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2021年3月11日

電力系統(tǒng)微機(jī)保護(hù)實(shí)訓(xùn)室,用于教學(xué)和科研

電力系統(tǒng)微機(jī)保護(hù)實(shí)訓(xùn)室,用于教學(xué)和科研
摘要: 介紹了加拿大一所大學(xué)用于教學(xué)和科研的以微處理器為基礎(chǔ)的電力系統(tǒng)保護(hù)實(shí)驗(yàn)室，詳細(xì)說(shuō)明了其設(shè)施與功能，概述了本實(shí)驗(yàn)室用于教學(xué)與研究的功能以及學(xué)生使用本實(shí)驗(yàn)室的經(jīng)驗(yàn)。
加拿大Saskathewan大學(xué)為本科生和研究生都開(kāi)設(shè)了電力系統(tǒng)保護(hù)課程。本課程對(duì)于電力系統(tǒng)工程師非常重要。
自數(shù)學(xué)技術(shù)得到應(yīng)用以來(lái)，以微處理器為基礎(chǔ)的繼電器受到了普遍重視。目前，電力系統(tǒng)保護(hù)研究的主要課題仍是新型微機(jī)式繼電器的開(kāi)發(fā)及應(yīng)用。該大學(xué)電力工程系的兩名成員及幾名研究生正積極致力于此項(xiàng)研究。為此，學(xué)校設(shè)置了兩門(mén)課程并建立了一個(gè)設(shè)備精良的實(shí)驗(yàn)室，以加強(qiáng)學(xué)生動(dòng)手能力，并驗(yàn)證新的開(kāi)發(fā)項(xiàng)目。新設(shè)備近15年才發(fā)展起來(lái)，與現(xiàn)代新技術(shù)同步。
1.實(shí)驗(yàn)室概述
建此實(shí)驗(yàn)室旨在提供研究自適應(yīng)繼電器保護(hù)系統(tǒng)和單個(gè)繼電器的設(shè)備。它有3個(gè)工作站和14臺(tái)PC機(jī)。每個(gè)工作站通過(guò)以太網(wǎng)與大學(xué)計(jì)算機(jī)連接，因此學(xué)生可使用大學(xué)計(jì)算機(jī)上的軟件包。工作站和微機(jī)上都配有通用軟件。
每臺(tái)微機(jī)都配有一個(gè)或多個(gè)高速數(shù)字信號(hào)處理(DPS)板、用C語(yǔ)言編寫(xiě)程序并將其交叉編譯為DPS板中匯編語(yǔ)言的設(shè)備。DPS板執(zhí)行的每個(gè)繼電器功能輸出到端口，用于斷路器跳閘。
像某些電力公司變電站一樣，每臺(tái)微機(jī)都配有局部網(wǎng)（LAN）板與某一個(gè)網(wǎng)絡(luò)連接，還裝有串行通信軟件，使微機(jī)作為變電站控制計(jì)算機(jī)，充當(dāng)LAN的文件服務(wù)器。此微機(jī)通過(guò)多站存取單元與繼電器保護(hù)微機(jī)連接（多站存取單元允許8臺(tái)微機(jī)與網(wǎng)絡(luò)連接）。此網(wǎng)絡(luò)支持16Mb/s的環(huán)形網(wǎng)，可用無(wú)屏蔽雙心絞合電纜及光纖電纜實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸。每臺(tái)微機(jī)裝備配有8個(gè)異步SR-232端口的數(shù)字板，可執(zhí)行中央控制計(jì)算機(jī)的功能，還可通過(guò)裝有調(diào)制解調(diào)器的同軸電纜與8個(gè)變電站計(jì)算機(jī)通信。
2.設(shè)備概況
實(shí)驗(yàn)室里的設(shè)備可分為4類，即設(shè)計(jì)設(shè)備，開(kāi)發(fā)設(shè)備，執(zhí)行設(shè)備及測(cè)試設(shè)備。
2.1設(shè)計(jì)設(shè)備
設(shè)計(jì)設(shè)備的主要作用是為設(shè)計(jì)和講授具有特殊功能的繼電器提供工具。下面列出了部分可供使用的軟件及每個(gè)軟件的功能。
（1）FORTRAN編譯程序：用于開(kāi)發(fā)FORTRAN程序，生成工具包括IMSL程序庫(kù)及圖形功能程序庫(kù)。
