基于Matlab+DSP的綜合型微機(jī)繼電保護(hù)實(shí)驗(yàn)平臺設(shè)計(jì)

李清泉， 馮知海， 孫欽佩， 陳 晶

(1．國網(wǎng)山東省電力公司檢修公司， 濟(jì)南 250118； 2.國家電網(wǎng)濱州供電公司， 山東 濱州 256600)

基于Matlab+DSP的綜合型微機(jī)繼電保護(hù)實(shí)驗(yàn)平臺設(shè)計(jì)

李清泉1， 馮知海1， 孫欽佩1， 陳 晶2

(1．國網(wǎng)山東省電力公司檢修公司， 濟(jì)南 250118； 2.國家電網(wǎng)濱州供電公司， 山東 濱州 256600)

為充分了解微機(jī)繼電保護(hù)的工作原理和各功能模塊的行為特征，開發(fā)了一套包括Matlab仿真平臺和DSP硬件平臺的綜合型微機(jī)繼電保護(hù)實(shí)驗(yàn)平臺。利用Matlab軟件，根據(jù)電網(wǎng)元件的實(shí)際參數(shù)和所需的保護(hù)類型建立電網(wǎng)模型和微機(jī)繼電保護(hù)仿真模塊進(jìn)行仿真測試，并將電網(wǎng)模型在不同狀態(tài)下的運(yùn)行數(shù)據(jù)通過Matlab串口下傳到DSP硬件平臺中進(jìn)行實(shí)際測試，同時(shí)可以利用微機(jī)繼電保護(hù)測試儀對該硬件平臺進(jìn)行整體測試。結(jié)果表明，該平臺的開發(fā)與應(yīng)用對高校電氣工程專業(yè)的課堂教學(xué)和電力系統(tǒng)繼保工作人員的培訓(xùn)都具有良好的效果。

Matlab仿真平臺； DSP硬件平臺； 微機(jī)繼電保護(hù)仿真模塊； Matlab串口

隨著電力系統(tǒng)的快速發(fā)展，微機(jī)繼電保護(hù)已經(jīng)廣泛應(yīng)用于各個(gè)電壓等級的變電站和電廠的線路及設(shè)備管理，其性能的優(yōu)劣和繼保工作人員技能水平的高低關(guān)系著電網(wǎng)能否安全運(yùn)行[1-2]。微機(jī)繼電保護(hù)主要依靠軟件來實(shí)現(xiàn)特定的保護(hù)功能，其內(nèi)部的動作行為并不透明[3]。這使得繼電保護(hù)初學(xué)者難以充分理解微機(jī)繼電保護(hù)各組成部分的具體作用以及各環(huán)節(jié)的數(shù)據(jù)變化情況，增加了學(xué)習(xí)微機(jī)繼電保護(hù)的難度。本文提出利用Matlab軟件構(gòu)建電網(wǎng)仿真模型和微機(jī)繼電保護(hù)仿真模塊進(jìn)行測試驗(yàn)證，并將電網(wǎng)仿真模型的運(yùn)行數(shù)據(jù)下傳到DSP硬件平臺進(jìn)行實(shí)際測試，同時(shí)利用微機(jī)繼電保護(hù)測試儀對DSP硬件平臺進(jìn)行輔助測試，既克服了微機(jī)繼電保護(hù)的抽象性，使學(xué)員可以從微觀上了解其內(nèi)部各功能模塊的動作過程和數(shù)據(jù)變化，又克服了一般高校不具備動模試驗(yàn)的限制，使得學(xué)員可以從宏觀上對微機(jī)繼電保護(hù)及其保護(hù)對象之間的相互配合做到整體性、全面性了解。

