（电气工程专业论文）新型高压变电站测控装置的研制.pdf

摘要 随着变电站自动化技术的发展，面向间隔、面向对象设计的分层分布式自动化系统成为 主流。测控装置是变电站自动化系统间隔层的关键设备，它是一种变电站的远方终端装置 ( r t u ) ，主要完成变电站自动化系统的远动功能，是为完成电网调度自动化在变电站中装设 的必不可少的自动化装置。 近年来，随着电力系统的规模日益扩大，对变电站测控装置性能要求越来越高。由于电 力电子技术、轨道交通等技术的广泛应用，电网的各种电能质量闻题目益严重，要求变电站 铡控装置的交流采样计算在电网受到谐波等干扰情况下，应保证测量的准确。随着变电站规 模的不断扩大，为了了解复杂故障时的事件顺序，正确的进行事故分析，要求装置有较高的 遥信的分辨率和s o e 时标准确性，并且全站智能电子设备的时间虑同步。高压测控装置除了 具有传统的“四遥”功能外，还需要集成自动准同期功能、电能质量数据采集功能、等等。 研制了一种基于高性能3 2 位d s p 芯片的新型高压变电站测控装置。它应用过采样技术 和数据滤波技术进行电力参数的交流采样计算并进行电网谐波分析提高了测量计算的抗干 扰能力；同时采用数字算法进行电网频率的高精度测量并进行频率跟踪采样，提高了采样 计算的精度；研究了防止遥信误报的软件滤波方法，并采用合适方法，既防止遥信误报，又 保证s o e 时标的准确；研究了i r i g b 码对时方法，在装置中采用，保证了全站测控装置的 时间同步：研究了在测控装置中实现断路器同期合闸的方法，并研究了改进傅立叶相位差算 法，提高了同期合闸的抗谐波干扰能力和合闸准确性。 进行了装置的硬件设计和软件设计，并进行性能测试，表明装置测量精度高抗干扰能 力强，性能优异，具有较高的实用价值。 关键词：变电站，远方终端装置，谐波，过采样数字滤波，频率，i r i g - b ，准同期 东南大学硕士学位论文 a b s t r a c t w i t ht h ed e v e l o p m e n to ft h et e c h n o l o g yo ns u b s t a t i o na u t o m a t i o ns y s t e m ( s a s ) ，t h eb a y o r i c n t a da n do b j e c to r i e n t e ds a sb e c o m e sp r e v a i l i n g m e a s u r i n ga n dc o n t r o ld e v i c ei st h ek e y d e v i c ei nb a yl a y e ro fs a s i ti sak i n do fr e m o t e 咖衲a lu n i t s ( r t u s ) a n da c t s 豳a nj n t e f f a c e b e t w e e nt h en e t w o r ka n dt h es u b s t a t i o ne q u i p m e n ti ti sa ni n d i s p e n s a b l ee q u i p m e n ti ns a st o r e a l i z et h ee l e c t r i cp o w e rd i s p a t c h i n ga u t o m a t i o n r e c e n t l y ，w i t ht h ed e v e l o p m e n to ft 1 1 ee l e c t r i cs y s t e m t h ed e m a n df o re x c e l l e n tf e a t u r ea n d q u a l i t yo fr i ui sg r o w i n g b e c a u s eo ft h ew i d e s p r e a du t i l i z a t i o no ft h ee l e c t r i ce l e c t r o n i c t e c h n o l o g ya n dr a i l w a yt r a f f i ct e c h n o l o g y t h ep r o b l e mo f p o w e rq u a l i t yi sv e r ys e r i o u s ，t h er 1 1 j ns u b s t a t i o ns h o u l dg u a r a n t o e ；bm e a s u r e m e n ta c c u r a c yo nt h ec o n d i t i o no f h a r m o n i cd i s t - r b a n c e w i t ht h ee x p a n s i o no fs u b s t a t i o ns c a l e i no r d e rt ok n o wt h es e q u e n c