电力系统自动装置课程设计

1、精选优质文档-倾情为你奉上电力系统自动装置课程设计低频低压自动减载装置的设计学 号：姓 名： 2014年 11 月 30 日专心-专注-专业目录.1.2.2.3第2章 低频低压减载装置的总体方案.92.1 电压（U）、频率（f）的测量方法.92.2 启动元件.92.3 低频减载动作原理.9 2.3.1 低频减载动作逻辑.9 2.3.2 低频减载判别式.10 2.3.3 异常情况下防止装置低频误动的闭锁措施.11 2.3.4 防止低频过切负荷措施.112.4 低压减载动作原理.12 2.4.1 低压减载动作逻辑.12 2.4.2 低压自动减载的判别式.13 2.4.3 短路故障与低电压切负荷的自

2、动配合.14 2.4.4 异常情况下防止装置低压误动的闭锁措施.14.16 硬件系统总体概述.163.2 采样计算模块.173.3 逻辑处理模块.183.4 监控模块.213.5 EMC模块.22.23 软件系统整体设计.234.2 监控平台软件.234.3 控制软件.244.4 软件测频算法.4.5 自适应向量算法.5 第1章 课题设计概述1.1 课题研究的背景及意义现在电力系统已步入大电网、高电压和大机组的时代。电力系统的特征是大机组容量，超高压线路，大范围远距离输电的网络互连，供电可靠性和经济性非常显著。但是随着电力系统日趋庞大和复杂，电力系统的发展面临着机遇和挑战，对大型电力系统的安全

3、稳定运行的要求也越来越高，系统对网络依赖性也越来越大，电网规模的不断扩大，大区电网不断互联，使得电网结构的复杂程度不断增加。电力系统分布范围广，运行元件多，使得电网发生故障后波及面大。如果某个区域输电线路解列或是机组断开较多时，整个系统的供需出现了不平衡，系统处于不稳定的运行状态中，小则对用电、发电设备产生危害，大则使电网系统逐步崩溃。大电力系统相继发生的大面积停电事故已暴露出电力系统安全防御问题的严重隐患，大电网的大面积停电不仅造成巨大经济损失，同时造成严重的社会混论。例如，1990年9月20日我国广东发生停电事故，导致广东北网崩溃，广州、佛山、清远、肇庆、韶关五个城市部分或全部停电，3小时

4、后系统才基本恢复正常。在2003年8月14日，北美东部又发生了一连串的相继开断，最终导致了系统失稳，酿成了有史以来最大规模的停电灾难。100多个发电厂，包括22个核电厂，几十条高压输电线雪崩似的停运。系统失去了61.8Gw负荷，扰乱了500万人的生活，停电长达29小时，经济损失高达300亿美元。2003年8月28日，伦敦电网也由于相继事故而持续停电34min，60%的地铁停运，50万人所困。这都说明保证电力系统安全稳定运行、防止大面积停电事故是现代电力系统所面临的一项迫切而重大的任务。除了要研究保护装置的误动和拒动外，低频减载、低压减载等紧急控制装置的研究也越来越重要，低频低压自动减载装置作为

5、最后的补救措施，将有效地阻止系统频率的继续下降，从而避免系统出现“频率崩溃”、“电压崩溃”的结果。国家经济贸易委员会2001年发布的电力系统安全稳定导则（DL755-2001）将电力系统的扰动分为三类：第一类为常见的普通故障，要求系统在承受此类故障时能保持稳定运行与正常供电；第二类故障为出现概率较低的较严重的故障，要求系统在承受此类故障时能保证稳定运行，但允许损失部分负荷；第三类故障为罕见的严重复杂故障，电力系统在承受此类故障时，如不能保持系统稳定运行，则必须防止系统崩溃并尽量减少负荷损失。针对上述三种情况所采取的措施，即所谓保证安全稳定的三道防线。其中第三道防线就是要保证电力系统在严重复杂的

6、故障下，防止事故扩大，防止导致长时间的大范围停电，以免造成巨大经济损失和社会影响。这也是设置第三道防线的意义。系统的扰动往往造成发电、用电功率的不平衡。调节系统功率不平衡主要有两种措施：增加功率输入或裁切负荷”1。如果事故发生出现功率缺额时，系统旋转备用容量将积极、尽可能快的阻止系统崩溃，这一方案称为低频调速控制。低频调速控制必须在系统频率刚开始下降时动作，并且是一种独立于能量管理系统(EMs)地区性的控制。但当系统发生严重事故，旋转备用容量不足以弥补系统功率缺额时，就应该有选择地切掉一部分负荷，从而阻止频率下降，这一方案称为低频减载控制。由于现代电网经济运行的要求，系统的备用容量偏低，低频减

