【文章內(nèi)容簡(jiǎn)介】 保護(hù)動(dòng)作速度快是其主要特點(diǎn)，有利于切除故障，保護(hù)設(shè)備安全。但其保護(hù)范圍要隨運(yùn)行方式的變化而變化，特別是在運(yùn)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(yùn)行方式下沒有保護(hù)范圍。一般只能作為輔助保護(hù)使用。 13 3 線路保護(hù)裝置的算法分析與軟件設(shè)計(jì) FIR數(shù)字濾波器的設(shè)計(jì) 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(shí)器組成的一種運(yùn)算過程，其功能是將輸入的離散信號(hào)通過一定的運(yùn)算處理后轉(zhuǎn)變成另一組頻譜結(jié)構(gòu)不同的離散信號(hào)。實(shí)現(xiàn)數(shù)字濾波的離散時(shí)間系統(tǒng)，其系統(tǒng)函數(shù)可用多種算法實(shí)現(xiàn)，各種算法又對(duì)應(yīng)有各自不同的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。 （ 2） FIR數(shù)字濾波器的結(jié)構(gòu) 設(shè) h（ n） ， n=0,1,2…N1為濾波器的沖激響應(yīng) ， 輸入信號(hào)為 x（ n）， 則 FIR濾波 器就是要實(shí)現(xiàn)下列差分方 ： ??? ?? 10 )()()( Ni inxihny （ ） 式（ ）中 ,y（ n） 為輸出信號(hào) ， 即經(jīng)過濾波之后的信號(hào) ； N 為濾波器階數(shù)。 FIR濾波器的最主要特點(diǎn)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(yīng) h（ n）是一個(gè)有限長(zhǎng)序列。由式（ ）可見 ,FIR濾波算法實(shí)際上是一種乘法累加運(yùn)算 ， 不斷地輸入樣本 x（ n） ， 經(jīng)延時(shí) 1?z 做乘法累加 ,再輸出濾波結(jié)果 y（ n） 。對(duì)式進(jìn)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(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)圖 14 FIR濾波器的 C語言算法實(shí)現(xiàn) 由上述分析可知， FIR濾波器的算法實(shí)際上是一個(gè)乘累加運(yùn)算。在這個(gè)乘累加運(yùn)算中，主要涉及到 3個(gè)要素：輸入信號(hào) x（ n） 、沖擊響應(yīng)即濾波器系數(shù) h（ n） 和輸出信號(hào) y（ n） 。其中， x（ n） 和 h（ n） 為已知 ,y（ n） 為待求。 （ 1） 輸入信號(hào) x（ n） 的獲取 假設(shè)輸入信號(hào)是頻率為 1000Hz和 2500Hz的正弦波合成的波形，希望得到輸入信號(hào)的 256個(gè)抽樣點(diǎn)，為了與整個(gè)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(gè)點(diǎn)的輸入信號(hào)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(hào)波形圖 （ 2） 濾波器系數(shù) h（ n） 的獲取 設(shè)計(jì)一個(gè) 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(shè)計(jì)濾波器方法有很多，可以采用 FDATool 濾波器設(shè)計(jì)分析工具箱和 SPTool 信號(hào)處理工具，還可以直接編程實(shí)現(xiàn)。在此采用編程實(shí)現(xiàn) ,代碼如下： h=fir1（ 16,1500/8000*2）； 得到 17 個(gè)濾波 器系數(shù)。理論上，上述輸入信號(hào)（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(hào)應(yīng)該為頻率為 1000Hz 的正弦波。 圖 輸出信號(hào)波形 保護(hù)裝置 的 采樣算法 采用傅氏變換算法 導(dǎo)數(shù)式算法是針對(duì)理想正弦信號(hào)進(jìn)行計(jì)算，由于故障時(shí)的電流、電壓波形畸變很大，此時(shí)不能把他們假設(shè)為單一頻率的正弦函數(shù)，而應(yīng)該假設(shè)它們是包含各種分量的周期函數(shù)，這時(shí)就要采用傅氏變換算法。