eo fas e r i o u sc o m p l i c a t e d e v e n t sa n dt oa n a l y z ee v e n t sr i g h t l y ，t h es o et i m er e s o l u t i o no fr t us h o u l db ep r e c i s ee n o u g h ， t h et i m ec l o c ko fa l li n t e l l i g e n te l e c t r o n i cd e v i c e s ( i e d s ) i ns a ss h o u l db es y n c h r o n i z e d 凿w e l l r t ui nh i 曲v o l t a g es u b s t a t i o ns h o u l da l s oh a v ec i r c u i tb r e a k e r ss y n c h r o n i z a t i o nf u n c t i o n ， p o w e rq u a i l t yd a t aa c q u i s i t i o nf u n c t i o n ，e l c ， an o v e lh i g hv o l t a g es u b s t a t i o nm e a s u m n e n ta n dc o n t r o ld e v i c eh a sb e e nd e v e l o p e db a s e d o ni i i g hq u a l i 够3 2b i t sd s p 。i ta p p l i e so v e r - s a m p l i n gt e c h n o l o g ya n dd i g i t a lf i l t e r i n gt e c h n o l o g y t oc a r r yo na l t e r n a t i v es i g n a ls a m p l i n ga n dc a l c u l a t i o no fe l e c t r i cp a r a m e t e r s t h ed i s t u r b a n c e c o m p a t i b i l i t yo ft h em e a s u r e m e n th a sb e e ni n c r e a s e d d i g j t a la l g o r i t h mo np o w e rf r e q u e n c yh a s b e e na p p l i e d t h ea c c u r a c yo fm e a s u r e m e n th a sb e e ni n c r e a s e db ym e a n so ff r e q u e n c yt r a c i n g s a m p l i n g i no r d e rt op r e v e n t i n gf r o mm i s r e p o r t i n go fs t a t es i g n a l ，t h es o r w a r ef i l t e r i n gm e t h o d o ns t a t es i g n a lh a sb e e na n a l y z e d ap r o p e rm e t h o dh a sb e e na p p l i e d i tc a np r e v e n tf r o ms i g n a l m i s r e p o r f i n ga n dg u a r a n t e et h ea c c u r a c yo fs o et i m et a g ，t h ei r i g bc o d et i m es y n c h r o n i z i n g m e t h o dh a sb e e nr e s e a r c h e da n da p p l i e di nt h ed e v i c ei te n s u r e st h et i m es y n c h r o n i z a t i o no fa l i d e v i c e si ns a s t h eq u a s i s y n c h r o n i z i n gf u n c t i o n o fc i r c u i tb r e a k e rh a sb e e nr e s e a r c h e d 1 1 把 i m p r o v e df o u r i e ra l g o r i t h mo np h a s ed i f f e r e n c eh a sb e e ns t u d i e da n da p p l i e d i tc a ni m p r o v et h e