电力系统自动装置原理课程设计

1、电力系统自动装置课程设计低频减载装置的设计学 号：姓 名：2012年 11月 19日目录引言1第1章 课题设计概述21.1 课题研究的背景及意义21.2国内外研究现状2第2章 低频减载硬件设计4 理论分析及具体设计过程4第3章 低频减载装置软件设计7参考文献8- 17 - 第1章 课题设计概述1.1 课题研究的背景及意义电力系统安全稳定导则将电力系统的扰动分为三类：第一类为常见的普通故障，要求系统在承受此类故障时能保持稳定运行与正常供电；第二类故障为出现概率较低的较严重的故障，要求系统在承受此类故障时能保证稳定运行，但允许损失部分负荷；第三类故障为罕见的严重复杂故障，电力系统在承受此类故障时，

2、如不能保持系统稳定运行，则必须防止系统崩溃并尽量减少负荷损失。针对上述三种情况所采取的措施，即所谓保证安全稳定的三道防线。其中第三道防线就是要保证电力系统在严重复杂的故障下，防止事故扩大，防止导致长时间的大范围停电，以免造成巨大经济损失和社会影响。这也是设置第三道防线的意义。系统的扰动往往造成发电、用电功率的不平衡。调节系统功率不平衡主要有两种措施：增加功率输入或裁切负荷”1。如果事故发生出现功率缺额时，系统旋转备用容量将积极、尽可能快的阻止系统崩溃，这一方案称为低频调速控制。低频调速控制必须在系统频率刚开始下降时动作，并且是一种独立于能量管理系统(EMs)地区性的控制。但当系统发生严重事故，

3、旋转备用容量不足以弥补系统功率缺额时，就应该有选择地切掉一部分负荷，从而阻止频率下降，这一方案称为低频减载控制。由于现代电网经济运行的要求，系统的备用容量偏低，低频减载成为严守第三道防线，维持整个电网的稳定运行，防止系统崩溃的主要手段。1.2国内外研究现状目前国内外较多选用的是常规的反映频率绝对值原理的低频减载装置。为防止误动，传统的采用动作后带延时防止误动，而延时措施在电网有功功率缺额引起频率下降时，必然出现消极等待频率下降到动作值以下，再经过一段延时才能减载。当延时到达时，电网实际频率已下降到动作频率值以下，下降的深度视频率变化率的大小而定。频率不断下降的后果，可能突破电网的最后一道防线，

4、导致电网频率崩溃，引起全网瓦解性大停电事故。电网有功功率缺额愈大，频率下降速度愈快，频率下降愈深，严重影响抑制电网频率下降的实际效果，最后导致频率崩溃，造成大面积停电事故。国外如1977年美国纽约大停电事故，造成直接经济损失3.5亿美元。国内也曾出现多次因低频减载装置配置和运行维护不当，发生大停电事故。如贵州电网“86”事故及广州电网“92。”事故，其直接经济损失均达数百万元以上。以上事故教训告诉人们，要求现代电网中采用新型低频快速减载装置来避免频率崩溃事故的发生已势在必行。防止电力系统频率崩溃事故有效的措施就是采用低频自动减载和解列装置，在系统频率下降时及时切除足够数量较次要的负荷，或在合适

5、的点上将系统解列，以保证系统的安全稳定运行，并保证重要负荷供电。国内外几乎所有的电网都采取了低频减载措施，做为安全运行的最后一道防线。前苏联早在20世纪40年代就采取了低频减载措施。我国在50年代即开始在电力系统中使用低频减载装置。考虑低频减载方案时，应从以下几点出发:：1在各种运行方式和功率缺额下有效地防止系统频率下降至系统安全运行的最低频率值，即频率危险点；2使系统尽快恢复至49.550Hz之间或低频减载装置首轮动作值和50Hz之间，无超调和悬停现象；3在保证恢复系统稳定性和不越过系统安全运行频率点的前提下切除的负荷尽可能少；4联络线传输功率不过载，结点电压不越限；5应能保证解列后的各孤立

6、子系统也不发生频率崩溃。针对以上要求，低频减载方案的整定成为研究重点，其中切负荷量和切负荷点以及动作时间的选择是衡量减载方案的关键。基于近50年以来减负荷的研究可将低频减载方案大致分为以下几类：传统法、半适应法、自适应法以及计算辅助算法。 第2章 低频减载装置硬件设计2. 理论分析及具体设计过程21硬件系统总体概述图1硬件总体框图现代电力系统系统十分复杂，各种事故的发展变化难以事先预见。在这种情况下，如果低频减负荷的轮数不多，往往难以取得很好的效果。因此增加动作轮数和缩小各轮之间的级差成为电力系统运行部门的现实要求，这对低频减载装置提出了一个更高的要求。同时，由于使用了软件测频算法和40点采样

