（电气工程专业论文）基于adsp21160cpld的牵引变电所逻辑控制与保护研究.pdf

a b s tr a c t p r o t e c t i o nr e l a yi st h ek e yf a c t o rt ot h er e l i a b l ea n ds a f ep o w e rs u p p l yo ft h e p o w e rs y s t e m i t sr e a s o n a b l e ，r e l i a b l ea n de f f i c i e n to p e r a t i o np l a y sac r u c i a lr o l e i nt h ea c c u r a t ei d e n t i f i c a t i o na n dq u i c kr e m o v a lo ff a u l t s t h e p r o t e c t i o no f e l e c t r i c a le q u i p m e n t ，a n dt h en a r r o w i n go ft h es c o p eo fp o w e rf a i l u r e ，a sw e l la s t h ep r e v e n t i o no ft h ef a i l u r ee x p a n s i o n a tp r e s e n t ，t h et r a d i t i o n a lp r o t e c t i v er e l a y i n gs y s t e mu s e di nt h er a i l w a y p o w e rs u p p l ys y s t e m ，d u et oi t sh u g es i z ea n dc o m p l e xw i r i n g ，h a st h ep r o b l e m s o ft h ed i f f i c u l tc o n s t r u c t i o na sw e l la sl o n gc y c l eo fi t m e a n w h i l e ，i no p e r a t i o ni t i s e x t r e m e l yv u l n e r a b l et oa 1 1k i n d so fm e c h a n i c a la n de l e c t r i c a lf a u l t s o n c e t h e s ef a u l t so c c u r ，t h e yw i l lc a u s em o r ee f f o r t st of i n dt h e mo u t ，a n di ti se v e n m o r ed i f f i c u l tf o rt h em a i n t e n a n c eo ft h es y s t e m h o w e v e r ，t h es u b s e q u e n tr e l a y p r o t e c t i o ns y s t e mt a k e st h e ( s i n g l ec h i pc o m p u t e r ) s c ma si t sc o r e s oi nt e n n s o fs i z ea n df u n c t i o n ，t h i sk i n do fs y s t e mi sf a rb e t t e rt h a nt h es y s t e mc o n s t i t u t e d o n l yb yt h er e l a y y e tt h e r es t i l lr e m a i ns o m ep r o b l e m s ，s u c ha sc u m b e r s o m e w i r i n g ，d i f f i c u l t yi nm a i n t e n a n c e ，a n de t c w i t ht h er a p idd e v e l o p m e n to fs e m i c o n d u c t o r t e c h n o l o g y ，m a n yl o w p o w e r ， h i g h p e r f o r m a n c ep r o c e s s o r sh a v ee m e r g e di na ne n d l e s ss t r e a m a n dt h em o s t r e p r e s e n t a t i v eo ft h e u n i v e r s a ld i g i t a ls i g n a lp r o c e s s o r s a r et m s 3 2s e r i e s p r o d u c e db yt h eu s t e x a si n s t r u m e n t s ( t