（控制理论与控制工程专业论文）基于dsp的微机继电保护研究.pdf

摘要 摘要 随着国民经济的快速发展和人民生活水平的提高，人们对电力供应的依赖 性逐步增强，对供电可靠性和供电质量提出了更高的要求。电力系统事故对社 会造成的影响也将越来越大，因此保障电力系统的安全稳定运行变得尤为重要。 继电保护设备能否准确、及时、可靠地动作是关系到整个电力系统能否稳定运 行的关键因素之一。微机型继电保护产品由于其突出的优势得到了广泛的应用， 已成为我国电网安全稳定运行的重要支柱。 本文首先介绍了电力系统微机保护的发展过程。由于现代微机保护系统不 仅对保护的精度提出了更高要求，更要求保护的速度，所以提出了以双d s p 芯 片为核心的微机保护系统。在硬件电路的设计上，采用t m s 3 2 0 l f 2 4 0 7 芯片， 极大地提高了数据处理的速度和精度，在硬件资源、开发平台等方面都具有很 大的优越性。用复杂可编程逻辑器件( c p l d ) 取代传统的分立逻辑器件，提高系 统的抗干扰能力和可靠性，从而大大提高保护装置的性能。在软件系统的设计 上，研究了微机保护系统一些典型的微机保护原理与算法，充分利用d s p 处理 数据快的特点，完成一些复杂的算法，在数据处理上选择快速傅里叶算法来实 现微机保护。用汇编语言编写程序，功能上采用模块化设计，提高了开发效率， 便于维护。经实验表明该方案是有效的，具有可行性。 关键词：微机保护；d s p ；f f t l i a b s t r a c t a b s t r a c t w i t ht h er a p i dd e v e l o p m e n to fn a t i o n a le c o n o m ya n de n h a n c e m e n to fp e o p l e s l i v e s ，p e o p l ew i l lm o r ef u r t h e rr e l yo nt h ee l e c t r i cp o w e rs u p p l y ，w h i c hs e tah i g h e r r e q u e s tt ot h ep o w e rs u p p l yr e l i a b i l i t ya n dq u a l i t y t h ep o w e ra c c i d e n tw i l li n f l u e n c e t h es o c i e t ym o r ea n dm o r e t h e r e f o r e ，t h es a f ea n ds t a b l em o v e m e n to ft h ep o w e r s y s t e mi se s p e c i a l l yi m p o r t a n t w h e t h e rt h er e l a yp r o t e c t i o nc a l la c t i o na c c u r a t e l y ， p r o m p t l ya n dr e l i a b l yi so n eo ft h ek e ya s p e c t so fs t a b l em o v e m e n to ft h ew h o l e e l e c t r i cp o w e rs y s t e m t h em i c r o p r o c e s s o rp r o t e c t i o np r o d u c ti sw i d e l yu s e df o ri t s o u t s t a n d i n ga d v a n t a g e ，w h i c hh a sb e c o m et h ei m p o r t a n tp i l l a ro f t h ep o w e rs y s t e mi n c h i n a t h i st e x ti n t r o d u c et h ed e v e l o p m e n to ft h er e l a yp r o t e c t i o nf i r s t n o to n l yt h e m o d e mm i c r o p r o c e s s o rp r o t e c t i o n s y s t e mp u tf o r w a r dah i g h e rr e q u e s tt o t h e p r o t e c t i v ea c c u r a c y ，b u ta l s ot h ep r o t e c t i v es p e e d ，s ow ei n t r o d u c et h