CN1945914A - 一种基于小波理论的dsp继电保护控制系统及其工作方法 - Google Patents

Abstract

一种基于小波理论的DSP继电保护控制系统，其特征在于它是由处理器模块、模拟量数据采集模块、开入开出接口模块、通讯模块、电源模块及键盘显示模块六部分组成；其工作方法为信号采集、小波分析、发出开关量信号、继电保护动作；其优越性为：①利用高性能数字信号处理芯片DSP的高速数据计算能力和高精确度数据处理能力对继电保护的动作执行装置进行双重信号控制，提高了继电保护动作的可靠性和快速性；②整个控制系统具有很好的调节性能，增强了电网的稳定性，降低因继电保护得误动或拒动带来的停产等事故的概率；③采用小波理论，可以在故障发生的瞬时快速检测出电流或电压突变信号；④硬件电路简单、实时控制精度高，具有广阔的应用前景。

Description

一种基于小波理论的DSP继电保护控制系统及其工作方法

(一)技术领域：本发明属于电力系统继电保护控制技术领域，特别是一种基于小波理论的DSP继电保护控制系统及其工作方法。

(二)背景技术：

电力系统继电保护的主要任务就是在电力系统发生故障时，以尽可能短的时间有选择地切除故障线路。一般继电保护装置是由测量比较元件、逻辑判断元件和执行输出元件三部分组成。目前，为了适应快速发展的电力事业，使得电网可以连续、安全、可靠的为用户提供高质量的电能，数字式继电保护控制技术越来越多的应用于实际操作中，从而提高了继电保护装置的各方面性能。

在继电保护中，最关键的环节是故障信息的提取与识别。目前微机保护基本上是用工频量实现的，有些保护中也用到二次、三次或五次谐波，为了从故障信息中获取上述分量，傅立叶变换是一个十分有效的工具，并获得了广泛的应用。但是，对于一些突变的、具有奇异性的信号，傅立叶变换却无能为力了，这是因为傅立叶变换是纯频域的分析方法，它在时域上没有任何分辨能力。

随着电力行业的快速发展，配电系统的容量和规模日益增大，对继电保护控制系统的要求也不断提高，它要求继电保护装置的控制系统可以根据故障类型的不同、系统运行状态的不同以及谐波影响的不同等等做出合理的参数整定，以适应快速发展的电力事业。因此，传统的继电保护控制系统已经难以满足现代工业的性能要求，从而有必要发明一种新型的控制系统及其工作方法，尤其是一种适应性强的继电保护控制系统及其工作方法。

(三)发明内容

本发明的目的在于发明一种基于小波理论的DSP继电保护控制系统及其工作方法，它结合高性能的DSP信号处理器，可较好的克服上述传统控制系统的缺点，是一种快速度、高精度、谐波适应能力强的控制系统。

本发明的详细技术方案：一种基于小波理论的DSP继电保护控制系统，其特征在于它是由处理器模块、模拟量数据采集模块、开入开出接口模块、通讯模块、电源模块及键盘显示模块六部分组成；所说的模拟量数据采集模块的输入端连接外部电压互感器和电流互感器，其输出端连接中央数据处理电路的输入端；所说的开入开出接口模块经光电耦合器隔离后连接到DSP的通用I/O口，开关量由通用I/O口经光电耦合器引出，接出口及电器；所说的电源模块输出端接中央数据处理器模块，为DSP芯片供电；处理器模块的输出端分别连接通讯模块和键盘显示模块的输入端。

上述所说的模拟量数据采集模块由电压、电流交流采样前端电路和滤波、放大电路组成；交流采样前端电路将采集的电压、电流信号，经过二次电压电流互感器后变换为小电压量，小电压量在经滤波电路，电压放大电路后，变换A/D转换器可以接受的电压范围，电压量经过采样、A/D转换后变为离散值存到控制系统的RAM中；滤波电路采用二阶低通有源滤波器。

上述所说的电压、电流交流采样前端电路用D11、D12、D21、D22构成输入限幅保护，用R24、R25、R26、R34、R35、R36、C11、C12、C16、C17构成互感器相移补偿及阻容滤波电路；所说的滤波、放大电路用R1、R2、R3、R4、R5、R6及比较器构成。

