（电力电子与电力传动专业论文）基于dsp和fpga的电力系统静态仿真装置的研究与实现.pdf

a b s t r a c t a b s t r a c t 啊她s t a t i cs i m u i a t i o nd e v i c ei np o w e rs y s t e mc a l ls i m u l a t et h ev a r i o u sf a u l t sb y t r a n s m i t t i n ga l t e r n a t i v et h r e ep h a s ev o l t a g ea n dc i r c u i ts i g n a ls oa st ot e s tt h er e a c t i o ns t a t u s a n ds p e e do fr e l a yp r o t e c t i o na n ds a f ea u t o m a t i cd e v i c e so nf a u l t s s ot h es t a t i cs i m u l a t i o n d e v i c ei st h eb a s i c ，i m p o r t a n ta n de f f e c t i v ed e v i c ei nm a i n t a i n i n gp o w e rs y s t e ms a f e l y r u n n i n ga n dg u a r d i n gf a t a la c c i d e n t i nt h el a s ty e a r st h ed e v e l o p m e n to fs i m u l a t i o nt e c h n i q u e b a s e do nm i c r o c o m p u t e ri sq u i c k , a n dv a r i o u sd i f f e r e n ts t a t i cs i m u l a t i o nd e v i c e sa r eu s e d e x t e n s i v e l yi np o w e rs y s t e m o nt h eb a s i so ft h o r o u g h l ys e e i n ga b o u ts t a t i cs i m u l a t i o nd e v i c e si np o w e rs y s t e mi nt h e w o r l d ，a n di n c o r p o r a t i o nw i t ht h ec h a r a c t e r i s t i c so fo p e r a t i o na n dm a i n t e n a n c eo fo n s i t e s i m u l a t i o n , t h i sp a p e rp r e s e n t sad e s i g ns c h e m eo fs t a t i cs i m u l a t i o nd e v i c ei np o w e rs y s t e m b a s e do nd s pa n df p g a u s i n gp ca su p p e r c o m p u t e ro p e r a t i o np l a t f o r ma n da d s p b f 5 3 1 o fa d ic o m p a n ya sl o w e rc o r ec o r r t m u n i c a t i o nc o n t r o l l e ra n d t a k i n gu s bb u sa s c o m m u n i c a t i o nm e t h o d ，w ed e v e l o p e dt h i ss i m u l a t i o nd e v i c e sb a s e do nd s pa n df p g a m e n t i o n e di nt h i sa r t i c l e t h e1 0 w e rd e v i c ec o m p o s e do ft h eo u t p u tc h a n n e l sp e r f o r m a n c et h e f u n c t i o n so ft h eo u t p u to ft h ef a u l ts i g n a l ，m o n i t o r i n go ft h er e l a yp r o t e c t i o na c t i o na n d d e m a r c a t i n