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1、微机继电保护测试系统研究学院：电气与电子工程学院班级： 07级电化2班答辩人： 戚亮亮同组人:杨希，邱亮，罗利指导老师：王银乐微机继电保护测试仪实际图片 微机继电保护测试系统实物连接图1.课题研究情况1.1继电保护测试系统介绍1.2国内外研究状况1.3微机继电保护测试系统发展状况1.4微机继电保护测试系统组成1.5微机继电保护测试仪应用1.6小组分工1.1 课题研究背景及意义 随着人们的生活与电的联系越来越紧密，为此必须保证电力系统安全可靠的运行。而电力系统的安全可靠的供电，取决于组成电力系统的各个电气元件的正常运行情况，每一个元件的故障或不正常运行都将影响电力系统的正常供电。微机继电保护是继
2、电保护装置的主要形式，微机保护代表着电力系统继电保护的未来。一旦电力系统发生故障或不正常运行，将会对社会产生相当严重的危害，为了将电力系统危害降到最小，电力系统中必须要有继电保护。本课题设计主旨是对微机继电保护测试装置研究，了解硬件组成和分析软件构成。 1.2 国内外研究状况（1）国外研究状况 微机继电保护指的是以数字式计算机为基础构成的继电保护，它起源于20 世纪60 年代中后期,是在英国、澳大利亚和美国的一些学者的倡导下开始进行研究的。20 世纪60 年代中期,有人提出用小型计算机实现继电保护的设想,但没有在保护方面取得实际应用,但由此开始了对计算机继电保护理论计算方法和程序结构的大量研究
3、。计算机技术在20 世纪70 年代初期和中期使得微型处理器和微型计算机进入了实用阶段。在20 世纪70 年代后期,出现了比较完善的微机保护样机。20 世纪80 年代,微机保护在硬件结构和软件技术方面日趋成熟,并已在一些国家推广应用。20 世纪90 年代,电力系统继电保护技术发展到了微机保护时代。（2）国内研究状况 目前国内使用的微机继电保护测试仪有从国外进口的，也有些是我国自主研发生产的，新一代的微机继电保护测试仪功能上大同小异，普遍存在以下特点；（1）硬件电路采用模块化设计，可根据用户的要求进行灵活的组合；（2）多采用DSP高速处理器，速度快、精度高；（3）功率放大器不经变压器输出，暂态响应
4、好、可靠性高、线性度好；（4）国外今后的微机继电保护测试仪可以符合COMTRAD(美国电力系统暂态数据交换标准)格式文件的数据还原成文件数据波形完全一致的模拟量输出，再现实际系统中的暂态数据波形；（5）兼容GPS全球定位系统，可进行同步测试；（6）用户可以使用内部编程语言，进行专用模块的再开发；（7）基于windows测试软件，人机界面友好。 1.3 继电保护测试装置的发展历程模拟式继电保护测试台 微机型继电保护测试装置基于后台PC 计算机控制的测试装置单CPU、有后台计算机的测试装置基于多CPU、DSP 技术的实时继电保护测试系统基于专用硬件平台的多DSP 并行系统 微机型继电保护测试装置的
5、发展趋势硬件方面缩小硬件的体积、降低功耗、提高输出功率、软件方面：升级软件版本使功能更加完善。 有的厂家还对产品进行更新换代,推出了功能更强的新产品。1.4微机继电保护系统组成（1）硬件结构微处理器D/A转换模块功率放大器模块开关量输入输出模块保护装置PC机（2）软件结构微机继电保护测试系统通信模块软件测试模块软件信号发生模块软件 驱动模块软件基本测试模拟测试实验测试1.5 微机继电保护测试仪在电力网中的应用一、微机继电保护测试仪的测试项目和功能一、微机继电保护测试仪的测试项目和功能 本课题设计的微机继电保护测试仪可完成现场大多数试验检定工作，可对各种继电器（如电流、电压、反时限、功率方向、阻
6、抗、差动、低周、同期、频率、直流、中间、时间等）及微机保护进行鉴定，并可模拟各种复杂的瞬时性、永久性、转换性故障进行整组试验。主要试验功能有：（1）交流电压、电流试验。（2）交、直流电压、电流试验。（3）整组试验。（4）距离保护定值试验。（5）零序保护定值试验。（6）差动继电器制动特性试验。（7）谐波叠加试验。（8）同期试验。（9）高、低周及频率试验。（10）I-t 特性曲线测试。（11）功率方向继电器和阻抗继电器测试。其中的谐波叠加实验在现场使用较多，在谐波叠加实验中，同时附带有谐波分析的功能，谐波分析是现场查找问题的重要依据，因此在现场使用频繁.。1.7 小组分工戚亮亮：微机继电保护测试系
