（电气工程专业论文）发变组故障录波监测装置的研究.pdf

山东大学硕士学位论文 摘要 随着电力系统的迅猛发展，对于电力系统保护和监控设备的要求也越来越 高。电力系统设备中最常用的微处理器( 包括5 1 系列和9 6 系列) 在许多方面， 特别是在计算能力和计算速度方面，已不能很好的适应电力系统的要求，在这 种情况下，数字信号处理专用芯片( d s p ) 被应用到电力系统中来。 本课题旨在基于d s p 及多c p u 并行处理技术研究开发一种新型的发变组 故障录波测距装置，本文详细介绍了该装置的系统设计方案。文章首先对各类 滤波算法进行了分析和比较，然后根据实际要求对全波傅氏算法进行了改进以 满足实时性要求。随后介绍了录波器前置机微处理器的选取。最后详细的阐述 了前置机硬件系统和软件系统的设计于实现。在装置的整体设计中，根据系统 工程的最优化思想采用了模块化分层设计的方案。在硬件电路中使用了数字信 号处理专用芯片( t m s 3 2 0 c 3 2 ) 和大规模可编程逻辑器件c p l d ，并采取了双 c p u 并行处理的结构。在软件设计中，突出考虑了装置的灵活性和适应性。文 章还提供了样机的部分性能测试结果。综合评价，这种新型故障录波器已达到 国际先进国内领先的水平。 关键词：故障录波，数字信号处理，c p l d 山东大学硕士学位论文 a b s t r a c t w i t ht h ed e v e l o p m e n to fe l e c t r i cp o w e rs y s t e m s h i g h e rt e c h n i c a l s p e c i f i c a t i o n sa r er e q u i r e df o rp o w e rs y s t e mp r o t e c t i o na n de l e c t r i c e q u i p m e n t b u tt h eu s u a ls i n g l e c h i pm i c r o c o m p u t e r s ，s u c ha sm c s 5 1a n d m c s 9 6 a r en o tw e l lc o m p e t e n tf o rt h eh i g h e rt e c h n i c a lr e q u i r e m e n t s e s p e c i a l l y o nt h ef a c e t so fr e a l t i m em e a s u r e m e n t ，d a t aq u a n t i t ya n d c a l c u l a t i o na c c u r a c y i nt h i sc o n d i t i o n ，d i g i t a ls i g n a lp r o c e s s i n g ( d s p ) c h i p s a r ei n t r o d u c e da n du s e di n t op o w e rs y s t e m s ，t h i sp a p e rm a i n l yi n t r o d u c e s t h ed e s i g na n dd e v e l o p m e n to fan e wt y p eh i g h - v o l t a g ef a u l tr e c o r d e r , w h i c hu t i l i z e sak i n do fd u a l m i c r o p r o c e s s o ra r c h i t e c t u r e a tt h e b e g i n n i n go f t h i sp a p e es e v e r a lf i l t e r i n ga l g o r i t h m sa r ei n t r o d u c e da n dc o m p a r e d ，t h e na n i m p r o v e df o u d e r - f i i t e d n gm e t h o d i s p r o p o s e d t o p e r f o r m r e a l - t i m e m e a s u r e m e n t ，l a t e rt h i s p a p e ra n a