毕业设计（论文）

I10KV 电力电容器运行保护测控装置的研究摘要电力电容器作为电力系统中主要的无功补偿装置，其在电网中的有效应用可以起到提高电网功率因数，改善电网供电质量,降低电网损耗等作用。但是电力系统运行过程中的一些不确定性因素使其在运行过程中不能正常工作，并且产生故障，这不仅仅影响电网的供电质量，而且影响整个电网的安全可靠运行。因此，研究一种先进，可靠并且实用的电力电容器保护装置就显得尤为重要。本文主要讨论了基于 DSP 技术的电力电容器微机保护测控装置，主要包括:电力电容器保护装置的基础性理论研究，电力电容器保护装置硬件和软件的设计以及技术上的实现。基于对现有电力电容器微机保护装置的分析和对比，本论文对硬件和软件系统进行了模块化设计。硬件部分主要包括：电源系统模块，模拟调理模块，开关量输入输出模块，人机接口模块和通讯电路模块。在硬件的基础上，结合交流采样和傅立叶算法，本论文完成了主程序服务模块，中断服务子程序模块，键盘电压模拟量采集模块和通信模块等软件部分的设计。关键词：关键词：电力电容器；微机保护；TMS320F2812；DSP。IITHE RESEARCH ON CAPACITOR PROTECTION DEVICE ABSTRACTCapacitor as power compensation device can improve the power factor, better the power net quality, reduce the loss,and so all. But during the running, there always exists some unsure elements which will effect the capacitors work and make some malfunctions ,this not only effects the power net quality but also endanger the whole power nets safe running . So, it seems necessary to research out an advanced,dependable and practical capacitor protection device .This thesis mainly discusses the research on the Microcomputer protection device of capacitor based on DSP technology. It mainly includes: the reseach on the protection of power capacitor, the hardware design on the capacitor protection device and the research on how to realize the technology.Based on the synthetical analyzing and contrasting the capacitor protection device now available,combining with CPLD technology, this thesis designed the hardware and software system united .The hardware embraced:power system unit, mimic recuterate unit,swithed in and out unit,connection between computer and men unit,and the communication of electric circuit unit.Relayed on the design of the hardware and conbined with the AC stamping and Fourier algorithm this thesis completed the design of every software, including the main routine and the interrupt service routine,key interrupt service routine, communication interrupt service routine,A/D procedure and data in and out service routine. Keywords:power capacitor, TMS320F2812, microcomputer protectionIII目录摘要摘要 .I目录目录 .III第第 1 1 章：绪论章：绪论 .11.1 本课题研究的意义.11.2 国内外电力电容器保护技术的发展.21.3 本课题所做的工作.3第第 2 2 章：电力电容器保护的理论研究章：电力电容器保护的理论研究 .52.1 电力电容器的故障分析及处理.52.1.1 电力电容器发生故障的原因.52.1.2 电力电容器发生故障的现象.52.1.3 电力电容器的故障分析.62.2 电力电容器的保护功能及原理.72.3 电力电容器的保护装置及原理.10第第 3 3 章：电力电容器微机保护装置的硬件设计章：电力电容器微机保护装置的硬件设计 .123.1 微机保护的 CPU 方案.123.1.1 传统的 MCU+PSD 保护方案.123.1.2 选取具有快速数据处理能力的数字信号处理器.123.2 本设计系统硬件结构图 3-1： .133.3 微机保护装置中的 DSP 芯片设计 .143.3.1 时钟电路设计.143.3.2 复位电路设计.143.3 电源模块.153.4 