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一种10kV微机线路继电保护装置的开发设计


分类号 TM774 UDC 621.3

密级 公开

硕士学位论文 一种 10kV 微机线路继电保护装置 的开发设计

王立元 学科专业 指导教师 检测技术与自动化装置 海涛 高级工程师

论文答辩日期 答辩委员会主席 论文评阅人

2009-6-4 吴杰康 教授

r />学位授予日期

2009-6-26

黄瑜珑 教授

骆武宁 副教授

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摘要

一种10kV微机线路继电保护装置的开发设计 摘要
输电线路是电力系统中的组成部分,负责电力输送及联网的重要任务。 电力系统对供电质量提出了更高的要求,而快速准确地切除线路故障是保 证电网安全的关键。本文采用微机控制方法设计了 1 套线路保护装置,对 10kV 线路故障和非正常运行状态进行判断和保护。 线路保护装置采用 ATmega128 芯片作为控制核心,硬件电路主要包括 芯片外围电路,模拟信号处理和采样电路,开关量输入输出电路,电源电 路和 RS-485 通信电路等。考虑到户外复杂的电磁环境,在硬件电路中还进 行了抗干扰设计,本文详细阐述各部分电路的组成和功能。在软件设计方 面,研究了输电线路发生的各种主要故障,采用 MATLAB 仿真对故障进行了 模拟,推导出这些故障的实用判据,对傅立叶等继电保护算法的性能和误 差做了分析和比较,提出了相应的改进方法。程序用 C 语言编程方法,按 照不同的功能采用模块化设计。 在通信设计方面,本文阐述了保护装置所采用的 RS-485 通信电路和 Modbus 通信规约,对消息帧格式,帧间隔时间等关键参数进行了具体的分 析和计算,开发出了主从机通信程序。 关键词:线路保护;线路故障;交流采集;改进算法;通信规约;

IV

ABSTRACT

THE DEVELOPMENT OF ONE 10kV LINES MICRO PROCESSOR RELAY PROTECTION INSTRUMENT

ABSTRACT
Power transmission lines is the fundamental part of power system, undertakes the important task of power transmission and network. More requests have been raised in the dealing-with the quality of power supply. The paper designs a lines relay protection instrument based on micro processor and aims to detect various lines failure and abnormal operation state and supply protection accordingly. The lines relay protection instrument adopts ATmega128 as micro processor.The hardware circuit mainly consists of the chip peripheral circuit, analog signals processing and sampling circuit, switch value input-output circuit, source circuit and RS-485 communicative physical interface circuit and soon. Considering outdoor complex electromagnetic condition, the hardware circuit evaluates anti-interference design. The paper expounds composition and function of circuit in detail. On the part of soft ware design, the paper research various faults happened in transmission lines, adopts MATLAB to simulate inadequate influence that faults cause to, deduces to practical criterion aimed to these faults. The paper also analyzes and compares the effectiveness and errors of relay protection algorithm such as Fourier algorithm, infers to improved algorithm accordingly. The soft ware program adopts C language programming method and modular design according to different functions, which facilitates modulation and evaluation. On the part of communicative design, the paper introduce RS-485 communicative interface circuit and Modbus protocol, the fundamental parameters such as frame format, frame interval time are analyzed and calculated concretely, thecommunicative program of masters and slaves are developed. KEY WORDS: lines protection; failure; alternative signals sampling; improved algorithm; communication Protocol;

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目 录





摘要 .......................................................................................................................................... IV ABSTRACT ................................................................................................................................... V 第一章 绪论 .............................................................................................................................. 1 1.1 论文选题的背景及意义 ................................................................................................ 1 1.2 继电保护的国内研究现状 ............................................................................................ 1 1.3 线路保护的国内外研究现状 ........................................................................................ 1 1.4 现代继电保护装置的发展趋势 .................................................................................... 2 1.5 本论文的主要内容和章节 ............................................................................................ 3 第二章 线路故障与保护算法 ................................................................................................ 4 2.1 线路故障分类及其原因 ................................................................................................ 4 2.1.1 线路常见故障分类 ................................................................................................ 4 2.1.2 线路短路故障原因分析 ........................................................................................ 4 2.1.3 线路接地故障原因分析 ........................................................................................ 4 2.2 线路异常工作状态与仿真 ............................................................................................ 5 2.2.1 线路运行于过负荷工作状态与仿真 .................................................................... 5 2.2.2 线路运行于低电压工作状态与仿真 .................................................................... 7 2.2.3 线路运行于低频减载工作状态 ............................................................................ 9 2.2.4 控制回路异常 ........................................................................................................ 9 2.2.5 断路器弹簧未储能 ................................................................................................ 9 2.2.6 电压互感器 TV 断线............................................................................................. 9 2.3 继电保护的原理与算法 ................................................................................................ 9 2.3.1 两段式电流保护的原理与算法 ............................................................................ 9 2.3.2 过负荷保护的原理与算法 .................................................................................. 11 2.3.3 后加速保护的原理与算法 ................................................................................... 12 2.3.4 低电压保护的原理与算法仿真 ........................................................................... 13 2.3.5 零序电流保护的原理与算法 .............................................................................. 15 2.3.6 低频减载保护的原理与算法 ............................................................................... 17 2.3.7 控制回路异常告警 .............................................................................................. 18 2.3.8 TV 断线告警........................................................................................................ 18 本章小结 .............................................................................................................................. 18
VI

目 录

第三章 线路微机继电保护装置的硬件设计 ........................................................................ 19 3.1 保护装置硬件设计 ...................................................................................................... 19 3.2 三相交流信号采样电路 .............................................................................................. 20 3.2.1 低通滤波器 TCL04 滤波性能分析 .................................................................... 20 3.2.2 A/D 转换电路 ....................................................................................................... 21 3.3 角度测量电路 .............................................................................................................. 22 3.4 SD2200 时钟电路、 ..................................................................................................... 24 3.5 8 路开关量输入电路 .................................................................................................... 24 3.6 按键电路 ...................................................................................................................... 25 3.7 6 路开关量输出电路 ................................................................................................... 26 3.8 液晶显示电路 .............................................................................................................. 26 3.9 芯片管脚资源分布 ...................................................................................................... 27 本章小结 .............................................................................................................................. 27 第四章 线路保护装置的算法分析与软件设计 .................................................................... 29 4.1 FIR 数字滤波器的设计与仿真 ................................................................................... 29 4.1.1 数字滤波器 .......................................................................................................... 29 4.1.2 FIR 数字滤波器的建模仿真 ............................................................................... 30 4.2 保护装置采样算法的改进与仿真 .............................................................................. 31 4.2.1 导数式算法与误差分析 ...................................................................................... 31 4.2.2 实际采用的全波傅立叶算法与仿真 .................................................................. 33 4.2.3 FFT 算法与仿真 ................................................................................................... 36 4.2.4 最小二乘法算法 .................................................................................................. 38 4.3 主程序设计 .................................................................................................................. 39 4.4 故障处理与 A/D 交流采样程序设计 ......................................................................... 41 4.5 功率因数计算与 SD2200 计时的程序设计 ............................................................... 42 4.6 液晶显示软件设计 ...................................................................................................... 44 4.7 主菜单的软件设计 ...................................................................................................... 45 4.8 实验结果分析 .............................................................................................................. 46 4.8.1 波形测试与分析 .................................................................................................. 46 4.8.2 12 点交流电压采样与全波傅立叶测算实验 ..................................................... 48 4.8.3 15 点交流电压采样与全波傅立叶测算实验 ...................................................... 50 4.8.4 18 点交流电压采样与全波傅立叶测算实验 ..................................................... 53 4.8.5 3 次、5 次谐波和直流分量的测算实验 ............................................................ 55 4.8.6 定值整定和时钟实验 .......................................................................................... 56
VII

目 录

4.9 本章小结 ...................................................................................................................... 58 第五章 线路保护装置的通讯模块设计 ................................................................................ 59 5.1 RS-485 通信接口电路 .................................................................................................. 59 5.2 通信规约 ...................................................................................................................... 59 5.3 RTU 通信传输模式 ...................................................................................................... 60 5.4 通信程序设计 .............................................................................................................. 61 5.4.1 Modbus 主机通讯程序设计 ................................................................................ 61 5.4.2 Modbus 从机通讯程序设计 ................................................................................ 61 本章小结 .............................................................................................................................. 62 第六章 总结与改进 ................................................................................................................ 63 参考文献 .................................................................................................................................. 64 附 致 录 ...................................................................................................................................... 67 谢 ...................................................................................................................................... 69

攻读学位期间发表的学术论文 .............................................................................................. 70

VIII

第一章 绪论

第一章 绪论
1.1 论文选题的背景及意义
现代电力系统是一个巨大的统一的整体,系统中的装置以及用电设备都是由线路连 接且都是开放设备。继电保护的基本任务是:当电力系统发生故障或异常工况时, 在可能实现的最短时间和最小区域内,自动将故障设备从系统中切除,或发出信 号由值班人员消除异常工况根源,以减轻或避免设备的损坏和对相邻地区供电的 影响 [1][2] 。近年来随着微型计算机和微处理机的飞速发展,继电保护装置的计算速 度不断加快,可靠性也大为提高。微机继电保护的对象一般包括电动机、变压器 和线路。 线路是电力系统重要的组成部分, 但是由于线路容易受到周围环境以及自然灾害的 影响下,其发生故障的可能性很大。2008 年冬季的冻灾当中,由于输电线路受损导致受 灾省份供电一度中断, 很多企业蒙受了经济损失尤其是对电力依赖较大的企业如电解铝 厂,减产明显。这次灾害体现了线路保护重要性。 本文针对输电线路设计开发出一套 10kV 线路微机继电保护装置,该继电保护装置 采用高性价比的 ATmega128 作为中央处理器,能够提供 2 段式电流保护,过负荷保护, 后加速保护等 11 项线路保护功能,能对 10 套保护定值进行独立的整定,通信采用 RS-485/MODBUS 通信方式,具有很好的兼容性和抗干扰能力。

1.2 继电保护的国内研究现状
我国继电保护技术进入微机保护时代以来, 微机保护在电力系统的各个方面及各种 电压等级上均有较大的发展, 如线路保护、 发电机保护、 变压器保护、 励磁调节系统[3][4]。 1988年我国开始研究基于DSP的保护、控制、测量—体化微机装置
[8]

。采用32位微

机芯片除了考虑精度之外,关键是32位微机芯片具有很高的集成度、工作频率和计算速 度,同时芯片内部的寻址空间较大,外部的端口资源丰富,具有存储器管理功能、保护 功能等,能够满足继电保护算法对芯片数据处理速度和精度的要求[5][6]。

1.3 线路保护的国内外研究现状
我国线路保护主保护在1994年推出LFP-901、 WXH-15高频方向原理技术, 线路保护 主保护采用高频方向、高频距离原理。由于光纤通道抗干扰能力强, 解决了高频相差、高频距离很难解决的系统振荡、选相等问题,2000年以后,光纤电流
1

第一章 绪论

差动保护成为我国线路主保护。随着光互感器(光TA、光TV)的研究和推广使用,保护 装置应能够适用于光互感器, 国内目前开展了适用于光互感器的继电保护装置的研究[7]。 自20世纪90年代中后期开始,国外著名继电保护制造商如GE、ABB等公司的产品 就已经向保护测控装置网络化的方向发展, 开始将网络设计思想引入装置内部硬件设计 中[8]。ABB公司生产的数字式保护就是基于通用标准化硬件设计的理念,采用了B448C 总线作为保护内部各模块之间通信的方式。并且ABB公司于1998年推出的RE系列数字 式保护装置就是具有代表性的网络化新一代继电保护装置。

1.4 现代继电保护装置的发展趋势
现代继电保护装置的发展趋势是向微机化、网络化、智能化和功能一体化[9]。 1. 微机控制化 电力系统对微机保护的要求不断提高,除了实现继电保护的基本功能外,还需要保 护装置具有存放故障报告和各种电参量的存储空间、高速和准确的数据处理功能、可靠 的通信能力以及与其它继电保护装置联网共享数据、信息的能力,能够运行C/C++等高 级语言的程序代码[10][11]。 2. 保护装置网络化 继电保护的作用是保护电力系统的安全稳定,能够及时判断电网出现的故障,启动 相应的保护动作,这就要求每个保护单元都能共享运故障报告的数据,各个保护单元在 分析这些数据的基础上动作,避免出现误动作或是拒动作。这就要求继电保护装置实现 网络化。继电保护装置能够通过网络得到的故障信息越多,根据软件算法的分析,就能 越准确地判断所发生故障的性质、位置和距离12]并启动保护动作。 3. 算法智能化 人工智能技术如神经网络、遗传算法等在电力系统各个领域都得到了应用。神经网 络是一种非线性映射的方法,很多传统方法难以求解的复杂的非线性问题,应用神经网 络方法就能方便的解决[13][14]。 其它智能化算法例如遗传算法、 动态规划等方法也都各有 特点,将这些算法相结合,可使求解的速度和准确度大幅提高[15] [16]。 4. 功能一体化 继电保护技术在实现了微机化、网络化和算法智能化后,继电保护装置实际上就成 为一台高性能、多功能的计算机,可以从网上获取电力系统运行和故障的任何信息和数 据,通过智能化的算法对这些数据进行快速准确的分析并作出判断,生成故障报告,发 出相应的保护动作指令, 同时将存储的被保护器件的运行和故障数据通过网络传送到控 制中心或其它终端。

2

第一章 绪论

1.5 本论文的主要内容和章节
本文主要是设计开发一种10kV微机线路保护装置, 着重分析了该保护装置的硬件电 路,软件程序以及通信方式。本保护装置采用ATmega128芯片作为CPU,采用MAX125 芯片负责交流采集,显示部分采用带字库的液晶显示模块,通信物理接口是RS-485,采 用ModBus通信规约,组网方便,可直接与微机监控或保护管理机联网通信。软件部分 可准确计算各项电量参数,实现10套定值的独立整定,包含11种线路保护算法,并可将 故障报告上传。 本论文的主要章节如下: 第一章:绪论。主要介绍论文的背景和意义,国内外继电保护的研究现状以及微机 继电保护的今后发展方向。 第二章:线路故障与微机保护原理分析。主要介绍线路保护的常见故障并结合 Simulink对短路故障,低电压等故障进行了仿真,同时对相应的微机继电保护原理和故 障判据进行了详细分析。 第三章: 10kV微机线路保护的硬件电路设计。 主要分析了线路保护装置的交流采样 电路、选相电路、开关量输入输出电路、通信电路等主要的硬件电路。 第四章: 10kV微机线路保护的软件算法设计。 主要分析了线路保护的常用算法以及 各算法的使用范围,误差以及改进方法等,并对保护装置的主要程序如交流采样程序, 显示程序,主菜单程序以流程图的形势表示出来。 第五章: 10kV微机线路保护装置的通信设计。 主要介绍了本保护装置采用的RS-485 通信接口,同时分析了Modus通信规约。 第六章: 总结与改进。 对10kV微机线路保护装置的设计开发工作进行了总结并提出 了改进意见。

3

第二章 线路保护的原理分析

第二章

线路故障与保护算法

10 kV 电网线路是重要的公用基础设施。如何正确有效地判断、查找、处理配电线 路故障,及时恢复供电非常重要。

2.1 线路故障分类及其原因
2.1.1 线路常见故障分类
一般来说,10kV线路常见故障包括: 1. 短路故障:短路故障分为2类:第1类是线路瞬时性短路故障(断路器 重合闸成功); 第2类是线路永久性短路故障(断路器重合闸不成功)。短路故障中常 见故障包括线路金属性短路故障;跌落式熔断器、隔离开关弧光短路故障等。 2. 接地故障:接地故障分为线路瞬时接地故障和线路永久性接地故障[17]。

2.1.2 线路短路故障原因分析
造成线路短路故障原因包括: 1. 线路金属性短路故障:外力破坏造成故障,电缆上设备例如变压器、开关等被外 力刮碰短路。 2. 线路缺陷造成故障:弧垂过大引起碰线或短路引起碰线。 3. 线路引跳线断线弧光短路故障:线路老化引起断线等。 4. 跌落式熔断器、 隔离开关弧光短路故障: 跌落式熔断器熔断引起熔管爆炸或拉弧 引起相间弧光短路
[18]



2.1.3 线路接地故障原因分析
造成线路接地故障原因包括: 1. 线路瞬时性接地故障: 外抛物或树木碰触导线引起单相接地; 线路绝缘子湿度高 的天气出现对地闪络。 2. 线路永久性接地故障:线路隔离开关、跌落式熔断器因绝缘老化击穿引起;线 路绝缘子老化或存在缺陷击穿引起。

4

第二章 线路保护的原理分析

2.2 线路异常工作状态与仿真
2.2.1 线路运行于过负荷工作状态与仿真
非正弦电压、不对称电压、高频谐波等因素会使电能质量受到严重影响,同时也是 线路过负荷的原因。造成线路过负荷的原因具体包括: 1. 三相负载不平衡。三相负载采用Y接法时,如果三相负载出现不平衡,各相的负 荷电流不相等,就在相间产生了不平衡电流,使某一相的线路工作在过负荷状态并增加 线损。如果三相负荷平衡,则向量差为零。 若三相负载不平衡,假设某相电流为 2 I ,另两相分别为 0.5 I ,中性线电流为:

IN ? 2 I ? 0 . 5 I ? ( 0 .? 5

( 3 j/ 2 ?) )I ? 0 . 5 ?( 0 . 5 j ( ? 3 /I 2 ) (2-1) ) 1.5
27 ) I R2 4
(2-2)

?P ? [(2I )2 ? (0.5I ) 2? (0.5I ) 2 ? (1.5I ) ]2 ?R ?(
由(2-2)可知三相负载不平衡造成线损增大。

2. 线路电压过高引起线路过负载。 三相电压不平衡会使某一相的线路电压过高, 造 成线路过负荷运行。 三相电压的不平衡度通常以负序电压分量与正序电压分量的百分比
A2 %表示[19]。任何一组不对称的三相电压都可以分解为三组对称相量即: A1
1 1 1 A0 ? ( A? B ? C ), A1 ? ( A? ? B ? ? 2 C ), A2 ? ( A? ? 2 B ? ? C ) 3 3 3

(2-3)

式(2-5)中, A0 表示零序电压; A1 表示正序电压; A2 表示负序电压。 三相电压不平衡度的准确算式:
1 ? 3? 6 ? A2 %? % A1 1 ? 3 ? 6?
K , L, M 表示三相线电压。

??