上述所说的处理器模块包括：DSP芯片、电源管理模块、晶振电路和数据总线驱动电路；DSP芯片对数据总线驱动电路的输入信号进行辨识、处理并发出相关控制指令；电源管理模块负责提供电能；晶振电路向DSP芯片提供时钟信号；数据总线驱动电路主要负责数据缓冲和电平转换。

上述所说的DSP芯片由大容量快速闪存、至少一个的32位定时器、2个事件管理器和SPI、SCI、CAN接口和12路PWM控制脉冲信号组成；电源管理模块由双电源供电器件及周边电阻R15、R16、C1、C2电容构成；晶振电路由给DSP芯片提供时钟信号的电容C3、C4和晶振体U2构成；数据总线驱动电路由一片双向数据缓冲器构成；其中电源管理模块与晶振电路的输出与DSP芯片相连，输入与双口RAM的输出相连。

上述所说的通讯和键盘显示模块属于该系统的人工操作模块，由工作于中断方式的行列式键盘和显示汉字和图形的液晶控制器组成，键盘的输出端连接处理器模块的输入端，液晶控制器的输入端连接处理器模块的显示输出端。

一种基于小波理论的DSP继电保护控制系统的工作方法，其特征在于它包括以下步骤：

(1)系统主要是利用控制单元对电力系统线路中的电流进行监测；

(2)信号整形变换处理电路把输电线路电压互感器二次侧电压及电流感器二次侧电流变换为较低幅值交流电压，处理后送入到以DSP为核心的中央数据处理电路中；

(3)设定DSP的计数器为定时采样的时间计数器，数据处理子程序集中在该时间计数器的中断服务子程序中，并赋予其中断优先级为系统最高级，避免了数据处理被其他中断所打断，从而保证采样数据的实时性和准确性；

(4)在数据处理模块中，根据采集到离散的电压电流量，计算电网的瞬时参数；

(5)当检测到电流处于整定值以内时，继电保护的执行装置(即断路器)处于闭合状态，系统处于正常运行状态；

(6)当检测到电流瞬时突变时，先发出一个控制信号给断路器，通知断路器有异常现象发生，但不产生动作；

(7)随着故障产生的行波陆续到达检测母线，行波信号呈现“突变”，对应于“突变”的信号，采用小波理论进行分析，其小波变换出现模极大值，其模极大值的位置和“突变点”一致，可以迅速找到故障点位置；中央数据处理电路给出断路器控制信号，经一定的时间延迟后，再次判断电流的有效值大小，给断路器发出第二个控制信号，从而控制断路器的开断。

本发明的优越性和技术效果在于：利用高性能数字信号处理芯片实现继电保护动作的控制，很大程度上提高了继电保护动作的可靠性和快速性，克服了可编程逻辑控制技术及普通单片机芯片技术处理速度限制而引起的控制滞后、动作不及时的缺陷，使整个控制系统具有很好的调节性能和可靠性，降低了因继电保护得误动或拒动带来的停产等事故的概率，进而增强了电网的稳定性；采用小波理论可对信号进行多尺度分析，具有很强的特征提取功能，对突变信号的处理优势尤为明显。小波变换具有良好的时频局部化和多尺度分析的演化，克服了傅立叶变换不能对信号在时域上进行局部化分析的缺点，因而将广泛地应用于故障诊断。且将DSP应用于继电保护的控制系统中，充分发挥DSP的高速数据计算能力和高精确度数据处理能力，对继电保护得动作执行装置进行双重信号控制，其硬件电路简单、实时控制精度高，具有广阔的技术应用前景。

(四)附图说明：

附图1为本发明所涉“基于小波理论的DSP继电保护控制系统及其工作方法”中的模块组成图。

附图2为本发明所涉“基于小波理论的DSP继电保护控制系统及其工作方法”中的数据采集电路(图2-a为电压、电流交流采样电路；图2-b为滤波、放大电路)。

附图3为本发明所涉“基于小波理论的DSP继电保护控制系统及其工作方法”中的处理器模块结构示意图。

(五)具体实施方式：

实施例：一种基于小波理论的DSP继电保护控制系统(见图1)，其特征在于它是由处理器模块、模拟量数据采集模块、开入开出接口模块、通讯模块、电源模块及键盘显示模块六部分组成；所说的模拟量数据采集模块的输入端连接外部电压互感器和电流互感器，其输出端连接中央数据处理电路的输入端；所说的开入开出接口模块经光电耦合器隔离后连接到DSP的通用I/O口，开关量由通用I/O口经光电耦合器引出，接出口及电器；所说的电源模块输出端接中央数据处理器模块，为DSP芯片供电；处理器模块的输出端分别连接通讯模块和键盘显示模块的输入端。

