【正文】 C52 是美國(guó) ATMEL 公司生產(chǎn)的低電壓、高性能 8 位 CMOS 單片機(jī)，器件采用 ATMEL 公司的高密度、非易失性存儲(chǔ)技術(shù)生產(chǎn)，與標(biāo)準(zhǔn) MCS51 指令系統(tǒng)和8051 引腳兼容，片內(nèi)置通用 8位中央處理器 (CPU)和 flash 存儲(chǔ)單元，功能強(qiáng)大，適合應(yīng)用于復(fù)雜控制場(chǎng)合。 28 因?yàn)檠b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(shí)會(huì)產(chǎn)生高次諧波，所以在設(shè)計(jì)中采用了一個(gè)二級(jí) 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(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)框圖 系統(tǒng)的硬件電路設(shè)計(jì)主要包括低通濾波和數(shù)據(jù)采集電路、單片機(jī)及擴(kuò)展外圍電路、按鍵和液晶顯示電路 及出口控制電路，整個(gè)系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)框圖如圖 所示。 通過 RBF 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法的濾波仿真，可以得出結(jié)論， RBF 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)是局部逼近型網(wǎng)絡(luò)，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(zhǎng)的計(jì)算以及局部最小陷阱的困擾，而且 RBF 網(wǎng)絡(luò)的速度很快，隱層節(jié) 點(diǎn)的數(shù)目也在訓(xùn)練過程中確定，因此可以得到最優(yōu)解。 7．將訓(xùn)練結(jié)果和仿真結(jié)果導(dǎo)出工作區(qū)，在 GUI主窗口中單擊 Export 按鈕彈出對(duì)話框，將 filter— outputs、 filter— errors、 w 三個(gè)變量導(dǎo)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(luò)對(duì)話框，將新建網(wǎng)絡(luò)名字命名為 filter,網(wǎng)絡(luò)類型 (Network Type)選擇 Radial basis(exact fit)， Spread constant 改為 ，其它選項(xiàng)都采用默認(rèn)。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(jīng)網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用于信號(hào)處理、自動(dòng)控制、人工智能等方面已經(jīng)有很多研究，下面將著重討論以 RBF 算法為代表的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)在電力系統(tǒng)濾波中的應(yīng)用。數(shù)字濾波是通過采樣和模數(shù)轉(zhuǎn)換變?yōu)閿?shù)字量后，進(jìn)行某種數(shù)字處理以去掉信號(hào)中的無用部分，實(shí)際上，在微機(jī)保護(hù)中討論的數(shù)字濾波通過執(zhí)行一段程序達(dá)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(shí)，線路中的零序電流發(fā)生了變化，如圖 所示。 21 在 圖 中，當(dāng) 開始發(fā)生故障時(shí)，故障點(diǎn) A相對(duì)地電壓 au 變?yōu)?0， B、C兩相對(duì)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(duì)于電源輸出端的線電流影響很小。測(cè)量選項(xiàng) (Measurement)中選擇測(cè)量故障點(diǎn)支路電壓和支路電流，因?yàn)樾〗拥仉娏飨到y(tǒng)發(fā)生單相接地短路時(shí)，由于故障點(diǎn)電流很小，而且三相之間的線電壓仍然保持對(duì) 稱，所以對(duì)負(fù)荷的供電沒有影響，因此，在一般情況下都允許再繼續(xù)運(yùn)行 l2 小時(shí)，但是在此期間，故障點(diǎn)其他兩相對(duì)地電壓就要升高 3 倍，為了防止故障進(jìn)一步擴(kuò)大造成兩點(diǎn)或多點(diǎn)接地短路，應(yīng)該及時(shí)發(fā)出信號(hào)，以便運(yùn)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(shí)，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(gè)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(duì)話框中將序量選擇 (Sequence)選為零序分量 (Zero)，另外，還需要三個(gè)示波器，兩個(gè)萬用表，還有接地元件，節(jié)點(diǎn)等。 系統(tǒng)建模及參數(shù)調(diào)節(jié) 本章通過仿真軟件 MATLAB 對(duì)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(jìn)行仿真分析，恒定電壓源電路短路模型如圖 3． 1所示。對(duì)一次設(shè)備 進(jìn)行監(jiān)視、測(cè)量、控制和保護(hù)的設(shè)備稱為電力系統(tǒng)的二次設(shè)備。 