第二章 電力系統(tǒng)繼電保護原理微機繼電保護基本歷程

1、第二章微機繼電保護基本歷程一、微機繼電保護基礎(chǔ)§2.1 微機保護基本結(jié)構(gòu)微機保護的基本結(jié)構(gòu)包括數(shù)據(jù)處理單元、模擬量輸入系統(tǒng)、開關(guān)量輸入輸出系統(tǒng)、人機對話和外部通信系統(tǒng)四個部分,圖2-1是微機保護系統(tǒng)方框圖。 電力系統(tǒng)模擬量輸入系統(tǒng)開關(guān)量輸入輸出系統(tǒng)人機接口與外部通信系統(tǒng)運行人員數(shù)據(jù)處理單元電力系統(tǒng)通用計算機網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)處理單元 一般由中央處理器（CPU）、存儲器、定時器/計數(shù)器及控制電路等部分組成，并通過數(shù)據(jù)總線、地址總線、控制總線連成一個系統(tǒng)。繼電保護程序在數(shù)字核心部件內(nèi)運行，指揮各種外圍接口部件運轉(zhuǎn)、完成數(shù)字信號處理，實現(xiàn)保護原理。CPU是數(shù)字核心部件以及整個微機保護的指揮中樞，計算

2、機程序的運行依賴于CPU來實現(xiàn)。存儲器用來保存程序和數(shù)據(jù)，它的存儲容量和訪問時間也會影響整個微機保護系統(tǒng)的性能。定時器/計數(shù)器除了為延時動作的保護提供精確計時外，還可以用來提供定時采樣觸發(fā)信號、形成中斷控制等作用。數(shù)字核心部件的控制電路包括地址譯碼器、地址鎖存器、數(shù)據(jù)緩沖器、中斷控制器等等，它的作用是保證微機數(shù)字電路協(xié)調(diào)工作。模擬量輸入系統(tǒng) 微機保護裝置模擬量輸入接口部件的作用是將電力傳感器輸入的模擬電量正確地變換成離散化的數(shù)字量，提供給數(shù)字核心部件進行處理。交流模擬量輸入接口部件內(nèi)部按信號傳遞順序為：電壓輸入變換器和電流輸入變換器及其電壓形成回路 、前置模擬低通濾波器 、采樣保持器 、多路轉(zhuǎn)

3、換器、模數(shù)變換器。前置模擬低通濾波器是一種簡單的低通濾波器，其作用是為了在對輸入模擬信號進行采樣的過程中滿足采樣定理的要求。采樣保持器完成對輸入模擬信號的采樣。多路轉(zhuǎn)換器是一種多信號輸入、單信號輸出的電子切換開關(guān)，可通過編碼控制將多通道輸入信號依次與其輸出端連通，而其輸出端與模數(shù)變換器的輸入端相連。模數(shù)變換器實現(xiàn)模擬量到數(shù)字量的變換。開關(guān)量輸入輸出系統(tǒng) 開關(guān)量是指反映“是”或“非”兩種狀態(tài)的邏輯變量，如斷路器的“合閘”或“分閘”狀態(tài)、控制信號的“有”或“無”狀態(tài)等。開關(guān)量輸入接口部件的作用是為正確地反映開關(guān)量提供輸入通道，并在微機保護裝置內(nèi)外部之間實現(xiàn)電氣隔離，以保證內(nèi)部弱電電子電路的安全和減

