李清泉， 馮知海， 孫欽佩， 陳 晶

(1．國網山東省電力公司檢修公司， 濟南 250118； 2.國家電網濱州供電公司， 山東 濱州 256600)

基于Matlab+DSP的綜合型微機繼電保護實驗平臺設計

李清泉1， 馮知海1， 孫欽佩1， 陳 晶2

(1．國網山東省電力公司檢修公司， 濟南 250118； 2.國家電網濱州供電公司， 山東 濱州 256600)

為充分了解微機繼電保護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繼電保護實驗平臺。利用Matlab軟件，根據電網元件的實際參數和所需的保護類型建立電網模型和微機繼電保護仿真模塊進行仿真測試，并將電網模型在不同狀態(tài)下的運行數據通過Matlab串口下傳到DSP硬件平臺中進行實際測試，同時可以利用微機繼電保護測試儀對該硬件平臺進行整體測試。結果表明，該平臺的開發(fā)與應用對高校電氣工程專業(yè)的課堂教學和電力系統(tǒng)繼保工作人員的培訓都具有良好的效果。

Matlab仿真平臺； DSP硬件平臺； 微機繼電保護仿真模塊； Matlab串口

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

1 實驗平臺構成

微機繼電保護實驗平臺包括Matlab仿真平臺和DSP硬件平臺，具體結構框圖如圖1所示。Matlab仿真平臺包括電網仿真模型和微機繼電保護仿真模塊，其中電網仿真模型由Matlab中的電力系統(tǒng)元件庫和Simulink工具箱根據變壓器、線路等電氣設備的實際參數建模而成，微機繼電保護仿真模塊則根據電網模型所需要的保護類型以及DSP硬件平臺前向數據采集通道的電路結構，由電力系統(tǒng)元件庫、Simulink工具箱以及S函數建模構成[4]。DSP硬件平臺不僅可以利用微機繼電保護測試儀提供的電壓電流進行常規(guī)測試，還可以通過UART串口與微型機互聯(lián)，實時接收并處理電網仿真模型的運行數據，從而實現(xiàn)簡化意義上的動模試驗功能。該實驗平臺不僅可以為輸電線路、變壓器、電機等電網元件提供相應的保護，還可以用于電能質量檢測[5]、無功優(yōu)化等，在實驗時僅需要更改相應的功能模塊即可。

圖1 實驗平臺的結構框圖Fig.1 Experiment platform structure diagram

DSP硬件平臺采用了TMS320F28335+單片機STC12LE5A60S2的雙CPU系統(tǒng)結構，兩者通過串口通信進行數據交互，具體包含電壓電流采集通道、數據處理單元、液晶顯示模塊、串口通訊、開關量輸入輸出回路、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構，既可以通過電壓電流采集通道獲得實際的模擬量信息，又可以通過串口通訊方式與Matlab軟件互聯(lián)，接收來自電網仿真模型的數字化信息。DSP硬件平臺根據模擬量或者數字量的具體特征完成保護的邏輯校驗和功能測試。

Matlab仿真平臺的構成則主要依靠電力系統(tǒng)仿真軟件Matlab/Simulik軟件來實現(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)進行建模、仿真以及調試等工作。根據電網仿真模型的不同來構建與之相適應的微機繼電保護仿真模塊，其核心思想就是利用Matlab/Simulink軟件提供的邏輯元件、控制元件、算法元件以及時間元件等模塊，將DSP硬件平臺的硬件電路結構以及保護功能等轉化為虛擬功能單元和數據流的有向連接，在實現(xiàn)微機繼電保護基本功能的基礎上，最大程度地增加其可視化和靈活性。

2 電網仿真模型

2.1 原始資料

以輸電線路的距離保護[5-6]為例，介紹本實驗平臺的具體應用。110 kV供電網絡示意圖如圖2所示，線路距離保護1-4均采用阻抗繼電器構成。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供電網絡示意圖Fig.2 Schematic diagram of 110kV power supply network

2.2 距離保護整定計算

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

表1 保護1的整定計算結果Table 1 Setting calculation results of relay protection one

3 微機繼電保護仿真模塊

由圖1可知，Matlab仿真平臺中的微機繼電保護仿真模塊包括依次連接的電壓形成回路、模擬低通濾波器、模數轉換器、數據處理單元和跳閘輸出單元[7-8]。在構建這些功能模塊時，應盡可能使其電路結構和數據處理算法與DSP硬件平臺相同，以便于對比分析仿真測試和實際測試的結果。

3.1前向數據采集通道

在微機繼電保護裝置中，需要采用微型電壓、電流互感器將通過電網一次側互感器獲得的標準信號進一步轉換為適合模數轉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，均通過二次側的采樣電阻將電流信號轉變成電壓信號?？紤]到DSP自帶模數轉換器[6]為單極性，所以在互感器二次側的非同名端接直流偏置電壓將雙極性信號轉變?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轉換器使用，其電路結構如圖3所示。

圖3 微機繼電保護仿真模塊Fig.3 Micro-computer relay protection module

同時，為了便于對數據進行處理和下載，并考慮到硬件平臺中DSP自帶模數轉換器的量程、極性和分辨率等性能指標，利用Simulink中的功能模塊構建了0～5 V、12位的AD轉換器模型，如圖4所示。當采樣頻率為600 Hz時，其采樣前的波形如圖5中虛線所示，采樣后的波形如圖5中實線所示。