7、载成为严守第三道防线，维持整个电网的稳定运行，防止系统崩溃的主要手段。1.2国内外研究现状现在电力系统的特征是大机组容量，超高压线路，大范围远距离输电的网络互连，供电可靠性和经济性非常显著。但是系统对网络依赖性也越来越大，系统的频率和电压崩溃的危险始终存在。为了保证供电质量，确保电力系统安全稳定运行，防止电力系统频率和电压崩溃事故的措施之一就是采用低频低压减载装置。电力系统“三道防线”概念的提出，更增强了低频低压减载设备的地位。我国近年来随着电力技术和微机技术的发展，微机型低频低压减载设备在电力系统中得到越来越广泛的应用。其中，集中式微机低频低压减载装置的发展势头更为迅猛，市场十分看好。而目前

8、，国内外较多选用的是常规的反映频率绝对值原理的低频减载装置。防止电力系统频率崩溃事故有效的措施就是采用低频自动减载和解列装置，在系统频率下降时及时切除足够数量较次要的负荷，或在合适的点上将系统解列，以保证系统的安全稳定运行，并保证重要负荷供电。考虑低频减载方案时，应从以下几点出发：（1）在各种运行方式和功率缺额下有效地防止系统频率下降至系统安全运行的最低频率值，即频率危险点；（2）使系统尽快恢复至49.550Hz之间或低频减载装置首轮动作值和50Hz之间，无超调和悬停现象；（3）在保证恢复系统稳定性和不越过系统安全运行频率点的前提下切除的负荷尽可能少；（4）联络线传输功率不过载，结点电压不越限

9、；（5）应能保证解列后的各孤立子系统也不发生频率崩溃。针对以上要求，低频减载方案的整定成为研究重点，其中切负荷量和切负荷点以及动作时间的选择是衡量减载方案的关键。基于近50年以来减负荷的研究可将低频减载方案大致分为以下几类：传统法、半适应法、自适应法以及计算辅助算法。低频低压减载的控制方式大体有两种：（1）把减载的控制分散在每回馈电线路的的保护装置中。现在的微机保护装置几乎都是面向对象设置的，每回线路配一套保护装置，在线路保护装置中，增加一个测频环节，就可以实现减载的控制功能了。分散控制不仅能避免减载的不均衡而引起的线路过载的可能性，而且能减小因当频率继电器的误动或拒动所造成的影响。分散式的减

10、载控制逻辑比较简单，装置各自为战，没有统一协调的概念，但是可以减少投资和现场电缆的铺设，这种方式多适用于对减载要求简单的场合。（2）采用专用的低频低压减载装置。将全部馈电线路分为基本轮和特殊轮，然后根据系统频率下降的情况去切除负荷。集中式装置都考虑了多轮和加速轮，可以实现精细的控制；同时全站的减载功能集中管理，方便运行和定值的修改。对于低频低压减载的基本要求，有以下几点：（1）切负荷的动作要快，要在系统运行的危险情况出现前抑制频率电压的下降。（2）应有防止低频低压减载装置误动的措施低频低压减载装置应具有时限闭锁、低电压、低电流、双频率继电器串联闭锁和滑差闭锁功能。低频低压继电器应能调整闭锁级频

11、率电压定值。时限闭锁：该闭锁方式是由装置带0.5s延时出口的方式实现，曾主要用于由电磁式频率继电器或晶体管频率继电器构成的低频减载装置中。但当电源短时消失或重合闸过程中，由于负荷中电动机的比例比较大，则由于电动机的反馈作用，母线电源衰减较慢，而电动机转速却降低较快，此时即使装置带有0.5s延时，也可能引起低频低压减载装置的误动；同时当即本轮带有0.5s延时后，对抑制频率下降很不利。目前这种闭锁方式一般不用于基本轮，而是用于整定时间较长的特殊轮。低电压闭锁：可以防止母线附近发生短路故障时或输入信号为零时出现的误动作。该方式的缺点是电流小不易整定，某些情况下易出现装置拒动的情况，同时，当系统发生振

12、荡时，装置也容易发生误动。目前这种方式一般只限于电源进线单一、负荷变动不大的变电所。双频率继电器串联闭锁方式：该方式主要用于防止一个频率继电器发生损坏时可能出现的误动，不能用于防止失电后电压反馈以及系统振荡过程中的误动。滑差闭锁：当电力系统容量不大，系统有很大的冲击性负荷时，系统频率将瞬时下降，可能引起低频减载装置误动作，错误的断开负荷。频率滑差闭锁可以有效的防止装置误动。同时，电力系统受低频振荡和谐波干扰时，低频减载装置不应误动。 （3）自动按频率电压减负荷装置所切除的符合不应被自动重合闸再次投入，只有在系统频率电压恢复后，通过重新发送重合闸信号，使被切负荷恢复运行。用户连接减灾后自动重合闸

