微机线路继电保护装置研究与设计说明

1、. . . . 目录第1章 绪论.,11.1 研究测控保护装置的意义 .11.2 继电保护的发展历程.11.3继电保护装置的分类.21.4 继电保护的未来发展31.5 本文所做的主要工作4第2章 微机系统功能配置与算法62.1 保护功能置基本原理 .62.1.1 三段式电流保护.62.12方向性三段式电流保护.72.1.3自适应电流保护.82.1.4零序电流保护.92.2 测量功能 . .10 2.3通讯功能.102.4 控制功能 . 112.5 保护算法 . 112.5.1 常用算法简单介绍 . 112.5.2傅氏算法 . 122.5.3 所用算法能力的分析. 132.6 本章小结 .15第

2、3 基于DSP的微机线路保护装置的硬件系统设计.2331保护装置的整体设计要求.2332插件的设计(CPU).,.23 3.21CPU一TMS320F2812.,2332.2外部复位电路.,2632.3储器的扩展.,.2832.4通信接口的设计.,3132.5测频电路.,3432.6CPLD的设计.,3532.7数据采集的硬件结构与其实现.,3733交流插件的设计(PTCI,).,.4034输入直流输入插件(DIDC).,.4134.1开关量输入.,4134.2直流输入.,4235操作回路插件（(OPERAT）.,4236人机接口插件(MMI).4337电源插件(POWER).4438本章小结

3、.,.44第5章 系统的软件设计.455.1系统软件的总体设计原则.455.2程序设计语言的选择.455.3测控部分的软件设计.465,4保护部分软件设计.465.4.1软件定时处理程序.46第6章 论文的结论与展望.476.1结论.,476.2展望.,471.1 研究电力系统测控保护装置的意义随着计算机技术、电子技术和通讯技术的高速发展，电力系统调度自动化、配电自动化和变电站综合自动化正在世界围逐步实施起来。分布式的变电站自动化系统目前已经是发展的必然趋势。近几年来，我国电网中变电站的自动化水平也在发生着新的变化。各地区已经逐渐出现了大量采用自动化技术的变电站，有的还实现了无人值班。同时，电

4、力系统自动化的分布式开放系统结构这一发展趋势使原有的电网监测、控制、保护、记录、通信联网等各分立装置正在发生一场根本性的变革。变电站自动化对配电线路微机保护和测控一体化装置的研制提出了要求。为了适应变电站自动化系统全分布和面向对象的趋势，就要有与之相配套的集测量、监控、保护、记录、远动和通讯联网等多功能综合一体化的微机保护和测控装置，而目前普遍使用的功能独立的各种装置已不能完全适应变电站自动化改造和现代化电能管理的需要。90 年代以来，国际上出现了继电保护、操作控制和监测集成化、一体化的发展趋势，特别是 90 年代中期以来，这种趋势越来越强劲。传统意义上讲，继电保护是强调独立的，主要是因为继电

5、保护对可靠性的要求很高。但随着计算机技术的飞速发展，下面两个原因使继电保护和监控系统的紧密结合成为可能。1. 功能集成和资源共享在中、低压配电网络中，继电保护相对比较简单，其独立性的要求也相对低一些。这种情况下，特别是伴随着现代微控制器的高速发展，继电保护的硬件资源比较充裕。因此，有可能将监测、控制操作的一些任务交由继电保护的硬件平台来承担。此时，只要对硬件做小量的修改，而在软件上扩充一些功能。另外，由于传统的保护、测量、监控、远动等硬件资源相互独立，往往造成接线复杂和二次设备的重复投资。随着配网自动化和变电站自动化在电力系统中的推广应用，过去的保护、测量和监控方式已经不能完全满足新形势的需要

6、。新一代智能化保护单元是集保护、监测、控制、远动和通讯一体化的装置，能适应新形势的需要。2. 远方控制和信息共享计算机和网络技术的飞速发展，为继电保护的信息系统纳入整个自动化系统提供了可能。在信息共享方面，主要是继电保护装置可以将记录的故障前后以与跳闸前后的信息提供给监控系统乃至控制中心，以便调度管理人员作全局性的分析和控制。多功能配电线路微机保护和测控装置可以取代传统的感应式电表、变送器和 RTU，实时提供电网的电压、电流、有功功率、无功功率、功率因数、电度等参数，另外它还具有继电保护功能，构成一个完整的电力系统单元式二次模块。总之，研制和开发功能全面、精度较高的配电线路微机测控保护装置已成

