【文章內(nèi)容簡介】 程設(shè)備的參數(shù)采集，這里是指對(duì)電壓、電流、有功功率、無功功率、功率因數(shù)、頻率等信息的采集。遙控是指通過網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)對(duì)遠(yuǎn)程斷路器的跳閘、合閘。遙信是指對(duì)遠(yuǎn)程斷路器的位置信號(hào)和無源開關(guān)量的輸入進(jìn)行觀察。遙調(diào)是指通過網(wǎng)絡(luò)對(duì)遠(yuǎn)程斷路器的定值進(jìn)行修改 控制功能裝置自帶操作回路，同時(shí)提供操作回路的外接端子，由安裝在開關(guān)柜上的開關(guān)實(shí)現(xiàn)斷路器的跳/合控制。可以通過網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程分/合閘以及本地/遠(yuǎn)程切換。 保護(hù)算法微機(jī)保護(hù)中的一個(gè)基本問題就是尋找適當(dāng)?shù)碾x散運(yùn)算方法來實(shí)現(xiàn)一定的保護(hù)功能，從而使運(yùn)算結(jié)果的精確度能滿足工程要求而計(jì)算耗時(shí)又盡可能短，達(dá)到既判斷準(zhǔn)確，又動(dòng)作迅速、可靠的效果。 常用算法簡單介紹電力系統(tǒng)發(fā)生故障時(shí)，其暫態(tài)過程中電壓、電流函數(shù)可以用 3 個(gè)主要部分來表示：（1）衰減的非周期分量；（2）基波分量和整數(shù)倍頻周期分量；（3）非整數(shù)倍頻周期分量。電力系統(tǒng)發(fā)生故障時(shí)，電壓電流 f(t)的解析式為：周期分量、整數(shù)倍頻周期分量、非整數(shù)倍頻周期分量和其他干擾信號(hào)。 (214) 式中 ：t＝0 時(shí)衰減直流分量的值；0A1ω ：基波分量的角頻率；iA ：各周期分量的幅值；0β ：非周期分量的衰減因子；iθ ：各周期分量的初相位；W ：表示各非整數(shù)倍頻分量和干擾。式(214)表示：電力系統(tǒng)故障時(shí)的電壓電流函數(shù)是在基波分量的基礎(chǔ)上，疊加有衰減的非周期分量、整數(shù)倍頻周期分量、非整數(shù)倍頻周期分量和其他干擾信號(hào)。 采用交流采樣算法的目的就是從采樣電壓、電流的信號(hào)中提取出需要的基波或某次諧波分量，濾除其他的周期、非周期以及衰減直流分量，從而為保護(hù)的判據(jù)提供所需信號(hào)的數(shù)值。對(duì)暫態(tài)過程中的電壓電流模型采取不同程度的簡化，就可以得到不同的采樣算法。目前，如圖 23 所示，微機(jī)保護(hù)中采取的算法主要有四類：1. 基于標(biāo)準(zhǔn)正弦波模型的交流采樣算法；2. 基于周期函數(shù)模型的交流采樣算法；3. 基于隨機(jī)函數(shù)模型的交流采樣算法；4. 基于簡化的輸電線路阻抗模型算法。 圖23 常用算法分類 全波傅氏算法全波傅氏算法在微機(jī)測控保護(hù)中得到了廣泛的應(yīng)用，由于本測控保護(hù)裝置應(yīng)用于 35kV 的中壓線路上，對(duì)保護(hù)的速動(dòng)性要求不是很高，所以本裝置也采用了比較成熟的全波傅氏算法。設(shè) 是周期函數(shù)，除基波分量外還含有各次諧波和不衰減的直流分量，則x(t)可表示 式中 λ ：自然數(shù)，λ ＝0、等；λa 、 ：分別為各次諧波（包括基波）正弦項(xiàng)、余弦項(xiàng)的振幅， 是直流分量值。λ=0，1，2，3根據(jù)傅氏級(jí)數(shù)理論，可得到全周波傅氏算法的計(jì)算公式： （216）經(jīng)采樣后，連續(xù)量變?yōu)殡x散量，積分變?yōu)榍箅x散和： （217）式中 N ：一個(gè)周期T 中的采樣數(shù)； k：從故障開始時(shí)的采樣點(diǎn)序號(hào)。基波的有效值為： 所用算法濾波能力的分析令A(yù)、B分別為： 因?yàn)?