傅氏變換算法來自于傅里葉級(jí)數(shù)，以電流為例，即一個(gè)周期性函數(shù) I（ t） 可用傅里葉級(jí)數(shù)展開為各次諧波的 正弦項(xiàng)和余弦項(xiàng)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(dá)式： 16 )s i n (2)( 111 ?? ?? tIti （ ） 式 （ ） 中， 1I 為基波有效值； 1? 為 t=0時(shí)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(jí)數(shù)的逆變換原理可求的 錯(cuò)誤 !未找到引用源。 和 錯(cuò)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(jī)計(jì)算 sI1 和 cI1 時(shí)，通常都是采用有限離散方法算得，即將 錯(cuò)誤 !未找到引用源。 用各采樣點(diǎn)數(shù)值代入，通過梯形法就和來代替積分法?？紤]到NkTtN /2, 1 ?? ??? 時(shí)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(diǎn)數(shù)； ki 為弟 k次采樣值； 0i 、 ni 分別為 k=0和 N時(shí)的采樣值。 當(dāng) N=12時(shí)采樣間隔 sT 一般用角度表示為 o30 。由于上述 sI1 和 cI1 是對(duì)一周波 N個(gè)采樣點(diǎn)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(jì)算周期性時(shí)間函數(shù)，還可算出初相位角，其積分運(yùn)算結(jié)果同樣具有數(shù)字濾波功能，運(yùn)算工作量也不大。 主程序設(shè)計(jì) 微機(jī)線路保護(hù)裝置的主程序如圖 。 系 統(tǒng) 初 始 化 自 檢開 啟 定 時(shí) 器是 否 到 采 樣 間 隔 時(shí) 間 ?啟 動(dòng) A / D 數(shù) 據(jù) 采 樣計(jì) 算 電 壓 、 電 流 、 頻率 等 電 參 數(shù)顯 示 各 項(xiàng) 參 數(shù)是 否 進(jìn) 行 定 值 整 定 ？保 護(hù) 算 法 分 析符 合 故 障 判 別 條 件 ?啟 動(dòng) 相 應(yīng) 保 護(hù) 動(dòng) 作保 存 故 障 記 錄返 回選 擇 整 定 區(qū) 號(hào)整 定 定 值 、 時(shí) 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(hù)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(duì)程序進(jìn)行了模塊化設(shè)計(jì)，方便了調(diào)試和修改。軟件設(shè)計(jì)分為整定測(cè)試部分和故障判斷處理 2個(gè)部分。整定部分是對(duì)各種保護(hù)定值和時(shí)限按照規(guī)定的步長(zhǎng)和范圍進(jìn)行整定。交流信號(hào)通過低通濾波器，進(jìn)入 AD8364采樣，運(yùn)用傅氏變換算法對(duì)電流的幅值和初相位進(jìn)行計(jì)算得到有效值。使用 CPU的外部中斷測(cè)量頻率和相位角差。故障判斷處理程序是根據(jù)測(cè)試部分得到的電流、頻率等參數(shù)，與存儲(chǔ)的整定數(shù)值進(jìn)行比較，按照各種故障的判據(jù)，進(jìn)行分析，如果符合某種故障的條件則馬上啟動(dòng)對(duì)應(yīng)的保護(hù)動(dòng)作如報(bào)警或跳閘等，并生成故障報(bào)告。 故障處理與 A／ D交流采樣程序設(shè)計(jì) 故障判斷與處理程序是本保護(hù)裝置軟件程序的核心部分，故障判斷程序?qū)M(jìn)過算法處理的采樣數(shù)據(jù)，經(jīng)過保護(hù)算法判斷，當(dāng)符合故障判據(jù)，則故障處理程序?qū)?dòng)相應(yīng)的保護(hù)動(dòng)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(huì)引起采樣間隔出錯(cuò)，所以必須設(shè)置為最高優(yōu)先級(jí)中斷。本裝置采用每周波 40點(diǎn)采樣，采樣中斷由計(jì)時(shí)器定時(shí)觸發(fā)，對(duì)測(cè)量電流和電壓進(jìn)行采樣，測(cè)量電流和電壓的采樣是由 ADS8364完成的， ADS8364具有 16bit精度。 