电力系统微机保护实训室,用于教学和科研:上海硕博公司 -

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2021年3月11日

电力系统微机保护实训室,用于教学和科研

电力系统微机保护实训室,用于教学和科研
摘要: 介绍了加拿大一所大学用于教学和科研的以微处理器为基础的电力系统保护实验室,详细说明了其设施与功能,概述了本实验室用于教学与研究的功能以及学生使用本实验室的经验。
加拿大Saskathewan大学为本科生和研究生都开设了电力系统保护课程。本课程对于电力系统工程师非常重要。
自数学技术得到应用以来,以微处理器为基础的继电器受到了普遍重视。目前,电力系统保护研究的主要课题仍是新型微机式继电器的开发及应用。该大学电力工程系的两名成员及几名研究生正积极致力于此项研究。为此,学校设置了两门课程并建立了一个设备精良的实验室,以加强学生动手能力,并验证新的开发项目。新设备近15年才发展起来,与现代新技术同步。
1.实验室概述
建此实验室旨在提供研究自适应继电器保护系统和单个继电器的设备。它有3个工作站和14台PC机。每个工作站通过以太网与大学计算机连接,因此学生可使用大学计算机上的软件包。工作站和微机上都配有通用软件。
每台微机都配有一个或多个高速数字信号处理(DPS)板、用C语言编写程序并将其交叉编译为DPS板中汇编语言的设备。DPS板执行的每个继电器功能输出到端口,用于断路器跳闸。
像某些电力公司变电站一样,每台微机都配有局部网（LAN）板与某一个网络连接,还装有串行通信软件,使微机作为变电站控制计算机,充当LAN的文件服务器。此微机通过多站存取单元与继电器保护微机连接（多站存取单元允许8台微机与网络连接）。此网络支持16Mb/s的环形网,可用无屏蔽双心绞合电缆及光纤电缆实现数据传输。每台微机装备配有8个异步SR-232端口的数字板,可执行中央控制计算机的功能,还可通过装有调制解调器的同轴电缆与8个变电站计算机通信。
2.设备概况
实验室里的设备可分为4类,即设计设备,开发设备,执行设备及测试设备。
2.1设计设备
设计设备的主要作用是为设计和讲授具有特殊功能的继电器提供工具。下面列出了部分可供使用的软件及每个软件的功能。
（1）FORTRAN编译程序：用于开发FORTRAN程序,生成工具包括IMSL程序库及图形功能程序库。
（2）具有工具箱的MATLAB：MATLAB为综合数值分析、矩阵计算和图形的计算环境,工具箱为应用性的特殊解法,并包括信号处理、控制系统设计及神经网络。
(3)C/C++及直观基本编译程序:为开发C语言及直观基本程序提供所有元件和程序库。
（4）EMTDC和EMTP：可以进行电力系统动态及暂态仿真。
（5）保护工具箱：为数字式电力系统保护的教学和研究提供工具箱。
（6）神经网络开发包：基于神经网络的应用设计与开发。
为数字保护及测量的研究生课程讲授而于最近开发的保护工具箱使用MATLAB及其信号处理工具箱作外壳,它为模拟数字算法提供了图形环境。它有一些常用模拟及数字滤波器,使用MATLAB语言可为新的继电保护技术编程。它还配有描绘每个阶段的输入和输出曲线的图形设备。
该大学的设计活动包括开发继电保护技术的数学方法。一旦达到某项技术的基本条件,即可用高级语言编程并使用适当的数据进行检测,这里概述学生设计继电器的3种方法。
2.1.1EMTDC
EMTDC用于学生开发继电器模型,所模拟的电力系统可包括1000条母线和200条线路。此继电器使用电力系统电压和电流作输入电压或电流,与电力系统模型相互作用进行诸如开关断路器的操作。继电器输入、输出和中间值结果的记录与图形显示供以后使用或参考。图2为进行数字继电保护技术离线研究的方法。
2.1.2保护工具箱
学生使用保护工具箱模拟所设计的继电器。合成工具箱内的电压、电流可产生用于检测继电器的输入值,以数据文件的形式也可获得娄据可来自仿真或真实电力系统事件。通常,学生使用工具箱可进行输入信号的模拟和数字滤波。如果应用需要特殊模拟或数字滤波器,使用MATLAB语言并与工具箱接口即可产生新的功能。
学生使用某高级语言,如C或FORTRAN语言书写程序以开发整个继电器模型,然后用文件存储的试验数据检测模型性能。EMTDC或实验室工作站及大学计算系统上的分析程序可获得检测数据。此设备足以模拟拥有1000条或更多母线的电力系统。使用C或FORTRAN语言是由于在研制阶段可轻而易举地将其程序翻译为DSP板的汇编语言。
2.2开发设备
开发活动包括用DSP板实现继电保护技术。微机中的DSP板现用作继电器。这些板使用得克萨斯仪器公司或摩托罗拉公司的芯片。
DSP板可使用汇编语言或高级语言（如C语言）编程。整套软件开发支持包括汇编程序/连接程序,C编程程序,故障消除检测程序及应用软件库。汇编程序/连接程序从汇编语言源文件中产生可执行代码,连接可再定位目标代码以产生装入DSP板的机器代码。