K 4 ? L 4? M 4 2 ( K 2 ? L 2? M )

2

(2-4)

3. 电网高次谐波造成过负荷。 电网线路中大量的非线性设备或是电路中的非完全正 弦电势的存在都会产生高次谐波使得总电压有效值比基波电压值大得多, 从而导致线路 的过负荷运行。离散傅立叶仿真如图2-1所示:

5

第二章 线路保护的原理分析

Mag In Phase

10 Mag1 7.672e-015

fundamentalwave

Discrete Fourier1
Mag

Ph1 0.1 Mag2 30 Ph2 0.5 Mag3 120 Ph3 1 Mag4 60

Fundamental wave 10V50Hz

In Phase

Discrete Fourier3 Harmonic wave 3 0.1V150Hz
In Phase Mag

Harmonic wave4 1V200Hz

mixed wave

Discrete Fourier11

Mag

Harmonic wave5 3V500Hz2

In Phase

Discrete Fourier4 Harmonic wave11 0.5V1100Hz
In Phase Mag

Ph4 5 Mag5

Harmonic wave1 5V 0Hz

Add

Discrete Fourier0
Mag In Phase

Terminator 3 Mag6 135 Ph6

Discrete Fourier5

图2-1 离散Fourier分析高次谐波信号 Fig2-1 Discrete Fourier analysis of high order harmonic wave

图2-1中用离散Fourier模块分析了包含3次,4次,5次,11次谐波和直流信号在内的 电压信号,其信号成分如表1所示:
表2-1 基波和各次谐波参数表 Tab.2-1 The parameters of fundamental and various harmonic wavs 信号 幅值(V) 频率(Hz) 50 150 200 250 550 0 初相位( ) 0 30 60 135 120 0

基波 10 3次谐波 0.1 4次谐波 1 5次谐波 3 11次谐波 0.5 直流分量 5

图2-1中使用Simulink建立模型,对输入信号进行离散傅立叶滤波分析,通过Display 模块显示出基波和各次次谐波的电压峰值和初相位角,由结果可知,当电网电压包含了 上述的各次谐波电压后,其电压峰值值从10V增加到15V左右,如图2-2,2-3所示:
6

第二章 线路保护的原理分析

图2-2 正常基波电压信号波形 Fig2-2 Wave of normal fundamental voltage

图2-3 包含各次谐波的电压信号波形 Fig2-3 Wave of voltage including sevious harmonics

2.2.2 线路运行于低电压工作状态与仿真
低电压运行是指电网电压低于额定电压,当电压下降到额定电压的60%~70%时, 无功静态稳定破坏,将发生电压崩溃,造成大面积停电事故[22]。 造成低电压运行的原因包括三相电压不平衡,无功功率欠补,负载变化,三相电压 发生单相短路或相间短路故障等,其中无功功率欠补是造成低电压运行的主要原因。在 电网中,要维持电压的稳定性,电力系统中的无功功率需保持平衡,当负载消耗的无功 功率超过系统可提供的无功功率时,系统电压降低,系统将工作于低电压状态。系统中 无功功率的平衡关系式如下:

Qz ? Ql ? Qc ? Qs

(2-5)

式中 Qz :无功功率之和;Ql :无功负荷之和;Qc :无功损耗之和;Qs :备用无功功率,

Qr ? 0 ,表示系统中无功功率缺额。
在正常情况下(系统电压为额定电压),如图2-4所示,系统无功功率Q同电压 U n 的关 系为曲线1,负荷的无功电压特性为曲线2,两者的交点a确定了负荷节点的电压 U n 。
Q(var)

, 2 , 1
C
,

2

1

a

a 0
, Un Un U(V)

图2-4 无功功率与系统电压关系曲线 Fig.2-4 Waveform of reactive power and system voltage

当负荷增加时,如曲线2/所示,如果系统的无功功率没有相应增加,无功特性仍然
' 是曲线l,曲线l和曲线2/的交点a/表示新的无功功率平衡点, U n 是新的负荷点电压,可

' 知 Un ? Un ,这说明负荷增加后,系统的无功功率已不能满足在电压 U n 的无功平衡,所

以降低电压运行[24][25]。

7

第二章 线路保护的原理分析

使用Simulink建立发电机发生A相短路故障时低电压运行模型,设置发电机转矩参 数 Tm ? ?11,三相交流电源为220V,50Hz, 使用Fourier算法计算出三相线电压为380V, 发电机本身带有10kW的负载,仿真时间为1.5s,在电路中设置1s的短路故障,模型如图 2-5所示:
<Rotor current ir_a (pu)>

-11 Constant
Tm A B C m a b c

<Stator current is_a (pu)> <Rotor speed (wm)> <Electromagnetic torque Te (pu)> <Stator v oltage v s_q (pu)> <Rotor v oltage Vr_q (pu)>

Scope

Scope1

Scope2

100km Parameters Line
magnitude + v signal angle

381.3 Display -30.04
A

Asynchronous Machine pu Units

AB

a b c

A B C

Fourier
+ v -

Display5 381.2

B C

magnitude signal angle

BC

Display2 90.06 Display4 380.6

Three-Phase Breaker Three-Phase Fault

+ v -

Fourier1
magnitude signal angle

C

A

B

CA

10kw

Display1 -150

A

B

C

Fourier2 Display3

图2-5 发电机短路故障仿真电路 Fig2-5 Short circuit fault simulation mode of generator

当设置1s的A相短路,此时电网电压急速下降,发电机定子与转子的电压和电流下 降,转子转速下降,1s后系统恢复正常,发电机的各项电参数恢复正常,定子、转子的 电压电流如图2-6所示:

图2-6 三相电源线路发生1s短路故障时定子与转子的电流和电压波形 Fig 2-6 Wave of stator and rotor current and voltage when 3-phase sources circuit occur one second short circuit fault

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第二章 线路保护的原理分析

2.2.3 线路运行于低频减载工作状态
在事故情况下,系统内有功功率供需不平衡,引起系统频率下降,自动减载装置作 为补救措施动作,切除部分不重要的负载,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[21]。

2.2.4 控制回路异常
在调试过程中发现,控制回路异常的问题包括开关弹跳,指示灯状态全无等。这些 异常情况主要由以下2个原因造成: 1. 控制回路中电子元件的质量问题。 控制回路中包括跳闸位置继电器、 合闸位置继 电器以及压力闭锁继电器等元件。这些电磁继电器线圈上都并联灭磁二极管。当灭磁二 极管被软击穿后,相当于合闸信号或是跳闸信号一直加在回路中,导致发生误动作。 2.设计回路问题。逻辑回路设计不合理会影响到系统的可靠性和安全性,例如寄生 回路导致TWJ或HWJ误动作[28][29]。

2.2.5 断路器弹簧未储能
弹簧在任意伸长为 x 时的弹性势能为:
EP ? 1 2 kx 2

(2-6)

在断路器合闸之前,首先通过储能电机将电能转化为动能,再将动能以弹性势能的 形式储存在弹簧中,当合闸命令到达时,通过一系列的动作释放弹簧里的能量使断路器 合闸。可见当弹簧未储能时,断路器无法及时合闸。

2.2.6 电压互感器 TV 断线
当配电网的母线电压超过3 kV时,必须使用电压互感器(TV)和电流互感器(TA)实现 对电能参数的检测 。TV的断线和TA的短路不会影响电网的正常运行,但会使电参量计 算出现误差。

2.3 继电保护的原理与算法
2.3.1 两段式电流保护的原理与算法
2.3.1.1 两段式电流保护的原理 两段式电流保护是对两段的电流变化做出反应。第1段为主保护段,第2段为后备保 护段。 在本装置中,电流的Ⅰ段和Ⅱ段保护均采用了定时限过电流保护。 瞬时电流速断保护
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第二章 线路保护的原理分析

最大的优点是动作迅速,但只能保护线路的首端。而定时限过电流保护虽能保护线路的 全长,但动作时限太长。因此,它的保护范围必然会延伸到下一段线路的始端。为了满足 选择性的要求, 本段的动作时限应该比下一段线路的瞬时电流速断保护大1个时限级差, 其动作电流也要比下一段线路瞬时电流速断保护的动作电流大一些。如图2-7所示:
AC I 1DL A B1 I段(t=0s) II段(t=△ts) B I段(t=0s) I 2DL d C 3DL

图2-7 2段式电流保护范围及时限示意图 Fig 2-7 llustraion of two-section current protection range and time limit

当d点发生故障时,由装于B母线处的电流速断保护2首先动作跳开2DL,而装于保 护1 1DL由于有延时 ?t ,所以不会误动, ?t 一般选择为0.3~0.5s。1DL处的电流Ⅱ段的 保护范围不超出2DL处电流Ⅰ段的保护范围即:
II I I DZ .1 ? I DZ .2

(2-7)

II I I DZ .1 是装于断路器1DL处电流Ⅱ段保护的动作值, I DZ .2 是装于断路器2DL处电流Ⅰ

段保护的动作值。 电流Ⅱ段保护的整定值按躲过下一条相邻线路电流Ⅰ段的动作值整定 即:
I t1II t ? t2 ? ?t

(2-8)

2.3.1.2 两段式电流保护的整定与算法 两段式电流保护的定值和整定范围如表 2-2 所示:
表 2-2 两段式电流保护的整定 Tab.2-2 Identification of two-section current protection 电流Ⅰ段定值 0.2 In~20 In 电流Ⅱ段定值 0.2 In~20 In 电流Ⅰ段时限 0s~100s 电流Ⅱ段时限 0s~100s 电流Ⅰ段压板 投入或退出 电流Ⅱ段压板 投入或退出

表 2-2 中电流Ⅰ段和Ⅱ段保护的定值范围从 0.2In~20In,In 为额定电流 整定步长为 0.01A。电流Ⅰ 段保护时限范围从 0s~100s,整定步长为 0.01s。两段式电流保护的逻辑 框图如图 2-8 所示:
电流保护压板值 Ia>过电流保护定值
0

跳闸
&
0

Ib>过电流保护定值 Ic>过电流保护定值

跳闸信号显示 保护动作

≥1

0

图 2-8 两段式电流保护的逻辑框图 Fig2-8 Logic diagram block of two-section current protection
10

第二章 线路保护的原理分析

2.3.2 过负荷保护的原理与算法
2.3.2.1 过负荷保护的原理 线路出现过负荷的原因已经分析了,三相负载不平衡、线路过电压都可以造成线路 出现过负荷运行。在本装置中,以三相电流有效值作为过负荷判据,当负荷电流超过允 许的额定电流一段时间以后,就会出现过热的现象,其数学计算公式为:
2 exp(?t / ? ) ? [I 2 ? (kI FLC )2 ]/( I 2 ? I p )

(2-9)

式(2-9)中, I 为最大相电流(有效值);I FLC 为额定负荷电流;I p 为过载之前的稳态负载;k 为常数,电流小于1.05 I FLC 时允许持续运行; t 为电流过载后的跳闸时间,单位是s; ? 被 保护设备的加热和冷却时间常数,单位是min。过热的计算模型:
2 ? dTe 1 ? ? 1 ? ? ?TR ? ? T ? e? dt ? ? ? ITR ? ? ? ? ?

(2-10)

式中, Te 为温度; ITR 为导致温度升高的电流; ? 为调整系数; ? 为热时间常数。如果 被计算的导线温度超过了设定的运行温度,系统就会命令断路器跳闸。 2.3.2.2 过负荷保护的整定与算法 过负荷保护的定值和整定范围如表 2-3 所示:
表 2-3 过负荷保护的整定 Tab.2-3 Identification of overload protection 过负荷定值范围 0.2In~4In 过负荷时限范围 0s~600s 过负荷压板 投入或退出 过负荷跳闸投退 投入(跳闸)或退出(告警)

表 2-3 中过负荷保护定值范围从 0.2In~4In, 整定步长为 0.01A。保护时限范围从 0s~ 600s,整定步长为 0.01s。过负荷保护的逻辑框图如图 2-9 所示:
过负荷保护压板值
0

&
0

Ia>过负荷定值 Ib>过负荷定值 Ic>过负荷定值 过负荷跳闸投/退

0

跳闸
&
0 0

≥1

0

过负荷告警信号 保护告警 (中央信号)

图2-9 过负荷电流保护的逻辑框图 Fig2-9 Logic diagram block ofoverload protection

11

第二章 线路保护的原理分析

2.3.3 后加速保护的原理与算法
2.3.3.1 后加速保护的原理 后加速保护当线路发生故障后,后加速保护有选择性地动作切除故障,重合闸进行 一次重合后回复供电。若重合于永久性故障时,后加速保护装置不带时限、无选择性动 作跳开断路器。原理图如图2-10所示:
AC

ZCH DL

ZCH JSJ

KK 1SJ 1XJ 1LP

2SJ1

2XJ

2LP

BCJ

2SJ2

3XJ

3LP DL TQ

KK

TBJ

BCJ 1LJ 2LJ 1SJ

3LJ

2SJ

图2-10 后加速保护原理图 Fig2-10 diagram of acceleration protection

用加速继电器JSJ的瞬时闭合延时断开常开接点JSJ1来加速继电保护动作。 若线路故障发生在过电流保护范围内,电流继电器3LJ、4LJ动作接点闭合,起动时 间继电器2SJ,经过整定时间后2SJ1闭合,有选择地使断路器跳闸切除故障。断路器跳闸 后,线路重合闸继电器ZCH动作,重合断路器,同时ZCH起动加速继电器JSJ,为后加 速保护的动作做好准备。 2.3.3.2 后加速保护的整定与算法
表 2-4 后加速保护的整定 Tab.2-4 Identification of acceleration protection 后加速保护电流定值 0.2In~20In 后加速保护时限 0s~3s 后加速保护压板 投入或退出

表2-4中后加速保护时限整定范围0s~3s, 整定步长为0.01s, 后加速保护电流整定范 围0.2In~20In, 整定步长为0.01A。后加速保护逻辑框图如图2-11所示:
12

第二章 线路保护的原理分析

后加速保护压板值 Ia>后加速保护电流定值

跳闸
0

&
0

Ib>后加速保护电流定值 Ic>后加速保护电流定值

≥1
3s

0

Tfh

后加速跳闸信号 (显示远传) 保护动作 (中央信号)

HWJ (断路器跳位)

图2-11重合闸后加速保护逻辑框图 Fig2-11 Logical block diagram of acceleration protection

2.3.3.3 后加速保护误动作分析与解决方法 10kV线路上的用户变压器一次侧在线路停电后并没有与线路断开,线路合闸瞬间, 这些变压器会有励磁涌流,当涌流达到或超过作电流时,便会引起后加速保护误动作。 此外,10kV线路停电后,线路中的负荷未全部断开,线路合闸瞬间,这部分负荷电流迭 加在变压器励磁涌流上,也会造成后加速保护误动作[30][31]。

2.3.4 低电压保护的原理与算法仿真
2.3.4.1 低电压保护的原理 当电压低于低电压整定值时,低电压保护装置将启动保护动作。防止线路出现低电 压运行的原则是要求用户无功负荷和网络无功损耗就地补偿。考虑到实现动态无功补 偿,采用TSC无功补偿装置或SVC装置。使用Simulink建立SVC模型,模型中三相电压 为500kV,设置三相电压峰值随时间波动变化,SVC装置对电压进行调整,当三相电压降 低时,SVC输出无功功率,系统提高电压,当三相电压升高时,SVC吸收无功功率,双 电源供电系统SVC模型如图2-12所示:
A a A N B C

A B C 3000MVA X/R=10

A B C
C c B b

A a B b C c

a A b B c C

A B C N

500kV 3000MVA

Three-Phase V-I Measurement
A B C
C A B

100km

1

100km1 2

500kV 3000MVA

a b c

A B C
A
C A B C A B

Three-Phase Breaker Three-Phase Fault 10MW 10MW

B(pu)

B C Vm(pu)

Scope1

Phasors

300MW

Static Var Compensator

Scope2

图2-12 双电源供电SVC系统 Fig 2-12 Double source generation SVC system
13

第二章 线路保护的原理分析

当设置单侧三相电源电压峰值随时间波动,SVC输出或吸收无功功率如图所示:

图2-13 单侧电压波动SVC输出无功功率波形图 Fig 2-13 Theoutput reactive power wave of SVC when Single three-phase voltage influence

图2-14 SVC输出波动电压波形 Fig 2-14 Wave of SVC output voltage

设置0.1s的A相短路故障,SVC输出电压和无功功率如图2-15、2-16所示:

图2-15 A相短路故障SVC输出无功功率 Fig 2-15 The reactive power wave of SVC when A phase occurs short circurt fault

图2-16 SVC输出波动电压波形 Fig2-16 Wave of SVC output voltage

2.3.4.2 低电压保护的整定与算法
表 2-5 低电压保护的整定 Tab.2-5 Identification of low voltage protection 低电压保护定值 10V~100V 低电压保护时限 0s~100s 低电压保护压板 投入或退出

表2-5中低电压保护时限整定范围0s~100s, 整定步长为0.01s, 低电压保护电压整定 范围10V~100整定步长为0.01V。低电压保护逻辑分析如图2-17所示:
低电压保护压板值

HWJ

&
跳闸

PT断线 Uab<低电压保护定值 Ubc<低电压保护定值 Uca<低电压保护定值

&

Tdy

低电压跳闸信号 (显示远传) 保护动作 (中央信号)