7、统硬件研究。主要任务是设计一套以DSP为处理器的测试装置，研究其硬件组成及测试优点杨希：微机继电保护测试系统硬件研究。分析微机继电保护测试系统硬件部分构成原理，主要研究硬件采集系统。邱亮：微机继电保护测试系统软件研究。就微机保护中的一些算法进行研究。并对其中的谐波算法以及正弦波合成算法进行主要研究。罗利：微机继电保护测试系统软件研究。主要对消除谐波分量和衰减直流分量对傅式算法的影响进行了研究和改进。DSP的微机继电保护测试系统硬件设计姓 名：戚亮亮 专 业：电气工程及其自动化学 号：20070210010131指导老师：王银乐任务1、熟悉微机继电保护测试系统的组成原理和研究状态；2、了解微机继
8、电保护测试系统的测试内容及对测试系统硬件的要求 ；3、分析微机继电保护测试系统硬件部分构成原理；4、设计一套或部分符合实际要求的硬件系统。硬件设计思路 （1）设计一套DSP的微机继电保护测试系统，主要对其硬件方面做一个详细的设计 。（2）测试装置的硬件要按较高的标准要求来设计 。（3）与单片机做一个对比，分析其优缺点。（4）简单介绍下算法和上下位机的软件。测试装置的系统结构图 D/A转换模块与DSP接口电路单片机的硬件电路总体结构图微机继电保护测试系统硬件设计姓 名：杨希专 业：电气工程及其自动化学 号：20070210010109指导老师：王银乐硬件的构成微机保护装置硬件系统包含以下五个部分
9、：（1）数据采集单元即模拟量输入系统。包括电压形成、模拟滤波、采样保持、多路转换以及模数转换等功能块，完成将模拟输入量准确地转换为所需的数字量的功能。（2）数据处理单元即微机主系统。包括微处理器、只读存储器、随机存取存储器以及定时器等微处理器执行存放在只读存储器中的程序，对由数据采集系统输入至随机存取存储器中的数据进行分析处理，以完成各种继电保护的功能。（3）数字量输入/输出接口即开关量输入输出系统。由若干并行接口、光电隔离器及中间继电器等组成，以完成各种保护的出口跳闸、信号警报、外部接点输入及人机对话等功能。（4）通信接口。包括通信接口电路及接口以实现多机通信或联网。（5） 电源。供给微处理
10、器、数字电路、A/D转换芯片及继电器所需的电源。保护装置的硬件示意图 器件的选择在微处理器件上，选取了DSP式（数字信号处理器TMS320F206芯片 ）。存储器：故障数据记录所需要的临时存储是由随机读写存储器RAM实现。 设定值或其它重要信息则放在可编程只读存储器EPROM中。D/A转换模块主要由16位高性能数模转换芯片AD669。驱动电路是由74HC224构成。滤波器选取了有源模拟低通滤波器。光隔处理TLP521-4是一个四通道的光电藕合器，八路开光量输入需要两个TLP521-4。通讯电路主要是由TMS320F206和MAX232芯片以及CPU构成。功率放大电路是由电流放大电路和电压放大电
11、路组成。 上图是低通滤波电路原理图 ，这种滤波器接线简单， 但电阻与电容回路对信号有衰减作用，并会带来延迟，对快速保护不利，仅适用于对速度和性能要求不高的微机保护。对于要求高性能又快速的保护，必须采用有源的低通滤波器。有源低通滤波器通常由上述无源滤波器加上运算放大器构成，此时电容可取较小的数值，从而加快了保护动作速度。所以在这里我们选取了有源滤波器。 然而D/A转换模块主要由16位高性能数模转换芯片AD669、光电隔离电路和滤波电路组成。其功能主要是将DSP产生的数字信号经过数模转换(D/A)合成模拟信号，再经过滤波处理消除高频成份的影响。D/A转换性能列表：微机继电保护测试系统软件设计微机继
12、电保护测试系统软件设计姓 名：邱亮专 业：电气工程及其自动化学 号：20070210010123指导老师：王银乐主要任务主要任务 1.研究微机继电保护中常用的算法。 2.对傅氏算法的缺陷提出改进方法傅氏算法算法傅氏算法算法1.传统算法的分类和原理 1）全周傅里叶算法全周傅里叶算法 构成：两个全周的 数据窗：每周波的全部采样点。 特点：精度高，滤波效果好，但是响应速度慢2）半周傅里叶算法半周傅里叶算法构成：两个半周的数据窗：每周波全部采样点的一半特点：响应速度快，倒是滤波效果差 2.傅氏算法的主要误差来源 (1)离散求和方法的影响 (2)衰减直流分量的影响 （1 1）三数据窗消元的改进傅氏算法一
