關(guān)于繼電保護(hù)裝置設(shè)計(jì)的探討

1.引言

隨著微電子技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)、通信技術(shù)高速發(fā)展，電力系統(tǒng)繼電保護(hù)原理不斷完善，新的理論技術(shù)應(yīng)用于現(xiàn)代電力系統(tǒng)繼電保護(hù)中，提出了快速保護(hù)和狀態(tài)保護(hù)等要求，繼電保護(hù)裝置能否快速、可靠、準(zhǔn)確的動(dòng)作成為判斷其是否符合現(xiàn)代電力系統(tǒng)發(fā)展的標(biāo)準(zhǔn)。

傳統(tǒng)的保護(hù)裝置大都采用電磁式繼電器作為動(dòng)作元件，例如JGX-11A靠電磁相互傳遞產(chǎn)生動(dòng)作分量，進(jìn)而觸動(dòng)動(dòng)作裝置，使繼電器動(dòng)作，這種繼電保護(hù)裝置可靠性低，抗干擾能力差易發(fā)生波形失真。微機(jī)式繼電保護(hù)采用現(xiàn)代信息技術(shù)使整個(gè)裝置的信號(hào)采集元件、動(dòng)作元件都能可靠的運(yùn)行，抗干擾能力進(jìn)一步提高。但是先前的微機(jī)保護(hù)裝置大都采用單CPU結(jié)構(gòu)，如WXH-11采樣信號(hào)不準(zhǔn)確，抗干擾能力不夠，靈敏性不夠，可能會(huì)使保護(hù)元件勿動(dòng)或者延長動(dòng)作時(shí)間，仍然不能滿足現(xiàn)代電力系統(tǒng)的發(fā)展。

針對(duì)以上繼電保護(hù)裝置抗干擾能力差、采集信號(hào)不準(zhǔn)確等缺點(diǎn)，提出了采用DSP+CPLD的多CPU處理器設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)，使其對(duì)信號(hào)處理更加準(zhǔn)確，抗干擾能力更強(qiáng)。下面以高頻線路保護(hù)為例，分析整個(gè)裝置的工作情況。高頻保護(hù)是以輸電線路載波通道作為通信通道的縱聯(lián)保護(hù)，其中方向高頻保護(hù)是其中一種比較常用的高頻保護(hù)，方向高頻保護(hù)的基本原理是比較被保護(hù)線路兩端的功率方向，進(jìn)而把功率方向轉(zhuǎn)化為高頻信號(hào)。我們可以通過得出的頻率信號(hào)與先前的頻率信號(hào)進(jìn)行比較，以此判斷線路是不是發(fā)生了線路故障。

2.繼電保護(hù)裝置原理

裝置結(jié)構(gòu)功能。先前的微機(jī)保護(hù)裝置大都是單CPU結(jié)構(gòu)，采樣信號(hào)不準(zhǔn)確，裝置抗干擾能力差，靈敏性不夠，容易發(fā)生拒動(dòng)勿動(dòng)等情況。針對(duì)繼電保護(hù)裝置抗干擾能力差，采集信號(hào)不準(zhǔn)確的缺點(diǎn)，本裝置采用DSP+CPLD的多MCU處理器設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)，使其對(duì)信號(hào)的處理更加準(zhǔn)確，抗干擾能力強(qiáng)。圖1為本設(shè)計(jì)裝置的硬件原理圖。

(1)本裝置采用DSP+CPLD結(jié)構(gòu)，其中DSP芯片TMS320C672X是修正的哈佛結(jié)構(gòu)，程序跟數(shù)據(jù)獨(dú)立的存儲(chǔ)空間，使數(shù)據(jù)和程序相互傳送。程序總線、數(shù)據(jù)總線并行允許同時(shí)訪問數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器和程序存儲(chǔ)器，這些特點(diǎn)適合采樣信號(hào)處理，實(shí)時(shí)性好，此芯片在裝置中主要用于承擔(dān)運(yùn)算和部分控制任務(wù)。在整個(gè)系統(tǒng)中通過光電隔離器進(jìn)行隔離，保證采集到的數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性。