7、为各国电力部门的普遍要求。1.2继电保护的发展历程继电保护与自动装置是一门新学科,从形成概念到现在刚过百年.但其技术却有飞速发展,从最初的机电型发展到今天的微机型,经历了四代的更新"与其他技术不同的是新技术不能完全取代/老0技术;电力系统中运行的继电保护与装置可以说是/四世同堂0"各代装置的特点性能和优缺点见表1一1"表1-1不同类型的继电保护即自动装置性能比较保护类型优点缺点与存在问题机电型简单可靠，价廉，技术成熟，耐浪涌性强动作速度慢，不易实现复杂的装置晶体管型动作速度较快，可实现复杂的装置，比较经济，易于掌握抗干扰差，元器件多，易发生特性变化和原件损坏集成电

8、路型动作速度快。易实现较为复杂的装置，有自检功能元器件较多，接线复杂，抗干扰差，价格高微机型动作速度快，易于实现复杂装置，自检功能完善，有很好的附加功能，调试方便技术跨度大，厂家对软件，用户检修难度大1.3 继电保护装置的分类继电保护装置的分类方法通常有以下几种（1）根据保护装置反应物理量的不同分为；电流保护，电压保护，距离保护差动保护和瓦斯保护。（2）根据被保护对象的不同分为；发电机保护。输电线保护，母线保护，变压器保护电动机保护等。电气化铁道牵引供电系统中，主要有110KV输电线保护，变压器保护，牵引网保护与补偿电容保护等。（3）根据保护装置的组成愿你ian不同分为；电磁型，半导体型，数字

9、型与微机保护装置等。（4）根据保护装置的不同可分为；主保护，后备保护，以与为了改善保护的装置的莫衷性能，而专门设置的辅助保护装置等。1.4继电保护的未来发展 继电保护技术未来趋势是向计算机化，网络化，智能化，保护，控制，测量和数据通信一体化发展。（1）计算机化随着计算机硬件的迅猛发展，微机保护硬件也在不断发展，原华北电力学院研制的微机线路保护硬件已经经历了3哥发展阶段；从8位单CPU结构的微机保护问世，不到5年的时间就发展到多CPU结构，后来又发展到总线不出模块结构，性能大大提高，得到了广泛应用。中华理工大学研制的微机保护也是从8位CPU，发展到以工控机核心部分为基础的32位微机保护。电力自动

10、化研究院一开始就研制了16位CPU为基础的微机线路保护，已得到大面积的推广，目前也在研究32位保护硬件系统。东南大学研制的微机主设备保护的硬件也经过多次的改进和提高，大学一开始即研制以16位多CPU为基础的微机线路保护。1988年即开始研究以32位数字信号处理为基础的保护，控制测量一体化微机装置，目前以与晋电自动化设备公司合作研制成一种功能齐全的32位大模块，一个模块就是一个小型计算机，采用32位微机芯片并非只是眼于精度，因为精度受A/D转换器分辨率的限制，超过16位时在转换速度和成本方面都是难以接受的；更重要的是32位微机芯片具有很高的集成度，很高的工作频率和计算速度。很大的寻址空间。丰富的

11、指令系统和较多的输入输出口。CPU的寄存器。数据总线。地址总线都是32位的。具有存储器管理功能，存储器保护功能和任务转换功能，并将高速缓存和浮点数都集成在CPU。电力系统对微机保护的要求不断提高，除了保护的基本功能外，还应具有大容量故障信息和数据的长期存放空间，快速的数据处理功能，强大的通信能力，与其他保护控制装置和调度联网以共享安全系统数据，信息和网络资源的能力，高级语言编程等，这就要求微机保护装置具有相当于一台PC机的功能，在计算机保护发展初期，曾想过用一台小型计算机做成继电保护装置，由于当时小型机体积大，成本高。可靠性差，这个设想是不现实的，现在，同微机保护装置大小的相似的工控机的功能，

12、速度，存储器容量大大超过了当年的小型机，因此，用成套工控机做成继电保护的时间已经成熟，这将是微机保护的发展方向之一，大学以研制成用同微机保护装置结构完全一样的一种工控加以改造做成的继电保护装置，这种装置的优点是。（1）具有486PC机的全部功能，能满足对当前和未来微机保护的各种功能要求（2）尺寸和结构与目前的微机保护装置相似，工艺精良，防震，防过热，方电磁干扰能力强，可运行与非常恶劣的工作环境，成本可接受（3）采用STD总线或PC总线，硬件模块化对于不同的保护可任意选用不同的模块，配置灵活，容易拓展 继电保护装置的微机化计算机话是不可逆转的发展趋势，但对于如何更好的满足电力系统的要求如何进一步