13、装置的顺序与低频低压减载装置的顺序相反，即应将连接于低频低压减载装置的最后轮连接于减载后自动重合闸的起始轮。（4）应与低压减载和连锁切负荷相配合当局有较大有功功率的地区电网发生严重故障或解列后，电压可能严重下降不能恢复，低频减载装置可能拒动，在此情况下还应该补充采用低压解列或低压减载装置。因此，在存在大功率缺额的情况下，低频减载（UFLS）应与低压减载（UVLS）应该相配合，在出现最大功率缺额时，应首先联锁切除相应的集中负荷，然后依靠低频减载装置切除部分符合，以促使电网频率的恢复。传统低频减载方式的缺陷与改进：（1）忽略了负荷频率的频率特性对系统的影响 在进行低频减载方案的整定时，不考虑负荷的

14、频率特性，设定负荷的频率调节效应系数恒定。其实在实际的低频减载的过程中，可以改变剩余系统负荷组成的百分比，使剩余系统的频率调节效应系数朝着有利于抑制频率快速下降和快速恢复系统频率的方向动态的变化。（2）减载速度慢采用反映频率绝对值原理的低频减载装置，为了防止在电动机负荷反馈频率下误切负荷，传统上采用动作后带延时以防止误动作，而延时措施使得电网有功功率缺额引起频率下降时，必然出现消极等待频率下降到动作值以下，再经过一段延时才能减载。而当延时到达时，电网实际频率已下降到动作值以下，下降的深度频率视频变化率的大小而定。频率不断下降的后果，可能突破电网的最后一道防线，导致下降速率愈快，频率下降愈深，会

15、严重影响抑制电网频率下降的实际效果，最后导致频率崩溃，造成大面积停电事故。针对这一缺陷，近几年新生产的一些低频减载装置在传统输入法的基础上引入了频率变化率来作为减载的判据，但是，目前也只是在第一个低频减载的整定值处通过比较检测到的当前频率变化率和整定的频率变化率定值，确定是否加速切除第1、2轮，或是第1、2、3轮的负荷。这其实是一种半适应的低频减载方案，在系统的功率缺额不是太大的情况下有效。如果系统开始的功率缺额过大，最终将使安装在低频减载装置上的所有负荷都要切除，在这种情况下，如果采用只加速切除1、2、3轮负荷方案，其结果是与传统的按频率绝对变化量来切除负荷的方案基本相同，不能显示出加速的功

16、能。同时，这种半适应法只考虑了系统在频率下降到第一个频率起跳值前出现功率缺额的情况，而如果系统在频率下降到第一个频率定值以后再出现第二次甚至多次故障导致系统功率缺额加大的情况下，这种半适应的低频减载方案显然跟传统的单纯按频率绝对变化量来切除负荷的方案没什么不同。微机低频减载装置代替常规的低频减载装置是必然的趋势。近年来，不少研究单位和厂家研究开发了不同类型的微机低频减载装置，有些采用专用的低频减载装置，有些是作为综合自动化系统的一个独立模块，但是他们存在如下几点不足：（1）闭锁条件不完善：（2）存在多切负荷的现象：（3）尚不能完全满足变电站综合自动化建设的需要。针对上述现象，我们设计了一种新型

17、的微机自动低频减载装置，该装置具有以下特点：（1）采用新的测频方法，提高了测频精度，可以防止超调和悬停现象；（2）改善了闭锁条件，在变电站的馈电线路故障或变压器跳闸造成失压时，装置不误动，电力系统低频振荡或受谐波干扰时，不误动；（3）增加了远方控制和当地整定的功能；（4）为了配合无人值班变电站，增加了重合闸功能；（5）提高了微机装置的故障自诊断能力，从而提高了装置的可靠性。目前我国常规的低频减载装置都采用数字式。虽然采用数字式，但其工作原理仍然反应频率绝对值，故除必须带延时措施外，还必须加防止误动作的闭锁措施。常用闭锁措施有：低电流、低电压和频率滑差闭锁等。闭锁措施不但不能完全防止误动，也带来

18、了拒动机率。因为闭锁措施都与外界变化因素有关，外界因素取决于系统运行状态、负荷曲线、发电机情况及系统结构等。另外从白天到晚间、冬天到夏天、时间季节都在变化，因此随着外界条件都会影响到低频减载装置正确工作的可靠性，况且低频减载装置拒动要比误动作的后果更要严重。因此闭锁措施在保电网的最后一道防线中应避免采用。除了以上外因影响低频减载装置正确工作外，低频减载装置逻辑电路的直流电源从电压互感器二次取100V电压经降压变压器降压后，一路供频率测量用，另一路供整流稳压电源用。显然整流稳压供电电压是随系统运行方式而变的，故装置逻辑电路的直流电压也随外界因素而变的，在恶劣条件下可能导致直流逻辑电源的混乱，使低