模拟量采集模块.163.5 开关量输入模模块.173.6 开关量输出模块.183.7 看门狗电路.183.8 键盘、显示模块.193.9 通信模块.21第第 4 4 章章 电力电容器微机保护装置的软件设计电力电容器微机保护装置的软件设计 .234.1 常见微机保护交流采样算法.234.2 傅氏变换算法.26IV4.3 采样频率自动跟踪.284.4 采样点数的选择：.294.5 保护装置的软件设计.30第第 5 5 章章 实验及调试实验及调试 .335.1 实验题目：.335.2 试验目的：.335.3 实验仪器及设备：.335.4 实验步骤：.335.5 实验数据及结果：.345.6 实验心得：.35第第 6 6 章章 结论与展望结论与展望 .36致致 谢谢 .37参考文献参考文献 .381第 1 章：绪论本章论述了电力电容器保护装置技术的发展，主要内容包括国内外的发展方向，在此基础上提出了研究电力电容器保护的意义，以及本课题需要做的工作。1.1 本课题研究的意义电力电容器作为电力系统中主要的无功补偿装置，其在电网中的有效应用可以起到提高电网功率因数，改善电网供电质量,降低电网损耗等作用。但是电力系统运行过程中的一些不确定性因素使其在运行过程中存在内部故障和外部故障。内部故障表现在电容器内部极板之间的绝缘介质如有薄弱环节，在高电压的作用下很容易发生过热，游离直到局部击穿与短路。外部故障是指系统电压过高或过低，可能危及电容器安全运行。往往会影响电力电容器的正常工作，使其产生故障，这不仅会影响电网的供电质量，也会危及整个电网的安全可靠运行。传统的电力电容器运行保护装置虽然也可起到保护作用，但是由于可靠性低，功能少，灵敏度低而不能及时切断以排除故障，避免大型事故的发生。针对上述情况，希望所设计的基于 DSP 技术的微机保护装置能够及时的将电容器从电力系统中快速,自动的切除,使其损坏程度减至最轻,保证电容器使用寿命，并且防止故障进一步扩大。因此，研究一种先进、可靠、实用而又多功能，具有高灵敏度，高紧凑性和并且使用方便简洁而成本低廉的的电力电容器运行保护测控装置就显得尤为重要。下图 1-1 为保护装置对现场并联电容器组保护示意图：2保保护护装装置置UAUBUCC1C2C3图 1-1 并联电容器组保护示意图该装置具有电流速断、限时过流、过电压、欠电压、过负荷、零序电压/不平衡电压保护的功能。1.2 国内外电力电容器保护技术的发展传统电力电容器的保护措施是基于电热原理和电磁原理，电流原理就是电流的热效益原理，当电流通过导体时就产生热量。用热继电器实现的过载保护和用熔断器实现的短路保护就是电热原理的典型应用。电磁原理就是电磁感应，当电流通过线圈时就产生磁场，而用欠压继电器或接触器实现的欠压，失压保护，用过电压继电器实现的过压保护以及用电流继电器实现的过流，欠流（磁）保护则是电磁原理的应用实例。由于微机保护的不断发展，并有其与传统保护明显不同的特点，在电力电容器保护中得到不断的应用，同时新的电力电容器保护原理不断提出，其中简单，实用的电力电容器保护已经研制成功并获得应用。相比较其它电力电容器保护原理，综合保护只需要通过采集电容器各序电流量，经过计算，判断保护动作与或，在理论上和应用上都有很大的价值【1】。国外研制电力电容器保护装置较早，生产规模较大，种类齐全的应是韩国，美国，德国（都是电子型） ，如韩国三和技研株式会社的产品主要有交流，直流保护继电器，数显式智能型保护器，电压型保护器。在微机保护硬件上，第一套以 6809 为基础的距离保护样机投入试运行，厉经 8位，准 16 位，到现在 16 位处理器成为主角，32 位处理器， DSP 处理器3跃上历史舞台，新技术，新器件不断涌现，如新型光学电压，电流互感器。值得一提的是现在 DSP 的集成度越来越高，其中一些芯片集成了丰富的外部资源，比较有代表性的是 TI 公司的 TMS320C/F24XX 系列和 AD 公司的 ADMC 系列芯片，特别适用于应用在工控，仪表领域，并有逐步取代传统微控制器的趋势，发展前景非常广阔。当前硬件上的主要任务是通过积极采用成熟的新技术，新器件来提高保护装置的可靠性，通用性。随着系统变电容量的增加，电容器及其装置正向着大容量、紧密型、高可靠性，并集控制和保护设备于一体的的电力电容器成套装置方向发展【2】。1.3 本课题所做的工作本课题为基于 DSP 技术的电力电容器运行保护测控装置的研究，主要做的工作如下（1）查阅大量文献资料，研究电力电容器的工作原理；（2）研究电容保护的工作原理，种类及功能；（3）研究电力电容器在运行过程中容易发生的故障以及发生故障的原因；（4）研究电力电容器保护装置的工作原理和采用的手段；（5）研究基于 DSP 技术的电力电容器运行保护测控装置的重要新理论；（6）研究基于 DSP 技术的电力电容器运行保护测控装置所具有的功能；（7）研究基于 DSP 技术的电力电容器运行保护测控装置所采用的技术手段；（9）研究算法，用 Protel 软件制图，软件的模块化设计；（10）试验，调试。5第 2 章：电力电容器保护的理论研究本章讲述了电力电容器发生故障的原因和现象，针对这些故障，对故障发生的原因进行了电容器保护原理的分析，从而提出了每种保护的判据，为电容器保护的硬件及软件设计提供了理论基础。2.1 电力电容器的故障分析及处理2.1.1 电力电容器发生故障的原因电力电容器作为电力系统中的主要元部件在运行过程中存在内部故障和外部故障。内部故障表现在电容器内部极板之间的绝缘介质如有薄弱环节，在高电压的作用下很容易发生过热，游离直到局部击穿与短路；外部故障是指系统电压过高或过低，可能危及电容器安全运行【3】。2.1.2 电力电容器发生故障的现象（1）瓷套管及外壳渗漏油电容器是全密封的电气设备,由于制造工艺、运输等原因,出现渗漏油,导致套管内部受潮,绝缘电阻降低。随着电容器运行电压、温度等变化,内部压力增加,渗漏油部位多发生在瓷套管与金属外壳的联接处以外及金属外壳的焊接缝等处。