i ) a n dt h ea d s ps e r i e sb ya d c o m p a n y i nv i e wo ft h ed i g i t a ls i g n a lp r o c e s s i n gp e r f o r m a n c e ，t h e s ep r o c e s s o r s a r em u c hb e t t e rt h a nt h et r a d i t i o n a ls c m ，a n dt h i si sa l s ov e r ys u i t a b l ef o rt h e d i g i t a lf i l t e r i n gu s e d i nt h er e l a yp r o t e c t i o ns y s t e m o nt h eo t h e rh a n d ，t h e e m e r g e n c eo f t h ec o m p l e xp r o g r a m m a b l ea r r a y s ( c p l d ) h a so p e n e dan e ww a y t oi t sa p p l i c a t i o ni ns o m eh i g h l yc o n f i d e n t i a l ，r e l i a b l e ，a n df l e x i b l eo c c a s i o n s t h ec h a r a c t e r i s t i c so fh i g h l yi n t e g r a t i o na n dr i c hp r o g r a m m a b l eg a t e sa sw e l la si op o r t sc a nw e l ls a t i s f yt h er e q u i r e m e n t so ft h e l o g i cj u d g m e n to nt h e e q u i p m e n ti nt h er e l a yp r o t e c t i o ns y s t e m t h i sp a p e ra n a l y s e si nd e p t ht h ea c t i o nl o g i ca n da c q u i s i t i o no ft h er e l a y p r o t e c t i o no ns i t e m e a n w h i l e ，w i t ht h ec o m b i n a t i o no ft h e1 a t e s ts e m i c o n d u c t o r c p l d ，t h i sp a p e ra l s op r o p o s e st h ep r o t e c t i v er e l a y i n gs c h e m eb a s e do nt h e d i g i t a ls i g n a lp r o c e s s o r sa n dc p l d t h i ss c h e m e n o to n l yp r o m o t e st h es y s t e ms q u i c k a c t i n ga b i l i t y ，r e l i a b i l i t ya n da c c u r a c y ，b u t a l s og r e a t l yi m p r o v e st h ed e g r e e o fs y s t e mi n t e g r a t i o n ，o nt h eb a s i so fw h i c ht h ec o n s t r u c t i o na n dm a i n t e n a n c ec a n b es i m p l i f i e da n dt h eh i g h l yi n t e g r a t e dl a r g e s c a l eg a si n s u l a t e ds u b s t a t i o n ( g i s ) c a na l s ob ep r o v i d e dw i t ht h es e c u r e ，r e l i a b l ep r o t e c t i o nd e v i c e s i no r d e rt oe n s u r et h ea c c u r a c yo ft h ed e s i g n ，f u n c t i o n a l l e v e lt i m i n g s i m u l a t i o no fc p l da n dt h ef r e q u e n c yr e s p o n s ec u r v ea n ds i m u l a t i o no ff i l t e r d e s i g na r ep e r f o r m e d a f t e