19、频减载装置出现不正确动作，起不到预计的效果。尽管也采取了并接静电电容器和自动切换变压器分接头等措施，企图稳定直流输出电压在允许范围内，但在系统出现同步或异步振荡及可能出现电压崩溃的电网中，低频减载装置工作可靠性直接受直流电压波动影响。多数情况都会出现不正确动作，其后果是很严重的，必须采用直流蓄电池供电，再经降压稳压供逻辑电路电源，才与系统运行方式无关。从数字式低频减载装置的原理来看，是由频率测量回路测出交流电压信号的每个周期值，即计算器在每个周期内计得的晶体振荡器产生的时间脉冲个数来推动出口继电器动作的，因此当频率测量回路测出的电压周期值比定值大时，该继电器即动作，故当系统扰动出现第一个周波直

20、流偏置负荷操作使波形畸变，计算器失控，出口动作后在返回时间内接连出现相位突变和电压互感器二次断续放电时均可能引起低频减载装置误动作，对常规装置本身存在的缺陷是难以克服的。上面是常规低频减载装置存在的缺陷，使其不能适应保护大电网、大机组的要求。大型汽轮发电机为保护本身的安全，都自身装有低频保护，使在电网频率下降到危险值前将该汽轮机从系列中解列，以保护机组本身的安全。但从保护电网的角度来说，是不允许的。因为在电网频率下降过程中，如果发电机组脱离电网运行，其后果会进一步导致电网频率下降的恶果。这就要求低频减载装置必须做到快速减载，先于大机组低频保护动作前，将电网中的次要负荷减下去，这对常规低频减载装

21、置是难以做到的。现代电网发展的特点，大量静电容无功设备在用户和变电所安装投运后，当电源失去，电动机负荷反馈引起频率下降时，反馈电流和电压不能瞬时下降，将低电流和低电压的闭锁作用。而对低电流闭锁方式在接线复杂的变电所中，不但无法接线，而且在有同步机强行励磁的情况下，在13s时间内，反馈电流还有增大的趋势，因此闭锁失效。对采用低电压闭锁时，和电动机负载情况有关，在电动机空载运行，且有经典电容器的情况下，反馈电压下降到50%额定电压的时间大于15s以上，此时低电压闭锁失效。而相反加闭锁措施后，当出现有功功率缺额引起频率下降时，可能因系统运行方式变化引起电压波动，会出现装置拒动作，导致频率继续下降，扩

22、大事故，这是常规低频减载装置不可克服的原理缺陷，为此现代电网必然采用反映频率下降变化率的新型低频快速减载装置来实现上述技术要求。数字式低频减载装置是一个周波计得的晶体振荡器产生的时间脉冲个数为判据，由此带来了可能产生误动作的因素，为此采用频率滑差闭锁措施。粗看起来可以克服误动作因素，但频率滑差的构成也存在原理缺陷。由于f是由闭锁频率f闭合动作级频率f之差来实现，而f时间差值按f和滑差系数k计算而得，频率滑差闭锁存在以下问题：（1）频率悬浮范围很大（即频率滑差失效的机率很多）；（2）频率滑差k值整定误差大；（3）在频率悬浮时，反映频率滑差功能失效的另一后果是：当出现计算器失控，系统出现第一个周波

23、直流偏置负荷操作使波形畸变，交流电压相位连续突变和电压互感器二次电压断续放电等都会出现误动切负荷。综合以上分析，常规低频减载装置都存在以上各种不足，采用新型快速低频减载装置或智能型低频快速减载装置，是当代电网亟待解决的问题。第2章 低频低压装置的总体方案2.1 电压（U）、频率（f）的测量方法装置对输入的两段母线三相交流电压Ua、Ub、Uc进行采样，采样周期为0.5ms，即一个工频周期采样40点。电压幅值采用滤波算法，频率值采用软件算法。频率滑差和电压滑差均采用100ms的周期（数据窗）连续进行，公式如下： ，式中U为线电压本装置中滑差是以频率和电压下降方向为正，上升方向为负。2.2 启动元件

24、启动元件目的是检测系统状态，该元件动作后才开放低频或低压减载。装置具有独立的启动元件，启动元件动作后开放出口继电器回路的正电源。但各软件出口模块的启动是各个独立的。2.3 低频减载动作原理2.3.1 低频减载动作逻辑低频减载设5个基本轮、3个特殊轮、2个加速轮，可以配置字投退。各轮的动作频率和时间单独整定；基本轮和特殊轮的出口单独整定。各轮使用同一个滑差闭锁和低电压闭锁。5个基本轮采用顺序动作的原则，即本轮动作的前提是上一轮（基本轮）动作。3个特殊轮独立动作，不受其他轮的限制。2个加速轮分别是2轮和加速2、3轮。加速2轮动作时加速第1轮和第2轮；加速2、3轮动作时加速第1轮、第2轮和第3轮。图