13、提高继电保护的可靠性如何取得较大的经济效益和社会效益，尚需进行具体深入的研究。（2）网络化计算机网络作为信息和数据通信工具已经成为信息时代的技术支柱。是人类生产和社会生活面貌发生了根本的变化，它深刻影响哥哥工业领域提供了强有力的通信手段，到目前为止，除了差动保护和纵连差保护外，所有继电保护装置只能反应保护安装出的电气量，继电保护的作用也只限于切除故障原件，缩小事故影响围，这主要是由于缺乏强有力的数据通信手段，国外早已经提出过系统保护的概念，这在当时主要指安全自动装置，因继电保护的作用不只是限于切除故障元件和限制事故影响围，还要保证全系统的安全稳定运行，这就要求每个保护单元都能共享全系统的运行和

14、故障信息的数据，各个保护单元与重合装置在分析这些信息和数据的基础上协调动作。确保系统的安全稳定运行。显然，实现这种系统保护的基本条件是将全系统哥哥主要设备的保护装置用计算机网络发展连接起来。即实现微机保护装置的网络化，这在当时的技术条件下是完全可能的。由上述可知，微机保护装置网络化可大大提高保护性和可能性。这是微机保护发展的必然趋势。（3）保护，控制测量，数据通信一体化在实现继电保护的计算机化和网络化的条件下。保护装置实际上就是在一台高性能多功能的计算机是整个电力系统计算机网络上的一个只能终端。它可以网上获取电力系统运行和故障的任何信息和数据，也可将他所获得的被保护元件的任何信息和数据传送给网

15、络控制中心或任一终端，因此每个微机保护装置不但可完成继电保护功能，而且在无故障正常运行情况下还可完成测量控制数据通信功，也可实现保护，测量，数据通信一体化、（4）智能化近年来，人工智能技术如神经网络，遗传算法，进化规划，模糊逻辑等在电力系统各个领域都得到了应用，在继电保护领域应用的研究也已经开始，神经网络是一种非线性映射的方法，很多难以列出方程式或难以求解的复杂的非线性问题，应用神经网络方法可迎刃而解，咧如在输电线俩测系统电势角度摆开情况下发生经过度电阻的短路就是一非线性问题，距离保护很难正确做出故障位置的判别。从而造成误动或据动，如果用神经网络方法，经过大量故障样本训练，只要样本集中充分考虑

16、了各种情况，则在发生任何故障都可以正确判别。其他遗传算法，进化规划等也都有其独特的求解复杂问题的能力，讲这些人工只能方法结婚可是求解速度更快，大学从1996年起进行神经网继电保护的研究，已经取得初步成果。可以预见。人工智能技术在继电保护领域必会得到应用，以解决常规方法难以解决的问题。1.5本文所做的主要工作基于DSP的微机线路保护装置能够实现保护的智能化!网络化和信息化,同时也为算法的实现提供了很好的平台"中国电力科学研究院变电站自动化公司提出开发以DSP(TMS32OF2812)为核心技术的应用于电力系统微机保护!监测和配电自动化的软硬件产品平台"我主要从事DSP板的硬件

17、电路设计和软硬件调试工作,在此平台基础上完成35KV微机线路保护装置的研制"本课题的具体工作是在学习DSP技术,包括DSP芯片的电气性能!部结构!外围接口!开发工具的使用方法!指令特点以与目标文件的生成等相关技术的基础上,开发出以TMS320F2812为微处理器的硬件平台与相应软件,系统平台主要由主板!开关量输入直流输入板!操作回路板等共同组成,实现系统所要求的AD转换!开关量输入输出!异步串口通信!CAN网通信等一系列功能,同时,编制相应的底层驱动软件和运行软件以完成系统对外界信号的数据采集!快速傅立叶变换等数字信号处理操作"最后对在该平台上设计好的35KV微机保护装置进

