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1、哈尔滨工业大学工学硕士学位论文摘要微机保护与常规保护相比，有着自己的特点和优势。它是电力系统继电 保护的发展方向。本文分析了各种电流保护的原理和特点，同时深入研究了 自 动重合闸和低频减载的原理和实现方法，并在此基础上针对现有电力部门 的需求，设计了并实现了一种面向配电线路的全分布式的微机保护和测控装 置。该装置硬件上采用 D S P + MC U的双 C P U结构，集数据采集、数字信号 处理、保护出口控制和人机接口等于一体。该装置不仅实现了电力系统的实 时测控和三段式电流保护功能，还集成了零序电路保护、低频减载、自动重 合闸等功能。装置的软件设计是基于嵌入式实时操作系统L C / O S
2、- 1 1 的。在介绍了实 时操作系统的概念和“ C / O S - 1 1 的内 核结构之后，本文重点介绍了 JA C / O S - 1 1 在T M S 3 2 0 L F 2 4 0 7 A D S P 上的移植。在分析和比较现有微机继电保护算法的基础上，针对电力系统的特点采 用了改进的半波傅氏算法，具有较好的计算精度与时实性。同时介绍了小波 分析方法在电力系统中的应用，重点研究了在小电流接地选线中的应用。在装置的结构和软硬件设计方面，采用了多种抗干扰措施，大大提高了 装置的可靠性。本文所研制的微机保护和测控装置在总体方案、设计思想上有新意。具 有动作速度快、灵敏度高、抗干扰性能好等特
3、点，能满足无人值班变电站的 需要，具有一定的理论和实用价值。关 键词 微机保护; 线路保 护; 数字信号 处理器; LA G O S - 1 1 ; 小波分析哈尔滨工业大学工学硕士 学位论文Ab s t r a c tMi c r o p r o c e s s o r p r o t e c t i o n h a s i t s o w n c h a r a c t e r i s t i c s a n d a d v a n t a g e s i n c o m p a r i s o n w i t h c o n v e n t i o n a l p r o t e c t
4、i o n . I t i s t h e d e v e l o p i n g t r e n d o f r e l a y p r o t e c t i o n i n t h e p o w e r s y s t e m . T h i s p a p e r a n a l y s e s t h e p r i n c i p l e s a n d c h a r a c t e r i s t i c s o f c u r r e n t r e l a y , a n d t h e p r i n c i p l e s o f a u t o m a t i c
5、r e c l o s e r a n d u n d e r f r e q u e n c y l o a d s h e d d i n g a r e d i s c u s s e d . B a s e d o n t h e d e m a n d o f p o w e r d e p a r t m e n t , a f u l l d i s t r i b u t e d m u l t i f u n c t i o n a l p r o t e c t i o n算法、原理的实现上也受一定的限制。此外，电力系统 自 动化的进一步发展，要求保护除了完成常规保护功能外