25、2.3.1 低频减载逻辑框图图中U为判断所使用的电压，f为判断所使用的频率，df/dt为计算的频率变化率。2.3.2 低频减载判别式五个基本轮和二个加速轮动作判别式，按顺序依次动作：1、fPICK、tTPICK_LF 低频启动2、fLF1、df/dtDLF2、tTLF1 低频切第一轮动作 或DLF2df/dtDLF3、tTDLF2 低频切第一轮，加速切第二轮 或DLF3df/dt、tTDLF23 低频切第一轮，加速切第二、三轮3、fLF2、tTLF2 低频第二轮动作4、fLF3、tTLF3 低频第三轮动作5、fLF4、tTLF4 低频第四轮动作6、fLF5、tTLF5 低频第五轮动作三个特殊轮

26、动作判别式，独立动作，互不影响：fPICK_LF、tTPICK_LF 低频启动fLFE1、tTLFE1 低频特殊第一轮动作fLFE2、tTLFE2 低频特殊第二轮动作fLFE3、tTLFE3 低频特殊第三轮动作2.3.3 异常情况下防止装置低频误动的闭锁措施为防止负荷反馈、高次谐波、电压回路接触不良等异常情况下引起装置低频误动作，特采取以下闭锁措施：a）低电压闭锁：当UK2时，不进行低频判断，闭锁出口；b）频率滑差闭锁：当df/dtDLF时，不进行低频判断，闭锁出口，频率滑差闭锁后直到频率再次恢复至启动频率值以上时才自动解除闭锁；c）频率差闭锁：当各相频率差超过0.2Hz时，不进行低频判断，闭

27、锁出口；d)频率值异常闭锁，当f45Hz或f55Hz时，认为测量频率值异常，并将频率显示值置为50Hz。对于某些地区小电网事故时频率可能超出此范围，可将频率异常范围改为f40Hz或f60Hz。2.3.4 防止低频过切负荷的措施在低频减载实际动作过程中，可能会出现前一轮动作后系统的有功功率已经不再缺额，频率开始回升，但频率回升的拐点可能在下轮动作范围之内，如图2.3.2所示，第一轮切负荷（t1时刻）后频率开始上升，但在第二轮频率定值以下的时间超过了第二轮的延时定值ts2，则第二轮动作（t3时刻），不必要的多切了负荷，导致频率上升超过了正常值（图中虚线所示），过切的现象在地区小电网容易发生在每一轮

28、动作的盘踞增加df/dt0的闭锁盘踞，可以有效防止过切现象发生，即每一轮同时满足以下三个条件时才能动作出口：fLFn; df/dt0;tTLFn式中n表示第n轮，n=15,包括基本轮/特殊轮;加速轮也判断df/dt0。对于从主网受电比例较大的地区电网,例如受电功率占地区总负荷的比例达3050%时,一方面应尽量考虑采用在联络线跳闸时联切一定数量的负荷;另一方面在每一轮动作条件中可增加df/dtDfre的判据，当Dfre设为“0”时，为正常的低频处理。如果Dfre为一个小的值时，还可以在地区电网孤立运行时，防止频率的波动引起误切负荷。该Dfre称为人为设定的频率变化不灵敏区。图2.3.2 低频过切

29、示意图2.4 低压减载动作原理2.4.1 低压减载动作逻辑低频减载设5个基本轮、3个特殊轮、2个加速轮，可以配置字投退。各轮的动作电压和时间单独整定；基本轮和特殊轮的出口单独整定。各轮使用同一个滑差闭锁和低电压闭锁。5个基本轮采用顺序动作的原则，即本轮动作的前提是上一轮（基本轮）动作。3个特殊轮独立动作，不受其他轮的限制。2个加速轮分别是2轮和加速2、3轮。加速2轮动作时加速第1轮和第2轮；加速2、3轮动作时加速第1轮、第2轮和第3轮。图2.4.1 低压减载逻辑框图图中U为判断所使用的电压，du/dt为计算出的电压变化率。2.4.2 低压自动减载的判别式五个基本轮和二个加速轮动作判别式，按顺序

30、依次动作：1、UPICK_LU、tTPICK_LU 低压启动2、ULU1、df/dtDLU1 低压切第一轮动作 或DLU2-du/dtDLU3、tTDLU2 低压切第一轮，加速切第二轮 或DLU3df/dt、tTDLU3 低压切第一轮，加速切第二、三轮3、ULU2、tTLU2 低压第二轮动作4、ULU3、tTLU3 低压第三轮动作5、ULU4、tTLU4 低压第四轮动作6、ULU5、tTLU5 低压第五轮动作三个特殊轮动作判别式，独立动作，互不影响：UPICK_LU、tTPICK_LU 低压启动ULUE1、tTLUE1 低压特殊第一轮动作ULUE2、tTLUE2 低压特殊第二轮动作ULUE3、

