关于继电保护装置设计的探讨

2012-03-15

电子世界 2012年11期

1.引言

随着微电子技术、计算机技术、通信技术高速发展，电力系统继电保护原理不断完善，新的理论技术应用于现代电力系统继电保护中，提出了快速保护和状态保护等要求，继电保护装置能否快速、可靠、准确的动作成为判断其是否符合现代电力系统发展的标准。

传统的保护装置大都采用电磁式继电器作为动作元件，例如JGX-11A靠电磁相互传递产生动作分量，进而触动动作装置，使继电器动作，这种继电保护装置可靠性低，抗干扰能力差易发生波形失真。微机式继电保护采用现代信息技术使整个装置的信号采集元件、动作元件都能可靠的运行，抗干扰能力进一步提高。但是先前的微机保护装置大都采用单CPU结构，如WXH-11采样信号不准确，抗干扰能力不够，灵敏性不够，可能会使保护元件勿动或者延长动作时间，仍然不能满足现代电力系统的发展。

针对以上继电保护装置抗干扰能力差、采集信号不准确等缺点，提出了采用DSP+CPLD的多CPU处理器设计结构，使其对信号处理更加准确，抗干扰能力更强。下面以高频线路保护为例，分析整个装置的工作情况。高频保护是以输电线路载波通道作为通信通道的纵联保护，其中方向高频保护是其中一种比较常用的高频保护，方向高频保护的基本原理是比较被保护线路两端的功率方向，进而把功率方向转化为高频信号。我们可以通过得出的频率信号与先前的频率信号进行比较，以此判断线路是不是发生了线路故障。

2.继电保护装置原理

装置结构功能。先前的微机保护装置大都是单CPU结构，采样信号不准确，装置抗干扰能力差，灵敏性不够，容易发生拒动勿动等情况。针对继电保护装置抗干扰能力差，采集信号不准确的缺点，本装置采用DSP+CPLD的多MCU处理器设计结构，使其对信号的处理更加准确，抗干扰能力强。图1为本设计装置的硬件原理图。

(1)本装置采用DSP+CPLD结构，其中DSP芯片TMS320C672X是修正的哈佛结构，程序跟数据独立的存储空间，使数据和程序相互传送。程序总线、数据总线并行允许同时访问数据存储器和程序存储器，这些特点适合采样信号处理，实时性好，此芯片在装置中主要用于承担运算和部分控制任务。在整个系统中通过光电隔离器进行隔离，保证采集到的数据的准确性。

(2)16位RISC超低功耗单片机MSP-430F149有丰富的片内外设，作为MCU，用作通信、显示和键盘输入控制。16个中断源，每个中断源都可以把MCU从睡眠状态唤醒，仅需6us，使MCU处于省电模式。

(3)CPLD芯片XC95144XL，主要用来控制逻辑时序和主MCU的I/O，在整个装置中用来控制模拟信号的采集，并把信号送给DSP处理，为DSP的I/O译码并进行逻辑控制，进行频率测量。CPLD芯片控制两片MAX125进行信号的采集，让其在一个工频周期内20点采样，并把采集到的模拟量送给ADC，最后送到DSP中。

另外对于本次设计中的DSP芯片来说，整个装置运行过程中需要大量的数据进行运算，而FRAM可以作为数据存储器来扩展DSP的数据存储器，同时FRAM还起到暂存数据的作用，存储采集处理后得到的数据。在整个系统中通过光电隔离器进行隔离，保证采集到的数据的准确性。

3.信号处理

由于线路设备安装位置和干扰等影响，因而采样信号存在很大的干扰，本装置对采集到的信号进行小波降噪，再用阀值滤波方法除去信号中的高频干扰信号，得到正确的输入信号，此时信号强度很小，对信号进行增强处理，得到适合处理的采样信号。