1 實(shí)驗(yàn)平臺構(gòu)成

微機(jī)繼電保護(hù)實(shí)驗(yàn)平臺包括Matlab仿真平臺和DSP硬件平臺，具體結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示。Matlab仿真平臺包括電網(wǎng)仿真模型和微機(jī)繼電保護(hù)仿真模塊，其中電網(wǎng)仿真模型由Matlab中的電力系統(tǒng)元件庫和Simulink工具箱根據(jù)變壓器、線路等電氣設(shè)備的實(shí)際參數(shù)建模而成，微機(jī)繼電保護(hù)仿真模塊則根據(jù)電網(wǎng)模型所需要的保護(hù)類型以及DSP硬件平臺前向數(shù)據(jù)采集通道的電路結(jié)構(gòu)，由電力系統(tǒng)元件庫、Simulink工具箱以及S函數(shù)建模構(gòu)成[4]。DSP硬件平臺不僅可以利用微機(jī)繼電保護(hù)測試儀提供的電壓電流進(jìn)行常規(guī)測試，還可以通過UART串口與微型機(jī)互聯(lián)，實(shí)時(shí)接收并處理電網(wǎng)仿真模型的運(yùn)行數(shù)據(jù)，從而實(shí)現(xiàn)簡化意義上的動模試驗(yàn)功能。該實(shí)驗(yàn)平臺不僅可以為輸電線路、變壓器、電機(jī)等電網(wǎng)元件提供相應(yīng)的保護(hù)，還可以用于電能質(zhì)量檢測[5]、無功優(yōu)化等，在實(shí)驗(yàn)時(shí)僅需要更改相應(yīng)的功能模塊即可。

圖1 實(shí)驗(yàn)平臺的結(jié)構(gòu)框圖Fig.1 Experiment platform structure diagram

DSP硬件平臺采用了TMS320F28335+單片機(jī)STC12LE5A60S2的雙CPU系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，兩者通過串口通信進(jìn)行數(shù)據(jù)交互，具體包含電壓電流采集通道、數(shù)據(jù)處理單元、液晶顯示模塊、串口通訊、開關(guān)量輸入輸出回路、斷路器操作回路等功能模塊。DSP硬件平臺采用開放式的面板結(jié)構(gòu)，既可以通過電壓電流采集通道獲得實(shí)際的模擬量信息，又可以通過串口通訊方式與Matlab軟件互聯(lián)，接收來自電網(wǎng)仿真模型的數(shù)字化信息。DSP硬件平臺根據(jù)模擬量或者數(shù)字量的具體特征完成保護(hù)的邏輯校驗(yàn)和功能測試。

Matlab仿真平臺的構(gòu)成則主要依靠電力系統(tǒng)仿真軟件Matlab/Simulik軟件來實(shí)現(xiàn)，其提供的可視化開發(fā)環(huán)境和可以定制的元件模塊庫，可以非常方便地對電力系統(tǒng)進(jìn)行建模、仿真以及調(diào)試等工作。根據(jù)電網(wǎng)仿真模型的不同來構(gòu)建與之相適應(yīng)的微機(jī)繼電保護(hù)仿真模塊，其核心思想就是利用Matlab/Simulink軟件提供的邏輯元件、控制元件、算法元件以及時(shí)間元件等模塊，將DSP硬件平臺的硬件電路結(jié)構(gòu)以及保護(hù)功能等轉(zhuǎn)化為虛擬功能單元和數(shù)據(jù)流的有向連接，在實(shí)現(xiàn)微機(jī)繼電保護(hù)基本功能的基礎(chǔ)上，最大程度地增加其可視化和靈活性。

2 電網(wǎng)仿真模型

2.1 原始資料

以輸電線路的距離保護(hù)[5-6]為例，介紹本實(shí)驗(yàn)平臺的具體應(yīng)用。110 kV供電網(wǎng)絡(luò)示意圖如圖2所示，線路距離保護(hù)1-4均采用阻抗繼電器構(gòu)成。線路AB和BC的單位正序阻抗為0.4 Ω/km，單位零序阻抗為0.7 Ω/km，分別長30 km和 60 km，阻抗角φL=70°；一次側(cè)電壓互感器變比為220/0.1 kV，電流互感器變比為500/5。

圖2 110kV供電網(wǎng)絡(luò)示意圖Fig.2 Schematic diagram of 110kV power supply network

2.2 距離保護(hù)整定計(jì)算

以線路AB的保護(hù)1為例進(jìn)行整定計(jì)算。對于距離I段按線路全長的80%進(jìn)行整定，則得整定阻抗為9.6 Ω；距離II段與線路BC保護(hù)3的I段配合，整定阻抗為24.96 Ω。將整定結(jié)果歸算到互感器二次側(cè)，并考慮時(shí)限特性，可得整定結(jié)果如表1所示。

