一种基于DSP技术的配电网实时监测与故障诊断装置

摘　要：本文基于TI公司生产的TMS320VC33数字旌旗灯号处置芯片，哄骗其壮大的浮点运算能力和灵活的接口技术，研制出新型配电网实时监测与故障诊断装配；该装配一方面可实时地丈量配电网中的三相电压、电流、功率、功率因数、谐波等基本电参数，另外一方面可实时监测系统状态，当系统发生故障时，靠得住地记实故障动态进程，并准确地计较出故障线路(故障选线)。此外本装配可作为配电自动化系统中的RTU装配。
　　关头词：故障录波；数字旌旗灯号处置器；配电自动化；


1　引言
　　配电网实时监测与故障诊断对于确保配电网的靠得住平安运行、领会配电网实时运行的状态具有十分重要的意义。可是，今朝在我国，配电网的实时监测和故障诊断装配功能还不够完善，直接影响着配电网系统的平安靠得住运行。
　　随着DSP技术的不竭成长，其在电力系统中获得了普遍的推行运用。本文将TI公司的TMS320VC33用于配电网的实时监测与故障诊断装配中，充实哄骗DSP壮大的浮点运算能力和灵活的接口技术,采用成熟进步前辈的软件编程技术，成功地研制出了配电网实时监测与故障诊断装配。该装配一方面可以实时监测配电网系统中的三相电压、电流、功率、功率因数、谐波、谐波畸变率(THD)等基本电量参数，另外一方面实时分析配电网系统的运行状态，当系统发生故障时，迅速靠得住地保留故障前后的电压电流数据，并能准确实时地选出故障线路。此外，由于该装配集电量实时监测、系统故障诊断、数据通讯等功能于一体，知足了配电网综合性的微机化自动装配对配电自动化远方终真个新要求[1]，可作为配电自动化系统中的RTU装配，替换常规的RTU装配。

2　装配的硬件设计
　　配电网实时监测与故障诊断装配硬件组成如图1所示，主要由数据处置单元(DSP)、数据收集单元（A/D转换器）、人机接口单元（MMI模块）、输进输出开关量单元和上层监控单元(工业控制机)等部件组成。

2.1　数据处置单元
　　数据处置单元采用了TMS320VC33芯片，外围扩大了128K的8位EPROM、64K的32位高速RAM、1M的8位NVRAM及16K的8位E2PROM。TMS320VC33芯片工作频率为60MHz，指令周期为17ns，可以在单周期内对数据进行并行的乘法和ALU操作，具有120-150MFLOPS，60-75MIPS超高速的浮点运算能力，片内有34K×32位RAM存贮器；法式固化在片外的EPROM中，上电后自动指导装载到快速片内RAM中；故障录波数据存贮在片外NVRAM中，可接连记实故障前四个周波，故障后20个周波。
2.2　数据收集单元
　　数据收集A/D芯片采用了LTC1608芯片，其片内自带采样/连结器、分辨率为16位、转换率为500KSPS。数据采样时，模拟旌旗灯号首先经过一阶RC低通滤波器及采样连结器，再经多路模拟开关和运放比例衰减，传送到数据缓存区。数据转换采用同时采样分时转换的方式，用按时器按时触发旌旗灯号启动多路同时采样，由软件以高速度对设定回路数进行扫描分时段进行转换(即查询方式)或采用中断方式在AD转换竣事时响应中断，经由过程设定通道选择寄存器逐次采样多路模拟量值。
2.3　人机接口(MMI模块)单元
　　人机接口单元是配电网实时监测与故障诊断装配和操作者进行信息交流的重要环节。本装配的MMI单元是基于RCM2000芯片开发的。RCM2000是Rabbit半导体公司所生产的8位微处置器，工作频率为22.1MHz，有40个并行I/O口，四个CMOS兼容串行端口，13个地址通道,8个数据通道，片内具有256KFlash和512KSRAM，内建日历、时钟、看门狗、按时器、多级中断、双DMA通道。MMI单元主要功能有液晶显示、键盘响应和通讯处置，其硬件组成如图2所示。