3.1 传统滤波方法

传统的滤波方法需要一些先验知识和假设，因而在继电保护装置中的启动元件有一定的误差可能造成延时动作。而小波降噪主要利用的是小波基的紧支性，它可以使信号的能量集中在少数大的小波系数上，而噪声分解后的小波系数都比较小。与传统方法相比，小波降噪只需要知道信号大致属于那种类型就足够了，然后套用标准的降噪方法，因此准确性很高。

3.2 装置滤波方法

在众多的去噪方法中，应用最广泛的是阀值去噪方法。但是硬阀值去噪函数的不连续性和软阀值函数中存在的恒定偏差问题使得软硬阀值去噪方法都不适合应用在先进的继电保护装置中。下面介绍一种新的阀值去噪方法。考虑到软硬阀值函数的门限较大，故将其门槛降为/2，对大于阀值得小波系数，新阀值函数借鉴硬阀值函数的方法将其保留，对小于/2的小波系数，则借鉴软阀值函数的方法将其直接置为0，对介于/2和的小波系数，则按照新阀值函数的方法进行处理，而对大于的小波系数，新阀值函数借鉴硬阀值函数的方法将其保留。因而新阀值去噪方法的公式可以表示如下；其中为新的阀值为为门限为小波系数的大小。

本装置滤波方法的好处。从新阀值去噪方法中可以看出：

(1)新阀值函数和软阀值函数一样具有连续性，并且当波形系数在大于和小于时候具有高阶导数，比便于将来的计算。

(2)新阀值把软硬阀值方法结合在一起，具有软硬阀值共同具有的优点，但是除去了它们的缺点。并且可以根据阀值得范围确定所需要的公式函数，使的新阀值有理可依，实现更好的去噪。

(3)一般情况下，有用信号经小波分解后其小波系数的绝对值很大，而噪声经小波分解后其小波系数的绝对值很小，这样便用到了硬阀值函数的去噪方法了，保留了硬阀值函数的优点，保留了小波系数，从而使有用信号得到保护。

(4)新阀值函数能适当的减少噪声的方差，保留更多的小波系数，使过滤后的信号更加真实。经过新阀值去噪方法可以得到正确的波形，使的更加准确的信号在处理器中进行处理，这样可以得到更加准确的频率信号。

图1 装置的硬件电路

图2 继电保护装置硬阀值去噪方法波形

图3 继电保护装置新阀值去噪方法波形

图4 本设计装置新阀值去噪方法波形

图5 装置中信号频率的测量

3.3 电力线路故障时的信号

下面是电力系统中当发生电力变压器发生相间短路时候，用故障录波器获得的波形。在这些波形中用硬阀值去噪方法得到的波形如图2，而图3是用新阀值去噪方法得到的波形，从这两个图中可以看出有很多的噪声干扰，图4是用新设计的继电保护装置用新阀值去噪方法得到的波形，从波形可以看出新的继电保护装置具有良好的去噪防干扰能力，保证输入处理装置的是有用信号，保证了继电器的有效动作的可靠性，保证了整个电力系统的可靠安全运行。

3.4 采集信号的频率

图5为CPLD中信号转化为频率的电路方程，输入采集到的信号进入比较器，得到高低电平方波，再送入隔离器和施密特触发器得到规则的逻辑电平用计数器进行计数得到采样频率。

3.5 频率调制

当线路发生内部故障和外部故障时候，高频收发机另一端发出的频率信号正好相反，当两端频率同时处于正半周时判断电路发生内部故障，当两端频率一个处于正半周一个处于负半周时候电路发生外部故障，继而动作元件动作发生保护。

4.软件设计

本保护装置的软件采用NI公司的虚拟仪器开发工具LABVIEW编写，用故障录波器收集信号，对输入故障信号的波形分析，同时对故障信号响应同步并对故障进行分析看是哪一种故障，及时排除故障。在软件设计方面采用模块化设计方法，每个模块实现响应的功能，这样可以满足硬件条件的前提下进一步提高装置的效率，将来如果需要功能升级，可以只改写相应的模块即可。