l y z e st h e s e l e c t i o no f f o r e g r o u n d m i c r o p r o c e s s o r s ，w h i c h i n c l u d e sa d i g i t a l s i g n a lp r o c e s s o r ( d s p ) t m s 3 2 0 c 3 2a n da nc p l d a tl a s t t h i sn e wt y p ef a u l tr e c o r d e ri se x p l i c a t e d t h r o u g hi t sh a r d w a r ed e s i g na n ds o f t w a r ep r o g r a m a l s og i v e no u ta r et h e r e s u l to fp r e l i m i n a wt e s t s k e y w o r d s ： f a u l tr e c o r d e r d i g i t a ls i g n a lp r o c e s s i n g ( d s p ) c p l d 2 山东大学硕士学位论文 1 引言 1 1 研究发变组故障录波测距装置的意义： 随着电力系统规模的日益扩大，电网结构的日趋复杂，线路电压等级和输 送容量的不断提高，对电力系统运行的可靠性提出了更高的要求。发电机的故 障势必对系统产生巨大的危害，因此及时修复发电机故障并恢复供电，对保证 系统安全、经济和稳定的运行具有重大的意义。 故障录波装置是电力系统可靠、安全运行不可缺少的设备之一，它对于电 力系统故障后的事故分析和处理起到十分重要的作用。随着电力系统安全可靠 性要求的不断提高，故障录波器也在不停的发展。从最初的光线式录波器到现 在的微机式录波器，从最初只能单纯记录故障波形到当今的故障定位和数据远 传，录波器的结构越来越合理，功能越来越强大，使用也越来越方便。最初的 光线式录波器只能监测很少的线路，记录很短的故障数据且不具有故障分析和 定位功能，它记录的是线路的模拟信号，事故分析困难，装置使用很不方便。 后来随着微电子工业的发展，以单片机为核心元件的故障录波器逐渐发展起来， 但是早期的录波器一般采用硬件电路判断启动，灵活性适应性差，并且不具备 故障定位功能。直到后来微电脑被广泛应用到电力系统，录波器才得到了迅猛 的发展，现今的微机故障录波器普遍具有较强的数值计算、故障定位以及故障 自动打印等功能，并具有友好的人机界面，灵活性强，使用方便。系统发生故 障后，微机故障录波器通过分析记录的故障数据，确定故障线路，找出故障位 置，并自动在很短的时间内给出事故分析报告。工作人员可以根据事故报告， 及时排除故障，恢复供电。这在电网规模曰益扩大的今天具有重大的社会意义 和经济利益。 然而现有的录波器多是针对线路录波，在很多方面，特别是在发电机内部 匝间短路轻微故障、过激磁起动、逆功率起动等的判断上，缺少相应的有针对 性的启动判据数据，并且缺少对发电机、主变压器、高压厂用变压器、励磁系 统等设备主要电气量的连续监视功能，而且随着继电保护装置性能的提高，发 山东大学硕士学位论文 2 2 数字滤波算法分析 2 2 1 最i j 、- - 乘滤波方法 s a c h d e v 和b a r i b e a n 首先提出了使用任意长数据窗的最小二乘法。最小 二乘滤波算法的出发点是假定输入信号的有效信息符合某一确定的数学模型， 使输入信息最大限度地拟合于这一模型，并将拟合过程中剩余地部分作为误差 量，使其均方误差值减少到最小。它是误差理论中的重要方法之一。它广泛应 用于数据处理和自动控制等领域。最小二乘滤波方法从根本上讲是一种曲线拟 合。曲线拟合需要有确定的数学模型，当输入信号中存在有衰减的直流分量及 非整倍数频率分量时，可以写成下式： j ( t ) = 西8 “ + l s i n ( 2 0 ) 。t + 妒n ) + 此处各非整倍数倍频分量等作为噪音w 表示。使用最小二乘法，首先是确 定数学模型，对于衰减的直流分量，它具有一个确定的数学模型，因此可以用 拟合的方法求出它的幅值和时间常数，通常将指数函数展开成级数形式如下： p “= 五一k 1t 对于其它各次谐波可以包含到数学模型中，谐波次数受采样频率的限制。最小 二乘法实时计算量相当大，为了能实时应用，不得不减少数学模型中的谐波次 数，但这样反过来又会影响算法的频率响应特性，这是最小二乘法未能在电力 系统领域得到很好应用的原因。