表1 保護(hù)1的整定計(jì)算結(jié)果Table 1 Setting calculation results of relay protection one

3 微機(jī)繼電保護(hù)仿真模塊

由圖1可知，Matlab仿真平臺中的微機(jī)繼電保護(hù)仿真模塊包括依次連接的電壓形成回路、模擬低通濾波器、模數(shù)轉(zhuǎn)換器、數(shù)據(jù)處理單元和跳閘輸出單元[7-8]。在構(gòu)建這些功能模塊時(shí)，應(yīng)盡可能使其電路結(jié)構(gòu)和數(shù)據(jù)處理算法與DSP硬件平臺相同，以便于對比分析仿真測試和實(shí)際測試的結(jié)果。

3.1前向數(shù)據(jù)采集通道

在微機(jī)繼電保護(hù)裝置中，需要采用微型電壓、電流互感器將通過電網(wǎng)一次側(cè)互感器獲得的標(biāo)準(zhǔn)信號進(jìn)一步轉(zhuǎn)換為適合模數(shù)轉(zhuǎn)換器使用的小電壓信號。在電壓形成回路中，微型電流互感器變比為2000/1，微型電壓互感器(電流型)變比為1000/1000，均通過二次側(cè)的采樣電阻將電流信號轉(zhuǎn)變成電壓信號?？紤]到DSP自帶模數(shù)轉(zhuǎn)換器[6]為單極性，所以在互感器二次側(cè)的非同名端接直流偏置電壓將雙極性信號轉(zhuǎn)變?yōu)閱螛O性信號，最后通過二階RC濾波器來濾除信號中的高頻分量以供模數(shù)轉(zhuǎn)換器使用，其電路結(jié)構(gòu)如圖3所示。

圖3 微機(jī)繼電保護(hù)仿真模塊Fig.3 Micro-computer relay protection module

同時(shí)，為了便于對數(shù)據(jù)進(jìn)行處理和下載，并考慮到硬件平臺中DSP自帶模數(shù)轉(zhuǎn)換器的量程、極性和分辨率等性能指標(biāo)，利用Simulink中的功能模塊構(gòu)建了0～5 V、12位的AD轉(zhuǎn)換器模型，如圖4所示。當(dāng)采樣頻率為600 Hz時(shí)，其采樣前的波形如圖5中虛線所示，采樣后的波形如圖5中實(shí)線所示。

圖4 模數(shù)轉(zhuǎn)換器Fig.4 Analog-to-digital converter

圖5 采樣前后波形Fig.5 Waveform before and after sampling

3.2 數(shù)據(jù)處理單元

數(shù)據(jù)處理單元主要是運(yùn)用合適的離散運(yùn)算方法，對采樣序列進(jìn)行分析、運(yùn)算，獲得所需的電氣量。由于本文主要分析供電網(wǎng)絡(luò)距離保護(hù)的性能，因此可以運(yùn)用微分方程算法來求取線路阻抗值。微分方程算法忽略了線路分布電容對測量阻抗的影響，需要前置模擬低通濾波器濾除高頻分量，同時(shí)為了提高計(jì)算精度，可考慮增設(shè)數(shù)字濾波器[9]。本文根據(jù)微分方程算法的原理，利用M模板文件編程實(shí)現(xiàn)對采樣值的處理。當(dāng)輸電線路故障時(shí)，其電壓電流滿足如下關(guān)系：

式中，Ut、it為t時(shí)刻電壓電流的采樣值，dit/dt為t時(shí)刻電流的微分。

為了求得未知量R和L，需要在t1和t2時(shí)刻分別建立微分方程，聯(lián)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)連續(xù)的采樣值，采樣間隔為Ts，將式(1)中的D用差分代替，u和i用采樣值插值代替，可得到

進(jìn)而求得阻抗值X為

(2)

