1、大学毕业设计（论文）题目：基于 DSP 的微机消谐装置开发学 生 姓 名： 学号：学 部 （系）： 机械与电气工程学部 专 业 年 级： 电气工程及其自动化 指 导 教 师： 职称或学位：副教授年 5 月 23 日I目 录摘 要 关键词 Abstract Key words 1.引言 11.1 课题的提出 11.2 谐振与谐振过电压的发生及机理 11.3 国内外研究现状 31.4 本文主要研究内容 42.谐振一般原理 52.1 线性谐振 62.2 参数谐振 82.3 铁磁谐振 102.3.1 单相铁磁谐振电路 102.3.2 三相铁磁谐振电路 142.4 谐振接地与单相接地的区别 152.5
2、一般消谐方法的比较 153.硬件设计 183.1 装置的硬件结构原理 183.2 装置的框图及器件的选择 184.软件功能的实现 314.1 主程序流程图 314.2 鉴频的方法 325.总结及展望 35参考文献 36致 谢 37II基于 DSP的微机消谐装置开发摘 要电力是我国经济和社会发展的战略重点之一,实现电力工业的现代化势在必行。电力系统一旦发生故障,其损失往往大于本身的损失,有时是灾难性的。 我国的配电网和大型工矿企业的接地方式分为中性点直接接地和中性点不接地两种。中性点直接接地系统中,由于电网中各点电位被固定,通常不会出现中性点位移电压。一旦单相接地就跳闸,影响供电可靠性,一般很少
3、使用;中性点不接地系统中,变电所的母线上通常接有星形接线的电磁式电压互感器,当有某种扰动发生的时候,可能激发起铁磁谐振过电压。不同的参数配合下,可产生基频谐振、高频谐振、分频谐振。首先文章谐振的产生和特点,然后详细地介绍了谐振电路,对其所产生的谐波谐振、基波谐振、分频谐波谐振进一步的分析。文章在前述理论的基础上,提出了一种采用IGBT 控制的小电流接地系统铁磁谐振消谐装置的设计方案,对装置的动作机理进行说明,介绍了关于装置的硬件和软件的设计。本装置可以消除高频谐振、基频谐振、1/2 分频谐振、1/3 分频谐振的铁磁谐振,具有消谐迅速的特点。关键词：中性点；谐振；过电压；消谐IIIMicroco
4、mputer selective harmonic eliminationbased on DSP device AbstractElectricity is one of the important strategies of the economic and social development in our country. Its quite essential to modernize the electric industry. Once anything wrong happens in power system, the loss will be greater than it
5、self, sometimes it would tragedy. The power supply and the underground way in our country is divided the neutral isolated distribution. In the neutral grounding, each voltage focus in the power system is fixed, so the neutral transferring the voltage wont usually happen. However, once the single pha
6、se is grounded it could trip out. This phenomenon would effect the power supply reliability, so the single phase grounding seldom is used in generally. In the neutral ungrounded system, generatrix of the transformer substation usually connects star like electromagnetic potential transformer. Then wh
7、en something unexpected often happen, e.g. single phase of grounding fault will arouse high-voltages with the cooperation of different parameters, high harmonic, sub harmonic or harmonic Ferro resonance many happen. First, the essay introduces the generation process and the features of the Ferromagn
