畢業(yè)設(shè)計（論文）-微機型變壓器設(shè)計.doc

目錄摘要引文摘要第一章 緒論1、1 微機繼電保護算法的概述1、2 數(shù)字式主設(shè)備保護的現(xiàn)狀1、3 微機保護的特點1、4 本論文的主要工作第二章 微機保護裝置的硬件分析2、1 微機保護的硬件組成2、2 硬件部分的總體設(shè)計2、 3 數(shù)據(jù)采集單元2、4 主控單元2、5 i/o單元2、6 提高裝置的可靠性措施第三章 微機繼電保護的算法3、 1 微機保護算法3、2 交流電量的采樣及微機保護的常用算法3、 3 常用的算法第四章 微機變壓器的保護4、1 微機變壓器的現(xiàn)狀4、2 微機變壓器的發(fā)展趨勢4、3 微機變壓器的差動保護3、 4 微機變壓器器的整定計算4、5 微機變壓器差動保護的邏輯4、6 變壓器瓦斯保護4、7 保護方案的確定第五章 微機型變壓器的軟件設(shè)計5、1 模塊化設(shè)計概述5、2監(jiān)控主程序5、3初始化模塊5、4數(shù)值處理模塊5、5保護功能判斷模塊5、6中斷服務(wù)程序5、7交流采樣中斷總結(jié)致謝參考文獻 摘要電力變壓器是電力系統(tǒng)中一個十分重要的設(shè)備，它的安全運行與否直接關(guān)系到電力系統(tǒng)的穩(wěn)定運行，因此對其實施實時保護是必要的防范措施。隨著電力系統(tǒng)的發(fā)展，特別是現(xiàn)代新材料、新工藝的發(fā)展，變壓器容量不斷增大，對變壓器保護的快速性和可靠性也提出了更高的要求。隨著計算機技術(shù)、電子技術(shù)和通信技術(shù)的高速發(fā)展使電力系統(tǒng)調(diào)度自動化、配電自動化和變電站自動化正在世界范圍內(nèi)逐步實施。微機保護越來越多的用在了電力系統(tǒng)當中。本文論述了變壓器微機保護系統(tǒng)在國內(nèi)外的發(fā)展現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢，分析了微機保護在電力系統(tǒng)應(yīng)用中的優(yōu)越性以及變壓器保護的保護原理及微機實現(xiàn)方法和算法的簡單介紹。微機保護的一個基本問題是尋找適當?shù)乃惴?，使運算結(jié)果的精度能滿足工程要求并減少計算所耗的機時。在選擇算法時要考慮兩個重要問題，即計算速度問題和計算精度問題，而且這兩者常常是矛盾的。若要精度高，則要利用更多的采樣點，也就增加了計算工作量，降低了計算速度。本文的主要內(nèi)容包括以下幾個方面:1.根據(jù)微機變壓器中各種保護的動作邏輯，對微機變壓器用到的模塊進行了歸納，并深入研究了各模塊之間的調(diào)用關(guān)系，對模塊進行了合理解藕，構(gòu)建出微機變壓器保護的軟件層次。2.用c語言編制出實現(xiàn)某些功能的模塊。關(guān)鍵詞：微機變壓器 保護算法 程序 abstractpower transformer whose safe operation or not is directly related to the stable operation of electric power system is very important equipment in the power system. so its necessary to implementation preventive measures to protect the transformer. along with the development of electric power system, especially the modern new materials, new technology development, transformer capacity increasing of transformer protection, the rapidity and reliability are put forward higher request. along with the computer technology, electronic technology and communication technology rapid development of dispatching automation of electric power system, make distribution automation and substation automation are gradually implemented throughout the world. microcomputer protection more and more used in the power system. this article discusses the transformer microcomputer protection system at home and abroad, the present situation and development trend of development, analyzes the microcomputer protection