關于繼電保護裝置設計的探討

1.引言

隨著微電子技術、計算機技術、通信技術高速發展，電力系統繼電保護原理不斷完善，新的理論技術應用于現代電力系統繼電保護中，提出了快速保護和狀態保護等要求，繼電保護裝置能否快速、可靠、準確的動作成為判斷其是否符合現代電力系統發展的標準。

傳統的保護裝置大都采用電磁式繼電器作為動作元件，例如JGX-11A靠電磁相互傳遞產生動作分量，進而觸動動作裝置，使繼電器動作，這種繼電保護裝置可靠性低，抗干擾能力差易發生波形失真。微機式繼電保護采用現代信息技術使整個裝置的信號采集元件、動作元件都能可靠的運行，抗干擾能力進一步提高。但是先前的微機保護裝置大都采用單CPU結構，如WXH-11采樣信號不準確，抗干擾能力不夠，靈敏性不夠，可能會使保護元件勿動或者延長動作時間，仍然不能滿足現代電力系統的發展。

針對以上繼電保護裝置抗干擾能力差、采集信號不準確等缺點，提出了采用DSP+CPLD的多CPU處理器設計結構，使其對信號處理更加準確，抗干擾能力更強。下面以高頻線路保護為例，分析整個裝置的工作情況。高頻保護是以輸電線路載波通道作為通信通道的縱聯保護，其中方向高頻保護是其中一種比較常用的高頻保護，方向高頻保護的基本原理是比較被保護線路兩端的功率方向，進而把功率方向轉化為高頻信號。我們可以通過得出的頻率信號與先前的頻率信號進行比較，以此判斷線路是不是發生了線路故障。

2.繼電保護裝置原理

裝置結構功能。先前的微機保護裝置大都是單CPU結構，采樣信號不準確，裝置抗干擾能力差，靈敏性不夠，容易發生拒動勿動等情況。針對繼電保護裝置抗干擾能力差，采集信號不準確的缺點，本裝置采用DSP+CPLD的多MCU處理器設計結構，使其對信號的處理更加準確，抗干擾能力強。圖1為本設計裝置的硬件原理圖。

(1)本裝置采用DSP+CPLD結構，其中DSP芯片TMS320C672X是修正的哈佛結構，程序跟數據獨立的存儲空間，使數據和程序相互傳送。程序總線、數據總線并行允許同時訪問數據存儲器和程序存儲器，這些特點適合采樣信號處理，實時性好，此芯片在裝置中主要用于承擔運算和部分控制任務。在整個系統中通過光電隔離器進行隔離，保證采集到的數據的準確性。

(2)16位RISC超低功耗單片機MSP-430F149有豐富的片內外設，作為MCU，用作通信、顯示和鍵盤輸入控制。16個中斷源，每個中斷源都可以把MCU從睡眠狀態喚醒，僅需6us，使MCU處于省電模式。

(3)CPLD芯片XC95144XL，主要用來控制邏輯時序和主MCU的I/O，在整個裝置中用來控制模擬信號的采集，并把信號送給DSP處理，為DSP的I/O譯碼并進行邏輯控制，進行頻率測量。CPLD芯片控制兩片MAX125進行信號的采集，讓其在一個工頻周期內20點采樣，并把采集到的模擬量送給ADC，最后送到DSP中。

另外對于本次設計中的DSP芯片來說，整個裝置運行過程中需要大量的數據進行運算，而FRAM可以作為數據存儲器來擴展DSP的數據存儲器，同時FRAM還起到暫存數據的作用，存儲采集處理后得到的數據。在整個系統中通過光電隔離器進行隔離，保證采集到的數據的準確性。

3.信號處理

由于線路設備安裝位置和干擾等影響，因而采樣信號存在很大的干擾，本裝置對采集到的信號進行小波降噪，再用閥值濾波方法除去信號中的高頻干擾信號，得到正確的輸入信號，此時信號強度很小，對信號進行增強處理，得到適合處理的采樣信號。

3.1 傳統濾波方法

傳統的濾波方法需要一些先驗知識和假設，因而在繼電保護裝置中的啟動元件有一定的誤差可能造成延時動作。而小波降噪主要利用的是小波基的緊支性，它可以使信號的能量集中在少數大的小波系數上，而噪聲分解后的小波系數都比較小。與傳統方法相比，小波降噪只需要知道信號大致屬于那種類型就足夠了，然后套用標準的降噪方法，因此準確性很高。