8、etic resonance, makes a further analysis of its generation of high harmonic, harmonic Ferro resonance and the mathematical model of sub harmonic. this essay advance a design approach of the device Ferro resonance Elimination in Low Current Systems is control by IGBT as will as introduce the motional
9、 principle of the device. It introduces the designation of hard wire and soft wire of the device. The device can eliminate high harmonic, harmonic Ferro resonance, 1/2 sub harmonic and 1/3 sub harmonic, it have eliminate Ferro resonance speedy characteristic. Key words : neutral point; resonance; ov
10、er-voltage; eliminate harmonic11.引言1.1课题的提出当今世界正在进入信息社会喝知识经济时代，对于电能质量、人身安全、设备安全、通信干扰等诸多问题，日益受到人们的广泛关注。变电站综合自动化中的谐振项目对于电网的安全、稳定及经济运行起到极其重要的作用，故引起了电力行业各部门的注意和重视。随着我国电力工业和电力系统的发展，对电能质量、供电可靠性的要求越来越高，特别是美国“8.14”特大事故后，使人们认识到电网的事故是灾难性的。实现变电站综合自动化中的消除谐振，可使迈向大电网、特高压、高自动化的电力网，实时的发现谐振的发生并避免谐振的危害。利用现代计算机技术、通信技术
11、、电力电子技术、微电子技术及现代控制理论等，提供先进的技术理论、对变电站进行全面的技术改造，实现电网的技术改造，实现电网的稳定运行，以适应国民经济快速发展对电能质量的需求。近代中压电网发展很快，延伸范围不断扩大，电缆线路日益增多，电容电流迅速增打，铁磁谐振和单相接地故障电流的危害及由此引起的诸多后续恶果，更加突出。这一问题已经引起国内外广大业内人士的普遍关注。浙江三辰电器有限公司，1990 年 4月 28 日，催化 6KV 配电所 I 段电压互感器预防性实验结束，在送互感器刀闸瞬间，互感器嗡嗡作响后冒烟并且烧毁，催化 6KV I 段低电压保护动作，造成生产混乱。1990年 5 月 13 日，一
12、循 II 段单相接地电压互感器高压熔断器熔断，同时击穿一循 2#电机绝缘，加氢 6KV 段避雷器也随之爆炸，加氢车间停产。总之，年投运以来至年谐振过电压导致电压互感器烧毁台，避雷器爆炸两次，电动机击穿两次，多次高压熔断器熔断，造成继电保护动作，误停区域KV 配电所，造成一系列的设备事故和生产混乱。大同铁路分局大同西供电段段管内 10KV 配电所 2000年 3 月 5 日 13:15 岱岳配电线一开关跳闸，I 段母线 TV 高压保险熔断 3 相：3 月 18 日20：50 岱岳配电 I 段母线 TV 高压保险相在运行中熔断；月日：岱岳配电自闭一、二开关跳闸，自闭母线高压保险熔断。年年仅广西玉林
13、局线路就发生谐振次，烧毁保险次。在国内及以下系统中都发生过谐振现象。在近来几次国际供电会议（）上，不少国家都有谐振方面的研究论文发表，第十八届国际供电会议于年月日到日在意大利都灵市召开。中国代表也参加了此次会议。会议子啊第二项议案中再次重申了对中压配电网谐振接地方式的研讨，并作为今后发展的一个重要方向。可见，防止和消除铁磁谐振是目前电网稳定运行的一个重要研究课题。21.2 谐振与谐振过电压的发生及机理所谓谐振，是指振荡系统的某一自由振荡的频率等于外加强迫频率的一种稳态（或准稳态）现象，在这种周期性或准周期性的运行状态中，发生谐振的那个谐波的振幅会急剧上升。通常认为系统中的电阻和电容元件为线性参
14、数，电感元件则一般有三类不同的特性 参数。对应三种电感参数，在一定的电容参数和其他条件的配合下，可能产生三种不同类型的谐振现象。（1） 线性谐振 电感参数可近视地视为常数，电感值不随元件上的电压或电流的变化而变化。谐振回路由不带铁芯的电感元件（如输电线路的电感、变压器的漏感）,或励磁特性接近线性的带铁芯的电感元件（消弧线圈，其铁芯有气隙） ，以及系统中的电容元件所组成。在正弦电源作用下，当系统自振荡频率与电源频率相等或接近时，可能产生线性谐振。（2） 参数谐振电感参数在外力的影响下发生周期性变化。有电感参数作周期性变化的电感元件，和系统电容元件（空载线路）组成回路，当参数配合时，通过电感的周期