in the power system, the superiority and application of transformer protection principle and microcomputer protection method and algorithm of simple introduction.to select appropriate algorithms is one of the basic issues of microprocessor-based relays. when we select algorithms, we should consider two issues-speed and precision. but the speed is contrary with the precision. in order to acquire higher precision, we will use more hits, which will consume more time and reduce the rate. the algorithms we design should simultaneously meet two points as follows:(1 )they should be precise enough to satisfy the requirements of the definite engineering.(2)the time they consume should be as less as possible (1) 0n the basis of the operating logic of various relay in power transformer relay, the modules used in power transformer relays have been include and the relation between the modules has been researched. (2) some modules have been programmed using c program language.key words: power transformer differential protect第一章 緒論11 微機繼電保護算法的概述在電力系統(tǒng)中，繼電保護種類很多，保護原理也各部相同，因此，相應(yīng)地有各種不同的保護算法。但無論何種算法，其核心都可歸結(jié)為如何計算表征被保護對象運行特點的各種電氣參數(shù)，如電壓、電流的基波或某次諧波分量的幅值與相位、測量阻抗。功率以及各種序分量的幅值與相位等。有了這些基本的電氣量參數(shù)，才能構(gòu)成保護的動作特性方程，實現(xiàn)各種不同保護原理，因此，電氣是參數(shù)的計算式微機保護的一個基本問題。12 數(shù)字式主設(shè)備保護的現(xiàn)狀1 電氣主設(shè)備（發(fā)電機、變壓器）是電力系統(tǒng)中的重要元件，它的安危將極大地影響電力系統(tǒng)的安全穩(wěn)定運行，因此對主設(shè)備的要求非常重要。經(jīng)過多年的科研與開發(fā)，主設(shè)備保護也和線路保護一樣經(jīng)歷了電磁式、晶體管式、集成電路式、數(shù)字保護式四個不同的階段。相對來講，電氣主設(shè)備的發(fā)展滯后于線路保護的發(fā)展，主要是電氣設(shè)備的機電和電磁特性復(fù)雜，保護配置品種繁多，參數(shù)復(fù)雜，且長期以來對主設(shè)備缺乏科學的故障分析工具，不像線路保護那樣可較地分析故障成因及故障過程。目前系統(tǒng)中還有一些老電廠采用傳統(tǒng)式保護，但新建電站的主設(shè)備基本選用了數(shù)字式保護，而且原有的傳統(tǒng)式保護正在有步驟地更換為數(shù)字式保護。這表明了數(shù)字保護正在迅速成熟并體現(xiàn)出了強大的優(yōu)越性和生命力。有些數(shù)字保護裝置除了完成相應(yīng)的保護功能外，還可以直接通過網(wǎng)絡(luò)接口連網(wǎng)，將保護事件和保護的記錄上傳，實時的顯示保護動作情況和參數(shù)變化1要改成右上角標。這為分析保護和改進性能提供了好的手段，由于保護對象的復(fù)雜性，需要通過信息對各種工況引起的復(fù)雜現(xiàn)象做深入徹底的分析，并采取對策，這對主設(shè)備的保護趨于完善將起重要作用。 13 微機保護的特點從開始用微機保護，一直到現(xiàn)在，都不斷有人在對它的發(fā)展和優(yōu)缺點作評價和估計。普遍認為微機保護具有以下特點：優(yōu)點a. 程序可實現(xiàn)自適應(yīng)性23，可依靠系統(tǒng)運行狀態(tài)自動改變整定值和特性。b. 有可存取的存儲器。c. 可靈活的改變繼電器特性。d. 用數(shù)字方程方法較之繼電器元件特性方法可以使保護性能得到更大的改進。e. 有自檢的能力。f. 有利于事故后分析。g. 可與計算機交換信息。h. 在同一硬件平臺上可增加其功能。i. 可低功率使用。j. 保護裝置日趨智能化、信息化、網(wǎng)絡(luò)化。