6、，还需要完成正常运 行条件下的系统参数测量，包括频率、电压、电流、有功、无功、谐波分量、 序分量以及一些辅助的控制功能，正常运行条件下的安全监视等，这些都是基 于常规C P U的保护产品难以 胜任的。( 2 )开发平台不完善 目前的微机保护产品在软件开发上普遍采用汇编语 言。然而，由于汇编语言的程序设计中，编程人员要全面规划内存安排、数据 调度、资源分配、开入、开出管理等相关条件，与高级语言 ( 如 C语言)相 比，软件开发难度大、周期长，软件结构随意性很大，随不同编程人员的习 惯、思维方式不同，相关条件约束不同差异很大，难以移植、难以交流、难以 维护。而且，实时多任务操作系统 ( R T O
7、 S )应尽可能引入，它对于提高软件 开发质量，加快开发进度等有着积极的作用。然而，目 前所选用的 C P U其仿 真工具缺乏或陈旧，许多软件的开发是在没有仿真器的条件下完成的，因此额 外增加了开发难度和开发周期。库函数的支持也很不足，难以采用 R T O S 。正 是如上所述因素， 使得目 前的 很多保护产品 在硬件资源上冗余度低， 软件上各不 相同， 虽然从事开发的人员 众多，但不同产品的软、 硬件难以 通用， 难以 交流， 难以提高2 1本文采用的德州仪器生产的数字信号处理器 T M S 3 2 0 L F 2 4 0 7 A就是一种硬 件资源丰富、功能强大、开发环境及相应开发平台先进的
8、微处理芯片，基于此 A S P开发的装置主要性能较常规保护产品能有较大提高。1 . 2 配电线路微机保护和测控装置的发展概况1 .2 . 1 国外发展概述目前，国外已经开发出了许多先进的配电线路微机保护与测控装置。典型一一一一一一一一望迢坠垫鲤竺翌的有:通 用电 气 公司( G e n e r a l E l e c t r ic C o m p a n y ) 生 产的D D P 数 字 配电 继电 保 护 系 统 它 具 有 保 护 和 保 护 顺 序 配合、 测 量、 重 合闸 、 断 路器 开断电 流累 计、 人 机 对话、 通信等功能。 保护由 瞬时过电 流和时间 过电 流组成。A
9、B B公司生产的微机配电 保护系统。它具有保护、配合、 测量、显示、 重合闸、事件记录、 最大负荷统计、断路器开断电流累计和通信功能。 保护由 瞬时过电流和时间过电流组成。加拿大 P o w e r M e a s u r e m e n t L t d . 生产的 3 7 0 0系3 11 高级电力综合监控仪 等。 其中3 7 2 0 A C M 能集采集、 测量、 控制、通信功能于一体。 近年来，该公 司又推出了新产品，增加了微机继电保护功能。虽然国 外产品功能强大、 全面， 但是由 于其操作较复杂、 保护和测量合用 一组 C 7 ， 以 及其昂贵的价格等原因，并不完全适合我国电网调度自
10、动化的现状 和要求。我国电力系统继电保护用的 C 7 ， 与测量用的 C T 一般要求分开，这是因 为:( 1 ) 对于保护和录波用 C 1 二次线圈，要求在大电流下能够准确反映电 流的实际情况。( 2 )对于测量用 C 1 ， 二次线圈，则主要考虑在一次额定电流下运行使的 最大误差，即准确级数。1 .2 . 2国内发展概述我国对配电线路微机保护预测控装置的研制起步较晚，但发展迅速。我国 从 7 0年代末即已开始了计算机继电 保护的研究3 高等院 校和科研院所起着 先导的作用。 华中 理工大学、东南大学、 华北电 力学院、西安交通大学、天津 大学、 上海交通大学、重庆大学和南京电力自 动化研究
11、院都相继研制了 不同原 理、不同型式的 微机保护装置。1 9 8 4 年原华北电 力学院研制的输电线路微机保 护装置首先通过鉴定，并在系统中 获得应用， 揭开了 我国继电 保护发展史上新 的一页，为微机保护的推广开辟了 道路4 ,5 1 。 在主设备保护方面，东南大学和 华中理工大学研制的发电 机失磁保护、 发电机保护和发电 机一变压器组保护也 相继于 1 9 8 9 . 1 9 9 4年通过鉴定并投入运行。 南京电 力自 动化研究院 研制的 微 机线路保护装置也于 1 9 9 1年通过鉴定。 天津大学与南京电 力自 动化设备厂合 作研制的微机相电 压补偿式方向高频保护，西安交通大学与许昌继电