（2）瓷绝缘表面放电闪络电容器在运行中若缺乏定期清扫和维护,其瓷绝缘表面因污秽严重,在电网出现内、外电压和系统谐波的情况下导致绝缘击穿,局部放电,造成瓷套管闪络破损。（3）外壳鼓肚6当电容器内部元件发生故障击穿时,介质中将通过很大的故障电流,电流产生的电弧和高温使浸渍剂游离而分散产生大量气体,使得电容器内部压力增大,导致其外壳膨胀鼓肚。这是运行中电容器故障的征兆,应及时处理,避免故障的蔓延扩大。（4）电容器爆炸当电容器内部元件故障击穿造成电容器极间贯穿性短路时,与其并联运行的其它电容器将对故障电容器充电,若注入故障电容器的能量超过其外壳承受的爆破能量,则电容器爆炸；当电弧点燃的液体介质溢流时,还会造成火灾。2.1.3 电力电容器的故障分析（1）运行电压过高【4】电容器的运行电压是指电容器所接变电站母线的系统电压,它直接影响电容器的寿命和出力。运行中电容器内部的有功功率损耗由其介质损耗和导体电阻损耗组成,而介质损耗占电容器总有功功率损耗的 98%以上,其大小与电容器的温升有关,可用下式表示: （21）tantan2CUQP式中 P电容器的有功功率损耗(kW); U电容器的运行电压(kV)。Q电容器的无功功率(kvar); tan介质损失角正切值;电网角频率(rad/s); C电容器的电容量(F);由公式知,电容器的有功功率损耗和电容器输出的无功功率大小均与电容器的运行电压的平方成正比。随着电容器的运行电压的增高,电容器的有功功率损耗增加很快,温度迅速升高,则绝缘寿命降低。（2）运行温度过高电容器长期处于高电场强度和高温下运行将引起绝缘介质老化和介质损失角 的增大,使电容器内部温升超过允许值而发热,缩短电容器的使用寿命,严重时,在高电场强度作用下导致电容器热击穿而损坏。（3）高次谐波引起过电流7电容器对高次谐波最敏感,它可能在某一频率下产生谐振,造成谐波电流过大。当谐波源负荷和电容器连接时,电容器容抗和系统的感抗在某一频率下正好大小相等方向相反,而生并联揩振时,谐波电流在系统和电容器之间流动,使电容过电流。减少此谐波过电流可将电抗器与电容串联,以错开谐振点。2.2 电力电容器的保护功能及原理电力电容器的保护【5】类型主要包括过压保护、欠压保护、过流保护、过压保护，不平衡保护等。实现这些保护的主要措施有基本保护(包括熔断器、避雷器、保护用电感)、继电器保护以及目前被广泛采用的微机保护.1、三段电流保护三段电流保护包括速断、限时速断、定时限过流。其中速断动作时间固定为 0 秒，其余两段动作延时可独立整定。电流保护动作条件如下：I IZD I 为 A、B、C 任意一相电流，IZD 为电流定值T TZD TZD 为延时时间定值2、反时限过流保护装置的过流保护通过软压板可选择定时限或反时限方式。当选为反时限后，对应定时限的电流定值即为反时限起动电流定值，定时限的时间定值即为反时限时间常数。其反时限特性公式如下： （22）1)/(2PIIT式中：I 为三相电流中的最大值 Ip 为保护的启动电流整定值，与过流保护电流定值共用。 为时间常数，与过流保护时间定值共用。由上式可知，Ip 和 为常数，而 I 与 t 为变值，当 IIp 时，t 随 I的增大而减小，二者呈反时限特性。3、过电压保护8装置取母线线电压判别。当开关处于合位，且、任一ABUBCUCAU高于过压定值，延时时间到后跳闸或发信。过压保护动作条件如下：1) 断路器处于合位 2）ULL UGYZD ；ULL 为线电压 UAB、UBC、UCA； UGYZD 为过压保护电压定值3) T TGYZD；T 为动作时间, TGYZD 为过压保护延时定值。4、失压保护为防止电源跳开后，重投电源时电容器未放完电而承受过电压损坏，应装设失压保护，其时限应小于上级电源进线重合闸或备自投动作时限。当开关处于合位，且母线 UAB、UBC、UCA 任一线电压低于定值，延时时间到后装置跳闸并发信。失压保护动作条件如下：1) 断路器处于合位； 2）无 PT 断线闭锁；3) ULL U Us se et t0 0X X1 1SWt t0 0零零序序电电压压保保护护投投入入跳跳闸闸图 2-4 零序电压保护逻辑原理框图对于多台电容器串并联组成的电容器组，零序电压保护定值可由下式计算： （23）2)1 (3/32)(3/3/1. 0MNUUkkMNkUUKNUUcdchcdchmTVchset上三式中：U0.set-动作电压（V） ； NTV-互感器变比；Klm- 灵敏系数，取 1.25-1.5; Uch-差电压（V） ；K-因故障而切除的电容器台数； N-每相电容器的串联段数；-任意一台电容器击穿元件的百分数；M-每相各串联段电容器并联台数；7、电容器自动投切功能投入此功能，只需给出母线电压合格运行范围，例如为10.210.7KV。母线电压大于 9.5KV 并且小于 10.2KV 时，给一定延时自10动投入电容器；母线电压大于 10.7KV 时，同样给予一定延自动切除。为防止电容器自动投切次数过于频繁，一般其延时不小于 30 秒。自动投入电压最小值 9.5KV 已由装置给出，用时只需整定其自投电压值如 10.2KV和自切电压值如 10.7KV在电容器保护跳闸或手动跳闸后，将自动闭锁电容器自投功能。2.3 电力电容器的保护装置及原理本节介绍了国内外部分典型电力电容器保护装置所采用的方法，配置，及其特点【4】。（1）基于工业 PC 机的高压并联电容器保护装置并联电容器是目前国内采用最普遍的无功补偿措施，它是解决电网无功电源容量不足，提高功率因数，保证电力系统安全经济运行的重要措施。由于电力系统中时有电容器爆破和火灾事故的发生，并联电容器的故障类型和保护配置，对保证大量无功补偿电容器的安全，有重要的实际意义。（2）基于 DSP 的分布式微机电容器保护测控装它是一种基于 TI 公司的嵌入式数字信号处理器 TMS320F2407 的分布式微机电容器保护测控装置,该装置可就地采集电压、电流等信息量,实时完成保护、测量、控制等功能,具有抗干扰性强、精度高的特点。