对于故障录波器这种监测线路多，实时要求高 的设备来说，最小二乘法是很难被采用的。 2 2 2 狭窄带通滤波 由于狭窄带通滤波能很好的抑制非选定频率的信号，所以它能较好的抑制 随机频率分量，包括衰减的非周期直流分量中所含大部分成分。但由于衰减的 非周期直流分量亦包含有有用的频率分量，所以仍存在着一定的误差，误差的 大小与设计的频带宽度有关，带宽愈窄，误差愈小。狭窄带通滤波是用叠代方 法计算的，它的收敛速度与带宽有关，带宽愈窄，收敛愈慢。就录波器前置机 山东大学硕士学位论文 而言，不可能也不必要对每一路每一采样点都进行一次带通滤波计算。即使采 用了狭窄带通滤波，对其输出序列也要再从中提取基波分量，故录波器前置机 不宣采用这种方法。但对于录波器后台测距来说，狭窄带通滤波就不失是一种 很好的滤波算法。 2 2 3 卡尔曼滤波算法： 卡尔曼滤波器由g i r i g i s 和b r o w n 首次引入电力系统。它是从另一种最小均 方估计误差的角度，以递推的形式实现。递推滤波，线性，最优估计是卡尔曼 滤波最吸引人的特征。将卡尔曼滤波用于电量估值时，关键是如何选取有关模 型的参数( 如噪音模型参数) ，使之在电力系统在实际可能的运行方式变化范围 内保持足够的精确度。算法需要些假设条件，即故障信号的模型和干扰信号 的分布特性需已知。事实上，故障信号的构成取决于很多因素，包括电力系统 的运行状况，故障位置和故障过渡电阻等。并且，故障信号中干扰的大小和分 布是不能预先精确估计的。 卡尔曼滤波技术包括三个重要的步骤，由五个方程组成。第一步是建立一 个系统状态空间模型，第二步是估计卡尔曼滤波增益，第三步是利用状态空间 模型和卡尔曼滤波增益实现卡尔曼滤波。下面是卡尔曼滤波的五个递推方程： ( 1 ) 状态方程： r ：= n - 1r 。一1 + c on 一1 】 ( 2 ) 误差协方差估计：p ：矽。一p 。一。妒t i。一，+ q 。 nrn n lrn l 4n i ( 3 ) 卡尔曼滤波增益： k 。：p ：c ：( c 。p ：c ：+ r 。) 一1 h ) 由测量值产生最优状态估计： 更文：+ k t x 一c 文：) ( 5 ) 计算误差协方差： p ：0 k c ) p ： 因为卡尔曼滤波是递推滤波，数学结构简单，由递推方程随肘给出新的状 态估计，所以对计算机来说，卡尔曼滤波的计算量和存储量相对都不很大。但 是它的绝对计算量并不小，对于录波器前置机这种测量路数多、采样点数少而 实时要求高的特点，卡尔曼滤波并不能很好得发挥算法的优势a 6 山东大学硕士学位论文 2 2 ，4 傅氏滤波算法 最经常采用的傅氏滤波算法是采用某一正交函数组作为样品函数，将这一 正交样品函数组与待分析的时变函数进行相应的积分变换，以求出与样品函数 频率相同的分量的实部和虚部的系数，进而可以求得待分析的时变函数中该频 率的谐波分量的模值和相位。傅氏算法的基础是假定输入信号为周期函数，可 以分解为整数倍的频率分量之和，其中包括恒定的直流分量。 傅氏算法是在电力系统中应用很广的一种较好的算法，尤其是在提取基波 分量时，傅氏滤波占有重要的地位。全波傅氏算法不仅能完全滤除所有整次谐 波分量和恒定的直流分量，对于非整次谐波分量和按指数衰减的非周期分量所 包含的低频分量也由一定的抑制能力。 傅氏算法的频率响应： w a 一号时的频率响应特性 在频率响应特性中，u ( t ) 为输入电压，u 1 为基频分量，a 为初相角。 t o 时的瓤事响摩特性 7 山东大学硕士学位论文 可选用单精度或双精度输出。( 2 ) 自动产生数据地址。通常，数据地址产生器 本身就是一个微处理器，可以按较为复杂的逻辑产生非顺序的地址，而不象通 用处理器那样靠a l u 来要求产生。( 3 ) 指令定序不对其它主要的运算单元造成 开销，在执行转移和循环是不产生额外开销。( 4 ) 简单的定标度运算就能得到很 宽的动态范围，通常是用桶式移位器在单周期内产生输出。 3 1 2d s p 结构上的特点：m 。 为了加快数据流的传输，克服瓶颈问题，d s p 采用了哈佛总线结构( 指令和 数据有各自的存储空间，寻址或存取数据、指令有各自的传输总线) 而不是通用 处理器采用的冯诺依曼结构( 指令和数据使用同一存储空间，经由同一总线传 输) ；加快数据流传输的另一个途径是提高处理器的时钟速度：于此同时又采用 了先进的处理方法如流水线处理和并行处理，这些都使得d s p 的各项运算和处 理能在一个时钟时期内完成。 