rad e t a i l e dc o m p a r i s o no ft h ep e r f o r m a n c eb e t w e e n t h ed s p so ft h ea d s ps e r i e sa n dt h et m s 3 2s e r i e s ，a d s p 一2 1 16 0i ss e l e c t e da s t h ec o r ed i g i t a ls i g n a lp r o c e s s o ro ft h es y s t e m k e yw o r d s ：p r o t e c t i v er e l a y i n g ，d s p ，c p l d ，a d s p 一2 1 16 0 ，l o g i cc o n t r o la n d p r o t e c t i o n 西南交通大学 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。本人授权西南交通大学可以将 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和汇编本学位论文。 本学位论文属于 1 保密口，在年后解密后适用本授权书； 2 不保密彳，适用本授权书。 学位论文作者虢却z 妙将撕虢 隅刁年妇闲隅冲年杰 西南交通大学 学位论文创新声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文是在导师指导 下独立进行研究工作所得的成果。除文中已经注明引 用的内容外，本论文不包括任何其他个人和集体己经 发表或撰写过的研究成果。对本文的研究作出贡献的 个人和集体，均在文中作了明确的说明。本人完全意 识到本声明的法律后果由本人承担。 一一一正直銮遵丕兰王焦互哇堑窒圭兰焦迨甚i 一一亟j 基一 第1 章绪论 1 1继电保护的发展历程 电力系统的飞速发展对继电保护不断提出新的要求，电子技术、计算机 技术与通信技术的飞速发展又为继电保护技术的发展不断地注入了新的活 力，因此，继电保护技术得天独厚，在4 0 余年的时间里完成了发展的4 个历 史阶段。 5 0 年代，我国继电保护处于启蒙时期，在那时所有的继电保护系统主要 由电磁式机械继电器组成，这样的保护系统不仅体积庞大而且有诸多不利于 系统速动性、准确性、可靠性的因素存在，例如机械式继电器由于存在机械 动作，就必然存在由于机械部件卡死造成的拒动现象；机械部件固有延时较 长不利于提高系统的速动性；电磁式继电器在变电所强电磁干扰的恶劣环境 中受环境影响较大，测量的精度随环境温度与电磁场改变而改变，不利于系 统的准确性与可靠性。基于电磁式机械继电器的保护系统接线复杂，不利于 现场施工与维护，对故障查找极为不利。 自5 0 年代末，晶体管继电保护己在开始研究。6 0 年代中到8 0 年代中是 晶体管继电保护蓬勃发展和广泛采用的时代。在此期间，从7 0 年代中，基于 集成运算放大器的集成电路保护已开始研究。到8 0 年代末集成电路保护已形 成完整系列，逐渐取代晶体管保护。到9 0 年代初集成电路保护的研制、生产、 应用仍处于主导地位，这是集成电路保护时代。基于集成电路的继电保护系 统比5 0 年代的系统有体积小，接线方便抗干扰能力强，速度快等优点，不过 限于计算速度采用这种解决方案的系统都采用分布式系统，即一台断路器一 台保护装置，这种分布式系统不利于从整体上对变电所进行联动控制。 在当代，随着超大规模集成电路的迅猛发展，诸如数字信号处理芯片这 样的专业领域高性能芯片的出现，在运算速度方面给继电保护中数字信号处 理带来了极大的提高，一些以前受速度限制而没有采用的算法可以运用到现 在的保护系统中来，为继电保护系统进步提高可靠性与准确性打下了物质基 础。 1 2 继电保护的未来发展方向【1 】 继电保护技术未来趋势是向智能化，保护、控制、测量和数据通信一体 化发展。 1 2 1保护、控制、测量、数据通信一体化 在实现继电保护的计算机化和网络化的条件下，保护装置实际上就是一 台高性能、多功能的计算机，是整个电力系统计算机网络上的一个智能终端。 它可从网上获取电力系统运行和故障的任何信息和数据，也可将它所获得的 被保护元件的任何信息和数据传送给网络控制中心或任一终端。因此，每个 微机保护装置不但可完成继电保护功能，而且在无故障正常运行情况下还可 完成测量、控制、数据通信功能，亦即实现保护、控制、测量、数据通信一 体化。 目前，为了测量、保护和控制的需要，室外变电站的所有设备，如变压 器、线路等的二次电压、电流都必须用控制电缆引到主控室。所敷设的大量 控制电缆不但要大量投资，而且使二次回路非常复杂。但是如果将上述的保 护、控制、测量、数据通信一体化的计算机装置，就地安装在室外变电站的 被保护设备旁，将被保护设备的电压、电流量在此装置内转换成数字量后， 通过计算机网络送到主控室，则可免除大量的控制电缆。如果用光纤作为网 络的传输介质，还可免除电磁干扰。现在光电流互感器( o t a ) 和光电压互感器 ( o t v ) 已在研究试验阶段，将来必然在电力系统中得到应用。