在運(yùn)用式(2)求取阻抗值X時(shí)，需要首先判斷故障類型和故障相別，再改變u、i的值。對于相間故障，u為線電壓，i為相應(yīng)的線電流；對于接地故障，u為相電壓，i為相應(yīng)的帶零序補(bǔ)償?shù)南嚯娏?。此外，在進(jìn)行阻抗計(jì)算之前，還可以設(shè)置數(shù)字濾波器來進(jìn)一步濾除u、i中的高頻分量，以提高測量精度。

3.3 跳閘輸出單元

跳閘輸出單元主要包括時(shí)間元件和鎖存器，其中時(shí)間元件利用Matlab中Transport Delay模塊實(shí)現(xiàn)，根據(jù)表1中數(shù)據(jù)設(shè)置距離保護(hù)各段的延時(shí)時(shí)間，以實(shí)現(xiàn)其階梯形時(shí)限配合；鎖存器利用Matlab中的Triggered subsystem模塊實(shí)現(xiàn)，主要用來鎖存跳閘信號，防止斷路器發(fā)生間斷跳變，影響對測試結(jié)果的分析。

4 測試驗(yàn)證

4.1 仿真測試

為了分析比較Matlab仿真平臺中微機(jī)繼電保護(hù)仿真模塊的動作性能，對圖2所示的110 kV供電網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行了經(jīng)不同過渡電阻的A相接地、AB相短路、三相短路仿真。當(dāng)故障點(diǎn)選取為AB線路的50%處時(shí)，測試距離I段的動作情況；當(dāng)故障點(diǎn)選取為AB線路的末端時(shí)，測試距離II段的動作情況。由于微機(jī)繼電保護(hù)仿真模塊的數(shù)據(jù)處理單元在求取線路阻抗值時(shí)，可以根據(jù)故障類型來選擇所需要的電壓電流量，因此具備0°接線和帶零序補(bǔ)償接線的共同效果。保護(hù)1的方向阻抗繼電器的動作情況如表2所示。

表2 仿真測試動作時(shí)間

Table 2 Operating time in simulation test

故障類型過渡電阻距離I段距離II段A相接地020.1312.210不動作312.320不動作不動作AB相短路020.3313.11020.1313.32020.3313.2三相短路020.2312.11020.1312.12020.1312.3

表2說明，仿真測試結(jié)果與理論分析相符合，但是接地距離保護(hù)受過渡電阻影響嚴(yán)重。由于微機(jī)保護(hù)模塊各組成部分均建立在理想條件之下，各段動作時(shí)間迅速。通過虛擬仿真，學(xué)員可以通過Simulink中的示波器模塊觀察電網(wǎng)模型在不同運(yùn)行狀態(tài)時(shí)，微機(jī)繼電保護(hù)仿真模塊內(nèi)各功能模塊的數(shù)據(jù)變化，并可以按需更改電路結(jié)構(gòu)和保護(hù)算法，對比理解各模塊是如何配合工作，共同實(shí)現(xiàn)對電網(wǎng)模型的保護(hù)作用。

4.2 實(shí)際測試

在一般情況下，利用DSP硬件平臺進(jìn)行測試時(shí)，需要利用微機(jī)繼電保護(hù)測試儀提供電壓電流信號來檢測距離保護(hù)的定值、動作時(shí)間等是否滿足要求。按照規(guī)定，距離保護(hù)I、II、III段在0.95倍定值時(shí)，應(yīng)可靠動作，在1.05倍定值時(shí)應(yīng)可靠不動作，并在0.7倍定值時(shí)測量動作時(shí)間。本文利用ONLLY公司的微機(jī)繼電保護(hù)測試系統(tǒng)AD331對該DSP硬件平臺進(jìn)行距離保護(hù)定值測試，定值和延時(shí)時(shí)間按表1整定，其距離I段的動作情況如表3所示。