3 1 2 1 哈佛结构和冯诺依曼结构的比较： 在典型情况下，完成一条指令需要以下四步：取址、译码、读和执行。对 于冯诺依曼结构而言，由于取指令和存取数据要从同一存储空间存取，经由同 一总线传输，因而它们无法同时执行。而d s p 采用了哈佛总线结构，指令和数 据有各自的存储空间，寻址或存取数据、指令使用各自的传输总线，使得各条 指令的执行可以重叠。 3 1 2 2 特有的流水线处理结构： 流水线技术是指一种可以使两个或更多个操作在执行时发生重叠的技术。 在流水线操作中，一个任务被分解为若干个子任务，这样它们可以在执行时相 互重叠。 3 1 ，2 3 并行处理： d s p 可以充分利用哈佛结构的多重总线的优点，在一个周期内使内部的各 个处理单元同时工作，实现高速的并行处理。并行处理另个方面的内容是指 若干相同的处理单元对若干处理内容相同的操作进行同时平行的处理。 9 山东大学硕士学位论文 3 1 3d s p 中央处理单元构成特点： d s p 处理器的运算处理功能单元主要包括：乘法器，乘n 器( m a c ) ；算术运 算单元( a l u ) ；移位器；数据地址发生器( d a g ) ： 3 1 3 1 乘法器 在通用微处理器中，乘法是由软件实现的，它其实是由时钟控制的一连串 的“移位一加法”操作，乘法时间与字长的平方成正比。在d s p 微处理器中， 两个字长为b 位的输入是在一个时钟周期内由硬件执行的，乘法时间大体上与 乘法器的字长成正比。 3 1 3 2 乘加器( m a c ) 针对滤波器、f f t 和矢量运算中，常常进行乘累加运算，为此将乘法器和 加法器相结合，在一个周期内完成次( m + d + b ) 运算，并且累加乘法运算的结 果。 3 1 3 3 算术逻辑单元( a l u ) 用于单片机的a l u 着重于位操作和字节处理，它执行较长的微程序；而 用于d s p 的a l u 强调运算速度，因此这种a l u 只有很少的寻址模式和很短的 微指令系列。d s p 的a l u 要求在单周期内完成一条指令，对重复性的操作采 用流水线方式，对一次性的操作采用直通式的处理方式。 3 1 3 4 移位器 通用处理器的移位操作采用直线式移位，操作速度很慢，每调用一次移位 指令，只使数字移动一位。d s p 则采用桶式移位器，移位时采用环形移位，首 尾相连，这种移位方式可以形象的看作是数字沿着滚筒滚动。使用桶行移位器， 对一个数只需操作两步就可将它移动任意位，操作速度很快。 3 1 3 5 数据地址发生器( d a g ) 在通用处理器中，产生数据的地址和进行数据处理都是同一个a l u 的工作。 而在d s p 中，为了得到快速和灵活的寻址，使用了专门的、有自己a l u 的数 据地址发生器，它可以按复杂的逻辑产生数据所在的地址。存放在一组寄存器 中供其他单元使用。 1 0 山东大学硕士学位论文 3 2t m s 3 2 0 c 3 x 处理器简介( 以t m s 3 2 0 c 3 2 为例) ： t e x a si n s t r u m e n t s ( t i ) 推出的t m s 3 2 0 c 3 x ( 第三代) 数字信号处 理器( d s p s ) 是一种高性能c m o s3 2 位浮点运算器件。c 3 x 系列处理器包括 c 3 0 、c 3 l 和c 3 2 三种型号，它们均可以在单周期内，对整数或浮点数进行并 行的乘法和算术逻辑单元( a l u ) 操作。它们还具有通用寄存器组，程序高速 缓冲存储器，专用的辅助寄存器单元( a r a u ) ，内部的双存取存储器，一个 d m a 通道( c 3 2 的d m a 为双通道) ，以及更短的机器周期时间。由于它们具 有很大的地址空间，多处理器接1 3 ，内部及外部产生的等待状态，两个外部接 口端口( 在c 3 1 和c 3 2 上只有一个) ，两个定时器，两个串行口( 在c 3 1 和c 3 2 上只有一个) ，以及多重中断结构，该处理器的应用得到很大的加强。 t m s 3 2 0 c 3 x 支持广泛的系统应用，包括主处理器到专用的协处理器。 