（电力电子与电力传动专业论文）基于dsp和μcosⅡ的馈线保护装置的研究.pdf

a b s t r a c t w h e t h e rt h er e l a yp r o t e c t i o nd e v i c ec a l lf u n c t i o ns t e a d i l yi sv e r yi m p o r t a n tt o s t a b i l i t yo ft h ew h o l es y s t e m s ot h es e n s i t i v i t y , s t a b i l i t ya n dc e l e r i t yo fr e l a y p r o t e c t i o nc a l l f o rm o r es t r i c t r e q u e s t s a i m i n g a td i f f e r e n tk i n d so ff a u l t sa n d a b n o r m i t y , w es h o u l di n s t a l lm o r ea d v a n c e dp r o t e c t i o nd e v i c e u s i n gc o m p u t e r s p o w e r f u lc a l c u l a t i o n ，a n a l y s i sa n dl o g i cj u d g e m e n tt op r a c t i s ee l e c t r i cp o w e rs y s t e m s p r o t e c t i v er e l a y i n gi sap r o j e c tw h i c hi sp a i da t t e n t i o nt ob ym a n ys c h o l a r sa n dt h eg o a l o fp r o t e c t i v er e l a y i n gd e v e l o p m e n t r e g a r d i n gm i d d l e - l o wp r e s s u r et r a n s m i s s i o nl i n e s i nc o r p o r a t i o na st h eo b j e c t , t h ep a p e rb r i n g sf o r w a r dak i n do f r e l a yp r o t e c t i o nd e v i c e b a s e do nd s pa n de m b e d d e dr t o si _ t c o s - i i t h eh a r d w a r ea d o p t sd s pa n dm c ua sd o u b l ec p u c o n f i g u r a t i o n i tu s e st h ed s p p r o c e s s o rt m s 3 2 0 f 2 8 12m a d ei nt ic o m p a n ya sc o n t r o lk e r n e lt o r e a l i z et h e p r o t e c t i o n , m e a s u r ea n dc o m m u n i c a t i o nf u n c t i o na n du s e st h ep 8 9 c 6 6 8 hs c mt o c o m p l e t et h em a n - m a c h i n ei n t e r f a c e t h es o t t w a r ed e s i g ni sb a s e do nt h ee m b e d d e d r t o si _ t c o s - i i t h ep a p e rd i s c u s st h ed e t a i lm e t h o do fr e a l i z i n gt c p i ps t a c ko n e m b e d d e ds y s t e m t h ee m b e d d e dc o m p u t e rs y s t e ma n de t h e r n e tc o n v e n i e n c et h ew e c a ni m p r o v et h ee f f i c i e n c yo fr e l a yp r o t e c t i v ed e v i c eb yt h ee t h e r n e tw h i c hb a s e do n t c p i pp r o t o c o l s t h er e l a yp r o t e c t i o nd e v i c em e n t i o n e di nt h i sp a p e ri sn o v e lf r o mt h ea n g l eo f e o l l e e t i v i 够s c h e m ea n dd e s i g ni d e a t h er