上述所说的模拟量数据采集模块(见图2)由电压、电流交流采样前端电路和滤波、放大电路组成；交流采样前端电路将采集的电压、电流信号，经过二次电压电流互感器后变换为小电压量，小电压量在经滤波电路，电压放大电路后，变换A/D转换器可以接受的电压范围，电压量经过采样、A/D转换后变为离散值存到控制系统的RAM中；滤波电路采用二阶低通有源滤波器。

上述所说的电压、电流交流采样前端电路(见图2-a)用D11、D12、D21、D22构成输入限幅保护，用R24、R25、R26、R34、R35、R36、C11、C12、C16、C17构成互感器相移补偿及阻容滤波电路；所说的滤波、放大电路(见图2-b)用R1、R2、R3、R4、R5、R6及比较器LF353构成。

上述所说的处理器模块(见图3)包括：DSP芯片、电源管理模块、晶振电路和数据总线驱动电路；利用所编软件程序设定各种执行条件控制DSP芯片对数据总线驱动电路的输入信号进行辨识、处理并发出相关控制指令；电源管理模块负责提供电能；晶振电路向DSP芯片提供时钟信号；数据总线驱动电路主要负责数据缓冲和电平转换。

上述所说的DSP芯片(见图3)包含大容量快速闪存、多个32位定时器、2个事件管理器和SPI、SCI、CAN多种接口，提供12路PWM控制脉冲信号；电源管理模块由双电源供电器件TPS73HD301及周边电阻R15、R16、C1、C2电容构成；晶振电路由给DSP芯片提供时钟信号的电容C3、C4和晶振体U2构成；数据总线驱动电路由一片双向数据缓冲器74LVC16245构成；上端A/D转换器将转化所得的数字量接收到DSP后，对数据进行补偿、数字滤波后，对应相应的标准值转化为标么值，运算得出动作整定值，并产生出三相共计3个控制信号。

上述所说的通讯和键盘显示模块属于该系统的人工操作模块，由工作于中断方式的行列式键盘和显示汉字和图形的液晶控制器组成，键盘的输出端连接处理器模块的输入端，液晶控制器的输入端连接处理器模块的显示输出端，键盘工作于中断方式，用来实现各种保护参数的整定，以及控制信号的输入等功能；为了显示汉字和图形，可以采用液晶控制器。

一种基于小波理论的DSP继电保护控制系统的工作方法，其特征在于它包括以下步骤：

(1)系统主要是利用控制单元对电力系统线路中的电流进行监测；

(2)信号整形变换处理电路把输电线路电压互感器二次侧电压及电流感器二次侧电流变换为较低幅值交流电压，处理后送入到以DSP为核心的中央数据处理电路中；

(3)设定DSP的计数器为定时采样的时间计数器，数据处理子程序集中在该时间计数器的中断服务子程序中，并赋予其中断优先级为系统最高级，避免了数据处理被其他中断所打断，从而保证采样数据的实时性和准确性；

(5)在数据处理模块中，根据采集到离散的电压电流量，计算电网的瞬时参数；

(5)当检测到电流处于整定值以内时，继电保护的执行装置(即断路器)处于闭合状态，系统处于正常运行状态；

(6)当检测到电流瞬时突变时，先发出一个控制信号给断路器，通知断路器有异常现象发生，但不产生动作；

(7)随着故障产生的行波陆续到达检测母线，行波信号呈现“突变”，对应于“突变”的信号，采用小波理论进行分析，其小波变换出现模极大值，其模极大值的位置和“突变点”一致，可以迅速找到故障点位置；中央数据处理电路给出断路器控制信号，经一定的时间延迟后，再次判断电流的有效值大小，给断路器发出第二个控制信号，从而控制断路器的开断。

Claims (7)