t m s 3 2 0 c 3 2 的一些主要特点列举如下； t m s 3 2 0 c 3 2 6 0 ( 5 v ) ；3 3 a s 单指令周期时间；3 3 0 百万次运算每秒钟( m o p s ) ； 6 0 百万次浮点运算每秒钟( m f o p s ) ；3 0 百万条指令每秒钟( m i p s ) ；1 6 - 3 2 - 位整数和3 2 4 0 位浮点数：3 2 位指令、数据字，2 4 位地址：两个2 5 6 3 2 位 单周期、双存取片内r a m 块；支持8 - 1 6 3 2 位片外r a m 数据存取格式和 1 6 4 3 2 位片外r a m 程序执行格式； 另外值得一提的是，在寻址方式中t m s 3 2 0 c 3 x 提供了一种循环寻址方式， 它实际上属于间接寻址，是一种高效有用的寻址方式。在实际应用中，许多算 法要求在存储器中进行循环缓冲，循环寻址可用来实现一个滑动窗，使窗内包 含有要处理的最新数据，进入的最新数据总是重叠写入到最老的数据上。 t m s 3 2 0 c 3 2 可以用一条指令完成循环寻址功能。 3 3t m s 3 2 0 c 3 2 处理器的选取： 数字信号处理技术的应用领域极其广泛，例如语音图象处理、数字通信、 高清晰度电视、雷达及声纳系统等。d s p 处理器在这些领域已经有了深入的发 i l 山东大学硕士学位论文 装置对计算精度和启动准确度要求的提高。单纯的定点运算已不能满足要求。 通过以上的对数字信号处理芯片的介绍和分析，t m s 3 2 0 c 3 2 处理器无论从 计算性能还是从以后的设备扩展等方面都能很好的满足电力系统的要求，实际 应用时就是采用了这种芯片。 但是还应该看到，和数字通信及语音图象处理等领域相比，电力系统的数 据采集和处理有其自身的特点。一般来讲，电力系统的数据采集路数比较多， 几路、十几路甚至几十路，远多于数字通信及语音图象处理的一路、两路。电 力系统对数据处理的要求虽然有了很大提高，但相比其他领域而言，其要求还 是很低的，实时处理一般只需基波( 5 0 h z ) 和整次谐波的电压电流量，对波形质 量和噪声滤除的要求也不高。另外，数字通信及语音图象处理的采样频率比较 高，从几十k 到几兆；而电力系统的采样频率只有几百到几k 。由于电力系统 的上述特点，虽然d s p 在数字通信及语音图象处理等领域已经有了深入的发 展，各种算法实现( f f t 、i i r 、f i r 、自适应算法、压扩等等) 都已经比较完 善，但适用于电力系统特点的算法实现并不多。这就要求在开发和应用中要充 分发掘d s p 本身的资源并注意结合电力系统自身的特点。 4 硬件系统设计 4 1 新型故障录波器的设计： 电力系统故障动态记录的主要任务是，记录系统大扰动如短路故障、系统 振荡、频率崩溃、电压崩溃等发生后有关系统电参量的变化过程及安全自动装 置的动作行为。 故障录波器的设计，须符合行标( ( 2 2 0 k v - 5 0 0 k v 电力故障动态记录技术准 则( d l 厂r 5 3 3 9 4 ) 及 2 2 0k v - 5 0 0 k v 电力故障记录装置检验测试标准的规 定。装置应满足：( 1 ) 、当系统发生大扰动，包括在远方故障时，能自动地对干 扰全过程进行记录，并当系统动态过程基本结束后，自动结束记录。( 2 ) 、存储 容量应足够大，当系统连续发生大扰动时，应能无遗漏的记录每次系统大扰动 发生后的全过程数据，并按要求输出历次扰动后的系统电参量及保护装置和安 1 3 山东大学硕士学位论文 全自动装置的动作行为。( 3 ) 、所记录的数据可靠安全、满足要求、不失真。其 记录频率( 每一工频的采样点数) 和记录间隔( 连续或间隔一定时间记录一次) ，以 每次大扰动开始时为标准，宜分时段满足要求。此外，装置要具有友好的人机 接口界面：配置、检测、整定等灵活方便2 5 】 2 6 l 。 根据行标的具体要求，鉴于录波测距装置处理数据量大、采样频率较高等 特点，新型录波测距装置在设计中采用系统工程的最优化设计思想。前置机按 照功能划分由四部分构成：a d d 采样模块、管理模块、通信模块和继电器信号 板。它们主要完成：数据采集、计算处理、存储管理、启动判断以及与后台机 通信等功能。 值得一提的是，在管理模块的硬件设计过程中，很重要的一点就是如何兼 顾实现前置机对数据的计算和对硬件系统的控制这两个方面。t m s 3 2 0 c 3 2 作为 数字信号处理专用芯片，虽然它的计算速度和精度都很高，但是它对外围器件 的控制能力是很弱的，很难完成复杂的过程和时序控制。因此引入大规模可编 程逻辑器件c p l d ，c p l d ( 可编程逻辑器件) 技术可以将数字电路集成到一块芯片 上，大大减小了电路板的体积，而且它的可编程性使得设计好的电路在升级和 修改上变得非常简单和方便。