在采用o t a 和 o t v 的情况下，保护装置应放在距o t a 和o t v 最近的地方，亦即应放在被保 护设备附近。o t a 和o t v 的光信号输入到此一体化装置中并转换成电信号后， 一方面用作保护的计算判断：另一方面作为测量量，通过网络送到主控室。从 主控室通过网络可将对被保护设备的操作控制命令送到此一体化装置，由此 一体化装置执行断路器的操作。 l 。2 2智能化 近年来，人工智能技术如神经网络、遗传算法、进化规划、模糊逻辑等 在电力系统各个领域都得到了应用，在继电保护领域应用的研究也已开始。 神经网络是一种非线性映射的方法，很多难以列出方程式或难以求解的复杂 的非线性问题，应用神经网络方法则可迎刃而解。 1 3 本文的主要工作 本文主要工作包括以下几个方面： 阐述系统中电信号的处理办法。由于牵引供电负载环境恶劣，电网品 质不稳定，电网中会出现波形畸变等很多问题。继电保护中需要的数 据往往是5 0 赫兹的基波分量。因此，对于来自电压互感器与电流互 感器二次侧的弱信号需要经过一些必要的滤波处理后得到保护系统 需要的准确数据。本文主要采取数字滤波，根据奈奎斯特采样定理可 以知道，系统必须要把输入的频率限制在二分之一采样频率内，因此 在进入采样环节之前需要进行低通滤波。详细内容请见第二章。 系统的核心硬件将在第三、四章中阐述。本文利用高速数字信号处理 一 芯片( 1 ) s p s ) 与复杂可编程阵列( c p l d ) 的各自优点，搭建一种高度 集成的继电保护系统核心。本设计利用数字信号处理器来完成诸如快 速付利叶变换与比较任务( 第三章) ，c p l d 完成复杂的逻辑判断与最 后的判断出口( 第四章) 。在这两个章节中需要用到c p l d 的地方选择 有代表性的部分，利用v e r i l o g 语言描述出行为模型，并作出仿真波 形。关于系统的防雷与抗干扰性方面的措施也将在第三章中具体阐 述。 系统的软件将在第五章中描述。由于软件系统比较庞大，有下位机与 上位机之分，限于篇幅在本文中只是提出框图没有具体阐述。 第2 章模拟滤波与离散数字信号处理 在微机型保护中，模拟电压、电流输入信号经过离散采样和模数变换成 为可用于计算机处理的数字量，计算机将这些数字量( 采样值) 进行计算和分 析，得到保护所需的电气量参数，并与整定值进行比较和判断，再将判断结果 代入保护的动作特性方程，决定保护装置的动作行为。完成上述分析计算和比 较判断，以实现各种继电保护功能的方法，通称为保护算法。在电力系统中， 继电保护的种类很多，保护原理也各不相同，因此，相应地有各种不同的保护 算法。但无论何种算法，其核心都可归结为如何计算能表征被保护对象运行特 点的各种电气量参数，如电压、电流的基波或某次谐波分量的幅值与相位、测 量阻抗、功率及各种序分量的幅值与相位等。有了这些基本的电气量参数，才 能为保护的动作特性方程提供参数，实现各种不同的保护原理，完成保护功能。 因此，电气量参数的计算方法是微机型保护算法的基础。 目前，大多数微机型保护原理，是以故障信号中的稳态基频分量或某种特 定谐波分量为基础构成的。而在实际故障情况下，输入的电流、电压信号中， 除了保护所需的有用成分外，还包含有许多无效的“噪声 分量，如衰减直流 分量和各种高频分量等。保护算法的主要任务之一就是从包含有噪声分量的输 入信号中，快速、准确地计算出所需的各种电气量参数。 参数计算的准确性关系到保护装置动作行为的正确性。消除噪声分量影 响，提高参数计算精度的基本途径主要有两种：其一是，首先用滤波器对输人 信号进行滤波处理，然后对滤波后的有效信号进行电气参数计算；其二是，设 计的电气参数算法本身具有良好的滤波性能。算法的计算速度则直接决定着保 护的动作速度。算法的计算速度包含有两方面的含义：一是指算法的数据窗长 度，即需要采用多少个采样数据才能计算出所需的参数值；二是指算法的计算 量，算法越复杂，计算量也越大，在相同的硬件条件下，计算时间也越长。 通常，算法的计算精度与计算速度之间总是相互矛盾的，若要计算结果准 确，往往需要利用更多的采样值，即增大算法的数据窗。因此，从某种意义上 来说，如何在算法的计算精度和计算速度之间取得合理的平衡，是算法研究的 关键，这也是对算法进行分析、评价和选择时应考虑的主要因素。 本章将以目前在微机型保护中采用的一些典型数字滤波器和参数计算方 酉亩窑通盔兰王瑶甄土瑟盔生兰筐j 盒塞苤西 法为例，介绍它们的基本原理和主要特点。 2 1 系统前向通道模拟低通滤波单元 2 1 1 模拟低通滤波的必要性 为了降低采样频率必须将被采样信号的频率至少限制在0 5 倍采样频 率范围内，这样可以满足奈奎斯特采样定律。在工程上一般采用十倍被采样 信号的最高频率作为采样频率，这样精确度可以达到要求。 在铁路供电系统中，需要分析的谐波次数不高，因此本设计需要的最高 频率为6 0 0 h z ，采样频率设定为6 4 0 0h z 。对于3 2 0 0h z 以上的频率成分应该 在进入采样前被很好的衰减，借助模拟低通有源滤波器，可以很好达到工程 要求。 