基于Matlab+DSP的综合型微机继电保护实验平台设计

李清泉， 冯知海， 孙钦佩， 陈 晶

(1．国网山东省电力公司检修公司， 济南 250118； 2.国家电网滨州供电公司， 山东 滨州 256600)

基于Matlab+DSP的综合型微机继电保护实验平台设计

李清泉1， 冯知海1， 孙钦佩1， 陈 晶2

(1．国网山东省电力公司检修公司， 济南 250118； 2.国家电网滨州供电公司， 山东 滨州 256600)

为充分了解微机继电保护的工作原理和各功能模块的行为特征，开发了一套包括Matlab仿真平台和DSP硬件平台的综合型微机继电保护实验平台。利用Matlab软件，根据电网元件的实际参数和所需的保护类型建立电网模型和微机继电保护仿真模块进行仿真测试，并将电网模型在不同状态下的运行数据通过Matlab串口下传到DSP硬件平台中进行实际测试，同时可以利用微机继电保护测试仪对该硬件平台进行整体测试。结果表明，该平台的开发与应用对高校电气工程专业的课堂教学和电力系统继保工作人员的培训都具有良好的效果。

Matlab仿真平台； DSP硬件平台； 微机继电保护仿真模块； Matlab串口

随着电力系统的快速发展，微机继电保护已经广泛应用于各个电压等级的变电站和电厂的线路及设备管理，其性能的优劣和继保工作人员技能水平的高低关系着电网能否安全运行[1-2]。微机继电保护主要依靠软件来实现特定的保护功能，其内部的动作行为并不透明[3]。这使得继电保护初学者难以充分理解微机继电保护各组成部分的具体作用以及各环节的数据变化情况，增加了学习微机继电保护的难度。本文提出利用Matlab软件构建电网仿真模型和微机继电保护仿真模块进行测试验证，并将电网仿真模型的运行数据下传到DSP硬件平台进行实际测试，同时利用微机继电保护测试仪对DSP硬件平台进行辅助测试，既克服了微机继电保护的抽象性，使学员可以从微观上了解其内部各功能模块的动作过程和数据变化，又克服了一般高校不具备动模试验的限制，使得学员可以从宏观上对微机继电保护及其保护对象之间的相互配合做到整体性、全面性了解。

1 实验平台构成

微机继电保护实验平台包括Matlab仿真平台和DSP硬件平台，具体结构框图如图1所示。Matlab仿真平台包括电网仿真模型和微机继电保护仿真模块，其中电网仿真模型由Matlab中的电力系统元件库和Simulink工具箱根据变压器、线路等电气设备的实际参数建模而成，微机继电保护仿真模块则根据电网模型所需要的保护类型以及DSP硬件平台前向数据采集通道的电路结构，由电力系统元件库、Simulink工具箱以及S函数建模构成[4]。DSP硬件平台不仅可以利用微机继电保护测试仪提供的电压电流进行常规测试，还可以通过UART串口与微型机互联，实时接收并处理电网仿真模型的运行数据，从而实现简化意义上的动模试验功能。该实验平台不仅可以为输电线路、变压器、电机等电网元件提供相应的保护，还可以用于电能质量检测[5]、无功优化等，在实验时仅需要更改相应的功能模块即可。

图1 实验平台的结构框图Fig.1 Experiment platform structure diagram

DSP硬件平台采用了TMS320F28335+单片机STC12LE5A60S2的双CPU系统结构，两者通过串口通信进行数据交互，具体包含电压电流采集通道、数据处理单元、液晶显示模块、串口通讯、开关量输入输出回路、断路器操作回路等功能模块。DSP硬件平台采用开放式的面板结构，既可以通过电压电流采集通道获得实际的模拟量信息，又可以通过串口通讯方式与Matlab软件互联，接收来自电网仿真模型的数字化信息。DSP硬件平台根据模拟量或者数字量的具体特征完成保护的逻辑校验和功能测试。

Matlab仿真平台的构成则主要依靠电力系统仿真软件Matlab/Simulik软件来实现，其提供的可视化开发环境和可以定制的元件模块库，可以非常方便地对电力系统进行建模、仿真以及调试等工作。根据电网仿真模型的不同来构建与之相适应的微机继电保护仿真模块，其核心思想就是利用Matlab/Simulink软件提供的逻辑元件、控制元件、算法元件以及时间元件等模块，将DSP硬件平台的硬件电路结构以及保护功能等转化为虚拟功能单元和数据流的有向连接，在实现微机继电保护基本功能的基础上，最大程度地增加其可视化和灵活性。

2 电网仿真模型

2.1 原始资料

以输电线路的距离保护[5-6]为例，介绍本实验平台的具体应用。110 kV供电网络示意图如图2所示，线路距离保护1-4均采用阻抗继电器构成。线路AB和BC的单位正序阻抗为0.4 Ω/km，单位零序阻抗为0.7 Ω/km，分别长30 km和 60 km，阻抗角φL=70°；一次侧电压互感器变比为220/0.1 kV，电流互感器变比为500/5。

