，总装机容量甚至 可达百万千瓦以上，其经济效益、社会效益和生态效益十分显著1 4 4 l 。 但是，与小水电迅速发展形成鲜明对比的是，小水电站的自动化水平仍处于非常落后的状态， 普遍仍采用传统的控制方式，自动化水平极低，运行操作方式复杂，维护困难。其主要原因在于过 去的理论研究和应用系统研制多集中在大型水力发电机组，因此我国大型水电站的自动化水平得到 了很大的提高，特别是水电站“无人值班( 少人值守) ”的推广，大大促进了大型水电站自动化的进 程。由于缺乏对小水电站自动化装置的研究，我国水电站自动化的发展出现了显著的不平衡。在小 东南大学工程硕士学位论文 水电站自动化装置的研究方面，与国外的先进水平相比还有相当大的差距【6 j 。 目前国内大型水电厂的自动化系统主要采用监控+ 保护的模式。在这种模式下，监控和保护功 能独立，相互间通过通讯方式交换的信息很少甚至没有，主要通过硬接点的方式传递信号，并且系 统结构复杂，成本高，维护困难。对于大型电厂来说，由于其资金和技术实力较强，对于系统的可 靠性要求较高，因此目前普遍采用这种结构。但对于中小型电厂来说，这种结构就显得成本太高， 维护的技术难度也较大，因此很难在小型水电站推广，从而严重制约了小型水电站自动化水平的提 高。 近几年来，随着小型水电站的迅速发展，对于更适合小水电站特点的自动化系统的呼声也越来 越高。而作为其中重要组成部分的保护装置的开发研制工作，也显得越来越迫切了。 应用于小型水电站的继电保护装置的研制，应当从以下几方面进行考虑： 1 继电保护功能 虽然是应用于小型水电站，机组容量较小，但是一些基本的保护功能却不能减少。如发电机的 纵差、过流、失磁、定子接地、转子接地等保护功能都必须具备，并且动作时间、灵敏度等关键指 标也必须达到相关标准的要求。 2 成本 小型水电站的继电保护装置必须考虑成本问题。由于机组容量较小，电压等级较低，因此一些 复杂的保护功能，如发电机的横差等保护功能可以不必考虑，从而可以在一定程度上降低保护装置 的成本；另外，由于机组容量较小，因此在保护配置方式上可以不必向大型机组的保护一样配置多 种冗余方案，一般以主保护+ 后备保护的方式即可。 3 通讯功能 小水电的自动化系统要求系统的各组成部分之间要充分交换信息，实现数据共享，从而减少冗 余配置，使得在系统设计时即可极大的节约成本。因此保护装置要求具有功能强大的通讯接口。 4 利于维护 小型水电站的技术力量相对大水电站来说比较薄弱，运行及维护人员的技术水平相对较低，因 此要求继电保护装置在操作和维护方面要比较简单方便。 1 3 基于统一硬件平台的保护装置的研制思路 一个小型水电站除发电机保护外，一般还具有变压器保护、线路保护、厂变保护、各自投等多 种保护装置，虽然型号众多，但是每种型号的保护装置往往只有几个甚至只有一个，总的数量较少， 因此维护人员不可能很多，运行维护的难度也相对较大。如果在设计时将所有的继电保护装置采用 同样的硬件平台，使其在硬件结构、外部接口及菜单上基本一致，将给运行维护工作带来极火的便 利。 另外，小型水电站由于数量众多，因此对于保护装置的需求量很大，这就对生产加工提出了很 高的要求。另外，小水电对于成本的要求比较高，这个成本不光是设备的硬件成本，还包括了生产 加工的成本，调试成本，现场投运成本等。如果所有型号的装置能够采用同样的硬件平台，在生产、 调试和投运等方面将带来极大的便利，节约大量的成本。 小型水电站以发电机保护为主，同时还会有变压器保护、线路保护、厂变保护等。这些保护装 置虽然功能各有不同，但基本原理都是相同的。都是通过采集电压或电流等信号，并计算出相关的 电气量，然后根据不同的保护原理进行判断并执行输出。另外，还有人机接口、通讯等功能需求。 因此，对于不同的保护装置，都应该由以下几部分组成：c p u 电路、交流采集同路、开关量的输入 输出回路以及人机接口及通讯电路等，所不同的只是交流信号采集类型的不同和通道数量多少的不 同。 交流输入信号的不同主要有两种，一是电压和电流的区分，如三相输入电压和三相输入电流； 另一种是输入信号范围的不同，如保护电流的范围一般在0 - - 1 0 0 a ，而测量电流的范围一般在o 5 a 。 交流输入信号的采集由互感器完成，对于不同的输入信号需要不同型号的互感器，但这些互感器的 外观和接口都是相同的，并且输出信号的范围都是相同的。因此在设计时完全可以设计成相同的电 路，只是在焊接时焊不同型号的互感器就可以了。 对于输入信号的数量，虽然各种保护对于信号数量的要求都不同，但是上下差异不大。