go ft h es i g n a la c c u r a c y a r b i t r a r yw a v eg e n e r a t o rw i 血f l e x i b l ea m p l i t u d ea n d p h a s e ，h i g h - 丘e q u e n c yd i s t i n g u i s ha b i l i t ya n ds t a b l e 仔e q u e n c yi sa t t a c h e dg r e a ti m p o r t a n c e i n t h ed e s i g no fa w gn e l l i g hd i s t i n g u i s ha b i l i t yo fs i g n a lo u t p u ti sg u a r a n t e e di nt h ew i d e r a n g ef o ra w gb ym e a l ：i so ft w os t a g ed ac o n v c r t e r ，l o g i cc o n t r o l l e ru s i n gf p g aa n dd d s t h e nt h es o f t w a r eo fe a c hp a r to ft h ed e v i c ei sd e s i g n e d , i n c l u d i n gt h ef r a m e w o r ko fm a i n p r o g r a ma n ds u b p r o g r a m ，c o m m u n i c a t i o np r o t o c o ld e s i g na n dd i s c u s st h et e s t i n gm e t h o d i n v o l v e ds e q u e n c et e s t i n ga n ds e a r c h i n gt e s t i n g f i n a l l y , i ts u m m a r i z e sa l la b o v et op o i n t so u t s t r o n g p o i n ta n ds h o r t c o m i n g k e y w o r d s s t a t i cs i m u l a t i o nd e v i c e si np o w e rs y s t e m a r b i t r a r yw a v eg e n e r a t o r d d sd s pf p g au s b 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： 盆生鱼- 日期：丝巫：膨 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： 第1 章绪论 第1 章绪论 1 1 国内外电力系统静态仿真技术的发展与现状 在我国，电力系统静态仿真装置经历了组合式、物理模拟式、数字控制式和微机可编程的发展 过程。随着新型电力系统静态仿真装置特别是微机型静态仿真装置的推广应用，对静态仿真装置的 测试技术有了更高的要求，涉及计算机自动测试的电力系统静态仿真装置已成为不可缺少的专用设 备。我国研制、生产和使用定型静态仿真测试装置，其发展过程大致可分为3 个阶段。 第一阶段，7 0 年代末至8 0 年代初，水力电力部要求仿真装置与综合重合闸装置投运前必须与 其直接相关的其它装置做整组试验，不许用短接回路的方法，而应该由输入相应的电流、电压来模 拟可能发生的故障，还必须配置与实际断路器跳、合闸线圈回路相似的模拟断路器电路。根据此要 求，应用物理模拟原理，研制出能模拟各种故障、产生相应电流、电压激励量的电力系统静态仿真 装置。 第二阶段，8 0 年代中期后，随着大容量发电厂的建设和5 0 0 k v 系统的建立，静态仿真技术发展 迅猛。各大电网在引进成套静态仿真装置的同时，引进了一批先进的现场电力系统静态仿真装置， 给国内研制开发和改进电力系统静态仿真装置提供了借鉴；1 9 8 7 年高压线路电力系统静态仿真装置 研制成功，对仿真装置提出了新的要求；1 9 8 7 年底水利电力部颁发了新的 读取f l a s h 设备的d 号 擦除扇区 向f l a s h 扇区中写入数据。 