c i r c u i tb r e a k e r ss y n c h r o n i z a t i o na c c u r a c yo nt h ec o n d i t i o no f h a r m o n i cd i s t u r b a n c e t h eh a r d w a r ea n ds o f t w a r ed e s i g nh a v eb e d o n e t h eq u a l i t yt a s t i n gh a sb e e nm a d e i th a s b e e np r o v e dt h a tt h em e a s u r e m e n ta c c u r a c yi sh i g h ，t h ed i s t u r b a n c ec o m p a t i b i l i t yi ss 仃o n g , q u a l i t y a n df e a t u r ea r ee x c e l l e n t i th a sc o n s i d e r a b l ev a l u eo f a p p l i c a t i o n k e yw o r d s ：s u b s t a t i o n , r e m o t et e r m i n a lu n i t ( r t u ) ，h a r m o n i c s , o v e r - s a m p l i n g , d i g 砌f i l t e r i n g , f r e q u e n c y ，i r i g b ，q u a s i s y n c h r o n i z a t i o n 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： 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： 日期： 第l 章绪论 第1 章绪论 1 1 变电站自动化系统概述 常规变电站的二次部分主要由四大类装置组成：继电保护，故障录波，就地监控和远动。我 们所说的变电站自动化系统( s u b s t a t i o na u t o m a t i o ns y s t e m ，s a s ) ，指将变电站的二次设备( 包 括控制、保护、信号、测量、自动装置、数据处理及通信装置等) 应用自动控制技术、微机及网 络通信技术，经过功能的重新组合和优化设计，组成计算机的软硬件设备对变电站执行控制、保 护、测量、运行操作管理、信息远传及其协调的一种自动化系统1 2 j 。它具有统一规划，整体管理、 功能综合化结构微机化，操作监视屏幕化，运行管理智能化等特征。 随着现代技术的迅速发展，变电站自动化系统的功能越来越强，它可以实现对变电站的测量、 控制及电量的采集等并将这些信息发送给上一级调度中心真正实现了调度中心在远方对变电 站的自动监控，为经济调度提供了可靠的保证。尤其是无人值守变电站的出现，使变电站自动化 系统的结构模式更加完善”1 。实践证明以计算机控制、通信技术为基础的变电站综合自动化系统 取代传统的变电站二次设备己成为必然的趋势。 目前变电站自动化技术的发展，面向间隔、面向对象设计的分层分布式结构模式的自动化系 统成为主流”1 。我国现有的变电站自动化系统一般分为三层：变电站层，间隔层和设备层有的 分为两层，将间隔层和设备层放在一起”。随着电子电流，电压互感器技术的发展和变电站通信网 络和系统标准i e c 6 1 8 5 0 的制定，i e c 6 1 8 5 0 标准成为电力行业的行业标准，其将变电站自动化系统 按照功能分为三个层次，分别为过程层、间隔层、站控层”。 变电站自动化系统就是在不同的层面完成其相应的功能”1 。站控层主要由站级计算机组成包 括服务器，工作站等，负责人机接口，对系统采集的数据处理保存并进行波形显示、故障分析、 打印等功能，具有对间隔层，过程层设备的在线维护、在线组态、修改定值、操作闭锁控制等功 能。站控层中的通信管理单元完成与全站所有智能设备的通信，进行信息的收集与综合处理，并 负责与更高级别( 如调度中心、控制中心等) 的调度通讯，接收调度或控制中心有关控制命令井转 间隔层、过程层执行。设备层或过程层是一次设备与二次设备的接合面。设备层一般指传统的电 磁式互感器和断路器、刀闸等的操作机构等而过程层一般指最近发展起来的光电互感器、智能 开关等，它们的功能主要有电气运行的实时电气量变送、状态量监测，操作控制的执行与驱动 间隔层主要包括保护装置、测控装置、故障录波等智能电子设备( i n t e l l i g e n te l e c t r o n i cd e v i c e i e d ) 完成本间隔设备的参数测量、信号监测实施对一次设备保护控制，实施本间隔同期操作 及其他控制功能，完成与站控层的网络通信。 1 2 变电站测控装置概述 测控装置是变电站自动化系统间隔层的核心。