e s u l ti n d i c a t e st h es c h e m es a t i s f i e st h eb a s a l r e q u e s to fp r o t e c t i o n f i g u r e 【3 5 】t a b l e 1 】r e f e r e n c e 【4 2 】 k e y w o r d s ：r e l a yp r o t e c t i o n , d s p , e m b e d d e dt c m p ，p c o s - i i ，t a s k c h i n e s eb o o k sc a t a l o g ：( t p 2 7 3 5 ) i i 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及 取得的研究成果。据我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方以外， 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 塞徵理王太堂或其他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 表示谢意。 学位论文作者签名：蜀盘d ! 逸日期：盟年j 月羔日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解塞邀堡王太堂有保留、使用学位论文 的规定，即：研究生在校攻读学位期间论文工作的知识产权单位属于 塞邀堡王太堂。学校有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的 复印件和磁盘，允许论文被查阅和借阅。本人授权安徽理工大学 可以将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、汇编学位论文。( 保密的学位 论文在解密后适用本授权书) 学位论文作者签名：臧小l 展签字日期：厶。7 年f 月f 日 导师签名： 榔期：产 日 第1 章绪论 l绪论 1 1国内外继电保护技术的历史、现状及趋势 电力行业是社会发展的基础行业，现代社会对电能的质量和供电可靠性的要 求也越来越高，这就需要继电保护设备对电网故障快速有选择性的做出反应，切 断对电网造成谐波污染或存在异常情况的用电设备。继电保护设备的核心部分是 继电器。继电器的发展是随着电力系统和自动化的发展而发展的，已经历了机电 型、电磁型、整流型、晶体管型、集成电路型几个阶段。早在6 0 年代中期国外就 有人提出利用计算机实现继电保护的设想，伴随着近年来计算机技术的日益更新， 国外各继电保护装置制造厂家纷纷投入大批的科研力量，相继推出基于微机型的 继电保护产品。目前，这些微机型继电保护装置已经成为电力系统的安全生产、 稳定运行的不可缺少的专用设备。 我国微机保护研究已有近3 0 年的发展史，在此期间我国技术人员创造性地吸 收、掌握了国外先进的继电保护设备性能和运行技术，建成了一支既具有深厚继 电保护理论知识又具有丰富运行经验的继电保护技术队伍，形成了继电保护研究、 设计、制造、运行的完整体系。尽管我国继电保护工作起步晚，但进展却很快。 从华北电力学院研制的我国第一代微机保护产品到由华北电力学院北京研究生部 研制的第二代微机线路保护系统仅用了三年时间，其中第一代微机保护系统的特 点是采用单c p u 结构及多路转换的a d c 模数变换模式，第二代的特点是总线不 引出插件，数模变换采用v f c 方式，使得保护精度与速度及可靠性有了一定的提 高。九十年代中期由北京哈德威四方保护与控制设备公司和华北电力大学联合研 制生产的c s 系列产品是我国微机线路保护系统的第三代产品，它的最大特点是 采用不扩展的单片机，总线不引出芯片及较先进的网络通信结构技术，从而使得 保护系统的硬件结构提高到一个新的水平。最近十年具有代表性的产品是国家电 力公司电力自动化研究院的l e p 9 0 0 系列保护系统，该系统改变了快速保护的现 状，推动了不同种类的微机线路和主设备的研制进程。随着微机保护装置的研究， 技术人员在微机保护软件、算法等方面也取得了很多理论成果。可以说从9 0 年代 开始我国继电保护技术已进入了微机保护的时代。 尽管几十年来，通过我国广大电力科技工作者的不懈努力，我国继电保护技 术及装置应用水平有了大幅度的提高。但是目i j 国内正在运行使用的微机保护装 置还存在几个需要改进的地方。如硬件系统资源及功能简单，软件系统开发平台 安徽理工人学硕士学位论文 不完善，通信的标准性、高速性、可靠性得不到保障，限制了厂站自动化系统的 发展，不符合今后微机保护测控系统的发展方向。因此，随着新的改善保护性能 的原理和方案的出现，采用高性能硬件平台和先进的软件技术，研制能适应电力 系统的多功能一体化保护装置是未来继电保护研究方向。 随着计算机技术和通信技术以及大规模集成电路的飞速发展，微机型继电保 护装置的发展趋势是：数据处理速度会越来越快，输出信号精度、响应速度会不 断提高；软件多采用w i n d o w s 视窗界面；测试仪重量趋于小体积、轻重量、便携 式；测试功能逐渐完善，测试项目不断增加；测试手段由开环趋于闭环测试，由 手动趋向自动测试；多种测试仪均能实现双端保护暂态试验，并趋于实现多端保 护暂态实验；由集成型的装置趋于模块化的测试装置；更趋于绿色环保方向。 