7、，使得系统对计算能力的要求很高。数字信号处理器(DSP)具有全新的哈佛总线结构、专门的硬件乘法器以及广泛采用流水线操作等特点，为研发高精度、误差小的数字式低频减载装置提供了可能。本文针对电力系统频率特性，采用TI公司的TMS320C32来进行计算。装置由采样计算模块、逻辑处理模块和监控模块组成，如图51所示。其中采样计算模块和逻辑处理模块在同一块主板上，监控模块在MMI板上。采样计算模块负责交流数据采集和计算，并把数据通过双端口RAM传递给逻辑处理模块；逻辑处理模块主要负责开关量输入(简称开入)、与采样计算模块和监控模块的数据交换、少量的计算、控制的逻辑判断、开关量输出(简称开出)等功能。监控

8、模块主要负责人机界面的处理、外部通信等功能。这种结构，利用DSP计算速度快的优点，把交流数据采集和大量的计算这项繁重的任务交给DSP完成，而逻辑处理模块的MCU则集中精力完成逻辑判断任务，也避免了单CPU系统时采样与通信的冲突。将人机界面和外部通信功能由监控模块完成，逻辑处理模块MCU仅仅负责与其的数据交换，减轻了MCU的负担，同时人机界面和外部通信可以实现更为复杂和丰富的功能。这种结构下监控模块具有很高的独立性，便于采用统一的监控平台软件，具有良好的扩展性和灵活性。22采样计算模块(1)采样单元采样单元由三部分组成：模拟量输入变换部分、模拟低通滤波部分、AD变换部分。模拟量交流电压信号经过P

9、T变换为二次信号。交流通道具有二阶低通滤波和电压跟随电路，二阶低通滤波的截止频率为397Hz，能采到工频的7次谐波，并能很好地和负载隔离。AD转换器使用AD7656。AD7656是高集成度、6通道、16bit逐次逼近(SAR)型ADC，它采用具有ADI专利技术的iCMOS(I业CMOS)I艺。与使用传统CMOS工艺的模拟IC不同，iCMOS器件能承受高电源电压，同时提高性能、显著降低功耗和缩小封装尺寸，所以非常适合在继电保护、电机控制等工业领域使用。交流采样频率为2kHz，相当于每周波采样40点。由于本文的算法是基于定间隔采样的，因此采样转换信号由外部的可编程器件EPLD自动产生而无需DSP干

10、预，AD转换的结果以中断方式通知DSP。AD转换的结果由硬件将符号位扩展至32位，不需要DSP参与。图2模拟低通滤波原理图(2)DSP处理单元采样计算DSP是本装置的核心，主要完成模拟量的采集和各种算法。DSP采用数字信号处理器TMS320C32，该产品是一种非常通用的32位浮点处理器，工作于30MIPS60MFLoPS，占用的电路板面积小，性价比高，而且以浮点处理，算法编程也比较容易。这些特点使它很适用于高分辨率、高采集率以及高速计算的场合。它具有4个外部中断，2个256×32bit片内双存储RAM，64×32指令Cache，2个32位定时器，2个DMA控制器，1个同步串

11、行口，采用MPSD接口。DSP外围配置有256k×32bit SRAM、256k×32bit 45ns的极高速FLASHROM、8k×16bit双端口RAM。 (3)双口RAM单元双口RAM的作用是将DSP计算和采样的数据送入MCU。双端口RAM(DRAM)选用CY7C025，8k×16bit。MCU和DSP可以各自独立地对其进行读写操作，就像操作各自的SRAM一样。CY7C025具有中断信号，左右两端的系统可以以中断的方式进行通信和数据交换。2.3逻辑处理模块(1)MCU单元MCU采用MOTOROLAFreescale的32位工业级芯片MC68332，

12、具有很高的抗干扰能力及工作可靠性，内核采用CPU32且具有强大的外围子系统，如定时处理单元(TPU)、对列串行模块(QSM)、系统集成模块(SlM)等。MCU外围配置有两片256k×16bitSRAM(带后备电池)、256k×16bitFLASHROM，用来存放数据和贮存程序。保存定值、系数、报告使用小扇区FLASHROM，AT29C040A，它具有512k×8bit，每扇区256bytes。它具有10ms的快速编程时间和l万次擦写次数。(2)开入开出单元。 开关量输入由开关量的辅助接点取得，经过光电隔离和驱动后，送入MCU。可输入20路开关量，分辨率小于lms。