k. 可實現(xiàn)全系統(tǒng)智能單元的ip化。缺點a. 與傳統(tǒng)的保護有根本的背離。b. 對硬件和軟件都要求高可靠度。c. 硬件很快變成過時。d. 在操作和使用過程中，運行人員需要具備一定得水平。隨著計算機技術(shù)的發(fā)展，微機智能保護基本做到了高度智能化、信息化、網(wǎng)絡(luò)化，同時由于微機保護的自適應(yīng)性，運行與維護不在重要，借助計算機的網(wǎng)絡(luò)化，完全可以實現(xiàn)遠程維護。14 本論文的主要工作1、 算法的研究 微機保護的算法是軟件中的關(guān)鍵問題。微機保護的算法有很多種，主要考慮的是計算的速度和精度。計算速度包括兩個方面:一是算法所要求的采樣點數(shù)(或稱數(shù)據(jù)窗的長度)，二是算法的運算工作量。精度和速度往往是矛盾的，若要精度高，則要利用更多的采樣點，也就增加了計算工作量，降低了計算速度4。2、 軟件的模塊設(shè)計計算機在運算時，當把所有問題都集中計算的時間要大于把大的問題分散開來實現(xiàn)，所以研究模塊化設(shè)計可以大大的減少運算時間提高保護動作的及時性。3、 程序語言的選擇程序語言的選擇也算是本論文的主要工作嗎？應(yīng)該調(diào)整一下放到其他地方c語言是近年來國內(nèi)外得到迅速推廣使用的一種語言。c語言功能豐富、表達能力強，使用靈活方便、應(yīng)用面廣、目標程序效率高、可移植性好。c語言既具有一般高級語言的函數(shù)功能和結(jié)構(gòu)化特點，又具有匯編語言面向硬件設(shè)計的優(yōu)勢。c語言誕生后，許多原來用匯編語言寫的軟件，現(xiàn)在可以用c語言來編寫了，而學習和使用c語言要比學習和使用匯編語言容易得多。因此本文選用c語言作為程序設(shè)計的語言。在以往的單片機系統(tǒng)軟件設(shè)計中，大都采用匯編語言。對于一些小型的控制系統(tǒng)或簡單的測量儀表，目前仍大量采用匯編語言編制軟件程序。但對于功能復(fù)雜、涉及變量多的大型系統(tǒng)中，若仍使用匯編語言編程就存在諸多不利因素:工作量大、變量多、地址安排復(fù)雜、易出錯、調(diào)試困難、開發(fā)周期長、通用性差、可讀性差等。而采用高級語言進行軟件設(shè)計，就具有速度快、可靠性高、質(zhì)量優(yōu)等特點。在本系統(tǒng)的軟件設(shè)計中，采用了易讀的結(jié)構(gòu)程序設(shè)計化語言c語言進行整體設(shè)計。c語言是一種高級語言，其主要特點如下:(1) 語言簡潔、緊湊，實用方便、靈活;(2 ) 運算符豐富;(3 ) 數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)豐富，具有現(xiàn)代化語言的各種數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu);(4 ) 具有結(jié)構(gòu)化的控制語句;(5 ) 允許直接訪問物理地址，能進行位操作，可以直接對硬件進行操作:(6 ) 程序的可讀性好、可移植性好。第二章 微機保護裝置的硬件分析2、1微機保護的硬件組成 微機保護是用微型計算機構(gòu)成的繼電保護，是電力系統(tǒng)繼電保護的發(fā)展方向（現(xiàn)已基本實現(xiàn)，尚需發(fā)展），它具有高可靠性，高選擇性，高靈敏度。微機保護裝置硬件包括微處理器（單片機）為核心，配以輸入、輸出通道，人機接口和通訊接口等.該系統(tǒng)廣泛應(yīng)用于電力、石化、礦山冶煉、鐵路以及民用建筑等。微機保護裝置的數(shù)字核心一般由cpu、存儲器、定時器/計數(shù)器、wachdog等組成。目前數(shù)字核心的主流為嵌入式微控制器（mcu），即通常所說的單片機;輸入輸出通道包括模擬量輸入通道（模擬量輸入變換回路（將ct、pt所測量的量轉(zhuǎn)換成更低的適合內(nèi)部a/d轉(zhuǎn)換的電壓量，2.5v、5v或10v）、低通濾波器及采樣、a/d轉(zhuǎn)換）和數(shù)字量輸入輸出通道（人機接口和各種告警信號、跳閘信號及電度脈沖等）。2、2硬件部分的總體設(shè)計硬件部分主要包括數(shù)據(jù)采集單元、微機主控單元、開關(guān)量(數(shù)字量)輸入/輸出單元、人機接口單元和通信接口單元。如圖2-1。數(shù)據(jù)采集單元微機主控單元輸入、輸出單元人機接口單元通信接口單元圖2-1 微機保護硬件總框圖2、 3數(shù)據(jù)采集單元 數(shù)據(jù)采集單元是將從被保護元件的電流互感器、電壓互感器或其它變換器上取得的二次模擬電量，交換成微機主控單元能夠處理的數(shù)字量。與傳統(tǒng)保護類似，計算機保護也是一個對電磁干擾很敏感的設(shè)備。為了防止來自電流、電壓輸入回路的干擾，在引入ct和pt的電流、電壓時，在ct和pt二次側(cè)裝設(shè)起隔離、變換的變換器，它除了起屏蔽作用外，還將輸入的電流、電壓的最大值變換成微機設(shè)備所允許的最大電壓值（例如5v)，為使采樣后的離散信號可以不失真地還原為輸入信號，根據(jù)采樣定理，模擬量在采樣前，應(yīng)采用低通濾波器濾掉fs/2 (fs為采樣頻率)以上的高頻分量，以防止頻譜混疊現(xiàn)象的發(fā)生。