17 3 電力系統(tǒng)故障分析和基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的非線性濾波 在第二章中重點(diǎn)設(shè)計(jì)了 35KV 線路保護(hù)的功能配置方案和判據(jù)，所有的保護(hù)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(yán)重的情況下，由衰減直流分量造成的傅氏算法的計(jì)算誤差達(dá)到 10％以上，因此，必須采取措施給予補(bǔ)救。 基于多次諧波的周期函數(shù)算法 傅氏算法 任何一個(gè)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(dá)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(shí)部和虛部可以通過式 (211)和式 (212)計(jì)算： an=2T10 ( )sinT x t n tdt?? (211) bn=2T10 ( ) cosT x t n tdt?? (212) 進(jìn)一步推導(dǎo)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(gè)周期的采樣點(diǎn)數(shù)，根據(jù) n取不同值時(shí)，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(jī)保護(hù)系統(tǒng) 的算法設(shè)計(jì)中需要的是基波分量，就是當(dāng) n=l 時(shí)的分量，當(dāng)每個(gè)周期采樣 12 個(gè)點(diǎn)時(shí)，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(jì)算基波的幅值和相角，這種計(jì)算方法的數(shù)據(jù)窗為一個(gè)周期，因此它的反映速度比較慢，數(shù)據(jù)窗為一個(gè)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(zhì)，可以只取半個(gè)采樣周期來計(jì)算，這樣可以提高響應(yīng)速度，數(shù)據(jù)窗為半個(gè)周期的傅氏算法為半波傅氏算法。 當(dāng)系統(tǒng)中有多條線路存在時(shí)，每條線路上都有對(duì)地電容存在，當(dāng)其中一條線路 A 相發(fā)生單相接地故障時(shí)，整個(gè)系統(tǒng)的 A相對(duì)地電壓都為 0，所以 A 相的對(duì)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(yīng)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?yàn)槟妇€流向線路。接線方式后，當(dāng)保護(hù)安裝處附近發(fā)生兩相相間短路時(shí)，有兩相輸入保護(hù)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(hù)裝置的電壓仍然很高，這樣就消除了保護(hù)的死區(qū)，當(dāng)保護(hù)安裝處附近發(fā)生三相短路時(shí)，因?yàn)檩斎氡Ｗo(hù)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(jī)保護(hù)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(hù)，所謂 90176。≤ arg /jjUI≤ 90176。 從圖 2． 5 可以看出，當(dāng)兩端都有電源時(shí)，如果 dl點(diǎn)發(fā)生短路故障，按選擇性要求應(yīng)該是離故障點(diǎn)最近的保護(hù) l和保護(hù) 2動(dòng)作，使 IDL和 2DL跳閘切除故障，但是由于保護(hù) 2和保護(hù) 3流過同一電流 I，有可能使保護(hù) 3誤動(dòng)作，而這個(gè)誤動(dòng)作的保護(hù)是由于保護(hù)安裝處反方向發(fā)生故障時(shí)，由對(duì)側(cè)電源提供的短路電流而引起的，而且誤動(dòng)作的保護(hù)上流過的電流方向都是由被保護(hù)的線路流向保護(hù)安裝處母線，正確動(dòng)作的保護(hù)上電流方向是由保護(hù)安 裝處母線流向被保護(hù)的線路，兩者電流方向正好相反，所以，應(yīng)該在原來三段式電流保護(hù)的基礎(chǔ)上加上一個(gè)判斷電流方向的元件，當(dāng)正方向電流時(shí)保護(hù)動(dòng)作，而負(fù)方向電流時(shí)保護(hù)不動(dòng)作，這就是方向電流保護(hù)的工作原理。電流元件和電 壓元件的動(dòng)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(yùn)行方式下系統(tǒng)的阻抗， ZL是所保護(hù)線路的總阻抗。 (3)定時(shí)限過電流保護(hù) (電流Ⅲ段保護(hù) ) 一條線路保護(hù)中只安裝了主保護(hù)，理論上來說可以解決線路的所有故障，但是當(dāng)主保護(hù)由于各種原因而拒動(dòng)時(shí)，就需要一個(gè)后備保護(hù)，用來解決當(dāng)主保護(hù)拒動(dòng)時(shí)切除線路故障，后備保護(hù)可以保護(hù)本線路全長(zhǎng)，也可以保護(hù)相鄰線路全長(zhǎng)。 (2)限時(shí)電流速斷保護(hù) (電流 II段保護(hù) ) ” 電流 I段保護(hù)并不能保護(hù)線路的全長(zhǎng)，應(yīng)該在 A母線處再裝設(shè)一套電流保護(hù)，這套電流保護(hù)用來保護(hù) AB線路的全長(zhǎng)，這樣，如果在下一段相鄰線路 BC靠近 B端發(fā)生短路時(shí)，這套保護(hù)將會(huì)跳開 1DL 而失去選擇性，因此，將這套保護(hù)啟動(dòng)以 8 后經(jīng)過一個(gè)延時(shí)再作用于出口跳閘，當(dāng) BC 始端發(fā)生短路時(shí)，裝在 B 母線的電流速斷保護(hù) 2首先動(dòng)作，而裝在保護(hù) l處的帶延時(shí)的電流保護(hù)不會(huì)誤動(dòng)，從而保證了選擇性。 