圖4 模數轉換器Fig.4 Analog-to-digital converter

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

3.2 數據處理單元

數據處理單元主要是運用合適的離散運算方法，對采樣序列進行分析、運算，獲得所需的電氣量。由于本文主要分析供電網絡距離保護的性能，因此可以運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，同時為了提高計算精度，可考慮增設數字濾波器[9]。本文根據微分方程算法的原理，利用M模板文件編程實現(xiàn)對采樣值的處理。當輸電線路故障時，其電壓電流滿足如下關系：

式中，Ut、it為t時刻電壓電流的采樣值，dit/dt為t時刻電流的微分。

為了求得未知量R和L，需要在t1和t2時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

進而求得阻抗值X為

(2)

在運用式(2)求取阻抗值X時，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為相應的線電流；對于接地故障，u為相電壓，i為相應的帶零序補償的相電流。此外，在進行阻抗計算之前，還可以設置數字濾波器來進一步濾除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間元件和鎖存器，其中時間元件利用Matlab中Transport Delay模塊實現(xiàn)，根據表1中數據設置距離保護各段的延時時間，以實現(xiàn)其階梯形時限配合；鎖存器利用Matlab中的Triggered subsystem模塊實現(xiàn)，主要用來鎖存跳閘信號，防止斷路器發(fā)生間斷跳變，影響對測試結果的分析。

4 測試驗證

4.1 仿真測試

為了分析比較Matlab仿真平臺中微機繼電保護仿真模塊的動作性能，對圖2所示的110 kV供電網絡進行了經不同過渡電阻的A相接地、AB相短路、三相短路仿真。當故障點選取為AB線路的50%處時，測試距離I段的動作情況；當故障點選取為AB線路的末端時，測試距離II段的動作情況。由于微機繼電保護仿真模塊的數據處理單元在求取線路阻抗值時，可以根據故障類型來選擇所需要的電壓電流量，因此具備0°接線和帶零序補償接線的共同效果。保護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，仿真測試結果與理論分析相符合，但是接地距離保護受過渡電阻影響嚴重。由于微機保護模塊各組成部分均建立在理想條件之下，各段動作時間迅速。通過虛擬仿真，學員可以通過Simulink中的示波器模塊觀察電網模型在不同運行狀態(tài)時，微機繼電保護仿真模塊內各功能模塊的數據變化，并可以按需更改電路結構和保護算法，對比理解各模塊是如何配合工作，共同實現(xiàn)對電網模型的保護作用。

4.2 實際測試

在一般情況下，利用DSP硬件平臺進行測試時，需要利用微機繼電保護測試儀提供電壓電流信號來檢測距離保護的定值、動作時間等是否滿足要求。按照規(guī)定，距離保護I、II、III段在0.95倍定值時，應可靠動作，在1.05倍定值時應可靠不動作，并在0.7倍定值時測量動作時間。本文利用ONLLY公司的微機繼電保護測試系統(tǒng)AD331對該DSP硬件平臺進行距離保護定值測試，定值和延時時間按表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，考慮到Matlab串口控制工具箱的串口類型及fopen、fread和fclose等函數可以實現(xiàn)上位機與下位機的實時串口通信[10]，本文根據利用RTDS裝置進行動模試驗的思想，將Matlab仿真平臺中電網模型的運行數據通過波特率為9600 bps、無奇偶校驗位、傳輸數據為8位、1位停止位、1位起始位的通信串口下載到DSP硬件平臺中進行實際測試，實現(xiàn)了Matlab仿真平臺和DSP硬件平臺的有機結合。在Matlab仿真平臺中設置在線路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，并將電網模型的運行數據下載到DSP硬件平臺中進行實際測試。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，在進行實驗時應使DSP硬件平臺中投入的保護功能和Matlab仿真平臺中的故障相對應，并退出其他保護。將電網模型的故障數據下載到DSP硬件平臺中測得的距離保護的動作時間如表4所示。

表4 實際測試動作時間Table 4 Operating time in practical test

表3和表4說明，利用微機繼電保護測試儀對DSP硬件平臺進行測試，可以使學員很方便驗證自己設計的微機繼電保護硬件電路和數據處理算法是否滿足微機繼電保護的要求；利用電網模型的運行數據測試DSP硬件平臺，進一步突破了無法進行動模試驗的限制，使學員明白了微機繼電保護裝置與其保護對象之間的具體關系。在培訓教學中，可以鼓勵學員更改保護對象及其需要的保護類型，通過建立電網模型和編寫數據處理算法來測試保護的性能，通過這一系列的學習、測試，必然能夠使學員全面了解微機繼電保護的內涵。

5 結 論

本文設計的綜合型微機繼電保護實驗平臺突破了傳統(tǒng)繼電保護培訓方式中只進行仿真或硬件電路測試的弊端，實現(xiàn)了仿真和硬件電路測試的有效結合。利用其Matlab仿真平臺可以對微機繼電保護的硬件電路進行建模和測試，使學員容易了解微機繼電保護內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繼電保護測試儀進行常規(guī)測試，還能夠通過UART串口接收Matlab仿真平臺的運行數據，進行簡單的動模試驗，可以使學員了解微機繼電保護裝置與電網一次設備之間的具體關系。通過Matlab仿真平臺和DSP硬件平臺的有效結合，可以實現(xiàn)電網模型的建立、保護定值的整定以及數據處理算法等一系列內容的培訓教學，既提高了學員的理論認識水平，又提高了學員的動手操作能力，培訓效果良好。

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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，主要研究方向為電力系統(tǒng)繼電保護技術。

TM774

A

2095-6843(2017)03-0224-05