18、行性能测试,包括保护功能的测试,运行稳定性的测试等,并对测试结果进行分析" 第2章 微机系统功能配置2.1 35KV线路保护基本原理传统的线路保护按动作原理可分为相间短路的电流保护!相间短路的方向电流保护!零序电流保护!距离保护!差动保护!高频保护等"但微机保护的出现使得保护装置不再拘泥于某一种动作原理,可以充分利用各种保护原理各自的优点,在实际应用中根据不同的情况,选择不同原理的保护或几种原理的组合,以达到满意的灵敏度,提高保护动作的可靠性"2.1.1 三段式电流保护目前,35KV线路相间短路大多仍采用三段式电流保护"电流速断!限时电流速断和过电流保护

19、都是反应于电流升高而动作"它们之间的区别主要在于按照不同的原则来选择起动电流"速断是按照躲开某一点的最大短路电流来整定,限时速断是按照躲开前方各相邻元件电流速断保护(或差动保护)的动作电流整定,而过电流保护则是按照躲开最大负荷电流来整定lv1"三段式电流保护最主要的优点是简单!可靠,并且在一般情况下能够满足快速切除故障的要求,因此在电网中特别是35KV与以下的较低电压网络中获得了广泛的应用"3.1.2方向性三段式电流保护在35KV环网中,为了保证保护动作的方向性,采用方向性三段式电流保护"对继电保护中方向元件的基本要:1.应具有明确的方向性&q

20、uot;即在正方向发生各种故障时,能可靠动作,而在反方向故障时,可靠不动作"2故障时继电器的动作有足够的灵敏度"根据这些要求,目前反应相间短路的功率方向元件采用90"接线,灵敏角叭""取一45"或一300"其动作方程为:若切表示U*超前人的角度,则用功率的形式表示动作条件,上式可写成:由上式可见,当余弦值为负或u!人任一项等于零时,继电器将不能动作,此时存在死区"利用方向元件与三段式电流保护与门出口就构成了方向性三段式电流保护"2.1.3自适应电流保护电流保护直接反映电流的大小,其实现简单,可靠性高&qu

21、ot;传统的电流速断保护其动作电流是按躲过被保护线路末端短路时的最大短路电流来整定以适应电力系统运行方式和故障类型的变化,保证系统保护的选择性"但是这种整定方式得出的定值在最小运行方式或最不利的故障情况下保护围很小甚至有可能是零,由于实际故障电流的大小与系统运行方式故障类型有关因此会影响电流保护的灵敏度许多专家和学者对此提出了一些解决方法:(一)采取自适应电流保护15,9,-01"它利用故障分量实时求取系统背侧阻抗,并判断故障类型动态整定保护定值使保护围始终处于最佳状态"这一方案基本上可以较好地解决系统运行方式和故障类型对保护灵敏度的影响,但需要电压信号和故障选相

22、"(二)将高压线路保护中常用的距离保护应用于中低压电网中"距离保护最大的优点就是受系统运行方式和故障类型影响较小,并且保护围稳定,因此在高压电网的线路保护中得到了广泛的应用"可以说距离保护本身就具有自适应系统运行方式和故障类型变化的能力"在使用两相CT的小电流接地系统中发生两相接地短路或两相短路时除了AC相故障可以直接获取故障相间电压和相间电流计算短路阻抗外,其他相别的两相故障都只能得到A相或C相的故障电流,根据小电流接地系统中接地短路的特点可知,无论是两相短路还是两相接地短路两个故障相的电流大小相等方向相反,根据这一特点相间故障时短路阻抗的计算十分简单

23、"(三)基于人工神经网络的自适应电流保护1111"人工神经网络是一种非线性映射系统,具有强大的自适应能力学习能力与模式分辨能力"它解决了传统电流保护围随系统运行方式与故障类型的变化而变化的缺点,把灵敏度补偿子网络和方向识别子网络结合起来,综合进行判别利用人工神经网络并行处理的优势使得保护具有更好的准确性和快速性"但是如果只用基波故障电流作为判断故障的特征量不可避免地要受到电力系统振荡的影响,因此还需加入振荡识别子网络"目前少-一泛应用的自适应电流保护方案是使电流速断保护的整定值随系统运行方式和故障类型的变化而变化,电流整定值为: 式中凡为可靠系