（3）多功能微机电容器保护装置该微机电容器保护装置有以下 8 种保护功能可供选择:1.电流速断; 2.限时过流保护; 3.过电压保护; 4.欠电压保护;5.零流保护; 6. 零压保护; 7. 差流保护； 8.差压保护。它的辅助功能是基于使微机保护装置既可独立应用于各种电压等级的变电站和不同接线方式的电容器组的保护,又可作为变电站综合自动化系统的一个子系统,同时能满足无人值班变电站的需要，可实现全自动控制系统。（4）金属氧化物改进了电容器的保护装置采用金属氧化物非线性电阻元件，可提高高压串联电容器保护系统的11保护性能，使用这种新的保护系统，在故障情况下，可以使电容补偿完全不受影响。（5）基于 DSP 的电力综合保护测控装置该装置利用 DSP 技术和 EDA 技术的发展及其优越性能,在基于DSP+CPU+CPLD 电力综合保护测控装置具体设计中,针对这种新型智能系统所具有的特点,为保证该系统的安全可靠的运行,从硬件和软件方面行进了干扰抑制和消除。本设计采用就是这种装置。（6）高压电机综合保护测控装置ISA-347G 微机综合保护测控装置可应用于 200kW 及以上的 10kV 高压电机。微机保护测控装置有保护、测量、显示、通信等在线监测功能。通过自身完善的保护功能,对电机的轴承损坏、定转子相擦、匝间短路等产生的发热情况能起到很好的保护作用。并且保护装置体积小,可就地安装在高压开关柜上,通过通信电缆与外部连接,后台电脑实时监控和遥控,较容易实现自动控制及在线监测。微机综合保护装置的参数整定可在保护装置面板上完成,也可在后台监控系统上完成,检查和输入方便。12第 3 章：电力电容器微机保护装置的硬件设计本章针对电力电容器保护特点，详尽的叙述了保护装置的硬件设计。主要内容包括：处理器选择，DSP 最小硬件系统设计，模拟量采集模块，开关量输入输出模块，键盘、显示模块，看门狗电路，通讯模块及电源模块的设计。模块化设计从系统最低功耗要求出发，以避免混合系统带来的影响。3.1 微机保护的 CPU 方案3.1.1 传统的 MCU+PSD 保护方案微机保护装置要向体积小，功能强的方向发展。在选用 CPU 芯片时，就必需对芯片的集成度有所要求，尽量避免使用外扩设备，从而减少印制版的面积。传统的 CPU 片由于片内资源有限，所需的外围设备较多，如地址锁存器 EPROM RAM PLD 等，可编程单片机通用外围接口芯片 （PSD ）实现了将单片机所需的多个外围芯片集成在一个芯片内，从而可以大大减化电路的设计【6】 。3.1.2 选取具有快速数据处理能力的数字信号处理器DSP 芯片，也称数字信号处理器，是一种特别适合于进行数字信号处13理运算的微处理器，其主要应用是实时快速地实现各种数字信号处理算法。目前应用最广的可编程 DSP 芯片是 TI 公司的 TMS320C2000 系列芯片，其特点如下【7】：改进哈佛结构允许数据在程序空间和数据空间之间传输，从而增加了速度和器件的灵活性；并行处理结构使得功能模块和操作指令流水线工作可行；专用硬件乘法器使得乘法运算在单指令周期内就能完成，提高了处理速度；特殊 DSP 指令可以尽量减少指令周期，提高处理速度；快速指令周期小，最小达到 20ns，这使其适合实时处理的应用领域；附加功能模块加强了处理速度，数据吞吐量以及外围控制功能，如 DMA 控制器，定时器，外部中断控制器等。通过比较 TMS320C2000 系列芯片，决定选择 TMS320F2812 进行实验性研究，TMS320F2812 主要集成了DSP、A/D、PWM、UART、CAN、USB、SCI、SPI 和串行 EEPROM+RTC 实时时钟等外设。DSP 系统的特点：接口方便，编程方便，稳定性好，精度高，可重复性好，并且集成方便。143.2 本设计系统硬件结构图 3-1：DSP2812互感器组信号处理开关量输入液晶显示 键盘电源 看门狗RS485/232CAN (SN65HVD230)EEPROM(4K)CPLD继电器出口（?路）与与与与与Ua,Ub,Uc,Ia,Ib,Ic,P,Q,W,T,S与与与与与与8+4与与与与与与与与与与8与与与与与与与NS12864 -12与3.3V与ST7920与与与与与与与与与与与与与与与与与与与与与与与/ESC与+与-与与与与与A/D与与与与与与与与与与与与与与与与 +5,-5;+3.3,+1.8,1.5;+5;MC7805CD2T,MC7905BD2TTPS767D318PWP与与与与与与与RAM与18K*16与与FLASH与128K*16与与4K*16与ROM16与12与ADX5043s8-2.7与与与与与与与与与与JTAG与与与与与与TLP521-2与与与与与与与与与与与TLP127与8与SPI11与6N1366N136与与与与与图 3-1 系统硬件结构该装置的结构包括信号的采集与处理，A/D 转换，开关量的输入与输出，键盘与液晶显示，看门狗电路，仿真及通讯与电源控制模块等。3.3 微机保护装置中的 DSP 芯片设计3.3.1 时钟电路设计本装置 DSP 芯片的时钟电路是利用芯片内部的振荡电路与X2，X1/XCLKIN 引脚之间连接一只晶体管与两个电容组成并联谐振电路，如图 3-2 所示：该电路可以产生与外加晶体同频率的时钟信号，电容 C1，C2 取值24PF。它们可以起到对时钟频率微调的作用。15+C24P-C24PS1 X1/XCLK IN X2图 3-2 时钟电路3.3.2 复位电路设计DSP 芯片可以通过/TRS 引脚使 DSP 复位到一个已知状态，为保证 DSP可靠复位，/RST 引脚必须为低电平，且保持至少两个主频时钟周期，当复位发生时 DSP 终止程序运行，并使程序计数器复位。