13、三数据窗消元的改进傅氏算法一 将连续三个数据窗的傅氏变换结果，消去中间变量 求出第一个数据窗中衰减直流分量引入的误差 从第一个数据窗傅氏算法输出中减去误差 从而得到理论上的精确值 改进方法改进方法 （2 2）三数据窗消元的改进傅氏算法二三数据窗消元的改进傅氏算法二 选取了合适的中间变量，使运算过程比起第一种 算法大为简便。（3 3）递推求解衰减直流分量的改进傅氏算法）递推求解衰减直流分量的改进傅氏算法 在首次计算衰减直流分量误差时，先算出衰减直流分量参数 照计算故障起始点后第一个数据窗（k = N - 1）时的误差相量的幅值和相角，根据误差的直接计算公式算出当前采样点处的误差相量。 在其后计算
14、衰减直流分量误差时，只须递推即可。结论结论 前两种算法：前两种算法：从故障起始点开始记录采样值（即算法所需的数据窗必须从故障起始点开始），运算量大。 算法三：算法三：以采样值序列的任意点为起点，精确推算出任意时刻衰减直流分量引入的误差，算法过程大大简化。 学院：电气与电子工程学院班级： 07级电化(2)班姓名： 罗 利指导老师：王银乐微机继电保护测试系统算法研究1.微机保护算法分类算法分类算法的类型简 介 正弦波形合成算法在这里我们通过使用8253定时器软件定时的工作方式实现继电保护测试装置的调频、调相及调幅算法，详细阐述了其算法原理。波形跟随算法继电保护测试仪在变频时的一个最根本问题是如何在
15、变频过程中,达到频率之间有效的点跟随,从而不会在变频过程中产生非跃点现象。其基本思想为对达到变频时间后,对最后一个周波的输出点进行监视,当其当前输出点输出后,立即将新的频率计算点压入输出点缓存,并在N - 1 点写入新的 K11，K22的值,在第N 点写入新的N 值，从而达到变频的目的。定时器中断算法定时器中断是实现波形输出的根本。中断程序主要实现点输出及K11、K22的定时初值交替,即在第N-1点写入K22 值,在N 点写入K11值。谐波合成算法为了避免谐波对电力系统的损害，在电力系统中采用了大量的谐波保护装置。谐波保护装置的好坏直接关系到电力系统的安全稳定运行。为了检测电力系统的谐波保护装
16、置，我们在继电保护测试装置中设置了谱波试验模块，可以完成1-9次谐波的波形合成和稳定输出。变频算法变频试验是整个继电保护测试装置的核心试验之一，整个试验分为手动变频试验和自动变频试验。微 机 保 护 算 法 2.傅里叶算法1.傅里叶算法： 傅氏算法是一种常用的、针对周期函数的算法。该算法将周期信号分解为傅氏级数，即正弦和余弦函数的和。周期为T 的信号f(t)的傅里叶级数展开式为： 由上式可知，f(t)的第n次谐波分量是：在电力系统中，假设故障信号为x(t)。它是一个周期信号，其中包含基波以及衰减的直流分量和各次谐波分量。式中,Xi,i分别为第i次谐波分量的幅值和初相角；Xsi、Xci分别为第i
17、次谐波分解后相应的正弦、余弦分量的幅值；A 、分别为衰减直流分量的初始值和衰减常数。傅氏算法包括全波傅氏算法、半波傅氏算法以及各种改进算法。全波傅氏算法可以滤除所有整数次谐波分量，且稳定性好。但其数据窗较长，不利于快速响应。半波傅氏算法对全波傅氏算法响应速度虽有所改进，但是滤波效果不及前者，不能滤除偶次谐波。全波傅氏算法和半波傅氏算法各有所长、各有所短。两者之间的取舍，也就是电力系统继电保护中，在滤波效果和滤波速度之间的取舍。3.问题与改进问题:傅氏滤波算法以其良好的性能和相对简便的算法，在微机保护中获得广泛的应用。但是在电力系统发生故障和扰动时，电流、电压信号中不仅含有基波分量，还有大量的谐
18、波分量和衰减的直流分量，由于衰减直流分量是非周期信号，利用传统的傅氏算法，将会给计算结果带来一定的误差，影响该算法精度。到目前为止，处理衰减直流分量这一问题有很多算法，提出的算法需要在全周傅氏算法的原有数据窗的基础上增加采样点，对相邻的各数据窗进行傅氏变换，并以此为基础进行校正，其算法影响运算速度。改进:算法通过设计一个全零点数字滤波器完全滤除基波及其它整数次谐波分量，保留非周期分量，然后用原始信号采样值减去滤波后输出量的值得到周期性分量的值，再通过全波傅氏算法求出基波和谐波分量的幅值和相位。该算法不需要计算衰减直流分量的幅值和衰减时间常数，减少了相关计算的误差，准确度极高。流程图 谢谢各位老师指导