ed o u b l ed s p c h i pt ot h er e l a yp r o t e c t i o ns y s t e m w ea d o p tt h et m s 3 2 0 l f 2 4 0 7c h i po nt h ed e s i g n o ft h eh a r d w a r ee l e c t r i c a lc i r c u i t ，w h i c hm a k e sag r e a ts u p e r i o r i t yi nt h eh a r d w a r e r e s o u r c ea n dt h ed e v e l o p m e n tt e r r a c ee t c w er e p l a c et h et r a d i t i o n a lc e n tt os i g na l o g i cs p a r ep a r tw i t hc o m p l e xp r o g r a m m a b l el o g i cd e v i c e ( c p l d ) t h u sw ei m p r o v e t h ea n t i i n t e r f e r e n c ea n dc r e d i b i l i t yo fs y s t e ma n dr a i s et h ef u n e t i o no fp r o t e c t i o n d e v i c e w es m d ys o m et y p i c a lm i c r o p r o c e s s o rp r o t e c t i o np r i n c i p l ea n dc a l c u l a t i o n ， s e l e c tf a s tf o u r i e rt r a n s f o r m a t i o n ( f f t ) t oc a l t yo u tp r o t e c t i o n w eu s ea s s e m b l e l a n g u a g et ow r i t ep r o c e d u r e ，a d o p tam o l dp i e c et od e s i g nt h ef u n c t i o ni no r d e rt o i m p r o v et h ed e v e l o p m e n te f f i c i e n c ya n de a s yt om a i n t e n a n c e t h ep l a ni se f f e c t i v e a n df e a s i b i l i t yw h i c hi sp r o v e db ye x p e r i m e n t k e yw o r d s ：m i c r o p r o c e s s o rp r o t e c t i o n , d s p f f t m 堂生堡兰型剑丝兰塑 _ 学位论文独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导卜i 进行的研究工 作及取得的研究成果。据我所知，除了文巾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 为获得直昌厶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1 r 明确 酐 说明并表示谢意。 学位论文作者签名( 手写) ：堕萌隽签字日期：h 年。月护曰 学位论文版权使用授权书 本学位沦文作者完全了辑直昌太堂有关保留、使用学位论文 的规定，有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复| = i j 件和磁 盘，允许论文被查阅和借阅。本人授权直昌太堂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 等复制于段保存、汇编奉学位论文。问时授权中国科学技术信息研究 所将本学位论文收录到中国学位论文全文数据库，并通过网络向 社会公众提供信息服务。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权书) 学位论文作者躲亘确只铆虢糍窃啐 签字日期：如7 年b 月为日签字日期：7 声，1 月鳓日 第1 章绪论 第1 章绪论 1 1 课题研究背景与意义 随着国民经济的快速发展和入民生活水平的提高，人们对电力的需求日益 增长，对供电的可靠性和供电质量提出了更高的要求。从2 0 0 3 年开始，全国爆 发了大面积“电荒”。