微機主控單元的基本功能是進行數(shù)值及邏輯運算，為此就必須將輸入的模擬量轉(zhuǎn)變成數(shù)字量，這就需經(jīng)過“采樣/保持電路”及“模/數(shù)(a/d)轉(zhuǎn)換”兩個環(huán)節(jié)，即將模擬量在時間上離散化和在量值上離散化。其中，采樣保持電路將在采樣時刻上所得到的模擬量的瞬時幅度記錄下來，并按a/d轉(zhuǎn)換過程的需要保持其值不變，同時還可保證各通道同步采樣，使各模擬量的相應(yīng)關(guān)系在采樣前后保持不變，根據(jù)數(shù)據(jù)安全性及可靠性的要求，降低成本的需要，全部通道采用自帶采樣保持的多路a/d轉(zhuǎn)換器，同時采樣，同時a/d轉(zhuǎn)換。轉(zhuǎn)換后最后得到微機所需的數(shù)字量。a/d轉(zhuǎn)換器的種類很多，按工作原理可分為逐次逼近型、計數(shù)雛型和積分型等:徽機保護裝皿中通常采用逐次通近的a/d轉(zhuǎn)換器，以提高a/d轉(zhuǎn)換的速度和精度。2、4主控單元微機主控單元是微機保護裝置的核心部分。當實時的采樣數(shù)據(jù)經(jīng)數(shù)據(jù)采集單元進入微機系統(tǒng)后，微機根據(jù)由給定的數(shù)學模型編制的計算、邏輯程序?qū)Σ蓸訑?shù)據(jù)作實時的計算分析、判斷是否發(fā)生故障，故障的范圍、性質(zhì)，是否應(yīng)該跳閘等，然后決定是否發(fā)出跳閘命令，是否給出相應(yīng)信號，是否應(yīng)打印結(jié)果等等。由微機主控單元所執(zhí)行的上述功能，決定了一般采用eeprom或eprom來保存程序、整定值和常數(shù)，用ram來存放采樣數(shù)據(jù)、實時計算處理的數(shù)據(jù)和結(jié)果。時鐘電路為保護裝置的實時顯示和各種事件記錄提供時間基準，它具有獨立的振蕩器及專用的充電電池，當保護裝置掉電時，它依然能正常運行。鍵盤。顯示器、串行口和打印機作為人機信息交流的接口，用于操作人員控制和監(jiān)測裝置的工作狀況。cpu是微機主控單元的核心，近年來單片機以其可靠性高、性能優(yōu)越、體積小，價格低和工作溫限寬等優(yōu)點，成為各檔次微機保護的理想中央處理單元。2、5 i/o單元由于微機主控單元1/o口發(fā)出的一般是低電平5v或ov，而電力系統(tǒng)的工作電壓一般是220v或110v,需加中間隔離縮小或放大的輸入/輸出單元。一般由光電隔離和24v的繼電器組成硬件回路。2、6 提高裝置的可靠性措施5 可靠性是對繼電保護裝置的基本要求之一，它包括兩個方面不誤動和不拒動。運行中的微機保護裝置的可靠性主要面臨兩個間題，一是元器件損壞，二是干擾引起的功能障礙。a. 采取各種隔離、屏蔽、接地、合理布局和配線以及減弱電源線傳遞干擾等方法，使微機保護裝置不受外界干擾。b. 利用數(shù)字電路軟硬件技術(shù)的長處，采取以下針對性措施，防止竄入的干擾導(dǎo)致誤動和拒動等嚴重后果:：1) 通過輸入通道的冗余對采樣數(shù)據(jù)進行干擾辯識。2) 通過設(shè)置超時自動復(fù)歸電路防止程序運行出軌導(dǎo)致的cpu進入死循環(huán)。3) 在保護各個功能程序執(zhí)行過程中，反復(fù)進行校核。這是因為干擾是隨機和短時的，如果事先規(guī)定滿足多重條件時才能發(fā)出出口命令，干擾造成多重條件都能滿足的概率就會非常小。4)在硬件方面的干擾考慮后，在編寫軟件時利用有效的數(shù)字濾波是切實可行的，實踐證明在一定的數(shù)據(jù)窗內(nèi)，可以有效的濾除不需要的分盈。第三章 微機繼電保護的算法3、1微機保護算法傳統(tǒng)的保護是直接或經(jīng)過電壓形成回路吧被測信號引入保護繼電器，繼電器按照電磁、感應(yīng)、比幅、比相等原理作出動作與否的判斷。而微機保護是把經(jīng)過數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)量化的數(shù)字信號輸入計算機，這就是一個如何由量化的離散數(shù)字信號求取交流信號的有效值、阻抗以及兩信號之間的相位的問題。這就是算法要研究的問題。所以算法是研究有若干個采樣數(shù)據(jù)（已被量化）求取被測信號量值（包括有效值、相位、比值等）的方法6。目前，在微機保護裝置中采用的算法基本上可以分為兩類：一類是直接由采樣值經(jīng)過某種運算，求出被測信號的實際值再與定值比較。例如，在距離保護裝置中，利用故障后電壓和電流的采樣值直接求出測量阻抗或求出測量阻抗或求出故障后保護安裝處到故障點的r、x，然后與繼電器的動作特性進行比較；另外一類算法是一句繼電器的動作方程，將采樣值代入動作方程，轉(zhuǎn)換為運算式的判斷。同樣對于距離保護，這種算法不需求求出測量阻抗，而只是用故障后的采樣值代入動作方程進行判斷。算法所研究的主要問題有兩點：意識算法的計算精度，二是算法所用的數(shù)據(jù)窗。所為算法的計算精度是指離散的采樣點計算出的結(jié)果與信號的實際值的逼近程度。