a n l 2 9 l v 8 0 0 b 部分驱动程序和基波的下载程序如下： f l a s h r e s e t 0 ； r e a d l d = f l a s h g c t l v l a n u f a c t u r e r i d 0 ； o x 0 0 0 1 r e a d l d = f l a s h g e t d e v i c e l d o ； 0 x 2 2 d a f l a s h e r a s e s e c t o r ( p f l a s h s e c t i o n o o f f s c t a d d r e s s ) ； 向f l a s h 中写入基波数据幸 f o r ( i = o ；i 口z o 附 州瞅一删 一一一一一一一一一 第2 章电力系统静态仿真装置的系统设计 2 4 4 2 波形d a 的设计 a d 7 8 4 7 2 8 1 是美国a n a l o gd e v i c e 公司生产的高性能的d a 转换器。a d 7 8 4 7 的功能框图如 图2 2 1 所示： v d g n d v 童 v m a g n d a v o u r a a g n d 日 图2 - 2 1a d 7 8 4 7 的功能框图 其主要性能描述如下：a d 7 8 4 7 是一片集成了两个独立的、完整的数模转换器和输出放大器的 c m o s 芯片。不需要外部的调整电路就可以获得指定的性能指标。高速的并行数据锁存，芯片的分 辨力是1 2 位，精度为1 l s b ，数据建立时间典型值是4 zs 。a d 7 8 4 7 的写时序和一般的r a m 写时 序一致，论文就不作介绍。电力系统静态仿真测试装置微处理器系统要求一个周期输出4 0 9 6 个点， 因此每一个点的保持时间是2 0 m s 4 0 9 6 = 4 8 8 s ，a d 7 8 4 7 恰好满足设计要求。a d 7 8 4 7 的逻辑 控制也很简单，下图是时序控制图： c s a , c s b w r 口再伪 2 4 4 3d d s 频率合成器 j f半 t ，一卜_ t 3 一i 一- - t 2 x7 已 卜_ t 4 一卜_ t 5 x 黼x 图2 2 2a d 7 8 4 7 的时序控制图 频率合成器主要用于为地址发生器提供频率可调的时钟信号。任意波形发生器系统采用a d 9 8 5 0 作为频率合成器i 捌，a d 9 8 5 0 2 9 1 的主要性能指标如下： 单电源工作：+ 3 3 v 或+ 5 v ； 2 l o ， i i r i 咖晰 丽陬砸 东南大学硕士学位论文 接口简单，可用8 位并行口或串行口直接装载频率和相位调制数据； 片内有高性能d a 转换器和高速比较器，可输出正弦波和方波； 最高工作时钟1 2 5 m h z ，3 2 位频率控制字保证在1 2 5 m h z 的工作时钟下频率分辨率达 0 0 2 9 1h z ； 5 位调相控制字，可实现相位调制功能； 频率转换速率极快，可达2 3 x10 7 次形0 低功耗：在12 5 m h z 时钟频率、+ 5 v 电源工作时，功耗为3 8 0 m w ；110 m h z 时钟、+ 3 3 v 工作时，功耗为1 5 5 m w 。 。 a d 9 8 5 0 采用先进的d d s 技术，在内部集成了3 2 位相位累加器、1 4 位正余弦查询表和高性能 的1 0 位d a 转换器以及一个高速比较器，其原理框图如下图2 2 3 示： 图2 2 3a d 9 8 5 0 原理框图 它通过并口或串口写入的频率控制字来设定相位累加器的步长大小，相位累加器输出的数字相 位通过查找正，余弦查询表得到所需频率信号的采样值，然后通过d a 变换，输出所需频率的正弦波 信号。还可以通过高速比较器将该正弦波信号转换成方波，作为时钟信号输出。输出信号的频率由 公式 尼咿= ( , 4 p h a s exc l k n ) 2 “ 决定。其中尼盱为输出频率，其单位为m - l z 。4 p h a s e 为3 2 位的频率转换字。c l k n 是d d s 芯片 工作频率，系统使用1 6 3 8 4 1 v l h z 。 当c k w = 1 6 3 8 4 1 v 1 - i z 时，频率合成器的分辨力，0 = c l k j n l 2 “= o 0 0 3 8 1 h z 基波信号输出通道的的信号频率的分辨力， a ，= c l k i n ，( 2 “x 4 0 9 6 ) = 9 3 1 3 x1 0 “h z 第2 章电力系统静态仿真装置的系统设计 l t r “一丽l 二 l c m 二二= 二二二二二二二二二二贮互 图2 2 4a d 9 8 5 0 复位时序图 系统设计的d d s 使用并行方式接口，串行接口电路详见参考文献【1 0 1 。 a d 9 8 5 0 的复位时序和数据更新时序分别如图2 2 4 与图2 2 5 所示。 f i e f 似厂 r r r 1 1 厂 厂 r 茁几厂 一t c f 曩。1 1 。_ 。，。