15、性变化，不断向谐振系统输送能量，将会造成参数谐振过电压。（3） 铁磁谐振又称非线性谐振。电感元件因带有铁芯会产生饱和现象，电感参数不再是常数，而是随着电流或磁通的变化而变化，振荡回路中的电感为非线性电感元件。这种含有非线性电感元件的回路，在满足一定谐振条件时，会产生铁磁谐振，并具有许多特有性质。在电力系统的振荡回路中，电压互感器（TV）是铁芯电感元件，如果有某种大的扰动或操作，TV 的非线性铁芯就可能饱和，从而与线路和设备的对地电容形成特殊的单相或三相共振回路，激发起持续较高幅值的过电压，这就是铁磁谐振过电压。运行经验表明，中性点接地和不接地系统中均发生铁磁谐振，谐振时出现的异常过电压和过电流
16、引起绝缘闪络、避雷器爆炸、TV 高压熔丝熔断等，甚至烧毁 TV，严重时造成停电事故，严重威胁电网安全运行。在电力系统的振荡回路中，TV 是铁芯电感元件，如果有某种大扰动或操作，TV 的非线性铁芯就可能饱和，从而与线路和设备的对地电容形成特殊的单相或三相共振回路，激发起持续较高幅值的过电压，这就是铁磁谐振过电压。谐振过电压的危害性既决定于其幅值的大小，也决定于持续时间的长短。当系统产生谐振过电压时，能危及电器设备的绝缘，也能因持续的过电流而烧毁小容量的电感元件设备，如电压互感器，此外，还影响饱和装置的工作条件，如影响避雷器的灭弧条件。有电压互感器的铁芯3饱和和引起的过电压时中性点不接地系统中最常
17、见和造成事故最多的一种内部过电压。中性点直接接地系统中国，TV 绕组分别与各相电源电势相联，电网中各点电位被固定，不会出项中性点位移电压，但是一有单相接地，马上跳闸，破坏供电可靠性指标;若中性点经消弧线圈接地，其电感值远此奥与 TV 的励磁电感，相当于 TV 的电感被短接，TV 的变化也不会引起过电压。中性点不接地系统中， ，为了仅是绝缘，发电厂、变电所的母线上通常接有 Y0 接线的电磁式电压互感器。正常运行时，三相基本平衡，中性点的位移电压很小。但在某些切换操作或接地故障消失后，TV 三相饱和程度差别变大，它与线路对地电容形成谐振回路，可能激发起铁磁谐振过电压。不同的参数配合下，可产生基频谐
18、振、高频谐振、分频谐振。TV 铁芯饱和引起的铁磁谐振过电压是中性点不接地系统中最常见和造成事故最多的一种内部过电压。因此，本文针对中性点不接地系统的铁磁谐振进行仿真，研究铁磁谐振的性质。针对 6-35KV 中性点不接地或中性点经电阻、消弧线圈接地系统的产生的铁磁谢展，研制了小电流接地系统消谐装置。该消谐装置从根本上解决了模拟式消谐装置在弧光接地时的误动作问题，并且弥补了其职能消除一种特定频率之功能单一的特点。实时解决了消谐的有效性。给现场的安全运行提供了一个很好的检测控制手段，并给相关的消谐器的设计提供了一种参考。1.3国内外研究现状数十年来，国内外的专家学者对铁磁谐振进行了大量研究，包括理论
19、分析、各种实验以及逐步利用计算机进行数值仿真计算等，从各个不同的角度解释了 TV 铁磁谐振的现象及其变化规律，并提出了一系列抑制铁磁谐振的措施，研制了相应的装置，在系统运行中取得了一定的效果，但是装置消谐的有效性并没有得到保障。关于铁磁谐振的理论分析和计算主要表现在以下几个方面：（1） 在早期的理论分析中，分析铁磁谐振常用的方法有图解法、相平面法。多在铁磁谐振发生机理进行定性的分析，这些方法简捷、直观，是对模拟实验方法的一个很好的补充。但是，他们的研究对象仅限于串联的非线性谐振电路。（2） 年代后，开始使用各种非线性系统的分析法对谐振电路非线性二阶电路进行分析。例如，幅频法、描述函数法、平均法
20、、谐波平衡法等。这些方法都属于一种近似的解析法，只能对稳态情况进行分析。随着计算方法和计算技术的发展，人们对数字仿真引入到铁磁谐振的研究中来，对其暂态特性进行了研究。（3） 年代后期以来，国外学者又把铁磁谐振与非线性动态系统和混沌反洗结合起来，将分叉理论、奇异和非奇异吸引子的概念引入铁磁谐振的研究领域，利用功率4谱密度和庞加莱映射的方法和数值仿真技术对其进行动态分析。将铁磁谐振电路的响应分为三类：周期响应、拟周期响应、和混沌响应。并证实在一定的初始条件下，电力系统也会出现混沌现象。（4） 用数值仿真的方法对铁磁谐振进行稳态和暂态计算。（5） 在对铁磁谐振分析中，建立完善的谐振分析模型和准确确定