仍以交 流信号为例，最大的如变压器4 侧差动不超过1 2 路，最少的2 侧差动至少需要6 路，绝大部分在 耻l o 路之间，因此在电路设计时可以按照1 2 路进行设计，不需要的可以空下来不焊，并不增加多 少成本。 2 第1 章概述 另外，对于发电机保护而言，其转子一点接地功能需要单独的电路实现，但是该部分可以作为 一个独立的模件选配，其它保护装置中可以不安装该模件。 因此，对于小型水电站的继电保护装置，可以采用统一的硬件平台来实现，该硬件平台包括c p u 电路、交流采集回路、开关量的输入输出回路以及人机接口及通讯电路等几部分。对于不同型号的 保护装置，在生产加工时只需要焊接少量不同的器件即可，对生产加工和调试带来极大的方便。另 外，不同的保护装置采用相同的软件结构，有着相同的接口和人机界面，对于投运维护也带来很大 的便利。 1 4 本课题的目的及主要研究工作 本课题的目的就是研制一套适合于小水电站应用的继电保护装置，该装置应采用统一的硬件平 台，根据软件的不同，可以实现不同的保护功能，如发电机的差动和后备保护、变压器的差动和后 备保护、线路保护、厂变保护、备自投等。该装置应能满足国标及行标对于继电保护的性能指标的 规定，同时要控制成本。该装置应具有强大的通讯接口，满足和监控及其它设备间的信息交换。考 虑到水电站的各种保护装置中，发电机的保护功能最复杂，因此本课题将首先研究发电机保护，以 后根据研究情况再推广到其它保护装置的研究中。 本课题的主要研究工作是设计及实现该保护装置的硬件电路，主要包括以下几方面的内容： 1 主c p u 电路设计 主c p u 采用d s p ( 数字信号处理器) ，主要完成数据采集及保护功能。d s p ( 数字信号处理器) 是一种具有特殊结构的微处理器。d s p 芯片内部采用程序和数据分开的哈佛结构，具有专门的硬件 乘法器，广泛采用流水线操作，提供特殊的d s p 指令，可以快速地实现各种数字信号处理算法。由 于d s p ( 数字信号处理器) 具有以上特点，因此在电路设计和应用方面和传统的微处理器有一定的 不同。 2 交流采集及滤波回路 交流电压和电流信号必须滤除有效信号中混叠的高次谐波，才能进行a d 转换并采集。 3 开入开出通道设计 开入采集通道设计中应注意由于干扰及抖动等因素造成的信号采集出错；开出通道设计中应注 意有效的信号闭锁，防止保护装置误动和拒动。 4 直流采集回路 主要完成发电机励磁电压及转子接地电阻的测量。 5 人机接口及通讯 人机接口部分采用5 1 系列的单片机，主要完成液晶显示屏、键盘、l e d 的驱动以及保护装置 对外的通讯接口。 3 东南大学工程硕士学位论文 2 1 功能要求 第2 章总体方案设计 本课题首先进行发电机保护装置的研制，但其硬件平台及软件平台应满足小型水电站其它保护 装置的需求。 2 1 1 保护功能 首先研究的是小型水电站发电机保护功能，其保护动作精度、动作时间应满足相关国家标准的 技术要求。主要保护功能有： 比例制动式纵差保护 对称过负荷保护 负序过负荷及负序过流保护 过电压保护 零序电流式定子接地保护 零序电压式定子接地保护 低压过流，复压过流保护 失磁保护 励磁回路一点接地保护 2 1 2 硬件接口及技术指标 交流信号输入：1 2 路，支持电流及电压输入，其中额定交流电流i n 为5 a 或1 a ，额定交 流电压u n 为5 7 7 4 v ； 开关量信号输入：1 6 路，2 2 0 v 直流输入，光耦隔离。 开关量信号输出：1 6 路，空接点输出，继电器隔离。 转子直流输入：l 路，直流电压 辅c p u 地 h 址 总 1w a t c g 卜就 线 f 7 2 f a r o l l 5 。1 6 1 。 = ，二i 懈t i y 一弘 v i - r i a l 咖厂 1 一 。一t 一一1 一一 t 一 o i i i i ： i - r ：1 5 f 口 l i l l 1 一l 【h j l 、 、，j l l ，十，、叶、 l l 1 。侧一东3 - 除 。 1 日 t ol ，、i 、l ，、。i ， 图3 - 4 频谱混叠示意图 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正必须高达4 k h z 以上，这样对c p u 的速度提出了过高的要 求。数据采集系统是以采样频率五不断向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3 5 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。 