【正文】 C52 是美國 ATMEL 公司生產的低電壓、高性能 8 位 CMOS 單片機，器件采用 ATMEL 公司的高密度、非易失性存儲技術生產，與標準 MCS51 指令系統(tǒng)和8051 引腳兼容，片內置通用 8位中央處理器 (CPU)和 flash 存儲單元，功能強大，適合應用于復雜控制場合。 28 因為裝置采集的模擬量主要是電壓和電流，而電壓和電流在發(fā)生故障時會產生高次諧波，所以在設計中采用了一個二級 RC 低通濾波電路用來濾除三次及三次以上的諧波分量，裝置的采樣頻率為 600Hz，根據(jù)奈奎斯特采樣定理， RC 濾波電路截止頻率選擇為 130HZ，并由此可以確定 RC 濾波電路的參數(shù) R=，C=。 系統(tǒng)硬件基本結構設計框圖 系統(tǒng)的硬件電路設計主要包括低通濾波和數(shù)據(jù)采集電路、單片機及擴展外圍電路、按鍵和液晶顯示電路 及出口控制電路，整個系統(tǒng)的硬件結構設計框圖如圖 所示。 通過 RBF 神經網(wǎng)絡算法的濾波仿真，可以得出結論， RBF 神經網(wǎng)絡是局部逼近型網(wǎng)絡，能以任意精度逼近給定的非線性映射，可以避免算法中繁瑣、冗長的計算以及局部最小陷阱的困擾，而且 RBF 網(wǎng)絡的速度很快，隱層節(jié) 點的數(shù)目也在訓練過程中確定，因此可以得到最優(yōu)解。 7．將訓練結果和仿真結果導出工作區(qū)，在 GUI主窗口中單擊 Export 按鈕彈出對話框，將 filter— outputs、 filter— errors、 w 三個變量導入到工作區(qū)。 3．回到 GUI 主窗口，單擊 NewNetwork 按鈕，打開新建網(wǎng)絡對話框，將新建網(wǎng)絡名字命名為 filter,網(wǎng)絡類型 (Network Type)選擇 Radial basis(exact fit)， Spread constant 改為 ，其它選項都采用默認。因此我們采用 RBF 算法濾掉高次諧波。如圖 所示。由于這些功能，將神經網(wǎng)絡應用于信號處理、自動控制、人工智能等方面已經有很多研究，下面將著重討論以 RBF 算法為代表的神經網(wǎng)絡在電力系統(tǒng)濾波中的應用。數(shù)字濾波是通過采樣和模數(shù)轉換變?yōu)閿?shù)字量后，進行某種數(shù)字處理以去掉信號中的無用部分，實際上，在微機保護中討論的數(shù)字濾波通過執(zhí)行一段程序達到濾波的目的，不需要增加任何附加硬件。 此外，在發(fā)生單相接地短路故障時，線路中的零序電流發(fā)生了變化，如圖 所示。 21 在 圖 中，當 開始發(fā)生故障時，故障點 A相對地電壓 au 變?yōu)?0， B、C兩相對地電壓 ,bcuu上升為原來的 倍左右。 從圖 3． 4 可以看出，單相接地短路故障對于電源輸出端的線電流影響很小。測量選項 (Measurement)中選擇測量故障點支路電壓和支路電流，因為小接地電流系統(tǒng)發(fā)生單相接地短路時，由于故障點電流很小，而且三相之間的線電壓仍然保持對 稱，所以對負荷的供電沒有影響，因此，在一般情況下都允許再繼續(xù)運行 l2 小時，但是在此期間，故障點其他兩相對地電壓就要升高 3 倍，為了防止故障進一步擴大造成兩點或多點接地短路，應該及時發(fā)出信號，以便運行人員查找發(fā)生故障的線路，采取措施予以消除，另外發(fā)生單相接地短路時，線路中的零序電流發(fā)生變化，所以在模型中還要用到一個三相序分量分析元件 (3PhaseSequenceAnalyzer)來分析線路中零序電流的變化，在三相序分量分析參數(shù)對話框中將序量選擇 (Sequence)選為零序分量 (Zero)，另外，還需要三個示波器，兩個萬用表，還有接地元件，節(jié)點等。 系統(tǒng)建模及參數(shù)調節(jié) 本章通過仿真軟件 MATLAB 對電力系統(tǒng)中恒定電壓源輸電線路的單相接地短路故障進行仿真分析，恒定電壓源電路短路模型如圖 3． 1所示。對一次設備 進行監(jiān)視、測量、控制和保護的設備稱為電力系統(tǒng)的二次設備。 17 3 電力系統(tǒng)故障分析和基于神經網(wǎng)絡的非線性濾波 在第二章中重點設計了 35KV 線路保護的功能配置方案和判據(jù)，所有的保護功能都是為了處理在輸電線路上可能出現(xiàn)的各種類型的故障。 2．