基于嵌入式系统的光纤纵联差动保护的研究与设计

论文摘要

输电线路的安全运行是保证电力系统安全运行的重要条件。当输电线路发生故障时,快速、准确地切断和隔离故障线路并保持非故障线路的持续运行非常重要,既是保证供电可靠性的要求,也是提高电力系统安全稳定运行必不可少的前提条件。基于基尔霍夫定律的电流差动保护无论对于何种形式的输电线路都是一种简单、可靠、选择性强的保护形式,电力系统的发展使得电流差动保护应用于线路保护成为需要,而电子、通信技术的发展使得电流差动保护应用于输电线路成为可能。本文介绍了目前光纤纵差保护的发展现状,并以参与光纤纵差保护装置的设计过程为线索,提出了一套完整的装置设计方案:(1)针对本保护装置的全周傅氏采样算法、数据通信帧格式以及数据采样同步方式等问题展开了讨论,提出了解决保护两侧采样同步问题的方案:通过牛顿插值法来实现采样同步。通过仿真及实验过程证明,该方法在减小误差和提高可靠性上,有突出的表现。(2)系统主保护模块是整个系统的核心,控制着整个系统安全可靠稳定的运行。采用MCF5272作为系统的主处理芯片,并且采用FPGA(可编程逻辑器件)芯片进行逻辑、控制、时序处理,通过AX88796扩展了一路以太网,可以实现双网通讯的要求。详细设计了CPU板的主要结构和各个模块单元,同时介绍了嵌入式操作系统VxWorks及其开发环境Tornado,并给出保护主模块的程序框架和流程图。(3)同步通信接口是光纤纵差保护装置的重要组成部分,关系到装置能否安全可靠的传输数据。详细阐述了光纤纵差保护的同步通信接口模块的硬件解决方案和逻辑实现步骤。完成了FPGA在光纤纵差保护同步接口中的应用,详细地阐述了FPGA实现光纤纵差保护同步通信接口的原理。同时介绍了目前最为常用的开发工具LIBERO IDE 8.4以及硬件描述语言VHDL。通过仿真和动模试验表明,本文所研究的差动保护判据是正确的,所设计的保护方案是可行有效的,光纤纵差保护装置的各项指标都达到了预期的设计要求。该保护相对原有的线路保护从性能上有了显著的提高,对电力系统的安全运行提供了更为可靠的保证。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 绪论
• 1.1 本课题研究的意义
• 1.2 纵差保护的基本原理与优点
• 1.2.1 纵差保护的概念
• 1.2.2 电流纵差保护的基本原理
• 1.2.3 电流纵差保护的主要优点
• 1.3 电流纵差保护装置的分类
• 1.4 光纤纵差保护的发展现状
• 1.4.1 我国光纤通信网的现状
• 1.4.2 光纤纵差保护的发展
• 1.5 光纤纵差保护的系统构成
• 1.6 论文的主要工作
• 第二章 光纤纵差保护同步采样与数据通信
• 2.1 引言
• 2.2 全周傅氏算法
• 2.3 数据通信的帧格式
• 2.4 数据的采样同步方式
• 2.4.1 采样时刻调整法
• 2.4.2 采样数据修正法
• 2.4.3 时钟校正法
• 2.4.4 基于参考相量的同步方法
• 2.4.5 基于GPS 的同步方法
• 2.4.6 本文所采用的数据同步方法--牛顿插值法
• 2.5 本章小结
• 第三章 光纤纵差保护装置的主模块
• 3.1 概述
• 3.2 主模块的硬件结构
• 3.2.1 硬件平台简介
• 3.2.2 CPU 板的主要结构
• 3.3 保护主模块的软件开发
• 3.3.1 VxWorks 操作系统简介
• 3.3.2 程序流程图
• 3.4 本章小结
• 第四章 光纤纵差保护数字通信模块
• 4.1 光纤纵差保护的通信实现方式
• 4.1.1 通信连接方式
• 4.1.2 G.703 规约简介
• 4.2 硬件实现方案
• 4.2.1 通信板硬件实现
• 4.2.2 光端机硬件实现
• 4.2.3 FPGA 的选择
• 4.3 通信系统逻辑功能的设计
• 4.3.1 开发工具介绍
• 4.3.2 VHDL 语言介绍
• 4.3.3 系统逻辑设计
• 4.4 本章小结
• 第五章 仿真测试和动模试验
• 5.1 功能模块的仿真
• 5.1.1 生成仿真波形文件
• 5.1.2 仿真
• 5.1.3 定时分析
• 5.2 通信数据接口的仿真
• 5.3 通讯系统的测试
• 5.4 动模试验
• 5.5 本章小结
• 第六章 总结与展望
• 6.1 总结
• 6.2 展望
• 参考文献
• 附录一
• 致谢
• 作者简介