如果精度低，則說明計算結(jié)果的準確度差，這將直接影響保護的正確判斷。算法所用的數(shù)據(jù)窗直接影響動作速度。因為電力系統(tǒng)繼電保護應(yīng)在故障后迅速作出動作與否的判斷，而要作出正確的判斷必須用故障后的數(shù)據(jù)。一個算法采用故障后的多少采樣點才能計算出正確的結(jié)果，這就是算法的數(shù)據(jù)窗。例如全周富氏算法需要的數(shù)據(jù)窗為一個周波（20ms），半周富氏算法需要的數(shù)據(jù)窗為半個周波（10ms）。顯然，半周富氏算法的數(shù)據(jù)窗短，保護的動作速度快。但是半周富氏算法不能濾除偶次諧波和恒穩(wěn)定直流分量，在信號中存在非周期分量和偶次諧波的情況下，其精度低于全周富氏算法。而全周富氏算法的數(shù)據(jù)窗要長，保護動作速度慢。顯然精度和數(shù)據(jù)窗之間存在矛盾。一般地，算法用的數(shù)據(jù)窗越長，計算精度越高，而保護動作相對較慢，反之，計算精度越低，但保護的動作速度相對較快。在一套具體的微機保護裝置中，采用何種算法，應(yīng)視保護的原理以及對計算精度和動作快速性的要求合理選擇。例如,在微機距離保護裝置中，對距離保護的第一段，采用近處故障強調(diào)快速性，此時可采用短數(shù)據(jù)窗算法，而計算精度可適當?shù)鸵恍?，而靠近一段保護范圍末端故障，則應(yīng)強調(diào)準確性，要求計算精度高，動作速度可稍微慢一些。在微機保護的研究過程中，各種算法一直是人們研究的重點。最初，人們從簡單的情況出發(fā)，即假設(shè)電壓、電流為純正弦信號，提出了許多基于正弦信號的算法。其中有半周內(nèi)尋找最大值的方法，半周積分（采樣值絕對值求和）算法、mann-morrison提出的一階導(dǎo)數(shù)算法、prodar-70二階導(dǎo)數(shù)算法、采樣值積算法等。由于這些算法都是基于被采樣信號為正弦信號的算法，而實際電力系統(tǒng)中，故障后的信號除基波分量外往往還含有非周期分量和各種諧波分量，因此在采用基于正弦信號的算法時，必須先對信號進行濾波，將非周期分量和諧波分量濾掉。另一類算法是基于復(fù)雜數(shù)學模型的算法。此時，不再假設(shè)輸入的電壓、電流為純正弦信號，二是假設(shè)他們是由基波分量、非周期分量、各整次諧波分量組成。基于這一假設(shè)，為了從信號中求出基波分量，可采用富氏算法或沃爾希函數(shù)算法。由于這些算法本身具有濾除高次諧波的功能，所以在應(yīng)用該算法之前不再另外采用數(shù)字濾波。但是這類算法本身不具備濾除非周期分量的能力，因此國內(nèi)外的許多學者針對濾除信號中非周期分量分方法做了大量的研究工作。實際上電力系統(tǒng)發(fā)生故障后，輸入到保護裝置中電壓、電流信號還要更復(fù)雜一些。由于電力系統(tǒng)中鐵磁元件的非線性特點，輸電線路的參數(shù)的分布性特點（例如有分布電容）、線路中接有補償元件（例如串補電容、并補電容、并補電抗）以及電壓、電流互感器二次的暫態(tài)過程等因素的影響，使得電壓、電流信號中除非周期分量外還含有許多隨機的高頻和低頻分量。在超高壓電網(wǎng)的保護中，為了克服這些隨機噪聲的影響，除采用較完整的數(shù)字濾波措施外，還提出了一些基于隨機函數(shù)模型的算法，例如卡爾曼濾波算法和最小二乘曲線擬合算法。在微機保護中常用的其他算法還有，慮序算法、開平方算法、比相算法和功率算法。3、 2交流電量的采樣及微機保護的常用算法 在電力系統(tǒng)微機保護和監(jiān)控系統(tǒng)中，需要對電力系統(tǒng)各元件的交流電氣量進行處理，為實施保護和監(jiān)控提供必需的數(shù)據(jù)和信息;獲取這些數(shù)據(jù)和信息的方法是對電力系統(tǒng)各元件的交流電量進行數(shù)據(jù)采樣，因此，交流電量的數(shù)據(jù)采樣是微機保護的最基本環(huán)節(jié)，它應(yīng)滿足微機保護裝置的實時性要求，從而使保護裝置能及時響應(yīng)現(xiàn)場各種狀態(tài)變化，迅速準確地做出保護動作，消除或降低故障引起的嚴重后果。因此，快速準確地獲得各交流電量，對電力系統(tǒng)微機保護和監(jiān)控系統(tǒng)起著至關(guān)重要的作用。對交流電量的采樣主要有直流采樣法和交流采樣法兩種。直流采樣法采用變送器將各交流電量轉(zhuǎn)換為0-5v的直流電壓供微機采集。此法主要優(yōu)點是軟件設(shè)計簡單，精度易于保證，可采用單極性a/d，對轉(zhuǎn)換速度要求低，但也存在著不能及時反應(yīng)被測量的突變，具有較大的時間常數(shù)和測量精度直接受變送器精度和穩(wěn)定性的影響、測量諧波有誤差等缺陷。因此，目前交流電量的快速測量都采用交流采樣法。交流采樣法具有響應(yīng)速度快、投資省、工作可靠和維護簡單等優(yōu)點，但交流采樣所得到的是信號的瞬時值，是隨時間而變化的交變量，人們無法識別其大小和傳送方向(指功率)，這就需要通過一定的算法對采樣數(shù)據(jù)進行處理和計算，從而實現(xiàn)保護的功能。算法是研究微機保護的重點之一。目前己提出的算法有很多種，分析和評價各種不同算法優(yōu)劣的標準是精度和速度。