2 1 2 模拟低通滤波电路 根据上一节对模拟低通滤波器的性能要求，设计低通滤波器的电路如图 2 - 1 所示， 图2 - 1 模拟低通滤波器 酉亩窑湮盔芏王握亟丛峦生兰焦迨塞莲亟 r 1 、r 2 、c 】、c 2 构成无源网络向以r 3 、r 4 、r 5 、r 6 、c 3 、c 4 以及u 1 构成f i 源滤波旧络。两种方案的波特i 到如图2 - 2 所小，绿色代表订源一阶低 通滤波器的波特图，红色代表尤 5 | ：阶低通滤波 2 - 2 模拟低通滤波器波特图 器的波特图，很直观的可以发现：在满足奈奎斯特采样定理前提下，二阶有 源滤波网络有i ：l _ - - 阶无源滤波网络更好的响应曲线，在过渡部分能更快的衰 减，同时有比无源二阶滤波器更宽的有用通频带。凼此本设训采用有源二阶 低通滤波器作为采样前的低通滤波器。参数见图2 - 1 。 2 2 数字滤波器 2 21 数字滤波器的基本概念 数字滤波器是一种特殊的算法，其特点是通过对采样序列的数字运算得到 一个新的序列，在新的序列中已滤除了不需要的频率成分，只保留了需要的频 率成分。或者说，数字滤波器不以计算电气量特征参数( 如幅值、相位、阻抗、 功率等) 为目的，而是以滤波为目的。 在微机型保护中，广泛采用数字滤波器，因为数字滤波器与模拟滤波器相 比，具有以下突出优点： 1 、滤波精度高，通过加大计算机所使用的字长，可以很容易地提高滤波精度。 2 、具有高度的灵活性，通过改变滤波算法或某些滤波参数，可灵活调整数字 滤波器的滤波特性，易于适应不同应用场合的要求。 3 、稳定性高，模拟器件受环境和温度的影响较大，而数字系统受这种影响要 小得多，因而，具有高度的稳定性和可靠性。 4 、 便于时分复用，采用模拟滤波器时，每一个输入通道都需要装设一个滤波 器，而数字滤波器通过时分复用，一套数字滤波即可完成所有通道的滤波任务， 并能保证各个通道的滤波性能完全一致。 数字滤波器的运算过程可用下述常系数线性差分方程来表述： y ( n ) = 凄oa i 】| c ( n i ) 踺ob ，y ( n - i ) ( 2 1 ) 式中，x ( n ) 、y ( n ) 分别为滤波器的输入值序列和输出值序列，氐b ；为滤波 器系数，通过选择滤波系数a i 和b 。，可控制数字滤波器的滤波特性，即根据特 定的要求来滤除输入信号序列x ( n ) 中的某些无用频率成分，使输出序列y ( n ) 能更准确地反映有用信号的变化特征。在式2 1 中，系数b 。全部为0 时，称之为 非递归型滤波器，此时，当前的输出y ( n ) 只是过去和当前的输入值x ( n - - i ) 函数，而与过去的输出值y ( n i ) 无关。若系数b i 不全为0 ，即过去的输出对 现在的输出有直接影响，称之为递归型滤波器。就数字滤波器的运算结构而言， 主要包括递归型和非递归型两种基本型式。 数字滤波器的滤波特性通常用频率响应特性来表征，它包括幅频特性和相 频特性。幅频特性反映的是不同频率的输入信号经过数字滤波后，其幅值的变 化情况：而相频特性反映的则是输入和输出信号之间相位移的变化情况。例如， 频率为f 、幅值和相位分别为x m * i 由x 的正弦函数输入序列x ( n ) ，经过由式2 1 所示的线性滤波计算后，输出序列y ( n ) 仍为正弦函数序列，并且频率与输入 信号频率相同，只是幅值和相位发生了变化。假设输出序列y ( n ) 的幅值为y m ， 相位为由y ，则滤波器的幅频特性定义为： 彤) 2 乏 ( 2 - 2 ) 相频特性定义为： 缈( 厂) = 伊，一( o x ( 2 3 ) 由于大多数的保护原理只用到基频或某次谐波，因此，最关心的是滤波器 一一一一一酉直銮道盔堂三硇土丛峦生越迨生一筮亟 的幅频特性。即使需要进行相位比较，那么只要将参加比较相位的各量采用相 同的滤波器，它们的相对相位也总是不变的，因此，对滤波器的相频特性一般 不作特殊要求，只有在某些特殊应用场合，才考虑相频特性的影响。 数字滤波器作为数字信号处理领域中的一个重要组成部分，经过近3 0 年的 发展，已具有较完整的理论体系和成熟的设计方法。原则上，这些理论和方法 也可应用于微机型保护的数字滤波器设计之中。但是，电力系统作为一个具体 的特定系统，其信号的变化有着自身的特点，有些传统的滤波器设计方法并不 完全适用。此外，继电保护作为一种实时性要求较高的自动装置，对滤波器的 性能也有一些特殊的要求。 下面将对非递归型滤波器和递归型滤波器分别进行讨论。 2 2 2 非递归型滤波器 如上所述，由( 式2 - 1 ) 可导出非递归型数字滤波器的差分方程： 七 y ( ，z ) = 口，x ( n - 1 ) ( 2 4 ) i = 0 这意味着当前滤波输出与当前及前k 个输入数据有关。更确切地说，需等待k + 1 个输入数据之后滤波器才可能得到第一个滤波输出数据，也就是说，滤波器的 理论体系的输出序列相对于采样输入序列出现了时间上的延迟，k 越大，则时 延越长。定义非递归型数字滤波器的响应时延f 为： f = k 五 ( 2 5 ) 由于t 。为常数。因而在实用中广泛采用数字滤波器产生一个输出数据所需要等 待的输入数据的个数来表示时延，这称为数据窗，记为w 。