、厂一 c o s o u t ，、iv a u d d a t a - - _ - _ - _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ - _ _ _ _ _ _ _ - - - - _ - - - _ _ - _ _ _ _ _ _ _ - _ _ - - - - _ - - - _ _ - - - _ _ _ _ _ _ _ _ _ - _ _ _ _ _ _ _ - _ - _ _ _ - _ _ _ _ - _ - _ - - - _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ - _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ - _ - 一 - - _ _ _ - - _ _ - _ _ 一 o u t p u tu p d a t ec a no c c u ra f t e ra n yw o r dl o a d 0 1 , 1 ) f r e q ( p h a s 日瞧wf r e q ( p h t s e ) n dt 宝，；v 忧蚋n 泰柏i 临w i t ht h ff i s ：f i ：r f n c i ；：t r = lc r t c l ( 图2 2 5a d 9 8 5 0 数据更新时序图 图2 2 6a d 9 8 5 0 外围电路图 a d 9 8 5 0 外围电路图如图2 2 6 所示，操作流程：上电后对a d 9 8 5 0 进行复位，以保证后续操作 的有效性；然后对a d 9 8 5 0 频率数据寄存器进行更新，在5 个总线写操作周期中，将工作方式字w 0 和频率参数w i w 4 依次写入a d 9 8 5 0 ，最后使f ql i d 产生一个高电平脉冲( 对其地址进行一次 写操作) ，经过1 8 个工作时钟周期后a d 9 8 5 0 就输出所需要的频率信号。输出的信号经过一个低通 滤波器滤波后得到所需要的波形。 n u 叫 雌 东南大学硕士学位论文 2 4 5 任意波形发生器( a w g ) 的逻辑设计 系统逻辑控制部分主要包括地址发生器、时钟生成电路、译码电路、地址切换电路、数据切换 电路和工作方式的控制寄存器。下图2 - 2 7 说明了逻辑控制部分的结构框图： 图2 2 7 逻辑控制部分的结构框图 逻辑设计实现的基本功能有： 在四种工作方式间切换，并协调设备正常工作； d d s 的基本功能； 地址发生器可以设置起始终止地址： 选择来自d s p 或是地址发生器的地址信号； 产生正确读s r a m 的时序； 对外围器件的地址正确译码： 采用v e r i l o gh d l 作为逻辑程序设计语言，按照自顶向下的设计方法。系统的顶层采用原理图 的方法把系统分成各个模块，然后用v e r i l o gh d l 语言实现模块的功能【1 7 1 。该系统共分为六个模块， 各模块的主要功能如下： c l k v 时钟生成电路：生成地址发生器的所需时钟，并得到d d s 方式下s r a m 的读信号； a d d r e s s g e n v 地址发生器：产生d d s 方式下s r a m 输出的地址总线； s t a t u s v 系统工作方式寄存器：实现对系统工作方式的控制： s w i t e h a d v 地址切换电路：根据工作方式在d s p 地址总线和地址发生器生成地址间切换； s w i t c h d b v 数据切换电路：根据工作方式在d s p 数据总线和s r a m 数据线间切换； d e c o d e r v 译码电路：实现了地址译码； 顶层模块的原理图如图2 2 8 所示： 2 4 第2 章电力系统静态仿真装置的系统设计 s w k c h 加 , 阳1 1 8 一川鼬呻加【1 5 功 d d s a d 1 50 j r j 洲加【1 5 q c p u - 0 p r 朋 d d s e n k b t 7 图2 2 8 顶层模块原理图 下面详细介绍各个模块的实现过程。 2 451 时钟生成电路 时钟生成电路的在项层模块的电路连接如图2 - 2 9 所示： 巾e c o d e r ui l i a b i s 0 l d e l l 5 川 一 一n b u s w r w c l k一 _ 一n b u s r d f q u o- 一 _ 一f i x c l k d i v l d d s r s t_ 一 - 一d d se n n c s r 月m j _ 一 一c p uo pr h n r 辟m w r_ 一 一n d o $ r d n r j e & 4 ) r d _ 一 _ 一n 0 0 s w r n c s r j q - 4 1 _ 一 - _d d s a b 1 5 n l n r 圳l w r _ 一 - 一 c h i r l r l de n 0n r 爿叫1r d _ 一 _ 一c h a n n e l 副1 n c s a m d a- 一 _ 一c h a n n e l 日2 n a m o 瑚a t r _ 一 3 -c h a n n e le n 3 l d d a c_ - 一c h a m de n 4 n r 对d a c _ 一 _ 一 c h a n n e le n 5n w a v t d a c _ 一 。