1 2 本课题所完成的主要内容 本论文在分析和汲取国内外继电保护装置的先进技术的基础上，研究一种基 于d s p 和i t c o s i i 的继电保护系统。整个系统由硬件和软件两大部分组成，系 统的硬件核心采用t i ( t e x a si n s t r u m e n t s ) 公司的t m s 3 2 0 f 2 8 1 2d s p 芯片和 p 8 9 c 6 6 8 h 单片机作为微控制器，并配以适当的外围电路来实现各种功能。为提 高开发效率，系统选择了源代码公开的小型嵌入式实时操作系统r t c o s i i ，完成 了其在t m s 3 2 0 f 2 5 1 2 上的移植，并基于此操作系统采用结构化的程序设计语言c 语言进行应用程序的编写。论文所完成的主要内容如下： 1 、研究当前国内外继电保护装置的发展情况，分析其中存在的一些缺陷和不 足，论述研制新型高性能的继电保护装置的现实意义； 2 、制定基于d s p 芯片和i t c o s i i 的微机保护装置硬件平台的设计方案，阐 述装置各插件单元各功能模块的设计，包括主要芯片的选型、主要功能、电路原 理的介绍等： 3 、对有关继电保护方面的概念、原理、算法选择与实现等知识进行一定的研 究； 4 、查阅t c p i p 协议栈相关资料，选择适合微机保护装罨的嵌入式t c p i p 协议栈，实现微机保护装置问的以太网局域网通信，进一步增强保护装簧的功能： 5 、完成嵌入式操作系统l a c o s i i 在t m s 3 2 0 f 2 8 1 2 的移植，并在操作系统 基础上完成装置控制器各应用程序的设计； 2 第1 章绪论 1 3 本课题的研究意义 目前运行的继电保护装置一般都是采用单片机做处理器，汇编语言编程，为 线形程序结构，不易于继保装置功能的扩展，不易实现更复杂的算法和更高采样 速率，其运行的速度和计算精度都不能满足如今电力系统形势发展的需要。研制 设计一种新型的、可靠的硬件平台系统越来越成为当务之急。 随着微电子和半导体技术的发展，数字信号处理器( d s p ) 已运用于众多领 域，目前众多电力自动化设备供应商都开发出了新一代的基于d s p 的电力智能装 置。新一代处理器数字信号处理器( 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，还具有硬件资源丰富、开发平台先进等优点，使得其在硬件 设计中得到了广泛的应用。 随着微处理器芯片性能的高速发展、价格的下降和对软件的可重用性、可维 护性的提高，采用实时操作系统( r 1 旧s ) 已经是大势所趋。其中有代表性的 t t c o s i i 是一个高效的嵌入式实时操作内核，它支持众多体系结构，其稳定性和 可靠性是经过实践验证的。 基于上述原因，本文设计开发了一种基于d s p 和i 上c o s i i 的馈线保护装置。 该装置是在3 2 位高性能的d s p 上移植了v t c o s i i 操作系统，并以此为平台完成 了应用程序的设计。这些使得装置能够完成电量测量、故障判定、保护命令发出、 故障报警、故障录波和与上位机通信等多种功能，进而控制装置中其它的器件完 成保护任务。该装置具有处理速度快、人机界面友好、可扩展性强等特点，与同 功能的其它装置相比具有领先的技术水平。在3 2 位d s p 处理器上构建以嵌入式 实时操作系统p c o s i i 为平台的开发应用近年来颇多，但在微机型继电保护装置 方面的应用还不多见，这些研究将为今后微机保护装置的研究提供一定的参考价 值。 高性能的硬件平台和先进的软件技术为继电保护装置的灵敏性、可靠性和易 操作性提供了可靠的保证，有利于提高电网供电的安全性和可靠性，促进电力系 统综合自动化的发展。 3 安徽理j 1 = 人学硕士学位论文 2 保护的原理及实现 2 1 继电保护的基本概念 继电保护装置，就是指能反映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。电力系统在运行中，可能 会发生各种不j 下常运行状态和各种故障，特别是短路故障，可能会造成各种的系 统事故。因此在电力系统中，除了采取各项积极措施消除或减少发生故障的可能 性外( 如加强对设备的维护和维修) ，在故障发生时，必须迅速而有选择性地切除 故障设备和线路，保证系统一次设备的安全运行，这样才能达到保证电力系统以 及大型用电设备安全、稳定和经济运行的目的。 继电保护装置利用先进的单片机技术或d s p 技术，由硬件和软件相结合，完 成对运行设备电气参量的在线检测、处理并按照预定的保护判据计算判断，实现 各种继电保护算法，从而完成预定的继电保护功能。 微机保护装置是指以微型机作为核心部件构成的继电保护装置。随着电子计 算机特别是微型计算机技术的快速发展，其应用已广泛而深入地影响着科学技术、 生产和生活领域，在电力系统应用也越来越广泛。 2 2 继电保护的基本原理及其组成 当电力系统发生故障时，总是伴随着有电流的增大、电压的降低、线路始端 测量阻抗的减小，以及电流和电压之间相位角的变化。