12、器厂合作哈尔滨工业大学工学硕士学位论文研制的正序故障分量方向高频保护也相继于 1 9 9 3 . 1 9 % 年通过鉴定。至此， 不同原理、不同机型的微机线路和主设备保护各具特色，为电力系统提供了一 批新一代性能优良、功能齐全、工作可靠的继电保护装置。随着微机保护装置 的研究，在微机保护软件、算法等方面也取得了很多理论成果。可以说从 9 0 年代开始我国 继电 保护技术己 进入了 微机保护的时代 6 11 .3 本课题的任务和意义本装置的研制主要针对我国电力系统配电网的现状，特别是变电站自动化 的改造而提出的，同时参考变电站自 动化技术发展趋势，以使装置尽可能包括 多种保护、测量、控制、通信等
13、功能。本课题的任务是:借鉴国内外研制同类装置的经验，研制和开发一种先进 的配电线路微机保护和测控装置，基本解决现有同类装置上述的各种缺陷和问 题，以适应配电网的发展。基于 D S P的配电线路微机保护和测控装置的研制，主要是硬件和软件设 计两大任务。 本系统的硬件核心采用一片美国T I 公司的L F 2 4 0 7 A D S P 和一片 8 9 C 5 2单片机作为微控制器，并配以适当的外围电路来完成各项功能。软件的 设 计采 用了 嵌 入式实 时 操作系 统 ( R T O S ) - R C / O S - 1 1 ， 基于 此操作系统 采用 结构化的程序设计语言 C语言，测量部分采样
14、6 4点，在经过滤波后计算出电 压电流的有效值，利用它们对有功功率、无功功率、功率因数、电度等参数进 行计算。为减小频率偏差对测量结果的影响，通过自 适应调整采样间隔，即使 频率发生改变也能保证每个周波均匀采样，从而使整个装置测量精度高、抗干扰能力强。本装置的开发成功将进一步推进变电站二次系统的自 动化水平，真正做到 集控制、测量、远动、保护等功能于一体的分散式变电站自 动化系统中的单元 式模块，便于电力系统管理人员正确掌握配电网的运行情况，方便地控制各线 的负荷情况，实现计划用电、合理配电。1 . 4 本装置的功能要求所设计的线路保护测控装置适用于 6 6 K V及以下电压等级的小电流接地系
15、统、或配电流电压保护的 1 1 0 K V 线路，是线路单元的间隔层设备，功能哈尔滨工业大学工学硕士学位论文如下:( 1 ) 三段低电 压闭锁方向过流保护 每段低电压闭锁或方向闭锁可单独投 退，二、三段具有可选的后加速功能;( 2 )三相一次自动重合闸功能 检无压、检同期可投退，检同期角 2 0 0 - 5 0 0 ;( 3 ) 低周减载功能 低压闭 锁和无流闭锁可投退， 低周减载出口 跳闸或告警 可选择;( 4 )小电流接地选线功能 可选用基波或5次谐波判断，选线后发告警信 号;( 5 )零序电流保护功能 零序电流定值0 - 5 A ，出口 跳闸或告警可选择;( 6 )遥测功能 测量电流取自
16、 测量 C T ，可测取有功功率、无功功率、电 压、电流、频率和功率因数;( 7 )遥信功能 装置的数字信号及断路器、储能、隔离刀闸、远方/ 就地 等位置信号上传至变电站层;( 8 ) 遥控功能 具有分、合断路器及储能功能;( 9 )电 度采集功能 内部具有脉冲电能采集功能和积分电能计算功能;( 1 0 )具有操作箱、谐波分析、故障录波、信号和P T断线检测等功能;( 1 1 )面板上具有大屏幕汉字液晶显示、键盘操作功能 可方便的实现测 量跟踪监视、在线修改定值或投退某些保护功能。面板上还具有运行、告警、 跳位、合位等指示灯;( 1 2 ) 装置通过数据总线上传状态信息、运行数据及故障报告，可远方在 线修改定值和投退某些保护功能。1 .5 本文的 结构安排本课题结合当前电力系统发展的需要，在根据对现有微机线路保护装置分 析的基础上， 对微机线路保护工作的工作原理、算法等几个方面作了进一步的 分析和研究，并在此基础上，研制了微机线路保护和测控装置。其主要研究内 容如下:哈尔滨工业大学工学硕士学位论文( 1 )简要地介绍了配电线路微机保护预测控装置所采用的几种保护的基