它是一种变电站的远方终端装置( r t u ) ，主要 东南大学硕士学位论文 完成变电站自动化系统的远动功能，是为完成电网调度自动化在变电站中装设的必不可少的自动 化装置”1 。国际电工委员会( i e c ) 在i e c 6 1 8 5 0 2 ( 术语) 中对远方终端装置( r t u ) 的定义如下：远方终 端装置( r t u ) 是典型的s c a d a 系统中的外部子站，它是通信网络和变电站设备间的接口。原文是： r e m o t et e m i m lu n i t ：t y p i c a l l y a no u ts t a t i o n i n a s c a d s y s t e m a nr t u a c t sa sa n i n t e r f a c e b e t w e e nt h en e t w o r ka n dt h es u b s t a t i o ne q u i p m e n t “”。此定义说明，国际电工委员会( i e c ) 赋 予r t u 在变电站自动化系统中以重要作用r t u 已成为实现变电站自动化必不可少的装置1 。 测控装置承担了变电站遥测、遥信等原始数据的采集，承担了接受遥控命令并加以可靠执行 的任务同时完成数据处理分析，事件顺序记录等工作。测控装置的应用范围包括各电压等级的 变电站，发电厂等，铁路、水电、公交以及其他矿企业的类似场合也会用到。在不同电压等级的 应用中，其存在的形式和功能要求不同随着电压等级的提高，对测控装置的容量、性能及功能 要求也越高。 1 3 变电站测控装置的发展和课题研究背景 1 3 1 测控装置模式的发展 由于大规模集成电路技术强劲的发展，导致了先进的、快速的、功能强的微型处理器的出现 才有变电站自动化系统实现的可能性i ”，其测控功能的实现方式也是随着芯片技术及通信技术的发 展而发展“”。八十年代及以前变电站的远动功能主要依靠集中式的r t u 装置实现，即通过变速 器及一些数字接口电路对变电站二次系统的一些测量和信号进行采集。采集量送至单片机或工控 机进行集中处理【l 。r t u 装置按照功能分为遥信单元、遥测单元、遥控单元、遥调单元等。此类 系统称为集中r t u 模式，特点是功能简单，整体性能指标较低，系统联结复杂，不利于维护和扩展。 九十年代初期随着单片机及网络通信技术的发展，集中式r t u 向单元式测控转变测控功能按对 象单独形成装置。面向设备的单元式测控由于其易于使用，方便管理及维护目前被大量应用。 这种面向对象、分层分布的系统模式代表了现代变电站自动化技术发展的趋势，大幅度地减少了 连接电缆减少了电缆传送信息的电磁干扰，具有较高的可靠性。方便维护和扩展，大量现场l ： 作可一次性地在设备制造厂家完成“ 由于芯片技术的飞速发展九十年代后期，由于微机保护也可测量电网元件的运行参数，将 低压保护功能和测控功能集成在个装置内实现成为可能。为此现在3 5 k v 及以下电压等级的变 电站中，一般采用测控与保护合二为一的装置。并就地安装在开关柜上，可以节省电缆和减少设 备种类 目前，有一种观点认为r t u 将被淘汰，实现1 l o k v 和2 2 0 k v 新建变电站的变电站自动化系统( s a s ) 时只需要采用保护和监控一体化的装置即可。这种观点是不正确的，对我国调度自动化的进一步 发展是有害的，不利于我国变电站自动化系统与国际标准接轨，因为它不了解变电站自动化系统 ( s s ) 的真正目的和功能含义”。 在3 5k v 及以下电压等级的配电变电站中采用保护和监控一体化装置，在目前价格比较低廉、 2 第l 章绪论 监视精度要求不太高的情况下还是可以的。而1 l o k v 以上的高压变电站相对于低压变电站对测控装 置的测量和控制的容量要求要大得多，对测量的精度和控制的可靠性的要求也高得多，而且需要 完成断路器的同期合闸功能，因此从可行性和可靠性两方面考虑目前高压、超高压变电站的主 流设计还是将测控功能和保护功能分开，在不同的装置中实现。 远动装置是运行在电力系统正常方式下，继电保护装置是运行在电力系统故障环境下”，从运 行管理上来说继电保护和远动属两个不同的专业。当电力系统发生故障或继保远动装置发生故 障时，现场人员必须各负其责管好自己管辖范围内的设备。若用“微机保护十远动”装置，出了 问题将会出现职责不清，甚至无人负责现象，对电网调度是极为不利的” 1 3 2 测控装置性能的发展和要求 九十年代以前，变电站对各种电气参数普遍采用电磁式仪表和直流变送的方式进行监测。进 入九十年代后随着单片机和a d 转换器件在国内的普及应用，人们开始对电力参数进行交流采样 计算，但由于单片机主频和a d 转换的位数不高，交流采样频率一般不高，算法上受计算速度的限 制，普遍采用较为简单的算法，如电压、电流参数普遍采用半周积分或全周积分法，频率一般采 用零交法测量，抗干扰能力较差。近年来，随着我国国民经济的迅速发展，电力系统的规模日益 扩大。但同时由于电力电子技术、电弧炉以及轨道交通等技术的广泛应用，电网的各种电能质量 问题也越来越严重电网的电压，电流信号已经不是简单的正弦信号，波形产生畸变对变电站 测控装置的交流采样计算产生影响。