31、tTLUE3 低压特殊第三轮动作2.4.3 短路故障与低电压切负荷的自动配合短路故障闭锁及系统短路故障切除后立即允许低电压切负荷。当系统发生短路故障时，母线电压迅速降低，此时本装置立即闭锁，不再进行低电压判断。而当保护动作切除故障元件后，装置安装处的电压迅速回升，但如果恢复不到正常的数值，但大于K1（故障切除后电压恢复定值），则装置立即解除闭锁，允许装置快速切除相应数量的负荷，使电压恢复。本装置不需要与保护二、三段的动作时间相配合，但需要用户设定“躲故障切除时间（TVs）”，一般应大于后备保护的动作时间，若后备保护最长时间为4秒，则TVs可以设为4.55秒。超过TVs以后电压还没有回升到K1以

32、上，装置将闭锁出口，并发出异常告警信号。短路故障时母线电压的变化过程如图2.4.2所示。图2.4.2中UN为额定电压；K1表示故障切除后应回升到的电压定值，该定值应大于相邻线路三相短路时的残压值，建议该值一般为7080%。2.4.4 异常情况下防止装置低压误动的闭锁措施为了防止负荷反馈、PT断线、电压回路接触不良等异常情况下引起装置低压误动，特采取以下闭锁措施：a）低电压闭锁，当UK2时，不进行低压判断，闭锁出口；b）电压突变闭锁，当-du/dtDLU时，不进行低压判断，闭锁出口du/dt闭锁后直到电压再恢复至启动电压值以上时自动解除闭锁；c）PT断线闭锁低压减载。图2.4.2 短路故障时母线

33、电压变化过程示意图第3章 低频低压自动减载装置硬件设计3.1 硬件系统总体概述图3.1.1 硬件总体框图现代电力系统系统十分复杂，各种事故的发展变化难以事先预见。在这种情况下，如果低频减负荷的轮数不多，往往难以取得很好的效果。因此增加动作轮数和缩小各轮之间的级差成为电力系统运行部门的现实要求，这对低频减载装置提出了一个更高的要求。同时，由于使用了软件测频算法和40点采样，使得系统对计算能力的要求很高。数字信号处理器(DSP)具有全新的哈佛总线结构、专门的硬件乘法器以及广泛采用流水线操作等特点，为研发高精度、误差小的数字式低频减载装置提供了可能。本文针对电力系统频率特性，采用TI公司的TMS32

34、0C32来进行计算。装置由采样计算模块、逻辑处理模块和监控模块组成，如图51所示。其中采样计算模块和逻辑处理模块在同一块主板上，监控模块在MMI板上。采样计算模块负责交流数据采集和计算，并把数据通过双端口RAM传递给逻辑处理模块；逻辑处理模块主要负责开关量输入(简称开入)、与采样计算模块和监控模块的数据交换、少量的计算、控制的逻辑判断、开关量输出(简称开出)等功能。监控模块主要负责人机界面的处理、外部通信等功能。这种结构，利用DSP计算速度快的优点，把交流数据采集和大量的计算这项繁重的任务交给DSP完成，而逻辑处理模块的MCU则集中精力完成逻辑判断任务，也避免了单CPU系统时采样与通信的冲突。

35、将人机界面和外部通信功能由监控模块完成，逻辑处理模块MCU仅仅负责与其的数据交换，减轻了MCU的负担，同时人机界面和外部通信可以实现更为复杂和丰富的功能。这种结构下监控模块具有很高的独立性，便于采用统一的监控平台软件，具有良好的扩展性和灵活性。3.2 采样计算模块(1)采样单元采样单元由三部分组成：模拟量输入变换部分、模拟低通滤波部分、AD变换部分。模拟量交流电压信号经过PT变换为二次信号。交流通道具有二阶低通滤波和电压跟随电路，二阶低通滤波的截止频率为397Hz，能采到工频的7次谐波，并能很好地和负载隔离。AD转换器使用AD7656。AD7656是高集成度、6通道、16bit逐次逼近(SAR

36、)型ADC，它采用具有ADI专利技术的iCMOS(I业CMOS)I艺。与使用传统CMOS工艺的模拟IC不同，iCMOS器件能承受高电源电压，同时提高性能、显著降低功耗和缩小封装尺寸，所以非常适合在继电保护、电机控制等工业领域使用。交流采样频率为2kHz，相当于每周波采样40点。由于本文的算法是基于定间隔采样的，因此采样转换信号由外部的可编程器件EPLD自动产生而无需DSP干预，AD转换的结果以中断方式通知DSP。AD转换的结果由硬件将符号位扩展至32位，不需要DSP参与。(2)DSP处理单元采样计算DSP是本装置的核心，主要完成模拟量的采集和各种算法。DSP采用数字信号处理器TMS320C32