速度又包括兩個方面：一是算法所要求的采樣點數(shù)(數(shù)據(jù)窗長度)，二是算法的運算工作量。精度和速度又總是矛盾的，若要計算精確則往往要利用更多的采樣點和進行更多的計算工作量，所以研究算法的實質(zhì)是如何在速度和精度兩方面進行權(quán)衡。此外，有些算法本身具有數(shù)字濾波的功能，有些算法則需配以數(shù)字濾波器一起工作，因此評價算法時還要考慮它對數(shù)字濾波的要求。3、3 常用的算法i. 半周積分算法半周積分算法的依據(jù)是一個正弦量在任意半個周期內(nèi)絕對值的積分為一個常數(shù)s，即積分值s和積分起始點的初相角無關(guān)。求出積分值s后，應(yīng)用式（1-8）可求得有效值。半周積分法運算較簡單，需要的數(shù)據(jù)窗長度為10ms。另外由于這種算法的運算量小，可以用非常簡單的硬件實現(xiàn)。因此對于一些計算精度要求不高的電流、電壓保護可以采用這種算法。必要時，亦可另行配置簡單的差分濾波器來抑制電流中的非周期分量。ii. 基于信號為周期函數(shù)模型的算法在數(shù)學中我們已知道，一個周期函數(shù)，滿足狄里赫利條件，則可以將這個周期函數(shù)分解為一個級數(shù)。最常用的級數(shù)是傅里葉級數(shù)。傅里葉級數(shù)是將周期函數(shù)分解為直流分量、基波分量和各整倍數(shù)的諧波分量之和。在微機保護裝置中，傅里葉算法是一個被廣泛應(yīng)用的算法，這是因為傅里葉算法用于提取基波分量或者提取某次諧波分量（例如二次諧波、三次諧波）十分方便，當采樣頻率為600hz時，傅里葉算法的計算也非常簡單，用匯編語言編程也十分方便。另外全周波傅里葉算法所用的數(shù)據(jù)窗為一個周期，為提高微機保護的動作速度，還可以采用半周傅里葉算法。周期函數(shù)的傅里葉級數(shù)及各次諧波的關(guān)系設(shè)有一個周期函數(shù)，其周期為。且該周期函數(shù)滿足狄里赫利條件，則該函數(shù)可表示為 3-1式中 、-各次諧波分量的正弦項和余弦項系數(shù)； -基波角頻率 n-諧波次數(shù)，n=0為直流分量根據(jù)傅里葉級數(shù)的性質(zhì)和三角函數(shù)的正交性，有 3-2 3-3對于基波分量，取n=1，則可得 3-4式中 3-5 3-6我們也可將正弦基波信號表示為另外一種形式 3-7對照式4和式7，可知，。利用式5和式6求出、，即可利用下式求出基波分量的有效值和相角。 3-8而 3-9對于其他各次諧波分量的球閥與求基波分量的方法完全類似。由以上分析可見，用傅氏算法求取某次諧波分量的有效值和相角時，關(guān)鍵是求出該次諧波分量的實部和虛部系數(shù)。iii. 在微機保護中，用采樣信號實現(xiàn)傅里葉算法以上是在連續(xù)域中應(yīng)用傅里葉方法，求取某次諧波分量分方法。那么，在微機保護中如何應(yīng)用傅里葉方法呢？因為在微機保護中，我們得到的是經(jīng)過采樣、a/d轉(zhuǎn)換后的離散數(shù)字信號，這就要應(yīng)用離散傅里葉變換的方法。設(shè)是與連續(xù)函數(shù)對應(yīng)的離散序列。其離散傅里葉變換的定義為 3-10式中 -采樣間隔取一周期的采樣數(shù)據(jù)進行離散傅里葉變換，則有 3-11式中 -工頻每周期采樣點數(shù)。、-經(jīng)離散傅里葉變換后的基波分量的虛部和實部。即 3-12 3-13式12和式13是求基波分量的離散計算公式。有、即可求出基波分量的有效值和相角。 3-14 3-15類似地，可得出求n次諧波的虛部和實部分量分公式為 3-16 3-17iv. 全周波傅氏算法全周波傅氏算法是連續(xù)一個好走其的采樣值求出信號幅值的方法。在微機保護中，輸入的信號是經(jīng)過數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)轉(zhuǎn)換為離散的數(shù)字信號的序列。我們用來表示它。按照式16和式17求出某次諧波分量的實部和虛部、，即可求出信號的幅值和相角。式12和式13中的、是一個離散數(shù)字序列，當采樣頻率確定后可事先離線計算出。以采樣頻率為600hz，用傅氏算法求基波分量幅值為例，當k從0n-1變化時，、的數(shù)如下表。0123456789101100.50.86610.8660.50-0.5-0.866-1-0.866-0.510.8660.50-0.5-0.866-1-0.866-0.500.50.866所以 3-18當=12時，上式為 3-19求出、后，即可按式14和式15求出信號的有效值和相角。式18也可以表示為 3-20對正弦函數(shù)，對于余弦函數(shù)有：。所以，對于一個純正弦信號，式19和式20求出的結(jié)果完全一致。在微機保護中，利用全周波傅氏算法求有效值可以按上面介紹的公式計算。注意到表中，正弦函數(shù)、余弦函數(shù)離散化后的系數(shù)僅僅三組值，即0.5、0.866、1。因此，我們也可以用下式求出、。傅里葉算法可用于求出各次諧波分量的幅值和相角，所以它在微機保護中作為計算信號幅值的算法被廣泛采用。