24、数;戈为故障类型系数;E为系统等效电源的相电势;z,为系统等值阻抗;Z,为被保护线路的正序阻抗"上式中可靠系数凡!系统等值电源的相电势E和被保护线路的正序阻抗Z,必须预先给定"在随后的自适应电流保护中只需实时确定短路故障的故障类型系数凡和系统的运行阻抗Z,根据不同的故障类型和运行方式投入不同的定值,以实现保护定值的自适应性"此方法应用微机的计算和记忆功能,通过简单的故障类型判别,可以很方便地使电流保护灵敏度得到较大提高"该方法不增加任何设备投资,不增加硬件负担也不增加定值项目而电流保护的定值仍按原方法计算即可当自适应保护在识别故障状态之后自动乘以一个故障

25、类型系数凡(两相短路时凡=万/2,三相短路时凡=l)自动改变保护定值"微机进行故障类型判别占用的时间很短对保护的动作速度基本上没有什么影响2.1.4零序电流保护目前在我国电压为3一35KV的电网采用中性点不接地或经消弧线圈接地的方式"在中性点非直接接地电网中发生单相接地时虽然也会出现零序电流和零序电压,但故障点的电流很小(一般不超过20一30A),而且三相间的线电压仍然对称,不影响对负荷的正常供电"因此通常不需要线路的零序保护动作于跳闸,一般只是动作于发出信号"只有在单相接地对人身或设备的安全有害的情况下,零序保护才动作于跳闸"中性点不接地系统

26、发生单相接地时,主要有以下特点:(l)非故障相电压升至原来电压的万倍,电源中性点的对地电压升到相电压"(2)通过非故障线路的保护安装点的3倍零序电流310为该线路非故障相对地电容电流的向量和,此电流数值较小"(3)通过故障线路保护安装点的3倍零序电流31"为所有非故障线路零序电流之和,此电流数值较大"中性点不接地系统的零序电流保护利用单相接地时,故障线路零序电流大,非故障线路零序电流小的特点,来实现有选择性的发出信号或动作于跳闸"当某一线路上发生单相接地时,非故障线路上的零序电流为本身的电容电流,为了保证动作的选择性,保护装置的起动电流,ac,

27、应大于本线路的电容电流,即式中C0一被保护线路每相对地电容"由于流经故障线路上的零序电流为全网络中非故障线路电容电流的总和,可用3U,"(q一c0)来表示,则保护的灵敏系数为:式中q为同一电压等级网络中各元件每相对地电容之和"可见当网络中电容电流越大!或被保护线路的电容电流越小时,零序电流保护的灵敏系数就越容易满足要求"2.2 测量功能装置设有专用的测量 CT，测量并产生本间隔的电压、电流、有功功率、无功功率、功率因数、频率等遥测信息。同时计算本间隔的零序电流作为遥测量上送上位机，用于小电流接地综合判断。遥测量可以在当地进行显示，也可以通过通讯接口上传给

28、上位机。装置通过采用高精密器件提高采集遥测量精度，幅值、相角的微小调节通过软件实现。装置遥测输入电流量通道完全与保护通道分开，电压量通道部分与保护共用，以达到最合理利用资源。2.3 通讯功能本装置优点之一是可以满足变电站综合自动化的需要，这是由其通信功能支持的。装置可以使用 CAN 总线通信接口或 RS-485 总线接口与主控通讯，实现四遥（遥测、遥控、遥信和遥调）以与校时等功能。遥测是指通过网络实现对远程设备的参数采集，这里是指对电压、电流、有功功率、无功功率、功率因数、频率等信息的采集。遥控是指通过网络实现对远程断路器的跳闸、合闸。遥信是指对远程断路器的位置信号和无源开关量的输入进行观察。

29、遥调是指通过网络对远程断路器的定值进行修改2.4 控制功能装置自带操作回路，同时提供操作回路的外接端子，由安装在开关柜上的开关实现断路器的跳/合控制。可以通过网络实现远程分/合闸以与本地/远程切换。2.5 保护算法微机保护中的一个基本问题就是寻找适当的离散运算方法来实现一定的保护功能，从而使运算结果的精确度能满足工程要求而计算耗时又尽可能短，达到既判断准确，又动作迅速、可靠的效果。2.5.1 常用算法简单介绍电力系统发生故障时，其暂态过程中电压、电流函数可以用 3 个主要部分来表示：（1）衰减的非周期分量；（2）基波分量和整数倍频周期分量；（3）非整数倍频周期分量。电力系统发生故障时，电压电流