每个DSP板都配有面向图形的故障消除监控程序。它方便了对程序进行实时故障的消除与检测。故障消除检测程序为微机和DSP板提供接口,为DSP运行和存储器提供窗口,使用户在执行程序时能观看寄存器和存储器内容。通过下菜单可使用故障消除命令。使用具有访问DSP板存储器功能、执行状态控制功能和目标文件下装功能的程序库可开发DSP板的人机接口。此外,该软件库还包含C语言及汇编程序调用功能,例如可插入C语言或汇编语言程序的数学功能。此设备可大大减少必须书写的软件数量。
将文件中存储的数据下装入DSP板存储器即可检测继电器程序。文件中存诸的输入样本数据由继电器程序进行顺序处理。学生在此阶段还要使用故障消除检测程序中的计时装置研究所开发继电器的执行时间。当运行继电器时,其数据采集即可采集输入数据样本。
2.3执行设备
运用此设备,学生可操作自适应继电器,也可操作单个继电器。
2.3.1单个继电器
微机式继电器为软件受控装置,用通用的实现微机式继电器的硬件即能进行设计。可使用两种通用软件,其功能取决于设计中使用的软件模块。
包括绝缘和模拟输入范围、数据采集及微机框。绝缘与模拟输入范围框由6个插模块、8个电压处理模块及个电流处理模块组成。每个电压模块包括一台将输入电压从115V或230V至12.6V的辅助变压器,由分压器进一步降至3V。跨接于辅助变压器每个输入端的金属氧化物变阻器,保护硬件不受暂态电压的影响。每个电流模块包括一个辅助CT,它能减少电流并将其加在电阻器上,以便转换为等值电压。
数据采集系统包括以特定速率采集样本并量化信号的硬件。它由4个相同模块组成。每个模块由于上述原因个相同的通道,一个多路调制转换器,一个缓冲寄存器及一个模拟滤波器,一个取样及保持放大器。微机框包括DSP板、MS—DOS个人机、输入/输出端口及控制数据采集过程的时钟。插入微机扩充口的DSP板实现继电保护算法并处理获取的信号,微机为DSP板改变继电顺路设置提供人机界面。
新近研制的Ⅱ型通用硬件的数据采集框由两个模块组成,每个模块均对4个通道采样并使之量化。除此之外,其结构与Ⅰ型通用硬件相似。
两种类型的通用硬件均可从输入信号中取样。目前,Ⅰ型和Ⅱ型硬件分别能同步采集并量化16个和8个输入信号,其能力还可扩展。根据继电保护算法的计算要求,可选择具有定点浮点运算能力的DSP板。
2.3.2自适应继电器
采用图1的结构可也实现自适应继电保护系统。单个继电器使用DSP板可通过LAN与变电站控制计算机交换数据。尽管LAN的结构看起来像星形的,实际上是环形结构。多站存取设备（MAU）是一个中心,通过它数据传输到网络设备。变电站控制计算机与中央控制计算机通信。使用16bit高整智能多信道串行通信连接器的数字板即可实现。该数字板支持8个串行信道,所有信道均支持全符号交换（CTS,RTS,DSR,DTR）及全调制解调器控制（RI,DCD）。
使用商用程序包已研制继电保护微机和变电站微机之间信息交换所需的应用软件。对于控制微机和变电上微机之间的通信,使用异步通信软件库开发了软件。它支持5个不同的文件传输规约,即XMODEM、YMODEM、ZMODEM、Kermit及ASCII。使用为特定应用编写的程序实验室程序库的程序,学生可实现自适应继电保护系统。
2.4测试设备
实验室拥有测试单相与三相继电器的设备。单相测试系统是检测和校验瞬时和时限过电流继电器的精密仪器,基本上是可提供160A电流的60HZ正弦信号发生器。三相测试系统可检测发电、输电及配电系统的继电器,它有5个电源,提供两个电压、两个电流和一个可转换的电压/电流源,以模拟三相故障。这些系统的准确度为设定值的1%,谐波畸变低于2%。单相与三相测试系统可相互作用以提高电流水平。实验室的稳频发生器可提供30—90HZ,变化率为±5HZ/S的频率信号。
此外,学生还可使用实验室变压器、发电机和电动机,使之经受各种故障,以便为测试所研制的继电器采集数据。
使用和经验
实验室广泛用于本科生设计,研究生研究及电力系统保护课程的教学。
3.1用于科研
使用实验室设备提高了研究质量,其经验得到了肯定。用于开发EMTDC中的继电器模型以及电力系统仿真的设备被证实是有效的。学生可检查故障期间数字继电器动作,进行开关操作,并观察继电器的反应。使用C编译程序并不总是产生优选的汇编语言代码。正像微机式继电器必须在固定时间间隔（即一个采样间隔）内进行运算一样,汇编语言代码必须不时地改变。迄今为止的工作表明,使用通用硬件可研制出各种继电器。通用和自适应继电保护硬件的模块式设计使得故障模块的更换简单易行,也能灵活地满足不同应用要求。
3.2用于教学
实验室设备亦用于两门电力系统保护课程的辅助教学。保护工具箱用于研究各种微机算法,以便计算基频及其它频率相量。通过改变设计参数,如采样速率窗或窗口尺寸,学生可使用工具箱设计和评价算法。学生有用MATLAB语言编定继电器设计程序及与工具箱接口听课程,熟悉工具箱使这些课程简单易学。