ω1t =2π, 所以當(dāng) p ≠ q且為整數(shù)時(shí)，有 A =0、B =0；當(dāng) p = q時(shí)，有A=T/2,B=T/2.1. 對(duì)高次諧波的濾波能力將式（215）中的 x (t)帶入式（216），并令式（216）中的λ =1，則對(duì)高次諧波（整數(shù)次）分量來說，計(jì)及式（219）中 q = p ≥2時(shí)有A =0、 B =0，所以 、 中不含有高次濾波分量，即全波傅氏算法可完全濾去輸入信號(hào)中整數(shù)次的諧波分量。2. 對(duì)非整數(shù)次高次諧波的濾波能力對(duì)于非整數(shù)次高次諧波，此時(shí)(pq)T,(p+q)T可表示為 其中 K ：正整數(shù)， K ≥2；k ：小于 1 的分?jǐn)?shù)。代入式（2－19）得 顯然 A ≠0、 B ≠0，但數(shù)值不大，且隨著K + k值的增大而減小。代入到式（216）中提取輸入信號(hào)的基波分量時(shí)，a1,b1中非整數(shù)次高次諧波的含量為：1 式中 中K+K次諧波的幅值 容易看出a1,b2中K=K次諧波含量減小了 3. 對(duì)基波分量的影響 對(duì)于輸入信號(hào)中的基波分量，當(dāng) p = q=1時(shí)，有A=T/=T/2由式（216）得到（ λ=1時(shí)）： 4. 對(duì)非周期分量的濾波能力根據(jù)衰減非周期分量的頻譜分析，衰減非周期分量中含有直流分量和頻率低于 25Hz 的低頻分量。對(duì)于 x (t)中的直流分量，相當(dāng)于式（219）中的p =0，于是有 A =0、B =0。因此，全周傅氏算法完全可濾去輸入信號(hào)中的直流分量。對(duì)于 x (t)中的低頻分量，令式（220）中的K =0，就可得到a1,b1頻分量的含量： 全波傅氏算法的優(yōu)點(diǎn)是精度高、濾波效果好：能完全濾除直流分量、……N/2 次諧波分量，且穩(wěn)定性好，對(duì)高頻分量和按指數(shù)衰減的非周期分量所包含的低頻分量也有一定的抑制作用。要注意的是：全波傅氏算法在計(jì)算時(shí)要用到全部 個(gè)采樣值，所以只有當(dāng) 個(gè)采樣值都是出現(xiàn)在故障以后時(shí)，計(jì)算才是準(zhǔn)確的，在此之前，N 個(gè)采樣值中有一部分是故障前的數(shù)據(jù)，一部分是故障后的數(shù)據(jù)，這就使得計(jì)算結(jié)果不是真正故障時(shí)的電量值。N N這種算法的數(shù)據(jù)窗長度為一個(gè)基波周期?？梢姡怯幂^長的采樣時(shí)間和較復(fù)雜的計(jì)算來取得良好的濾波效果和計(jì)算準(zhǔn)確度的。 本章小結(jié)本章主要闡述了設(shè)計(jì) 35kV 線路測控保護(hù)裝置的理論基礎(chǔ)，首先介紹了本裝置所配置的功能，隨后對(duì)裝置所采用的保護(hù)原理進(jìn)行了分析和介紹，最后介紹了保護(hù)所采用的保護(hù)算法并對(duì)算法進(jìn)行了分析。 第四章 基于DSP的微機(jī)線路保護(hù)裝置的硬件系統(tǒng)設(shè)計(jì)繼電保護(hù)裝置的主要功能是實(shí)時(shí)分析判斷所保護(hù)的電力設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài),在電力設(shè)備發(fā)生故障時(shí)發(fā)出跳閘命令將電力設(shè)備從系統(tǒng)中切除而線路保護(hù)一般還包括在切除瞬時(shí)性故障后發(fā)出重合閘命令讓輸電線路重新投入運(yùn)行的自動(dòng)重合閘功能要實(shí)現(xiàn)上述功能,裝置應(yīng)包括數(shù)據(jù)采集部分!計(jì)算和邏輯處理部分和出口執(zhí)行部分另外還要包括監(jiān)控和通信部分以管理!設(shè)置和監(jiān)視裝置 具體來說對(duì)于電力系統(tǒng)的微機(jī)線路保護(hù),保護(hù)裝置有著下列功能的需求:(1)模擬量的采集功能A)交流量采集:三相電壓!