（2）具有工具箱的MATLAB：MATLAB為綜合數(shù)值分析、矩陣計(jì)算和圖形的計(jì)算環(huán)境，工具箱為應(yīng)用性的特殊解法，并包括信號(hào)處理、控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)及神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)。
(3)C/C++及直觀基本編譯程序:為開(kāi)發(fā)C語(yǔ)言及直觀基本程序提供所有元件和程序庫(kù)。
（4）EMTDC和EMTP：可以進(jìn)行電力系統(tǒng)動(dòng)態(tài)及暫態(tài)仿真。
（5）保護(hù)工具箱：為數(shù)字式電力系統(tǒng)保護(hù)的教學(xué)和研究提供工具箱。
（6）神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)開(kāi)發(fā)包：基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的應(yīng)用設(shè)計(jì)與開(kāi)發(fā)。
為數(shù)字保護(hù)及測(cè)量的研究生課程講授而于最近開(kāi)發(fā)的保護(hù)工具箱使用MATLAB及其信號(hào)處理工具箱作外殼，它為模擬數(shù)字算法提供了圖形環(huán)境。它有一些常用模擬及數(shù)字濾波器，使用MATLAB語(yǔ)言可為新的繼電保護(hù)技術(shù)編程。它還配有描繪每個(gè)階段的輸入和輸出曲線的圖形設(shè)備。
該大學(xué)的設(shè)計(jì)活動(dòng)包括開(kāi)發(fā)繼電保護(hù)技術(shù)的數(shù)學(xué)方法。一旦達(dá)到某項(xiàng)技術(shù)的基本條件，即可用高級(jí)語(yǔ)言編程并使用適當(dāng)?shù)臄?shù)據(jù)進(jìn)行檢測(cè)，這里概述學(xué)生設(shè)計(jì)繼電器的3種方法。
2.1.1EMTDC
EMTDC用于學(xué)生開(kāi)發(fā)繼電器模型，所模擬的電力系統(tǒng)可包括1000條母線和200條線路。此繼電器使用電力系統(tǒng)電壓和電流作輸入電壓或電流，與電力系統(tǒng)模型相互作用進(jìn)行諸如開(kāi)關(guān)斷路器的操作。繼電器輸入、輸出和中間值結(jié)果的記錄與圖形顯示供以后使用或參考。圖2為進(jìn)行數(shù)字繼電保護(hù)技術(shù)離線研究的方法。
2.1.2保護(hù)工具箱
學(xué)生使用保護(hù)工具箱模擬所設(shè)計(jì)的繼電器。合成工具箱內(nèi)的電壓、電流可產(chǎn)生用于檢測(cè)繼電器的輸入值，以數(shù)據(jù)文件的形式也可獲得婁據(jù)可來(lái)自仿真或真實(shí)電力系統(tǒng)事件。通常，學(xué)生使用工具箱可進(jìn)行輸入信號(hào)的模擬和數(shù)字濾波。如果應(yīng)用需要特殊模擬或數(shù)字濾波器，使用MATLAB語(yǔ)言并與工具箱接口即可產(chǎn)生新的功能。
學(xué)生使用某高級(jí)語(yǔ)言，如C或FORTRAN語(yǔ)言書(shū)寫(xiě)程序以開(kāi)發(fā)整個(gè)繼電器模型，然后用文件存儲(chǔ)的試驗(yàn)數(shù)據(jù)檢測(cè)模型性能。EMTDC或?qū)嶒?yàn)室工作站及大學(xué)計(jì)算系統(tǒng)上的分析程序可獲得檢測(cè)數(shù)據(jù)。此設(shè)備足以模擬擁有1000條或更多母線的電力系統(tǒng)。使用C或FORTRAN語(yǔ)言是由于在研制階段可輕而易舉地將其程序翻譯為DSP板的匯編語(yǔ)言。
2.2開(kāi)發(fā)設(shè)備
開(kāi)發(fā)活動(dòng)包括用DSP板實(shí)現(xiàn)繼電保護(hù)技術(shù)。微機(jī)中的DSP板現(xiàn)用作繼電器。這些板使用得克薩斯儀器公司或摩托羅拉公司的芯片。