&

图2-17 低电压保护逻辑分析图 Fig2-17 Logical block diagram of low voltage protection

14

第二章 线路保护的原理分析

低电压反应了对称的电压降低, 但在电压互感器回路断线时, 低电压保护不能动作。 为此,软件算法中需要对PT是否断线进行判断,在图(2-17)中,如果PT断线条件满足, 则根据逻辑与运算,不启动低电压保护。

2.3.5 零序电流保护的原理与算法
2.3.5.1 零序电流保护的原理 当电力系统出现不对称运行时,就要出现零序电流。在本装置中,可以直接测到零 序电流互感器输出的零序电流。造成零序电流的故障包括接地故障,单相重合闸过程中 的两相运行等[17]。零序分量具有以下特点: 1. 故障点的零序电压最高为 U d 0 , 距故障点越远处的零序电压越低, 如图2-18所示:
A d0 B

UA0

Ud0

UB0

图2-18 零序电压分布图 Fig2-18 Distribution illustration of zero sequence voltage

2. 由于零序电流是由零序电压产生的, 因此零序电流的大小和相位由零序电压和中 性点至故障点的零序阻抗决定即:
'' ? I0 ( X d '0'? X B ? 2 ). ? 0 U d0

U d0 I ? ? '' X d 0 ? X B ? 2.0
'' 0

(2-11)

式(2-11)说明零序电流的分布主要决定于线路的零序阻抗和中性点接地变压器的零 序阻抗。 3. 零序功率与正序功率的正方向相反 ,单相短路故障电路如图2-19所示:
A N B C A a b c

A B C X/R=10

A B C

B C

500kV

Three-Phase V-I Measurement
Mag Mag

A B C Scope2
C A B

Vabc From

abc Phase

Iabc Scope From1

abc Phase

Three-Phase Fault4 Three-Phase Series RLC Load1

3-Phase Sequence Analyzer

Scope3

3-Phase Sequence Analyzer1 Scope4

图2-19 单相接短路故障电路 Fig2-19 Single phase short circuit fault circuit

15

第二章 线路保护的原理分析

故障点零序电流和电压如图2-20所示:

图2-20 零序电流和电压波形图 Fig 2-20 Zero sequence current and voltage

本装置采用的是零序过电流保护即零序Ⅲ段保护。零序Ⅲ段保护的整定为: 1.零序过电流保护的动作电流应躲过本线路三相短路时的最大不平衡电流即:
III III I0. DZ ? KK Ibp.max
III 是零序Ⅲ段可靠系数,取1.2~1.3, Ibp.max 为三相短路时最大不平衡电流。 KK

(2-12)

2. 与相邻线路零序Ⅲ段保护进行配合, 本段的灵敏度系数要小于下一段的灵敏度系 数,如图2-21所示:
A
1

B

2

C

3

I0

I0

I0

图2-21 零序Ⅲ段保护示意图 Fig 2-21 Illustration of zero sequence three section protection

在图2-21中,零序电流的动作电流为:

I 0III DZ . .? 1

K K III I DZ 0 . K0. fz

. 2

(2-13)

III K K 为配合系数取1.1~1.2, I 0. DZ .2 为保护2零序Ⅲ动作电流。

3. 如果线路允许非全相运行,则动作电流应大于非全相运行时出现的零序电流。
III III I0 D . Z ? K K3 I 0 . f q x
III 为可靠系数, I0. fqx 为非全相运行时的最大零序电流。 KK

(2-14)

在本装置中,零序电流经过零序互感器可以直接采样获得,当3倍零序电流大于零 序电流保护定值时,通过算法判断是否启动告警或是跳闸。 2.3.5.2 零序电流保护的整定与算法
表 2-6 零序电流保护的整定 Tab.2-6 Identification of zero sequence current protection 零序电流定值 0.02 In ~12 In 零序电流时限 0.01 0s~100s 零序电流压板 投入或退出 零序电流跳闸 投入(跳闸)或退出(告警)

16

第二章 线路保护的原理分析

表2-6中零序电流保护时限整定范围0s~100s, 整定步长为0.01s,零序电流定值整定 范围0.02 In ~12 In ,整定步长为0.01。零序电流保护逻辑框图如图2-22所示:
零序电流保护压板
0

&
0

3Io>零序电流定值

0

To

0

&
0

0

保护告警

跳闸
0

&
0

零序电流跳闸投/退

零序电流告警信号 保护动作

0

图 2-22 零序电流保护逻辑图 Fig2-22 Logical block diagram of zero sequence current protection

2.3.6 低频减载保护的原理与算法
2.3.6.1 低频减载保护的原理 电力系统低频减载是指电力系统在出现大功率缺额时, 系统频率启动并切除部分不 重要的负荷,维持系统功率平衡,防止系统频率崩溃的一种频率控制手段[18]。本保护装 置中,当频率下降到设定的频率点时,测量当前的频率变化率 df 数,如果满足故障判据,则启动相应的保护动作 2.3.6.2 低频减载保护的原理与算法
表 2-8 低频减载保护的整定 Tab.2-8 Identification of under-frequency load shedding protection 低频减载压板 投入或退出 低频减载定值 45.00Hz~49.30Hz 低频减载时限 0.2s~20.0s 滑差闭锁 投入或退出

dt

,频率 f 、U ab 等参

表2-8中低频减载时限整定范围0.2s~20.0s, 整定步长为0.01s, 低频减载定值整定范 围45.00Hz~49.50Hz,整定步长为0.01Hz。低频减载保护逻辑框图如图2-23所示:
低频减载投/退 Imax>0.3A Uab>低压闭锁定值
0 0

低频动作信号 (显示远传)

&
0

0

&
0

0

跳闸 保护动作 (中央信号) 闭锁重合闸

Df/dt<滑差定值 F<频率定值

图2-23 低频减载保护逻辑图 Fig2-23 Logical block diagram of under-frequency load shedding protection
17

第二章 线路保护的原理分析

2.3.7 控制回路异常告警
控制回路异常告警用于采集断路器的跳位和合位,当控制电源正常,断路器位置辅 助触点正常时,跳位或合位这两个开入量中,必有且只能有一个开入,否则经 2s 延时 报控制回路异常告警信号。

2.3.8 TV 断线告警
保护装置检测到TV断线延时发出告警信号,在电压恢复正常后保护返回。该保护 装置采用无零序电压的单组TV断线判别方法,TV断线告警的逻辑框图如图2-24所示:
TV断线投退 有流(>0.3A) Uab <18v Ubc<18v Uca<18v ≥1 │Uab-Ubc│>18v │Ubc-Uca│>18v │Uca-Uab│>18v ≥1

&
0

母TV线断线告警 (显示远传)
&
0 0

5s

保护异常 (中央信号)

图 2-24 TV 断线告警保护逻辑图 Fig 2-24 Logical block diagram of TV cut off

本章小结
本章首先分析了输电线路中的常见故障与异常运行状态,并结合 Matlab Simulink 对故障进行了仿真。同时针对线路中的不同故障和异常运行状态,具体分析了相应的继 电保护原理,总结出了各种故障的实用判据和保护算法。

18

第三章 10kV 线路微机继电保护装置的硬件设计

第三章 线路微机继电保护装置的硬件设计
根据第二章所阐述的各种故障以及相应的判据,本装置采用高性价比的 ATmaga128 作为处理器进行开发设计。

3.1 保护装置硬件设计
本保护装置硬件系统总体可为 7 个部分,数据滤波采样部分,CPU 主电路,开关量 输入输出部分,液晶显示,按键电路,通讯电路,电源电路。数据滤波采集部分将输入 的电压电流模拟信号, 经过低通滤波和采样保持, 转化为数字量, 进行故障判断和分析。 CPU 采用 ATmega128 单片机微处理器[36],开关量输入输出电路是由并行口,光电耦合 电路以及有接触点的中间继电器等组成,已完成各种保护的跳闸,信号报警,指示灯, 外部输入信号等。液晶显示和按键电路主要用于显示参数,菜单翻页,整定数值等,通 讯电路实现与微机监控或保护管理机通信,接口采用 RS-485,总体设计如图 3-1 所示:
启动 跳闸 合闸 跳闸信号 合闸信号 告警 异常

24V-

QDJ

TZJ

HZJ

TXJ

HXJ

HXJ

HZJ

DO1

DO2

DO3

DO4

DO5

DO6

DO7

DO8

产品 电源

开出光隔

液晶 显示 键盘

接口

高性能处理器ATmega128
开入1

485

开入 光隔 A/D转换器

开入8

滤波

模拟量输入

图 3-1 保护装置硬件结构 Fig3-1The hardware circuit of relay protection instrument structure

19

第三章 10kV 线路微机继电保护装置的硬件设计

3.2 三相交流信号采样电路
3.2.1 低通滤波器 TCL04 滤波性能分析
三相电压和电流信号进过电压互感器和电流互感器,进入 TLC04 巴特沃斯四阶开 关电容低通滤波器。TLC04 的截止频率的稳定性只与时钟频率稳定性相关,截止频率和 时钟可调,其时钟一截止频率比为 50:1。巴特沃斯四阶低通滤波器模型如图 3-2 所示:

Fundamental sine wave50Hz Scope1 FDATool 2th harmonic wave 100Hz Scope 3th harmonic wave 150Hz Digital Filter Design

5th harmonic wave250Hz

Add

图 3-2 巴特沃斯四阶低通滤波器模型 Fig.3-2 Mode of Butterworth 4orders low pass filter

图 3-2 中,输入到 Butterworth4 阶低通滤波器的信号是由 220V,50Hz 的基频信号, 2 次谐波,3 次谐波,5 次谐波经过加法器组合,5 次谐波的频率达到 250Hz, 根据内奎 斯 特 采 样 定 理 , 为 保 证 采 样 信 号 不 失 真 , f s ? 2 f max , 设 置 采 样 频 率 为 100000Hz, Butterworth4 阶低通滤波器由 Simulink 中的 FDATool 设计, 截止频率 fc ? 50 Hz, 输入信 号和滤波波形如图 3-3,3-4 所示:

图 3-3 基波与谐波信号波形 Fig 3-3 Wave of fundamental and harmonic signal

图 3-4 滤波后的 50Hz 基波信号 Fig 3-4 50Hz fundamental signal after Butterworth filter

Butterworth4 阶低通滤波器的幅频响应曲线如图 3-5 所示:

20

第三章 10kV 线路微机继电保护装置的硬件设计
Magnitude Response (dB) 100 Frequency (kHz): 0.01831055 0.05493164 -0.00140463 Magnitude (dB): -4.944844

0

-100

Magnitude (dB)

Frequency (kHz): 0.5615234 Magnitude (dB): -84.03541

-200

-300

-400

-500

-600

0

5

10

15

20 25 30 Frequency (kHz)

35

40

45

图 3-5 Butterworth4 阶低通滤波器的幅频响应 Fig 3-5 Magnitude and frequency response of Butterworth 4 orders low-pass filter

3.2.2 A/D 转换电路
10kV线路保护装置对 I a , Ic , I A , IC ,3I 0,Ua ,Ub ,Uc ,共8路交流信号进行采样。其中 I a 和 I c 2路交流电流信号用于保护判定, IA 和 IC 2路交流电流信号用于测量和备用保护。 ATmega128单片机内部含有8路10位ADC通道,但是转换精度和速度都不能达到继 电保护的要求, 所以本装置采用了MAX125交流采样芯片。 MAX125是高速2× 4通道同步 采样14位逐次比较型A/D转换器芯片。芯片单通道A/D转换时间为2 ? s 。4个采样/保持放 大器可对4个通道的模拟信号同时采样。 由于MAX125芯片只有4路采样保持,所以对于另外4路交流信号需要单独设置采样 保持器。 在硬件电路中, U ab ,Ubc ,Uca , I 0 使用MAX125内部的采样保持,I a , I c , I A , IC 使用独 立的采样保持器,电压由220V转变为MAX125的有效电压范围即± 5V, 然后进入低通滤波 器TCL04,滤除谐波分量。此时设置交流A/D采样模块MAX125的工作模式。MAX125 芯片中,管脚A0、A1、A2、A3用于设置不同的工作模式如表3-1所示
表3-1 MAX125工作模式 Tab3-1 The work mode of MAX125 A3 A2 A1 A0 转换时间 模式 0 0 0 0 3 ?s CH1A 0 0 0 1 6 ?s CHIA,CH2A 0 0 1 0 9 ?s CHIA,CH2A,CH3A 0 0 1 1 12 ? s CHIA,CH2A,CH3A,CH4A 0 1 0 0 3 ?s CH1B 0 1 0 1 6 ?s CH1B,CH2B 0 1 1 0 9 ?s CH1B,CH2B,CH3B 0 1 1 1 12 ? s CH1B,CH2B,CH3B,CH4B

由于对8路交流信号进行采样,首先设置MAX125的CHIA、CH2A、CH3A、CH4A4 个通道进行A/D转换,待转换结束后,读取4路采样值,然后启动CH1B、CH2B、CH3B、 CH4B 4个通道转换,当CH1B、CH2B、CH3B、CH4B 4个通道采样完毕后,读取这4个 采样值再启动CHIA、CH2A、CH3A、CH4A 4个通道采样,这样实现2组通道交替采样。
21

第三章 10kV 线路微机继电保护装置的硬件设计

CPU通过RD管脚读取MAX125采样得到8路14位数字信号,进行处理。具体A/D采样电 路如图3-6所示:

电压电流采样
RV1 UA 5 1K/2W CW1 1 03 TV1 UAB *
RT V 1

RTV4 1 0K

UTV1A 2 3

4

VCC 1 RPTV1 LF3 5 3 8 1K AGND CTV1 0 .4 7 uF AGND 7 RTV10 1 0K 2 1 3 IC1 IN CLKR CLKIN LS TLC0 4 -5 VCC+ AGND VCCOUT 5 VCC 7 6 4 CTV4 0 .1 u F CTV5 0 .1 u F AD_ UAB AD_ UAB AD_ IA AD_ UBC AD_ IC AGND AD_ UCA AD_ I_ A AD_ I0 AD_ I_ C C1 0 RPTV2 LF3 5 3 8 1K RTV11 1 0K 2 1 3 IC2 IN CLKR CLKIN LS TLC0 4 -5 AGND 8 C9 0 .1 u F -5 OUT 5 VCC CLKR CLKIN LS TLC0 4 -5 VCC+ AGND VCC7 6 4 CTV8 0 .1 u F CTV9 0 .1 u F AD_ UCA VCC+ AGND VCCOUT 5 VCC 7 6 4 CTV6 0 .1 u F CTV7 0 .1 u F AGND VCC C8 0 .1 u F AD_ UBC C1 1 0 .1 u F

模数转换
U2 4 3 2 1 34 35 32 33 CH1 A CH1 B CH2 A CH2 B CH3 A CH3 B CH4 A CH4 B D0 /A0 (LSB) D1 /A1 D2 /A2 D3 /A3 D4 D5 D6 D7 D8 D9 D1 0 D1 1 D1 2 D1 3(MSB) CS WR RD CONVST INT CLK DVDD DGND 24 23 22 21 20 19 16 15 14 13 12 11 10 9 26 27 28 29 30 25 17 18 D0 D1 D2 D3 D4 D5 D6 D7 D8 D9 D1 0 D1 1 D1 2 D1 3 1 25 -CS 1 25 -WR 1 25 -RD 1 25 -CONVST 1 25 -INT 1 25 -CLK VCC C7 0 .1 u F

* IN

Uab

OUT

2 40 Ω

AGND RTV7 5 1K

11

-5 CTV11

TV10 1 3 -1

AGND 0 .0 1 uF

RV2 UB 5 1K/2W CW2 1 03

TV2 UBC *
RT V 2

RTV5 1 0K

UTV1B 6 5 AGND RTV8 5 1K CTV12

* IN

6

Ubc

OUT

2 40 Ω

REFIN

7 AGND 4 .7 u F 5 8 36 31

REFOUT

AGND CTV2 0 .4 7 uF AGND

TV10 1 3 -1

AGND 0 .0 1 uF

AVDD AGND AGND AVSS MAX1 25 CEAX

RV3 UC 5 1K/2W CW3 1 03

TV3 UCA *
RT V 3

RTV6 1 0K

UTV1C 9 10 LF3 5 3 AGND RTV9 5 1K CTV13 1K AGND CTV3 0 .4 7 uF AGND RTV12 1 0K RPTV3 8 2 1 3 IC3 IN

* IN

Uca

OUT

2 40 Ω

TV10 1 3 -1

AGND 0 .0 1 uF

AGND

IA
TA1 I TA10 1 6 -2
RT A 1 2 40 Ω

VCC I* * IA -5 1 3 LF3 5 3 AGND RTA26 5 1K
8

-5

IC9
1 4

RTA21 1 0K

UTA1A 2

RPTA1 8 1K AGND CTA1 0 .4 7 uF AGND RTA11 1 0K 2 1 3 VCC

IC4 IN CLKR CLKIN LS TLC0 4 -5 VCC+ AGND VCCOUT 5 VCC 7 6 4 CTA6 0 .1 u F CTA7 0 .1 u F 8 AGND
2 7

3

INPUT

OUTPUT

5

AD_ IA

CTA21

LOGIC LF3 9 8 N CTA16 0 .1 u F AGND -5
6

AGND 0 .0 1 uF

IC
TA2 I TA10 1 6 -2
RT A 2 2 40 Ω

VCC I* * IC IC1 0
1

RTA22 1 0K

UTA1B 6 7 5 LF3 5 3 AGND RTA27 5 1K CTA22 1K AGND CTA2 0 .4 7 uF AGND RTA12 1 0K RPTA2 8 2 1 3 IC5 IN CLKR CLKIN LS TLC0 4 -5 VCC+ AGND VCCOUT 5 VCC 7 6 4 CTA8 0 .1 u F CTA9 0 .1 u F 8 AGND LOGIC 3 INPUT

