基于DSP的工频突变量距离继电器的设计

陶晓丽, 温阳东

(合肥工业大学 电气与自动化工程学院,安徽 合肥 230009)

工频突变量距离(阻抗)继电器不但继承了传统距离保护不受运行方式变化影响的特点,同时具有较高的灵敏性、可靠性、自适应性。其耐受过渡电阻的能力强,方向性明确;工频突变量判据简单,特别适用于实现微机保护。相对于传统继电保护(整流型、集成电路型等),微机保护有许多突出优点,对提高电力系统供电的安全性和可靠性起了很大的作用,促进了电力系统自动化的发展。目前,应用于我国电力系统的微机保护产品采用的CPU大多为8位或16位单片机,设计中采用数字信号处理器(DSP)来代替单片机,DSP是以数字计算的方法对信号进行处理,具有处理速度快、灵活、精确、抗干扰能力强、体积小等优点。本设计利用DSP的特点,与基于工频突变量原理的距离保护相结合,使保护性能得到提高[1]。

1 工作原理及其特性

1.1 工作原理

以图1所示的双侧电源的电力系统为例进行分析[2]。

当系统在k点发生金属性短路,故障点的电压将为0,如图1a所示,这时系统的状态可用图1b所示的等值网络来代替,图中2个附加电压源的电压大小相等,符号相反。假定电力系统为线性系统,则根据叠加原理,图1b所示的运行状态又可以分解成图1c和图1d所示的2个运行状态的叠加。若令故障点处附加电源的电压值等于故障前状态下故障点处的电压,则图1c各点处的电压、电流均与故障前的情况一致。图1d为故障引入的附加故障状态,该系统中各点的电压、电流称为电压电流的故障分量[3]。

图1 故障系统及其等值网

在图1d中,保护安装处的工频突变量电流、电压可以分别表示为

工频突变量阻抗距离继电器的工作电压为:

在保护区内、外不同地点发生金属性短路时电压故障分量的分布,如图2所示。

假定故障前为空载,短路点电压的大小等于保护安装处母线电压的大小,通过记忆的方式很容易得到。

工频突变量距离继电器的动作判据为

满足该式判定为区内故障,保护动作;不满足该式,判定为区外故障,保护不动作。

图2 不同地点发生短路时的电压故障分量

1.2 动作特性

(1)当系统发生正方向故障时,其等值网络和阻抗圆特性如图3所示。

对图3a进行分析并由工频突变量定义得:

因此可以得到:

正方向阻抗圆特性如图3b所示。当测量阻抗落在圆内时,满足动作判据,阻抗继电器动作,所以圆内为动作区,圆外为非动作区。

图3 系统发生正向故障

(2)系统发生反方向故障时,其等值网络与阻抗圆特性如图4所示。

当系统在k点发生反向故障时,由图4a所示的等值网络可知:

将(9)式、(10)式代入(4)式可得:

类似对正向故障情况的分析,可得在反向故障情况下的动作特性,如图4b所示。

由于动作的区域在第一象限,而测量阻抗-Zm位于第三象限,所以继电器不可能动作,具有明确的方向性。

图4 系统发生反向故障

2 保护与测量算法

在微机距离保护中,一般都采用先选相再测量的方法,即利用基于相别切换概念的选相测量方法[5]。

选相元件通常由软件实现,故障类型、故障相别的专门判别程序都会被设置,这样在实现选相跳闸的同时又能防止非故障相的影响,以保证正确切除故障相。

然后运用距离保护算法,根据电流和电压的采样值计算出复阻抗的模和幅角,或阻抗的电阻和电抗分量,与给定的阻抗动作区进行比较,从而发出动作命令。

微机型距离保护的算法流程,如图5所示。

图5 微机距离保护的算法流程

3 基于DSP技术的硬件设计

DSP的突出特点是计算能力强、精度高、总线速度快、吞吐量大,尤其是采用专用硬件实现定点和浮点加乘(矩阵)运算,速度非常快。将数字信号处理器应用于微机继电保护,极大地缩短了计算时间,可以完成数据采集、信号处理功能和独立的继电保护功能。以DSP为核心的微机保护系统的原理框图如图6所示。其中,主处理器采用的是TI公司的TMS320F2812DSP芯片[6]。