4、少外部干擾。開關(guān)量輸出接口部件的作用是為正確地發(fā)出開關(guān)量操作命令提供輸出通道，并在微機保護裝置內(nèi)外部之間實現(xiàn)電氣隔離，以保證內(nèi)部弱電電子電路的安全和減少外部干擾。人機對話和外部通信系統(tǒng)微機保護人機對話接口部件通常包括以下幾個部分：簡易鍵盤、小型顯示屏、指示燈、打印機接口、調(diào)試通信接口。外部通信接口可分為兩大類：第一類通信接口為實現(xiàn)特殊保護功能的專用通信接口，輸電線路縱聯(lián)保護；另一類通信接口為通用計算機網(wǎng)絡(luò)接口，可與電站計算機局域網(wǎng)以及電力系統(tǒng)計算機遠程通信網(wǎng)相連，實現(xiàn)更高一級的管理、控制功能，如數(shù)據(jù)共享、遠方操作及遠方維護等。人機對話接口部件的作用是建立起微機保護裝置與使用者之間的信息聯(lián)系，以

5、便對裝置進行人工操作、調(diào)試和得到反饋信息。外部通信接口部件的作用是提供與計算機通信網(wǎng)絡(luò)以及遠程通信網(wǎng)的信息通道。§2.2微機保護工作原理簡介常規(guī)微機保護實現(xiàn)繼電保護功能主要有三個步驟：模擬量輸入系統(tǒng)將從電力系統(tǒng)獲得的模擬電量信號進行預處理轉(zhuǎn)化為數(shù)字量，開關(guān)量輸入系統(tǒng)將開關(guān)量輸入信號也轉(zhuǎn)變?yōu)閿?shù)字量；數(shù)據(jù)處理單元對已轉(zhuǎn)變?yōu)閿?shù)字量電量信號進行數(shù)字濾波，從而獲得微機保護算法所需要的數(shù)字信號序列；數(shù)據(jù)處理單元對已濾波的數(shù)字信號序列采用合適的算法并結(jié)合開關(guān)量輸入信號綜合判斷，然后根據(jù)判斷結(jié)果控制開關(guān)量輸出系統(tǒng)和人機對話和外部通信系統(tǒng)的輸出，實現(xiàn)閘、信號告警、數(shù)據(jù)記錄等功能。輸入信號預處理 由電力

6、系統(tǒng)輸入到繼電保護裝置的模擬信號分類：來自TV(或TA)的交流電壓(或電流)信號；來自分壓器(或分流器)的直流電壓(或電流)信號； 自斷路器、隔離刀閘等設(shè)備輔助接點以及其它繼電器接點的開關(guān)量信號，或者來自別的微機保護或數(shù)字設(shè)備的數(shù)字量信號。輸入信號預處理過程的具體步驟為：1. 將電力系統(tǒng)輸入到繼電保護裝置的模擬信號轉(zhuǎn)換到與微型計算機相匹配的電平；2. 由前置模擬低通濾波削去其中的高頻成分；3. 由采樣環(huán)節(jié)將連續(xù)信號離散化；4. 由AD轉(zhuǎn)換器變?yōu)閿?shù)字量。具體步驟如圖2-2所示。圖22 輸入信號預處理流程框圖 信號預處理中，還包括隔離和抑制隨有用信號竄入的干擾，這對于提高保護裝置的可靠性非常重要。

7、數(shù)字濾波數(shù)字濾波器的優(yōu)點： 濾波精度高。加長字長可以很容易提高精度。 可靠性高。模擬元器件很容易受環(huán)境和溫度的影響，而數(shù)字系統(tǒng)受這種影響要小得多。 靈活性高。數(shù)字濾波器改變性能只要改變算法或者某些系數(shù)，而模擬濾波器卻十分麻煩。 便于時分復用。一套硬件系統(tǒng)可以完成各個通道的濾波任務(wù)，模擬濾波器則必須每個通道裝一個濾波器。 數(shù)字濾波器的分類：1 按算法實現(xiàn)方式不同可分為專用硬件組成的數(shù)字濾波器和軟件組成的數(shù)字濾波器；2 按運算結(jié)構(gòu)不同可分為遞歸型和非遞歸型數(shù)字濾波器；3 按單位脈沖響應不同可分為無限長單位脈沖響應濾波器和有限長單位脈沖響應濾波器4 按照不同的濾波理論又可分為常規(guī)濾波器和最佳濾波器。