( 为整数) 。显然有： w d = k + 1 ( 2 - 6 ) 且 t = ( w a 一1 ) t 。 ( 2 7 ) 时延和数据窗反映了数字滤波器对输入信号的响应速度。 1 、差分( 相减) 滤波器 滤波方程如： 3 ，( n ) = x ( 曲一x ( n - k ) ( 2 8 ) 其幅频响应为h ( f ) = 鎏= 1 2s i n ( 塾芋与i = 1 2 s i n ( 惫) l m i -“i 其中：f l 为基波频率，k 为差分步长，n 为基频周期内的采样点数，t s 为采样周 期令f = 兰f | ，当取f = m f ，m = o ，l ，2 ，3 ，时，h ( f ) = o ，这表明经过差分滤波器后输 入信号中的直流分量以及频率为f 和f 整数次谐波分量将完全滤除；当 f = ( m + o 5 ) f ，m = o ，1 ，2 ，3 ，时，有一系列振幅极大值h ( f ) = 2 ，这表明经差 分滤波后，输入信号中所有对应此频率的谐波将有等幅的最大输出。 在微机型保护中，差分滤波器主要用于： ( 1 ) 消除某些谐波的影响。但需要指出的是，差分滤波器对故障信号中的某些高 频分量有放大作用，因此，一般不能单独使用，需要与其他的数字滤波器和算 法配合使用，才能得到良好的综合滤波效果。 ( 2 ) 抑制故障信号中的衰减直流分量的影响。差分滤波器的突出优点之一是可以 完全滤除输入信号中的恒定直流分量，即使对衰减直流分量也有良好的抑制作 用。为获得最好的抑制衰减直流分量的效果，加快计算速度( 减小算法的数据 窗) ，通常取k = i 。 ( 3 ) 提取故障信号中的故障分量。在式( 2 8 ) 中，若取k = n ，滤波方程为： y ( n ) = x ( n ) 一x ( n n ) 相应地，在幅频特性中有f = f 。，即该滤波器可滤除直流、基频及所有整次谐波 分量。这样，当电力系统正常稳态运行时，y ( n ) = 0 ，即滤波器无输出；而当发 生故障时，在故障后的第一个基频周期内，输出量y ( n ) 为故障信号与正常信号 的差值，这个差值称为故障分量。根据上述特点，差分滤波器常用来实现故障 的检测以及其他利用故障分量原理构成的保护。 下面是利用相减非递归差分方程的特性滤除三次谐波，相关仿真结果如 图2 3 所示，输出仿真波形虚线所表示的便是经过滤波器后的输出波形，绿 色实线表示基波分量，红色表示上次谐波分量。相关的m - f i l e 与程序说明见 附件一。 图2 3 滤除三次谐波 再如滤除七次谐波，相关仿真结果如图2 - 4 所示。相关的一f i i 。e 见附件 图2 4 滤除七次谐波 由于牵引供电系统的2 、3 、5 、7 次谐波在总谐波总所占比例较高，为 得到较为纯净的基波分量，必须滤除这些谐波。下面是利用相减非递归差分 方程滤除2 、3 、5 、7 次谐波，m a t l a b 仿真结果如图2 - 5 ，m - f i l e 见附件一。 仿真结果如图25 所示，其中红色虚线是输出波形。 2 、积分滤波器 滤波方程如 图25 滤除2 、3 、5 、7 z & 谐波 k 1( 2 9 ) = 善- | 篱l = i 等| 令f m 2 六一，当f = m f 。，= 1 ，2 ，3 ，时，h ( f ) = o ；但是当f = o 时， h ( f ) 有最大值h 。，( f ) = h ( 0 ) = k + i ，且随f 的增大，在其他的极值点上h ( f ) 逐步减 小。这表明积分滤波器是不能滤除输入信号中的直流分量和低频分量的，但对 高频分量有一定的抑制作用，并且频率越高，抑制作用越强。当取k = 罢一1 ， 即积分区间或者数据窗为半个基频周期时，f 。= 2 f ，表明此时积分滤波器可滤 除所有的偶次谐波分量。 差分滤波器和积分滤波器的结构非常简单，计算量很小，但各自独立使用 时，其滤波特性难以满足保护的要求。为此，在实际使用时，可以把具有不同 特性的滤波器进行组合，以进一步提高滤波性能，这也是数字滤波器设计中常 用的方法之一。 对于非递归型数字滤波器来说，其突出优点是，由于采用有限个输入信号 的采样值进行滤波计算，不存在滤波器的不稳定问题，也不存在因计算过程中 舍入误差的累积造成滤波特性恶化的问题。此外，由于滤波器的数据窗明确， 便于确定它的滤波速度，因此，易于在滤波特性与滤波速度之间进行协调。非 递归型滤波器存在的主要问题是，要获得较理想的滤波特性，通常要求滤波算 法的数据窗较长，因此，在某些对滤波速度要求较高的场合，可考虑采用递归 型滤波器。 2 2 3 递归型数字滤波器的概念 当滤波方程式2 1 中的滤波系数b i 不全为0 时，滤波器输出y ( n ) 不仅与当前 的输入值x ( n ) 和过去的输入值x ( n - i ) 有关，还取决于过去的输出值y ( n - i ) ，这 种反馈和记忆特性是递归型滤波器的基本特征。 数字式递归型滤波器的设计方法一般分为三种。 1 、 零极点配置法，即在频域上，对滤波器的传递函数的零点和极点进行合理 选择和配置，使滤波特性满足给定要求。 2 、借助模拟滤波器的设计方法进行设计。