3.装配的软件设计
　　系统软件设计由DSP软件、MMI软件和上层监控软件三部门组成。各部门的软件设计相对自力，彼其间经由过程数据通讯进行联系。
3.1　DSP软件设计
　　DSP软件设计采用尺度C语言编程，其软件流程图如图3所示。软件设计采用模块化结构化的编程思想，使整个装配可以凭据用户的需求利便地添加或删除一定功能。

3.2MMI软件设计
　　Rabbit2000微处置器的软件设计使用了DynamicC语言。DynamicC集成C编译器、编纂器、链接器、装载器和调试器；包括年夜量尺度C函数库和特定板外围驱动及芯片外围装备源代码；支持简单高效易于使用的MicroC/OS-II实时操作系统，支持以太网芯片的TCP/IP协议栈。人机交换嵌进了MicroC/OS-II实时操作系统，使液晶显示、数据通讯、键盘响应等功能自力平安运行。
3.3上层监控软件设计
　　上层监控机采用工业控制机，软件设计基于Windows2000操作平台和面向对象的集成开发系统VisualBasic编程语言。VB编程语言融进了面向对象、设计进程可视化、事务驱动、动态数据驱动等进步前辈的软件开发技术。
　　上层监控软件分为三部门：数据通讯、用户界面、数据库；通讯法式主要处置与MMI单元的数据交换，装配调试或测试时经由过程RS232通讯口进行数据交换，正常运行时监控中心或远方数据中心可经由过程以太网或RS232加Modem拔号进行数据通讯。