8、5 按頻率特性分為低通、帶通、高通和帶阻四類基本濾波器，其中前兩類濾波器在微機保護中用得較多。算法基于電壓、電流為純正弦變化的算法有半周內(nèi)找最大值、半周內(nèi)采樣值累積、Mann-Morrjson的導數(shù)算法、Prodar-70的二階導數(shù)算法，采樣值積的算法和解方程組的算法等。 假設(shè)電壓、電流量由非周期分量、基頻和倍頻分量組成的算法除解方程組外，最常見的是傅氏算法和沃爾希函數(shù)算法 在超高壓電力系統(tǒng)中，為克服隨機噪音的影響，還提出了一些減少誤差的算法。例如對計算結(jié)果采取平滑措施，采用最小二乘曲線擬合算法等。 §2.3 微機保護數(shù)字信號處理與典型算法一、采樣定理 無論原始輸入信號的頻率成分多復

9、雜，保證采樣后不丟失其中信息的充分必要條件是，采樣率應大于輸入信號的最高頻率的兩倍，即這就是著名的采樣定理。為采樣頻率（簡稱采樣率），它是采樣周期 的倒數(shù)即采樣頻率反映了采樣速度。 在電力系統(tǒng)的實際應用中，習慣用采樣頻率相對于基波頻率的倍數(shù)（記為N）來表示采樣速度，稱為每基頻周期采樣點數(shù)，或簡稱為N點采樣。實際應用中，確定采樣率還需考慮的問題： 故障信號中可能包含高頻成分，但多數(shù)保護原理只需使用基波和低次諧波成分，可通過對輸入信號先進行模擬低通濾波，降低其最高頻率，從而可選取較低的采樣頻率。 實用采樣頻率通常按保護原理所用信號頻率的410倍來選擇，以保證計算精度，同時也考慮了數(shù)字濾波的性能要求

10、。 簡單的前置模擬低通濾波器難于達到很低的截止頻率，限制了采樣頻率不能太低。二、數(shù)字濾波器數(shù)字濾波器的基本概念數(shù)字濾波器是一種特殊的算法，其特點是通過對采樣序列的數(shù)字運算得到一個新的序列，在新的序列中已濾除了不需要的頻率成分，只保留了需要的頻率成分。數(shù)字濾波器的運算過程用常系數(shù)線性差分方程來表述為 式中， 和 分別為濾波器的輸入值序列和輸出值序列， 和 為濾波器系數(shù)。a) 系數(shù) 全部為0時，稱之為非遞歸型濾波器，此時，當前的輸出只是過去和當前的輸入值函數(shù) ，而與過去的輸出值 無關(guān)。b) 系數(shù) 不全為0，即過去的輸出對現(xiàn)在的輸出有直接影響，稱之為遞歸型濾波器。 就數(shù)字濾波器的運算結(jié)構(gòu)而言，主要包

11、括遞歸型和 非遞歸型兩種基本形式。數(shù)字濾波器的濾波特性通常用頻率響應特性來表征，包括幅頻特性和相頻特性。1 幅頻特性反映不同頻率的輸入信號經(jīng)過數(shù)字濾波后，其幅值的變化情況；2 相頻特性則反映輸入和輸出信號之間相位移的變化情況。 由于大多數(shù)的保護原理只用到基頻或某次諧波，因此，最關(guān)心的是濾波器的幅頻特性，對濾波器的相頻特性一般不作特殊要求。非遞歸型濾波器 非遞歸型數(shù)字濾波器的差分方程為 這意味著當前濾波輸出與當前及前K個輸入數(shù)據(jù)有關(guān)。更確切地說，需等待K+1個輸入數(shù)據(jù)之后濾波器才可能得到第一個濾波輸出數(shù)據(jù)，也就是說，濾波輸出序列相對于采樣輸入序列出現(xiàn)了時間上的延遲，K越大則時延越長。定義非遞歸型