首先根据所要求的滤波器的技术指 标，采用业已成熟的模拟滤波器的设计方法设计出一个参考模拟滤波器，然后 采用适宜的转换方法，如脉冲响应不变法，阶跃响应不变法或双线性变换法等， 将参考模拟滤波器转换成数字滤波器。 3 、采用最优化技术进行滤波器设计。 递归型数字滤波器的具体设计方法涉及的内容很多，这里不准备作详细介 绍。递归型数字滤波器在实用中面临的主要问题是，由于采用递推计算，而计 算机的字长有限，计算过程的舍入误差可能会不断累积造成滤波器性能恶化， 需要采取相应的措施予以解决：如合理选择递推计算的起始时刻( 一般以故障 发生时刻作为递推计算的起点) 、限定递推计算的持续时间等。其次，递归型 滤波器与非递归型滤波器不同，没有明确的数据窗。它的频率响应特性，如幅 频特性，实际上，是指稳态特性。随着递推计算过程的延续，滤波特性将逐步 逼近其稳态特性，因此，滤波器的滤波速度主要取决于滤波算法的收敛速度， 难以用确定的数据窗的长度来描述。而算法的收敛速度与滤波特性有关，一般 滤波特性越完善，算法的收敛速度也越慢。如上例所示的狭窄带通滤波器，它 的收敛速度与通带带宽有关，带宽越窄，滤波效果越好，但收敛速度越慢，设 计时需要合理权衡。在实际应用时，递归型数字滤波器的收敛速度一般需要通 过离线仿真计算或实验测试才能确定。 酉直窑遵盔芏王毽亟土丛宜圭差筐丝塞簋! 豆 23 一阶差分后半周波f f t 半周波f f t 虽然速度要比全波f f t 快，但是半周傅氏算法不能滤除直流 分量和偶次谐波分量，而故障后的信号中往往含有衰减的直流分量，因此， 半周傅氏算法的计算误差较大。为改善计算精度，而又不增加计算的复杂程 度，可以在应用半周傅氏算法之前现作一次差分运算。这就是一阶差分后半 周波傅氏算法。 一阶差分后半周波傅氏算法是先差分再用半周波的数据计算信号的幅值 和相角针对基波分量，具体计算方法如f ： 善 矿矗萎 x ( k ) - - x ( k - - 1 ) s i n k 塑。 旦 铲蔼4 萎嘲唧- 1 ) 陋。窨 下面是一阶差分后半周波6 4 点f f t ，频谱图上每个点间隔5 0 h z ，图2 - 6 显示了用m a t l a b 做出的仿真。m a t l a b 程序与程序说明见附件一。 一r 1 骂! 一埘l 一一一 t j ；。l z i 二 二jl 一，一一j 。：矗7 击1 。菇击1 。击一 a 产l _ 广t 上苎粤! _ _ 叮- 1 一 ：l i o i 。 一；- j 一 ， 一一：、t “ ： 、 r 一1 盎r 1 j 1 m i i 南r 1 击r 1 矗f 1 矗r 1 商i 日b 晶 辩j 嫡 i 。蝌、岭 。 1” 一 一，蕊一 一 6 1 j 图2 - 6 一阶差分半周波f f t 可以明显的看出，差分后f f t 比直接f f t 对衰减的直流分量有明显的抑 制效果。 2 4 本章小结 本章介绍了在电力系统中现在普遍采用的数据采集分析方法，并利用 m a t l a b 给出了一些基本滤波器的仿真。限于以前硬件的速度，采用差分方程 可以很好的满足电力系统继电保护要求的实时性。如今随着电子器件的飞速 发展，在满足电力系统继电保护实时性的前提下，处理数字信号方面有了更 多选择，确定本设计采用一阶差分后半周波f f t 。 - 亘ii 南 i 交通大学 工程硕i 士研究i 生学r 位- 论文l 第1 5l i 一 第3 章硬件系统设计 3 1系统分析 牵引变电所一次部分所提供的基本电参数有： l 、ll o k v 单侧 开口变压器二次侧零序电压量1 个； 电流互感器二次侧三相电流量3 个； 电压互感器二次侧三相电压量3 个： 2 、2 7 5 k v 单侧 a 、b 相电流互感器二次侧电流量2 个； a 、b 相母线电压互感器二次侧电压量2 个； 3 、馈线主用( 设计有六条馈线) ； 电流量6 个； 电压量6 个；( 按照每条馈线都备用一个电压互感器) 加上牵引变电所备用部分的电参量，一共需要4 6 个a d 采样端口。要求 对这4 6 个模拟量同时采样，由于前向通道中的低通滤波器截止频率为 6 0 0 h z ，为满足工程需要一般将采样频率设定在1 0 倍低通滤波器的截止频率， 即6 k h z ，不过为了在做基4 f f t 时方便本设计取采样频率为6 4 0 0 h z ，那么 每秒就有2 9 4 4 k 次a d 转换，伴随着2 9 4 4 k * 1 6 b i t 的a d 转换数据要进行 处理。对于牵引变电所需要的5 0 h z 交流电压电流信号来说，每半周波即 0 0 1 s ，每个a d 转换将会有6 4 个采样值输出，整个牵引变电所就会有2 9 9 4 个a d 转换值。为了满足牵引供电保护系统的实时性，我们将根据设计需要 选取相应的a i d 转换器件与d s p 处理器。下面将对器件选择进行说明。 3 2a d 转换器件选型 3 2 1a d s 7 8 6 4 特性【2 1 a d s 7 8 6 4 是美国德州仪器公司最近推出的快速六通道全差分输入的双1 2 位a d 转换器。它能以5 0 0 k h z 的采样率同时对六个通道信号采样，特别适 合用于电机控制与电力监控。 