【文章內(nèi)容簡介】 保護動作速度快是其主要特點，有利于切除故障，保護設備安全。但其保護范圍要隨運行方式的變化而變化，特別是在運行方式變化比較劇烈的情況下（引水式中小型水電站），甚至可能在最小 運行方式下沒有保護范圍。一般只能作為輔助保護使用。 13 3 線路保護裝置的算法分析與軟件設計 FIR數(shù)字濾波器的設計 數(shù)字濾波器 （ 1） 概述 數(shù)字濾波是由乘法器、加法器和單位延時器組成的一種運算過程，其功能是將輸入的離散信號通過一定的運算處理后轉變成另一組頻譜結構不同的離散信號。實現(xiàn)數(shù)字濾波的離散時間系統(tǒng)，其系統(tǒng)函數(shù)可用多種算法實現(xiàn)，各種算法又對應有各自不同的網(wǎng)絡結構。 （ 2） FIR數(shù)字濾波器的結構 設 h（ n） ， n=0,1,2…N1為濾波器的沖激響應 ， 輸入信號為 x（ n）， 則 FIR濾波 器就是要實現(xiàn)下列差分方 ： ??? ?? 10 )()()( Ni inxihny （ ） 式（ ）中 ,y（ n） 為輸出信號 ， 即經(jīng)過濾波之后的信號 ； N 為濾波器階數(shù)。 FIR濾波器的最主要特點是沒有反饋回路 ， 因此是無條件穩(wěn)定系統(tǒng) ,其單位脈沖響應 h（ n）是一個有限長序列。由式（ ）可見 ,FIR濾波算法實際上是一種乘法累加運算 ， 不斷地輸入樣本 x（ n） ， 經(jīng)延時 1?z 做乘法累加 ,再輸出濾波結果 y（ n） 。對式進行 Z變換 ,整理后可得 FIR濾波 器的傳遞函數(shù)為 ： ????? 10 )()(NiizihzH （ ） FIR濾波器的一般結構如圖 。 1z 1z 1z 1zx ( n )x ( n 1 )x ( n 2 )x ( n N + 1 )h ( 0 ) h ( 1 )h ( 2 )h ( N 1 )h ( N 1 )y ( n ) 圖 FIR濾波器結構圖 14 FIR濾波器的 C語言算法實現(xiàn) 由上述分析可知， FIR濾波器的算法實際上是一個乘累加運算。在這個乘累加運算中，主要涉及到 3個要素：輸入信號 x（ n） 、沖擊響應即濾波器系數(shù) h（ n） 和輸出信號 y（ n） 。其中， x（ n） 和 h（ n） 為已知 ,y（ n） 為待求。 （ 1） 輸入信號 x（ n） 的獲取 假設輸入信號是頻率為 1000Hz和 2500Hz的正弦波合成的波形，希望得到輸入信號的 256個抽樣點，為了與整個系統(tǒng)保持一致，抽樣頻率 fs規(guī)定為 8000Hz。利用 C語言得到 256個點的輸入信號的源代碼如下： include include main（ void） { int i,。 double f[256]。 for（ i=0。i=255。i++） 。 {f[i]=sin（ 2**i*1000/8000） +*sin（ 6**i*2500/8000） 。 printf（ %1d,（ long）（ f[i]）） 。 } { 圖 輸入信號波形圖 （ 2） 濾波器系數(shù) h（ n） 的獲取 設計一個 FIR 低通濾波器，其截止頻率 fc= 1500Hz，抽樣頻率 fs=8000Hz， 階 15 數(shù) N=17， 選擇 Hamming 窗。利用 MATLAB 軟件設計濾波器方法有很多，可以采用 FDATool 濾波器設計分析工具箱和 SPTool 信號處理工具，還可以直接編程實現(xiàn)。在此采用編程實現(xiàn) ,代碼如下： h=fir1（ 16,1500/8000*2）； 得到 17 個濾波 器系數(shù)。理論上，上述輸入信號（頻率為 1000Hz 和 2500Hz 的正弦波合成的波形）經(jīng)過此低通濾波器濾波后的輸出信號應該為頻率為 1000Hz 的正弦波。 圖 輸出信號波形 保護裝置 的 采樣算法 采用傅氏變換算法 導數(shù)式算法是針對理想正弦信號進行計算，由于故障時的電流、電壓波形畸變很大，此時不能把他們假設為單一頻率的正弦函數(shù)，而應該假設它們是包含各種分量的周期函數(shù)，這時就要采用傅氏變換算法。傅氏變換算法來自于傅里葉級數(shù)，以電流為例，即一個周期性函數(shù) I（ t） 可用傅里葉級數(shù)展開為各次諧波的 正弦項和余弦項之和，即： ??? ?? 