實際上，傅氏方法也是一種濾波方法。分析可知，全周波傅氏方法可有效地濾除恒定直流分量和各整次諧波分量。應(yīng)當說明的是，為了求出正確的故障參數(shù)，都必須是故障后的采樣值。因此，全周波傅氏算法所需要的數(shù)據(jù)窗為一個周波。即是說，必須在故障后20ms數(shù)據(jù)齊全后方可采用全周波傅氏算法。v. 半周波傅氏算法半周波傅氏算法是金庸半周波的數(shù)據(jù)計算信號的幅值和相角。針對基波分量，具體計算方法如下 3-21當=12時，上式為 3-22 同樣，求出、后，即可按式14和式15求出信號的有效值和相角。半周傅氏算法在故障后10ms即可進行計算，因而使保護的動作速度減少了半個周期。但是，半周傅氏算法不能濾除恒定直流分量和偶次諧波分量，而故障后的信號中往往含有衰減的直流分量，因此，半周傅氏算法的計算誤差較大。vi. 一階差分后半周傅氏算法一階差分后半周傅氏算法是先差分再用半周的數(shù)據(jù)計算信號的幅值和相角。針對基波分量，具體計算方法如下 3-23當=12時，上式為 3-24同樣，求出、后，即可按式14和式15求出信號的有效值和相角。vii. 其他算法除了上述種種算法，針對電力系統(tǒng)距離保護中的阻抗計算，還有相應(yīng)的一些阻抗算法，它們一類是從輸電線路物理模型出發(fā)建立數(shù)學模型的算法，包括r-l模型的微分方程算法和r-l模型的積分方程算法;另一類是按阻抗元件的動作特性建立的以采樣值描述的動作方程的算法，這種算法繞過了計算電流、電壓的幅值和相位等步驟，而將繼電器動作方程中的幅值比較或相位比較轉(zhuǎn)換為采樣值運算的直接比較，因而，這種算法有其獨特的優(yōu)越性。考慮到本論文不涉及到阻抗計算，在此不再贅述這些算法的具體內(nèi)容。上述分析均是基于數(shù)學形式的，若要在微機上實現(xiàn)，必須利用微機來實時計算采樣電流的值，所有保護功能的實現(xiàn)都是根據(jù)電流值的大小來進行判斷的，因此，計算其值是必要的。目前微機計算電流值的交流采樣算法主要有半周積分法、兩采樣值算法、三采樣值算法、導(dǎo)數(shù)算法、傅氏算法等，算法的選擇直接關(guān)系到計算的速度、結(jié)果的精度等。由于傅氏算法本身具有良好的抑制直流分量和計算基波、整次諧波的能力，因此本次設(shè)計中采用的是一階差分傅氏算法。第四章 微機變壓器的保護4、1 微機變壓器的現(xiàn)狀在微機保護研究領(lǐng)域，除了線路保護最受關(guān)注外，其次就是變壓器保護。這顯然是因為變壓器在電力系統(tǒng)輸電和配電各個環(huán)節(jié)中廣泛使用，因而其保護設(shè)備具有廣闊的應(yīng)用領(lǐng)域。目前，變壓器微機保護的研究成果主要集中在差動保護方面。由于廣泛采用的16位徽處理器(包括單片機)具有很強的運算和處理能力。為充分利用其資源，可用一套主機系統(tǒng)實現(xiàn)全套變壓器保護功能即把差動保護、過勵磁保護、零序保護及多種后備保護功能集于一身；也可在重要的變電站中，將變壓器的主保護和后備保護分開，采用兩套主機系統(tǒng)分別實現(xiàn)主保護和后備保護。早期計算機變壓器保護的研究基本上來脫離傳統(tǒng)保護的原理，主要從不同角度提出各種算法及實現(xiàn)技術(shù)。差動保護以比率制動原理為重點。勵磁涌流的鑒別則以二次諧波原理為主導(dǎo)地位。有代表性的算法有：fir濾波器算法、iir濾波器算法、相關(guān)函數(shù)算法、離散傅氏變換算法、遞推傅氏變換算法、最小二乘算法及其加權(quán)算法等。而后，八十年代后期，變壓器微機保護向兩個方向發(fā)展：一是開發(fā)變壓器微機保護的用裝置，迅速應(yīng)用于實踐；另一個則是利用計算機拄術(shù)在記憶能力和計算能力方面的長處，探索新的愿理，如采用故障分量來實現(xiàn)差動判據(jù)的突變量差動繼電器，以及用間斷角原理或波形對稱原理來鑒別勵磁涌流的差動繼電器等。國內(nèi)從八十年代開始進行微機變壓器保護的研究，盡管最初的工作主要是算法的評價分析，但一開始就注重從實用的角度來研究判據(jù)。經(jīng)過幾年短促的數(shù)字仿真和離線研究之后。迅速進行到裝置的研制和試運行。很快就走進了世界先進行列。4、2 微機變壓器的發(fā)展趨勢近幾年來，微機保護以其可靠性高、抗干擾能力強、自檢功能完善、維護簡單、保護配置靈活、調(diào)試方便、升級換代容易等優(yōu)點而被廣泛運用20國內(nèi)外微機保護的發(fā)展趨勢主要體現(xiàn)在以下幾個方面:1.功能更強大的微處理器 隨著微處理器技術(shù)的迅速發(fā)展，運算、處理能力更強大的微處理器將被保護裝置所采用。從而使得保護裝置將更多的分擔中央控制單元的工作，二者之間的通信將更集中于核心數(shù)據(jù)、以及己部分處理的數(shù)據(jù)，而非生數(shù)據(jù)經(jīng)過檢測得到的原始數(shù)據(jù)。2.功能強大的網(wǎng)絡(luò)通訊能力早期的微機保護裝置為單個元件，不具備通信功能，隨著微機保護的大量應(yīng)用及綜合自動化系統(tǒng)的發(fā)展，通信的功能日益重要。