e p m 7 2 5 6 s 是a 1 t e r a 公司推出的m a x 7 0 0 0 s 系列的 c p l d ( c o m p l e xp r o g r a m m a b l el o g i cd e v i c e ) ；采用c m o se e p r o m 工艺，传输延 时仅为3 5 n s ，可实现频率高达2 0 0 m h z 的计数器；内部具有丰富的资源2 5 6 个宏单元，1 万个用户可编程门：为了比较适合混合电压系统，提供了3 3 v 电 压的内核，通过配置，输入引脚可以工作兼容3 3 v s v 逻辑电平，输出可以配 置为5 v 3 3 v 逻辑电平输出。e p m 7 1 2 8 s 同时还提供了j t a g 接口，可进行i s p 编程，极大方便了用户。如果能将这两种芯片有机的结合起来，充分发挥各自 的优势，而又不互相牵制，就可以很好满足录波器的设计要求了。在实际设计 中采用了双c p u 并行处理的结构。这种结构使得这两种芯片有机得结合起来， 既相对独立又互相统一。独立性表现在，它们有自己独立完整的系统结构并由 不同的晶振驱动。它们各自完成各自的任务，在速度和性能上不存在互相牵制 的现象，c p l d 以中断方式触发d s p 。 1 4 山东大学硕士学位论文 为满足行标的具体要求，新型录波测距装置在硬件和软件两方面的设计相 比以前都有了很大程度的提高，具体表现在：( 1 ) 、采样频率的提高：随着继电 保护装置性能的提高，保护动作到断路器跳闸时间越来越短。目前，快速高压 开关的跳闸时间大约在4 0 m s 左右，而快速继电保护的动作时间在1 0 m s 左右。 在这种情况下，适当提高了采样频率以更好的录取故障波形中的各种成分，对 于输电线路可采用1 2 8 点每周波采样；对于发电机可采样2 5 6 点每周波采样。 ( 2 ) 、存储容量的增加：随着故障录波装置监测线路的数量和采样频率的提高， 数据量相比以前有了很大增加，为此前置机采用了8 m 容量的掉电保持r a m ， 掉电保持r a m 的优点是即使装置失电，其片内内容仍可以长期保存不丢失， 这样就确保了连续故障数据的记录和掉电保持，提高了装置的可靠性。当前置 机确认掉电保持r a m 中的数据已经通过p c i 0 4 总线传至后台机并存入硬盘 时，其相应的r a m 空间即被释放；后台机采用大容量( 8 0 g ) 硬盘存储数据，足 可以保存三年以上的故障数据。( 3 ) 、计算能力的提高：由于前置机采用了数字 信号处理专用芯片t m s 3 2 0 c 3 2 ，不仅满足了实时处理的要求，而且对数据的处 理也已不仅是简单的累加和相乘，而是能进行如除法、开方和矩阵运算等复杂 运算( 如进行全波傅氏算法、序分量求解等) ；精度要求也不再满足于定点运算 而可以进行浮点运算；运算数据的吞吐量相比以前也大了很多。( 4 ) 、各项功能 的完善：由于c p l d 不需参与采样数据的计算和处理，它可以很好的完成各项 系统控制，如：采样控制，时钟管理，频率测量、逻辑译码和频率跟踪等功能。 ( 4 ) 、灵活性的提高：硬件采样插件式结构，可根据实际需要灵活配置，并便于 现场维修和扩充。软件编制过程中，特别注意了灵活配置的要求，所有定值和 参数均由后台机设定并可经由录波器联网系统远方修改和调用。 4 2 前置机硬件构成：( 图1 ) 前置机主要由a d 采样模块、管理模块、g p s 对时模块和继电器信号板四 部分组成。a d 采样模块主要完成：模拟低通滤波，模拟量采样和开关量状态 记录，对采样数据进行处理，以及采样数据传送等功能；管理模块采用 1 5 山东大学硕士学位论文 a d 采样模块的r a m 区用来驻留和运行程序，e p r o m 区用来存储程序、数据 和计算用因子表。双口r a m 实现高速数据传输，它具有两套独立的控制逻辑 和数据存取端口，从而使双口r a m 两侧相对独立开来。 4 。2 2 管理模块( 图3 ) ： 管理模块采用c p u + c p l d 的并行处理结构，c p u 采用t m s 3 2 0 c 3 2 ( d s p ) 芯片，c p l d 采用e p m 7 2 5 6 s 。管理模块的t m s 3 2 0 c 3 2 完成读取a d 采样模 块的数据，故障启动、数据存储、参数整定、与后台通信等功能。