0 3 年夏天全国就有2 1 个省f 市1 电力严重供不应求。2 0 0 4 年一季度，全国有2 4 个省( 市) 被迫拉闸限电。电力缺口年均为2 5 0 0 万- - 3 0 0 0 万千瓦。随着电力基本建设力度的加大和国家宏观调控措施的逐步到位，全国 电力供应紧张形势有所缓解。2 0 0 5 年，全国电力供应总体呈现“前紧后松”的 状态，电力供需特点也逐渐由2 0 0 4 年的持续性、全国性缺电转变为区域性、季 节性、时段性缺电，主要集中在华北、南方和华中的部分地区，华东地区紧张 局面明显缓解，东北、西北地区电力供应基本可以保证。2 0 0 6 年，全国电力供 需总体基本平衡，电力供需紧张形势得到明显缓解，全国尖峰负荷最大电力缺 口为1 0 0 0 万千瓦左右，比2 0 0 5 年同期减少1 5 0 0 多万千瓦。发电装机容量逐年 增加，每年都有新建的机组和变电站投入运行。在系统容量不断扩大的同时， 大容量的机组、变电站在系统中的应用也越来越多，输电线路的电压等级和长 度不断增加，电网逐步完善的同时，其结构也更加复杂。另一方面，我国经济 多年来的持续高速发展对电力需求和供电可靠性的要求越来越高，导致电力系 统的安全稳定运行也变得越来越重要i l 】。当电力系统发生故障时，如果不能及时 排除故障，就会破坏系统的稳定运行，电能质量下降，以致造成停电或少供电， 甚至毁坏设备，严重影响企业的正常生产和人民的正常生活，并会造成巨大的 经济损失。 为避免或减少事故的发生，提高电力系统运行的可靠性，应采取积极预防 事故的措施，尽一切可能减少事故发生的概率，发挥人的主观能动性，保证设 计安装质量，加强对设备的维护和检修，提高运行管理水平。因为系统事故的 发生，除了由于自然条件( 如遭受雷击等) 外一般都由设备制造质量不高、设计 安装错误、运行或维护不当等原因造成。如果能一方面加强电气设备的维护和 检修，另一方面在电力系统中的每个元件上装设一种有效的装置，当电气元件 发生故障或不正常运行状态时，该装置能快速切断故障元件的供电或向工作人 第1 章绪论 员发出信号进行处理，则可以大大减少事故发生的概率。在电力系统中起这种 作用的装置即称为继电保护装置【2 】。继电保护就是保证电力系统安全运行和提高 电能质量的重要工具。 1 2 继电保护的概念、原理与特点 1 2 1 继电保护的概念 继电保护是指能反应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装置。微机保护作为继电保护的最新保护 方式，使用广泛，对电力系统的安全稳定运行起着举足轻重的作用，直接影响 电力系统的安全运行f 3 j o 继电保护的主要任务是自动地、有选择性地、快速地将故障元件从电力系 统切除，使故障元件免于继续遭受损害。 继电保护的作用就是通过缩小事故范围来提高电力系统运行的可靠性，最 大限度地保证向用户安全连续供电，是电力系统安全可靠运行不可或缺的技术 措施。 为了保证系统的安全运行，减少事故损失，继电保护应该注意满足“四性” 的要求1 4 】= ( 1 ) 灵敏性：保护应灵敏动作。于各种故障或对不正常运行状态做出反应。 ( 2 ) 速动性：对于在超高压、远距离输电线路上的保护，当发生故障时可能 会产生严重后果，带来巨大损失，需要采取有效的措施保证保护迅速做出反应。 ( 3 ) 可靠性保护：在发生内部故障时应可靠动作，而在发生外部故障时不应 误动。 ( 4 ) 选择性：在发生故障时，保护应仅将故障部分从系统中切除，而系统中 无故障的部分仍能继续安全运行。 1 2 2 继电保护的原理 电力系统发生故障后，工频电气量变化的主要要特征如下： ( 1 ) 电流增大。短路时故障点与电源之间的电气元件上的电流，将由负荷电 流值增大到大大超过额定负荷电流。 第1 章绪论 ( 2 ) 电压降低。系统发生相问短路或接地短路故障时，系统各点的相间电压 或相电压值均下降，越靠近短路点，电压下降越多，短路点电压最低可降至零。 ( 3 ) 电压与电流之间的相位角发生改变。正常运行时，同相电压与电流之间 的相位角即负荷的功率因数角，一般约为2 0 度。 ( 4 ) 测量阻抗发生变化。测量阻抗即测量点( 保护安装处) 电压与电流相量之比 值，即z = d j 。以线路故障为例，正常运行时，测量阻抗为负荷阻抗；金属性 短路时，测量阻抗为线路阻抗：故障后测量阻抗值显著减小，而阻抗角增大。 ( 5 ) 出现负序和零序分量。正常运行时，系统只有正序分量；当发生不对称 短路时，将出现负序分量和零序分量。 ( 6 ) 电气元件流入和流出电流的关系发生变化。对任一正常运行的电气元件， 根据基尔霍夫定律，其流入电流应等于流出电流，但元件内部发生故障时。其 流入电流不再等于流出电流。 利用故障时电气量的变化特征，可以构成各种作用原理的继电保护。