(2)16位RISC超低功耗單片機(jī)MSP-430F149有豐富的片內(nèi)外設(shè)，作為MCU，用作通信、顯示和鍵盤輸入控制。16個(gè)中斷源，每個(gè)中斷源都可以把MCU從睡眠狀態(tài)喚醒，僅需6us，使MCU處于省電模式。

(3)CPLD芯片XC95144XL，主要用來控制邏輯時(shí)序和主MCU的I/O，在整個(gè)裝置中用來控制模擬信號(hào)的采集，并把信號(hào)送給DSP處理，為DSP的I/O譯碼并進(jìn)行邏輯控制，進(jìn)行頻率測量。CPLD芯片控制兩片MAX125進(jìn)行信號(hào)的采集，讓其在一個(gè)工頻周期內(nèi)20點(diǎn)采樣，并把采集到的模擬量送給ADC，最后送到DSP中。

另外對(duì)于本次設(shè)計(jì)中的DSP芯片來說，整個(gè)裝置運(yùn)行過程中需要大量的數(shù)據(jù)進(jìn)行運(yùn)算，而FRAM可以作為數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器來擴(kuò)展DSP的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器，同時(shí)FRAM還起到暫存數(shù)據(jù)的作用，存儲(chǔ)采集處理后得到的數(shù)據(jù)。在整個(gè)系統(tǒng)中通過光電隔離器進(jìn)行隔離，保證采集到的數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性。

3.信號(hào)處理

由于線路設(shè)備安裝位置和干擾等影響，因而采樣信號(hào)存在很大的干擾，本裝置對(duì)采集到的信號(hào)進(jìn)行小波降噪，再用閥值濾波方法除去信號(hào)中的高頻干擾信號(hào)，得到正確的輸入信號(hào)，此時(shí)信號(hào)強(qiáng)度很小，對(duì)信號(hào)進(jìn)行增強(qiáng)處理，得到適合處理的采樣信號(hào)。

3.1 傳統(tǒng)濾波方法

傳統(tǒng)的濾波方法需要一些先驗(yàn)知識(shí)和假設(shè)，因而在繼電保護(hù)裝置中的啟動(dòng)元件有一定的誤差可能造成延時(shí)動(dòng)作。而小波降噪主要利用的是小波基的緊支性，它可以使信號(hào)的能量集中在少數(shù)大的小波系數(shù)上，而噪聲分解后的小波系數(shù)都比較小。與傳統(tǒng)方法相比，小波降噪只需要知道信號(hào)大致屬于那種類型就足夠了，然后套用標(biāo)準(zhǔn)的降噪方法，因此準(zhǔn)確性很高。

3.2 裝置濾波方法

在眾多的去噪方法中，應(yīng)用最廣泛的是閥值去噪方法。但是硬閥值去噪函數(shù)的不連續(xù)性和軟閥值函數(shù)中存在的恒定偏差問題使得軟硬閥值去噪方法都不適合應(yīng)用在先進(jìn)的繼電保護(hù)裝置中。下面介紹一種新的閥值去噪方法?？紤]到軟硬閥值函數(shù)的門限較大，故將其門檻降為/2，對(duì)大于閥值得小波系數(shù)，新閥值函數(shù)借鑒硬閥值函數(shù)的方法將其保留，對(duì)小于/2的小波系數(shù)，則借鑒軟閥值函數(shù)的方法將其直接置為0，對(duì)介于/2和的小波系數(shù)，則按照新閥值函數(shù)的方法進(jìn)行處理，而對(duì)大于的小波系數(shù)，新閥值函數(shù)借鑒硬閥值函數(shù)的方法將其保留。因而新閥值去噪方法的公式可以表示如下；其中為新的閥值為為門限為小波系數(shù)的大小。

本裝置濾波方法的好處。從新閥值去噪方法中可以看出：

(1)新閥值函數(shù)和軟閥值函數(shù)一樣具有連續(xù)性，并且當(dāng)波形系數(shù)在大于和小于時(shí)候具有高階導(dǎo)數(shù)，比便于將來的計(jì)算。

(2)新閥值把軟硬閥值方法結(jié)合在一起，具有軟硬閥值共同具有的優(yōu)點(diǎn)，但是除去了它們的缺點(diǎn)。并且可以根據(jù)閥值得范圍確定所需要的公式函數(shù)，使的新閥值有理可依，實(shí)現(xiàn)更好的去噪。