电路如图 3-3 所示：C1070.1uR10210K3R13KGND2U105V+3.3S1V12 /RST4613图 3-3 RC 复位电路3.3 电源模块由于 DSP 芯片的工作匹配电压一般为 03.3V，所以本设计选用 IT 公司的电源芯片 TPS76815 和 TPS76833 提供 F2812 芯片所需的+1.8V（内核电压）和+3.3V（外围器件引脚电压）的电压，其最大的工作电流为1000mA，足以满足 DSP 芯片的工作电压和各外围器件的供电需求。为了防止继电器动作电压以及外界通讯电压对 F2812 芯片的影响，本设计开关电源产生的+12V，V12V 及 V24V，-12V 相互独立隔离【8】。16Vin1GND2Vout3U001MC7805BD2TVin1GND2Vout3U002MC7805BD2TC0010.33C0040.33+C00247uF+C00347uF+C00547uF+C00647uF+12+5-12-5图 34 MC7805BD2T 电路在 12V 有源信号的输入下，首先通过 C101 和 C104 储能电容器对信号进行小波段的滤波，用弧电容 C002 和 C005 对信号进行大波段的滤波，之后通过 MC7805BD2T 芯片降压，降压后再对不纯的信号进行弧电容器的滤波以达到 DSP 的工作电压 5.5V。在 TPS76815 电路中两个电容器作用相同。IN3IN4/IEN2GND1PG8OUT5OUT6FB7TPS76815R001250K+C02147uFC0130.1uFC0140.1uF+5+1.5图 3-5 TPS76815 电路3.4 模拟量采集模块模拟量采集模块是由若干个电压，电流互感器组成，其作用是将来自现场的交流电量转换到处理器模块可以接受的范围内。本课题选用四只电压互感器来测量 Ua、Ub、Uc的电压，实现电力电容器过电压，欠电压和零序电压的保护；选用三只电流互感器来测量Ia、Ib、Ic的电流，实现过电流的保护【9】。17模拟量采集电路原理图如图 3-6，3-7 所示：PT1R2011.5KC2010.1U201DJ7-161R150KJ7-1+1.5. . .UAAD0BC图 3-6 电压采集电路CT1R2061.2KC2060.1ufU202DJ7-16J7-5+1.5. . .AD4IA图 3-7 电流采集电路图 3-6 中，电阻1 是限流电阻，用以产生电压互感器所需 2mA 电流，满足电压互感器工作条件；电阻和电容的并列起补偿相位的作用；1.5V 的直流偏移量是使输入到 A/D 转换器的电压从双极性变为单极性，这是由A/D 转换中采用逐次逼近原理决定的。TMS320F2812 中的 A/D 转换工作电压为 0-3.3V，本电路即是以此为基础进行设计的。图 3-6 中互感器输入电压信号 UA 的波形如图 3-8 所示，B 点波形如图3-9 所示：18图 3-8 UA 波形 图 3-9 UB 点波形C 点波形如图 3-10 所示：图 3-10 C 点波形3.5 开关量输入模模块开关量的输入主要完成状态信号的输入。一般说来，开关量输入量分常开与常闭两种状态接点【10】 。对于常开接点 ，当它出现闭合的情况时 ，我们要求 CPU 能够读到这个闭合的状态 ，并做出一些逻辑上的判断或运算 。常闭接点也是如此。为了满足输入与输出间的电气隔离，采用光电隔离器，也叫光电耦合器。它将发光器件与光敏器件组合在一起 ，实现电-光-电的转换 。输入与输出之间没有直接电气联系 ，信号是通过光耦合来传递的。光电耦合器具有隔离性好，抑制噪音和抗干扰的能力，能被广泛的使用，可作为高压开关、信号隔离与转换、信号传输等。本装置采用HCPL2630。本设计开关量输入电路如图 3-11 所示：19U301YX1V24 D I1J8_1R610KR510K+3.3图 3-11 开关量输入电路3.6 开关量输出模块开关量输出主要完成动作信号的输出。本装置中动作信号主要是跳闸和合闸。电力电容器保护装置开关量输出电路的可靠性直接反映了保护系统的可靠性。开关量输出主要包括跳闸出口，重合闸出口及就地和中央信号出口等。光电隔离器采用东芝公司的 TLP127。开关量输出电路如图 3-12：U522U502ES7与与S8与与 D12j4-5GND2与与R85.1K+12图 3-12 开关量输出电路3.7 看门狗电路本系统采用的看门狗芯片是 TI 公司的 X5323，它具有可选看门狗溢出定时器，可选/可调复位门槛电压，最重要的是它具有 4kbits EEPROM。EEPROM 具有当输入时序不对时它不予响应的功能:写保护功能，只有正确输入了写允许命令后，它才能被正确写入，一旦写操作动作完毕，它自动回复写保护，因此该芯片具有极强的防误写功能，极大提高了整个系统的可靠性。具体电路如图 3-13 所示：20/CS1SO2/WP3GND4SI5SCK6/RST7VCC8U103 X5323C1070.1uR10210K3R13KV+3.3S1V12/CS2/EDI /RST/CS3 SPISOMI 40SPISIMO 41SPICLK 34图 3-13 看门狗电路X5323 中 EEPROM 的访问是通过三根线来访问的，即 SCK、SI 和 SO，分别对应串行输入时钟，串行数据输入和串行数据输出。其中 SI 上的数据由 SCK 上脉冲上升沿读取，SO 上的数据由 SCK 的脉冲下降沿输出。在对芯片操作时，CS 端需置低。具体对芯片的操作命令见表 31：指令名称指令格式操作说明WREN0000 0110打开写操作SFLB0000 0000标志位清零WRDI/RFLB0000 0100关闭写操作/标志状态RSDR0000 0101读寄存器状态WRSR0000 0001写寄存器状态READ0000（A8）011从选定地址读数据WRITE0000（A8）010向选定地址写数据表 31 X5323 芯片操作命令芯片的看门狗溢出时间可选：1.4s、600ms、200ms 或关闭，使用方便。