OUTPUT

5

AD_ IC

AGND 0 .0 1 uF

2

7

LF3 9 8 N CTA17 0 .1 u F AGND -5

Ia
TA3 I TA10 1 6 -2
RT A 3 2 40 Ω

VCC I* * I_ A -5 1 3 LF3 5 3 AGND RTA28 5 1K
8

IC1 1
1 4

RTA23 1 0K

UTA2A 2

4

RPTA3 8 1K AGND CTA3 0 .4 7 uF AGND RTA13 1 0K 2 1 3 VCC

IC6 IN CLKR CLKIN LS TLC0 4 -5 VCC+ AGND VCCOUT 5 VCC 7 6 4 CTA10 0 .1 u F AGND CTA11 0 .1 u F 8 LOGIC
2 7

3

6

INPUT

OUTPUT

5

AD_ I_ A

CTA23

AGND 0 .0 1 uF

LF3 9 8 N CTA18 0 .1 u F AGND -5

Ic
TA4 I TA10 1 6 -2
RT A 4 2 40 Ω

VCC I* * I_ C IC1 2
1

RTA24 1 0K

UTA2B 6 7 5 LF3 5 3 AGND RTA29 5 1K CTA24 1K AGND CTA4 0 .4 7 uF AGND RTA14 1 0K RPTA4 8 2 1 3 IC7 IN CLKR CLKIN LS TLC0 4 -5 VCC+ AGND VCCOUT 5 VCC 7 6 4 CTA12 0 .1 u F AGND CTA13 0 .1 u F 8 LOGIC 3 INPUT

4

6

OUTPUT

5

AD_ I_ C

AGND 0 .0 1 uF

2

7

LF3 9 8 N CTA19 0 .1 u F AGND

Io
TA5 I TA10 1 6 -2
RT A 5 2 40 Ω

6

I* * I0

RTA25 1 0K

UTA3A 2 3

4

-5 1 RPTA5 LF3 5 3 8 1K AGND CTA5 0 .4 7 uF AGND RTA15 1 0K 2 1 3 IC8 IN CLKR CLKIN LS TLC0 4 -5 VCC+ AGND VCCOUT 5 VCC 7 6 4 CTA14 0 .1 u F AGND CTA15 0 .1 u F

LOGIC

AD_ I0

AGND RTA30 5 1K

8

VCC

CTA25

AGND 0 .0 1 uF

图3-6 A/D转换的电路原理图 Fig3-6The circuit of A/D conversion

TCL04滤除了交流信号中的高次谐波,考虑到输入的交流信号仍包含3次谐波,3次谐波 的频率 f ? 150 Hz 设置采样频率 f s ? 600 Hz 即1个周期采样12个点,ATmega128中的定 时器设定采样时间,定时器溢出中断程序启动MAX125采样。

3.3 角度测量电路
三相电压和电流信号的相位角差和频率是重要的电参数,对这些参数进行分析,可
22

8路交流信号输入 总线

4

4

第三章 10kV 线路微机继电保护装置的硬件设计

以判断系统出现了什么类型的故障,比如通过相位角差计算出有功和无功功率,可以判 断系统是否需要无功补偿,通过计算频率,可以判断系统是否运行在低频状态。保护装 置计算 U AB 和 I a ,U CA 和 I c 共2组电压电流信号的相位角差,由于电压和电流信号的频率 都是50 Hz,所以只测量电压信号的频率就可以了。在硬件电路中,采用74VHC4052盖 尔芯片实现选相功能。74VHC4052芯片可以对± 5V的交流信号按照逻辑关系选择性地输 出。该芯片允许8路交流信号输入,并将这8路信号分成4组,通过设置A、B 2个管脚的 高低电平,选择输出其中的1组。74VHC4052芯片的逻辑关系真值表如表3-2所示:
表3-2 74VHC4052芯片真值表 Tab3-1 The truth table of 74VHC4052 chip 输入 INH B 1 0 0 0 0 X 0 0 1 1 A X 0 1 0 1 X 输出 Y None None X0 Y0 X1 Y1 X2 Y2 X3 Y3

根据74VHC4052芯片真值表,可以得到其输出与输入之间的逻辑关系即:

X? AB 0 X ? A B1 X ? Y ? A B 0Y? A B Y 1 ?
? ? ? ?

?

?

?

?

A 2B? X
3

A 3 BX ABY

(3-1)

A2 B?Y

在本装置中,计算 U AB 和 I a ,U CA 和 I c 的相位角差,所以只用到 X 0 、 Y0 和 X 1 、 Y1 2组输 出即 U AB ? X 0, Ia ? Y0 , UCA ? X1 , Ic ? Y1 。为计算出交流信号的相位角差和频率,需要将 74VHC4052选通的2路交流信号转换为方波信号,并使用ATmega128的外部中断端口和 定时器测量。将交流信号转换为方波信号电路如图3-7所示:
-5 RDN1 Uab 1 0K CDN3 0 .1 u F UDN1B 6 7 5 LF3 5 3 RDN2 5 1K CDN1
4

RDN3 1 0K
1 N 4 14 8

UDN1A 1 RDN4 INT_ Uab 1 0K LF3 5 3 RLD1 1 0K LED1

2 D1
1 N 4 14 8

D2

3
8

VCC

图3-7 方波信号产生电路图 Fig3-7 The circuit of square wave generation

0 .0 1 uF

交流信号 U AB 经过比较器和RC滤波得到方波信号,设置CPU的外部中断INT6和INT7为 上升沿触发,U AB 进入INT6管脚, I a 进入INT7管脚,计算INT6的2次中断的时间间隔即

U AB 的2次上升沿的时间间隔就得到周期 T ,根据公式 f ? 1T 可算出 U AB 的频率。 同

23

第三章 10kV 线路微机继电保护装置的硬件设计

理使用定时器记录INT6和INT7各自的中断时间,将2次中断时间相减得到 U AB 和 I a 的相 位角差,得到的相位角差是INT6和INT7的中断时间差,计算功率因数需要转换为角度, 角度测量硬件电路如图3-8所示:
信号输入总线
-5

角度测量
U3 UAB UBC UCA 12 14 15 11 1 5 2 4 X0 X1 X2 X3 Y0 Y1 Y2 Y3 X Y A B INH VCC GND VEE 7 4VHC4 0 52 13 3 10 9 6 16 8 7 -5 VCC IA IC I_ A I_ C

RDN1 1 0K CDN3 0 .1 u F

UDN1B 6 7 5 LF3 5 3 RDN2 5 1K CDN1
4

RDN3 1 0K
1 N 4 14 8

UDN1A 1 RDN4 1 0K LF3 5 3 RLD1 1 0K LED1

2 D1
1 N 4 14 8

PE6
IN_ Uab

D2

3
8

VCC

ATmega128
4 05 2 -A 4 05 2 -B

0 .0 1 uF

逻辑选相总线
-5
4

PG3 PG4

RDN6 1 0K CDN4 0 .1 u F

UDN2B 6 7 5 LF3 5 3 RDN7 5 1K CDN2 RDN8 1 0K
1 N 4 14 8

UDN2A 1 RDN9 1 0K LF3 5 3 RLD2 1 0K LED2 IN_ Iab

2 D3
1 N 4 14 8

PE7

D4

3
8

VCC

0 .0 1 uF

图3-8角度测量电路图 Fig3-8 The circuit of angle acquisition

3.4 SD2200 时钟电路、
线路保护装置设有专门的时钟电路, 时钟芯片选用SD2200实时时钟芯片, 时钟电路 计时电压为1.1~5.5V,通过设置芯片内部的控制寄存器可以实现12、24小时制的切换, 同时设置时间寄存器可实现对年、月、日、星期、时、分、秒等参数的调整。 SD2200芯片通过数据线SDA和时钟线SCL与CPU进行数据传输, 在外部掉电的情况 下,内置一次性电池可保证时钟连续工作5年,硬件电路如图3-9所示:
VCC RT3 1 0K RT1 1 0K RT2 1 0K UT1 T_INT1 RT4 2 0Ω T_SDA RT5 2 0Ω 23 19 22 21 20 13 15 INT2 INT1 VBAT TEST 2 3 LLSD1 0 3A DT1 24 10 11 12 CT1 LLSD1 0 3A 2 20 u F VCC DT2

时钟电路
PE4 PE2 T_SCL ATmeg a1 2 8 PE3

WP SCLE VCC SDAE GND SCL GND SDA GND SD22 0 0 B/C/D/E-Z

CT2 1 04

图3-9 SD2200时钟电路 Fig 3-9 The SD2200 clock circuit

3.5 8 路开关量输入电路
线路保护装置中设有8路外部开关量输入电路。这些开关量包括操作继电器的触点 以及保护动作所需要的各种压板等。为了避免电气特性及恶劣工作环境带来的干扰,在 8路输入电路中采用光电耦合器件,对输入信号实现1次电-光-电的转换。在通过光电耦 合之后输入信号又通过电解电容滤除部分尖峰脉冲。CPU在自检中不断地读入当时的输
24

第三章 10kV 线路微机继电保护装置的硬件设计

入开关量状态, 并与原来开关量状态进行比较,如发现输入开关量发生变化, 则发出信号, 并记录输入开关量变化前后各开关量状态。8路开关量输入电路如图3-10所示:
VCC

8路开关量输入
PF0 IN1

输入信号总线
RI1 CI1 1 0k 1 00 u F 1 0k 1 00 u F IN2 IN1

UI1 8 7 6 5 KP10 2 0 UI2 8 1 2 3 4 KP10 2 0 UI3 8 1 2 3 4 KP10 2 0 S_6 S_5 S_4 S_3 1 2 3 4 S_2 S_1

DIN1

RIN1 1 10 k RIN2 1 10 k

S1

1 N40 0 7 DIN2

S2

PF1 IN2 PF2 IN3

RI2 CI2

1 N40 0 7

ATmega128

PF3 IN4 PF4 IN5 PF5 IN6 CI3 PF6 IN7 PF7 IN8 CI4 1 00 u F RI4 1 00 u F 1 0k IN4 6 5 RI3 1 0k

DIN3

RIN3 1 10 k RIN4 1 10 k

S3

IN3

7

1 N40 0 7 DIN4

S4

1 N40 0 7

DIN5

RIN5 1 10 k RIN6 1 10 k

S5

RI5 CI5 RI6 CI6

1 0k 1 00 u F 1 0k 1 00 u F

IN5

7 6

1 N40 0 7 DIN6

S6

IN6

5

1 N40 0 7

INCOM

UI4 8 RI7 CI7 RI8 CI8 1 0k 1 00 u F 1 0k 1 00 u F IN8 IN7 7 6 5 KP10 2 0 1 2 3 4 S_8 S_7

DIN7

RIN7 1 10 k RIN8 1 10 k

+KM S7

1 N40 0 7 DIN8

1 N40 0 7

S8

图3-10 8路开关量输入电路 Fig 3-10 8 switching values input circuit

3.6 按键电路
线路保护装置设有 6 个按键, 主要用于主程序中的菜单操作, 例如翻页, 设置密码, 定值整定等。按键电路如图 3-11 所示: 按键接口
VCC RK1 1 0K RK2 1 0K RK3 1 0K RK4 1 0K RK5 1 0K RK6 1 0K

KEY MOSI_ KEY1 MISO_ KEY2 KEY3 KEY4 SCK_KEY5 KEY6 1 2 3 4 5 6 7

CK1 0 .1 u F

CK2 0 .1 u F

CK3 0 .1 u F

CK4 0 .1 u F

CK5 0 .1 u F

CK6 0 .1 u F

图 3-11 按键接口电路 Fig 3-11 Key interface circuit
25

第三章 10kV 线路微机继电保护装置的硬件设计

3.7 6 路开关量输出电路
线路保护装置设有6路开关量输出电路,在输电线路发生故障时,CPU会根据采集 得到的交流电压电流数据分析当前运行情况,与设置好的定值进行比较,根据各种保护 判据来判断故障类型,并通过开关量输出电路实现保护动作。6路开关量输出电路也采 用了光电耦合器件提高信号的抗干扰能力, COM1 端子经过通用型继电器 HG4183 与 OUTJ1 、OUTJ2 端子连接, COM2 端子经过通用型继电器 HG4183 与 OUTJ3 、 OUTJ4 、 OUTJ5、OUTJ6 连接。当CPU发出相应的动作信号时,HG4183闭合开关,使信号能够 传输到外部。6路开关量输出电路如图3-12所示:
J1 OUT_J1 OJ1 RJ1 +12 V 1 00 Ω HG4 18 3 DJ1

通用继电器输出总线

RS1M J2

OUT_J2

OJ2

RJ2 +12 V 1 00 Ω HG4 18 3 DJ2

VCC RP1 1 2 3 4 5 6 7 LDO1 LDO2 LDO3 LDO4 LDO5 LDO6 LDO1 UO1 A OUT1 RO1 1K CO1 0 .1 u F 1 CD4 01 0 6 2 1K 13 CD4 01 0 6 LDO2 10 CD4 01 0 6 LDO3 8 CD4 01 0 6 LDO4 12 CD4 01 0 6 LDO5 10 CD4 01 0 6 LDO6 8 CD4 01 0 6 UO1 F 12 LDO1 1 2 KPC45 2 LDO2 1 2 KPC45 2 LDO3 1 2 KPC45 2 LDO4 1 2 KPC45 2 LDO5 1 2 KPC45 2 LDO6 1 2 KPC45 2 UO1 0 4 3 1 2VG UO9 4 3 UO8 4 3 UO7 4 3 UO6 4 3 UO5 4 3

6路开关量输出
PB2 OUT1 PB3 OUT2
OUT2 UO1 B RO2 1K CO2 0 .1 u F 3 CD4 01 0 6 4 11

RS1M

OJ1

J3

COM1 OUT_J3

OJ3

RJ3 +12 V 1 00 Ω HG4 18 3 DJ3

UO1 E

OJ2

RS1M OJ3 J4

ATmega128

PB4 OUT3
OUT3

UO1 C RO3 1K CO3 0 .1 u F 5 CD4 01 0 6 6 9

UO1 D

OUT_J4

OJ4

RJ4 +12 V 1 00 Ω HG4 18 3 DJ4

PB5 OUT4
OUT4

UO2 A RO4 1K CO4 0 .1 u F 1 CD4 01 0 6 2 13

UO2 F

OJ4

RS1M OJ5 J5

PB6 OUT5
OUT5

UO2 B RO5 1K CO5 0 .1 u F 3 CD4 01 0 6 4 11

UO2 E

OUT_J5

OJ5

RJ5 +12 V 1 00 Ω HG4 18 3 DJ5

PB7 OUT6
OUT6 RO6 1K CO6 0 .1 u F 5

UO2 C 6 CD4 01 0 6 9

UO2 D

OJ6

RS1M J6

OUT_J6

OJ6

RJ6 +12 V 1 00 Ω HG4 18 3 DJ6

RS1M

COM2

图3-12 6路开关量输出电路 Fig 3-12 6 switching values output circuit

3.8 液晶显示电路
线路保护装置采用带字库的LCM12864ZK液晶显示器, 用于显示采样得到的各种参 数以及菜单等。 LCM12864ZK工作电压为3.5V,液晶屏幕为128× 64,可显示4行,每行可显示8个汉 字,具有4种工作模式即并行8位、并行4位、串行3线和串行2线,本装置中采用串行3线 方式。LCM12864的 CS为片选管脚,SDA为数据输入管脚,SCK脉冲输入管脚。显示
26

第三章 10kV 线路微机继电保护装置的硬件设计

电路如图3-13所示:

液晶显示
PD4 LCM_CS PD5 LCM_SID PD6 LCM_SCLK
RS(CS) RW( SI D ) E (SCL K )

VCC LCM1 LCM12 8 6 4ZK VCC GND LCD-A LCD-K VO
RST D0 D1 D2 D3 D4 D5 D6 D7 PSB

4 3 2 1 20 19

RM2 1 0Ω

ATmega128

VR

RM1 1 0K

19 0 11 12 13 14 15 16

17

图3-13 液晶显示电路 Fig 3-13 The circuit of LCD display

3.9 ATmega128 芯片管脚资源分布
本保护装置使用 ATmega128 作为 CPU ,在设计上述硬件功能电路时,充分使用 ATmega128丰富的管脚资源,合理布局,现将各个硬件电路所使用的管脚汇总,如表3-3 所示:
表3-3 ATmega128管脚分配表 Tab3-1 The table of ATmega128 foot distribution 硬件电路 A/D采样电路: 使用管脚 14位数据管脚:PA0~PA7,PC0~PC5 控制管脚: PG0~PG2, PC6~PC7, PG0 角度测量电路: 逻辑电平(A,B)输入管脚:PG3~PG4 方波信号(X,Y)输出管脚:PE6~PE7 SD2200时钟电路: PE2~PE4

8路开关量输入电路: PF0~PF7 6路开关量输出电路: PB2~PB7 液晶显示电路: 按键电路: RS-485接口电路: 电源电路: PD4 ~PD6 PE0~PE1,PE5,PB0~PB1,PD7 PD1~PD3 VCC

本章小结
本章主要介绍了线路保护装置的硬件电路, 包括交流信号采集电路, 角度测量 (选 相)电路,时钟电路,开关量输入输出电路和液晶显示电路。着重分析了三相交流采样

L CM CM _ _ SI CS L DK L CM _ SCL

27

18

6 7 8

第三章 10kV 线路微机继电保护装置的硬件设计

电路和角度测量电路,因为采样信号的处理和计算对于判断故障类型,启动相应的保护 动作是非常重要的。同时使用Simulink建立了交流信号滤波的电路模型,通过波形图比 较了Butterworth和 Chebyshev1型4阶低通滤波器滤波效果并分析这2种滤波器幅频特性。

28

第四章 线路保护装置的算法分析

第四章 线路保护装置的算法分析与软件设计
4.1 FIR 数字滤波器的设计与仿真
4.1.1 数字滤波器
4.1.1.1 概述 数字滤波是由乘法器、加法器和单位延时器组成的一种运算过程,其功能是将输入 的离散信号通过一定的运算处理后转变成另一组频谱结构不同的离散信号。 实现数字滤 波的离散时间系统,其系统函数可用多种算法实现,各种算法又对应有各自不同的网络 结构。微机线路保护装置需要对外部交流信号进行采样,由于采样信号中包含了大量的 高频干扰信号,需要设计数字滤波器并使用Matlab仿真来观察数字滤波器的特性与滤波 效果。 4.1.1.2 数字滤波器的算法与结构形式 数字滤波器可以用基本的传输函数算法表示为:

H ( z) ?