入 口對(duì) 運(yùn) 行 環(huán) 境 和 變 量 進(jìn) 行 保 存采 樣 開 關(guān) 量 輸 入對(duì) 采 樣 值 和 采 樣 默 認(rèn) 列 進(jìn) 行 調(diào) 整自 動(dòng) 計(jì) 算是 否 啟 動(dòng)保 護(hù) 計(jì) 算立 標(biāo) 志中 斷 退 出 圖 如圖 ，采樣中斷可以分為 5個(gè)部分：采樣、對(duì)采樣值調(diào)整、對(duì)采樣隊(duì)列 19 的調(diào)整保護(hù)計(jì)算和啟動(dòng)計(jì)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(jì) 算 基 波 有 效 值頻 率 、 相 位 角 等參 數(shù) 計(jì) 算故 障 判 據(jù) 判 斷滿 足 故 障 條 件 ？保 護(hù) 時(shí) 限 延 時(shí)滿 足 故 障 條 件 ？存 儲(chǔ) 故 障 時(shí) 間 和故 障 參 數(shù)啟 動(dòng) 保 護(hù) 動(dòng) 作 或報(bào) 警生 成 故 障 報(bào) 告返 回YYNN 圖 故障判斷流程圖 液晶顯示 程序 設(shè)計(jì) MGLS12864的結(jié)構(gòu)和特性 MGLS12864點(diǎn)陣圖形液晶顯示模塊的顯示屏是一塊 12864點(diǎn)陣的液晶顯示屏，它以一片 HD61203U作為 64路行驅(qū)動(dòng)器，兩片 HD61202U組成 128點(diǎn)列的列驅(qū)動(dòng)器組。他能 顯示 ASCⅡ 字符、漢字和各種曲線，可與單片機(jī)連接構(gòu)成功能強(qiáng)、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單的人機(jī)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(chǔ)器的圖形液晶顯示列驅(qū)動(dòng)控制器，其特點(diǎn)是內(nèi)置 6464位顯示存儲(chǔ)器，可以直接與計(jì)算機(jī)總線連接。但它本身不能生成顯示時(shí)序，所以需要與相應(yīng)的帶振蕩器和顯示時(shí)序發(fā)生器的行驅(qū)動(dòng)器 HD61203U配套才能形成一個(gè)完整的液晶驅(qū)動(dòng)和控制系統(tǒng)。 MGLS12864模塊有 18個(gè)引腳， 1 18引腳為背光燈提供電源； 2引腳為兩個(gè)片選信號(hào)，組合功能定義是： 錯(cuò)誤 !未找到引用源。 CSA、 錯(cuò)誤 !未找到引用源。 CSB 20 為 00時(shí)禁止使用， 01時(shí)選左區(qū)， 10時(shí)選右區(qū)， 11時(shí)未選； 3為 GND； 4為 Vcc； 5為液晶顯示驅(qū)動(dòng)電源 V0； 6為數(shù)據(jù)、指令選擇 D/錯(cuò)誤 !未找到引用源。 ； 7為讀 /寫選擇 R/錯(cuò)誤 !未找到引用源。 ； 8為使能信號(hào) E； 9～ 16為數(shù)據(jù)總線 AD7～ AD0。 表 MGLS12864引腳 序號(hào) 符號(hào) 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(qū)動(dòng)電源 6 D/錯(cuò)誤 !未找到引用源。 輸入 數(shù)據(jù)、指令選擇信號(hào) 7 R/錯(cuò)誤 !未找到引用源。 輸入 讀 /寫選擇信號(hào) 8 E 輸入 讀寫使能信號(hào) 9～ 16 AD7～ AD0 三態(tài) 數(shù)據(jù)總線 軟件設(shè)計(jì) 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(duì)使用不同的指令時(shí) D/錯(cuò)誤 !未找到引用源。 、 R/錯(cuò)誤 !未找到引用源。 信號(hào)的狀態(tài)給予說明。 （ 1）讀寫狀態(tài)（ D/錯(cuò)誤 !未找到引用源。 =0， R/錯(cuò)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(shí)，等待訪問。 ON/OFF： ON/OFF=1時(shí)，關(guān)顯示狀態(tài)； ON/OFF=0時(shí)，開顯示狀態(tài)。 RESET:RESET=1時(shí)，復(fù)位狀態(tài)； RESET=0時(shí)，正常工作狀態(tài)。 在每次對(duì) 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(guān)設(shè)置（ D/錯(cuò)誤 !未找到引用源。 =0， R/錯(cuò)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(guān)顯示設(shè)置。 （ 3）顯示起始行設(shè)置（ D/錯(cuò)誤 !未找到引用源。 =0， R/錯(cuò)誤 !未找到引用源。 =0） 1 1 L5