1、一种基于小波理论的DSP继电保护控制系统，其特征在于它是由处理器模块、模拟量数据采集模块、开入开出接口模块、通讯模块、电源模块及键盘显示模块六部分组成；所说的模拟量数据采集模块的输入端连接外部电压互感器和电流互感器，其输出端连接中央数据处理电路的输入端；所说的开入开出接口模块经光电耦合器隔离后连接到DSP的通用I/O口，开关量由通用I/O口经光电耦合器引出，接出口及电器；所说的电源模块输出端接中央数据处理器模块，为DSP芯片供电；处理器模块的输出端分别连接通讯模块和键盘显示模块的输入端。

2、根据权利要求书1中所说的一种基于小波理论的DSP继电保护控制系统，其特征在于所说的模拟量数据采集模块由电压、电流交流采样前端电路和滤波、放大电路组成；交流采样前端电路将采集的电压、电流信号，经过二次电压电流互感器后变换为小电压量，小电压量在经滤波电路，电压放大电路后，变换A/D转换器可以接受的电压范围，电压量经过采样、A/D转换后变为离散值存到控制系统的RAM中；滤波电路采用二阶低通有源滤波器。

3、根据权利要求书2中所说的一种基于小波理论的DSP继电保护控制系统，其特征在于所说的电压、电流交流采样前端电路用D11、D12、D21、D22构成输入限幅保护，用R24、R25、R26、R34、R35、R36、C11、C12、C16、C17构成互感器相移补偿及阻容滤波电路；所说的滤波、放大电路用R1、R2、R3、R4、R5、R6及比较器构成。

4、根据权利要求书1中所说的一种基于小波理论的DSP继电保护控制系统，其特征在于所说的处理器模块包括：DSP芯片、电源管理模块、晶振电路和数据总线驱动电路；DSP芯片对数据总线驱动电路的输入信号进行辨识、处理并发出相关控制指令；电源管理模块负责提供电能；晶振电路向DSP芯片提供时钟信号；数据总线驱动电路主要负责数据缓冲和电平转换。

5、根据权利要求书4中所说的一种基于小波理论的DSP继电保护控制系统，其特征在于所说的DSP芯片由大容量快速闪存、至少一个的32位定时器、2个事件管理器和SPI、SCI、CAN接口和12路PWM控制脉冲信号组成；电源管理模块由双电源供电器件及周边电阻R15、R16、C1、C2电容构成；晶振电路由给DSP芯片提供时钟信号的电容C3、C4和晶振体U2构成；数据总线驱动电路由一片双向数据缓冲器构成；其中电源管理模块与晶振电路的输出与DSP芯片相连，输入与双口RAM的输出相连。

6、根据权利要求书1中所说的一种基于小波理论的DSP继电保护控制系统，其特征在于所说的通讯和键盘显示模块属于该系统的人工操作模块，由工作于中断方式的行列式键盘和显示汉字和图形的液晶控制器组成，键盘的输出端连接处理器模块的输入端，液晶控制器的输入端连接处理器模块的显示输出端。

7、一种基于小波理论的DSP继电保护控制系统的工作方法，其特征在于它包括以下步骤：

(1)系统主要是利用控制单元对电力系统线路中的电流进行监测；

(2)信号整形变换处理电路把输电线路电压互感器二次侧电压及电流感器二次侧电流变换为较低幅值交流电压，处理后送入到以DSP为核心的中央数据处理电路中；

(3)设定DSP的计数器为定时采样的时间计数器，数据处理子程序集中在该时间计数器的中断服务子程序中，并赋予其中断优先级为系统最高级，避免了数据处理被其他中断所打断，从而保证采样数据的实时性和准确性；

(4)在数据处理模块中，根据采集到离散的电压电流量，计算电网的瞬时参数；

(5)当检测到电流处于整定值以内时，继电保护的执行装置(即断路器)处于闭合状态，系统处于正常运行状态；

(6)当检测到电流瞬时突变时，先发出一个控制信号给断路器，通知断路器有异常现象发生，但不产生动作；

(7)随着故障产生的行波陆续到达检测母线，行波信号呈现“突变”，对应于“突变”的信号，采用小波理论进行分析，其小波变换出现模极大值，其模极大值的位置和“突变点”一致，可以迅速找到故障点位置；中央数据处理电路给出断路器控制信号，经一定的时间延迟后，再次判断电流的有效值大小，给断路器发出第二个控制信号，从而控制断路器的开断。

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