例如， 根据短路故障时电流增大，可构成过流保护和电流速断保护：根据短路故障时 电压降低，可构成低电压保护和电压速断保护；根据短路故障时电流与电压之 间相角的变化可构成功率方向保护：根据电压与电流比值的变化，可构成距离 保护；根据故障时被保护元件两端电流相位和大小的变化。可构成差动保护； 高频保护则是利用高频通道来传递线路两端电流相位、大小和短路功率方向信 号的一种保护；根据不对称短路故障出现的相序分量，可构成灵敏的序分量保 护。这些继电保护既可以作为基本的继电保护元件，也可以通过它们做迸一步 逻辑组合，构成更为复杂的继电保护，例如，将过流保护和方向保护组合，构 成方向电流保护。 此外，除了反映各种工频电气量的保护原理外，还有反应非工频电气量的 保护，如超高压输电线路和行波保护：反应非电气量的电力变压器的气体( 瓦斯) 保护、过热保护等。对于反应电气元件不正常运行情况的继电保护，主要根据 不正常运行情况时电压和电流变化的特征来构成。 通过装设在被保护元件一端的各种变换器可以检测发生故障时这些基本参 数。再由保护的逻辑单元进行比较，鉴别出发生故障时这些基本参数与正常运 行时的差别，就可以构成各种不同原理的继电保护装置【5 】。 第1 章绪论 1 2 2 1 电流电压保护 利用电流的变化特点可构成电流保护，适当选择这类保护装置的动作电流 和动作时限，便可保证其选择性。电流保护如果是瞬时动作的，称为电流速断 保护。如果要求不仅能保护本线路上的故障，而且能作相邻线路的后备保护并 保证选择性，则保护必须带有一定的动作时限，称为过电流保护。例如过电流 保护中的电流继电器的动作电流可选择大于线路的最大负荷电流，而小于线路 中可能流过的最小短路电流，故只有在发生短路时，保护才动作。为保证动作 的选择性，各保护的动作时限应按照距电源端由远及近依次增加的原则来选择。 当系统运行方式变化较大时，线路电流保护可能在灵敏度方面不满足要求， 但考虑到在线路上发生短路故障时，母线电压的变化一般比流过的短路电流的 变化大，因此线路末端短路时，保护安装处按母线上的残余电压整定的电压速 断保护，在灵敏度方面性能更好。但同一母线引出的其他线路上发生短路，以 及电压互感器二次侧熔断时会引起误动作，为此采用电流电压连锁速断保护， 这种保护既反映电流的增大，也同时反映电压的降低，其保护的选择性及灵敏 性依靠于正常运行方式下，电压元件和电流元件相互配合的整定来实现。 1 2 2 2 方向性电流保护 上述讲述的三段式电流保护都是以单侧电源网络为基础的，若应用在双侧 电源网络就会出现选择性错误，例如：对于下述网络( 如图1 1 所示) 。 b 斗立乒斗二乒斗三，与 图1 1 两侧电源供电网络 当在d l 点短路时。按照选择性的要求，应由距故障点最近的保护3 和保护 2 动作切除故障。然而由电源e b 供给的短路电流i l 将通过保护4 ，采用电流速 断且1 1 大于保护4 的整定电流，则保护4 的电流速断就要误动如果保护4 采 用过电流保护且其动作时限t 4 t 3 ，则保护4 的过电流保护也将误动作。同理， d 2 点短路时，由e a 电源供给的1 2 将流过保护3 ，也可能使它的电流保护各段 先于保护4 的相应段动作，出现非选择性动作。 4 第1 章绪论 通过分析误动作的原因可知，误动作的保护都是在自己所保护的线路反方 向发生故障时，由对侧电源供给的短路电流所引起。为此，增设方向元件，该 元件只当短路功率方向由母线流向线路时动作，而当短路功率方向由线路流向 母线时不动作，从而形成方向电流保护。 l - 2 2 3 零序保护 在接地电流系统中的零序电流保护，是利用中性点直接接地电网中发生接 地故障时出现零序电流的特点而构成。在1 1 0 k v 以上的单电源辐射型网络，常 常采用无方向的三段式零序电流保护作为接地故障的主保护及后备保护。通常 三段式零序电流保护从构成上看与三段式相问电流保护相类似，其主要区别在 于零序电流保护的测量元件( 电流继电器) 接入的电流量是零序电流。 在全绝缘变压器上，除了装设零序电流保护作为变压器中性点直接接地运 行的保护外，还增设了零序电压保护作为变压器中性不接地运行的保护。 若有几台变压器在高压母线上并列运行，当发生接地故障后，中性点接地 运行变压器的零序电流保护，首先母线断路器q f 跳开，缩小故障影响范围。然 后，在故障部分的母线上，中性点接地运行的变压器，由零序电流保护切除。 中性点不接地运行变压器，由于零序电压升高引起零序电压保护动作，使变压 器各侧断路器断开。 在分级绝缘变压器中若无放电间隙，其中性点绝缘的耐压强度较低，为了 防止中性点绝缘在工频过电压作用下损坏，当发生接地故障时，应先切除中性 点不接地运行的变压器，然后切除中性点接地运行的变压器。 