它的掉电保 持r a m 用来存储故障数据；e e p r o m 区用来存放和修改定值，同步串行口实 现了与后台工控机的高速通信。c p l d 主要用于系统控制，如时钟管理，采样 控制，频率测量、频率跟踪、逻辑译码等。其中时钟管理包括：在装置远方对 钟时将正确时钟写入时钟芯片；在故障录波时给每次故障记录打上时间标签； 在后台机调用时间时发送时间信号。采样控制是指，根据测频电路测频的结果， 自动跟踪频率变化并发送采样脉冲到各a d 采样板和管理板。频率测量是指根 据电平比较电路的输出，测量系统电压波形的周期，取倒数即为系统的频率。 频率跟踪即以此频率为基准，调整发出采样脉冲的间隔时间。 4 2 3g p s 对时模块( 图4 ) 每一个故障录波文件都有一个时间标志，每个故障文件的每个采样点都带 继电器和 加 采样板 图3 管理板结构示意图 1 7 山东大学硕士学位论文 有绝对时间时标，对于单独的一台录波器。可以详细她分析故障发生及继电保 护装置的动作行为，联网后，所有的故障录波数据都要上传到主站，对两侧录 波器的录波文件比较分析显得很重要，因此对录波数据的时间标示的精度提出 更高的要求。现有的时钟芯片都有计时误差，这就要求录波器能接收g p s 对时， 是所有联网录波器都以同一时钟工作。 本系统设计采用串行口对时和接点对时相结合的方法，开机后，p l d 通过 4 8 5 串行口读时间，d s p 通过p l d 将g p s 绝对时间读出，同时修改本机系统 时间读入时问，并转为秒数，微秒计数器开始工作，p l d 每秒向d s p 发一次中 断，d s p 响应中断后，读入当前状态值，当状态值允许时，秒数加1 ，当不能 跟踪卫星时，由p l d 内部计时产生秒脉冲。重新跟踪上卫星后，d s p 重新读入 时钟；每次秒脉冲来对，复位微秒计数器。 t x d 。 i 卜医再忑订。 秒脉冲 吨蛰酬 百孓；卜 厂爵广k 一 分或时屈 l j 、 冲 图4g p s 对时模块 4 2 4 继电器信号板 继电器信号板用来完成开关量动作信号输出和装置运行状态的监视。它一 共有1 2 路输出，其中前七路开关量为信号指示可用于系统的运行状态指示。 1 8 山东大学硕士学位论文 第八路输出为光耦输出，能提供8 - l o m s 的电流，可用于后台机复位等操作。第 九路至第十二路为继电器空接点输出。可用于光字牌信号，打印机控制等。 5 软件系统设计： 5 1g d 采样模块： 5 1 1 算法及实现 f 1 1 、基波向量的计算方法 基波向量的计算采用全波傅氏算法，它不仅能滤除整次谐波分量和恒定的直 流分量，对于非整次谐波分量和按指数衰减的非周期分量所包含的低频分量也 有一定的抑制能力。当电力系统的电压( 或电流) d ( t ) 中含有谐波分量时，d ( t ) 可以表示为各次谐波分量的叠加： d ( ，) = 胁s i n ( 删+ 伽) 式中d 。n 次谐波电压( 或电流) 的有效值； u 基波角速度； 1 l r n 次谐波的初相角。 由数学知识不难得到，对于每周期采样n 的离散采样系统，其基波电压( 或 电流) 的有效值、实部有效值、虚部有效值分别为： d = 踊 。= 专薹心c 。s c z 厅斋， q = 寻羹hs t n c z 石景， p 栅e 删e = t a i l 一1 竺r e a 警lp a 罂r t， j 豁去实现： 山东大学硕士学位论文 ( 2 ) 、正、负、零序分量计算方法 电力系统发生不对称故障时，三相电路电流和电压的基频分量都变成不对 称的向量。据对称分量法可知三个不对称的相量可以唯一的分解成三组对称的 向量( 即对称分量) ：正序分量、负序分量、零序分量。f 。、f b 、f 。是三个不对 称分量，有： f 。= f 。q ) + f 。( 2 ) + f 。 o ) f = f b o + ，6 f2 ) + f ( o ) f c = fc ( ，) + f c 【2 ) + fc ( o ) 由于每一组分量都是对称的，故有下列关系 f 6 ( 1 ) 。e 。2 4 0 。f d ( i ) 2 口2f 口( 1 f c ( 1 ) = e 。1 ”f 口( 1 ) 。af 口( 1 ) f 2e j f 。( 2 ) = a f 口( 2 f c ( 2 ) = e j 2 4 ”f d ( 2 ) = 口2f 口( 2 ) f b ( o ) 。