對(duì)安裝在 AB線路的保護(hù) 1來說，快速切除 AB線路的故障是它的首要任務(wù)，因此，其動(dòng)作值 IDZ應(yīng)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(shí)的 短路電流 I(2)Bmin，即 I(2)Bmin≥ IDZ. 同時(shí)，當(dāng) BC線路靠近 B 端發(fā)生短路時(shí)，由于短路電流大于 I(2)Bmin，這時(shí)有可能使在 AB 線路的保護(hù) 1 誤動(dòng)作，因此，為了不使保護(hù) 1 誤動(dòng)作同時(shí)可以區(qū)分所保護(hù)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(hào)處理系統(tǒng)所產(chǎn)生的誤差，保護(hù) 1的動(dòng)作電流應(yīng)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(yùn)行方式下發(fā)生三相短路的電流。下面對(duì)三段式電流電壓聯(lián)鎖保護(hù)分別予以介紹： (1)無時(shí)限的電流速斷保護(hù) (電流 I段保護(hù) ) 我們以圖 2． 2 中單側(cè)電源網(wǎng)絡(luò)中輸電線路 AB上所裝設(shè)的電流保護(hù)來分析電 6 流 保護(hù)的原理。 三相一次重合閘 輸電線路的故障分為瞬時(shí)性故障和永久性故障，其中大多數(shù)為瞬時(shí)性故障，瞬時(shí)性故障多為天氣、鳥獸等自然原因引起，這種故障當(dāng)保護(hù)裝置反映跳閘后，故障已經(jīng)消失，這時(shí)，裝置配制的重合閘功能會(huì)自動(dòng)重合一次，如為瞬時(shí)性故障，則繼續(xù)運(yùn)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(hù) 在 35KV 電網(wǎng)中，短路故障占系統(tǒng)總故障的 80％以上，當(dāng)電網(wǎng)中發(fā)生相間短路的時(shí)候，短路電流比正常工作時(shí)的電流要大的多，同時(shí)相 間 電壓下降，根據(jù)這個(gè)特點(diǎn)，在設(shè)計(jì)中選擇三段式電流電壓聯(lián)鎖保護(hù)， I 段為電流速斷保護(hù)， II 段為限時(shí)電流速斷保護(hù)， IⅡ段為過電流保護(hù)，其中 I 段、Ⅱ段為主保護(hù)，Ⅲ段為后備保護(hù)，電壓保護(hù)采用低電壓閉鎖保護(hù)。 第六章裝置實(shí)驗(yàn)結(jié)果：通過實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了系統(tǒng)的算法和保護(hù)功能 . 4 2 35KV線路微機(jī)保護(hù)功能配置方案及算法設(shè)計(jì) 本章首先設(shè)計(jì)了 35KV 線路保護(hù)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(hù)、小電流告警、過負(fù)荷保護(hù)、 PT 斷線檢測(cè)、三相一次重合閘。 第四章線路微機(jī)保護(hù)系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì) ： 設(shè)計(jì)了 35KV 線路微機(jī)保護(hù)系統(tǒng)的硬件 系統(tǒng)詳細(xì)分析了其工作原理及實(shí)現(xiàn)功能。 1． 2 論文的主要內(nèi)容 本文設(shè)計(jì)了一套 35KV 微機(jī)線路保護(hù)裝置，主要包括功能配置方案和故障判據(jù)設(shè)計(jì)、系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)、系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)、抗干擾設(shè)計(jì)等，另外通過建立電力系統(tǒng)模型對(duì)電力系統(tǒng)常見故障進(jìn)行仿真分析，并 通過 RBF 算法對(duì)故障模擬量進(jìn)行仿真濾波。 DSP 處理器與單片機(jī)處理器不同，它是一種為了達(dá)到快速數(shù)學(xué)運(yùn)算而具有特殊結(jié)構(gòu)的微處理器， DSP 的硬件資源豐富，開發(fā)平臺(tái)先進(jìn)，還具有計(jì)算能力強(qiáng)、精度高、總線速度快等特點(diǎn)，將 DSP 應(yīng)用于微機(jī)保護(hù)系統(tǒng)，可以縮 短數(shù)字濾波和算法的計(jì)算時(shí)間，還可以完成單片機(jī)的控制功能。 國(guó)內(nèi)外關(guān)于線路微機(jī)保護(hù)的研究現(xiàn)狀 目前國(guó)內(nèi)外應(yīng)用于微機(jī)保護(hù)的處理器有單片機(jī)、 DSP 和嵌入式的處理器。隨著微機(jī)保護(hù)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(jì)算故障距離和判斷故障類別的兩種算法 [131，計(jì)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(jì)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(jì)算出電弧電壓的幅值，從幅值可以判斷故障是暫時(shí)性故障還是永久性故障。在國(guó)內(nèi)，我國(guó)的繼電保護(hù)起步晚，但是近 30 年來，計(jì)算機(jī)技術(shù)的飛速發(fā)展影響到人們生活的各個(gè)領(lǐng)域