一 c h a r m e de n on w a v e d a c $ 1 _ 一 - 一c h j n r l de n 7 n w a v o d a c 5 2 - 一 _ 一n c s o u t n w a v e d a c s 3 _ 一 n d t l v e d a c s _ 一 n 、 b v e d a c s 5 _ 一 n w a v e d a c s 6 - 一 n w a v e d a c s 7 _ 一 n v 临v e d c 、- t - 一 即；蕾【1 5 o l m i m d a_ 一 如s t 9 q i l d o s _ c ：l k) i n p t ，i t ： ： v a r c l kf k a 瑚v 1 n i i t p ij t i) r n 脚 一 一 v o c l 姒脒l j 叫龇 f i x c l kn o d 洲 ”。j t p i j 7 ) 叫) s r d 0 d 5 乱“斯s d ，。甘e e 蔓 ) 9 c l k s r c s dn d d 曩 ”l l l t p i r r) d d 国情 0 0 3 - ，。售蟛 ) s a 月 i r 话t 3 图2 2 9 顶层模块的时钟电路连接图 d d sc l k 信号来自a d 9 8 5 0 的输出频率信号；c l o c k 是固定时钟输入信号；d s c l k s r c s e l 是时钟选择信号用来选择d d s 时钟频率还是固定时钟频率；d d s c l r 是用来清零计数器。f i x c l k d i v 是固定时钟( 1 6 m ) 1 1 分频后得到的5 0 h z 频率输出；d d s r d 和d d s w r 信号是系统工作在d d s 方 式下的读写信号。时钟生成电路的v e r i l o gh d l 程序如下： m o d u l ec l k ( v a r c l k ，f i x c l k ，d d s c l k s r c s e l ，f i x c l k d i v l ，d d s c l r ， n d d s r d ，n d d s w r ) ： p a r a m e t e rb i t s i z e o = 4 ：2 2 分频时得到输出的频率为5 0 3 2 1 e p a r a m e t e rd i v o = 1 0 ： p a r a m e t e rb i t s i z e l = 1 ： p a r a m e t e rd i v l = 1 ： i n p u tv a r c l k ，f i x c l k ，d d s c l k s r c s e l ，d d s c l r ； o u t p u tf i x c l k d i v l ，n d d s r d ，n d d s w r ： w i r ed d s c l k s r c ： 东南大学硕士学位论文 r e g b i t s i z e o ：1 c l k c o u n t o ： r e g b i t s i z e l ：1 c l k c o u n t l ： r e gf i x c l k d i v ，f i x c l k d i v l ： a s s i g nd d s c l k s r c = d d s c l k s r c s e l ? v a r c l k ：f i x c l k d i v ： a s s i g nn d d s r d = f i x c l k d i v l ： a s sig nn d d s w r = d d s c l k s r c n d d s r d ； a l w a y s ( p o s e d g ef i x c l k ) b e g i n i f ( ! d d s c l r ) c l k c o u n t o = 0 ： e l s e b e g i n i f ( c l k c o u n t o ( d i v o ) ) c l k c o u n t o = c l k c o u n t o + 1 ： e l s e c l k c o u n t o = 0 ： e n d f i x c l k d i v = c l k c o u n t o b i t s i z e o ： e n d a l w a y s ( p o s e d g ed d s c l k s r c ) b e g i n i f ( i d d s c l r ) c l k c o u n t l = 0 ： e l s e b e g i n i f ( c l k c o u n t l 卜一u s b 写程序 n 髅 图3 7u s b 中断服务程序流程图 3 3 4 2 定时中断子程序 i u s b 读数据中断入口 j 读数据 n n y l 置标志位 图3 - 8u s b 读数据流程图 定时器中断子程序( v o i dt i m e r _ i n t ( v o i d ) ) 负责控制d a 转换速率，由此控制电流、电压输出。 通过设定定时器的控制寄存器、计数器寄存器和周期寄存器，可以改变仿真装置的运行状态、输出 波形的相位。 3 4 通讯协议 通过研究各种电力系统静态仿真装置测试种类和方法，结合模块化软件设计的思想，测试装置 制定出自己的通信协议( 主要是传输层协议) ，包含通信命令、命令数据、出错校验等。通信命令是 运行在数据线上有意义的数据流，命令包含起始符，命令字，命令长度，命令内容，结束符和校验 码。如表3 2 所示。 3 9 东南大学硕士学位论文 表3 - 2 通信命令组成表 名称 内容 长度( 字节) 起始符a a h ，a a h 2 命令字 l 命令长度 2 命令内容 不定 校验码 2 结束符 5 c hl 由于干扰和系统错误产生的误码是难以避免的，为了防止通信命令的错误，使用起始符、校验 码和结束符是有效的措施，从而降低数据传输出错的可能性。系统通信采用的校验方式是异或校验， 就是将一条通信命令的所有数据( 将校验码预先设置为o ) 进行异或产生的一个字节数据就是校验 码。校验码放在每条命令的最后。 仿真装置要实现很多对象和功能的测试，制定的相应命令包含控制命令和内容命令。控制命令 一般是上位机传给下位机。内容命令尽量有高的可重用性，而且可以精简数据传输量。表3 3 、表 3 - 4 介绍了本装置用到的控制命令集和返回命令集。 表3 3静态仿真通信协议控制命令集( p c m p ) 命令类型命令字数据长度帧长度 顺序测试 5 0 h9 1 7 通道周期信号参数 5 1h81 6 通道测试参数 5 2 h2 0 + 82 0 + 8 + 8 通道参数结束 5 3 h21 0 启动输出 5 4 h8 + 41 6 + 2 停止测试 5 5 h08 测试暂停 5 6 ho8 二分法搜索参数 5 8 h 1 4 + 3 6 点数1 4 + 3 6 点数+ 8 故障前状态参数 5 9 h3 64 4 毫秒计 5 a h61 4 非周期信号参数 5 b h 不定不定 非周期测试正常通道 5 c h1 01 8 非周期测试开始 5 d h81 6 同期测试参数 5 e h4 0 4 8 系统振荡测试参数 5 f h 不定不定 整组试验参数 7 0 h2 5 42 6 2 g p s 同步测试对时 7 1 h08 g p s 同步测试设定时间 7 2 h61 4 联机 7 3 h08 开出量信息 7 4 h61 4 状态序列命令 7 5 h 相电压电流切换 7 6 h 开出量输出控制 7 7 h 第3 章系统软件的设计与实现 表3 - 4返回命令集( m p - * p c ) 命令类型命令字数据长度帧长度 自检信息 a o h3 44 2 顺序测试状态返回测试 a 1 h4 45 2 二分法状态返回参数 a 2 h 8 1 6 整组试验状态返回参数 a 3 h1 82 6 系统振荡测试状态返回 a 6 h61 4 毫秒计参数返回 a 5 h61 4 非周期测试状态返回 a 6 h 61 4 同期测试状态返回 a 7 h2 12 9 g p s 对时返回值 a 8 h 状态序列返回 a 9 h 测试完成 3 l ho8 启动失败 3 2 ho0 下位机通信命令接收过程如图3 - 9 ，依次经过等待态、等待命令态、等待长度态等，当整条命令 接收完成并通过校验后，系统进入命令执行阶段，否则回到等待态。 图3 - 9 下位机通信命令接收过程图 3 5 测试项目的命令规则 上位机通过将表3 5 通信命令组成一个命令序列，可以完成特定的测试项目，这样的设计也为 今后扩展新的测试项目奠定了良好的基础，上位机只需要根据新的测试用到的命令，组合成新的命 令序列即可，而下位机则可完全不必进行修改。 下面举例说明上位机p c 在设计测试软件时，需要用到的命令序列及下位机的返回命令。例如 要利用a 相电压进行2 0 2 次和3 0 5 次谐波测试，可以用下面表3 5 的命令序列进行测试。 