因此，利用j 下常运行与故 障时这些基本参数的区别，便可以构成各种不同原理的继电保护。比如，利用电 压和电流比值的变化，可构成低阻抗保护( 或叫做距离保护) ，这种保护反应于测 量阻抗的减小( 或短路点到保护安装地点之间的距离) 而动作；利用电压和电流 之自j 相位关系的变化，可构成方向保护；利用短路时电流增大的特征可构成过电 流保护，过电流保护反应于电流的增大而动作；利用电压降低的特征，可构成低 压保护，低电压保护反应于电压的降低而动作；利用比较被保护设备各端的电流 大小和相位的差别可构成差动保护等。 此外，还可根据电力元件的特点实现反应非电量特征的保护。如当变压器油 箱内部的绕组短路时，反应于变压器油受热分解所产生的气体，构成的瓦斯保护； 反应电机绕组温度升高的过热保护等。 一般的继电保护装置是相当于一种在线的开环自动控制装置，由测量比较元 4 第2 章保护实现原理 件、逻辑判断元件和执行输出元件三部分组成，其原理结构如图1 所示，现分述如 下： ( 1 ) 测量比较元件 相应输入景 测量比较逻辑判断执行输出 r 元件 r 元件 r 元件 图1继电保护装置的组成方框图 f i g 1c o m p o s i t i o nb l o c kd i a g r a mo fr e l a yp r o t e c t i o nd e v i c e s 测量比较元件是测量通过被保护的电力元件的物理参量，并与已给定的整定 值进行比较，根据比较的结果，给出“是力、“非 、“o 或“l 性质的一组逻辑 信号，从而判断保护装置是否应该启动。 ( 2 ) 逻辑判断元件 逻辑判断元件是根据测量比较元件输出逻辑信号的性质、先后顺序、持续时 间等，使保护装置按一定的逻辑关系判定故障的类型和范围，最后确定是否应该 使断路器跳闸、发出信号或不动作，并将有关命令传给执行输出部分。 ( 3 ) 执行输出元件 执行输出元件是根据逻辑判断部分传送的指令，发出跳开断路器的跳闸脉冲 及相应的动作信息、发出警报或不动作。 2 3 继电保护的基本任务 ( 1 ) 自动、迅速、有选择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( 例如有无经常值 班的人员) ，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。 2 4 对继电保护的基本要求 动作于跳闸的继电保护，在技术上一般应满足四个基本要求，即可靠性、选 择性、速动性和灵敏性： 5 。 安徽理工人学硕士学位论文 ( 1 ) 可靠性。这是继电保护最基本的性能要求，它又分为可信赖性与安全性。 可信赖性要求继电保护在设计要求它动作的异常或故障状态下，能够准确地 完成动作：安全性要求继电保护在非设计要求它动作的所有情况下，能够可靠的 不动作。 可信赖性与安全性都是继电保护必须要具备的性能，但两者相互矛盾。一般 说来，在传送大功率的电力线路，宜于强调其安全性；而对于其它的线路保护， 则往往宜于强调其可信赖性。对于那些带有重要用户的输配电线路的继电保护， 无论它拒动还是误动，都有可能引起巨大的经济损失或人员伤亡，因此，在选用 设计方案时，需要精心设计，兼顾这两个方面的要求。 ( 2 ) 选择性。是指保护装置动作时，仅将故障元件从电力系统中切除，使系统受 影响的范围达到最小。 ( 3 ) 速动性。是指继电保护应以允许的、尽可能快的速度动作使断路器跳闸，以 断开故障或终止异常运行状态发展。这样就能减轻故障设备的损坏程度，提高电 力系统运行的稳定性。 ( 4 ) 灵敏性。是指继电保护对设计规定要求动作的故障及异常状态能够可靠动作 的能力。 灵敏性常用灵敏系数来衡量。故障时，输入继电保护装置的故障量和给定的 继电保护装置动作值之比，称为继电保护的灵敏系数。不同的保护类型，和针对 组成该类型不同的保护元件而言，要求灵敏系数是不同的。继电保护越灵敏，越 能可靠地反映电网的故障或异常状态；但同时，也越易于在非要求动作的其他情 况下产生误动作，也就是说，灵敏性是在牺牲了选择性和可靠性的前提下提高的， 因而，在设计选型时一定要从被保护对象的实际情况出发，明确矛盾的主次，在 这“四性 之间协调处理达到最为满意的结果1 。 2 5 继电保护的种类 在电力系统继电保护的回路中，常用的继电保护的实现原理随相关技术的发 展而变化，目前仍在采用的保护按被保护的元件分为：馈线保护、发电机的继电 保护、电动机的继电保护、电力变压器的继电保护等，按照保护的手段可以分为： 电流保护、电压保护、方向保护、阻抗保护、瓦斯保护，按保护的相关性可以分 为：主保护、后备保护、辅助保护。 6 第2 章保护实现原理 2 6 馈线保护的基本原理及实现 电力系统由发电、输电和配电部分组成。发电环节的保护集中在元件保护， 主要目的是确保发电厂当发生电气故障时将设备遭受的损失降到最小。输电保护 集中在对输电线路的保护，其首要目的是维护电网的稳定。配电环节的保护集中 在馈线保护上。配电网不存在稳定问题，一般认为馈线故障的切除并不严格要求 是快速的。不同的配电网对负荷供电可命性和供电质量要求是不同的。