1 2 2 4 距离保护 当线路上发生短路时，由于电流增大而电压降低，在母线处，电压与电流 的比值( 即测量阻抗) 不仅明显低于正常值，而且正比于母线到短路点间的距离。 利用测量阻抗的变化特点可以构成距离保护，它反应于测量阻抗的降低而动作， 实际上是一种低阻抗保护。其基本保护原理是：用阻抗继电器作为保护的测量 元件，短路时用它测量从保护安装处到短路间的阻抗。当在保护区内部短路时， 短路点的距离越近，保护的动作时间越短。 距离保护一般由起动元件、闭锁元件、逻辑元件及其他几大部分组成。 为了满足速动性、选择性和灵敏性的要求，距离保护目前广泛采用三段式 配置原则，并分别称为距离保护的i 段、i i 段、i i i 段。 第1 章绪论 距离保护的第1 段是瞬时动作的，是保护本身的固有动作时间。第1 段应 保护线路a b 的全长，然而实际上却是不可能的，因为当线路出1 3 处短路时，其 相邻线路保护的第1 段不应动作。为此，其启动阻抗的整定值必须躲开这一点 短路时所测量到的阻抗z 。，即踢2 9 0 4 h 俐 图1 5 相位比较和幅值比较转换关系说明图 1 2 2 5 纵联差动保护 纵联差动保护的基本原理是：采用差动继电器作为保护的测量元件，用来 比较被保护元件各端电流的大小和相位之差。从而判断保护区内是否发生短路。 由于纵联差动保护只在保护区内短路时才动作，不存在与系统中相邻元件保护 的选择性配合问题，因而可以快速切除整个保护区内任何一点的短路，这是它 的可贵优点。但是，为了构成纵联差动保护装置，必须在被保护各端装设电流 互感器，并将它们的二次线圈用辅助导线连接起来，接差动继电器。由于受辅 助导线条件的限制，纵向连接的差动保护仅限于用在短线路上，对于发电机、 变压器及母线等，则可广泛采用纵联差动保护实现主动保护。 1 2 2 ，6 高频保护 高频保护是只用于输电线路的一种全线快速保护方式。通常利用被保护线 路本身构成载波通道，代替一般差动保护的辅助导线来传送高频信号j 以实现 被保护线路两端电气量比较。利用高频信号比较两端电流相位的，称为高频相 差保护。利用高频信号比较线路两端短路功率方向的，称为高频闭锁方向保护。 第1 章绪论 1 2 3 缝电保护微机化的特点 纵观继电保护技术近1 0 0 年的发展史，其发展经历了三个阶段、二次飞跃 6 1 。 三个阶段是：机电式、半导体式、微机式。第一次飞跃是从机电式到半导体式， 主要体现在无触点化、小型化、低功耗。第二次飞跃是从半导体式到微机式， 主要体现在数字化和智能化。随着微机保护智能化研究工作的全面展开，微机 保护的软件、算法取得了长足的进展。自从1 9 8 4 年，由华北电力大学杨奇逊教 授研制的第一代微机型高压输电线路继电保护装置投入现场运行起，我国的电 力系统微机型继电保护的研制得到了迅速的发展。可以说，从2 0 世纪9 0 年代开 始，我国继电保护技术进入了微机保护时代。与传统的继电保护相比较，微机 继电保护有更大优势，继电保护装置的微机化是不可逆转的发展趋势。微机继 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，具体来 说，微机化主要有以下几个方面的特点： ( 1 ) 保护的动作正确率高，性能优越，采用先进的控制技术和数学理论如自适 应、状态预测、模糊控制及人工神经网络，可以实现很高的运行正确率。而且 超强的记忆力能更好地实现故障分量保护。 r 2 ) 具有高可靠惟，自检和巡检能力强，能自动检测出硬件故障，发出报警信 号并闭锁其跳闸出1 3 回路，同时软件也具有自检功能，可以对输入的数据进行 检验和纠错，自动识别干扰，排除干扰。 ( 3 ) 可以方便地扩充其他辅助功能，如故障录波、波形分析、低频减载、自动 重合闸及故障测距等。 ( 4 ) 工艺结构条件优越。硬件通用。制造容易统一标准，体积小，功耗低。 ( 5 ) 使用灵活方便，友好的人机界面使其维护调试也更方便，在现场可通过软 件方法改变特性、结构。 ( 6 ) 具有串行通信功能，与变电所微机监控系统的通信联络使微机保护具有远 程监控特性。 1 3 微机保护的发展与现状 1 3 1 微机保护的发展 微机保护的产生与发展是从6 0 年代开始的。1 9 6 5 年开始有入倡议用计算机 构成继电保护装置。7 0 年代，微机保护的研究工作主要是在理论探索阶段，着 9 第1 章绪论 重于算法的研究、数字滤波的研究及实验室样机试验。在7 0 年代初期和中期计 算机本身出现了重大突破，大规模集成电路技术的飞速发展，微型计算机和微 型处理器进入了实用阶段，而且价格大幅度下降，可靠性、运算速度大幅度提 高，这使得微机保护的研究出现了热潮。7 0 年代后期国外已经有少数微机保护 样机在电力系统中试运行。在国内外学者的辛勤努力下，电力系统微机型继电 保护得到了迅速的发展，至l j 9 0 年代的中后期，微机型继电保护装置已经在电力 系统中得到广泛的应用。 