12、數(shù)字濾波器的響應時延為。 由于為常數(shù)，因而在實用中廣泛采用數(shù)字濾波器產(chǎn)生一個輸出數(shù)據(jù)所需要等待的輸入數(shù)據(jù)的個數(shù)來表示時延，這稱為數(shù)據(jù)窗，記為（為整數(shù)）。顯然有 時延和數(shù)據(jù)窗反映了數(shù)字濾波器對輸入信號的響應速度，是一個很重要的技術(shù)指標。 （1）差分(相減)濾波器 它是一種最簡單的數(shù)字濾波器，濾波方程為： 式中, 為事先確定的常數(shù)，稱為差分步長，可根據(jù)不同的濾波要求進行選擇。差分濾波器的數(shù)據(jù)窗，時延。差分濾波器可以完全濾除輸入信號中的恒定直流分量，即使對于衰減的直流分量也有良好的抑制作用，但對故障信號中的某些高頻分量有放大作用。差分濾波器可用來消除某些諧波的影響，抑制故障信號中的衰減直流分量，實現(xiàn)

13、故障的檢測(啟動)元件、選相元件以及其它利用故障分量原理構(gòu)成的保護。（2）積分濾波器 這也是一種常用的數(shù)字濾波器，其濾波方程為： 式中，為事先確定的常數(shù)，稱為積分區(qū)間，可根據(jù)不同的濾波要求進行選擇。積分濾波器的數(shù)據(jù)窗，時延。 積分濾波器不能濾除輸入信號中的直流分量和低頻分量，但其對高頻分量有一定的抑制作用，并且頻率越高抑制作用越強。 非遞歸型數(shù)字濾波器的優(yōu)點：采用有限個輸入信號的采樣值進行濾波計算，不存在濾波器的不穩(wěn)定問題。不存在因計算過程中舍入誤差的累積造成濾波特性惡化。濾波器的數(shù)據(jù)窗明確，便于確定它的濾波速度，易于在濾波特性與濾波速度之間進行協(xié)調(diào)。主要問題： 要獲得較理想的濾波特性，通常要

14、求濾波算法的數(shù)據(jù)窗較長，因此，在某些對濾波速度要求較高的場合，可考慮采用遞歸型濾波器。3. 遞歸型數(shù)字濾波器的概念 濾波系數(shù)bi不全為0時，濾波器的輸出不僅與當前的輸入值和過去的輸入值有關(guān)，還取決于過去的輸出值，這種反饋和記憶特性是遞歸型濾波器的基本特征。以一個采用零、極點配置法設(shè)計的遞歸型數(shù)字濾波器為例說明遞歸型濾波器的主要特點。 采樣頻率1000Hz為(每周波20點采樣)，其濾波方程為 這是個帶通濾波器，它的幅頻特性的特點是在基頻處有非常尖銳的響應，而對其它頻率的信號則表現(xiàn)出很強的衰減，因而被稱為狹窄帶通濾波器。優(yōu)點：采用遞歸型數(shù)字濾波器可以獲得相當理想的濾波特性，并且計算簡單，便于實時應

15、用。遞歸型濾波器從某種意義上來說相當于一個數(shù)據(jù)窗為無窮大的非遞歸型濾波器，結(jié)構(gòu)簡單、計算量小的遞歸型濾波器也能實現(xiàn)相當理想的濾波特性。主要問題：由于采用遞推計算，而計算機的字長有限，計算過程的舍入誤差可能會不斷累積造成濾波器性能惡化。沒有明確的數(shù)據(jù)窗。它的頻率響應特性，如幅頻特性，實際上是指穩(wěn)態(tài)特性。隨著遞推計算過程的延續(xù)，濾波特性將逐步逼近其穩(wěn)態(tài)特性。三、基本算法基本算法主要是計算出正弦量表達式中的量值。這類算法是假設(shè)提供給算法的電流、電壓數(shù)據(jù)為純正弦函數(shù)序列。以電壓信號為例，設(shè)輸入序列為式中, 為角頻率；、為電壓的幅值、相位。1.半周積分算法半周積分法用來計算正弦量的幅值。以電壓為例，假設(shè)