许多配电 网仅是考虑线路故障对售电影晌及对配电设备寿命的影响，尚未将配电网故障对 电力负荷用户的负面影响作为配电网保护的目的。随着我国经济的发展，电力用 户对电能的依赖性越来越大，提高供电可靠性和改善供电电能质量已成为配电网 的工作重点。而配电网馈线保护的主要作用也体现在提高供电可靠性上，具体包 括馈线故障切除、故障隔离和恢复供电b 儿钉嘲m 。具体的实现原理有以下几种： 2 6 1三段式电流保护原理 为保证迅速而有选择性地切除故障，常常将电流速断保护、限时电流速断保 护、过电流保护三者结合起来构成三段式电流保护。电流速断、限时电流速断和 过电流保护都是反应于电流升高而动作的保护。 ( 1 ) 电流速断保护 电流速断保护是对于仅反应于电流增大而瞬时动作的电流保护。它是在供电 线路出现严重故障时动作于跳闸的保护。其优点是简单可靠，动作迅速；缺点是 不能保护线路全长，并且保护范围直接受系统运行方式变化的影响。 电流速断保护应躲过下一条线路出口处发生三相短路所发生的最大短路电 流，是以三相电流中的最大相电流为判断依据的，其保护判据如下： i k ( 2 - 1 ) 【t k 式中k 最大相电流，k - - - m a x ( i o ，厶，t ) ； k 电流速断保护动作定值； k 电流速断保护动作时限； ，动作延时。 ( 2 ) 限时电流速断保护 由于电流速断不能保护本线路的全长，因此可考虑增加一段新的保护，用来 切除本线路上速断范围以外的故障，同时也能作为速断的后备，这就是限时电流 7 安徽理一l ：人学硕士学位论文 速断。由于要求限时速断保护必须保护本线路的全长，因此它的保护范围必然要 延伸到下一条线路中去，这样当下一条线路始端发生短路时，它就要启动，在这 种情况下，为了保证动作的选择性，就必须使保护的动作带有一定的时限，然而， 又为了使这一时限尽量缩短，一般地是使它的保护范围不超过下一条线路电流速 断保护的范围，而动作时限则比下一条线路的速断保护高出一个时间阶段。 限时电流速断保护和相邻线路的电流速断保护配合，整定值躲过相邻线路电 流速断保护范围末端短路时所产生的最大短路电流，动作时问也与相邻线路电流 速断保护的动作时自j 配合，如果限时电流速断保护不能保护本线路的全长或者说 灵敏度不满足的要求，则与相邻线路的限时电流速断保护配合。限时电流速断保 护的动作判据和瞬时电流速断保护的判据基本一样。 ( 3 ) 定时限过电流保护 过电流保护通常使指其启动电流按照躲开最大负荷电流来整定的一种保护装 置。在一般情况下，它不仅能保护本线路的全长，而且能保护相邻线路的全长， 以起到后备保护的作用。 它的起动电流按躲过最大符合电流来整定，同时相邻线路定时限过流保护的 灵敏度也要相互配合，即对同一故障点而言，要求越靠近故障点的保护应具有越 高的灵敏度，且动作时间应比相邻线路的定时限过流保护的动作时间大一个级差 t ，其保护判据如下： jkk(2-2) 【，么 式中k 最大相电流，k - - m a x ( ，口，i b ，厶) ； k 定时限过电流保护动作定值； k 定时限过电流保护动作时限； t 动作延时。 2 6 2 零序电流保护 接地短路是电力系统中架空线路上出现最多的一种故障，占所有故障的9 0 左右。对于1 0 k v 电压等级中性点非直接接地系统发生单相接地时，由于故障点 的电流很小，而且三相之间的线电压依然保持对称，对负荷的供电没有影响。因 此，在一般情况下都允许再运行l 2 个小时，而不必立即跳闸。但是在单相接地 以后，其它两相的对地电压要升高压倍。为了防止故障进一步扩大成两点或多点 接地短路，就应及时发出信号，此时可利用故障线路出现的零序电流较非故障线 8 第2 章保护实现原理 路大的特点来实现零序电流保护。 零序电流保护是在供电线路出现单相接地故障后动作的保护。为了防止在负 载电流大的情况下较大的零序不平衡电流引起本保护误动作而负载电流小的情况 下保护拒动，其保护判据如下： 仁杠洱 1 1 0 k k 岘 k 籼哩 ( 2 3 ) 式中厶如，岛出分别是动作定值和动作时限： 厶，气分别是实际零序电流和动作时延； k ，t 分别是实测电流的最大相电流和变压器的额定电流。 由上述判据表达式可得，当i 。1 0 5 i 。即小负载电流的情况下，采用 l u i 0 5 1 。作为判据。而当l 。1 0 5 1 。即大负载电流时，采用上面的判据以提高 保护动作值，可防止保护误动作。 一般的零序电流速断保护的整定值较大，而且是通过离线计算得到、并且在 运行中保持为整定值，这就使保护装置无法根据系统运行方式的变化达到最佳的 保护效果。当接地短路前系统运行方式不同于整定值对应的运行方式时，或接地 短路故障类型不同于整定值对应的故障类型时，零序电流速断保护的灵敏性就会 发生变化，甚至发生拒动或误动。考虑到上述情况，本装置还配置了自适应零序 电流保护。它的基本思想是在算法的实现程序中对系统进行在线实时测量，并根 据系统运行方式的变化设定整定值，使保护装置自动适应系统运行的变化，处于 最佳工作状态。 自适应零序电流速断保护的基本原理是：在电网发生短路故障时，保护装置 根据实时检测到的接地故障短路类型和系统阻抗参数，在线计算零序电流速断保 护的动作整定值，然后将实时测量到的零序电流与动作整定值比较，以判断是否 动作。 