?b z
i ?0 N i j ?1

M

?1

1? ? a j z

(4-1)
?j

也可以表示为零极点增益算法形式即:

H ( z) ? k

? ( 1? q z ? (1 ? p z
j ?1 i i ?1 N i

M

?1

)
(4-2)

?1

)

程序中使用了FIR数字滤波器。FIR滤波器一般采用非递归结构,可以得到精确的线性相 位。但与IIR数字滤波器相比,在满足同样阻带衰减的情况下需要的阶数较高。FIR滤波 器的差分方程为:
y( n)? ? h( m) x( ?n
m ?0 N ?1

m )

(4-3)

由上式可知, n 时刻的输入 y (n) 仅与 n 时刻的输入值以及过去 N ? 1 个输入值有关, 与过去 N ? 1 个输出值无关,所以不会有累积性误差,滤波性能稳定,
29

第四章 线路保护装置的算法分析

FIR滤波器的传递函数为:
?n H ( z )? ? h( n) z n ?0 N ?1

(4-4)

4.1.2 FIR 数字滤波器的建模仿真
FIR滤波器设计方法通常有窗函数法、 频率取样法和最优线性相位FIR滤波器设计方 法, 本设计采用的是Hamming窗函数法, 同时使用Simulink仿真环境建立了FIR数字滤波 器的模型,对其滤波性能进行分析。 设置 FIR 低通滤波器各项参数,截止频率是 70Hz,采样频率是 10000Hz,采用阻 带最小衰减为 53dB 的 Hamming 窗,导出 FIR 低通滤波器的幅频响应如图 4-1 所示:
Magnitude Response (dB) 0 -20 -40 -60

Magnitude (dB)

-80 -100 -120 -140 -160 -180

0

0.5

1

1.5

2 2.5 3 Frequency (kHz)

3.5

4

4.5

图4-1 FIR低通滤波器幅频响应 Fig 4-1 Magnitude and frequency response of FIR low pass filter

由图4-1可知,该FIR滤波器在通带内的衰减近似为0,在阻带内的衰减达到了53dB 以上,由于FIR滤波传递函数的极点固定在原点,要达到高选择性,必须用较高的阶数, 该滤波器的阶数是100。 使用Simulink建立上述设计的FIR数字滤波器的滤波模型,输入信号是由幅度是20V 的50Hz基波电压,幅度是5V的3次、5次、7次谐波电压以及白噪声和幅值是3V的随机干 扰信号组成的故障电压信号,进入FIR数字滤波器滤波,由于设置了截止频率是70Hz, 所以输出信号应是50Hz基波电压,模型如图4-2所示:

30

第四章 线路保护装置的算法分析

Fundamental si ne wave50Hz

3th harmoni c wave 150Hz FDAT ool 5th harmoni c wave250Hz Scope 7th harmoni c wave350Hz Di gi tal Fi l ter Desi gn Scope1

Whi te Noi se

Random i nterrupt

Add

图4-2 FIR数字滤波器的滤波模型 Fig 4-2 Filteration mode of FIR digital filter

故障电压信号与经过滤波后的基波电压信号如图4-3,4-4所示:

图4-3 含有谐波、白噪声和随机干扰的故障 电压信号波形 Fig 4-3 The wave of abnomal voltage including harmonic signal,white noise and random interfere

图4-4 经过FIR滤波后的基波电压信号波形 Fig 4-4 The wave of fundamental voltage after FIR digital filter

由图4-3、4-4可知,FIR数字滤波器有效滤除了故障信号中的各次谐波,白噪声和 随机干扰成分, 滤波性能稳定, 输出了20V、 50Hz的基波电压信号且电压信号没有失真, 但由于受到衰减的作用,输出的电压信号幅度有小幅的降低,幅值近似为18V。在软件 设计中,FIR滤波器提供了6种窗函数,选择合适的窗函数进行设计并结合采样算法就可 以得到很好的滤波效果。

4.2 保护装置采样算法的改进与仿真
4.2.1 导数式算法与误差分析
导数算法只需要知道输入正弦量在某一时刻的采样值和该时刻的导数, 即可算出其
31

第四章 线路保护装置的算法分析

有效值和相位角,该算法假设输入信号是理想的正弦信号,以电压信号 u1 为例, u1 瞬时 表达式为:

u1 ? U ? (1 t ?) U msin m

s ?i 1 n t
co ? s 1 t

(4-5) (4-6) (4-7)

' u1 ??U ( 1 t ?) ? U m c o s? m

u' 2 Um ? u1 2? ( 1 )

2

?

tan ?1t ?

u1? u1'

(4-8)

导数可以通过差分方法获得近似值,设 2 个的采样点电压为 Un?1,Un?1 ,采样时间间 隔为 2 Ts ,第 n 个采样点 un 为这 2 个采样点之间的中点,则 un 的导数即变化率为:
' un ?

1 (un?1 ? un?1 ) 2Ts

(4-9)

据上面推导的公式可以求出 n 时刻 un 的幅度 U n 即:
2 U n ? un ?( ' un

?

)2

(4-10)

un 的瞬时角度 ? 为:

? = arctan

un? ' un

(4-11)

下面分析一下导数式算法的误差。设 U m 为准确的电压幅值, U n 为导数式算法计算 得到的幅值即:
' un ?

1 (un ?1 ? un ?1 ) 2Ts

?

U sin ?Ts cos ?t 1 (U m sin(? (t ? Ts )) ? U m sin(? (t ? Ts ))) ? m 2Ts Ts

(4-12)

U ?u ?(
2 n 2 n 2 m 2

' un

?

)2
(4-13)

U sin 2 ?Ts cos 2 ?t ? U sin ?t ? m (?Ts )2

32

第四章 线路保护装置的算法分析
2 Un sin 2 ?Ts cos 2 ?t 2 ? sin ? t ? 2 Um (?Ts )2

? 1 ? cos 2 ?t (1 ?

sin 2 ?Ts ) (?Ts ) 2

(4-14)

由式(4-18)可知,根据采样值经导数运算得到的幅值 U n 与实际准确值 U m 之间的误差
s s ,当 t ? 0 时,误差最大为 ? )。 率为 ? ? 1 ? 1 ? cos 2 ?t (1 ? sin ?T ) max ? 1 ? 1 ? (1 ? 2 2 ( ? T ) (?Ts ) s
2

sin 2 ?T

导数算法需要的数据窗较短,可以加快保护动作,但是算法包含导数运算,这要求 滤波器有良好的滤去高频分量的能力,同时由于使用差分法近似求导,所以算法的精度 和采样点的数量有关。

4.2.2 实际采用的全波傅立叶算法与仿真
4.2.2.1 全波傅立叶算法的推导 导数式算法是针对理想正弦信号进行计算, 由于故障时的电流、 电压波形畸变很大, 此时不能把它们假设为单一频率的正弦函数, 而应该假设它们是包含各种分量的周期函 数。全波傅立叶算法与导数式算法的区别在于该算法假设采样信号中包含了直流分量、 2 次、3 次、5 次等整数倍谐波分量。全波傅立叶算法是将采样信号展开为基波,直流分 量以及多次谐波,表达形式[37][38]为:
?

x(t ) ? ? ? an cos n?1t ? bn sin n?1t ?
n ?0

(4-15)

根据傅立叶级数的公式可以得到:

2 T x ( t) c o s ? n (1 t ) dt T ?0 2 T bn ? ? x ( t) s i n ? n (1 t ) dt T 0 an ?
将(4-18)式离散化后得到

(4-16)

2 N 2? xk cos nk ? N k ?1 N N 2 2? bn ? ? xk sin nk N k ?1 N an ?

(4-17)

式(4-17)中, N 为一周期采样点数,在本装置的交流采样中, N ? 12,15,18 即采样点逐次 增加。 xk 为第 k 次采样值。当 n ? 1 时,根据式(4-24)求出基波分量系数为:
33

第四章 线路保护装置的算法分析

a1 ?

2 N 2? xk cos k ? N k ?1 N

2 N 2? b1 ? ? xk sin k N k ?1 N
根据式(4-20)可以得到 x(t ) 的基波有效值为:
A1 ? 1 2 a12 ? b12

(4-18)

(4-19)

当 n ? 3 时可以计算出对采样信号干扰较大的 3 次谐波分量为:
2 N 2? xk cos 3k ? N k ?1 N N 2 2? b3 ? ? xk sin 3k N k ?1 N a3 ?

(4-20)

A3 ?

1 a32 ? b32 2

(4-21)

通过上述分析可以得出, 全波傅立叶算法可以很好地滤除直流分量和整数倍的谐波,数据 窗为 1 个周期。 4.2.2.2 衰减直流分量对全波傅里叶算法的影响 但是采样信号一般还包含了衰减直流分量即:

x(t )? a0e
将(4-28)化简,可以得到:

?t

?

? ? ? an c o n? s 1 t ? bn
n ?1

?

s n? in t1?

(4-22)

x(t ) ? a0e ? a0 e ? a0 e
?t

?t

?

? ? ? an cos n? 1 t ? bn sin n? t1?
n ?1

?

?

2 ? ? an ? bn2 [ n ?1 ?

?

an
2 an ? bn2

cos n?1t ?

bn
2 an ? bn2

sin n?1t ]

(4-23)

?t

?

? ? A(n) sin(n?1t ? ? n )
n ?1

2 2 A(n) ? an ? bn

(4-24) (4-25)

? n ? arctan

an bn

将 x(t ) 带入式(4-16),使用积化和差公式,得到:

34

第四章 线路保护装置的算法分析

an ? ?

2 T x(t ) cos(n?1t )dt T ?0

? ?t T 2 T [ ? a0 e ? cos(n? 1 t )dt ? ? (? A(n) sin(n? t1? ? n )) cos(n? t )1dt ] 0 T 0 n ?1

? ?a ? ? ?a ?

2 T ? 1 A(n)[ (sin(2n?1t ? ? n ) ? sin ? n )]dt ? ? T 0 n ?1 2 1 T
?

(4-26)
n

?

T ?

0

? A(n) sin(2n?1t ? ? n )dt ?
n ?1

1 T

? ? A(n) sin ? dt
0 n ?1

T ?

? ?a ? ? A(n) sin ? n
n ?1

同理可得:
bn ? ? a0e
0 ? T ?t

?

sin(n?1t )dt ? ? A(n) cos ? n
n ?1

?

? ?b ? ? A(n) cos ? n
n ?1

(4-27)

由式(4-28)和(4-29)得到, ?a 和 ?b 是衰减直流分量 a0 e Simulink 仿真模型,如图 4-5 所示:
A A N B C B C b c a A B C a b c

?t

?

产生的偏差,使用全波傅

立叶算法对于包含衰减直流分量的信号在计算时会出现误差 [39][40] 。傅立叶算法的

a b c

A B C

A B C N

500kV 3000MVA A B C
C A B

Three-Phase V-I Measurement

100km

1

100km1 2

500kV 3000MVA

Three-Phase Fault

C

A

B

C

A

B

300MW 10MW 10MW

magnitude magnitude

Iabc Scope Terminator From1

signal angle

Vabc From

signal angle

Scope1 Terminator1

Fourier1

Fourier

图4-5 傅立叶仿真模型 Fig4-5 Simulation mode of Fourier

图 4-6 电压基波的幅值 Fig 4-6 Magnitude of voltage fundamental wave

图 4-7 电流基波的幅值 Fig 4-7 Magnitude of current fundamental wave

35

第四章 线路保护装置的算法分析

当设置 2s 的单相接地短路故障后,得到波形如图 4-8,4-9 所示:

图 4-8 单相故障接地时的电压基波幅值 Fig 4-8 Magnitude of voltage fundamental wave under sing phase short circuit fault

图 4-9 单相故障接地时的电流基波幅值 Fig4-9 Magnitude of current fundamental wave under sing phase short circuit fault

由上面得波形图可以看出, 傅立叶算法可以准确计算出电网正常运行和发生短路故 障情况下的电压和电流的幅值。 考虑到导数式算法以及半周积分算法都是针对理想的正弦信号进行计算, 本装置采 用了滤波性能更为优越的全波傅立叶算法, 由于傅立叶算法包含了正弦和余弦函数的计 算,为减少单片机的计算量,提高计算速度,将 12、15 和 18 个采样点的角度所对应的 正弦和余弦值计算出来,直接代入傅立叶算法中求基波和谐波有效值。

4.2.3 FFT 算法与仿真
快速傅氏变换是离散傅氏变换 (DFT) 的快速算法 , 对 FFT 的分析也就是对 DFT 的分析 [34] 。 设 x(n) 是一个长度为 M 的有限长序列,则 x(n) N 点离散傅立叶变换 (DFT) 为:
?j 2? N

X (k ) ? ? x(n)WNnk , k ? 0,1.....N ? 1
n ?0

N ?1

(4-28)

式 (4-28)中, WN ? e

,称为旋转因子或是蝶形因子。对于 N 点时域采样值,经

过 (4-28)计算,可以得到 N 个频谱线。 FFT算法是基于可以将一个长度为N的序列的DFT逐次分解为较短的序列的DFT来 计算的原理。 FFT运用旋转因子 WN 的周期性和对称性来减少DFT的运算量即将DFT化简 为短序列的DFT计算。Matlab环境中编写基2的DFT的FFT程序,对故障信号进行分析。 设采样频率为 f s ? 1024 Hz,信号基波频率 f ? 50 Hz,采样点数为 N=1024, 是 2 的 整数次幂。设故障信号为: ? ? ? ? x(t ) ? 2 ? 3*cos(100? t ? ) ? 1*cos(150? t ? ) ? 5*cos(300? t ? ) ? 4*cos(400? t ? ) 4 2 3 3 (4-29)

x(t ) 包含了 2V 的直流信号,50Hz 基频信号,1.5 次谐波(75Hz),3 次谐波(150Hz)和

4 次谐波(200Hz)。FFT 部分程序如下所示: N=1024; %采样点数 Fs=1024; %采样频率 t=[0:1/Fs:N/Fs]; U=A0+A1*cos(2*pi*F1*t+pi*P1/180)+A2*cos(2*pi*F2*t+pi*P2/180)+A3*cos(2*pi*F3*t+p
36

第四章 线路保护装置的算法分析

i*P3/180)+A4*cos(2*pi*F4*t+pi*P4/180); plot(U); title('故障信号'); figure; Y=fft(U,N); Ayy=(abs(Y)); plot(Ayy(1:N)); title('FFT 值'); figure; Ayy=Ayy/(N/2); Ayy(1)=Ayy(1)/2; plot(F(1:N/2),Ayy(1:N/2)); title('幅值-频率曲线图'); figure; 得到结果如图4-10,4-11所示:
故障信号 15
5 4.5

%故障信号表达式 %显示故障信号

%求取基波与谐波的幅值 %求取直流分量的幅值 %输出频谱图

幅 度 -频 率 曲 线 图

10

4 3.5

5

3 2.5

0

2 1.5

-5

1 0.5

-10

0

200

400

600

800

1000

1200

0

0

100

200

300

400

500

600

图4-10 故障电压信号波形图 Fig4-10 Wave of fault signal

图4-11 FFT 幅度-频率图 Fig4-11 Wave of FFT Magnitude-frequency

由图 4-11 可以看到,FFT 计算并输出了 2V 的直流电压,3V 的 50Hz 基频电压,1V 的 1.5 次谐波(75Hz)谐波, 5V 的 3 次谐波(150Hz), 4V 的 4 次谐波(200Hz)共 5 个频谱线, 误差近似为 0,说明基 2 的 FFT 具有很好的滤波性能。 在本装置中,由于是每周期(20ms)采样 12 个点,实际采样频率为 600Hz,采样点数 N=600,故障电压信号保持不变,FFT 程序计算结果如下图:
故障信号 10 8 6 4 2
3 5 6 幅 度 -频 率 曲 线 图

4

0 -2 -4
1 2

-6 -8
0

0

100

200

300

400

500

600

700

0

50

100

150

200

250

300

图4-12 故障电压信号波形图 Fig4-12 Wave of fault signal

图4-13 FFT 幅度-频率图 Fig4-13 Wave of FFT Magnitude-frequency

FFT 程序准确计算并输出了故障电压信号对应的 5 个频谱线。 当 N 不是 2 的整数次 幂时, FFT 算法仍具有很好的滤波性能,但运算速度会降低。 使用 Simulink 建模仿真 FFT 算法[42], 设置输入信号为包括了 100V 的 50Hz 基频信
37

第四章 线路保护装置的算法分析

号,50V 的直流分量,3 次、4 次和 5 次谐波信号,通过 FFT 模块,可以得到各个信号 分量的幅值和有效值如图 4-14 所示:
50.00 100.00 Fundamental 100V DC=-50 V
F(n) [200x4]

100.00 200.00 0.00 80.00 60.00 20.00 0.00

150.00 300.00 0.00 120.00 90.00 30.00 0.00

200.00 400.00 0.00 160.00 120.00 40.00 0.00 0.00 375.23 200.00 282.84 144.22 317.49

0.00 40.00 30.00
RMS [5x4]

3th harm.40 V

-K-

4

f(k) FFT

10.00 0.00

4th harm.30 V

FFT

0.00 93.81 50.00 70.71
[5x4]

0.00 0.00 Spectrum (harmonics of signals 1 2 3 4) 187.62 100.00 141.42 72.11 158.75 281.42 150.00 212.13 108.17 238.12

5th harm.10 V

36.06 79.37

Shows RMS quantities of signals 1 2 3 4
图 4-14 FFT 仿真模型 Fig 4-14 Multi signal simulation mode of FFT

4.2.4 最小二乘法算法
最小二乘算法是将输入信号按最小二乘方原理进行拟合, 故障信号可以是包含了衰 减直流分量和各次谐波在内的信号,设 x(t ) 为:
x(t )? a0e
?t ?