0 11 ]si nco s[)( n nsne tItnIti ?? （ ） 式 （ ） 中， n為自然數(shù)， n=0,1,2…… 表示諧波分量次數(shù)。 于是電流 )(ti 中的基波分量可表示為： tItIti es 11111 cossin)( ?? ?? （ ） )(ti 還可以表示為一般表達式： 16 )s i n (2)( 111 ?? ?? tIti （ ） 式 （ ） 中， 1I 為基波有效值； 1? 為 t=0時基波分量初相角。 將 )sin( 11 ?? ?t 用和角公式展開，再與式（ ）比較，可以得到： 111 cos2 ?II S ? （ ） 111 sin2 ?II C ? （ ） 從式（ ）和式（ ）可以看出，只要求出基波的正弦 幅值 SI1 和余弦幅值 CI1 ，就很容易救得基波的有效值和初相角 1? 。 根據(jù)傅氏級數(shù)的逆變換原理可求的 錯誤 !未找到引用源。 和 錯誤 !未找到引用源。 ： ?? Ts tdttiTI 0 11 sin)(2 ? （ ） ?? Tc t d ttiTI 0 11 c o s)(2 ? （ ） 在用微機計算 sI1 和 cI1 時，通常都是采用有限離散方法算得，即將 錯誤 !未找到引用源。 用各采樣點數(shù)值代入，通過梯形法就和來代替積分法?？紤]到NkTtN /2, 1 ?? ??? 時式（ ）和式（ ）可表示為 ?????? ????????? ??? 111 2s i n21 Nk ks NkiNI ? （ ） ?????? ??????????? ??? 1101 2c o s1 Nk kkc iNkiiNI ? （ ） 式中， N為一周采樣點數(shù)； ki 為弟 k次采樣值； 0i 、 ni 分別為 k=0和 N時的采樣值。 當 N=12時采樣間隔 sT 一般用角度表示為 o30 。由于上述 sI1 和 cI1 是對一周波 N個采樣點求和所以其數(shù)據(jù)窗為一周波，故稱其為全波傅氏算法。 根據(jù)式（ ）和式（ ）基波的有效值和相角： 2 212121 cs III ?? （ ） 17 scIIarctg111 ?? （ ） 傅氏變換算法可以計算周期性時間函數(shù)，還可算出初相位角，其積分運算結果同樣具有數(shù)字濾波功能，運算工作量也不大。 主程序設計 微機線路保護裝置的主程序如圖 。 系 統(tǒng) 初 始 化 自 檢開 啟 定 時 器是 否 到 采 樣 間 隔 時 間 ?啟 動 A / D 數(shù) 據(jù) 采 樣計 算 電 壓 、 電 流 、 頻率 等 電 參 數(shù)顯 示 各 項 參 數(shù)是 否 進 行 定 值 整 定 ？保 護 算 法 分 析符 合 故 障 判 別 條 件 ?啟 動 相 應 保 護 動 作保 存 故 障 記 錄返 回選 擇 整 定 區(qū) 號整 定 定 值 、 時 限 、壓 板繼 續(xù) 穩(wěn) 定 ？定 值 固 化NYYYYNNN 圖 主程序流程圖 18 線路保護裝置的程序使用 C語言編寫，按照不同的功能 如顯示， A／ D，外部中斷等，對程序進行了模塊化設計，方便了調(diào)試和修改。軟件設計分為整定測試部分和故障判斷處理 2個部分。整定部分是對各種保護定值和時限按照規(guī)定的步長和范圍進行整定。交流信號通過低通濾波器，進入 AD8364采樣，運用傅氏變換算法對電流的幅值和初相位進行計算得到有效值。使用 CPU的外部中斷測量頻率和相位角差。故障判斷處理程序是根據(jù)測試部分得到的電流、頻率等參數(shù)，與存儲的整定數(shù)值進行比較，按照各種故障的判據(jù)，進行分析，如果符合某種故障的條件則馬上啟動對應的保護動作如報警或跳閘等，并生成故障報告。 故障處理與 A／ D交流采樣程序設計 故障判斷與處理程序是本保護裝置軟件程序的核心部分，故障判斷程序對進過算法處理的采樣數(shù)據(jù)，經(jīng)過保護算法判斷，當符合故障判據(jù)，則故障處理程序將啟動相應的保護動作，本裝置使用 ADS8364作為采樣芯片。采樣中斷不能夠被其余中斷打斷，否則會引起采樣間隔出錯，所以必須設置為最高優(yōu)先級中斷。