13、开入回路中的RC一阶滤波器防止开入抖动，TVS防止浪涌；R1保证开入电压低于14V时光耦不启动。图3开关量输入原理图输出开关量信号经过锁存、光电隔离后，控制继电器。用继电器控制断路器、信号等。开出光耦采用TLPl27，其输出为达林顿型，驱动电流达200mA以上。开出逻辑由EPLD编码完成，增强了可靠性，为避免开出光耦击穿后发生继电器误动事故，开出回路增加光耦击穿检测回路.图4开出原理图(3)通信单元逻辑处理模块与监控模块的数据交换是通过串行通信完成的。通信单元由高速链路控制器(HDLC)和编码器组成。高速链路控制器(HDLC)采用PT7A8952J，其FIFO长达128bytes；MANCHE

14、STER编码由EPM7128STCl0015完成。发送数据时，PT7A8952J将数据打包并传送给EPM7128，EPM7128进行MANCHESTER编码后再往外发送；接收数据时顺序相反。(4)复位单元复位单元不仅复位采样计算功能模块和逻辑处理模块，而且在复位期间闭锁所有开出。MCU内部产生复位信号RST，复位源包括软件看门狗复位、双总线故障复位、时钟丢失复位和RESET指令等，其中软件看门狗可由系统保护控制寄存器设定，它能监视MCU的主程序死、中断服务程序死；另外，MCU通过DRAM监视DSP是否死机，如果死机则由MCU复位DSP。复位单元主要芯片是MAX791 ESA，它具有电源监视、硬

15、件看门狗定时和备用电源切换等功能，其中电源监视可以同时复位采样计算模块和逻辑处理模块。MAX791ESA的门槛电压为465V，如果VCC电压低于465V，MAX791的复位信号RST有效，复位整个主板：上电时如果VCC达到465V，则复位信号RST继续保持200ms的低电平，在这200ms之内，使VCC能上升到比较稳定的电压水平。MAX791ESA集成了硬件看门狗，其定时周期设置为10ms，以满足程序乱或CPU死机时闭锁开出。备用电池采用36V可充电锂离子电池，给SRAM提供备用电源。正常工作时，MAX791ESA把电源接在VCC上；掉电时MAX791ESA把电源切换到备用电池。24监控模块监

16、控模块位于面板(MMI板)上，作用是提供人机接口并与外部进行通信。(1) CPU单元(2) CPU采用MOTOROLAFreescale的工业级芯片MC68EN360，具有很高的抗干扰能力及工作可靠性，内核采用CPU32且具有强大的外围子接口能力等，具有4个串行通信控制器SCC，2个串行管理控制器SMC，1个串行外围接口SPI。CPU外围配置有带后备电池的256k×16bitSRAM、2M×8bit程序FLASHROM、lM×8bit参数FLASHROM、4M×8bitDRAM。(2)时钟单元装置时钟由实时时钟芯片RS5C348提供。RS5C348电源由

17、电池提供，装置掉电后时钟不会丢失。实时时钟芯片RS5C348与AT89C4051单片机进行通讯，AT89C4051接收GPS的IRIGB格式对时信号并与CPU通讯进行对时。(3)人机接口单元提供320×240图形蓝底白字液晶显示器和薄膜键盘，并在面板上提供一个RS232维护口。(4)通信单元通过可编程逻辑EPM7128完成外部的串行通讯。图5监控模块原理框图25 EMC措施(1)电磁兼容(EMC)的概念电磁兼容性：指电子设备在各种电磁环境中仍能够协调、有效地进行工作的能力。电磁兼容性设计的目的：使电子设备既能抑制各种外来的干扰，使电子设备在特定的电磁环境中能够正常工作，同时又能减少电

18、子设备本身对其它电子设备的电磁干扰。电磁兼容的三要素：对系统本身不产生干扰；对其它系统不产生干扰；对其它系统的发射不敏感。(2)结构上的措施装置采用全封闭、防磁、防静电的机箱；机箱的各连接部分充分考虑电气连接的可靠性；保证机箱的各点和地处于同一电位；机箱的选材采用1mm厚、镀锌钢板；定制端子，保证端子与机箱无细长缝隙；面板采用屏蔽簧片，使面板与壳体可靠地连为一体；插件板强弱电前分开。(3)元器件的选型全部选用工业级芯片，主要芯片选用表面贴装、小型封装。(4)布局各插件板的分板按功能、信号的强弱分开；各插件板的排列顺序合理地考虑到信号传输距离短且板间干扰小；干扰大的电源板和容易受干扰的交流板加屏

19、蔽壳且相互远离。(5)印制板的设计印制板六层，VCC与GND各占用一层，信号线尽可能走中间层；各功能分块布局，强弱分开；对不同电压等级进行地层分割，模拟地与数字地分割且一点接地；合理的放置退耦电容；端子定义也按照功能、强弱分开的原则；设计时充分考虑自动化生产和调试的工艺要求。 第3章 低频减载装置软件设计31软件系统整体设计根据功能的不同，装置软件分为两大部分：监控软件、控制软件。监控软件完成通信、GUI、数据储存和传送等功能；控制软件完成采样计算、控制逻辑等功能。监控软件运行在MMI板上，控制软件运行在CPU板上。监控软件和控制软件运行在不同的板件上，它们之间数据交换通过FDKBUS进行。F