a d s 7 8 6 4 的六路通道可以分成3 对，适于测量电机控制与电力监控应用 的3 相，并将模拟信号转换成d s p 所需要的数字信号。输入给片内6 个采样 保持放大器的信号经全差分并在a d c 输入期间内保持，使其在5 0 k h z 时仍 能提供高达8 0 d b 的良好共模抑制比。 主要技术指标如下： 6 通道同时采样； 为全差分输入； 每个通道转换时间为2 u s ； 保证无失码； 为并行接口； 低功耗，5 0 m w ； 用于本设计，a d 转换部分由8 片a d s 7 8 6 4 构成，将4 6 个模拟信号分 为1 6 组同时进行a d 转换。设计采样间隔为1 5 6 2 5 u s ，对于一组a d 转换 器，有三个模拟信号需要转换，转换时间为6 u s 该时间钞 7 8 y9 q确秒书 o y澎t a 沙b撒秒 图3 7 键盘按键布局图 键盘部分利用c p l d 来进行设计，利用c p l d 丰富的i o 口和a s i c 特性， 可以较容易设计出满足设计需要的键盘接口电路。如图3 7 所示，键盘设计 为2 0 键，由于c p l d 的i o 口资源丰富，因此可以采取直接键盘读取设计， 而不必采用常用的键盘扫描方式。当每按下一个键时，在键盘接口芯片的链 路接口上输出相应的键值，采用这样的设计可以简化外部电路与相应软件。 加之链路接口占用的i o 口资源，键盘部分共要消耗3 0 个i o 口，其中2 1 个为输入口，9 个为输出口。编码表见表3 5 。 酉直窑重盔掌王瑾亟土丛五圭芏焦垒奎簋! 亟 表3 - 5 键盘编码表 曛 卒 确撤负 在 右上 下 格定销号 1 6 进0 20 3 0 5 0 7 制 圈3 - 8 是对该描述的行为级仿真。在此先后按下1 、2 和4 号键同时设置l a c k 信号在按下1 和2 键时有效，在l d a t a 上有相应输出，但是在按下4 号键 时由于l a c k 信号此时无效l d a t a 总线上的数据将忽略，再次按下3 号键 时l a c k 信号有效，l d a t a 总线上输出相应数据。 图3 - 8 键盘时序仿真 硬件连接如下图3 - 9 所示。 - 亘ii j 南 交通大学 工程- 硕| 士研究 - - 生学 位 论毫i 笼三红叵一 _ 一 i t e c e i v e rt r a n s m i l t t e r ， l d a t a 0 - 7 l 3 d a t a o 一7一 ， 8 a d s p 2 1 1 6 0l 3 c l k l c l k c p l d l i n k p o r t 3 f o r k e y b o a r d l 3 a c kl a c k 图 3 - 9a d s p 2 11 6 0 与键盘控制器的连接图 按键部分电路如下图3 1 0 所示。 l 2 367 81 81 92 0 水。焉 i 一t ； i1 图3 10 键盘电路图 键盘的行为级硬件描述详见附件二。 + 5 v 、占 亘| t 南pl 交通大学 工程i 硕士研究i 生学r 位论- - 文t - 第1l 3 3l i _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ 3 8 显示模块设计 本设计中人机会话接口分为监视计算机与人的会话界面和下位机与人的 会话界面。这里主要阐述下位机的人机界面设计。本设计下位机的显示采用 液晶显示模块( l c m ) ，克服了以往装置采用数码管显示器( l e d ) 存在的显示功 能少、不美观和功耗大等缺点。液晶显示器( l c d ) 是一种新型低功耗的显示 器。按不同需要组合液晶电极通电方式就能实现功能多样、形态各异的显示。 因此，液晶显示技术的关键就在于液晶电极的制作和显示驱动电路的设汁。 随着微机技术的发展，为了简化液晶显示电路的设计和应用，目前已有许多 显示器将液晶显示单元、显示控制器、显示内存和显示驱功电路等全部集成 在一起，做成了广泛应用的液晶显示模块( l c m ) 。l c m 对外提供标准数据和 控制接口以及控制器指令，使用时只需对l c m 控制器编程即可实现各种形 式的显示功能，包括文本显示、图形显示和文本图形合成方式显示。本设计 采用的l c m 为日本东芝公司出品的m g l s1 2 8 6 4 t ，模块内的控制器为 t 6 9 6 3 c ，显示屏点阵为1 2 8 x 6 4 点。其结构如图3 1 1 所示。 图 3 1 1m g l s1 2 8 6 4 t 结构图【4 j m g l s1 2 8 6 4 t 液晶显示模块的数据总线与a d s p 2 1 1 6 0 的l i n k p o r t 5 数据总线直接相连：l i n k p o r t 5 的控制线通过c p l d 后与m g l s l 2 8 6 4 t 液 晶显示模块的控制总线相连。m g l s l 2 8 6 4 t 液晶显示模块具有s x 8 ，6 x 8 ， 7 x 8 ，8 x 8 ( 点阵) 四种字体，可实现字符方式下反转、闪烁等特征