图6 微机保护系统的结构示意图

3.1 外部存储器的扩展设计

TMS320F2812片上已有 18KB的SARAM,但为了满足更大规模更复杂的系统数据的存储要求以及控制算法的需要,需扩展外部RAM。又由于F2812集成了128 KB的Flash存储器,可用作程序存储器,但是从调试的角度考虑,应扩充程序存储器。由于DSP采用统一寻址方式,外部扩充的存储器可以作为程序存储器,也可以作为数据存储器[7]。本次设计中采用CY7C1041BV33作为扩展的外部存储器。它是一种16位256 K的静态RAM存储器,在调试时可将其中的128 K作为数据存储器,另外的128 K作为程序存储器。当开发完成后,可将全部256 K RAM作为数据存储器,而将程序写入到内部Flash中[8]。采用此种设计方案不仅利于开发更大规模的系统,而且避免了对片内Flash的频繁操作,同时由于此芯片采用CMOS工艺,具有自动低功耗模式,保证了低散热量。其连接如图7所示。

图7 CY7C1041BV与T MS320F2812连接示意图

3.2 ADC模块的设计

TMS320F2812ADC模块是一个12位带流水线的模数转换器(ADC),内置2个采样和保持器(S/H),可多路选择16通道模拟输入,快速转换时间可运行在25 MHz或12.5 MHz。输入电压范围为0～3 V,单次转换时间为200 ns,流水线转换方式转换时间为60 ns,ADC模块有2个独立的排序器,可工作在双排序器模式和级联排序模式,提供很高的采集速度。利用F2812内部ADC模块配合数字滤波可以做到近200倍的精确工作范围。

因此直接采用F2812片内的ADC模块不仅能满足装置对电流、电压等模拟量进行采样保持及输出时的实时性、高精度的要求[9],还可节约成本,减小芯片面积,使得设计简单、经济。

4 软件开发环境和系统流程

软件平台使用 TI公司提供的CCS(Code Composer Studio),它采用Windows风格界面,集编辑、编译、链接、软件仿真、硬件调试及实时跟踪等功能于一体。

软件流程设计如图8所示[1]。

图8 系统软件设计流程图

5 结束语

本文结合微机型继电保护的优越性能和突出特点,提出了基于TMS320F2812强大数字信号处理能力的工频突变量距离继电器的设计方案。该方案从保护原理及DSP的特点入手,设计了装置的硬件结构及其保护算法和系统软件流程。该装置对采样点要求较少,计算速度快,可靠性高。随着电力系统的高速发展,对于此类高性能继电保护装置的研究与设计具有重要意义。

[1] 索南加乐,顾 嘉 薛晓辉.基于工频量补偿算法的长线距离保护[J].电力系统自动化,2007,31(23):57-60.

[2] 张保会,尹项根.电力系统继电保护[M].北京:中国电力出版社,2005:120-125.

[3] 戴学安.综论工频变化量继电器[J].电力系统自动化,1995,19(1):41-47.

[4] 陈曙玲,温阳东.单电源短距离输电线微机距离保护的研究[J].继电器,2003,31(2):23-26.

[5] 杨奇逊,黄少锋.微型机继电保护基础[M].北京:中国电力出版社,2005:89-101.

[6] 王 金,陈明军.基于 DSP的输电线路距离保护装置设计[J].浙江电力,2006,(2):8-12.

[7] 崔学深,张建华,肖 刚.DSP技术在电力系统中的应用和硬件实现方式[J].现代电力,2002,19(2):36-42.

[8] 苏奎峰,吕 强,耿庆锋,等.TMS320F2812原理与开发[M].北京:电子工业出版社,2005:64-82.

[9] 易永辉,李瑞生,张克云.DSP及其在继电保护上的应用[J].继电器,1999,27(4),48-50.