(3)一般情況下，有用信號(hào)經(jīng)小波分解后其小波系數(shù)的絕對(duì)值很大，而噪聲經(jīng)小波分解后其小波系數(shù)的絕對(duì)值很小，這樣便用到了硬閥值函數(shù)的去噪方法了，保留了硬閥值函數(shù)的優(yōu)點(diǎn)，保留了小波系數(shù)，從而使有用信號(hào)得到保護(hù)。

(4)新閥值函數(shù)能適當(dāng)?shù)臏p少噪聲的方差，保留更多的小波系數(shù)，使過濾后的信號(hào)更加真實(shí)。經(jīng)過新閥值去噪方法可以得到正確的波形，使的更加準(zhǔn)確的信號(hào)在處理器中進(jìn)行處理，這樣可以得到更加準(zhǔn)確的頻率信號(hào)。

圖1 裝置的硬件電路

圖2 繼電保護(hù)裝置硬閥值去噪方法波形

圖3 繼電保護(hù)裝置新閥值去噪方法波形

圖4 本設(shè)計(jì)裝置新閥值去噪方法波形

圖5 裝置中信號(hào)頻率的測量

3.3 電力線路故障時(shí)的信號(hào)

下面是電力系統(tǒng)中當(dāng)發(fā)生電力變壓器發(fā)生相間短路時(shí)候，用故障錄波器獲得的波形。在這些波形中用硬閥值去噪方法得到的波形如圖2，而圖3是用新閥值去噪方法得到的波形，從這兩個(gè)圖中可以看出有很多的噪聲干擾，圖4是用新設(shè)計(jì)的繼電保護(hù)裝置用新閥值去噪方法得到的波形，從波形可以看出新的繼電保護(hù)裝置具有良好的去噪防干擾能力，保證輸入處理裝置的是有用信號(hào)，保證了繼電器的有效動(dòng)作的可靠性，保證了整個(gè)電力系統(tǒng)的可靠安全運(yùn)行。

3.4 采集信號(hào)的頻率

圖5為CPLD中信號(hào)轉(zhuǎn)化為頻率的電路方程，輸入采集到的信號(hào)進(jìn)入比較器，得到高低電平方波，再送入隔離器和施密特觸發(fā)器得到規(guī)則的邏輯電平用計(jì)數(shù)器進(jìn)行計(jì)數(shù)得到采樣頻率。

3.5 頻率調(diào)制

當(dāng)線路發(fā)生內(nèi)部故障和外部故障時(shí)候，高頻收發(fā)機(jī)另一端發(fā)出的頻率信號(hào)正好相反，當(dāng)兩端頻率同時(shí)處于正半周時(shí)判斷電路發(fā)生內(nèi)部故障，當(dāng)兩端頻率一個(gè)處于正半周一個(gè)處于負(fù)半周時(shí)候電路發(fā)生外部故障，繼而動(dòng)作元件動(dòng)作發(fā)生保護(hù)。

4.軟件設(shè)計(jì)

本保護(hù)裝置的軟件采用NI公司的虛擬儀器開發(fā)工具LABVIEW編寫，用故障錄波器收集信號(hào)，對(duì)輸入故障信號(hào)的波形分析，同時(shí)對(duì)故障信號(hào)響應(yīng)同步并對(duì)故障進(jìn)行分析看是哪一種故障，及時(shí)排除故障。在軟件設(shè)計(jì)方面采用模塊化設(shè)計(jì)方法，每個(gè)模塊實(shí)現(xiàn)響應(yīng)的功能，這樣可以滿足硬件條件的前提下進(jìn)一步提高裝置的效率，將來如果需要功能升級(jí)，可以只改寫相應(yīng)的模塊即可。

5.結(jié)束語

綜上所述，本文給出了一種新的小波降噪的方法與設(shè)計(jì)的繼電保護(hù)裝置結(jié)合可以更好的動(dòng)作故障，使繼電保護(hù)裝置靈敏性可靠性更高。隨著數(shù)字信號(hào)處理技術(shù)的發(fā)展，智能繼電保護(hù)裝置可以成為未來發(fā)展的主流。

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