在微机保护的研究发展过程中，各国继电保护工作者为微机保护的实用化 做出了不懈的努力。1 9 6 5 年英国剑桥大学的p g m c l a r e n 等提出用采样技术实现 输电线路的距离保护pj 。随后，1 9 6 6 年澳大利亚南威尔士大学的l - e m o r r i s o n 预 测了输电线路和变电站采用计算机控制的前景【刖。接着他们进一步研究了微机保 护的理论基础，主要研究集中在微机保护的各种算法。1 9 6 9 年，美国西屋公司 的g d r o c k e j j e l l e r 在文章中论述了用一个计算机保护e h v 变电站及其出线的可 行性【9 1 ，并于1 9 7 2 年发表了装置的试运行样机的原理、结构和现场运行结果。这 是一套比较完整的用于现场的计算机继电保护样机，它具各了微机保护的基本 组成部分。1 9 7 6 年美国的a g p h a d k e 等研究了变电站的计算机系统的可行性【1 0 】， 开发了报警、监视、数据采集、控制及保护功能。在此之后研究出一套对称分 量原理的距离保护【l ”。通用电气公司和p h i l a d e l p h i a 电力公司于1 9 7 3 年开始数字 式线路保护的可行性课题，开发出完整的保护系统并在实验室迸行了详尽的试 验，该系统安装在p h i l a d e l p h i a 电力公司的一条1 1 6 k m 的5 0 0 k v 输电线路的两端。 该系统中装有超范围的跳闸逻辑。1 9 7 2 年7 月，在e q m c l a r e n 的指导下，剑桥大 学的g k ，l a g e o c k 完成了一篇以微机距离保护为题的博士论文【1 2 j ，主要研究微机 保护中的信息处理技术。1 9 7 7 年w d b r e i g a n 等研制了一种用于超高压输电线路 的方向比较保护系统，该系统由基于电力线载波的两套微机保护系统构成。其 原理是判断保护测量到的甬、x l 所处的象限来判断故障方向。由于未能较好地解 决故障电阻的问题，该系统有不正确的动作。1 9 7 7 年日本投入了一套以微处理 器为基础的控制与保护装置，全部代替了老式设备，大大减少了变电站主控室 的占地面积，具有变电站自动化的雏形，并于1 9 8 0 年发表了试运行的结剽1 3 l 。 1 9 8 0 年英国的a t j o h n s 阐述了一种反映故障分量的方向检测装置1 1 4 】，最初为完 全采用暂态分量构成的模拟式设备，后来为了改进其动作特性，采用故障分量 中的稳态分量并用数字式实现1 1 5 1 。 1 0 第1 章绪论 我国的计算机继电保护的研究起步较晚，直到7 0 年代末期，才开始从事这 方面的研究和探索。起初是由华北电力大学、华中理工大学等高等院校和原电 力部南京自动化研究所的继电保护科研人员在吸取国外先进研究成果的基础 上，经过几年的努力，逐步进入实用化阶段。1 9 8 1 年，杨奇逊教授发表了他的 以微机距离保护为题的博士论文【l “，在算法上解决了距离保护中的高阻接地问 题。经过几年的努力实现了一套以m c 6 8 0 9 为基础的微机距离保护，这是第一代 微机型高压输电线路继电保护装置，该装黄于1 9 8 4 年安装于河北电网试验运行， 从此开辟了我国电力系统微机保护的研究与应用的先河。进入9 0 年代硬件水平 的迅猛提高使得实时的、复杂、繁琐的信号处理成为可能。随着信号处理手段、 智能技术的发展，利用d s p 提取信号特征以及保护功能的综合优化与智能化成为 保护发展的中心。保护的构成方式与原理在一定程度上得到了长足发展。我国 的电力系统微机型继电保护的研制得到了迅速的发展。在输电线路保护、元件 保护、变电站自动化系统、故障录波器和故障测距等领域，微机型继电保护都 取得了引人注目的成果【i ”。 l 。3 2 微机保护的现状 微机保护按其保护的设备可分为：微机线路保护和微机元件保护两大类。 微机线路保护包括高压线路和低压线路保护；微机元件保护包括发电机、变压 器、母线等设备的保护。微机元件保护的研究晚于线路保护，由于保护算法相 对复杂，且保护配置种类繁多，使得在研究和应用上具有一定的难度，技术上 还不很成熟。 随着集成电路技术和微电子技术的发展，微机继电保护正在从早期以普通单 片机为核心发展到以专用数字信号处理器为核心。一些新型的微机继电保护装 置己采用d s p 为核心控制器。目前，微机线路保护装置已在我国电力系统中广 泛应用。微机型主设备保护、母线保护也逐渐得到推广。 1 3 3 1 微机保护迅速普及 近年来微机保护发展很快，目前全国已投入运行的微机保护装置达1 0 0 0 0 多台，并以每年8 0 0 1 0 0 0 台的速率增加。