30、 f(t)的解析式为：周期分量、整数倍频周期分量、非整数倍频周期分量和其他干扰信号。(2-14)式中 ：t0 时衰减直流分量的值；0A1 ：基波分量的角频率；iA ：各周期分量的幅值；0 ：非周期分量的衰减因子；i ：各周期分量的初相位；W ：表示各非整数倍频分量和干扰。式(2-14)表示：电力系统故障时的电压电流函数是在基波分量的基础上，叠加有衰减的非周期分量、整数倍频周期分量、非整数倍频周期分量和其他干扰信号。采用交流采样算法的目的就是从采样电压、电流的信号中提取出需要的基波或某次谐波分量，滤除其他的周期、非周期以与衰减直流分量，从而为保护的判据提供所需信号的数值。对暂态过程中的电压电流模

31、型采取不同程度的简化，就可以得到不同的采样算法。目前，如图 2-3 所示，微机保护中采取的算法主要有四类：1. 基于标准正弦波模型的交流采样算法；2. 基于周期函数模型的交流采样算法；3. 基于随机函数模型的交流采样算法；4. 基于简化的输电线路阻抗模型算法。图2-3 常用算法分类2.5.2 全波傅氏算法全波傅氏算法在微机测控保护中得到了广泛的应用，由于本测控保护装置应用于 35kV 的中压线路上，对保护的速动性要求不是很高，所以本装置也采用了比较成熟的全波傅氏算法。设 是周期函数，除基波分量外还含有各次谐波和不衰减的直流分量，则x(t)可表示式中 ：自然数， 0、1、2、3、等；a 、 ：分

32、别为各次谐波（包括基波）正弦项、余弦项的振幅， 是直流分量值。=0，1，2，3根据傅氏级数理论，可得到全周波傅氏算法的计算公式：（2-16）经采样后，连续量变为离散量，积分变为求离散和：（2-17）式中 N ：一个周期T 中的采样数； k：从故障开始时的采样点序号。基波的有效值为：2.5.3 所用算法滤波能力的分析令A、B分别为：因为 1t =2, 所以当 p q且为整数时，有 A =0、B =0；当 p = q时，有A=T/2,B=T/2.1. 对高次谐波的滤波能力将式（2-15）中的 x (t)带入式（2-16），并令式（2-16）中的 =1，则对高次谐波（整数次）分量来说，计与式（2-1

33、9）中 q =1、 p 2时有A =0、 B =0，所以 、 中不含有高次滤波分量，即全波傅氏算法可完全滤去输入信号中整数次的谐波分量。2. 对非整数次高次谐波的滤波能力对于非整数次高次谐波，此时(p-q)T,(p+q)T可表示为其中 K ：正整数， K 2；k ：小于 1 的分数。代入式（219）得显然 A 0、 B 0，但数值不大，且随着K + k值的增大而减小。代入到式（2-16）中提取输入信号的基波分量时，a1,b1中非整数次高次谐波的含量为：1式中 中K+K次谐波的幅值容易看出a1,b2中K=K次谐波含量减小了3. 对基波分量的影响对于输入信号中的基波分量，当 p = q=1时，有A

34、=T/2.B=T/2由式（2-16）得到（ =1时）：4. 对非周期分量的滤波能力根据衰减非周期分量的频谱分析，衰减非周期分量中含有直流分量和频率低于 25Hz 的低频分量。对于 x (t)中的直流分量，相当于式（2-19）中的p =0，于是有 A =0、B =0。因此，全周傅氏算法完全可滤去输入信号中的直流分量。对于 x (t)中的低频分量，令式（2-20）中的K =0，就可得到a1,b1频分量的含量：全波傅氏算法的优点是精度高、滤波效果好：能完全滤除直流分量、2、3、N/2 次谐波分量，且稳定性好，对高频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作用。要注意的是：全波傅氏算

35、法在计算时要用到全部 个采样值，所以只有当 个采样值都是出现在故障以后时，计算才是准确的，在此之前，N 个采样值中有一部分是故障前的数据，一部分是故障后的数据，这就使得计算结果不是真正故障时的电量值。N N这种算法的数据窗长度为一个基波周期。可见，它是用较长的采样时间和较复杂的计算来取得良好的滤波效果和计算准确度的。2.6 本章小结本章主要阐述了设计 35kV 线路测控保护装置的理论基础，首先介绍了本装置所配置的功能，随后对装置所采用的保护原理进行了分析和介绍，最后介绍了保护所采用的保护算法并对算法进行了分析。 第四章 基于DSP的微机线路保护装置的硬件系统设计4.1保护装置的整体设计要求继电