三相電流B)直流量采集:非電氣量經(jīng)過變送器轉(zhuǎn)換后的直流信號(hào)(2)開關(guān)量!脈沖量的采集功能(3)開關(guān)量輸出控制功能(4)數(shù)據(jù)處理功能(5)就地及遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)通訊功能(6)就地顯示和操作功能 本裝置為中性點(diǎn)非直接接地系統(tǒng)的線路保設(shè)備,采用一套裝置保護(hù)一條線路的方式根據(jù)上述需求,保護(hù)產(chǎn)品以分離板的形式設(shè)計(jì)按照功能可分為:主板(CPU)!交流輸入單元(PTCT)!開關(guān)量輸入直流輸入單元(DIDC)!操作回路(OPERATE)!人機(jī)接口(MMI)和電源單元(POWER)圖4一1為保護(hù)產(chǎn)品各插件功能聯(lián)系示意圖,主要由六個(gè)模塊組成,每個(gè)模塊作為一個(gè)子系統(tǒng)設(shè)計(jì)在一塊印制板上,最后安裝在標(biāo)準(zhǔn)機(jī)箱中裝置中各插件相互之間的信號(hào)傳輸以及內(nèi)部電源都通過總線板中介,總線板放在人機(jī)接口插件的后背,與外界隔絕避免了外界噪聲從總線板進(jìn)入各插件,影響插件的可靠性這樣做么方面能充分利用有限的機(jī)箱空間,使裝置結(jié)構(gòu)緊湊。另一方面,也方便了調(diào)試與維護(hù)工作,尤其是對(duì)緊急修復(fù)的情況,只需更換相應(yīng)的模塊即可,大大減少了維護(hù)人員的現(xiàn)場工作量,提高了裝置的可靠性和可維護(hù)性 (CPU) 主板插件作為本裝置的核心插件,它包括了數(shù)據(jù)處理單元!數(shù)據(jù)采集單元!數(shù)字量的輸入/輸出接口!通訊單元以及硬件測頻電路等主板的CPU采用TMS320F2812,按照功能分為外部存儲(chǔ)器擴(kuò)展!通信接口!數(shù)據(jù)采集!測率電路和CPLD等部分圖4一2為主板硬件系統(tǒng)的框圖 處理器是整個(gè)控制系統(tǒng)的核心部分,處理器的時(shí)序控制著其他模塊的工作在本裝置中,微處理器需要完成多種功能,它負(fù)責(zé)模擬信號(hào)的調(diào)理濾波!采樣!模擬/數(shù)字轉(zhuǎn)換!頻率和相位的測量!開關(guān)量信號(hào)的輸入/輸出!通信!系統(tǒng)計(jì)時(shí)!數(shù)據(jù)計(jì)算!邏輯判斷等功能。給其他硬件芯片提供各種硬件接口等數(shù)據(jù)處理單元的CPU采用Tl公司的TMS32OF2812,TMS320F2812是Tl公司新推出的一種32位定點(diǎn)高性能DSP芯片特別適用于有大批量數(shù)據(jù)處理的測控場合,如數(shù)據(jù)采集,工業(yè)自動(dòng)化控制等不但運(yùn)行速度高而且具有豐富的片內(nèi)外設(shè),便于接口和模塊化設(shè)計(jì)其總線采用哈佛結(jié)構(gòu),允許數(shù)據(jù)在程序存儲(chǔ)器和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器之間傳輸并且擁有獨(dú)特的指令結(jié)構(gòu),硬件的乘!加法運(yùn)算可以采用并行指令,在單周期內(nèi)可以完成一次整數(shù)或浮點(diǎn)數(shù)的乘法和ALU操作具有統(tǒng)一的寄存器編程模式,可達(dá)4MB的線性程序和數(shù)據(jù)地址空間,代碼高效 TMS320F2812是一種高性能CMOS技術(shù)的處理器,低功耗(,I/),支持JTAG掃描，其主要功能和資源如下。