图2 110kV供电网络示意图Fig.2 Schematic diagram of 110kV power supply network

2.2 距离保护整定计算

以线路AB的保护1为例进行整定计算。对于距离I段按线路全长的80%进行整定，则得整定阻抗为9.6 Ω；距离II段与线路BC保护3的I段配合，整定阻抗为24.96 Ω。将整定结果归算到互感器二次侧，并考虑时限特性，可得整定结果如表1所示。

表1 保护1的整定计算结果Table 1 Setting calculation results of relay protection one

3 微机继电保护仿真模块

由图1可知，Matlab仿真平台中的微机继电保护仿真模块包括依次连接的电压形成回路、模拟低通滤波器、模数转换器、数据处理单元和跳闸输出单元[7-8]。在构建这些功能模块时，应尽可能使其电路结构和数据处理算法与DSP硬件平台相同，以便于对比分析仿真测试和实际测试的结果。

3.1前向数据采集通道

在微机继电保护装置中，需要采用微型电压、电流互感器将通过电网一次侧互感器获得的标准信号进一步转换为适合模数转换器使用的小电压信号。在电压形成回路中，微型电流互感器变比为2000/1，微型电压互感器(电流型)变比为1000/1000，均通过二次侧的采样电阻将电流信号转变成电压信号。考虑到DSP自带模数转换器[6]为单极性，所以在互感器二次侧的非同名端接直流偏置电压将双极性信号转变为单极性信号，最后通过二阶RC滤波器来滤除信号中的高频分量以供模数转换器使用，其电路结构如图3所示。

图3 微机继电保护仿真模块Fig.3 Micro-computer relay protection module

同时，为了便于对数据进行处理和下载，并考虑到硬件平台中DSP自带模数转换器的量程、极性和分辨率等性能指标，利用Simulink中的功能模块构建了0～5 V、12位的AD转换器模型，如图4所示。当采样频率为600 Hz时，其采样前的波形如图5中虚线所示，采样后的波形如图5中实线所示。

图4 模数转换器Fig.4 Analog-to-digital converter

图5 采样前后波形Fig.5 Waveform before and after sampling

3.2 数据处理单元

数据处理单元主要是运用合适的离散运算方法，对采样序列进行分析、运算，获得所需的电气量。由于本文主要分析供电网络距离保护的性能，因此可以运用微分方程算法来求取线路阻抗值。微分方程算法忽略了线路分布电容对测量阻抗的影响，需要前置模拟低通滤波器滤除高频分量，同时为了提高计算精度，可考虑增设数字滤波器[9]。本文根据微分方程算法的原理，利用M模板文件编程实现对采样值的处理。当输电线路故障时，其电压电流满足如下关系：

式中，Ut、it为t时刻电压电流的采样值，dit/dt为t时刻电流的微分。

为了求得未知量R和L，需要在t1和t2时刻分别建立微分方程，联立求解。采用算子D=dit/dt，可得到

(1)

利用微分方程求解R、L的核心思想在于，利用3次(n-1，n，n+1)连续的采样值，采样间隔为Ts，将式(1)中的D用差分代替，u和i用采样值插值代替，可得到

进而求得阻抗值X为

(2)

在运用式(2)求取阻抗值X时，需要首先判断故障类型和故障相别，再改变u、i的值。对于相间故障，u为线电压，i为相应的线电流；对于接地故障，u为相电压，i为相应的带零序补偿的相电流。此外，在进行阻抗计算之前，还可以设置数字滤波器来进一步滤除u、i中的高频分量，以提高测量精度。

3.3 跳闸输出单元

跳闸输出单元主要包括时间元件和锁存器，其中时间元件利用Matlab中Transport Delay模块实现，根据表1中数据设置距离保护各段的延时时间，以实现其阶梯形时限配合；锁存器利用Matlab中的Triggered subsystem模块实现，主要用来锁存跳闸信号，防止断路器发生间断跳变，影响对测试结果的分析。

4 测试验证

4.1 仿真测试

为了分析比较Matlab仿真平台中微机继电保护仿真模块的动作性能，对图2所示的110 kV供电网络进行了经不同过渡电阻的A相接地、AB相短路、三相短路仿真。当故障点选取为AB线路的50%处时，测试距离I段的动作情况；当故障点选取为AB线路的末端时，测试距离II段的动作情况。由于微机继电保护仿真模块的数据处理单元在求取线路阻抗值时，可以根据故障类型来选择所需要的电压电流量，因此具备0°接线和带零序补偿接线的共同效果。保护1的方向阻抗继电器的动作情况如表2所示。

表2 仿真测试动作时间

Table 2 Operating time in simulation test

故障类型过渡电阻距离I段距离II段A相接地020.1312.210不动作312.320不动作不动作AB相短路020.3313.11020.1313.32020.3313.2三相短路020.2312.11020.1312.12020.1312.3