2 6 3自动重合闸 因输电线路的故障绝大多数为瞬时性故障，主要是由天气、鸟兽等原因引起 的，继电保护反应瞬时性故障跳闸后，瞬时性故障源已消失，配置重合闸装置可 以自动重合闸，即可恢复正常供电，大大减少了停电时间。而对于由线路倒杆、 断线等引起的线路断开以后仍然存在的永久性故障，配置重合闸装簧会自动重合 一9 安徽理工大学硕士学位论文 而再次跳闸，此后不会再动作。由此可见，在线路被断开以后再进行一次合闸， 就有可能大大提高供电的可靠性。 基于低电压等级单侧电源线路，本系统提供了三相一次带后加速的重合闸功 能。三相重合闸是指不论送电线路上发生单相接地短路还是相间短路，继电保护 动作后均使断路器三相断开，然后重合闸再将三相投入。一次重合闸是指重合闸 只动作一次，后加速是指当线路第一次故障时，保护有选择性的动作，然后进行 重合。如果重合于永久性故障上，则在断路器合闸后，再加速保护动作，瞬时切 除故障，而与第一次动作是否带时限无关。后加速的优点在于第一次是有选择性 的切除故障，不会扩大停电范围，不受电网结构和负荷条件的限制。这样既使得 瞬时性故障不影响正常的供电，又保证永久性故障时保护的可靠动作。重合闸的 重合时间为0 5 s 到1 s 之间；后加速的记忆时间是5 s 。用户仅仅只要对重合闸的投 退进行设置即可，重合时间和记忆时间都是系统固有参数，不用设置n m 帅1 。 2 7 数据处理的基本算法 微机保护装置是根据模数转换器提供的离散采样数据来实现测量、分析和判 断的功能。在微机保护装置中，输入量( 如电流、电压等) 经过采样和模数变换 后被转变为离散的数字信号传送到中央处理器。微机将对这些数字量进行分析计 算。然后微机保护装置根据计算结果以及整定的定值，通过比较判断来决定装置 的动作行为。 显然算法运算的基础是离散的、量化了的数字采样序列。微机保护算法的计 算可视为对交流采样信号中参数的估算过程，而分析和评价算法的主要指标是其 速度和精度，速度包括两个方面：一是算法所要求的采样点数( 数据又称数据窗 长度) ，二是算法的运算工作量。而速度和精度常常是相互制约的，若要计算精 确，则往往要利用更多的采样点和进行更多的计算工作量。所以算法研究的实质 是如何在速度和精度两方面进行权衡，使运算结果的精确度能满足工程要求而计 算耗时又尽可能短。 目前，在微机保护中应用较广泛的算法有最小二乘算法、半周积分法、傅氏 算法和小波算法等。下面将介绍这几种算法，衡量各种算法的优缺点，以便在实 际应用中可根据保护的不同功能、保护的性能指标( 如精度、动作时问) 和保护 系统硬件的条件( 如c p u 的运算速度、存储器的容量) 来选择不同的算法n 们n 1 1 。 1 0 第2 章保护实现原理 2 7 1最小二乘法 最小二乘算法的一般表达式为 i ( t ) = p o e 功+ p k s i n ( k w l t + o k ) ( 2 4 ) 式中扁，= 0 时的直流分量； 见第k 次谐波分量的幅值； 直流分量的衰减时间常数； 见第k 次谐波的相角。 q 基波角频率。 当和低通滤波器的配合使用时，可以只考虑前五次的谐波。 将p 以用泰勒级数展开为 e 一刀：l a t + 三( 办) 2 一 ( 2 5 ) 取前两项表示e 。可得 f o ) = 风- p 0 2 t + p k s i n ( k w l t ) c o s o i + p k c o s ( k w i t ) s i n o k ( 2 6 ) k = lk = 1 对于砸) 来说，每一个采样值都应满足上式。如果取得砸) 的n 点采样值 她) 、f ( f 2 ) 、也) ，就可以得到n 个方程，可用矩阵表示为 肛= b( 2 - 7 ) 彳( f ) = 【1 t s i n w l tc o s w i t s i n 5 w l te o s 5 w l t 】 x = p o p o 兄ac o s q p , s i n o , p 5e o s 0 5p 5s i n 0 5 7 曰= 【f 编) i ( o f ( f 1 ：) 】 可以求得 x = 7 【彳旷阿【曰】 ( 2 - 8 ) 这种算法是先设定好一个的含有非周期分量及某些谐波分量的函数再将输入 的暂态电气量其按最小二乘方( 或称最小平方误差) 的原理进行拟合，使被处理 的函数与预先设定的函数尽可能逼近，其总方差为最小，从而可求出输入信号中 的基频及各种暂态分量的幅值和相角。 最小二乘法可以消除输入信号中需要消除的任意暂态分量( 包括衰减的直流 安徽理工大学硕十学位论文 分量和各整次甚至分次的谐波分量) ，这只要在预先设定的模型中包括这些分量 即可。因而这种算法可获得很好的滤波性能和很高的精度。但最小二乘法的模型 复杂，计算时间长。实际应用时须与前置低通滤波器配合，减少待估计的谐波次 数，以满足实时计算要求。但最小二乘法可以利用一个预设模型的拟合，同时计 算出输入信号中各种需要计算的量，如基波、二次谐波、三次谐波等。 2 7 2 半周积分法 半周积分法主要用来计算正弦量的幅值。假设此正弦量x 为 x ( f ) = 4 ，ls i n ( 研+ 咖 ( 2 9 ) 则在任意半周内对其绝对值的积分为 s = m 陋= 妻厶 ( 2 - l o ) 可见正弦波半周绝对值的积分正 i t 比于其幅值，且与积分起始点无关。