测控装置的设计和算法都需要有较大改进才能增强其抗干扰 能力，才能在电网受到谐波等干扰情况下，保证测量的准确，保障电网的安全运行。 电子技术的发展使测控装置升级换代成为可能。近年来，测控装置所采用的微处理器在不断 升级变化。微处理器的字长不断提高，从8 位机( 如i n t e l 的m c s 一5 1 系列单片机) 到准1 6 位机( 如i n t e l 的8 0 9 8 ) ，然后又从1 6 位机( 如i n t e l 的8 0 c 1 9 6 2 9 6 ) 到3 2 位机( 如m o t o r o l a 的m c 6 8 3 3 2 等) ；微处理 器的时钟频率不断提高从八十年代的几兆、十几兆时钟频率发展到现在的上百兆、数百兆频率； 微处理器的计算功能不断增强，从开始时的普通c p u 发展到现在的具有硬件乘加指令和哈佛总线的 d s p 芯片：微处理器的片上外围接口功能不断增强，现在一个芯片上可以集成中断管理、a d 转换、 串口通信、i2 c 总线、c a n 网驱动等大量接口电路同时可以集成r a m 、f l a s h 等存储器，减少了线路 板上接口芯片的数量提高了系统的可靠性。同时a d 转换电路从九十年代初的十位发展到现在的 十六位电路，精度显著提高转换速度也大幅提高。由于微处理器和a o 转换电路性能的提高。目 前可以设计较高采样频率的测控装置，同时可以采用先进的数字算法进行计算。大幅提高遥测量 的计算速度和精度，大大增强其电气量测量的抗干扰能力。 随着变电站规模的不断扩大以及超高压、特高压变电站的建成，对面向间隔设备的变电站 测控装置的遥信采集功能也提出了更高的要求。遥信采集容量不断提高，从以往一个单元式测控 装置采集十几个遥信发展到现在需要采集六十多个遥信。为了预防遥信误报等情况的发生，要求 测控装置采用软件算法对每个遥信信号进行滤波处理，增强其防误遥信的能力，并分别具有滤波 时间设置 东南大学硕士学位论文 为了了解复杂故障时的事件顺序，正确的进行事赦分析对遥信的分辨率的要求也越来越高。 目前测控装置遥信分辨率已经普遍做到不大于2 m s 的水平这些都增强了运行和管理人员对变电站 事故分析的能力。可是不同装置间的时间同步问题却一直没有得到彻底解决因而影响整个变电 站自动化系统进行准确的故障分析 所有的变电站自动化系统组成部分都要有一个共同的时间参照点，这对于监视和控制应用来 说是十分重要的“”。当变电站运行过程或控制系统本身状态变化时，i e d 装置的数据采集单元将生 成相应事件，所有的事件的时间标识都要尽可能接近发生过程，也就是接近在系统的最末端的现 场“。由于测控装置采集的状态量信号大多是变电站一次设备的状态信号、保护动作信号等其 信号捕捉的先后顺序对于分析研究各保护的动作行为、故障原因，故障类型，故障发生发展进程 有着重要意义。这就要求测控装置有较高的遥信分辨率和对时精度。 g p s ( g l o b a lp o s i t i o n i n gs y s t e m ) 技术的发展使变电站智能设备的时间精确同步成为可能。 目前变电站自动化系统普遍采用g p s 接受卫星时间信号进行时间同步 i “2 0 】利用g p s 对变电站智 能设备进行校时有三种方式：串行通信接口方式、脉冲中断方式及两种方式的结合“。这几种对时 方式都有一定的缺点要么是对时精度不高，要么是接线复杂，方式不够简洁。这些情况都促使 人们寻找新的对时方法实现变电站各智能设备的精确时间同步。 现在的高压测控装置除了具有传统的“四遥”功能外，也对其提出了新的要求，如集成自动 准同期功能、电能质量数据采集功能、非电量数据采集，如压力、温度、位移、噪音等的采集功 能以及操作连锁功能等”“。 同期合闸操作是变电站经常进行的一项重大操作变电站中通常装有独立的集中同期屏。检 同期合闸功能由手动同期装置或自动准同期装置来完成，这需要铺设大量的控制、信号电缆，而 且需要运行人员到同期屏前进行操作。变电站的工作人员希望将断路器的检同期合闸功能分布到 变电站自动化系统的单元式测控装置中，这样运行人员只需要在远方发出遥控合闸命令，测控装 置即可自动根据合闸点两侧电压情况判断合闸方式，如果需要检同期合闸。测控装置可以自动捕 捉同期点。进行检同期合闸。过去由于测控装置的微机系统运算速度较低，存储容量较小，很难 同时使其既能实现测控单元的各种功能同时又进行同期合闸的判断和计算。随着变电站自动化水 平的提高，特别是电子技术的发展在变电站测控装置中实现断路器的检同期功能成为可能口o ”j t 这样大大地提高了变电站的自动化水平，同时也节省了大量的控制、信号电缆。 随着国民经济和科学技术的发展，微电子器件与电力电子技术的广泛应用，对电能质量的要求 越来越高；同时由于扰动负荷( 如非线性、冲击性或不对称负荷) 接入电力系统或其他扰动源( 系 统短路故障) 存在。造成了大量的电能质量问题。不但影响公用电网的安全运行还对各种电力 用户的用电过程造成直接与间接的危害阿l 。