a 旧 0 t i - l z 图3 5 模拟低通滤波器的理想传递特性 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，因此构成有源滤波 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 率最高在1 m h z 左右，这是它的不足之处。滤波器的一般结构如图3 _ 6 所示【1 7 】。 东南大学工程硕士学位论文 配配 滤波器 图3 击滤波器的一般结构 图中的矾( t ) 表示输入信号，u o ( t ) 表示输出信号。假设滤波器是个线性时不变网络，则在复频 域内有 a ( s ) ：翼 ( 3 1 ) 形( 曲 “ 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 ：ju ) ，则有 a ( j c o ) = a ( j c o ) ie 。妒珊 ( 3 2 ) 这里的i a 0o ) l 是传递函数的模， 是时延f ( 缈) ，它定义为 f ( 国) ：一掣( s ) a o ) 伊( 缈) 为其相位角。此外我们在滤波器中所关心的另外一个量 ( 3 3 ) 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。当相位响应缈( 彩) 作线性变化，及时延响应f ( 国) 为常数时，输出信号才可能避免失真。 图3 7 - g r ：卣源低通滤波器 上图为二阶有源低通滤波器的通用电路图。图中彳l f r = r a f + r b ，称为同相输入闭环增益。在 节点3 处有 i i + 1 2 + 1 3 = 0 即 竺!兰!手竺：!兰!+二u三。互(s竺) ：。丝塑二坠盟+ 垒：o 1 。 ( 3 4 ) ( 3 5 ) 将上式整理可得传递函数为 郴，5 丽u o ( s ) 2 两丽丽焉警器赫丽 1 6 +- u 占 第3 章硬件电路设计 令 和 则有 k = ：p 。一 r 1 r 2 c l c 2 s 2 + 【r 2 c j + r l c 2 + r l c l ( 1 一a 矿) 】s + 1 小勘小惫 力一2 = 1 r l r 2 c l c 2 q=丽蹁4r1r2cic2 邪) 2 丽u o ( s ) 2 可a o 知2 磋a o r i o z国n掣彩。彰 ( 3 6 ) ( 3 7 ) ( 3 8 ) ( 3 9 ) ( 3 1 0 ) 上式为二阶低通滤波器传递函数的典型表达式。其中国。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 = 缈，由此可以求得其幅频响应和相 频响应分别为 ia ( j c o ) i - 弛卜一等 0 3 一 ( 3 1 1 ) ( 3 1 2 ) 由上式可见，当国= 0 时，么( 彩) 2 如；当彩专o o 时，彳( 力) 2 0 ，这是低通滤波特性。由相 频特性可知，当缈 国。而接近功= 国。时，l 伊p ) | 去时，才存在幅频特性的 峰值。 由于2 0 l g 乏= 3 d b ，当q = 百1 时，求幅值由直流时的增益下降到3 d b 的截止频率。令 l 旦趔i 表达式的分母为 2 丧2 2( 3 1 6 ) 得截止频率国。= ( - 0 。，具有这种特性的滤波器称为b u t t e r w o r t h ( 巴特沃思) 型滤波器。设纵坐 标用规一化后的幅值取对数表示，即 2 。- g l 叫吨1 _ 钔+ 割 1 1 2 1 1 4 1 23 10 图3 - 8 二阶低通有源滤波器的对数幅频特性 图中的纵坐标为规一化到直流时的幅值，即 1 2 0 1 9 二一 一 吼 ( 3 1 8 ) 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，滤波器的截止频率为1 6 0 h z ( 厂= ( 1 r 1 只2c l c 2 ) 2 刀r ) ，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 为了保证滤波回路的稳定性，滤波回路的电容采用涤纶电容，运放采用高精度，低温漂的 1 8 一污 第3 章硬件电路设计 o p a 2 2 7 7 。模拟量前置低通滤波器的原理图如图3 - 9 所示。 弦多6 3 7 l 寺 图3 - 9 模拟低通有源滤波器 3 3 3 a i d 采样模块 模拟信号的采集一般经过采样保持、多路开关和a d 转换几部分。 1 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