基于FPGA的电力系统微机保护装置的设计与研究

发布时间：2017-04-05 03:00

  本文关键词：基于FPGA的电力系统微机保护装置的设计与研究，由笔耕文化传播整理发布。

【摘要】：电力系统继电保护其实就是指继电保护的技术和各种继电保护装置组成的继电保护系统。随着大电网发展的需要,超高压电网和大容量技术的发展使得电网的结构日益变得复杂。确保电网安全稳定运行成为电力行业重中之重的问题,这样对继电保护装置本身的要求也越来越高。本文在查阅国内外微机保护的发展历程中,提出了一种基于FPGA芯片的微处理器控制的微机继电保护装置。该装置采用的是快速傅里叶算法,利用对具体线路的故障数据进行采样,然后用该算法进行处理数据,判断故障及进行动作。最后进行了模拟试验,试验验证具有良好的效果。首先,本文简单介绍了当前国内数字化变电站的发展的现状,分析当前对于数字化变电站的继电保护系统存在的问题,以及目前针对可靠性问题的相关的研究现状。其次介绍了该微机保护装硬件平台的设计以及基于硬件平台对外围AD采样电路,开关量输入／输出电路,串口通信电路进行硬件电路的设计过程及工作原理。在保护软件系统的设计上,研究了微机保护系统一些典型的微机保护原理与算法,充分利用处理数据快的特点,完成一些复杂的算法,在数据处理上选择快速傅里叶算法来实现微机保护。然后简单介绍硬件描述语言(Verilog HDL)的特点及QUARTUS Ⅱ 11.0软件的开发流程。基于FPGA开发软件quartus Ⅱ 11.0+Modsim平台进行软件编程和对各个功能模块进行综合仿真,并且利用了MATLAB仿真工具,对故障线路进行模拟仿真,得到了一些数据符合继电保护的动作要求。本文的主要创新点： 利用FPGA的编程语言verilog HDL实现并行处理及模块化设计的方法。实现FFT数据处理模块以及各个功能模块,结合继电保护的动作原理可以很快的对故障信息判断及动作。
【关键词】：微机保护 FPGA 快速傅里叶算法 硬件描述语言
【学位授予单位】：安徽理工大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：TM774
【目录】：

• 摘要5-6
• Abstract6-14
• 1 绪论14-28
• 1.1 课题研究背景与意义14-15
• 1.2 继电保护的概念15-16
• 1.3 继电保护的原理及特点16-25
• 1.3.1 电流电压保护17-18
• 1.3.2 方向性电流保护18
• 1.3.3 零序保护18-19
• 1.3.4 距离保护19-23
• 1.3.5 纵联电流差动保护23-24
• 1.3.6 高频保护24-25
• 1.4 国内外研究现状25-27
• 1.4.1 微机保护的现状25-26
• 1.4.2 继电保护微机化的特点26
• 1.4.3 目前我国微机保护的缺点26-27
• 1.5 本文所做工作27-28
• 2 硬件设计28-42
• 2.1 系统的总体结构28-29
• 2.2 现场可编程门阵列简介29-30
• 2.2.1 现场可编程门阵列概述29
• 2.2.2 CYCLONE系列器件概述29-30
• 2.3 硬件描述语言综述30-31
• 2.4 仿真软件QUARTUS Ⅱ11.031-32
• 2.5 流水线设计简介32-33
• 2.6 外围的模块电路设计33-39
• 2.6.1 电压互感器33-34
• 2.6.2 信号处理电路34
• 2.6.3 A/D采样34-35
• 2.6.4 串行通信接口35-37
• 2.6.5 开关量输入输出设计37-38
• 2.6.6 电源电路设计38
• 2.6.7 液晶显示模块电路38-39
• 2.6.8 按键电路的设计39
• 2.7 本章小结39-42
• 3 微机保护算法的研究42-52
• 3.1 两点乘积算法42-43
• 3.2 半周积分算法43-44
• 3.3 微分方程算法44-45
• 3.4 差动算法45
• 3.5 傅里叶算法45-49
• 3.5.1 离散傅里叶变换46-47
• 3.5.2 快速傅里叶变换47-49
• 3.6 数据的采集49-50
• 3.6.1 采样频率的选择50
• 3.6.2 采样间隔的自适应调整50
• 3.7 微机测量算法50-51
• 3.7.1 电压电流的有效值算法50-51
• 3.7.2 功率和功率因素的算法51
• 3.8 本章小结51-52
• 4 软件设计52-58
• 4.1 FPGA软件功能概述52
• 4.2 软件设计总体原则52-54
• 4.2.1 接口软件52-53
• 4.2.2 保护软件的配置53
• 4.2.3 中断服务程序及其配置53-54
• 4.3 系统软件的流程图54-57
• 4.4 本章小结57-58
• 5 实验结果与分析58-68
• 5.1 FPGA功能模块的的实现58-63
• 5.1.1 模块仿真综合58-59
• 5.1.2 FPGA的AD0809控制器的实现59-60
• 5.1.3 FPGA FFT模块的实现60-63
• 5.2 实验结果与分析63-66
• 5.2.1 试验设备配置64
• 5.2.2 实验内容与结果64-66
• 5.3 试验结果分析66-67
• 5.4 本章小结67-68
• 6 系统抗干扰分析68-74
• 6.1 影响微机保护装置的干扰源68-69
• 6.2 抗干扰措施69-71
• 6.2.1 CPU单元抗干扰措施69-70
• 6.2.2 功率放大电路的抗干扰措施70
• 6.2.3 开关量及模拟量输入输出路抗干扰措施70
• 6.2.4 PCB电路抗干扰措施70-71
• 6.3 装置故障的自动检测技术71-72
• 6.4 本章小结72-74
• 7 结论与展望74-76
• 7.1 结论74
• 7.2 展望74-76
• 参考文献76-80
• 致谢80-82
• 作者简介及硕士期间的论文发表82

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本文编号：286328