i e e e 给出电能质量问题的一般解释为在供电过程中导 致电气设备出现误动作或故障损坏的任何异常现象，如电压凹陷、过电压、暂态、谐波畸变和电 气噪声等口”。谐波问题一直是主要的电能质量问题脚】。及时、准确地掌握电网中谐波的状况对于 电力系统的安全、经济运行具有重要的意义口”。过去对电网谐波的监视一般采用专门的电能质量 分析装置，增加的现场的设备和电缆也不符合现在分层分布的变电站自动化系统模式，随着测 第1 章绪论 控装置功能的增强，在间隔层测控装置中实现电网谐波分析功能可以简化二次设备和电缆，利于 变电站的设计和维护。 1 4 当前国内变电站测控装置的不足及本论文研究内容 1 4 1 当前国内变电站测控装置的不足 近二十年来我国的电力工作者紧跟时代发展，研制开发了许多性能优异的电力自动化设备， 为我国的电力发展和国民生产、生活做出了卓越的贡献。我国的变电站自动化水平也得到显著提 高，变电站测控装置作为变电站间隔层智能设备，其技术水平和性能也得到显著提高。但是由于 电子技术和通信技术的飞速发展，设备运行单位对设备的性能要求也不断提高，我们有必要总结 当前测控装置性能的不足开发性能更优越的新一代产品当前变电站测控产品在如下几方面需 要改善和提高： i 采用的微处理器落后当前的芯片技术水平，性能相对落后。目前国内主流产品采用的c p u 仍是1 6 位m c u 如8 0 c 1 9 6 、8 0 2 9 6 或1 6 位的d s p 如t m s 3 2 0 f 2 0 6 ，系统的时钟频率不高运算速度较慢。 2 采用的算法一般较为简单，由于计算速度慢，难以运用精确严格的先进算法进行大量的 实时数据处理，因而测量精度相对较低，在信号中谐波含量较大时测量误差较大 3 目前国内测控装置交流采样频率不高，一般只有每周波三十二点采样，尽管a d 转换之前 设有抗混叠模拟低通滤波器，但简单的低通滤波没有好的锐截止特性，不能充分滤除信号中混有 的高频噪声，使得数据采集仍不能满足采样定理要求而发生混叠，造成装置性能变差“1 4 目前，国内绝大多数变电站测控装置还没有电网谐波测量监视功能 5 目前，国内许多变电站测控装置对时精度不高，或对时方式不够简洁，不能满足变电站自 动化系统对高精度时钟的需求影响遥信的分辨率和事故分析。 6 目前，国内许多变电站测控装置还没有同期功能。许多变电站自动化系统对同期功能的处 理还比较粗糙，许多厂家和设计单位仍然沿用电厂的同期概念”1 。 1 4 2 本论文研究内容 近年来，集成电路技术和制作工艺的突飞猛进，大大推动了数字信号处理方法和应用的研究 高速数字信号处理( d s p ) 技术的发展及其制造成本的较低，使数字信号处理技术在电力系统的各个 研究领域得到了广泛的应用。本课题的主要任务是借鉴国内外同类装置的经验。应用目前先进的 电子技术和数学算法等成果研制和开发一种高性能的变电站测控装置。以适应变电站自动化发 展的需要。 主要工作包括： ( 1 ) 回顾变电站自动化系统及其远动装置的发展概况，分析其发展方向、需求和目前国内产品 的不足： ( 2 ) 研究抗干扰能力较强的高精度电力参数监测方法； 5 东南大学确士学位论文 ( 3 ) 研究谐波测量方法； ( 4 ) 研究状态量采集和防误报方法： ( 5 ) 研究i r i g - b 码对时原理及其实现方法； ( 6 ) 研究在测控装置中实现同期合闸功能的原理和方法； ( 7 ) 设计基于3 2 位d s p 技术的变电站测控装置软硬件系统 ( 8 ) 对装置进行性能测试； ( 9 ) 对研究工作的总结和展望 6 第2 章电力参数铡量原理 第2 章电力参数测量原理 2 1 电力参数的交流采样算法 电力参数的准确、快速测量对于实现变电站自动化和电网调度自动化、保障电网安全与经济 运行具有十分重要的意义。随着电力电子技术，轨道交通等技术的发展电网中非线性设备的使 用日益增多，所产生的高次谐波大量注入电网，使得电网电压、电流波形发生畸变，这对变电站 测控装置提出了更高的要求。要求测控装置既要能在电网波形发生畸变情况下精确测量电气参数， 又能够监视电网的谐波含量 随着人们对测量精度、性能的要求愈来愈高。传统的直流采样已经逐渐不能满足系统的需要 变电站自动化设计中应优先采用交流采样技术，减轻c t 、v t 的负载，提高测量精度1 3 0 1 目前变 电站间隔层设备中普遍采用的是交流采样方法。交流采样是按照一定的规律对被测物理量进行瞬 时值采样用一定的算法计算出被测物理量的有效值。根据电力行业标准交流采样远动终端技 术条件d i j t 6 3 0 1 9 9 7 ，当输入波形畸变的幅度在2 0 以内，谐波次数在3 次1 3 次时，测量输 出的有效值的变差不能超过等级指数的2 0 0 p 1j 。因此当输入交流信号发生谐波畸变时，装置采用 的算法应能正确计算各项电力参数。在诸多交流采样方法中不同的计算方法对谐波的反映是不 同的，有的算法是以输入信号为纯正弦导出的，如果输入信号含有谐波时，会存在误差：还有的 算法将谐波信号滤除，用基波计算结果来代替含有谐波的情况误差也十分明显。 