37、，该产品是一种非常通用的32位浮点处理器，工作于30MIPS60MFLoPS，占用的电路板面积小，性价比高，而且以浮点处理，算法编程也比较容易。这些特点使它很适用于高分辨率、高采集率以及高速计算的场合。它具有4个外部中断，2个25632bit片内双存储RAM，6432指令Cache，2个32位定时器，2个DMA控制器，1个同步串行口，采用MPSD接口。DSP外围配置有256k32bit SRAM、256k32bit 45ns的极高速FLASHROM、8k16bit双端口RAM。(3)双口RAM单元双口RAM的作用是将DSP计算和采样的数据送入MCU。双端口RAM(DRAM)选用CY7C025，

38、8k16bit。MCU和DSP可以各自独立地对其进行读写操作，就像操作各自的SRAM一样。CY7C025具有中断信号，左右两端的系统可以以中断的方式进行通信和数据交换。3.3 逻辑处理模块 (1)MCU单元MCU采用MOTOROLAFreescale的32位工业级芯片MC68332，具有很高的抗干扰能力及工作可靠性，内核采用CPU32且具有强大的外围子系统，如定时处理单元(TPU)、对列串行模块(QSM)、系统集成模块(SlM)等。MCU外围配置有两片256k16bitSRAM(带后备电池)、256k16bitFLASHROM，用来存放数据和贮存程序。保存定值、系数、报告使用小扇区FLASHR

39、OM，AT29C040A，它具有512k8bit，每扇区256bytes。它具有10ms的快速编程时间和l万次擦写次数。(2)开入开出单元。 开关量输入由开关量的辅助接点取得，经过光电隔离和驱动后，送入MCU。可输入20路开关量，分辨率小于lms。开入回路中的RC一阶滤波器防止开入抖动，TVS防止浪涌；R1保证开入电压低于14V时光耦不启动。图3.3.1 开关量输入原理图输出开关量信号经过锁存、光电隔离后，控制继电器。用继电器控制断路器、信号等。开出光耦采用TLPl27，其输出为达林顿型，驱动电流达200mA以上。开出逻辑由EPLD编码完成，增强了可靠性，为避免开出光耦击穿后发生继电器误动事故

40、，开出回路增加光耦击穿检测回路。图3.3.2 开出原理图(3)通信单元逻辑处理模块与监控模块的数据交换是通过串行通信完成的。通信单元由高速链路控制器(HDLC)和编码器组成。高速链路控制器(HDLC)采用PT7A8952J，其FIFO长达128bytes；MANCHESTER编码由EPM7128STCl0015完成。发送数据时，PT7A8952J将数据打包并传送给EPM7128，EPM7128进行MANCHESTER编码后再往外发送；接收数据时顺序相反。(4)复位单元复位单元不仅复位采样计算功能模块和逻辑处理模块，而且在复位期间闭锁所有开出。MCU内部产生复位信号RST，复位源包括软件看门狗复

41、位、双总线故障复位、时钟丢失复位和RESET指令等，其中软件看门狗可由系统保护控制寄存器设定，它能监视MCU的主程序死、中断服务程序死；另外，MCU通过DRAM监视DSP是否死机，如果死机则由MCU复位DSP。复位单元主要芯片是MAX791 ESA，它具有电源监视、硬件看门狗定时和备用电源切换等功能，其中电源监视可以同时复位采样计算模块和逻辑处理模块。MAX791ESA的门槛电压为465V，如果VCC电压低于465V，MAX791的复位信号RST有效，复位整个主板：上电时如果VCC达到465V，则复位信号RST继续保持200ms的低电平，在这200ms之内，使VCC能上升到比较稳定的电压水平。

42、MAX791ESA集成了硬件看门狗，其定时周期设置为10ms，以满足程序乱或CPU死机时闭锁开出。备用电池采用36V可充电锂离子电池，给SRAM提供备用电源。正常工作时，MAX791ESA把电源接在VCC上；掉电时MAX791ESA把电源切换到备用电池。3.4 监控模块图3.4 监控模块原理框图监控模块位于面板(MMI板)上，作用是提供人机接口并与外部进行通信。（1）CPU单元CPU采用MOTOROLAFreescale的工业级芯片MC68EN360，具有很高的抗干扰能力及工作可靠性，内核采用CPU32且具有强大的外围子接口能力等，具有4个串行通信控制器SCC，2个串行管理控制器SMC，1个串