36、保护装置的主要功能是实时分析判断所保护的电力设备的运行状态,在电力设备发生故障时发出跳闸命令将电力设备从系统中切除"而线路保护一般还包括在切除瞬时性故障后发出重合闸命令让输电线路重新投入运行的自动重合闸功能"要实现上述功能,装置应包括数据采集部分!计算和逻辑处理部分和出口执行部分"另外还要包括监控和通信部分以管理!设置和监视装置"具体来说对于电力系统的微机线路保护,保护装置有着下列功能的需求:(1)模拟量的采集功能A)交流量采集:三相电压!三相电流B)直流量采集:非电气量经过变送器转换后的直流信号(2)开关量!脉冲量的采集功能(3)开关量输出控制功能(4

37、)数据处理功能(5)就地与远程数据通讯功能(6)就地显示和操作功能本装置为中性点非直接接地系统的线路保设备,采用一套装置保护一条线路的方式"根据上述需求,保护产品以分离板的形式设计"按照功能可分为:主板(CPU)!交流输入单元(PTCT)!开关量输入直流输入单元(DIDC)!操作回路(OPERATE)!人机接口(MMI)和电源单元(POWER)"图4一1为保护产品各插件功能联系示意图,主要由六个模块组成,每个模块作为一个子系统设计在一块印制板上,最后安装在标准机箱中"装置中各插件相互之间的信号传输以与部电源都通过总线板中介,总线板放在人机接口插件的后背,

38、与外界隔绝避免了外界噪声从总线板进入各插件,影响插件的可靠性"这样做么方面能充分利用有限的机箱空间,使装置结构紧凑;另一方面,也方便了调试与维护工作,尤其是对紧急修复的情况,只需更换相应的模块即可,大大减少了维护人员的现场工作量,提高了装置的可靠性和可维护性"4.2主板插件的设计(CPU)主板插件作为本装置的核心插件,它包括了数据处理单元!数据采集单元!数字量的输入/输出接口!通讯单元以与硬件测频电路等"主板的CPU采用TMS320F2812,按照功能分为外部存储器扩展!通信接口!数据采集!测率电路和CPLD等部分"图4一2为主板硬件系统的框图"

39、;4.2.1CPU一TMS320F2812处理器是整个控制系统的核心部分,处理器的时序控制着其他模块的工作"在本装置中,微处理器需要完成多种功能,它负责模拟信号的调理滤波!采样!模拟/数字转换!频率和相位的测量!开关量信号的输入/输出!通信!系统计时!数据计算!逻辑判断等功能;给其他硬件芯片提供各种硬件接口等"数据处理单元的CPU采用Tl公司的TMS32OF2812,TMS320F2812是Tl公司新推出的一种32位定点高性能DSP芯片"特别适用于有大批量数据处理的测控场合,如数据采集,工业自动化控制等"不但运行速度高而且具有丰富的片外设,便于接口和模块

40、化设计"其总线采用哈佛结构,允许数据在程序存储器和数据存储器之间传输"并且拥有独特的指令结构,硬件的乘!加法运算可以采用并行指令,在单周期可以完成一次整数或浮点数的乘法和ALU操作"具有统一的寄存器编程模式,可达4MB的线性程序和数据地址空间,代码高效"1.TMS32OF2812片上资源TMS320F2812是一种高性能CMOS技术的处理器,低功耗(核1.8V,I/o3.3v),支持JTAG扫描，其主要功能和资源如下。1高性能32位CPU16X16和32X32累加操作16X16的双累加器可达4M的程序空间和地址空间与TMS320F24x/240源代码兼容

41、片存储器128K的16位FLASH(分为4个SK和6个16K块)IKOTPROM2块4K的SARAM(LO!Ll)l块SK的SARAM(HO)2块IK的SARAM(MO!MI)4KBOOTROM外部接口可达lM的访问空间可编程外部访问等待时间三个独立的片选信号三个外部中断输入外设中断扩展模块(PIE)可支持45个外设中断3个32位CPU定时器.电机控制外设两个时间管理器(EVA!EVB)与24OXA兼容串口外设接口1个SPI2个标准的UA丑T1个eCAN1个MeBSP,可用作SPI.12位AD转换器,16通道输入2x8个复用输入通道单独或同时转换模式转换速率:12.SMSPS56个可编程!复用