DSP板可使用匯編語(yǔ)言或高級(jí)語(yǔ)言（如C語(yǔ)言）編程。整套軟件開(kāi)發(fā)支持包括匯編程序/連接程序，C編程程序，故障消除檢測(cè)程序及應(yīng)用軟件庫(kù)。匯編程序/連接程序從匯編語(yǔ)言源文件中產(chǎn)生可執(zhí)行代碼，連接可再定位目標(biāo)代碼以產(chǎn)生裝入DSP板的機(jī)器代碼。
每個(gè)DSP板都配有面向圖形的故障消除監(jiān)控程序。它方便了對(duì)程序進(jìn)行實(shí)時(shí)故障的消除與檢測(cè)。故障消除檢測(cè)程序?yàn)槲C(jī)和DSP板提供接口，為DSP運(yùn)行和存儲(chǔ)器提供窗口，使用戶在執(zhí)行程序時(shí)能觀看寄存器和存儲(chǔ)器內(nèi)容。通過(guò)下菜單可使用故障消除命令。使用具有訪問(wèn)DSP板存儲(chǔ)器功能、執(zhí)行狀態(tài)控制功能和目標(biāo)文件下裝功能的程序庫(kù)可開(kāi)發(fā)DSP板的人機(jī)接口。此外，該軟件庫(kù)還包含C語(yǔ)言及匯編程序調(diào)用功能，例如可插入C語(yǔ)言或匯編語(yǔ)言程序的數(shù)學(xué)功能。此設(shè)備可大大減少必須書(shū)寫(xiě)的軟件數(shù)量。
將文件中存儲(chǔ)的數(shù)據(jù)下裝入DSP板存儲(chǔ)器即可檢測(cè)繼電器程序。文件中存諸的輸入樣本數(shù)據(jù)由繼電器程序進(jìn)行順序處理。學(xué)生在此階段還要使用故障消除檢測(cè)程序中的計(jì)時(shí)裝置研究所開(kāi)發(fā)繼電器的執(zhí)行時(shí)間。當(dāng)運(yùn)行繼電器時(shí)，其數(shù)據(jù)采集即可采集輸入數(shù)據(jù)樣本。
2.3執(zhí)行設(shè)備
運(yùn)用此設(shè)備,學(xué)生可操作自適應(yīng)繼電器，也可操作單個(gè)繼電器。
2.3.1單個(gè)繼電器
微機(jī)式繼電器為軟件受控裝置，用通用的實(shí)現(xiàn)微機(jī)式繼電器的硬件即能進(jìn)行設(shè)計(jì)。可使用兩種通用軟件，其功能取決于設(shè)計(jì)中使用的軟件模塊。
包括絕緣和模擬輸入范圍、數(shù)據(jù)采集及微機(jī)框。絕緣與模擬輸入范圍框由6個(gè)插模塊、8個(gè)電壓處理模塊及個(gè)電流處理模塊組成。每個(gè)電壓模塊包括一臺(tái)將輸入電壓從115V或230V至12.6V的輔助變壓器，由分壓器進(jìn)一步降至3V�？缃佑谳o助變壓器每個(gè)輸入端的金屬氧化物變阻器，保護(hù)硬件不受暫態(tài)電壓的影響。每個(gè)電流模塊包括一個(gè)輔助CT，它能減少電流并將其加在電阻器上，以便轉(zhuǎn)換為等值電壓。
數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)包括以特定速率采集樣本并量化信號(hào)的硬件。它由4個(gè)相同模塊組成。每個(gè)模塊由于上述原因個(gè)相同的通道，一個(gè)多路調(diào)制轉(zhuǎn)換器，一個(gè)緩沖寄存器及一個(gè)模擬濾波器，一個(gè)取樣及保持放大器。微機(jī)框包括DSP板、MS—DOS個(gè)人機(jī)、輸入/輸出端口及控制數(shù)據(jù)采集過(guò)程的時(shí)鐘。插入微機(jī)擴(kuò)充口的DSP板實(shí)現(xiàn)繼電保護(hù)算法并處理獲取的信號(hào)，微機(jī)為DSP板改變繼電順路設(shè)置提供人機(jī)界面。
新近研制的Ⅱ型通用硬件的數(shù)據(jù)采集框由兩個(gè)模塊組成，每個(gè)模塊均對(duì)4個(gè)通道采樣并使之量化。除此之外，其結(jié)構(gòu)與Ⅰ型通用硬件相似。
兩種類型的通用硬件均可從輸入信號(hào)中取樣。目前，Ⅰ型和Ⅱ型硬件分別能同步采集并量化16個(gè)和8個(gè)輸入信號(hào)，其能力還可擴(kuò)展。根據(jù)繼電保護(hù)算法的計(jì)算要求，可選擇具有定點(diǎn)浮點(diǎn)運(yùn)算能力的DSP板。
2.3.2自適應(yīng)繼電器