4.装配主要功能
4.1常规“四远”功能
　　装配基于DSP壮大的浮点运算能力，在系统正常运行时，实时监测电压、电流、有功、无功、视在功率、功率因数及频率等基本电量，实现调剂自动化RTU的远测、远信、远控、远调功能。
4.1.1电压电流计较
　　装配中电压电流均采用交流采样，离散傅立叶计较。
　　
4.1.2功率计较
　　
4.1.3　频率计较
　　装配采用基于正、余弦FIR滤波器的输出来丈量电力系统频率的方式。该方式首先从滤波成效获得sin(2πTs)，然后从sin(2πTs)的泰勒级数展开式入彀算频率。
　　凭据文献[3]，滤波器的系数为：
　　
　　
　　
4.2　故障录波
　　故障发生后实时记实故障的动态进程和继电庇护装配和其它自动化装备的动作行为，有益于分析故障的缘由，削减故障发生的几率，确保配电网平安靠得住运行。
4.2.1　故障记实时间
　　本装配一般自动记实故障前四个周波，故障后20个周波数据。装配正常运行时，数据贮存在片内的快速RAM中，故障后，故障数据直接存贮在片外NVRAM中。
4.2.2　故障启动方式
　　a.正序电压越限启动
　　系统母线电压主要是用来监视系统电压的波动情况，当正序电压年夜于高电压越限制值或小于低电压越限制值，且越限延续时间年夜于设定的屏障时间，启动录波。
4.2.2.2　零序电压突变启动
　　配电网系统中，发生单相接地故障时，由于中性点电位发生偏移，非故障相对地电压升高，三相对地电压泛起不服衡，从而发生零序电压3U0。当零序电压突变量年夜于突变定值时，启动录波。
　　b.零序电流突变启动
　　系统发生相间短路或低电阻接地系统发生单相接地时，引发零序电流的突变。当零序电流突变值年夜于设置值，启动录波。
　　c.电流越限启动
　　凭据实时丈量的相电流有用值年夜小判断，当其值年夜于设定的越限制值，启动录波。
　　d.开关量启动
　　装配可与继电庇护装配或其它自动化装配配合使用。当继电庇护装配或其它自动化装配动作，经由过程开关量变位启动录波。
4.3　故障诊断
　　配电网系统由于中性点接地方式分歧，其故障特征会有较年夜的区分。对于不直接接地系统(小电流接地系统)，由于等效零序阻抗比力年夜，故障后零电流变化小，故障选线难以有用地解决；对于低电阻接地系统，由于等效零序阻抗较小，故障后零序电流发生较年夜的变化，继电庇护装配或其它自动化装备能靠得住动作，快速切除故障线路，避免事故的扩年夜。是以本装配主要研究配电网小电流接地系统的单相接地选线问题。
4.3.1配电网小电流系统单相接田主要特征
　　a.系统发生单相接地后，相电压失往平衡，中性点电压偏移，泛起了较年夜的零序电压。
　　b.系统发生单相接地后，整个系统泛起零序电流。非接地线路的零序电流等效于该线路对地的容性电流，其相位超前3U090°。
　　c.对于中性点不接地系统，故障线路的零序电流为非故障线路及母线上各类装备的零序电流之和，其相位滞后3U090°。
　　d.对于中性点经消弧线圈接地系统，由于消弧线圈容量一般选择为过抵偿容性电流5～10，是以故障线路电流不再与非故障线路零序电流相位相反，故障的相位特征消失。
　　e.小电流接地系统故障后零序电流五次谐波总是存在的。对于经消弧线圈接地系统的五次谐波，由于容性阻抗缩小5倍，感性阻抗增年夜了5倍，是以零序电流五次谐波的故障特征与零序电流基波相似。
4.3.2　装配主要故障选线判据
　　a.智能化比幅比相法
　　传统的比幅比相方式是，经由过程离散傅立叶变换，选出零序电流基波或五次谐波幅值年夜的三条线路故障电流，比力其相位，若电流相位与另两个电流相位反相者为故障线路，若三者都同相，则为母线故障。
　　由于传统的分析法在旌旗灯号处置、幅值比力、有用域等方面存在一些不足。本装配吸收了传统方式的优点，连系新的思绪，形成了智能化比幅比相法。
　　1.哄骗故障前数据，采用叠加原理，削除负荷不服衡酿成的零序电流的不良影响。
　　2.采用差分傅立叶变换，替换传统的离散傅立叶变换，消除系统故障时衰减直流份量的影响。
　　3.采用零序电压作为参考正标的目的，将比幅线路零序电流基波或五次谐波与其比相。
　　4.充实哄骗线路△3Io，快速粗选线。
　　5.充实哄骗录波数据，在有用的数据窗内进行接连比力，增强方式的抗干扰能力。
　　6.提取比幅比相方式的故障特征，建立了响应的控制约束条件。
　　b.有功功率法
　　系统发生单相接地故障，非故障线路零电流为线路对地的容性电流，故障线路零序电流为非故障线路零序电流和母线上所有装备(对于消弧线圈接地系统包括流过消弧线圈的支路电流)的零序电流之和，这样故障线路零序电流的有功功率份量年夜。是以可凭据零序电流的有功功率份量进行选线判断。
　　零序电流有功功率计较：
　　
　　当线路零序电流有功功率年夜于整定值时，此线路发生故障，反之则未发生故障。
　　c.小波分析法
　　配电网小电流接地系统发生单相接地故障时，在线路上发生较年夜的突跃暂态电流。小波分析法哄骗小波奇异性检测理论，对突跃故障暂态电流旌旗灯号进行小波变换，肯定模极年夜值点，并比力各条线路零序电流模极年夜值的年夜小和极性，肯定故障线路。
4.3.3智能化的协调控制综合判据
　　年夜量的理论和实践讲明，现有的选线判据都有各自的有用域。当故障在空间组成的区域堆叠于判据有用域时，该判据选线成效靠得住准确，否则，成效可能泛起误选。本装配充实哄骗故障数据，实时提取故障后暂态和稳态典型数据，机关故障空间信息，对比各类选线判据的有用域，动态生成判据加权系数，形成选线综合信息。

5结语
　　今朝，DSP已普遍地运用到继电庇护、电能质量、电磁丈量等电力领域。本文基于TI公司TMS320VC33开发的新型配电网实时监测与故障诊断装配，进行了年夜量的仿真实验和动态模拟实验，实验讲明装配在系统正常运行时，能准确地丈量系统电压、电流、功率等基本电量；故障时，靠得住故障录波，并迅速有用地选出故障线路。此外，此装配可多台并行运行，以知足分歧变电站的要求。