?

? ? ? an c o n? s 1 t ? bn
n ?1

s n? in t1?

(4-30)

设采样周期为 Ts ,将式(4-30)离散化得到:
x(i )? a0e
? iTs

?

?? a [n
n ?1

?

co n? s( iTs ? bn )

n? si iT n s(

)]

(4-31)

x(i) 代表第 i 个采样点,设 x(i) ? A(i)* X

A(i) ? [e

? iTs

?

,cos(?iTs ),sin(?iTs ), ,cos(n?iTs ),sin(n?iTs )]

(4-32)

38

第四章 线路保护装置的算法分析
? iTs

为了减小运算量同时保证精度, 这里将衰减直流分量 a0e 前 4 项为:

?

按照泰勒级数展开并取

x(i ) ? a0e a0

? iTs

?

? ? [an cos(n?iTs ) ? bn sin(n?iTs )]
n ?1

?

? a a ? a0 ? iTs ? 02 (iTs ) 2 ? 03 (iTs )3 ? ? [an cos(n?iTs ) ? bn sin(n?iTs )] ? 2? 3? n ?1

(4-33)

A(i) ? [1, iTs ,(iTs )2 ,(iTs )3 ,cos(?iTs ),sin(?iTs ), ,cos(n?iTs ),sin(n?iTs )]
X ? [a0 , ?a0

(4-34)

?

,

a0 ?a0 , , a1 , b1 2? 2 3? 3

an , bn ]T

x(i) ? A(i)* X

根据矩阵运算得到:

?1 X? A ( i ) * x( i )

(4-35)

求出 X 就可得到基波的有效值为:
A1 ? 1 a12 ? b12 2

最小二乘法的优点是可以滤除采样信号中任意的暂态分量包括衰减直流分量和整 数次谐波,克服了傅立叶算法无法滤除衰减直流分量的缺点。最小二乘法的精度受到数 据窗大小的影响,数据窗越大,采样点越多,则计算出的结果精度越高。最小二乘法的 精度还受到所计算的谐波分量多少的影响。提高精度意味着运算量的增加,而且最小二 乘法包含了矩阵运算,因此对芯片的处理速度要求很高,适合于 ARM,DSP 等高性能 芯片采用[41]。

4.3 主程序设计
微机线路保护装置的主程序如图 4-15 所示:

39

第四章 线路保护装置的算法分析

系统初始化自检

N

符合故障判断条件?

开启定时器

Y 启动相应保护动作

是否到采样间隔时间? Y 启动A/D数据采样 选择整定区号 N 计算电压,电流,频 率等电参数 整定定值,时限,压 板 保存故障记录

返回

显示各项参数

继续整定? Y 是否进行定值整定? N 定值固化 N

Y

保护算法分析

图 4-15 保护装置主程序流程图 Fig4-15 The flowchart of protection instrument’s main program

线路保护装置的程序使用 C 语言编写,按照不同的功能如显示,A/D,外部中断等, 对程序进行了模块化设计,方便了调试和修改。软件设计分为整定测试部分和故障判断 处理 2 个部分。整定部分是对各种保护定值和时限按照规定的步长和范围进行整定[45]。 本保护装置可以独立整定 10 套保护定值并存储,定值区号为 0-9。测试部分是对时间日 期、电压、电流、频率等关键参数进行测试计算。8 路交流信号通过低通滤波器,进入 MAX125 采样,运用傅立叶算法或最小二乘法对电压,电流的幅值和初相位进行计算。 使用 CPU 的外部中断测量频率和相位角差。故障判断处理程序是根据测试部分得到的 电压、频率等参数,与存储的整定数值进行比较,按照各种故障的判据,进行分析,如 果符合某种故障的条件则马上启动对应的保护动作如报警或跳闸等,并生成故障报告。 本保护装置可以按照时间顺序存储最近发生的 20 个故障报告。
40

第四章 线路保护装置的算法分析

整定测试部分和故障判断处理部分在程序中采用菜单化设计, 通过按键程序实现翻 页、整定、算法选择等,操作和调试都十分方便。

4.4 故障处理与 A/D 交流采样程序设计
故障判断与处理程序是本保护装置软件程序的核心部分, 故障判断程序对进过算法 处理的采样数据,经过保护算法判断,当符合故障判据,则故障处理程序将启动相应的 保护动作,本装置使用MAX125芯片作为采样芯片,在软件设计中,采样频率由定时器T0 来控制, 当模拟信号在过零点处触发上升沿中断时,启动T0定时,T0在 1 产生溢出中断程序,在程序中调用MAX125采样程序开始采样。 采样程序首先要对MAX125芯片的工作模式进行选择,首先启动MAX125管脚
600 ? 0.002s 时

CONVST 1个低脉冲就可启动一次A/D转换。当 CONVST 为上升沿时,模拟信号被采样
保持,检测管脚 INT 输出,一旦出现下降沿表明A/D转换结束。 此时程序将第一组4路 信号的采样值换算为实际值并存储,本装置的采样频率是600Hz,即每周期采样12个点, 那么8路信号的采样数目就很大了,程序中使用 8 ? 12 的矩阵来存储采样值,这些采样值 将使用全波傅立叶算法计算,求出基频信号的有效值以及3次、5次谐波和直流分量。 MAX125 的 A/D 转换结果为 14 位,在读取采样数据时,先读取高 6 位,再读取低 8 位。MAX125 的最大转换值为 3FFF(16383),将采样值转换为实际值的公式为: ADC VIN ? VREF ? (4-36) 16383 故障判断与交流采样流程图如图 4-16(a),(b)所示:

41

第四章 线路保护装置的算法分析

A/D数据采样 全波傅立叶算法 计算基波有效值 频率、相位角等 参数计算 满足故障条件? N
Y

定时器T0每隔 T/12s溢出中断 T0中断程序调用 A/D采样程序 设置MAX125工 作模式 启动第二组 MAX125A/D采样

存储故障时间和 故障参数 启动保护动作或 报警

A/D转换结束?
Y

N

故障判据判断

启动第一组 MAX125A/D采样

CPU读取14位采 样数据
N

满足故障条件?
Y

N

生成故障报告
A/D转换结束?
Y

8路信号采集完毕?
Y

N

保护时限延时 返回

CPU读取14位采 样数据

返回

图 4-16 (a) 故障判断处理程序 Fig4-16(a)The flowchart of fault processing

图 4-16 (b)A/D 交流采样流程图 Fig4-16(b) The flowchart of A/D program

4.5 功率因数计算与 SD2200 计时的程序设计
功率因数是计算有功和无功功率的关键参数,本保护装置计算 U AB 和 I A ,U CA 和 IC 共 2 组电压电流信号的相位角差。第三章硬件电路中介绍了选相芯片 74VHC4052,软 件程序通过设置 74VHC4052 芯片的管脚 A、B 的电平,按照 74VHC4052 的真值表,可 以实现不同相之间的切换。 这里 U AB 连接到 X 0 管脚,I A 连接到 Y0 管脚, U CA 连接到 X1 管 脚, IC 连接到 Y1 管脚,则:

X? ABU A B CU ,A A B ?
式(4-37)对应的真值表为:

_

_

_

? Y

_

_

AB A? I

_

AC B I

(4-37)

表 4-1 74VHC4052 芯片真值表 Tab 4-1 The truth table of 74VHC4052 chip 输入 INH B 1 0 0 X 0 0 A X 0 1 输出 X Y None None UAB IA UCA IC

假设选择 U AB 和 I A ( A ? 0, B ? 0 )进入时,通过方波产生电路将交流信号 U AB 和 I A 分别转 换为方波信号, U AB 进入 CPU 的外部中断 INT6 管脚, I A 进入外部中断 INT7 管脚。程
42

第四章 线路保护装置的算法分析

序设置 INT6 和 INT7 为上升沿触发模式,启动定时器 T1,当管脚 INT6 产生外部中断 的时候,在中断程序中保存 T1 的值为 data1,当管脚 INT7 产生外部中断的时候,在中 断程序中保存 T1 的值为 data2,这样可以得到 U AB 和 I A 的相位角差 ? 为:
(d a t 1 a ? d a2 ta ) ? 2? ( data 1 ? r o u n_ d T d2a) t a ? 2? ( data 1 ?

??

dat 2a )

(4-38)

??

( 0x F F F ? F da 1 ?t a r o u n_ d T

dat 2a )

(4-39)

式(4-38)和(4-39)中的为 round _ T 是周期 T 的定时器值,U AB 和 I A 的周期相同,在理想状 态下 T ? 0.02s 。得到相位角差 ? 就可以得到功率因数即 cos ? 。计算功率因数的程序流 程图如图 4-18 所示。 为实现计时功能, 本装置采用 SD2200 芯片计时, CPU 与 SD2200 芯片之间通过 I2C 总线进行数据和指令读写,I2C 总线传输时序图如图 4-17 所示:
SDA

SCL
起始条件 ADDRESS(1-7) R/W ACK DATA(1-8) ACK

图 4-17 I2C 通信传输时序 Fig 4-17 Time sequence of I2C communication transimission

SD2200 的时间通过液晶屏幕显示出来,程序流程图如图 4-19 所示:

43

第四章 线路保护装置的算法分析

启动定时器T1

设置INT6和INT7 为上升沿触发

设置高低电平 启动4052选相
开启 I C总线
2

是否有外部中断?

N
CPU设置SD2200状 态寄存器

Y
在中断程序中记 录T1的值
N

是否为24小时制? Y

求电压和电流的 外部中断时间差

CPU设置SD2200时 间寄存器

时间差转换为 角度φ

N

时间是否正确? Y CPU读取SD2200时 间寄存器

求出功率因数 cosφ

是否继续选相?

N

液晶显示实时时间

Y

返回

返回

图 4-18 计算功率因数的程序流程图 Fig4-18 The flowchart of power factor calculation program

图 4-19 SD2200 计时程序流程图 Fig4-19 The flowchart of SD2200 program

4.6 液晶显示软件设计
本装置液晶显示部分采用LCM12864ZK芯片,CPU和LCM12864ZK通过同步时钟线 SCLK和串行数据线SID完成数据的传输。设置片选引脚CS为高电平,CPU时钟线发送 时钟信号,数据线发送数据和指令,串口传输时序如图4-20所示:

44

第四章 线路保护装置的算法分析

CS SCLK SID 1 1 1 1 1
RW RS

0

D7 D6 D5

D4

0 0 0 0

D3 D2 D1

D0

0 0 0 0

图 4-20 串口通信传输时序 Fig 4-20 Time sequence ofcommunication transimission

主机连续发送5个1,后面是RW读写选择位,选择为写模式,RS是寄存器选择位,选择 发送的是数据还是指令,首先需要指令来初始化和设置LCM12864ZK内部寄存器,然后 发送数据写入数据寄存器显示,每条数据或指令先发送高4位,在发送低4位[46]。液晶初 始化和显示程序流程图如图4-21,4-22所示:
液晶初始化

屏幕清屏

上电延时40ms
RW=0(写操作)

设定功能,写控制 字30H 延时1ms 再次写控制字30H 延时1ms 设定显示状态 延时1ms 设定光标方向60H
CPU写入8位数据 CPU写入8位控制字

发送至 LCM12864ZK

液晶显示

返回

返回

图 4-21 液晶初始化程序流程图 Fig4-21 The flowchart of LCD initiation program

图 4-22 液晶显示程序流程图 Fig4-22 The flowchart of LCD program

4.7 主菜单的软件设计
主菜单程序主要包括测量计算电压电流等主要参数,实现 10 套定值的整定,检测 开关量状态等功能。本程序将主菜单分为测试、查看、整定、设置、传动、报告 6 个大 的部分。 “测试部分”负责显示电压、电流、频率和时间等; “整定部分”负责定值的整 定和切换; “查看部分”负责显示定值、开关量状态等; “设置部分”负责设置时钟、密 码; “传动部分”负责检查并显示继电器的状态; “报告部分”用于显示故障报告和操作 记录。主菜单程序流程图如图 4-23 所示:

45

第四章 线路保护装置的算法分析

三相电流有效值 测试菜单 三相电压有效值 功率因数 频 率 电流一段保护定值 电流二段保护定值 过负荷保护定值 定值显示 查看菜单 程序版本 开光量输入状态 主程序入口 故障报告菜单 查看故障报告 查看操作记录 零序电流保护定值 后加速保护定值 三相一次重合闸定 值 低频减载保护定值 低电压保护定值 TV断线检测定值

整定菜单

密码输入正确? N

Y

输入整定区号

定值整定 N

整定结束? Y

N 是否固化定值? Y 定值固化成功 定值固化失败

Y

是否切换定值区 N 返回 通讯地址修改

设置菜单

密码输入正确? N

Y

密码修改 时钟修改 告警

传动菜单

选择出口继电器

跳闸 异常 合闸

图 4-23 主菜单程序流程图 Fig 4-23 The flowchart of main menu program

4.8 实验结果分析
4.8.1 波形测试与分析
1. 实验设备 数字式存储示波器 1 台,10kV 线路微机保护装置 1 台。 2. 实验步骤和结果
46

第四章 线路保护装置的算法分析

本保护装置的关键部分是交流采样,通过软件程序实现每周期采样 12 个点。下面 以交流信号 U AB 为例。当 U AB 通过电压互感器之后,进入下一级运算放大器 LF353 和低 通滤波器 TLC04,用数字存储示波器测得 U AB 的波形如图 4-24 所示:

图 4-24 AB 电压经过运放前的波形(黄色)和运放后的波形(蓝色) Fig 4-24 The wave of AC voltage of AB phase before amplifer(yellow) and the wave of AC voltage after amplifer (blue)

由图 4-24 可以发现 U AB 信号通过放大器和滤波器后,波形没有失真,为下一步采样 做好了准备。 在测算相位角差和频率时,需要将 U AB 送入方波产生电路转换为方波,再送入 CPU 外部中断端口,通过软件控制方波的上升沿触发外部中断,计算 2 次上升沿中断的时间 就可得到周期和频率。 U AB 方波信号如图 4-25 所示:

图 4-25 AB 电压波形和其方波信号 Fig 4-25 The wave of AB voltage and its square wave

根据图 4-25 可知,计算 U AB 方波 2 次上升沿的时间差,就可以得到 U AB 频率。考虑到 电网电压的频率有跳变的现象,在软件测算 U AB 频率,可以多次测量频率 f AB ,并对测 量结果使用中位值法来修正频率[42]。为验证软件算法的可靠性和稳定性,在本实验中对 工频 50 Hz 交流信号进行 3 次测算,3 次测得频率分别为 f AB ? 49.98 Hz, f AB ? 50.30 Hz,

f AB ? 49.99 Hz,频率分析表如表 4-2 所示:
表4-2 频率分析表 Tab 4-2 Theanalysis table of frequencyAB 标准频率 实测频率 绝对误差

50 Hz 50 Hz 50 Hz

50.30 Hz 49.98 Hz 49.99 Hz

0.3 0.02 0.01

47

第四章 线路保护装置的算法分析

由表 4-2 可知,测算 f AB 的误差在允许的范围内。达到所要求的精度,频率测量实验图 片详见附录 1。

4.8.2 12 点交流电压采样与全波傅立叶测算实验
1.实验设备 DF1027B 信号发生器 1 台,变压器 1 个,10kV 线路微机保护装置 1 台,经过校 验的数字电压毫伏表 1 个。 2.实验步骤和结果 交流电压采样使用 MAX125 芯片完成,使用全波傅立叶算法计算电压的有效值。 每周期采样 N=12 个点,采样频率 f s ? 600 Hz,根据式(4-20),首先计算全波傅立叶算法 计算有效值的理论精度:

ut ? 2Ut sin ?t
a1 ? ? 2 12 2? uk cos k ? 12 k ?1 12

(4-40)

2 ( 2U T sin 30? cos 30? ? 2U T sin 60? cos 60? ? 2U T sin120? cos120? ? 12 2U T sin150? cos150? ? 2U T sin 210? cos 210? ? 2U T sin 240? cos 240? ? 2U T sin 300? cos 300? ? 2U T sin 330? cos 330?

(4-41)

1 2U T (0.433 ? 0.433 ? 0.433 ? 0.433 ? 0.433 ? 0.433 ? 0.433 ? 0.433) 6 ?0 2 12 2? b1 ? ? uk sin k 12 k ?1 12 1 ? ( 2U t sin 30 sin 30 ? 2U t sin 60 sin 60 ? 2U t sin 90 sin 90 ? 6 2U t sin120 sin120 ? 2U t sin150 sin150 ? 2U t sin 210 sin 210 ? ?
2U t sin 240 sin 240 ? 2U t sin 270 sin 270 ? 2U t sin 300 sin 300 ? 2U t sin 330 sin 330 1 2U t (0.25 ? 0.749 ? 1 ? 0.749 ? 0.25 ? 0.25 ? 0.749 ? 1 ? 0.749 ? 0.25) 6 1 ? 2U t ? 5.996 ? 0.9993 2U t 6 ?

(4-42)

根据公式(4-42),计算 u t 的实际有效值 U 为:

U?