本裝置采用每周波 40點采樣，采樣中斷由計時器定時觸發(fā)，對測量電流和電壓進行采樣，測量電流和電壓的采樣是由 ADS8364完成的， ADS8364具有 16bit精度。 入 口對 運 行 環(huán) 境 和 變 量 進 行 保 存采 樣 開 關 量 輸 入對 采 樣 值 和 采 樣 默 認 列 進 行 調(diào) 整自 動 計 算是 否 啟 動保 護 計 算立 標 志中 斷 退 出 圖 如圖 ，采樣中斷可以分為 5個部分：采樣、對采樣值調(diào)整、對采樣隊列 19 的調(diào)整保護計算和啟動計算。 故障判斷流程圖為： . A / D 數(shù) 據(jù) 采 樣全 波 傅 里 葉 算 法計 算 基 波 有 效 值頻 率 、 相 位 角 等參 數(shù) 計 算故 障 判 據(jù) 判 斷滿 足 故 障 條 件 ？保 護 時 限 延 時滿 足 故 障 條 件 ？存 儲 故 障 時 間 和故 障 參 數(shù)啟 動 保 護 動 作 或報 警生 成 故 障 報 告返 回YYNN 圖 故障判斷流程圖 液晶顯示 程序 設計 MGLS12864的結構和特性 MGLS12864點陣圖形液晶顯示模塊的顯示屏是一塊 12864點陣的液晶顯示屏，它以一片 HD61203U作為 64路行驅動器，兩片 HD61202U組成 128點列的列驅動器組。他能 顯示 ASCⅡ 字符、漢字和各種曲線，可與單片機連接構成功能強、結構簡單的人機界面，因此廣泛用于各種智能儀表和控制系統(tǒng)。 HD61202U是帶顯示存儲器的圖形液晶顯示列驅動控制器，其特點是內(nèi)置 6464位顯示存儲器，可以直接與計算機總線連接。但它本身不能生成顯示時序，所以需要與相應的帶振蕩器和顯示時序發(fā)生器的行驅動器 HD61203U配套才能形成一個完整的液晶驅動和控制系統(tǒng)。 MGLS12864模塊有 18個引腳， 1 18引腳為背光燈提供電源； 2引腳為兩個片選信號，組合功能定義是： 錯誤 !未找到引用源。 CSA、 錯誤 !未找到引用源。 CSB 20 為 00時禁止使用， 01時選左區(qū)， 10時選右區(qū)， 11時未選； 3為 GND； 4為 Vcc； 5為液晶顯示驅動電源 V0； 6為數(shù)據(jù)、指令選擇 D/錯誤 !未找到引用源。 ； 7為讀 /寫選擇 R/錯誤 !未找到引用源。 ； 8為使能信號 E； 9～ 16為數(shù)據(jù)總線 AD7～ AD0。 表 MGLS12864引腳 序號 符號 狀態(tài) 功能 1 輸入 片選 A，低電平有效 2 輸入 片選 B，低電平有效 3 GND 電源地 4 VCC 邏輯電源正 5 V0 液晶顯示驅動電源 6 D/錯誤 !未找到引用源。 輸入 數(shù)據(jù)、指令選擇信號 7 R/錯誤 !未找到引用源。 輸入 讀 /寫選擇信號 8 E 輸入 讀寫使能信號 9～ 16 AD7～ AD0 三態(tài) 數(shù)據(jù)總線 軟件設計 內(nèi)置 HD61202U液晶顯示模塊的軟件特性，這是指 HD61202U的指令功能。HD61202U一共有七條指令，分別解釋各條指令的功能，并對使用不同的指令時 D/錯誤 !未找到引用源。 、 R/錯誤 !未找到引用源。 信號的狀態(tài)給予說明。 （ 1）讀寫狀態(tài)（ D/錯誤 !未找到引用源。 =0， R/錯誤 !未找到引用源。 =1） BUSY 0 ON/OFF RESET 0 0 0 0 BUSY:BUSY=1，內(nèi)部正工作，不能訪問； BUSY =0時，等待訪問。 ON/OFF： ON/OFF=1時，關顯示狀態(tài)； ON/OFF=0時，開顯示狀態(tài)。 RESET:RESET=1時，復位狀態(tài)； RESET=0時，正常工作狀態(tài)。 在每次對 HD61202U操作之前，都要讀出狀態(tài)字判斷 BUSY是否為 “0”。若不為“0”，則需要等待，直到 BUSY=0為止。 （ 2）顯示開關設置（ D/錯誤 !未找到引用源。 =0， R/錯誤 !未找到引用源。 =0） 21 0 0 1 1 1 1 1 D D=1為開顯示， D=0為關顯示設置。 （ 3）顯示起始行設置（ D/錯誤 !未找到引用源。 =0， R/錯誤 !未找到引用源。 =0） 1 1 L5