采用圖1的結(jié)構(gòu)可也實(shí)現(xiàn)自適應(yīng)繼電保護(hù)系統(tǒng)。單個(gè)繼電器使用DSP板可通過(guò)LAN與變電站控制計(jì)算機(jī)交換數(shù)據(jù)。盡管LAN的結(jié)構(gòu)看起來(lái)像星形的，實(shí)際上是環(huán)形結(jié)構(gòu)。多站存取設(shè)備（MAU）是一個(gè)中心，通過(guò)它數(shù)據(jù)傳輸?shù)骄W(wǎng)絡(luò)設(shè)備。變電站控制計(jì)算機(jī)與中央控制計(jì)算機(jī)通信。使用16bit高整智能多信道串行通信連接器的數(shù)字板即可實(shí)現(xiàn)。該數(shù)字板支持8個(gè)串行信道，所有信道均支持全符號(hào)交換（CTS，RTS，DSR，DTR）及全調(diào)制解調(diào)器控制（RI，DCD）。
使用商用程序包已研制繼電保護(hù)微機(jī)和變電站微機(jī)之間信息交換所需的應(yīng)用軟件。對(duì)于控制微機(jī)和變電上微機(jī)之間的通信，使用異步通信軟件庫(kù)開(kāi)發(fā)了軟件。它支持5個(gè)不同的文件傳輸規(guī)約，即XMODEM、YMODEM、ZMODEM、Kermit及ASCII。使用為特定應(yīng)用編寫(xiě)的程序?qū)嶒?yàn)室程序庫(kù)的程序，學(xué)生可實(shí)現(xiàn)自適應(yīng)繼電保護(hù)系統(tǒng)。
2.4測(cè)試設(shè)備
實(shí)驗(yàn)室擁有測(cè)試單相與三相繼電器的設(shè)備。單相測(cè)試系統(tǒng)是檢測(cè)和校驗(yàn)瞬時(shí)和時(shí)限過(guò)電流繼電器的精密儀器，基本上是可提供160A電流的60HZ正弦信號(hào)發(fā)生器。三相測(cè)試系統(tǒng)可檢測(cè)發(fā)電、輸電及配電系統(tǒng)的繼電器，它有5個(gè)電源，提供兩個(gè)電壓、兩個(gè)電流和一個(gè)可轉(zhuǎn)換的電壓/電流源，以模擬三相故障。這些系統(tǒng)的準(zhǔn)確度為設(shè)定值的1%，諧波畸變低于2%。單相與三相測(cè)試系統(tǒng)可相互作用以提高電流水平。實(shí)驗(yàn)室的穩(wěn)頻發(fā)生器可提供30—90HZ，變化率為±5HZ/S的頻率信號(hào)。
此外，學(xué)生還可使用實(shí)驗(yàn)室變壓器、發(fā)電機(jī)和電動(dòng)機(jī)，使之經(jīng)受各種故障，以便為測(cè)試所研制的繼電器采集數(shù)據(jù)。
使用和經(jīng)驗(yàn)
實(shí)驗(yàn)室廣泛用于本科生設(shè)計(jì)，研究生研究及電力系統(tǒng)保護(hù)課程的教學(xué)。
3.1用于科研
使用實(shí)驗(yàn)室設(shè)備提高了研究質(zhì)量，其經(jīng)驗(yàn)得到了肯定。用于開(kāi)發(fā)EMTDC中的繼電器模型以及電力系統(tǒng)仿真的設(shè)備被證實(shí)是有效的。學(xué)生可檢查故障期間數(shù)字繼電器動(dòng)作，進(jìn)行開(kāi)關(guān)操作，并觀察繼電器的反應(yīng)。使用C編譯程序并不總是產(chǎn)生優(yōu)選的匯編語(yǔ)言代碼。正像微機(jī)式繼電器必須在固定時(shí)間間隔（即一個(gè)采樣間隔）內(nèi)進(jìn)行運(yùn)算一樣，匯編語(yǔ)言代碼必須不時(shí)地改變。迄今為止的工作表明，使用通用硬件可研制出各種繼電器。通用和自適應(yīng)繼電保護(hù)硬件的模塊式設(shè)計(jì)使得故障模塊的更換簡(jiǎn)單易行，也能靈活地滿足不同應(yīng)用要求。
3.2用于教學(xué)
實(shí)驗(yàn)室設(shè)備亦用于兩門(mén)電力系統(tǒng)保護(hù)課程的輔助教學(xué)。保護(hù)工具箱用于研究各種微機(jī)算法，以便計(jì)算基頻及其它頻率相量。通過(guò)改變?cè)O(shè)計(jì)參數(shù)，如采樣速率窗或窗口尺寸，學(xué)生可使用工具箱設(shè)計(jì)和評(píng)價(jià)算法。學(xué)生有用MATLAB語(yǔ)言編定繼電器設(shè)計(jì)程序及與工具箱接口聽(tīng)課程，熟悉工具箱使這些課程簡(jiǎn)單易學(xué)。