3.2 裝置濾波方法

在眾多的去噪方法中，應用最廣泛的是閥值去噪方法。但是硬閥值去噪函數的不連續性和軟閥值函數中存在的恒定偏差問題使得軟硬閥值去噪方法都不適合應用在先進的繼電保護裝置中。下面介紹一種新的閥值去噪方法。考慮到軟硬閥值函數的門限較大，故將其門檻降為/2，對大于閥值得小波系數，新閥值函數借鑒硬閥值函數的方法將其保留，對小于/2的小波系數，則借鑒軟閥值函數的方法將其直接置為0，對介于/2和的小波系數，則按照新閥值函數的方法進行處理，而對大于的小波系數，新閥值函數借鑒硬閥值函數的方法將其保留。因而新閥值去噪方法的公式可以表示如下；其中為新的閥值為為門限為小波系數的大小。

本裝置濾波方法的好處。從新閥值去噪方法中可以看出：

(1)新閥值函數和軟閥值函數一樣具有連續性，并且當波形系數在大于和小于時候具有高階導數，比便于將來的計算。

(2)新閥值把軟硬閥值方法結合在一起，具有軟硬閥值共同具有的優點，但是除去了它們的缺點。并且可以根據閥值得范圍確定所需要的公式函數，使的新閥值有理可依，實現更好的去噪。

(3)一般情況下，有用信號經小波分解后其小波系數的絕對值很大，而噪聲經小波分解后其小波系數的絕對值很小，這樣便用到了硬閥值函數的去噪方法了，保留了硬閥值函數的優點，保留了小波系數，從而使有用信號得到保護。

(4)新閥值函數能適當的減少噪聲的方差，保留更多的小波系數，使過濾后的信號更加真實。經過新閥值去噪方法可以得到正確的波形，使的更加準確的信號在處理器中進行處理，這樣可以得到更加準確的頻率信號。

圖1 裝置的硬件電路

圖2 繼電保護裝置硬閥值去噪方法波形

圖3 繼電保護裝置新閥值去噪方法波形

圖4 本設計裝置新閥值去噪方法波形

圖5 裝置中信號頻率的測量

3.3 電力線路故障時的信號

下面是電力系統中當發生電力變壓器發生相間短路時候，用故障錄波器獲得的波形。在這些波形中用硬閥值去噪方法得到的波形如圖2，而圖3是用新閥值去噪方法得到的波形，從這兩個圖中可以看出有很多的噪聲干擾，圖4是用新設計的繼電保護裝置用新閥值去噪方法得到的波形，從波形可以看出新的繼電保護裝置具有良好的去噪防干擾能力，保證輸入處理裝置的是有用信號，保證了繼電器的有效動作的可靠性，保證了整個電力系統的可靠安全運行。

3.4 采集信號的頻率

圖5為CPLD中信號轉化為頻率的電路方程，輸入采集到的信號進入比較器，得到高低電平方波，再送入隔離器和施密特觸發器得到規則的邏輯電平用計數器進行計數得到采樣頻率。

3.5 頻率調制

當線路發生內部故障和外部故障時候，高頻收發機另一端發出的頻率信號正好相反，當兩端頻率同時處于正半周時判斷電路發生內部故障，當兩端頻率一個處于正半周一個處于負半周時候電路發生外部故障，繼而動作元件動作發生保護。

4.軟件設計

本保護裝置的軟件采用NI公司的虛擬儀器開發工具LABVIEW編寫，用故障錄波器收集信號，對輸入故障信號的波形分析，同時對故障信號響應同步并對故障進行分析看是哪一種故障，及時排除故障。在軟件設計方面采用模塊化設計方法，每個模塊實現響應的功能，這樣可以滿足硬件條件的前提下進一步提高裝置的效率，將來如果需要功能升級，可以只改寫相應的模塊即可。

5.結束語

綜上所述，本文給出了一種新的小波降噪的方法與設計的繼電保護裝置結合可以更好的動作故障，使繼電保護裝置靈敏性可靠性更高。隨著數字信號處理技術的發展，智能繼電保護裝置可以成為未來發展的主流。

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