3.8 键盘、显示模块1液晶显示21本装置中人机会话接口的显示采用液晶显示模块（LCM） ，克服了以往装置采用数码管显示器（LED）存在的显示功能少，不美观和功耗大等特点【10】。设计采用ST7920控制器，它是内置汉字图形点阵的液晶显示控制模块，可方便地实现汉字、码、点阵图形、自造字体的同屏显示。而所有这些功能（包括显示、字符产生器以及液晶驱动电路和控制器）都包含在集成电路芯片里，因此，只要一个最基本的微处理系统就可以通过ST920芯片来控制其它的芯片。ST920 与 F2812 连接电路如图 3-14 所示：1234567891011121314151617181920 J4VSS1VDD2CS4SID5SCLK6/RST17LEDA19LEDK20PSB15 U42 ST7920Error:Bliss.bmp file not found+5PAN/LED-OP+3.3GNDSPISOMI 40SPICLK 34CS1 图 3-14 ST920 与 F2812 连接电路2键盘：本装置采用了四个键（确认/取消，移动，+，-） ，结合菜单便可以直观地在线，离线整定定值，修改实时时间，查看故障记录等。这样只须几个按键就可以实现复杂的操作。传统的键盘设计采用数字量输入方式，应用了处理器的 I/O 口，这样需要占用大量的 I/O 口。本装置的键盘设计采用模拟量输入方式，只需占用一个 A/D 口并可，大大简化了设计。键盘电路如图 3-17 所示：22C1060.1u3R210K3R35.1K3R45.1K3R55.1KR1035.1K+5V与与S2与与/ESC+ S4- S5S3PANADCINB7从图中看出，当按键按下，通过电阻分压，分析出输入到 A/D 口的电压值不同，通过中断调用方式，经过 A/D 转化.处理器进行数据处理，由软件计算出各个电压值对应的按键功能，处理器做出响应。各功能按键与电压值对应关系如下表 3-2：功能按键电压值移动0.84V确认/ESC0.48V+（增）3.32V-（减）4.16V表 3-2 各功能按键与电压值对应表3.9 通信模块电力电容器保护装置中内嵌了许多的通讯模块，主要包括了 RS-23232，RS-485 标准接口和 CAN 通讯接口【11】，其中 RS-232，RS-485 为装置的备用模块。控制器局域网（CAN）为串行通讯协议，能有效地支持具有很高安全等级的分布实时控制并且应用广泛。其可靠性和实时性远高于普通的通信技术。 本设计采用 TI 公司的 SN65HVD231 为收发器，选用东芝公司的高速光电耦合器 6N136 为抗干扰器件。电路如图 3-18 所示：11223344GND56677VCC8 U402U401SN74LVC1G07U411SN74LVC1G07C4080.1uV05R4051KR4061KV+3.3R40710KR40810KGND2SCITXDB 90CANTXA 872424LOGIC IN D 图 3-18 通讯口电路图CAN 总线采用双线串行通信方式，检错能力强，可在高噪声干扰环境中合作。本设计为图中 2,3 拐角引入的串行口。它具有优先权和仲裁功能，多个控制模块通过 CAN 控制器挂到 CAN-bus 上，形成多主机局部网络。其可靠性和实时性远高于普通的通信技术。24第 4 章 电力电容器微机保护装置的软件设计在电力电容器微机保护装置的软件设计中，主要考虑的是交流采样算法，保护算法，通过采样得到的数据按照一定的保护算法来进行判断保护是或工作，在第二章主要谈了保护的原理，本章主要论述了交流采样算法的原理和软件的具体实现包括主程序模块，中断服务子程序模块和各个功能子程序模块【12】。4.1 常见微机保护交流采样算法以下为当前微机保护中常用的一些算法的分析。1一点采样法【13】：设三相正弦交流电压和电流为： )3/2sin()3/2sin()sin(tIitIitIimcmbma (4-1)3/2sin()3/2sin(sintUutUutUumcambcmab进行如下运算可得： (4-2)2/32222mcabcabUuuu设在任一时刻同时对它们进行采样可得它们的瞬时值分别为uab,ubc,uca,ia,ib,ic,则电压的有效值为： (4-3)3/)(2/222cabcabmuuuUU对式（-）进行运算可得： （4-3/2/222cbamiiiii4） （4-33/ )(bcacbccabiuiuiuq5） （4-9/)()()(accacbbcbaabiiuiiuiiup6）25这种算法只需对三相电压和电流同时采集一点，用式（4-6）就可计算出电压，电流和有功功率和无功功率。它对采样没有定时的要求，在硬件上只需要每路有采样/保持器即可实现，但缺点是没有滤波作用，且要求三相对称，当系统有高次谐波或三相不对称时会产生误差。2 两点 90采样法设有正弦交流电压和电流为： (4-7)sin(sintIitUumm对其进行相隔 900（T=T/4）采样，得到两组采样值为： （4-8）)cos()2/sin(cos)2/sin()sin(sin2211tItIItUtUutIItUummmmmm进行运算得： （4-9）QUIIUiuiuPUIIUiuiuIIiiUuuummmmmm2sin2sin2cos2cos1212212211222221222221故有： （4-10）2/ )(2/ )(2/ )(2/ )(21221221122212221iuiuQiuiuPiiIuuU由式（4-10）可知，对电路中电压和电流在任意时刻进行相隔 T/4 采样，就可通过计算获得电压和电流的有效值，有功功率和无功功率。对工频交流电来说，两点采样法的数据窗为 T/4=5ms，它的优点是计算简单快速，克服了一点采样法要求输入对称三相电流和电压的缺点，但是它同样没有滤波作用，且受直流分量影响最大。它对采样定时间隔要求精确等于T/4，否则将会带来误差。