表2说明，仿真测试结果与理论分析相符合，但是接地距离保护受过渡电阻影响严重。由于微机保护模块各组成部分均建立在理想条件之下，各段动作时间迅速。通过虚拟仿真，学员可以通过Simulink中的示波器模块观察电网模型在不同运行状态时，微机继电保护仿真模块内各功能模块的数据变化，并可以按需更改电路结构和保护算法，对比理解各模块是如何配合工作，共同实现对电网模型的保护作用。

4.2 实际测试

在一般情况下，利用DSP硬件平台进行测试时，需要利用微机继电保护测试仪提供电压电流信号来检测距离保护的定值、动作时间等是否满足要求。按照规定，距离保护I、II、III段在0.95倍定值时，应可靠动作，在1.05倍定值时应可靠不动作，并在0.7倍定值时测量动作时间。本文利用ONLLY公司的微机继电保护测试系统AD331对该DSP硬件平台进行距离保护定值测试，定值和延时时间按表1整定，其距离I段的动作情况如表3所示。

表3 距离I段的动作情况Table 3 Distance zone-I action

同时，考虑到Matlab串口控制工具箱的串口类型及fopen、fread和fclose等函数可以实现上位机与下位机的实时串口通信[10]，本文根据利用RTDS装置进行动模试验的思想，将Matlab仿真平台中电网模型的运行数据通过波特率为9600 bps、无奇偶校验位、传输数据为8位、1位停止位、1位起始位的通信串口下载到DSP硬件平台中进行实际测试，实现了Matlab仿真平台和DSP硬件平台的有机结合。在Matlab仿真平台中设置在线路AB的50%处和末端，分别发生过渡电阻为零的A相接地、AB相间短路和三相短路故障，并将电网模型的运行数据下载到DSP硬件平台中进行实际测试。为使DSP硬件平台能够正确识别故障并做出正确的跳闸信号，在进行实验时应使DSP硬件平台中投入的保护功能和Matlab仿真平台中的故障相对应，并退出其他保护。将电网模型的故障数据下载到DSP硬件平台中测得的距离保护的动作时间如表4所示。

表4 实际测试动作时间Table 4 Operating time in practical test

表3和表4说明，利用微机继电保护测试仪对DSP硬件平台进行测试，可以使学员很方便验证自己设计的微机继电保护硬件电路和数据处理算法是否满足微机继电保护的要求；利用电网模型的运行数据测试DSP硬件平台，进一步突破了无法进行动模试验的限制，使学员明白了微机继电保护装置与其保护对象之间的具体关系。在培训教学中，可以鼓励学员更改保护对象及其需要的保护类型，通过建立电网模型和编写数据处理算法来测试保护的性能，通过这一系列的学习、测试，必然能够使学员全面了解微机继电保护的内涵。

5 结 论

本文设计的综合型微机继电保护实验平台突破了传统继电保护培训方式中只进行仿真或硬件电路测试的弊端，实现了仿真和硬件电路测试的有效结合。利用其Matlab仿真平台可以对微机继电保护的硬件电路进行建模和测试，使学员容易了解微机继电保护内部各功能模块的具体作用；利用其DSP硬件平台不仅可以使用微机继电保护测试仪进行常规测试，还能够通过UART串口接收Matlab仿真平台的运行数据，进行简单的动模试验，可以使学员了解微机继电保护装置与电网一次设备之间的具体关系。通过Matlab仿真平台和DSP硬件平台的有效结合，可以实现电网模型的建立、保护定值的整定以及数据处理算法等一系列内容的培训教学，既提高了学员的理论认识水平，又提高了学员的动手操作能力，培训效果良好。

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(编辑 陈银娥)

Design of integrated experiment platform for integrated micro-computer relay protectionction based on Matlab and DSP

LI Qingquan1, FENG Zhihai1, SUN Qinpei1, CHEN Jing2

(1. State Grid Shandong Electric Power Supply Maintenance Company, Jinan 250118, China;2. State Grid Binzhou Electric Power Company, Binzhou 256600, China)

In order to fully understand the working principle and behavior characteristics, The integrated experiment platform of micro-computer relay protection is developed, which can help students understand the working principle and behavior characteristics of microcomputer relay protection consisting of the Matlab the simulation platform of Matlab and the DSP hardware platform of DSP. By using the Matlab software. According to the actual parameters of the network components and the required protection types, the power system model and the microcomputer relay protection module are built,modeling the power system model and the microcomputer relay protection module according to the actual parameters of the network components and the required protection types for simulation testby using the Matlab software. . The operation data of grid model in different conditions are transferred to the DSP hardware platform by using the Matlab the serial port and then put to practical testis transferred to hardware platform of DSP by the serial port of Matlab. . At the same time, the microcomputer relay protection testing device is employed to can make an integrated whole test for the hardware platform. The result shows thatTransfer Practice shows that, the development and application of the platform have a good effect to the teaching for those majoring electrical engineering and for training staff engaged in relay protection in electric power system.

Matlab simulation platform; hardware platform of DSP; the module of micro-computer relay protection; serial port of Matlab

2016-12-26;

2017-02-26。

李清泉(1991—)，男，硕士，主要研究方向为电力系统继电保护技术。

TM774

A

2095-6843(2017)03-0224-05