21、参与谐振的参数是很重要的。对此曾用四维微分方程组表示铁磁谐振系统，而且建立了消谐措施后的铁磁谐振系统方程。 将系统模型转化为能在计算机上计算的仿真模型，在计算机上进行试验研究，就称为计算机仿真，又称数字仿真。因为铁磁谐振是在三相回路内统一产生，不能将其转化为一个单相电路进行分析，这就使得理论分析和计算十分困难，而对于三相非线性电路的定量计算方法更缺少全面有效地算法。试验方法显然有它的局限性。随着计算机和计算技术的发展，近年来出现了用数字仿真分析铁磁谐振的方法，利用计算机进行数字仿真，我们可以方便地改变系统中的各种参数，使得分析更加全面。到目前为止，国内对于 TV 谐振的数值仿真计算研究可分为两
22、大类：一是在最简化的模型基础上，用高一些拟定的参数进行计算得出有关 TV 谐振的规律，可以认为国内现有的数值仿真多是作理论上的研究，还没有进入实际应用领域；另一类则是采用美国帮纳维尔电力局（BPA）编制的电磁暂态过程技术程序 EMTP，它是当今世界上应用最广泛的研究电力系统暂态过程的程序，是目前国际通用的数学程序。由于程序实际上没有专门针对铁磁谐振现象的计算，所以仿真效果并不理想，并且该程序的使用和维护也很复杂，因而，数值仿真计算尚不能满足实际的要求。数值仿真计算方法的应用极大地促进了谐振的研究，但是现有的仿真计算还存在很多实际的问题，需要作进一步的研究。1.4本文主要研究内容本文针对小电流接
23、地方式的电网产生的谐振，提出了以 IGBT 电路为控制手段的小电流接地的系统消谐装置，给出了装置的硬件构成和软件构成。该消谐装置能消除高频谐振、基频谐振、1/2 分频谐振、1/3 分频谐振。52.谐振一般原理电力系统中包括有许多电感和电容元件，作为电感元件的有电力变压器、互感器、发电机、消弧线圈以及线路导线等的电感，作为电容元件的有线路导线的对地电容和相间电容、补偿用的串联和并联电容器组以及各种高压设备的寄生电容等。当系统进行操作或发生故障时，系统中的电感、电容元件可形成多种频率的振荡回路。当外加的强迫振荡频率等于振荡系统中的某一自由振荡频率时，就会出现周期性的或准周期性的谐振现象，引起谐振过
24、电压。谐振是一种稳态性质的现象，虽然在某些情况下，谐振现象不能自保持，在发生后进一段短暂的时间，会自动消失，但也可能稳定存在，直到谐振条件受到破坏为止。因此，谐振过电压的危害性既取决于其幅值，也取决于它的持续时间。当系统产生谐振时，可能因持续的过电压而危及电气设备的绝缘，或因持续的过电流而烧毁小容量的电感元件设备，还可能影响过电压保护装置的工作条件，如影响阀式避雷器的灭弧条件。运行经验表明，谐振过电压可在各种电压等级的电网中产生。在 35及以下的电网中，由谐振造成的事故较多，需要特别重视。在电网设计时及进行操作前，要做一些估计和安排，尽量避免谐振的发生或缩短谐振存在的时间。电力系统中的有功负荷
25、时阻尼振荡和限制谐振过电压的有利因素，所以通常只有在空载或轻载的情况下才会发生谐振。但对零序回路参数配合不当而形成的谐振，系统的正序有功负荷是不起作用的。在不同电压等级、不同结构的系统中可以产生不同类型的谐振过电压。一般可认为电力系统中电容和电阻元件的参数是线性的，而电感元件则不然。因此，随着振荡回路中电感元件的特性不同，谐振将呈现三种不同个的类型：（） 线性谐振。谐振回路由不带铁心的电感元件（如输电线路的电感、变压器的漏感）或励磁特性接近线性的带铁心的电感元件（如消弧线圈，其铁心中带有空气隙）和系统中的电感元件所组成。在交流电源的作用下，当系统自振频率等于或接近电源频率时，将产生线性谐振现象
26、。（） 铁磁谐振（非线性谐振） 。谐振回路由带铁心的电感元件（如空载变压器、电压互感器）和系统中的电容元件组成。受铁心饱和的影响，铁心电感元件的电感参数是非线性的，这种含有非线性电感元件的回路，在满足一定的而写作条件是，会产生铁磁谐振现象。（） 参数谐振。谐振回路由电感参数作周期性变化的电感元件（如凸极发电机6的同步电抗在间周期性变化）和系统电容元件（如空载线路）组成。当参数配合恰当时，通过电感的周期性变化，不断向谐振系统输送能量，将会造成参数谐振。2.1线性谐振在串联线性电路中，只要电路的自振频率接近交流电源的频率，就会发生串联谐振现象。这时即使是在稳态也可能在电感或电容元件上产生很高的过电压，因此串联谐振也称作电压谐振。如图（2-1）为串联线性谐振电路，这种电路常常是在操作或故障引起的过渡过程中出现。ERCL图 2-1 串联线性谐振电路设电源电压为 ，为回路的阻尼电阻， /(2L)为回路的阻尼2sin()Et路。由于 R 较小， / 1，可以忽略电阻对自振角频率的影响，自振角频率 =1/0 0。当回路中电感电流和电容电压的初始值为零时，可得出过渡过程中电容 C 上的LC电压为（2-2200()2cos()(sincos()tcutUt et1） 式中， 及 为电容电压稳态分量的有效值及初相角，可由电路稳态计算得到。稳态c时，回路阻抗角 为0（2-01arctnLCR2）