将式( 2 1 0 ) 离散化就可得到矩形近似积分法或梯形近似积分法。 4 铱一 ( 2 - 1 1 ) 4 ：圭l 气置 ，1 + 莩1 气茁号+ o l + 圭i t r ，i c 2 一- 2 ， 其中k 为当前采样点；n 为基波每周内的采样点数。 半周积分法的时间窗为1 0 m s ，显然较长。但它本身有一定的滤除高频分量的 能力，且计算量极小，可以用非常简单的硬件来实现。因此在一些对精度要求不 高的电流、电压保护中可以采用此种算法。必要时可用差分滤波器来抑制信号的 直流分量。 2 7 3 傅氏算法 电力系统短路后，暂态过程中的电压和电流含有按指数衰减的非周期分量和 非基频整倍数的高频分量，全波傅氏算法不仅能滤除各种基频整倍数谐波分量和 恒稳直流，而且对非基频整倍数谐波分量和非周期分量也有一定的抑制作用。 同时由于本论文研究的1 0 k v 线路保护对保护的速动性要求不是很高，因此本 装置中保护模块摸拟量采样值的计算采用的是傅氏算法。 傅氏算法的基本思路来自傅里叶级数，算法本身具有滤波作用。它假设被采 1 2 第2 章保护实现原理 样的模拟信号是一个周期时间函数，除基波外还含有不衰减的直流分量和各次谐 波，假设输入信号为x ( t ) ，n x ( t ) 的一般表达式为： x ( t ) = b 。c o s n w , t + a 。s i n n c o , t ( n = 0 ，1 ，2 ，) ( 2 13 ) 式中a 。、b 。分别为直流、基波和各次谐波的正弦项和余弦项的振幅。 由于各次谐波的相位可能是任意的，所以，把他们分解成有任意振幅的正弦 项和余弦项之和。a 。、b 。分别为基波分量的正、余弦的振幅。 根据傅氏级数的原理，可以求出a 。、b 1 分别为： a 。= 7 2f x ( f ) s i n ( 洲) a t ( 2 - 1 4 ) 6 1 = 亍2r z ( f ) c o s ( 刎冲( 2 - 1 5 ) 由积分过程- 9 知道，基波分量正、余弦项的振幅a ，和b ，已经消除了直流分 量和正次谐波分量的影响。于是x ( t ) 中的基波分量为 x i ( t ) = a l s i n ( o , t + b l c o s c 0 1 t ( 2 1 6 ) 合并正弦、余弦项，可写为 而( f ) 2 4 2 x l s i i l ( 国l 什) 式中x 1 为基波分量的有效值； 为t - - 0 时基波分量的相角。 将s i n ( c o , t + 口, ) 用和角公式展开，不难得到x l 、 a , = 2 x l c o s a , b l = n 2 x 1 s i n a , 因此，可根据a 。和b ，求出有效值和相角为 2 x 1 2 = a 1 2 + 岛2 t g a , ：堕 ( 2 - 1 7 ) 同a 。、b 之间的关系为 ( 2 一1 8 ) ( 2 - 1 9 ) ( 2 - 2 0 ) ( 2 - 2 1 ) 在用微型机处理时，式( 2 - 1 4 ) 和式( 2 - 1 5 ) 的积分可以用梯形法则求得： q = 榷叫k 等) b 。= 吉 而+ 2 萋稚c o s ( 七等) + 式中n 为基波信号的一周期采样点数； ，1 3 一 ( 2 - 2 2 ) ( 2 - 2 3 ) 安徽理工大学硕士学位论文 黾为第k 次采样； 而、h 分别为k = 0 和k = n 时的采样值。 根据上式计算出的结果，然后再代入式( 2 - 2 0 ) 和式( 2 2 1 ) 就可以计算出相 应的有效值和相角了。 以此类推，可将式( 2 - 2 2 ) 和( 2 - 2 3 ) 改为下列表达式，即可求出任意n 次谐波 的幅值和相位，适用于谐波分析。当然，被分析的最高谐波次数- q 采样频率之间， 应满足采样定理。 = 吉 2 赫k = ln ( h 等) 2 4 ， 卟小+ 2 詈删( h 芍) + h c z 一2 5 ， 2 7 4 小波分析 小波分析是近代应用数学中一个迅速发展的新领域。小波分析具有伸缩、平 移和放大功能，它在时域和频域上同时具有良好的局部化性质，能对不同的频率 成分采用逐渐精细的采样步长，聚焦到信号的任意细节，这对于检测高频和低频 信号以及信号的任意细节均很有效，特别适于分析奇异信号，所以小波分析在电 力设备状态监视、电力系统故障诊断等诸多方面均有着广阔的应用前景。 在故障开始的瞬间，各种暂态分量非常丰富，以往因不能正确区分干扰信号 与故障产生的暂态分量信号，而将暂态分量当作噪声滤除了。实际上暂态分量中 包含了大量的故障信息，如果能对此加以利用，将有可能进一步提高微机保护装 置的动作速度。 小波分析可以对信号进行多尺度分析，它具有很强的特征提取功能，尤其是 对突变信号的处理优势非常明显。另外，由于随机噪声信号的小波变幻与有效信 号的小波变换在特征上具有明显的区别，因此小波分析方法具有很强的消噪功能。 这些均为小波分析在微机继电保护中的应用提供了可能性。 1 4 第3 章装置的硬件设计 3 装置的硬件设计 对于高性能的微机馈线保护装置，先进的原理和算法是核心，科学合理的保 护配置是原理实现的保证，高性能、高可靠的硬件是保护功能实现的基础，软件 的合理设计和开放性则直接关系到保护性能的可靠实现和进一步发展。