f d ( o ) = f c ( o ) 热a = e j l 2 0 ：一吉+ ，孚= e j 2 4 0 4 = ，萼； 表示为矩阵形式 冗 e t c ( 】) c ( 2 ) f 口e o ) r，1i；il 口矿 一憎一 = 山东大学硕士学位论文 e ( 1 ) 只t 2 ) c ( o ) 口 口2 1 通过上式，即可求出基波的正序分量、负序分量、零序分量。 算法实现： 根据上述公式，求解基波的正序分量、负序分量和零序分量可按实部和虚 部分别进行矩阵一矢量乘法运算。表达式如下： p ( i ) = m ( 1 ，o ) v ( o ) + m ( i ，1 ) v ( 1 ) + + m ( 1 ，n 1 ) + v ( n i ) 其中：i = 0 ，1 2 k 1 p ( i ) 表示序分量的实部或虚部，m ( i ，n ) 表示变换矩阵【a 】的 实部或虚部，v ( 1 ) 表示输入各相基波有效值的实部或虚部。变换矩阵【a 】应预先 生成，存储在管理模块e p r o m 中：各相基波有效值的实部和虚部已经在上一 步的全波傅氏算法中求得。 存储器构成为： 低地址 矩阵元素存持输入矢量存丹结果矢量存悖 田圈 j 口 j 五 ( 3 ) 、有效值( r m s ) 、有功功率和无功功率： 计算方法： 对于每周期采样n 次的离散采样系统，其k 次谐波电压( 或电流) 的实部、 虚部和有效值分别为： e以e rjojjjjjo也 矿甜， 圉蚕 山东大学硕士学位论文 = 专塾c 。s ( 2 石万n k ) d 伫= 寻薹ks 狐z 疗争 d k = 扫蕊 式中x 。一个基波周期内的第1 1 个采样点。 在得到各次谐波电压( 或电流) 的有效值后，可得总电压( 或电流) 的有 效值d 为： 。= 肝丽= 廖= 厣丽 n 次谐波的复功率为： s = u 。，= ( u 砌+ j u m ) ( ，砌一j l 抽) = ( u 勘，砌+ u 加，加) + j ( u m 胁 一u 。，m ) = 只+ 包 在求得各次谐波有功、无功功率后，可得总的有功功率p 、无功功搴q 为： p = 只 q = q j = l 算法实现： 在求得各次谐波向量后，即可根据上述算法编程求取有效值( r m s 、有 功和无功功率了。 5 1 2 功能及流程图： a d 采样模块的软件设计： a d 采样模块主要是完成模拟量的变送、数据采集、原始数据的转存和预 处理( 数字滤波、相序分解、有效值计算等) 。 软件流程； a d 采样部分的软件由两部分构成，一是主程序，二是中断程序。 山东大学硕士学位论文 ( 3 ) 、计算结果的离散性：( 连续测量时间间隔5 毫秒) 时 a ，d 板输入a d 板输出 刻 测试仪输出( v ) ( v ) 单相( ”序分量( v )直流量( v ) u a2 8 31 7 0 。2 = - 0 9 9 9 6 0 9 9 8 正1 0 0 2 l u b 2 8 31 7 0 9 9 9 81 0 0 2 负0 0 0 8 0 0 0 5 u c2 8 3 1 7 0 9 9 9 91 0 0 1零0 o o l u a 2 8 3 1 7 0 9 9 9 60 9 9 9 正1 0 0 2 2u b 2 8 3 1 7 0 0 4 s ) 及b 段( i 0 1 s ) ：记录按1 2 8 ( 或6 4 点) 周波；若在c 段以 后再进入b 段按6 4 点采样，该段记作b 1 段) c 段( i s ) ：每1 周波输出一个工频有效值( 准则中规定“输出连续的工频 有效值”) ； d 段( 1 9 s ) ：每5 周波输出一有效值( 准则中规定“每0 1 秒输出一个有效 值”) ； e 段( ，3 0 m i n ) ：每5 0 周波记录一点( 检验标准中规定“每一秒输出点电压或 频率值” 第一次启动，在有任何一启动量启动时，记录过程由b 段开始，按照b 段 记录要求进行记录，随后按c d e 段顺序记录，由b 段开始时刻向前追加4 个 周波便是a 段的记录。重复启动：在已经启动的过程中，如遇：( 1 ) 、电压突变 量判据有输出：( 2 ) 、输入断路器跳合闸信号。则过程记录从新由b 段开始，该 段计为b l 段，随后按c d e 段顺序记录。 山东大学硕士学位论文 ( 5 ) 程序流程：程序包含主程序、1 2 周波中断程序、秒中断程序。 主程序流程图( 图9 ) ：主程序开始后，首先执行程序加载( b o o t 1 0 a d ) ，接着执行 初始化，随后读取前景机配置，