16、輸入信號為純正弦周期信號。對上式離散化可得到正弦量幅值的算法，當采用矩形近似積分法時，有按復相量表示法，即 ，顯然有實部 ，虛部。則可表示為：根據(jù)正弦函數(shù)的變化特點，對上式兩邊在區(qū)間 上進行積分可得電壓實部的表達式為：同理，若將積分區(qū)間選擇為，可得到電壓虛部的表達式：或利用采樣數(shù)據(jù)進行上述計算時，可用分塊矩形面積求和的方法近似代替積分，并考慮每周期 N點采樣，可將電壓實部和虛部的計算式近似為特點：半周積分算法的數(shù)據(jù)窗長度為，計算速度較慢，由于它采用積分計算，算法本身具有一定的抑制高頻分量的能力。算法不能完全消除高頻分量的影響，也不能濾除非周期分量，因此，采用半周積分算法進行參數(shù)計算時，仍需與數(shù)

17、字濾波器配合使用。在濾波器設(shè)計時，可適當降低對高頻濾波能力方面的要求。除上述算法外，正弦函數(shù)模型算法還包括最大值算法、半周絕對值積分算法、一階導數(shù)算法和二階導數(shù)算法等。2.富氏算法假設(shè)輸入信號中除基頻分量外，還包含直流分量和各種整次諧波分量。此時，輸入信號可表示為式中，為直流分量；為基頻角頻率；、為第k次諧波分量的幅值和相位。經(jīng)推導可得出實、虛部計算式為： 式中， k為整數(shù)，表示諧波次數(shù)。當k取不同的數(shù)值，可求出不同次諧波分量的實部和虛部。例如，取k=1，則基頻分量的實部和虛部為：進一步可計算出基頻分量的幅值和相位： 由此可準確地求出信號中的基頻分量，其計算精度不受恒定直流分量和整次諧波分量的

18、影響。 富氏算法的數(shù)據(jù)窗為一個基頻周期，故也稱之為全周富氏算法。 根據(jù)三角函數(shù)系的正交性，當輸入信號為周期性信號時，采用富氏算法可準確地求出信號中的某次諧波分量，并保證使其它整次諧波分量及恒定直流分量衰減到零。富氏算法特點： 不能完全濾除非整次諧波分量，但有一定的抑制作用，尤其對高頻分量的濾波能力相當強； 對于低頻分量(主要由衰減的非周期分量產(chǎn)生)的濾波效果相對較差。仿真計算表明，在最嚴重情況下，由衰減非周期分量引起的計算誤差可能超過10%。 實際故障情況下，采用富氏算法進行參數(shù)計算時會產(chǎn)生一定誤差。為減小誤差，一個簡單可行的方法是對輸入信號的原始采樣數(shù)據(jù)先進行一次差分濾波，以削弱衰減的非周期分量的影響，然后再進行富氏計算。3.計算輸電線路阻抗的微分方程算法 采用微分方程算法進行阻抗計算時，最簡單最常用的模型是忽略分布電容的影響，假設(shè)輸電線路僅由電阻和電抗串聯(lián)組成，即采用RL串聯(lián)數(shù)學模型。 在此情況下，當線路上發(fā)生短路故障時，測量端的電壓和電流滿足以下微分方程：式中，、分別為故障點至測量端之間線路的正序電阻和電感。u，i和 都是可以通過測量和計算得到的，而且對于輸電線路， 和 之比為常數(shù)，實際需求解的參數(shù)可減少到只有一個。 令，可解出電感進而解得電阻為：對于采樣點n處電流i(n)的導數(shù)應為電流曲線在該點的斜率。當采用離散采樣值進行計算時，