通信的形式不僅包括一個變電站或發(fā)電廠內(nèi)的微機保護裝置之間的通信，而且還包括一個系統(tǒng)內(nèi)的網(wǎng)絡(luò)通信功能。因此，傳統(tǒng)的點對點通訊方式逐漸被寬帶局域網(wǎng)所代替。通過網(wǎng)絡(luò)可以實現(xiàn)集中管理和數(shù)據(jù)共享，便于與電廠綜合自動化系統(tǒng)間的連接。此外，保護裝置可通過modem方式與上級調(diào)度部門在線進行數(shù)據(jù)交互，實現(xiàn)遠方監(jiān)控和管理。通信功能的實現(xiàn)可望使繼電保護的發(fā)展有一個廣闊的前景。3.更為有效地保證信息的完整性大型發(fā)電機變壓器組配置的保護多達20-30種，各種保護構(gòu)成原理各異，接入的電氣量差別較大，因此進行發(fā)電機變壓器組信息分析與保護動作行為評判，不能僅僅依靠基本的電壓、電流量，需要進行信息分析的擴展。除提供數(shù)據(jù)的有效值來確定電氣量的大小外，還應(yīng)由此派生計算出如采樣數(shù)據(jù)的實、虛部值、相位角等其它信息，從而保證信息的完整性.4.更為友好的人機界面人機界面采用可視化編程技術(shù)，適應(yīng)軟件中文化、視窗化的要求，使得人機交流更自然、更直觀。4、3 微機變壓器的差動保護1、微機變壓器差動保護的接線和不平衡電流的補償方法對于常規(guī)的變壓器差動保護，當變壓器的接線組為y/-11時，為消除由此在差動繼電器中產(chǎn)生的不平衡電流，應(yīng)在構(gòu)成差動保護的接線時，將變壓器一次繞組接為星形一側(cè)的三相ta的二次連接為三角形，且應(yīng)保證三角形之外引線上電流的相位超前于該相電流互感器二次電流30相位，而變壓器一次繞組接為三角形一側(cè)的三相ta的二次連接為星形。由于這種接線繁瑣復(fù)雜，因此，在微機保護中普遍采用了軟件調(diào)整相位的方法。即無論變壓器采用什么連接組，都可將變壓器各側(cè)的三相ta按星形連接，然后將二次電流引入相應(yīng)的電流變換器。如圖圖中，和分別為變壓器高、低壓側(cè)一次電流的正方向、變壓器的接線組為y/-11，lha、lhb、lhc分別為微機保護中對應(yīng)于變壓器高壓側(cè)的a、b、c相得電流變換器，lha、lhb、lhc分別為對應(yīng)于低壓側(cè)的a、b、c相得電流變換器。為補償變壓器兩側(cè)電流的相位差，在微機保護的軟件中采用的方法是，對變壓器繞組為y連接的一側(cè)按下式處理 4-1 4-2 4-3式中 、-補償后的a、b、c三相電流的采樣值； 、-a、b、c三相電流采樣值。對于變壓器連接的一側(cè)則直接用其采樣值計算。在常規(guī)的變壓器差動保護中，產(chǎn)生不平衡電流的原因還有兩側(cè)的電流互感器按標準變比選擇和平衡線圈計算匝數(shù)與整定匝數(shù)不等帶來的影響，而在微機保護中這種影響完全可以通過軟件的方法進行補償，從而使不平衡電流減到最小。2、比率制動特性的變壓器差動保護比率制動特性既能在外部短路時具有可靠地制動作用，又能保證在變壓器內(nèi)部短路時具有較高的靈敏度，因此，變壓器差動保護普遍采用比率制動特性。對于變壓器差動保護來說，由于空載合閘或區(qū)外故障切除端電壓恢復(fù)時產(chǎn)生的勵磁涌流影響，需要采用防止涌流誤動的閉鎖措施。另外，在變壓器過激磁時差動保護可能誤動，需要采取防止過激磁時誤動的措施。由于外部故障產(chǎn)生的不平衡電流比發(fā)電機差動保護的不平衡電流要大很多，為防止區(qū)外故障誤動，變壓器差動保護的最小動作電流及制動特性部分的斜率與發(fā)電機差動保護相比要大，對于變壓器內(nèi)部故障有流出電流的情況，為提高保護的靈敏度，可采用三折線制動特性。即動作特性包含三段，當制動電流小于額定電流時，無制動作用。制動電流在之間時，制動特性的斜率較低，當制動電流大于時，制動特性的斜率較高。如圖4-1：比率制動特性的變壓器差動保護的動作方程和制動電流的選擇。兩折線特性的動作方程： 4-4id00izhiz1iz0 圖4-1 三折線比率制動特性 4-5式中 -差動電流 -制動電流 -差動保護最小動作電流 -比率制動特性的拐點電流 -比率制動特性的斜率三折線特性的動作方程： 4-6 4-7 4-8式中 -差動電流 -制動電流 -差動保護最小動作電流 -比率制動特性的第一拐點電流 -比率制動特性第一折線段的斜率 -比率制動特性第二折線段的斜率 -比率制動特性的第二拐點電流對于變壓器差動保護，各側(cè)電流的正方向均以指向變壓器為正，在這一規(guī)定下，差動電流與制動電流分別為雙繞組變壓器：差動電流 4-9制動電流 4-10三繞組變壓器差動電流 4-11制動電流 、 4-124、 4 微機變壓器器的整定計算1、最小動作電流按躲過變壓器在正常運行條件下產(chǎn)生的不平衡電流整定。 4-13式中 -可靠系數(shù)，取1.52.0； -同型系數(shù)，取1； -電流互感器變比誤差，取0.1； -有載調(diào)壓變壓器的調(diào)壓范圍，取全部調(diào)壓范圍的一半。 -變壓器高壓側(cè)的額定電流； -高壓側(cè)電流互感器的變比；上式中沒有考慮平衡線圈計算匝數(shù)與整定匝數(shù)不相等產(chǎn)生