4 1 东南大学硕士学位论文 表3 - 5 谐波测试命令序列表 命令序列命令内容 5 9 h 常态波形数据 5 1 ha 相电压，倍频数l ，相位0 ，幅值比率5 0 5 1 ha 相电压，倍频数2 ，相位2 0 0 ，幅值比率2 0 5 1 h a 相电压，倍频数5 ，相位5 0 0 ，幅值比率3 0 5 2 h a 相，电压5 0 v ，相位0 ，频率5 0 h z ，变化量及步长 5 3 ha 相电压波形参数传送结束 5 0 h测试方式始终，渐变步数l ，状态保持时间1 0 0 0 0 m s ， 监视输入1 、2 ，监视输入关系“或” 5 4 h开始测试 下位机返回 a 1 h 每步完成 3 1 h 结束整个测试 如要进行同期测试中的频率测试，起始频率4 0 ，选择自动方式，频率步长为2 1 h z ，可以用表 3 石的命令序列进行测试： 表3 石同期测试命令序列表 命令序列 命令内容 常态波形数据 5 9 h 5 e h设置系统侧数据，工作方式等 下位机返回 a 7 h 每步均返回 如要利用a 相电压和电流进行阻抗继电器的阻抗特性曲线搜索，可以用表3 7 的命令序列进行 测试： 表3 7 阻抗搜索命令序列表 命令类型 命令内容 5 9 h 常态输出 5 8 h输出状态数3 3 ，故障前时间5 0 0 m s ，故障保持时间2 0 0 m s ，3 2 个输出状态( 幅值、相位、频率) 5 4 h开始测试 下位机返回 a 2 h 一次测试完成 3 6 测试方法的研究 电力系统静态仿真装置的主要原理是模拟各种电力系统故障状态( 电流、电压) ，并测试装置在 此故障状况下的反应。测试内容根据对象不同，可以分为功能测试和定值( 参数指标) 测试：功能 测试，是指在特定的故障条件下，测试对象是否有动作反应；定值测试，则要求测试动作响应的边 界、动作的时间、对不同故障状态的不同动作响应等川1 3 s 1 。常用的测试项目见下表3 - 8 。 4 2 第3 章系统软件的设计与实现 表3 8常用的电力系统静态仿真装置测试项目表 电压、电流继电器测试阻抗继电器阻抗特性测试整组试验 距离保护定值校验精工电流曲线测试 同期装置测试 状态序列测试功率方向继电器测试 频率继电器测试 系统振荡模拟试验重合闸装置试验等 其中最常用的测试有以下几种： 1 电流、电压、频率继电器测试 电压电流频率测试通过提供三个可选变化量( 幅值、相位、频率) ，通过故障输出的方式测试保 护继电器的动作性能，其中选择幅值和相位作为变化类型时，各个电压电流通道互相独立，可以分 别设定起始值和终止值；选择频率变化类型时，各个通道同时变化，频率变化范围为0 - 6 5 h z ； 2 阻抗特性测试 阻抗特性测试用于测试阻抗继电器的动作特性，一般的，阻抗继电器可能有过原点或带偏移的 圆特性，四边形特性，直线特性等几种。基本原理：首先确定一个搜索的中心与搜索的半径，其次 要选好测试模型，是恒定电压，恒定电流还是恒定阻抗模型，再次要选好系统的正常运行状态，让 继电器动作后能够复归。最后要确定需要监视的开入量及其间的关系。这些参量设置完成后，下位 机开始在设定范围内搜索，并把测试结果返回。 3 同期测试 同期是电力系统中最常规操作之一，同期主要分为两大类：具有频率差的差频并网和具有相同 频率的两个系统的合环操作，同期的最佳条件是幅值、相角、频率相同，为了能够准确快速可靠的 实现同期操作，电力系统中采用了同期装置，同期装置的优劣直接影响电力系统同期操作，因此对 同期装置的检测尤为重要。 4 精工电流 所谓精确工作电流，就是指当启动阻抗降低到z d z 。j 0 9 * z d z ，这时测试电流的值。而如果只 在这个误差范围内，启动阻抗的误差已经在可靠系数的选择时，就已经考虑了。这样的继电器就是 合格的继电器，为了检验阻抗继电器的精工电流特性。 5 整组测试 保护装置经过机械部分和电气特性检验后，必须进行一次整组动作试验，以检查整套装置的正 确性和可靠性是否符合要求，可能包括的测试内容有：故障转换、重合闸测试等，其中故障转换还 可能出现多次。 6 毫秒计 毫秒计用于检测被试继电器、保护及安全自动装置动作时间的测量，测量精度可达1 0 u s 。该功 能可以实现电位、空触点启动和停表的外触发计时方式。而以交流和直流电流、电压和各种故障分 量进行内触发启动并采用电位、空触点或电位触点停表的计时方式可以由信号源，电压电流频率测 试和线路故障仿真等模块实现。 7 功率振荡试验 功率振荡试验用于测试发电机组的失步保护、振荡解列装置以及分析系统振荡对距离保护继电 器、零序电抗继电器等保护的影响。振荡过程中功率角的摆动周期称为振荡周期，一般情况下振荡 周期较短，不会大于2 秒。功率振荡过程中，信号通道第一级d a 转换输出采用软件定时器的方法 以一定的时间间隔改变成不同的值，这个值由上位机计算得出，信号通道的第二级d a 转换采用d d s 方式输出。 