43、行外围接口SPI。CPU外围配置有带后备电池的256k16bitSRAM、2M8bit程序FLASHROM、lM8bit参数FLASHROM、4M8bitDRAM。(2)时钟单元装置时钟由实时时钟芯片RS5C348提供。RS5C348电源由电池提供，装置掉电后时钟不会丢失。实时时钟芯片RS5C348与AT89C4051单片机进行通讯，AT89C4051接收GPS的IRIGB格式对时信号并与CPU通讯进行对时。(3)人机接口单元提供320240图形蓝底白字液晶显示器和薄膜键盘，并在面板上提供一个RS232维护口。(4)通信单元通过可编程逻辑EPM7128完成外部的串行通讯。3.5 ENC措施(1

44、)电磁兼容(EMC)的概念电磁兼容性：指电子设备在各种电磁环境中仍能够协调、有效地进行工作的能力。电磁兼容性设计的目的：使电子设备既能抑制各种外来的干扰，使电子设备在特定的电磁环境中能够正常工作，同时又能减少电子设备本身对其它电子设备的电磁干扰。电磁兼容的三要素：对系统本身不产生干扰；对其它系统不产生干扰；对其它系统的发射不敏感。(2)结构上的措施装置采用全封闭、防磁、防静电的机箱；机箱的各连接部分充分考虑电气连接的可靠性；保证机箱的各点和地处于同一电位；机箱的选材采用1mm厚、镀锌钢板；定制端子，保证端子与机箱无细长缝隙；面板采用屏蔽簧片，使面板与壳体可靠地连为一体；插件板强弱电前分开。(3

45、)元器件的选型全部选用工业级芯片，主要芯片选用表面贴装、小型封装。(4)布局各插件板的分板按功能、信号的强弱分开；各插件板的排列顺序合理地考虑到信号传输距离短且板间干扰小；干扰大的电源板和容易受干扰的交流板加屏蔽壳且相互远离。(5)印制板的设计印制板六层，VCC与GND各占用一层，信号线尽可能走中间层；各功能分块布局，强弱分开；对不同电压等级进行地层分割，模拟地与数字地分割且一点接地；合理的放置退耦电容；端子定义也按照功能、强弱分开的原则；设计时充分考虑自动化生产和调试的工艺要求。第4章 低频低压自动减载装置软件设计4.1 软件系统整体设计根据功能的不同，装置软件分为两大部分：监控软件、控制软

46、件。监控软件完成通信、GUI、数据储存和传送等功能；控制软件完成采样计算、控制逻辑等功能。监控软件运行在MMI板上，控制软件运行在CPU板上。监控软件和控制软件运行在不同的板件上，它们之间数据交换通过FDKBUS进行。FDKBUS是一种485通信方式，十多年来在东方电子的RTU及保护产品广泛使用。考虑到监控软件所完成的功能具有相当大的通用性，因此将监控软件作为一个通用平台进行设计，这样可以大大缩短软件设计的周期。4.2 监控平台软件图4.2 监控软件平台体系结构图监控平台软件是一个基于OXF框架构建的微机保护嵌入式实时多任务软件平台。OXF即ObjectExective Framework，中

47、文含义是对象执行框架，是Ilogix公司提供的Rhapsody应用软件开发环境中内置的一个实时系统软件框架，它专为实时嵌入式系统而设计，主要用来管理线程和状态机的运行，由一系列UML类组成，这些类相互协作，组成了一个结构严整、跨实时操作系统平台的实时嵌入式软件架构。在OXF实时框架中包含了一套非常实用的针对实时应用的抽象，便于开发人员继承框架元素类以实现特定的应用。如图所示，处于软件平台最底层的是具体的操作系统，例如psos、VxWorks等，它直接管理系统资源。为了便于将整个软件平台移植到不同的操作系统上去，在具体的操作系统层之上定义了一个操作系统封装层，将嵌入式操作系统的一些基本概念都抽象

48、出来，如任务、消息队列等。OXF框架就是建立在操作系统封装层之上的，其中，无论活动类、响应类还是事件类，都封装了操作系统封装层的内容，实际上又可以称之为平台封装层。在OXF框架之上，是提供给应用层的API接口层，这一层使用文件管理系统、数据库系统和OXF框架，甚至直接访问操作系统封装层的内容。应用模块例如打印、GUI、通讯规约等都属于应用层的内容，通过直接调用API接口函数来实现相关的功能。内存管理系统比较简单，但贯穿于具体操作系统以上的整个软件平台，无论是操作系统封装层，还是文件管理系统、数据库、OXF和API接口，甚至应用层都可以直接进行内存的分配。以上构成了一个完整的监控软件平台。对于具体的装置编程人员，应用层是开放的，与平台的接口是通过API接口进行的，编程人员可以在API接口的基础上编写自己的应用程序。API函数提供了监控平台的功能接口，除了初始化过程调用的部分函数外，所有功能函数都是可重入的。API提供了访问所