表3 距離I段的動作情況Table 3 Distance zone-I action

同時(shí)，考慮到Matlab串口控制工具箱的串口類型及fopen、fread和fclose等函數(shù)可以實(shí)現(xiàn)上位機(jī)與下位機(jī)的實(shí)時(shí)串口通信[10]，本文根據(jù)利用RTDS裝置進(jìn)行動模試驗(yàn)的思想，將Matlab仿真平臺中電網(wǎng)模型的運(yùn)行數(shù)據(jù)通過波特率為9600 bps、無奇偶校驗(yàn)位、傳輸數(shù)據(jù)為8位、1位停止位、1位起始位的通信串口下載到DSP硬件平臺中進(jìn)行實(shí)際測試，實(shí)現(xiàn)了Matlab仿真平臺和DSP硬件平臺的有機(jī)結(jié)合。在Matlab仿真平臺中設(shè)置在線路AB的50%處和末端，分別發(fā)生過渡電阻為零的A相接地、AB相間短路和三相短路故障，并將電網(wǎng)模型的運(yùn)行數(shù)據(jù)下載到DSP硬件平臺中進(jìn)行實(shí)際測試。為使DSP硬件平臺能夠正確識別故障并做出正確的跳閘信號，在進(jìn)行實(shí)驗(yàn)時(shí)應(yīng)使DSP硬件平臺中投入的保護(hù)功能和Matlab仿真平臺中的故障相對應(yīng)，并退出其他保護(hù)。將電網(wǎng)模型的故障數(shù)據(jù)下載到DSP硬件平臺中測得的距離保護(hù)的動作時(shí)間如表4所示。

表4 實(shí)際測試動作時(shí)間Table 4 Operating time in practical test

表3和表4說明，利用微機(jī)繼電保護(hù)測試儀對DSP硬件平臺進(jìn)行測試，可以使學(xué)員很方便驗(yàn)證自己設(shè)計(jì)的微機(jī)繼電保護(hù)硬件電路和數(shù)據(jù)處理算法是否滿足微機(jī)繼電保護(hù)的要求；利用電網(wǎng)模型的運(yùn)行數(shù)據(jù)測試DSP硬件平臺，進(jìn)一步突破了無法進(jìn)行動模試驗(yàn)的限制，使學(xué)員明白了微機(jī)繼電保護(hù)裝置與其保護(hù)對象之間的具體關(guān)系。在培訓(xùn)教學(xué)中，可以鼓勵(lì)學(xué)員更改保護(hù)對象及其需要的保護(hù)類型，通過建立電網(wǎng)模型和編寫數(shù)據(jù)處理算法來測試保護(hù)的性能，通過這一系列的學(xué)習(xí)、測試，必然能夠使學(xué)員全面了解微機(jī)繼電保護(hù)的內(nèi)涵。

5 結(jié) 論

本文設(shè)計(jì)的綜合型微機(jī)繼電保護(hù)實(shí)驗(yàn)平臺突破了傳統(tǒng)繼電保護(hù)培訓(xùn)方式中只進(jìn)行仿真或硬件電路測試的弊端，實(shí)現(xiàn)了仿真和硬件電路測試的有效結(jié)合。利用其Matlab仿真平臺可以對微機(jī)繼電保護(hù)的硬件電路進(jìn)行建模和測試，使學(xué)員容易了解微機(jī)繼電保護(hù)內(nèi)部各功能模塊的具體作用；利用其DSP硬件平臺不僅可以使用微機(jī)繼電保護(hù)測試儀進(jìn)行常規(guī)測試，還能夠通過UART串口接收Matlab仿真平臺的運(yùn)行數(shù)據(jù)，進(jìn)行簡單的動模試驗(yàn)，可以使學(xué)員了解微機(jī)繼電保護(hù)裝置與電網(wǎng)一次設(shè)備之間的具體關(guān)系。通過Matlab仿真平臺和DSP硬件平臺的有效結(jié)合，可以實(shí)現(xiàn)電網(wǎng)模型的建立、保護(hù)定值的整定以及數(shù)據(jù)處理算法等一系列內(nèi)容的培訓(xùn)教學(xué)，既提高了學(xué)員的理論認(rèn)識水平，又提高了學(xué)員的動手操作能力，培訓(xùn)效果良好。

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(編輯 陳銀娥)

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，碩士，主要研究方向?yàn)殡娏ο到y(tǒng)繼電保護(hù)技術(shù)。

TM774

A

2095-6843(2017)03-0224-05