因此高性 能的保护装置的研制是一个复杂的系统工程，需要单独原理与整体方案、硬件与 软件的高度配合。硬件设计对后续软件系统设计与实现影响很大。所以，硬件电 路的设计不仅要考虑装置系统功能的要求，还需要考虑如何使得软件设计更加简 单与方便。下面先简单了解下本装置的总体硬件结构，然后详细介绍装置的硬件 结构组成，以及装置中各功能模块的硬件设计思路n 盯。 本装置采用插件式结构，这种结构把整个硬件按照功能和电路特点划分为若 干部分，每个部分做成一个独立的印制电路板，板上对外联系的引线通过插针引 出。保护系统的各模件之间通过系统内部母板相联系，保护结构紧凑，人机界面 友好，外形美观大方。其布局如图2 所示。 模拟 开入 量输c p u 开出 电源 入插 插件插件 件 插件 母 板 面板 图2装置总体硬件结构图 f i g 2 s t r u c t u r ed i a g r a mo fd e v i c e sh a r d w a r e 整个系统的总体原理框图如图3 所示。 整个装置大体上分为：微处理器模块、模拟量采集模块、电能测量模块、开 关量输入输出模块、通信接口模块、人机接口模块和电源模块几个部分。 装置采用双c p u 结构，c p u l 实现数据的采集、计算、保护判断控制及通信功 能；3 2 位的d s p 芯片，有着强大的数据处理能力，保证了装置的实时性。单片机 ( c p u 2 ) 用于人机接口的处理，实现键盘扫描操作和l c d 显示功能，两个c p u 间 采用双u i r a m 进行通讯。 整个装置的工作过程是：主控制器模块发出模拟量和开关量采集命令，模拟量 - 1 5 安徽理一 人学硕士学位论文 图3 微机保护装置硬件结构图 f i g 3m i c r o p r o c e s s o rp r o t e c t i o nd e v i c eh 甜d w a r es t r u c t u r ed i a g r a m 采集模块和开关量输入模块分别将线路的各种运行参数和执行器件的状态信息送 给主处理器d s p 。d s p 首先根据设计的算法判断线路的工作状态，如果正常则仅定 时将采集的信息上传至上位机和发送到控制器的l c d 。如果故障则先通过开关量 输出相应故障的处理命令，并向操作室告警，并向上位机、l c d 发送和记录故障 消息，完成对线路的保护n 们豳1 。 3 1 微处理器模块 所有其他模块的运行命令都由微处理器模块发出，所有外设送来的数据都要 送到微处理器那里进行处理。微处理器模块包括核心处理器，外围3 0 m h z 的晶振， 以及由m a x 7 0 5 组成的看门狗电路等。 3 1 1主处理芯片简介 随着d s p 芯片制造工艺和技术的快速发展，使得大量高速廉价的数字信号处理 器应用于生产实际成为可能。由于数字信号处理器具有灵活、精确、抗干扰能力 强、设备尺寸小、速度快、性能稳定和易于升级等优点，再加上d s p 具有快速计算 的特点，采用d s p 实现数字化处理与控制已经成为发展趋势。 从结构上，d s p 可分为定点d s p 和浮点d s p ，对于微机保护装置来说，定点d s p 已经能够满足要求。目前，在国际上占市场份额最大的d s p 芯, 片制造商是美国德州 仪器公司( t e x a si n s t r u m e n t s ，t i ) ，其产品已发展至第六代。该公司在中国市场 上的技术支持及应用情况都占优势。它所生产能j d s p 芯片不仅种类齐全且均为通用 型，解决了以往微机保护的复杂算法难以实现的问题，突破了传统专用型d s p 芯片 1 6 第3 章装置的硬件设计 应用的局限性。所以经过对比和分析，本装置我们选择了t i 公司生产的定点d s p 芯片t m s 3 2 0 f 2 8 1 2 ( 下面简称f 2 8 1 2 ) 作为微机保护装置的主c p u n 妇n 副。 f 2 8 1 2 是t i 公司新推出的3 2 位定点d s p 控制器。它是对控制性能进行优化，面 向工业控制领域的芯片，是目前控制领域最先进的处理器之一n 妇n 叭间1 町1 。其特 性如下： 主频最高可达1 5 0 m h z ( 核心电压为1 9 v 时) ； 提供1 6 1 6 位和3 2 x 3 2 位的乘法累加操作，可以在一个指令周期内完成次 乘法和加法运算； 采用7 级流水线，使单条指令运行时间更少； 采用哈佛总线结构，数据总线和地址总线分开，内部总线更是多至6 种， 允许c p u 同时执行取指令和取数据操作； 片上有1 2 8 k x l 6 位的f l a s h 存储器，1 k x l 6 位的一次可编程e p r o m ( o t p ) 存 储器，1 8 k x l 6 位s r a m ( 分为m 0 、m i 、l 0 、l 1 和h 0 五块存储器) ，并提供外部 存储器接口； 含有丰富的片上外设，一个s p i 接口模块、两个s c i 接口模块、一个加强型 e c a n 2 0 b 接口模块、多通道缓冲串口( m c b s p ) 模块、三个3 2 位c p u 定时器和片 上2 x 8 通道的1 2 位a d c 。 处理器f 2 8 1