1高性能32位CPU16X16和32X32累加操作16X16的雙累加器可達(dá)4M的程序空間和地址空間與TMS320F24x/240源代碼兼容 片存儲(chǔ)器128K的16位FLASH(分為4個(gè)SK和6個(gè)16K塊)IKOTPROM2塊4K的SARAM(LO!Ll)l塊SK的SARAM(HO)2塊IK的SARAM(MO!MI)4KBOOTROM 外部接口可達(dá)lM的訪問空間可編程外部訪問等待時(shí)間三個(gè)獨(dú)立的片選信號(hào)三個(gè)外部中斷輸入外設(shè)中斷擴(kuò)展模塊(PIE)可支持45個(gè)外設(shè)中斷3個(gè)32位CPU定時(shí)器.電機(jī)控制外設(shè)兩個(gè)時(shí)間管理器(EVA!EVB)與24OXA兼容串口外設(shè)接口1個(gè)SPI2個(gè)標(biāo)準(zhǔn)的UA丑T1個(gè)eCAN1個(gè)MeBSP,可用作SPI.12位AD轉(zhuǎn)換器,16通道輸入2x8個(gè)復(fù)用輸入通道單獨(dú)或同時(shí)轉(zhuǎn)換模式轉(zhuǎn)換速率:56個(gè)可編程!復(fù)用GPIO.時(shí)鐘和系統(tǒng)控制支持PLL(鎖相環(huán))含有片上晶體震蕩器支持看門狗定時(shí)器模式TMS320F2812結(jié)構(gòu)框圖如下圖4一3所示 腳接入soM的外部時(shí)鐘OSC,同時(shí)通過鎖相環(huán)控制寄存器PLLCR設(shè)置n=1010,使倍頻時(shí)鐘CLKIN=()/2,即可達(dá)到150MHz 設(shè)計(jì)過程中的在線調(diào)試與仿真通過JTAG口niniTestActinnGrouP)標(biāo)準(zhǔn)側(cè)試接口進(jìn)行可以通過JTAG接口下載程序,也可以控制和觀察系統(tǒng)中處理器的運(yùn)行在TMS320系列DSP中,和JTAG測試口同時(shí)工作的還有一個(gè)分析模塊,它支持?jǐn)帱c(diǎn)的設(shè)置和程序存儲(chǔ)器!數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器!DMA的訪問,程序的單步運(yùn)行和跟蹤,依據(jù)程序的分支和外部中斷的計(jì)數(shù)等通過結(jié)合TI的集成開發(fā)環(huán)境(CCS)與JTAG接口給應(yīng)用DSP提供了很大的方便標(biāo)準(zhǔn)JTAG接口共有14個(gè)管腳,文獻(xiàn)llv指出當(dāng)仿真頭和JTAG目標(biāo)芯片之間的距離超過6英寸時(shí),仿真信號(hào)應(yīng)該加上緩沖,同時(shí)引腳EMuo!EMUI!TMS!TDI加上拉電阻連接到電源上本設(shè)計(jì)中EMUO和EMUI通過上拉電阻連接到33V電源,上拉電阻R為10K0其接口電路見圖4一5 通常內(nèi)置的看門狗容易受代碼錯(cuò)誤的影響,它無法提供外部獨(dú)立看門狗電路所具有的保護(hù)能力,因此在對(duì)安全性能要求較高的應(yīng)用中(如自動(dòng)門!醫(yī)療設(shè)備!機(jī)器人等),內(nèi)置看門狗是無法接受的,從而需要采用獨(dú)立的外部看門狗電路本設(shè)計(jì)中復(fù)位電路采用外部看門狗的方式,采用的芯片為仰53705。同時(shí)也可將復(fù)位按鍵配置到總線板上看門狗的工作是靠軟件來控制的,/看門狗0本身是一個(gè)可被清除的定時(shí)脈沖發(fā)生電路如果沒有清除脈沖的話,它將產(chǎn)生固定 頻率的輸出脈沖,這個(gè)脈沖引到系統(tǒng)的復(fù)位端系統(tǒng)正常工作時(shí),不斷的發(fā)出控制清除脈沖指令,使脈沖發(fā)生器沒有輸出,一旦系統(tǒng)失控,清除脈沖消失,/看7〕狗0工作產(chǎn)生輸出脈沖使系統(tǒng)復(fù)位圖4一6為外部看門狗的使用圖/材尺為手動(dòng)輸入復(fù)位按鍵,當(dāng)按鍵按下時(shí)/材R為低電平,則/尺石S石T輸出有效,產(chǎn)生低電平送入腸天S使DSP復(fù)位有效 TPs3705芯片為微控制器電源電壓監(jiān)控提供了電路初始化和定時(shí)監(jiān)控功能,主要用于基于DsP和處理器的系統(tǒng)中[l8]在上電期間,/RESET開始有效,然后開始