近年来随着电力电子技术的广泛应用电力系统谐波污染日益严重，已成为影响电能质量 的公害，对电力系统的安全、经济运行造成极大的影响。所以对电网中的谐波含量进行实时测量 确切掌握电网中谐波的实际状况。对于防止谐波危害，维护电网的安全运行是十分必要的。及时、 准确地掌握电网中谐波的实际状况对于电力系统的安全、经济运行具有重要的意义。因此测控装 置最好能够进行电网谐波分析，便于运行和管理人员掌握电网中的谐波状况。根据国家标准电 能质量一公用电网谐波g b ，r 1 4 5 4 9 - 9 3 谐波测量仪器测量的谐波次数一般为第二到第十九次并 且分析各次谐波含有率和总畸变率p ”。 因此有必要对常用的交流采样算法进行分析选择能在谐波情况下进行常规电力参数的均方 根测量又能进行谐波含量分析的算法。 2 1 1 全周积分法 周期为t 的电流、电压的有效值定义为“： u = 腼，= 历 g t ， 含有谐波分量的电压、电流信号是周期信号，满足式2 1 1 。设交流采样的周期是t 每周波 采样n 点，得到离散化采样序列 t h l 、 i - ) ，则有 7 东南大学硕士学位论文 u 蹄孓i = 晤n - lt * 晤n - i 有功功率按照功率定义并用采样值求和近似积分运算，得 尸= ；胁* 专篓吼 其它电力参数计算公式分别如下： 视在功率 s = u 无功功率 功率因素 q ：i 歹 c o s 口：! s ( 2 1 2 ) ( 2 1 3 ) ( 2 i 4 ) ( 2 1 5 ) ( 2 1 6 ) 全周积分法的精度与采样频率和采样的同步度有关。当采用同步采样方法采样点足够高的 情况下，可能获得很高的测量精度。而且该算法实时性强，算法简单，电压、电流和有功功率的 算法都是直接从定义导出，因此能够计及信号中谐波的影响目前有相当多的厂家生产的测控装 置仍在采用这种算法。 该算法的缺点有以下几方面：一、无法抑止测量回路中的零点漂移，必须进行零漂校正；二， 电网存在谐波时，无功功率计算不准；三、不能进行谐波分析。因此不适合在本装置中采用。 2 1 2 傅立叶( f o u r i e r ) 算法 傅立叶算法的基本思路来自傅立叶级数。根据级数理论。任何一个满足狄里赫利条件的周期 函数都可以展开成傅立叶级数形式1 。狄里赫利条件是指给定的周期函数在有限的区问内，只有 有限个第一类间断点和有限个极大值和极小值。周期的电流，电压信号通常都能满足这个条件。 信号中除基波外还含有直流分量和各次谐波，其傅立叶级数形式可表示为： x ( f ) = c o + c h c o s ( k o 叩+ ( p k ) ( 2 i 7 ) 即 善( f ) = c o + 乏：c k ( c o s 纯c o s 七q ，一s i n q 口ks i n k o v ) ( 2 1 8 ) k m l 也可以写成： x ( t ) = c o + a k c o s k o 叩+ b ks i n k q t ( 2 i 9 ) 式中q 2 周期函致的角频率，q = 了2 ；k 为谐波次数；钆为k 次谐波的幅值 比较式2 1 8 和式2 1 9 ，对k 次谐波可得下列关系： 吼= c o s 吼；6 i = 一s m 仇；= 厢；培张= 一乏口 s 第2 章电力参敲铡量原理 c o = ；讲1 吼= 手r 删c 。s 蛔础 ) 钆= 吾知) s i n k o 吼t d t j 从上面分析可知，傅立叶级数展开结果是离散的傅氏系数组合。把一个周期函数展开或分解 为具有一系列谐波的傅立叶级数称为谐波分析。 为了计算傅立叶级数，需要用到数值积分，即用x ( t ) 的采样值来计算这个积分，设一个周波等 间隔采样n 点将式2 i 1 l 积分离散化后得 吼= 专灿c 等h ，1 瓦= 吾s 抽c 等砌， 亿2 由此可以计算出信号第k 次谐波幅值、相角，有效值： 幅值= 厢 ( 2 i 1 3 ) 撇二竺a 亿钔 q l 或钆：嘴( 一兰b + 厅缸 o ) j 吼 铫铲压= 肛丽 ( 2 1 1 5 ) 利用式2 1 1 5 ，可以计算电压、电流信号k 次谐波的有效值不考虑直流分量的影响，交流 周期函数的有效值等于信号中基波和各次谐波的有效值的平方和的算术平方根，因此电压、电流 的有效值分别为： u = 摩1 = 擘 其中m 为需要计及的最高次谐波。要求m q ( 2 2 1 ) ， 得到数字信号其数字域频谱x ( e “) 如巨 2 - 2 ( c ) 实线所示。式2 2 1 保证：虽然数字域频谱可能发生 混叠，但不会影响iui ( 2 2 2 ) 把数字滤波器输出信号进行m 倍减采样，得到信号x d ( n ) ，其数字频谱为( e ”) 则) 【( e ”) 相当 于把x ( e ”) 处于数字滤波器通带内的频谱保留，并在频率轴拉伸m 倍，如图2 2 ( d ) 所示。x d ( n ) 相当 于对x ( t ) 以t = m t 。为采样周期进行采样。式2 2 2 保证：虽然数字域频谱可能发生混叠但不会影 响lui 。p l = o 瑚t 范围内的有用信号。