1 1 a12 ? b 12 ? b 2 2

2 1

1 ? 0.9993 2U t ? 0.9993U t 2
48

(4-43)

第四章 线路保护装置的算法分析

U ? 0.9999 ? 99.93% Ut

(4-44)

由式(4-44)可知,计算出的 u t 有效值 U 与 Ut 存在 0.07%误差,使用全波傅立叶算法 计算有效值(12 点)的理论精度为 99.93%,部分程序如下所示: { f_a=(double)(ad_t[0][0]*0.866+ad_t[0][1]*0.5+ad_t[0][3]*(-0.5)+ad_t[0][4]*(-0.866)+ad_t[ 0][6]*(-0.866)+ad_t[0][7]*(-0.5)+ad_t[0][9]*(0.5)+ad_t[0][10]*0.866); %12 点采样计算基波实部系数 a1 f_b=(double)(ad_t[0][0]*0.5+ad_t[0][1]*0.866+ad_t[0][2]*1.0+ad_t[0][3]*0.866+ad_t[0][4] *0.5+ad_t[0][6]*(-0.5)+ad_t[0][7]*(-0.866)+ad_t[0][8]*(-1.0)+ad_t[0][9]* (-0.866)+ad_t[0][10]*(-0.5)); %12 点采样计算基波虚部系数 b1 f_a=0.158*f_a; f_b=0.158*f_b; % 2/12≈0.16,这里为提高精度取 0.158 E_VALUE=0.707*sqrt((f_a*f_a+f_b*f_b)); %计算基波有效值 A1 ? E_VALUE1=(int)(E_VALUE); } 使用信号发生器通过变压器输出 50Hz,94.5V,117V,145.5V 的交流电压信号,变压 器的变比约为 15:1,接入 U AB 端。测得交流电压 U AB 具体数据如表 4-3 所示:
表4-3 U AB 实测电压与显示电压表 Tab 4-3 The table of U AB real voltage and voltage 数字毫伏表测得电压有效值 采样角度 (° ) 94.5V 显示电压有效值 95V 30° 60° 90° 120° 150° 180° +000

1 a12 ? b12 2

电压瞬时值(V) +056 +104 采样角度 (° ) 210° 电压瞬时值(V) -024 30°

+132 +126 +087 270°

240° -101 60°

300° 330° 0° -114 -003 150° 180° -010

-138

120

数字毫伏表测得电压有效值 采样角度 (° ) 117V 显示电压有效值 117V

90° 120°

电压瞬时值(V) +088 +144 +169 +140 +087 采样角度 (° ) 210°

240° 270° 300° 330° 0° -151 -165 -138 -95 +000 180°

电压瞬时值(V) -082 30°

数字毫伏表测得电压有效值 采样角度 (° ) 145.5V 显示电压有效值 146V

60°

90°

120° 150°

电压瞬时值(V) +102 +177 +205 +134 +101 +000 采样角度 (° ) 电压瞬时值(V) 210° -108 240° 270° 300° 330° -200 -215 -179 -055 0°

+002

采样得到的 12 个电压瞬时值代入傅立叶算法公式,计算并显示出电压有效值。通 过比较发现,实际的 U AB 值与测量值有一定的误差,但是相对误差并不大,在 1%以内,
49

第四章 线路保护装置的算法分析

如表 4-4 所示:
表 4-4 U AB 采样电压误差表 Tab. 4-4 Error of U AB sampling voltage 电压值 误差 绝对误差 相对误差 实测电压值 94.5V 实测电压值 117V 显示电压值 95V 显示电压值 117V 0V 0 实测电压值 145.5V 显示电压值 145V

0.5V 0.5%

0.5V 0.3%

U AB ? 219V 时的 12 点交流采样图片详见附录 2。
3.测量误差分析 1) 采用全波傅立叶算法可以有效滤除整数次谐波和直流分量,但是不能滤除衰减 直流分量,如果信号中包含衰减直流分量,则会引起误差,在 4.2 节中已经推导出实部 误差 ?a 和虚部误差 ?b ,解决方法是计算出 ?a 和 ?b ,与傅立叶变换后的基波的实部和 虚部相减即可消除衰减直流分量,或是采用最小二乘法直接滤除衰减直流分量。 2) 线路中电压的跳变导致测量误差,在使用万用表测量交流电压时,会发现电压值 存在跳变,说明输入的电压信号幅值不稳定。 3) 本实验中的采样频率为 f s ? 600 Hz,即每周期采样 12 个点,如果提高精度,则 需要增加采样点数,在下面的实验中,分别采样 15 点和 18 点,精度得到提高。 4) 由于每次采样是在电压方波信号上升沿触发中断(电压信号过零点)时, 开启定时 器设置 12 点采样时间间隔,在定时器溢出中断时开启 MAX125 进行采样,这个过程造 成 MAX125 采样的微小延时,表现在采样过零点处(180° 和 0° )电压幅值不为 0,但实验 数据表明延时对计算有效值影响很小。 使用同样算法可以测算出交流电流 I a 的有效值,使用信号发生器输出 2.0A,50Hz 交流电流信号 I a ,使用全波傅里叶算法计算 I a 基波有效值是 2.1A。

4.8.3 15 点交流电压采样与全波傅立叶测算实验
为进一步提高计算精度,充分利用 ATmega128 单片机的运算处理能力,将采样点 数由原先的 12 个点增加到 15 个点,对交流电压信号进行测算。 1.实验设备 10kV 线路微机保护装置 1 台,经过校验的数字电压毫伏表 1 个,DF1027B 信号发 生器 1 台。 2.实验步骤与结果 使用全波傅立叶算法计算基波电压的有效值。每周期采样 N=15 个点,采样频率

f s ? 752 Hz。首先由公式(4-20)推导全波傅立叶算法 15 点采样的理论精度:

ut ? 2Ut sin ?t

(4-45)

50

第四章 线路保护装置的算法分析

a1 ? ?

2 15 2? uk cos k ? 15 k ?1 15

2 ( 2U T sin 24? cos 24? ? 2U T sin 48? cos 48? ? 2U T sin 72? cos 72? ? 15 2U T sin 96? cos 96? ? 2U T sin120? cos120? ? 2U T sin144? cos144? ? 2U T sin168 cos168 ? 2U T sin192 cos192 ? 2U T sin 216 cos 216
? ? ? ? ? ?

(4-46)

? 2U T sin 240? cos 240? ? 2U T sin 264? cos 264? ? 2U T sin 288? cos 288? ? 2U T sin 312? cos 312? ? 2U T sin 336? cos 336? ?0
b1 ? ? 2 15 2? uk sin k ? 15 k ?1 15

2 ( 2U T sin 24? sin 24? ? 2U T sin 48? sin 48? ? 2U T sin 72? sin 72? ? 15 2U T sin 96? sin 96? ? 2U T sin120? sin120? ? 2U T sin144? sin144? ? 2U T sin168 sin168 ? 2U T sin192 sin192 ? 2U T sin 216 sin 216
? ? ? ? ? ?

(4-47)

? 2U T sin 240? sin 240? ? 2U T sin 264? sin 264? ? 2U T sin 288? sin 288? ? 2U T sin 312? sin 312? ? 2U T sin 336? sin 336? 2 2U T (0.165 ? 0.552 ? 0.905 ? 0.989 ? 0.749 ? 0.346 ? 0.043 ? 0.043 15 ?0.346 ? 0.749 ? 0.989 ? 0.905 ? 0.552 ? 0.165) ? ? 0.9997 2U T
根据公式(4-21)计算 u t 的实际有效值 U 为:

U?

1 1 a12 ? b 12 ? b 2 2

2 1

1 ? 0.9997 2U t ? 0.9997U t 2
U ? 0.9997 ? 99.97% Ut

(4-48)

(4-49)

根据式(4-49)可知,计算出的 u t 有效值 U 与 Ut 存在 0.03%误差,使用全波傅立叶算 法计算电压有效值(15 点)的理论精度为 99.97%,相对于 12 点采样,15 点采样的理论精 度得到了提高,部分程序如下所示: { f_a=(double)(ad_t[0][0]*(0.9135)+ad_t[0][1]*(0.669)+ad_t[0][2]*(0.309)+ ad_t[0][3]*(-0.105)+ad_t[0][4]*(-0.5)+ad_t[0][5]*(-0.809)+ad_t[0][6]*(-0.978)+ad_t[0 ][7]*(-0.978)+ad_t[0][8]*(-0.809)+ad_t[0][9]*(-0.5)+ad_t[0][10]*
51

第四章 线路保护装置的算法分析

(-0.1045)+ad_t[0][11]*(0.309)+ad_t[0][12]*(0.669)+a d_t[0][13]*(0.9136)); %15 点采样计算基波实部系数 a1 f_b=(double)(ad_t[0][0]*(0.4067)+ad_t[0][1]*(0.743)+ad_t[0][2]*(0.951)+ ad_t[0][3]*(0.995)+ad_t[0][4]*(0.866)+ad_t[0][5]*(0.5878)+ad_t[0][6]*(0.208)+ad_t[0] [7]*(-0.208)+ad_t[0][8]*(-0.5878)+ad_t[0][9]*(-0.866)+ad_t[0][10]* (-0.9945)+ad_t[0][11]*(-0.951)+ad_t[0][12]*(-0.743)+ad_t[0][13]*(-0.4067)); %15 点采样计算基波虚部系数 b1 f_a=0.129*f_a; f_b=0.129*f_b; E_VALUE=0.707*sqrt((f_a*f_a+f_b*f_b)); %计算基波有效值 A1 ? E_VALUE1=(int)(E_VALUE*10.0); } 使用信号发生器通过变压器输出 50Hz、95.4V、100.0V、107.2V 的交流电压信号, 接入 U AB 端。测得交流电压 U AB 有效值如表 4-5 所示: 表4-5 U AB 实测电压与显示电压表 Tab 4-5The table of U AB real voltage and voltage
数字毫伏表测得电压有效值 采样角度 (° ) 95.4V 显示电压有效值 95.4V 24° 48° 72° 96° 120° 144° 电压瞬时值(V) +065 +107 +137 +149 +139 +107 采样角度 (° ) 168° 192° 216° -045 360° -010 72° 96° 120° 144° 240° 264° 288° -090 -118 -125

% 2/15≈0.13,这里为提高精度取 0.129
1 2 a12 ? b12

电压瞬时值(V) +060 +008 采样角度 (° ) 312° 336° 电压瞬时值(V) -095 -050 48°

数字毫伏表测得电压有效值 采样角度 (° ) 100.0V 显示电压有效值 100.0V

24°

电压瞬时值(V) +078 +125 +156 +163 +145 +101 采样角度 (° ) 168° 192° 216° -059 360° -010 72° 96° 120° 144° 240° 264° 288° -099 -124 -127

电压瞬时值(V) +039 -021 采样角度 (° ) 312° 336° 电压瞬时值(V) -095 -050 48°

数字毫伏表测得电压有效值 采样角度 (° ) 107.2V 显示电压有效值 107.1V

24°

电压瞬时值(V) +079 +130 +163 +173 +156 +111 采样角度 (° ) 168° 电压瞬时值 (V) +044 192° -023 216° -064 360° -007 240° 264° 288° -107 -134 -135

采样角度 (° ) 312° 336° 电压瞬时值 (V) -100 -050

采样得到的 15 个电压瞬时值代入傅立叶算法公式,计算并显示出电压有效值,对
52

第四章 线路保护装置的算法分析

显示电压与测量电压的误差进行分析,如表 4-6 所示: 表 4-6 U AB 采样电压误差表 Tab. 4-6 Error of U AB sampling voltage
电压值 误差 绝对误差 相对误差 实测电压值 95.4V 显示电压值 95.4V 实测电压值 100.0V 显示电压值 100.0V 0 0 实测电压值 107.2V 显示电压值 107.1V

0 0

0.1V 0.09%

15 点采样所计算的有效值的最大误差为 0.1V,小于 12 点采样的误差 0.5V,而且算 法性能稳定。

4.8.4 18 点交流电压采样与全波傅立叶测算实验
最后将采样点数由 15 点增加到 18 点,对交流电压信号进行测算。 1.实验设备 10kV 线路微机保护装置 1 台,经过校验的数字电压毫伏表 1 个,信号发生器 1 台。 2.实验步骤与结果 交流电压采样使用 MAX125 芯片完成,使用全波傅立叶算法计算基波电压的有效 值。每周期采样 N=18 个点,采样频率 f s ? 909 Hz。首先通过公式(4-20)推导全波傅立叶 算法 18 点采样的理论精度, 按照上述的方法计算得到 18 点采样计算得到的电压有效值 理论精度约为 99.99%。 具体程序如下所示: { f_a=(double)(ad_t[0][0]*(0.9397)+ad_t[0][1]*(0.766)+ad_t[0][2]*(0.5)+ ad_t[0][3]*(0.17365)+ad_t[0][4]*(-0.17365)+ad_t[0][5]*(-0.5)+ad_t[0][6]* (-0.766)+ad_t[0][7]*(-0.9397)+ad_t[0][8]*(0.0)+ad_t[0][9]*(-0.9397)+ ad_t[0][10]*(-0.766)+ad_t[0][11]*(-0.5)+ad_t[0][12]*(-0.17365)+ad_t[0][13]* (0.17365)+ad_t[0][14]*(0.5)+ad_t[0][15]*(0.766)+ad_t[0][16]*(0.9397)+ ad_t[0][17]*(0.0)); %18 点采样计算基波实部系数 a1 f_b=(double)(ad_t[0][0]*(0.342)+ad_t[0][1]*(0.642788)+ad_t[0][2]*(0.866)+ ad_t[0][3]*(0.9848)+ad_t[0][4]*(0.9848)+ad_t[0][5]*(0.866)+ad_t[0][6]* (0.64279)+ad_t[0][7]*(0.342)+ad_t[0][8]*(0.0)+ad_t[0][9]*(-0.342)+ ad_t[0][10]*(-0.64279)+ad_t[0][11]*(-0.866)+ad_t[0][12]*(-0.9848)+ ad_t[0][13]*(-0.9848)+ad_t[0][14]*(-0.866)+ad_t[0][15]*(-0.64279)+ ad_t[0][16]*(-0.342)); f_a=0.106*f_a; %18 点采样计算基波实部系数 b1 % 2/18≈0.11,这里为提高精度取 0.106
53

第四章 线路保护装置的算法分析

f_b=0.106*f_b; E_VALUE=0.707*sqrt((f_a*f_a+f_b*f_b)); E_VALUE1=(int)(E_VALUE*10); sei(); } 使用信号发生器通过变压器输出 50Hz、95.4V、100.0V、107.2V 的交流电压信号, 接入 U AB 端。测得交流电压 U AB 有效值如表 4-7 所示:
表4-7 U AB 实测电压与显示电压表 Tab 4-7 The table of U AB real voltage and voltage 万用表测得电压有效值 95.8V 显示电压有效值 95.8V 采样角度 (° ) 20° 40° 60° 80° 100° 120°

电压瞬时值(V) +062 +088 +120 +138 +137 +119 采样角度 (° ) 140° 160° 180° -022 300° -115 60° 200° 220° 240° -047 320° -085 -084 -116

电压瞬时值(V) +081 +046 采样角度 (° ) 260° 280° 电压瞬时值(V) -130 -132 40°

340° 360° -045 -010

万用表测得电压有效值 100.6V 显示电压有效值 100.6V

采样角度 (° ) 20°

80° 100° 120°

电压瞬时值(V) +063 +109 +126 +145 +145 +126 采样角度 (° ) 140° 160° 180° -022 200° 220° 240° -049 -087 -122

电压瞬时值(V) +105 +049 采样角度 (° ) 260° 280° 电压瞬时值(V) -140 -137 40°

300° 320° 340° 360° -122 60° -090 -045 -008

万用表测得电压有效值 107.3V 显示电压有效值 107.3V

采样角度 (° ) 20°

80° 100° 120°

电压瞬时值(V) +075 +120 +150 +171 +170 +148 采样角度 (° ) 140° 160° 180° -013 300° -132 200° 220° 240° -057 320° -101 -103 -142

电压瞬时值(V) +118 +055 采样角度 (° ) 260° 280° 电压瞬时值(V) -150 -149

340° 360° -052 +008

采样得到的 18 个电压瞬时值代入傅立叶算法公式,计算并显示出电压有效值,通 过 4-7 可知,18 点采样所计算出的电压有效值的误差为 0。 在实验中发现,使用 18 点采样计算有效值时,装置会出现频率测算不准的情况, 频率会在 47Hz~52Hz 的范围内跳变,装置的时间可以正常显示,通过多次测算,频率 也可以达到 50.02Hz 。这个现象说明 18 个采样点的计算量偏大,所以影响了其它参数 的测算,也就是说明,在保证本装置其它功能的前提下,18 点采样的全波傅立叶算法已 经到了 ATmega128 单片机的数据处理上限。3 种采样点性能对比如表 4-8 所示:
54

第四章 线路保护装置的算法分析

表4-8 采样点性能对比表 Tab 4-8 The table of sampling points performance comparition 指标 理论精度 运算量 稳定性 采样点 12 15 18

99.93% 99.97% 99.99%

小 一般 大

一般 好 很好

根据表 4-8 得出结论,在使用 ATmega128 作为 CPU,MAX125 作为采样芯片的硬件条 件下,为保证装置的其它功能,使用全波傅立叶算法计算电参量有效值的最佳采样点应 是 15 个。

4.8.5 3 次、5 次谐波和直流分量的测算实验
谐波是造成线路故障的主要原因之一,例如谐波电压可以使电网电压发生畸变,造 成过电压故障,谐波电流在线路表面流动,引起线路过负荷运行,同时谐波干扰还会引 起继电保护装置误动作, 使用全波傅立叶算法测算得到的谐波电压以及谐波含有量对于 判断线路故障,分析电网电压质量起着重要作用。 全波傅立叶算法的优点在于可以有效滤除整数倍谐波分量, 在本实验中使用全波傅 立叶算法计算市电 U AB 的 3 次、5 次谐波电压和直流分量。 1.实验设备 10kV 线路微机保护装置 1 台,万用表 1 个,数字式存储示波器 1 台。 2.实验步骤与结果 首先测算 3 次谐波。 根据公式(4-22),(4-23),编写全波傅立叶算法程序, 计算市电 U AB 中干扰较大的三次谐波电压的有效值,并与基波电压有效值比较,具体程序如下所示: { f_a3=(double)(ad_t[0][0]*0.0+ad_t[0][1]*(-1.0)+ad_t[0][3]*(1.0)+ad_t[0][4]*0.0+ad_t[0][7] *(1.0)+ad_t[0][9]*(-1.0)); % 12 点采样计算 3 次谐波实部系数 a3 f_b3=(double)(ad_t[0][0]*1.0+ad_t[0][2]*(-1.0)+ad_t[0][4]*1.0+ad_t[0][6]*(-1.0)+ad_t[0][8] *(1.0)+ad_t[0][10]*(-1.0)); %计算 3 次谐波虚部系数 b3 f_a3=0.158*f_a3; % 2/N≈0.16 f_b3=0.158*f_b3; har3_VALUE=0.707*sqrt((f_a3*f_a3+f_b3*f_b3)); %有效值 A ? 1 a 2 ? b 2 3 3 3 2 har3_VALUE1=(int)(har3_VALUE); BI_LI= (har3_VALUE/E_VALUE)*100; BI_LI1=(int)(BI_LI); } 使用上面程序在 5 月 19 日下午 3 点和晚上 10 点分别进行 3 次谐波的测算, 观察谐
55