20、DKBUS是一种485通信方式，十多年来在东方电子的RTU及保护产品广泛使用。考虑到监控软件所完成的功能具有相当大的通用性，因此将监控软件作为一个通用平台进行设计，这样可以大大缩短软件设计的周期。32监控平台软件监控平台软件是一个基于OXF框架构建的微机保护嵌入式实时多任务软件平台。OXF即ObjectExective Framework，中文含义是对象执行框架，是Ilogix公司提供的Rhapsody应用软件开发环境中内置的一个实时系统软件框架，它专为实时嵌入式系统而设计，主要用来管理线程和状态机的运行，由一系列UML类组成，这些类相互协作，组成了一个结构严整、跨实时操作系统平台的实时嵌入式

21、软件架构。在OXF实时框架中包含了一套非常实用的针对实时应用的抽象，便于开发人员继承框架元素类以实现特定的应用。如图5-6所示，处于软件平台最底层的是具体的操作系统，例如psos、VxWorks等，它直接管理系统资源。图6监控软件平台体系结构图为了便于将整个软件平台移植到不同的操作系统上去，在具体的操作系统层之上定义了一个操作系统封装层，将嵌入式操作系统的一些基本概念都抽象出来，如任务、消息队列等。OXF框架就是建立在操作系统封装层之上的，其中，无论活动类、响应类还是事件类，都封装了操作系统封装层的内容，实际上又可以称之为平台封装层。在OXF框架之上，是提供给应用层的API接口层，这一层使用文

22、件管理系统、数据库系统和OXF框架，甚至直接访问操作系统封装层的内容。应用模块例如打印、GUI、通讯规约等都属于应用层的内容，通过直接调用API接口函数来实现相关的功能。内存管理系统比较简单，但贯穿于具体操作系统以上的整个软件平台，无论是操作系统封装层，还是文件管理系统、数据库、OXF和API接口，甚至应用层都可以直接进行内存的分配。以上构成了一个完整的监控软件平台。对于具体的装置编程人员，应用层是开放的，与平台的接口是通过API接口进行的，编程人员可以在API接口的基础上编写自己的应用程序。API函数提供了监控平台的功能接口，除了初始化过程调用的部分函数外，所有功能函数都是可重入的。API提

23、供了访问所有数据及其属性的接口。这些接口包括：ID：指字符串ID，名称ID、单位ID、描述ID均为字符串ID。通过字符串ID可取对应的字符串。一般对象：主要用于描述实时数据等常规对象，使用Get、Set完成常规操作；报告类数据：主要指动作报告等信息，除常规接口外，该类数据提供了一系列的浏览接口。事务：主要用于参数等对象，所有操作最为一个整体进行提交或撤消操作，这样可以保证数据的完整性和有效性。在使用事务对象时需要注意读写操作都需要包含在事务过程中。操作命令：指传动等命令，使用Set操作完成相应的操作，操作类型和对象有关。定义参考头文件。33控制软件控制软件由两部分组成：DSP软件和MCU软件。

24、DSP软件完成采样计算并将数据送给MCU。MCU软件完成控制逻辑和与监控软件的通信。两者之间通过双口RAM交换数据。(1)DSP软件结构DSP软件功能单一，在程序结构上是简单的“主循环+采样中断”的模式。它充分利用了DSP计算能力强大的优点，对采样点进行逐点计算，包括滤波、实部计算、频率计算等。DSP软件采用“中断+主程序”结构，如图7所示。图7.DSP软件结构图(2)MCU软件MCU软件功能比较复杂，采用“主循环+多级中断"的模式，如图8所示。图8MCU软件结构图MCU软件主程序包括硬件初始化、软件初始化、全面自检、主循环等。装置复位或上电后对MCU及外围芯片初始化、RAM清零等；硬件复位结束后，初始化各变量、参数和软件模块等。软硬件初始化结束，进行全面自检。自检项目分为两部分：硬件和软件。上电时进行硬件和软件自检，复位操作时只进行软件自检。自检结束，对装置进行整组复归，然后进入主循环。主循环的主要功能是：根据采样中断采集的遥信瞬时数据处理遥信去抖和SOE、记录事项信息(复位、信号复归等)、执行监控程序的指令(例如AD测试、传动)、循环自检、报告处理、录波数据处理等对实时性要求不高的功能。MCU软件中断分为采样中断、控制中断和通信中断。采样中断的级别最高，它的功能包括读取DSP的计算和采样数据、遥信采集和RAM自检等功能。采样中断由双口R