可见，通过对滤波结果进行m 倍减采样，使过采样方法与传 统方法相比不会增加后续信号处理数据量。 众所周知锐截止数字滤波器比锐截止模拟滤波器容易实现得多，其稳定性、精度、相位特 性等也好得多。以数字滤波来代替模拟滤波，这就是过采样技术的核心价值所在。 2 2 3 过采样技术的实现 设计数据如下： ( 1 ) 确定有效采样频率。信号频率为5 0 h z ，要求谐波测量频率范围为l 1 9 次即f , - - 9 5 0 h z ， 最后经减采样后输y f f t 模块的采样频率必须大于2 f ，= 1 9 0 0 h z ，取有效采样频率f - = 3 2 0 0 h z ，即有 效采样频率为每周波采样6 4 点。 ( 2 ) 确定过采样率m 。从而确定数据采集单元的实际采样频率f = m f 。m 是数据采集单元的核 心参数与抗混叠模拟低通滤波器、锐截至数字低通滤波器的实现紧密联系。选择m 值时要充分考 虑模拟、数字滤波器的实现。m 太小，由式2 2 1 可知，模拟滤波器的阻带截止频率f c 就很低t 增加 了模拟滤波器的设计难度：m 过大，则采样频率太高，增加处理器开销，同时增加数字滤波器的设计 难度。根据经验m 一般在2 - 8 范围内为宜本文m 取4 ，即实际采样频率为f = 1 2 8 0 0 h z ，每周波采样 2 5 6 点 1 7 东南大学硕士学位论文 2 3f i r 数字抗混叠滤波器的设计 2 3 1 滤波器的选择 锐截止数字滤波器的设计是过采样技术的关键环节，对滤波器的要求如下： 1 数字滤波器输入信号的采样频率是f , = 1 2 8 0 0 h z ，必须保证通带频率f l o o o h z 时幅值衰耗小 于3 d b 越小越好；取其阻带上限频率f c 2 2 0 0 f l z ，这样根据式2 2 2 当f l o o o h z 时不发生频谱混 叠 2 阻带频率大于2 2 0 0 h z 时其衰耗要大于4 0 d b 这样即使阻带噪声均方根达到1 0 的额定值 经过滤波器后衰减为l o xl 籼0 0 1 对通带的测量误差影响小于0 1 。 3 ，系统必须稳定，计算误差小，同时为不使信号失真，要求线性相位。 有限冲激响应滤波器( f i r ) 系统总是稳定的，而且易于实现线性相位特性1 ，同时f i r 滤波器在 有限精度运算下，误差较小，这些特点使f i r 滤波器越来越受到a i f 的注意和欢迎”1 。因此本文采 用f i r 滤波器。 为了降低通带内的纹波。减少间断点的吉布斯( g i b b s ) 现象，同时减少阻带纹波，本文采用窗 函数法设计f i r 滤波嚣。通常采用的窗函数有矩形窗、三角窗( 又称b a r t l e t t 窗) 、h a n n i n g 窗 h a m i n g 窗、b l a c k m a n 窗等。这几种窗函数的频域特性指标如表2 1 所示； 表2 i ：几种常用窗函数频域特性指标 窗函数矩形窗三角窗h a r m i n g 窗h a m i n g 窗b l a c k m a n 窗 - 3 d b 带宽b 0 8 9 4 脚1 2 8 4 珊1 4 4 4 1 3 4 珊1 6 8 4 最大边瓣峰值a ( d b ) - 1 32 7- 3 2- 4 3- 5 8 其中：z l c o = 2 # n ，n 为窗长度 由频域分析可知，希望窗口函数的频谱满足两项要求：i 主瓣尽量的窄，在窗长度n 一定的条 件下通过较少的频谱：z 最大旁瓣相对主瓣尽量小以提高阻带衰减1 。h a m m i n g 窗具有主瓣较窄， 边瓣较小的特点，最大边瓣峰值为一4 3 d b 。采用h a m i n g 窗对理想矩形特性冲激响应序列进行截短 后通带幅度特性的波动较小，阻带衰耗特性好适合本文要求。 2 3 2f i r 滤波器的设计 广厂厂 一 - 2 - iuo0uci2 i“ 图2 - 3 理想低通数字滤波器 理想低通数字滤波器如 要2 - 3 所示，其频率特性为h 曲( e “) 。现假定其幅频特性l i d d ( e ”) l - l 1 8 第2 章电力参教测量原理 相频特性为0 那么该滤波器的单位抽样响应为 “班瓦i 工。h 施舯如= 去昏埘如= 了s i n ( c o , n ) ( 2 3 i ) 该系统为非因果的，物理上无法实现现将k ( n ) 截短，仅取 l 越( m 2 ) ，l l 由( o ) ，k m z ) 并将截短的序列右移m 2 位，得 啪专= 鸶吨”“，w 石0 一a h i n g 窗函数为以疗) = o 5 4 一o 4 6 c o s ( 鲁) n 吨l ，m 加窗后的滤波器的单位抽样响应为h d ( n ) 和w ( n ) 的乘积，即 h ( n ) = 厅) j b ( 行) n = 0 ，1 ，m ( 2 3 4 ) 按以上方法设计的滤波器，通带内的振荡基本消失，阻带内的纹波也大大减小，由于满足 h ( n ) = h ( w - n ) 的对称关系因此具有线性相位特性1 ii 划卜 斗二 卜 卜w 了：二琴