%3 次谐波电压含有率 A3 %
A1

第四章 线路保护装置的算法分析

波含有率的变化,得到实验结果如表 4-9 所示:
表 4-9 3 次谐波实验分析表 Tab 4-9 The experimental analysis table of 3th harmonic wavs 时间 下午 3 点 晚上 10 点 万用表测电压值 213V 216V 显示电压值 213V 216V 频率 3 次谐波电压 12V 8V 3 次谐波含有率 5.0% 3.0%

49.99 Hz
49.98 Hz

实验结果表明,用电高峰期的电网电压会下降到 220V 以下,3 次谐波的含有率也 较高,这也说明了 3 次谐波对电网的干扰较大,而且晚上测得的谐波含有率要低于下午 测得的谐波含有率,这是由于昼夜线路中的负载变化造成的。使用相同的算法可以进一 步计算出市电 U AB 中 5 次谐波及其含有率,在 5 月 20 日上午 10 点和晚上 10 点分别测 算 5 次谐波电压值,测得实验结果如表 4-10 所示:
表 4-10 5 次谐波实验分析表 Tab 4-10 The experimental analysis table of 5th harmonic wavs 时间 上午 10 点 晚上 10 点 万用表测电压值 219V 218V 显示电压值 220V 218V 频率 5 次谐波电压 7.0V 5.0V 5 次谐波含有率 3.0% 2.0%

49.97 Hz 49.99 Hz

实验数据表明,5 次谐波的含量比 3 次谐波低,实验同时证明使用全波傅立叶算法 能有效滤除整数次谐波干扰,对于更高次谐波可以使用滤波器直接滤除,3 次和 5 次谐 波测算图片详见附录 3 和 4。 最后用全波傅立叶算法测算市电 U AB 中直流分量,实验结果如表 4-11 所示:
表 4-11 直流分量实验分析表 Tab 4-11 The experimental analysis table of DC value 万用表测电压值 214V 显示电压值 214V 频率 49.96Hz 直流电压 2.0V

可以计算出市电中直流电压是 2.0V,在市电中的含有率约为 0.9%。

4.8.6 定值整定和时钟实验
本继电保护装置可以独立整定和存储 10 套保护定值, 通过按键实现定值区的切换。 1.实验设备 10kV 线路微机保护装置 1 台。 2.实验步骤和结果 本装置在软件设计中,可以通过按键浏览和切换定值区,如果要实现整定定值,则 需要输入密码才可进入。软件程序中的 4 位密码输入,定值区切换,定值整定等功能需 要按键操作完成,本装置有 6 个按键,按键功能如表 4-12 所示:

56

第四章 线路保护装置的算法分析

表 4-12 按键-功能对照表 Tab 4-8 Key-function comparision table 按键 功能 4 位密码输入 定值区切换 定值整定 + Key1 Key2 Key3 Key4 Key5 Key6

? ?

? ?

取消 取消 取消

确定 确定 确定

? ?/+

? ?/-

在表 4-12 中, “? ” 代表向上翻页, “ ? ”代表向下翻页, “ ?”代表光标左移, “ ?” 代表光标右移, “ +”代表加法操作, “-”代表减法操作。定值整定的具体程序如图 4-26 所示:
整定菜单显示

是否整定定值?

N

Y
输入4位密码

密码是否正确?

N

Y
选择定值区

保护定值整定

N
是否保存新的定值?

Y
定值固化

返回

图 4-26 整定程序流程图 Fig4-26 The flow chart of setting program

在 4 位密码设置程序中,首先进入密码设定页面,按 Key6 确定,开始输入密码, 首先设置第 1 位密码,按 Key1 和 Key2 执行加减法操作,设置数据,之后按 Key4,这
57

第四章 线路保护装置的算法分析

时开始设置第 2 位密码,同样使用 Key1 和 Key2 进行加减法运算,设置数据,之后按 Key4 继续设置第 3、4 位密码,如果前面的密码设置有误,按 Key3 返回前一位密码, 重新设置,当密码设置完成后,按 Key6 确定,如果取消密码设置,按 Key5 返回显示 菜单, 在程序中初始密码显示为 9999, 正确密码必须输入 1234 才能进入定值整定部分。 定值整定程序中,先输入密码,密码输入正确后,进入整定程序,按 Key1 和 Key2 进行定值区的切换和显示,当对某个定值区进行整定时,按 Key6 确定,然后按 Key3 和 Key4 左右移动选择需要整定的数据, 根据规定的整定步长, 按 Key1 和 Key2 进行加 减法的操作,整定完毕后按 Key6 确定则保存新的定值,按 Key5 则取消保存。整定菜 单和整定数据详见附录 5。 设置完保护定值和时限等参数,根据第二章中所描述的保护算法编写保护算法,将 采样得到的数值与保护定值比较,当满足故障发生的条件时,经过保护时限延时,启动 相应的保护动作并生成故障报告。 本装置采用 SD2200 时钟芯片用于计时,在北京时间 5 月 10 号 9 点 12 分整开机运 行程序,液晶屏幕显示为 5 月 10 号 9 点 12 分 03 秒,误差为 3 秒,基本可以准确记录 当前时间。当 SD2200 计时与当前时间出现较大的偏差时,可通过软件写入相应的时间 寄存器对时间进行校正。

4.9 本章小结
本章首先分析了继电保护常用算法如导数算法,傅立叶算法,FFT 算法,最小二乘 法等,并对每种算法的滤波性能和存在的误差进行了研究,通过 MATLAB 编程对 FFT 算法进行仿真,通过 Simulink 建模对傅立叶算法进行仿真,观测了算法的滤波效果。同 时本章对 A/D 采样,选相等关键模块的软件设计给出了详细的流程图,在实验部分,以

U AB 为例,用示波器测量了其在各阶段的波形,使用全波傅立叶算法准确计算了 U AB 的
频率和有效值,并利用全波傅里叶算法可滤除整数次谐波的特点,计算出了市电中 3 次、 5 次谐波分量以及直流分量,对本装置的定值整定程序和时钟程序也做了实验,验证了 本装置设计的可靠性。

58

第五章

线路保护装置的通讯模块设计

第五章 线路保护装置的通讯模块设计
本装置采用RS-485通信接口,波特率为9600b/s,8个数据位,1个停止位,无效验方 式。

5.1 RS-485 通信接口电路
本保护装置的 RS-485 硬件接口电路如图 5-1 所示:

485通讯
PD1 RXD PD2 RTX PD3 TXD RX9 4.7K

VDD VCC UX2 1 VDD RX6 6N137 1 UX3 VCC RX10 1K 6N137 1 UX4 VCC RX11 1K 6N137 4.7K 12VG 4.7K 1K UX1 1 2 3 4 RO RE DE DI DS485 VCC B A GND 8 7 6 5 12VG RX5 12VG VDD RX8 RX3 3.3K 20Ω 485-A VDD RX2 120Ω DX2 5.1V RX1 3.3K RX4 20Ω 485-B DX1 5.1V

ATmega128

VDD RX7

上位机

12VG

图5-1 RS-485通信接口电路 Fig5-1 The communication interface circuit of RS-485

RS-485通信接口电路中采用了MAX485芯片, MAX485芯片的工作电压为5V,速率为 2.5Mbps,节点数为32个。 如图5-1所示,MAX485的RO和DI管脚分别为接收器的输出和 驱动器的输入端,RO与ATmega128芯片的RXD管脚连接,DI与TXD管脚连接,/RE和 DE端分别为接收和发送的使能端。MAX125与ATmega128连接时采用光电耦合器,提高 了信号的抗干扰能力。 由于RS-485接口是半双工通信,在使用中将/RE和DE连接起来并接到ATmega128的 RTX管脚,当/RE和DE端相连为低电平时,MAX485处于接收状态,当/RE和DE端相连为 高电平时,MAX485处于发送状态。

5.2 Modbus 通信规约
Modbus协议建立在主,从结构的基础之上,主机构建并发送查询数据帧,启动一次 通信过程,所有的从机都将查看数据帧中的地址.如果与本机地址一致,就发送应 答数据帧给主机
[26][27]

。若主设备发出的消息不是给本设备的,则从机不做任何处理[48]。

59

第五章

线路保护装置的通讯模块设计

5.3 Modbus RTU 通信传输模式
本装置使用Modbus协议的RTU模式,该模式采用字节数据传输,CRC校验,数据帧 中的8位包括两个4位16进制字符, RTU模式消息结构如表5-1所示:
表5-1 RTU模式的消息结构 Tab5-1The information frame of RTU mode 开始 T1-T2-T3-T4 从机地址 8bits 功能码 8bits 数据域 n*8bits CRC 结束

16bit T1-T2-T3-T4

消息帧中的功能码定义了从机需要执行的功能, 消息帧中的数据区根据不同的功能 码而不同的, 主机的数据区可以是寄存器长度或者要读/写的从设备内部存储单元起始地 址等, 从机的数据区可以是寄存器存储的数据量和地址等。 Modbus中的功能码在本装置 中的对应功能如表5-2所示:
表5-2 Modbus功能码的对应功能 Tab 5-2 The function of Modbus protocol standard code 定义 01 02 03 03 03 03 03 04 05 06 06 06 10 10 功能码 读取线圈状态功能 读取外部继电器状态功能 读取电压,电流采样值功能 读取频率功能 读取定值和时间功能 读取故障报告功能 读取操作记录功能 读取上位机通信信息功能 写线圈状态功能 写开关量状态功能 写频率功能 写通信信息功能 写装置时间功能 写整定定值功能

对于主控制器,消息发送至少要以3.5个字符时间的停顿间隔开始。传输的第1个字 节是从机地址, 如果地址正确, 该从机将处理消息帧, 对收到的功能码、 数据段进行CRC 校验,如果校验结果与消息帧中的CRC校验码相同,则表示通信正常,否则从机请求主 机重发命令帧。主机发送功能码为05H的消息帧即读取上位机信息指令,格式如表5-3 所示:
表5-3 功能码05H的主机消息帧格式 Tab5-3 The information frame mode with function code 05H of master 从机地址 xxH 功能码 05H 寄存器地址起始 xxH 寄存器长度 n CRC低字节 xxH CRC高字节 xxH

60

第五章

线路保护装置的通讯模块设计

从机发送功能码为05H的消息帧格式如表5-4所示:
表5-4 功能码05H的从机消息帧格式 Tab5-4 The information frame mode with function code 05H of slave 主机地址 功能码 xxH 05H 数据字节数 数据n低字节 数据n高字节 CRC低字节 CRC高字节 2n xxH xxH xxH xxH

5.4 Modbus 通信程序设计
5.4.1 Modbus 主机通讯程序设计
主机在接收到从机的消息帧后,对该消息帧进行CRC校验和功能码识别,主机通信 流程图如图5-2所示:
开启定时器

N

功能码=01H? 帧间隔时间到?

Y

读取线圈状态

N
功能码=02H?

Y
继续接收 关闭定时器 计算消息帧的CRC 功能码=03H? CRC校验通过?

Y

读取外部继电器 状态

N Y
读取各种电参 数和定值

N N
功能码=04H?

N Y
从机异常回应?

Y

读取上位机信息

N
功能码=05H?

Y
主机重发消息帧 CRC校验错误 请求从机重发

Y

写线圈状态

N
功能码=06H?

Y
写单一模拟量

N
功能码=10H?

Y
写一组模拟量 正常接收

返回

图5-2 主机通信程序流程图 Fig5-2 The flow chart of master communication program

5.4.2 Modbus 从机通讯程序设计
从机负责接收主机的消息帧,实现功能码所要求的操作,并将结果返回到主机。在
61

第五章

线路保护装置的通讯模块设计

接收主机发来的消息帧时,采用定时器中断方式,保证实时性接收并且在中断处理函数 中不应该进行大量运算。本保护装置采用的波特率为9600,设置串口速率为3倍波特率 即28800bps,那么3.5字节的帧间隔时间为: 1 T? ?8? 3 . ? 5 28800

0. ms 97

(5-1)

每当接收到 1 个新的字节,就启动定时器开始计时,当达到最大消息帧间隔时,定时器 中断,从机开始处理接收到的消息帧。从机的程序设计流程图如图 5-3 所示:
开启定时器

N
继续接收 是否到最大帧间隔时间? 支持功能码?

N

Y
定时器中断

Y
执行功能码功能

消息帧数据处理

发送正常响应帧

异常回应请求主 机重发消息帧

不做应答

N

从机地址正确?

Y N
CRC校验通过?

Y N
异常回应请求主 机重发消息帧 帧长度大于4个字节?

Y

返回

图 5-3 从机通信程序流程图 Fig5-3 The flow chart of slave communication program

本章小结
本章介绍了本保护装置所使用 RS-485 通信接口电路和 Modbus 通信规约,分析了 Modbus/RTU 通信的消息帧格式,计算出帧间隔时间,最后通过程序实现了主机与从机 的通信。

62

第六章

总结与改进

第六章 总结与改进
本文在充分了解国内外继电保护的研究现状以及目前微机继电保护技术发展趋势 的基础上,设计了 10kV 数字微机线路保护装置,该装置集测量,计算,故障判断,保 护动作,信号远传等多种功能于一身,能够满足目前输电线路的保护要求。硬件和软件 的设计工作总结如下: 1.在硬件方面,CPU 采用了 ATmega128 芯片,该芯片负责数据处理,故障判断以 及启动相应的保护动作,并生成故障报告上传。交流采集信号芯片选用 MAX125,完成 8 路信号的采集,为滤除谐波,在采集信号之前,选用 TLC04 低通滤波器滤波。在计算 相位角和频率等参数时,硬件采用 74HVC4052 芯片进行三相选相功能。保护装置具有 8 路开关量输入和 6 路开关量输出电路,电路采用了光电耦合器件,提高信号的抗干扰 能力。通讯电路采用 RS-485 通信接口。 2.在软件设计方面,使用 C 语言编程,按照程序功能进行模块化设计,方便调试 和修改,对交流采样数据进行全波傅立叶算法计算有效值,使用外部中断计算频率和相 位角,根据各种线路故障的判据,实现故障判断和启动保护动作。显示部分采用菜单化 设计,通过按键进行翻页浏览,定值整定,查看故障报告等功能。 3.通信部分采用 RS-485 物理通信接口,Modbus 通信规约,组网方便,可直接与 上位机通信。 改进意见如下: 1.考虑到交流信号中包括各次谐波以及直流衰减信号,为得到更准确的采样数据, 建议使用更完善的算法如改进傅立叶算法和最小二乘法进行数据处理。 2.ATmega128 芯片具有很高的稳定性和可靠性,但是为了提高运算速度和数据处 理能力,建议使用 ARM9 或是 DSP 芯片[ [49],进一步提高保护装置性能。 3.选择更好的低通滤波芯片,提高装置滤除高次谐波干扰的能力,目前使用的 TLC04 是 4 阶 Butterworth 低通滤波器,可以使用衰减速度更快的 ChebyshevType II 滤 波器。 4.在算法中,为提高保护装置的应用范围,尤其是对地下电缆的故障检测,可以 考虑在算法中加入故障测距算法。

63

参考文献

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66

附录




U

t0 T

t1

t

附图 1 频率测量实验 f AB ? 49.98Hz

U(V)

60°

90°

120° 150° 180° 0° t(ms) 330° 300° 270°

0

30° 210° 240°

附图 2 U AB ? 219V 时的 12 点交流采样

附图 3 3 次谐波电压的测算

67

附录

附图 4 5 次谐波电压的测算

附图 5 定值整定实验

附图 6 线路保护装置整机

68

附录





衷心感谢我的导师海涛老师 3 年来对我的和精心培养, 他给我提供了良好的实验条 件,在论文的选题和研究过程中,海老师深厚的理论知识和新颖独特的思路使我受益匪 浅,本文是在海老师悉心指导下完成的。海老师的言传身教是我三年研究生学习和生活 的宝贵财富,使我终生受益! 感谢我的父母、感谢我的亲朋好友,他们为我的学业倾注了很多的心血,是他们多 年以来的关心、支持和帮助让我不断地成长! 感谢南宁微控技术有限公司的骆老师为我的毕业设计提供硬件方面的支持, 感谢我 的同门和实验室所有同学对我的帮助!





本人郑重声明:所呈交的学位论文,是本人在导师指导下,独立进行研究工 作所取得的成果。尽我所知,除文中已经注明引用的内容外,本学位论文的研究 成果不包含任何他人享有著作权的内容。对本论文所涉及的研究工作做出贡献的 其他个人和集体,均已在文中以明确方式标明。



名:



期:

69

附录

攻读学位期间发表的学术论文
[1] 海 涛 , 王 立 元 , 骆 武 宁 . 三相晶闸管投切电容器动态参数的研究.自动化与仪表. 2009 年第 5 期. [2] 王立元. 预测控制与综合自动化. 天津科技. 2007 年第 5 期 [3] 王立元. 网络化控制系统分析.天津科技. 2007 年第 6 期

70


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