傅氏算法具有濾波作用，可以消除恒定的直流分量和整次諧波分量，但是不能消除衰減的直流分量，在最嚴重的情況下，由衰減直流分量造成的傅氏算法的計算誤差達到 10％以上，因此，必須采取措施給予補救。 基于多次諧波的周期函數(shù)算法 傅氏算法 任何一個周期函數(shù)，都可以分解成直流分量和各次諧波分量的和，其表達式為 X(t)=0n???[bncosnω 1t+ansinnω 1t] 其中， n=O、 l、 2???， an、 bn為各次諧波正弦和余弦的幅值， ω 1為基波的角頻率，各次諧波的實部和虛部可以通過式 (211)和式 (212)計算： an=2T10 ( )sinT x t n tdt?? (211) bn=2T10 ( ) cosT x t n tdt?? (212) 進一步推導可得到： an=2N 112sinN KK X kn N???? (213) bn=2N 112cosN KK X kn n???? (214) 其中， N為一個周期的采樣點數(shù)，根據(jù) n取不同值時，可以根據(jù)式 (215)和(216)求得各次諧波的幅值和相角： 22n n nX a b?? (215) 14 arctan nnba?? (216) 在線路微機保護系統(tǒng) 的算法設計中需要的是基波分量，就是當 n=l 時的分量，當每個周期采樣 12 個點時，式 (213)和 (214)可以寫成式 (217)和式(218)： 6al=(X3X9)+12（ X1+X5X7X11） + 32 (X2+X4X8X10） (217) 6bl=(X12X6)+ 12 （ X2+X10X4X8） + 32 （ X1+X11X5X7） (218) 由式 (215)、 (216)、 (217)、 (218)可以方便的計算基波的幅值和相角，這種計算方法的數(shù)據(jù)窗為一個周期，因此它的反映速度比較慢，數(shù)據(jù)窗為一個周期的傅氏算法稱為全波傅氏算法，我們利用正弦函數(shù)和余弦函數(shù)的性質，可以只取半個采樣周期來計算，這樣可以提高響應速度，數(shù)據(jù)窗為半個周期的傅氏算法為半波傅氏算法。 當系統(tǒng)中有多條線路存在時，每條線路上都有對地電容存在，當其中一條線路 A 相發(fā)生單相接地故障時，整個系統(tǒng)的 A相對地電壓都為 0，所以 A 相的對地電容電流為 0，在非故障線路上， B 相和 C 相流有本身的電容電流，因此，在線路的始 端反應的零序電流為 13 0x bx cxI I I?? (210) 其有效值是 03xI = 03UC?? ，就是該線路本身的電容電流，該電容電流的方向為母線流向線路。接線方式后，當保護安裝處附近發(fā)生兩相相間短路時，有兩相輸入保護的電壓中含有非故障相電壓，而非故障相電壓不變，故障相電壓降低，所以輸入保護裝置的電壓仍然很高，這樣就消除了保護的死區(qū)，當保護安裝處附近發(fā)生三相短路時，因為輸入保護的電壓都很低，但是在故障前瞬間這些值都很大，所以可以利用微機保護的記憶功能來使輸入電壓的幅值增大而保持故障電壓的相位特征，從而可以消除死區(qū)。接線的方式接入保護，所謂 90176?！?arg /jjUI≤ 90176。 從圖 2． 5 可以看出，當兩端都有電源時，如果 dl點發(fā)生短路故障，按選擇性要求應該是離故障點最近的保護 l和保護 2動作，使 IDL和 2DL跳閘切除故障，但是由于保護 2和保護 3流過同一電流 I，有可能使保護 3誤動作，而這個誤動作的保護是由于保護安裝處反方向發(fā)生故障時，由對側電源提供的短路電流而引起的，而且誤動作的保護上流過的電流方向都是由被保護的線路流向保護安裝處母線，正確動作的保護上電流方向是由保護安 裝處母線流向被保護的線路，兩者電流方向正好相反，所以，應該在原來三段式電流保護的基礎上加上一個判斷電流方向的元件，當正方向電流時保護動作，而負方向電流時保護不動作，這就是方向電流保護的工作原理。電流元件和電 壓元件的動作值整定公式如下： IⅠ DZ=EXT/(ZXT+ZL/HK) UⅠ DZ= 3 IDZZL /(ZXT+ZL/KK) (26) 10 其中， KK≥ 1． 3， ZXT是正常運行方式下系統(tǒng)的阻抗， ZL是所保護線路的總阻抗。 (3)定時限過電流保護 (電流Ⅲ段保護 ) 一條線路保護中只安裝了主保護，理論上來說可以解決線路的所有故障，但是當主保護由于各種原因而拒動時，就需要一個后備保護，用來解決當主保護拒動時切除線路故障，后備保護可以保護本線路全長，也可以保護相鄰線路全長。 (2)限時電流速斷保護 (電流 II段保護 ) ” 電流 I段保護并不能保護線路的全長，應該在 A母線處再裝設一套電流保護，這套電流保護用來保護 AB線路的全長，這樣，如果在下一段相鄰線路 BC靠近 B端發(fā)生短路時，這套保護將會跳開 1DL 而失去選擇性，因此，將這套保護啟動以 8 后經過一個延時再作用于出口跳閘，當 BC 始端發(fā)生短路時，裝在 B 母線的電流速斷保護 2首先動作，而裝在保護 l處的帶延時的電流保護不會誤動，從而保證了選擇性。 對安裝在 AB線路的保護 1來說，快速切除 AB線路的故障是它的首要任務，因此，其動作值 IDZ應該小于等于 AB線路上可能出現(xiàn)的最小短路電流，最小短路電流為線路末端發(fā)生兩相短路時的 短路電流 I(2)Bmin，即 I(2)Bmin≥ IDZ. 同時，當 BC線路靠近 B 端發(fā)生短路時，由于短路電流大于 I(2)Bmin，這時有可能使在 AB 線路的保護 1 誤動作，因此，為了不使保護 1 誤動作同時可以區(qū)分所保護線路的末端故障和下一條線路的始端故障并且考慮到信號處理系統(tǒng)所產生的誤差，保護 1的動作電流應滿足： IDZ=KkI(3)Bmax (22) 其中， Kk是可靠系數(shù) ,通常 Kk≥ 1． 3， I(3)Bmax是 B 母線處在最大運行方式下發(fā)生三相短路的電流。下面對三段式電流電壓聯(lián)鎖保護分別予以介紹： (1)無時限的電流速斷保護 (電流 I段保護 ) 我們以圖 2． 2 中單側電源網(wǎng)絡中輸電線路 AB上所裝設的電流保護來分析電 6 流 保護的原理。 三相一次重合閘 輸電線路的故障分為瞬時性故障和永久性故障，其中大多數(shù)為瞬時性故障，瞬時性故障多為天氣、鳥獸等自然原因引起，這種故障當保護裝置反映跳閘后，故障已經消失，這時，裝置配制的重合閘功能會自動重合一次，如為瞬時性故障，則繼續(xù)運行，如為永久性故障，則再次加速反映出口跳閘。裝置的功能判據(jù)如下： 三段式電流電壓聯(lián)鎖保護 在 35KV 電網(wǎng)中，短路故障占系統(tǒng)總故障的 80％以上，當電網(wǎng)中發(fā)生相間短路的時候，短路電流比正常工作時的電流要大的多，同時相 間 電壓下降，根據(jù)這個特點，在設計中選擇三段式電流電壓聯(lián)鎖保護， I 段為電流速斷保護， II 段為限時電流速斷保護， IⅡ段為過電流保護，其中 I 段、Ⅱ段為主保護，Ⅲ段為后備保護，電壓保護采用低電壓閉鎖保護。 第六章裝置實驗結果：通過實驗驗證了系統(tǒng)的算法和保護功能 . 4 2 35KV線路微機保護功能配置方案及算法設計 本章首先設計了 35KV 線路保護的功能配置方案和故障判據(jù)，裝置的主要功能包括三段式電流電壓聯(lián)鎖保護、小電流告警、過負荷保護、 PT 斷線檢測、三相一次重合閘。 第四章線路微機保護系統(tǒng)的硬件設計 ： 設計了 35KV 線路微機保護系統(tǒng)的硬件 系統(tǒng)詳細分析了其工作原理及實現(xiàn)功能。 1． 2 論文的主要內容 本文設計了一套 35KV 微機線路保護裝置，主要包括功能配置方案和故障判據(jù)設計、系統(tǒng)硬件設計、系統(tǒng)軟件設計、抗干擾設計等，另外通過建立電力系統(tǒng)模型對電力系統(tǒng)常見故障進行仿真分析，并 通過 RBF 算法對故障模擬量進行仿真濾波。 DSP 處理器與單片機處理器不同，它是一種為了達到快速數(shù)學運算而具有特殊結構的微處理器， DSP 的硬件資源豐富，開發(fā)平臺先進，還具有計算能力強、精度高、總線速度快等特點，將 DSP 應用于微機保護系統(tǒng)，可以縮 短數(shù)字濾波和算法的計算時間，還可以完成單片機的控制功能。 國內外關于線路微機保護的研究現(xiàn)狀 目前國內外應用于微機保護的處理器有單片機、 DSP 和嵌入式的處理器。隨著微機保護系統(tǒng)的成熟，系統(tǒng)的算法也越來越多樣化， Zoran M． Radojevi6在文章中提出了用于計算故障距離和判斷故障類別的兩種算法 [131，計算故障距離的算法將線路的正序、零序阻抗作為輸入?yún)?shù) 計算出距離；判斷故障類別的算法將三次諧波的參數(shù) 作為輸入，計算出電弧電壓的幅值，從幅值可以判斷故障是暫時性故障還是永久性故障。在國內，我國的繼電保護起步晚，但是近 30 年來，計算機技術的飛速發(fā)展影響到人們生活的各個領域