微机保护运行情况较好，正确动作 率逐年提高( 见表1 ) ，已从1 9 9 1 年的9 0 6 0 提高到1 9 9 8 年的9 8 8 3 ，为保证 电网的安全稳定运行作出了巨大贡献。微机保护主要配置在2 2 0 k v 及以上线路、 大型变压器及发电机上。近年来，按线路故障率计算，2 2 0 k v 线路每年发生故障 第1 章绪论 约1 2 9 0 次，3 3 0 k v 线路发生故障约5 0 次，5 0 0 k v 线路发生故障约8 0 次，加上 相应母线故障，总共1 2 0 0 1 5 0 0 次，这些故障主要靠微机保护来切除。由此看 来，微机保护已成为我国电网安全稳定运行的重要支柱 1 8 j 。 表i1 9 9 1 - - 1 9 9 9 年2 2 0 k v 及以上系统微机保护运行情况 年份动作次正确动作次不正确动作 次正确动作率( ) 1 9 9 1 2 5 l 2 3 09 0 6 0 1 9 9 21 6 6 1 5 2 9 1 5 6 1 9 9 35 8 55 5 49 1 5 6 1 9 9 41 1 6 5 1 1 2 09 6 1 4 1 9 9 52 0 7 9 2 0 2 29 7 2 6 1 9 9 64 3 0 74 2 3 59 8 3 3 1 9 9 75 8 5 l5 7 6 89 8 5 8 1 9 9 8s 1 5 58 0 6 09 8 8 3 很多产品已形成了标准化、模块化、系列化。目前，我国微机线路保护装 置的原理，性能、主要技术指标以及制造工艺方面已达到国际先进水平。从总 体上看，我国继电保护装置水平基本上达到国际九十年代中期的水平。 1 3 3 2 我国微机保护目前存在的问题 随着变电站自动化的发展，某些厂家将数据采集、测量和监控功能并入微 机保护装置的趋势，这就对继电保护装置的运算能力提出更高的要求。在某些 情况下，单芯片的继电保护装置就难以胜任。对于高压电网，继电保护单元相 对独立，其功能不能依赖于通信网络或其他设备，保护应有独立的电源，保护 模拟量的输入应由电流互感器和电压互感器通过电缆直接连接，输出跳闸命令 也要通过常规的控制电缆送至断路器的跳闸线圈，保护的启动、测量和逻辑功 能独立实现，保护装置通过通信网络与保护管理机传输的仅是保护动作信息或 记录数据，这就要求继电保护装置要有很高的可靠性。显然单芯片的继电保护 装置无法构成容错结构，不利于提高其可靠性。对于可靠性要求较低的低压电 网，可以用单芯片的继电保护装置来实现保护和监控系统的一体化。 目前微机保护的生产厂家众多，产品型号五花a f 3 ，其使用的硬件结构、 保护算法与功能也各不相同。同变电站自动化系统的通信方式也多种共存。这 种情况给系统的运行维护和维护人员的培训带来一定困难。根据微机保护不正 确动作统计情况来看，其中保护用逆变电源和收发信机损坏率高，直接影响保 护的正常运行。随着电力工业不断对继电保护提出新的要求，许多新理论、新 1 2 第1 幸绪论 方法、新设备的不断涌现。现代信息技术进入传统的继电保护领域后，已从元 件级延伸到设备级，另外保护与自动化的关系也日益密切，并涉及到运行管理 和生产制造两个方面。现在，微机保护设备除了具有独立、完整的保护功能外， 还在向功能多样化方向发展，如通信功能、故障自诊断和容错功能、自闭锁和 故障记录等功能。在现有基础上进一步提高微机保护的运行水平，还有大量的 工作要做。 1 4 本文所做工作 1 回顾了微机保护发展概况、指出国内外现有微机保护的研究现状及其存 在的问题。 2 设计出了基于d s p 技术的微机保护的软硬件系统，介绍了整个微机保护 装置的硬件框架和软件流程。 3 在微机保护的理论研究方面作了一定的探讨，研究了微机保护的一系列 算法。 4 介绍了整个微机保护装置的抗干扰分析，并给出一些具体的措施。 5 结论。对所作的设计工作小结，也对系统的改进提出些建议。 第2 章装置硬件平台 第2 章装置硬件平台 微机保护产品在电力系统中得到了广泛的应用，并且由于其相对于传统继 电保护产品( 整流型、集成电路型等) 的一系列优点，大大提高了电力系统供电的 安全性和可靠性，促进了电力系统自动化的发展。然而，目前为止，我国电力 系统的微机保护产品采用的c p u 大多为8 位或1 6 位单片机，它存在着如下不足； ( 1 ) 硬件资源及功能过于简单。这些c p u 基于八十年代早期的技术和工艺， 受结构、时钟和总线的限制，其指令功能有限，寻址空间小，运算能力弱，微 机产品的优势难以充分发挥。在很多功能上( 如录波、测距等) 只能给人以初步 近似的结果：算法、原理的实现上也受一定的限制。此外，电力系统自动化的 进一步发展，要求保护除了完成常规保护功能外，还需要完成正常运行条件下 的系统参数测量，包括频率、电压、电流、有功、无功、谐波分量、序分量以 及一些辅助的控制功能，正常运行条件下的安全监视等，这些都是基于常规c p u 的保护产品难以胜任的。 ( 2 ) 开发平台不完善。目前的微机保护产品在软件开发上普遍采用汇编语言。 然而，由于汇编语言的程序设计中，编程人员要全面规划内存安排、数据调度、 资源分配、开入、开出管理等相关条件，与高级语言( 如c 语占) 相比。软件开发 难度大，周期长，软件结构随意性很大，随不同编程人员的习惯、思维方式不 同，相关条件约束不同差异很大，难以移植，难以交流。难以维护。仿真器是 开发过程上排除软件、硬件错误和缺陷的必要设备，是加快软件、硬件开发速 度，提高开发水平的重要保证，好的仿真器应当提供界面友好的汇编级和工具 语言级调试程序【l9 1 。此外，在开发平台上应该有完善而优化的子程序库，包括 汇编子程序库和c 语言子程序库函数。而且，实时多任务操作系统( r t o s ) 应尽 可能引入，它对于提高软件开发质量，加快开发进度等有着积极的作用。然而， 目前所选用的c p u 其仿真工具缺乏或陈旧，许多软件的开发是在没有仿真器的 条件下完成的，因此额外增加了开发难度和开发周期。库函数的支持也很不足， 难以采用r t o s 。 正是如上所述因素，使得目前的很多保护产品在硬件资源上冗余度低，软 件上各不相同，虽然从事开发的人员众多，但不同产品的软、硬件难以通用， 第2 章装置硬件平台 难以交流，难以提高。因此，引入了硬件资源更丰富、功能更强大、开发环境 与相应开发平台更先进的数字信号处理器( d s p ) f 2 0 】。 系统的硬件结构图如图2 1 所示。 图2 1 系统硬件结构图 2 1d s p 芯片简介 在微机保护技术蓬勃发展的同时，还存在一些问题：首先，现在的算法为 数众多，但是其中一些需要复杂计算的算法，由于受到硬件的限制而得不到应 用。如卡尔曼滤波算法，用在多变量的估计时，需要进行矩阵运算而一般的微 型计算机很难满足速度上的要求，致使该算法在微机保护中未得到广泛的应用， 在较长一段时间里处于理论研究阶段；其次，计算机网络通信技术的发展同新 月异，电力系统信息管理的自动化水平也逐步提高，与网络的通信和前沿的监 测任务都希望由保护来承担，从而对处理器的能力提出了更高的要求。高速数 字信号处理芯片( d s p ) 技术的发展，为开发一种速度快、处理能力强的微机保护 系统奠定了基础。近年来，人们己经开始将d s p 芯片用于某些电力系统产品的 开发研究，并获得了成功。7 0 年代末问世以来，以其独特的结构和快速运算能 力以及性能价格比和开发手段的不断提高，正迅速应用于通信与信号处理、语 音，图形图像、雷达、仪器仪表、自动控制、航空航天、家用电器等科技和国 民经济的各个领域，电力系统也是其应用领域之一。 数字信号处理( d i g i t a ls i g n a lp r o c e s s i n g ) 是利用专门或通用的数字信号芯片， 以数字计算的方法对信号进行处理，包括对信号的采集、变换、滤波、估值、 第2 章装置硬件平台 增强、压缩、识别等处理，以得到人们需要的信号形式i z ”。d s p 芯片r 也称数字 信号处理器) 具有强大的指令集合、高度的灵活性、快速的数字处理能力以及全 新的内部结构【2 2 j ，是一种特别适合数字信号处理运算的微处理器，主要作用是 实时高效地实现各种数字信号处理计算。d s p 处理器的个重要特征是采用改 进的哈佛结构，具有独立的数据和地址总线，从而使得处理器指令和数据并行， 大大提高了处理效率1 2 ”。在继电保护产品中采用d s p 处理器取代传统的8 位或 1 6 位单片机，可以在硬件资源、开发平台等方面具有很大的优越性，并通过与 c p l d 、f l a s h 等的配合，完成一些复杂的算法，从而大大提高保护装置的性能。 2 1 1d s p 的分类 d s p 的芯片可以按照以下的三种方式进行分类。 ( 1 ) 按基础特性分 这是根据d s p 芯片的工作时钟和指令类型来分类的。如果d s p 芯片在某时 钟频率范围内的任何频率上能正常工作，除计算速度有变化外，没有性能的下 降，这类d s p 芯片一般称之为静态d s p 芯片。 如果有两种或两种以上d s p 芯片，它们的指令集和相应的机器代码管脚结 构相互兼容，则这类d s p 芯片称之为一致性的d s p 芯片。 ( 2 ) 按数据格式分 这是根据d s p 芯片工作的数据格式来分类的。数据以定点格式工作的d s p 芯片称之为定点d s p 芯片。以浮点格式工作的称为d s p 芯片。不同的浮点d s p 芯片所采用的浮点格式不完全一样，有的d s p 芯片采用自定义的浮点格式，有 的d s p 芯片则采用i e e e 的标准浮点格式。 ( 3 ) 按用途分 按照d s p 芯片的用途来分，可分为通用型d s p 芯片和专用型的d s p 芯片。 通用