3 三点采样法26对式（4-7）表示的电流信号在 t 时刻开始连续进行等间隔（T）三次采样得： (4-11)2sin()sin()sin()2sin()sin()sin(321321TtIiTtIitIiTtUuTtUutUummmmmm对式（4-11）进行三角计算，消去与时 2 间有关的 t，可得结果为： （4-)/(sin)()2cos1/()2()sin(2/)sin(2/211213312231223122tiuiuQtiuiuiuPti iiItuuuU12）当采样频率为 600HZ 时，有 T=300,此时，式（4-12）可变为： （4-)(2)2(2)(2)(2211213312231223122iuiuQiuiuiuPi iiIuuuU13）三点采样法的数据窗为 2T，对工频交流电以频率 fs=600HZ 采样，数据窗为 3.32ms,因此三点采样法比二点采样法要快。另外此法能消除直流分量影响，但对三次谐波敏感。该法采样定时要求简单，只要保证等间隔且间隔时间稳定，这在硬件上是很容易实现的。4 均方根法对于周期为 T 的交流信号，设采样由 t=0 处开始，在一个整周期中均匀采样 N 点，第 n 点电压，电流采样值分别为 U（n） ，I（n） 。为了得到它们的有关电量参数，常用下面几种算法进行处理。根据电工原理，周期为 T 的电压，电流有效值和平均功率的定义为： （4-14）TTTTdttituPTdttiITdttuU00202/)()(1/)(1/)(127将式（4-14）离散化，可得到用计算机实现的离散计算公式： （4-222211212)(/ )()(/ )(/ )(PUIPSQNnInUPNnIINnUUNnNnNn15）式中：N 每个周期均匀采样的点数；U（n）第 n 点电流的采样值； I（n）第 n 点电流的采样值；均方根法的数据窗为一个整周期 T，速度稍慢。由于该算法的结果是均方值，它不仅对正弦波有效，当采样点数较多时，对波形畸变的电量也是有效的。该法无滤波作用。因此，在一般的微机保护算法中，最常用的算法是一般不需另外再采用数字滤波器的傅氏变换算法。4.2 傅氏变换算法在不假设输入的电压，电流量为纯正弦量，而是假设它们是由衰减非周期分量，基频和倍频分量所组成时，傅氏变换算法这些算法中最常用的。由于它本身带有很强的滤除高次谐波的功能，所以一般不需另外再采用数字滤波器。该算法来自于傅立叶级数（Fourier）【14】，即一个周期性函数可用( )i t傅立叶级数展开为各次谐波的正弦项和余弦项之和，可用下式： （4-011)sincos()(nnntatnbti16）式中，n 为自然数，n=0，1，2，3表示谐波分量次数。于是电流中的基波分量可表示为：( )i t （4-17）tbtaticossin)(111还可以表示为一般表达式：1( )i t28 （4-)(sin2)(1111tIti18）式中，I1为基波有效值，为 t=0 时基波分量初相角。将1用和角公式展开，再与式（4-1）比较，可以得到 I1和同，11sin()t11a的关系：1b （4-111111sin2cos2IbIa19）从式（4-19）可以看出只要求出基波的正弦和余弦项幅值，就很容易求得基波的有效值和初相位角 1。根据傅氏级数的逆变换原理可求得 a1和 b1： （4-TTTtdttIbTtdttIa011011/cos)(2/sin)(220）在微机计算 a1和 b1时,常采用梯形法近似计算。设采样周期Ts=2/N，N 为一个基波周期的采样点数，为第 k 次采样值kI（k=0，1，N） ，在 02 一个基波周期内，对函数 f(t)=I（t）sin1t 积分，用梯形的面积和近似： （4-NNkINNNINnININISNkkNN/ )/2sin(22/)/2sin(/ ) 1(2sin.)/4sin()/2sin(0/21112121）所以 a1表达式为： （4-22）11011/)/2sin(2/ sin)(2NkkTNNkITtdttIa同理，可求出 b1的值：29 （4-23）NINkIIbNkNk/ )/2cos(21101当 N=12 时采样周期 Ts一般用角度表示为 300。算出 a1和 b1后，根据式（18）不难得到基波的有效值和相角： （4-24）)/arctan(42/ )(1112212121abacbbaI全周波傅氏算法的优点是精度高，滤波效果好：能滤除直流分量2,3,N/2 次谐波分量，且稳定性好. 但是当电网频率偏离额定值时，全周傅氏算法会产生误差，其特点如下：1随频率偏离额定值的程度，误差逐渐增大，频率降低 1HZ，计算值大致减少 5%。2输入信号中的整数次谐波，经全周傅氏算法后不再是 0 值，出现不平衡输出值，不平衡输出随谐波次数的增大而减小，随频率偏离额定值的增大而增大。3计及谐波的不平衡输出后，使全周傅氏算法计算得到的值误差增大，频率降低时，呈负误差，频率升高时，呈正误差。并且在同样频率偏差下，频率降低时的误差大于频率升高时的误差。4为使计算值误差控制在一定范围内，在电网频率变化较大或谐波较为严重的场合，应采用采样频率自动跟踪，这不仅使全周傅氏算法的计算误差减小，而且使傅氏算法的滤波性能也得到提高。4.3 采样频率自动跟踪为控制电网频率给全周傅氏算法带来的误差，可采用采样频率自动跟踪。当系统频率升高时，自动缩短采样周期，当系统频率降低时，自动增大采样周期【15】。如图 4-1 所示为经低通滤波器或带通滤波器的电压 U 的波形，其中曲线 1 为 f=50HZ 时的电压波形，曲线 2 为 f50HZ 的电压波形（0 为参考点） 。设电压 U 从（-）到（+）过零前后相30邻两个采样点 B,A，其中 B 点采样值为（-） ，A 点采样值为（+） ，由式t1=U1Ts/(U1-U0),可求得 t1的值。若系统频率为 50HZ 时，则在下一个工频周期从（-）到（+）过零点类似求得 t1值，必有 t1= t1；若 t1（t”1） t1，则必是系统频 f t1，则必是系统频率 f50HZ，应缩短采样周期。