42、GPIO.时钟和系统控制支持PLL(锁相环)含有片上晶体震荡器支持看门狗定时器模式TMS320F2812结构框图如下图4一3所示脚接入soM的外部时钟OSC,同时通过锁相环控制寄存器PLLCR设置n=1010,使倍频时钟CLKIN=(oSCcLKxlo.0)/2,即可达到150MHz"4.JTAG仿真设计过程中的在线调试与仿真通过JTAG口niniTestActinnGrouP)标准侧试接口进行"可以通过JTAG接口下载程序,也可以控制和观察系统中处理器的运行"在TMS320系列DSP中,和JTAG测试口同时工作的还有一个分析模块,它支持断点的设置和程序存储器!数

43、据存储器!DMA的访问,程序的单步运行和跟踪,依据程序的分支和外部中断的计数等"通过结合TI的集成开发环境(CCS)与JTAG接口给应用DSP提供了很大的方便"标准JTAG接口共有14个管脚,文献llv>指出当仿真头和JTAG目标芯片之间的距离超过6英寸时,仿真信号应该加上缓冲,同时引脚EMuo!EMUI!TMS!TDI加上拉电阻连接到电源上"本设计中EMUO和EMUI通过上拉电阻连接到33V电源,上拉电阻R为10K0"其接口电路见图4一5"4.2.2外部复位.电路通常置的看门狗容易受代码错误的影响,它无法提供外部独立看门狗电路所具有的保

44、护能力,因此在对安全性能要求较高的应用中(如自动门!医疗设备!机器人等),置看门狗是无法接受的,从而需要采用独立的外部看门狗电路"本设计中复位电路采用外部看门狗的方式,采用的芯片为仰53705;同时也可将复位按键配置到总线板上"看门狗的工作是靠软件来控制的,/看门狗0本身是一个可被清除的定时脉冲发生电路"如果没有清除脉冲的话,它将产生固定频率的输出脉冲,这个脉冲引到系统的复位端"系统正常工作时,不断的发出控制清除脉冲指令,使脉冲发生器没有输出,一旦系统失控,清除脉冲消失,/看7狗0工作产生输出脉冲使系统复位"图4一6为外部看门狗的使用图&quo

45、t;/材尺为手动输入复位按键,当按键按下时/材R为低电平,则/尺石S石T输出有效,产生低电平送入肠天S使DSP复位有效"TPs3705芯片为微控制器电源电压监控提供了电路初始化和定时监控功能,主要用于基于DsP和处理器的系统中l8"在上电期间,当电源电压高于1.Iv时/RESET开始有效,然后开始监控VDD的电压,只要VDD的电压低于门限电压VIT+就一直保持瓜ESET为低"当电源电压上升到门限电压VIT+以上时,由一个部的延时定时器控制瓜ESER输出无效状态(高电平)以保证系统的可靠复位,定时器的延时时间:tdtyP二200ms"当电源电压降落到门限电

46、压(vIT-)以下,瓜ESER输出再次变为有效(低电平),不需要连接其他外部器件"TPS3705具有手动复位输入脚/MR,当此脚接低电平时/RESER输出变为有效(低电平)"TPS3705片上集成了电源故障比较器,可以用于低电池电压侦测,电源故障告警是用于监控系统中另外一路电源电压"TPS3705片上集成了看门狗定时器,可以通过在WDI管脚上加一个正的或是负的跳变来周期性的触发看门狗"当看门狗超出定时时间tt(out)二1.65,没有再次触发时,wDO输出有效,这个动作可以重新初始化看门狗定时器"当不需要使用看门狗时,可以通过不连接WDI来禁止

47、看门狗"4.2.3存储器的扩展TMS32OF2812的外部存储器接口包括19位的地址线!16位数据线!3个片选与读/写控制线"这3个片选线映射到5个外部存储区域,Zoneo!1!2!6和7"其中Zoneo和l公用一个片选线XZCSOANDI,Zone6和7公用一个片选XZCS6AND7"这5个存储区域可以分别设置为不同的等待周期"2.其它存储器扩展MeBSp是MultiehannelBufferedSerialport的缩写,即多通道缓冲型串行接口,是一种多功能的同步串行接口,它具有很强的可编程能力,可以匹配为多种同步串行标准,直接与各种器件高速接口"在本设计中将McBSP配置为主SPI设备形式,而SPI总线是Motorola公司提出的