8 g p s 同步试验 g p s 同步试验用于测试高频方向和高频距离保护。g p s 同步测试软件从g p s 接收机中收到p p s 和p p m 信号。p p s 是一个非常精确的l h z 的秒脉冲，利用p p s 可以实现多台测试装置的信号输出 同步，而将接收到的p p m 用于故障状态的启动。 4 3 东南大学硕士学位论文 从测试过程和测试装置输出信号的特点来看，信号输出有两种不同类型的方式： 在指定的信号范围内，输出信号从正常状态( 故障稳态) 开始，逐渐地向故障状态转变，测试 这一过程静态仿真装置是否有动作反应，整个过程是渐变的，变化量由测试人指定。 输出信号从正常状态( 故障稳态) 开始，突变到故障状态并保持一段时间，测试静态仿真装置 是否有动作反应；然后再从故障稳态开始，突变到另一故障状态；在一指定的故障状态区域，如此 反复地进行测试，直至找到静态仿真装置有无动作反应的故障边界状态。 前一种信号输出方式对应的测试项目称为顺序测试，因为在同一测试段内，每一个信号通道的 参量( 幅值、频率、相位) 中只有一个是变化量：后一种信号输出方式对应的测试项目称为搜索测 试，不同时刻输出信号的参量( 幅值、频率、相位) 都有可能发生变化。而从信号组成上来说，顺 序测试信号中有可能包含基波以外的高次谐波成分，而搜索测试输出信号基本上只含基波成分。 在表3 8 列举的测试中，属于顺序测试的有：电压电流继电器测试、频率继电器测试、零序保 护定值校验、距离保护定值校验、功率方向继电器测试、同期继电器及同期装置测试等均属于这种 方式；而属于搜索测试包括：阻抗继电器阻抗特性测试、精工电流曲线测试、整组试验、重合闸装 置试验等。 3 6 1 顺序测试法 顺序测试往往需要测试信号中叠加不同比例的高次谐波。在基波上叠加高次谐波时，需要确定 几个参数：各次谐波的幅值占合成波形幅值的比例、谐波的频率以及谐波相对于基波的相位。在下 位机系统中，波形叠加是在d a c 板的波形存储器s r a m 中采用数字合成的方式完成。 彳 q = 胛【彳s i i l ( 2 石毫= ) 】 输出波形是5 0 h z 正弦波时，且无叠加高次谐波时，波形存储器中的波形数据d i 为： 其中，a 为信号的幅值，即双极性波形d a 转换器输出最大值，当d a 转换器的字宽为1 2 位 时，a = 2 1 2 1 ，i = 0 ，1 ，3 5 9 9 。 当基波上叠加有高次谐波时，波形存储器中的波形数据d i 为： d i2 肿 善1 - 3 【a js i n ( 2 u 蠢) 】) 其中，a j 为各次谐波的幅值，且有j = 1 ，2 ，1 3 ；i = 0 ，l ，3 5 9 9 。 旦 。a ，= 3 5 9 9 户l 事实上，在测试过程中，系统并不需要作正弦波函数的运算。基波正弦波波形数据已被事先存 储在系统的存储器f l a s h 中，幅值为a ，由于d s p 运算速度上具有优势，只需要利用算法得到谐 波，再将各次谐波的波形数据乘以各自的幅值后，按照相位差作累加即可。 在顺序测试前，p c 设定各信号通道输出信号的波形、幅值( 电流、电压值) 、频率、相位等参 数，并选择一个参数为变化量，确定变化的范围、步长和速度( 每一步输出的保持时间) ，下位机根 据这些参数进行相应的设置，如由幅值设定任意波形发生器a w g 中一级d a 的输出，由信号的设 定频率计算d d s 频率合成器a d 9 8 5 0 的频率系数等：在测试过程中，根据变化参量的速度完成每步 的输出保持，并由步长调整变化量的输出；当测试完成后，下位机将测试结果上传给p c ，并提示 p c 本测试已经完成。顺序测试流程图如图3 1 0 所示。 第3 章系统软件的设计与实现 图3 1 0 顺序测试流程图 顺序测试综合了两种情况，一种是程控方式测试，另一种是手动方式测试。在程控方式测试中， 顺序测试的步长由用户输入的步长决定，系统监控测试软件连续地执行，中间只向上位机传输测试 状态，上位机不向下传输命令和数据。在手动方式测试中，每测试完一次，下位机必须重新接收上 位机的命令。 顺序测试的精度决定于测试过程信号通道参量变化步长。相位步长大小与每周期输出的点数有 关。系统对基波一个周期输出3 6 0 0 个点，相位的分辨力为3 6 0 。，3 6 0 0 = o 1 。，远小于测试装置标 准要求的l 。幅值的步长大小决定于幅值输出数模转换芯片的分辨力。微处理器采用的幅值输出 芯片分辨力为1 2 位，因此电流的幅值分辨力为3 0 a 6 0 0 0 0 = 0 0 0 0 5 a 小于测试装置标准要求的 0 0 0 1 ( 测试装置能输出的最大电流为3 0 a ) 。电压的幅值分辨力为7 5 v 6 0 0 0 0 = 0 0 0 1 5 v ，与测试 标准要求的o 0