为防止调节过程中采样周期增大，缩短的过调现象，应按比例调节。当一个工频周期采样 N 点时，可计算出采样周期的调节量 t=（ t1- t1）/N，于是下一个工频的采样周期Ts=Ts-t【16】。t1tstst1t”1t12. f50HZt图 4-1显然这种调节方法中，一个工频周期调节一次，能满足微机保护要求。4.4 采样点数的选择：利用 MATLAB 软件对交流信号采样进行仿真【17】，进而对采样点数进行选择。由于算法关心的是基频信号，故构造一基频函数为采样信号，仿真程序如下所示：f=50;T=0.02;n=3;t=0:0.00002:n*T;y=sin(2*pi*f*t)+cos(2*pi*f*t);subplot(2,1,1)31plot(t,y);xlabel(t);ylabel(y);subplot(2,1,2);N=12;i=0:N;y=sin(2*pi*f*n*T*i/N)+cos(2*pi*f*n*T*i/N);plot(i,y);hold on;stem(i,y);xlabel(i);ylabel(y);被采样连续波形及采样点数为12， 32， 64的波形如图4-2，4-3，4-4，4-5，所示： 图4-2 被采样连续波形 图4-3 点数为12的采样波形 图4-4点数为32的采样波形 图4-5点数为64的采样波形从以上波形图比较可以看出采样点数为64的采样图能很好的表示出原32采样信号的波形，64点的采样频率为64*50=3200HZ，而DSP的最大采样频率为5MHZ，这样充分应用了DSP的高速数据处理能力，一般采用单片机的微机保护装置的采样点数只为12-48个点【18】。4.5 保护装置的软件设计根据保护原理，在并联电容器投入电网时：即实时采集 A 相，B 相，C 相电流与电压以及零序电压。并根据保护判据进行判断。保护条件满足，则出口跳闸，并循环显示故障电流和电压值。若保护条件不满足，则循环显示实时电流，电压值，并继续采集判断。电力电容器保护装置的软件设计采用了模块化设计思想，由主程序模块，中断服务子程序模块和各个功能子程序模块三大部分组成。（1）主程序流程图见下图：33上上电电或或复复位位初初始始化化模模块块自自检检模模块块有有无无故故障障采采样样计计算算中中断断模模块块动动作作判判断断模模块块动动作作或或报报警警显显示示模模块块通通信信模模块块报报警警相相应应处处理理模模块块 YES YESNONO图 4-6 主程序模块的流程图主程序模块的流程如图 4-6 所示。装置上电或复位后，系统首先进行初始化，包括各个芯片及寄存器的初始化；然后对各个器件进行自检，如果发现故障装置会报警，若一切正常则进入主循环；在主循环中将进行如下工作：1.调用自检模块进行动态自检以及时发现装置的故障；2.调用数据处理模块计算出各基波分量的有效值；3.在动作判断模块中根据上一步的计算结果采取相应的措施；4.刷新液晶显示器和各指示灯的显示。（2）中断服务子程序模块主要由采样中断模块（电压，电流模拟量，键盘电压模拟量采集）和通信模块组成。1采样中断模块：34进入采样中断服务程序，必须分别对三相电流，三相电压，零序电压及键盘电压的瞬时值同时采样，采样后计算其瞬时值，然后将各瞬时值存入随机存储器 RAM 对应地址单元内，在计算各电流，电压有效值时，取某个计算的模拟量的同一周期的一组瞬时值，采用算法来计算。在采样中断服务程序中，完成采样计算后，需查询现在处于何种工作方式。2键盘处理程序键盘采用 F2812 的 A/D 口为输入，由计算各按键电压值，实现按键功能。一键多功能由软件实现。3通信模块装置具有串行数据通信和 CAN 通讯网接口，可直接与电力系统综合自动化配套，实现远方实时监测和控制，远方读取和修改整定值，远方投停保护记录各种操作和故障信息等功能。通信是通过中断响应来进行的，这样可以尽量减少对处理器的时间占用。35第 5 章 实验及调试5.1 实验题目： 电力电容器的运行保护5.2 试验目的：了解电力电容器运行保护中各种保护的条件和投切动作；了解各种仪器的操作和使用。5.3 实验仪器及设备： 电路板一块，DSP 一块，LCD 液晶显示一块，断路器一个，JCD4060三相精密测试电源一个。5.4 实验步骤： （1）检查设备是否完好无损，且可以投入使用；（2）接好电源后将分、合闸控制线，通讯线接在对应的位置；（3）打开电源，指示灯亮，其状态显示为：0 为分闸，1 为合闸；（4）接好电压，电流线并记录初始电压电流值；（5）将各种保护线接于对应端子，操作并记录数据，以下为各种故障的保护动作：过流保护：1：通过上下键选择过流保护，先对其状态进行整定，选择 ON；2: 在 JCD4060 三相精密测试电源上对输入电流进行在增值，当电流大于整定电流时观察断路器和故障记录画面的状态并记录分析；过流保护，过压保护，欠压保护平衡电压以及平衡电流保护的试验步骤同上，唯一不同的是，电压保护在 JCD4060 三相精密测试电源上调变的是电压值。36控制单元：用上下键选择控制后，通过就地整定，用分、合按钮控制断路器的分、合指示灯状态。控制时，对已经整定的状态用整定键使劲双压，观察断路器的分合闸状态，并记录。防跳：按住合闸不放，连续按分闸两下，若听到闸连续跳两下，则说明该装置的防跳功能不理想，反之亦然。遥信位：将遥信位接通，则所接通的状态位会由 0 变为 1，其中的一个固定端为地端。5.5 实验数据及结果： 实验数据如表 5-1 所示：表 5-1 实验数据表过电压保护欠电压保护过流保护速断保护平衡电压 平衡电流输入电压101010101010ABU/KV动作值101010101010输入电压101010101010 BCU/KV动作值101010101010输入电压101010101010 CAU/KV动作值101010101010整定值110V90V4.0A4.5A70V1A动作值110V90V4.0A4.5A70V1A动作延时0