電力系統(tǒng)繼電保護(hù)原理微機(jī)繼電保護(hù)基本歷程要點(diǎn)

1、第二章微機(jī)繼電保護(hù)基本歷程一、微機(jī)繼電保護(hù)基礎(chǔ) 2.1微機(jī)保護(hù)基本結(jié)構(gòu)微機(jī)保護(hù)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(jī)對話和外部通信系統(tǒng)四個(gè)部分，圖2-1是微機(jī)保護(hù)系統(tǒng)方框圖。數(shù)據(jù)處理單元一般由中央處理器（CPU、存儲器、定時(shí)器/計(jì)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(gè)系統(tǒng)。繼電保護(hù)程序在數(shù) 字核心部件內(nèi)運(yùn)行，指揮各種外圍接口部件運(yùn)轉(zhuǎn)、完成數(shù)字信號處理，實(shí)現(xiàn)保護(hù) 原理。CPU是數(shù)字核心部件以及整個(gè)微機(jī)保護(hù)的指揮中樞，計(jì)算機(jī)程序的運(yùn)行依賴于CP曲實(shí)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(shí)間也會影響整 個(gè)微機(jī)保護(hù)系統(tǒng)的性能。定時(shí)

2、器/計(jì)數(shù)器除了為延時(shí)動作的保護(hù)提供精確計(jì)時(shí)外， 還可以用來提供定時(shí)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(jī)數(shù)字電路協(xié)調(diào)工作。模擬量輸入系統(tǒng)微機(jī)保護(hù)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(jìn)行處理。交流模擬量輸入 接口部件內(nèi)部按信號傳遞順序?yàn)椋弘妷狠斎胱儞Q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)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(jìn) 行采樣的過程中滿

3、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(shí)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(jī)保護(hù)裝置內(nèi)外部之間實(shí)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。 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(jī)保護(hù)

4、裝置內(nèi)外部之間實(shí)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(jī)對話和外部通信系統(tǒng)微機(jī)保護(hù)人機(jī)對話接口部件通常包括以下幾個(gè)部分： 簡易鍵盤、小型顯示屏、 指示燈、打印機(jī)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(shí)現(xiàn)特殊保護(hù)功能的專用通信接口，輸電線路縱聯(lián)保護(hù)；另一類通信接口為通用計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)接口， 可與電站 計(jì)算機(jī)局域網(wǎng)以及電力系統(tǒng)計(jì)算機(jī)遠(yuǎn)程通信網(wǎng)相連， 實(shí)現(xiàn)更高一級的管理、控制 功能，如數(shù)據(jù)共享、遠(yuǎn)方操作及遠(yuǎn)方維護(hù)等。人機(jī)對話接口部件的作用是建立起微機(jī)保護(hù)裝置與使用者之間的信息聯(lián)系，以便對裝置進(jìn)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(jì)算機(jī)通

5、信網(wǎng)絡(luò)以及遠(yuǎn)程通信網(wǎng)的信息通道。機(jī)保護(hù)工作原理簡介常規(guī)微機(jī)保護(hù)實(shí)現(xiàn)繼電保護(hù)功能主要有三個(gè)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(jìn)行預(yù)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(jìn)行數(shù)字濾波，從而獲得微機(jī)保護(hù)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(jī)對話和外部通信系統(tǒng)的 輸出，實(shí)現(xiàn)閘、信號告警、數(shù)據(jù)記錄等功能。輸入信號預(yù)處理由電力系統(tǒng)輸入到繼電保護(hù)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

6、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(diǎn)以及其它繼電器接點(diǎn)的開關(guān)量信號，或 者來自別的微機(jī)保護(hù)或數(shù)字設(shè)備的數(shù)字量信號。輸入信號預(yù)處理過程的具體步驟為：.將電力系統(tǒng)輸入到繼電保護(hù)裝置的模擬信號轉(zhuǎn)換到與微型計(jì)算機(jī)相匹配的電平；.由前置模擬低通濾波削去其中的高頻成分；.由采樣環(huán)節(jié)將連續(xù)信號離散化；.由A/D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(yù)處理流程框圖信號預(yù)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(hù)裝置的可靠性非常重要數(shù)字濾波數(shù)字濾波器的優(yōu)點(diǎn):濾波精度高。加長字長可以很容易提高精度?？煽啃愿摺ＤM元器件很容易受環(huán)境和溫度的影響，而數(shù)字

7、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(shí)分復(fù)用。一套硬件系統(tǒng)可以完成各個(gè)通道的濾波任務(wù)，模擬濾波器則必須每個(gè)通道裝一個(gè)濾波器。數(shù)字濾波器的分類：按算法實(shí)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；按運(yùn)算結(jié)構(gòu)不同可分為遞歸型和非遞歸型數(shù)字濾波器；按單位脈沖響應(yīng)不同可分為無限長單位脈沖響應(yīng)濾波器和有限長單位脈沖響應(yīng)濾波器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。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(jī)保護(hù)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

8、值、半周內(nèi)采樣值累積、Mann-Morrjson的導(dǎo)數(shù)算法、Prodar-70的二階導(dǎo)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(jī)噪音的影響，還提出了一些減少誤差的算法。例如對計(jì)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(jī)保護(hù)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(fù)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(yīng)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。f S為采樣頻率（簡稱采樣率），它是采樣周期的倒數(shù)即

9、采樣頻率反映了采樣速度。在電力系統(tǒng)的實(shí)際應(yīng)用中，習(xí)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(diǎn)數(shù)，或簡稱為N點(diǎn)采樣。實(shí)際應(yīng)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(hù)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(jìn)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(shí)用采樣頻率通常按保護(hù)原理所用信號頻率的 410倍來選擇，以保證計(jì) 算精度，同時(shí)也考慮了數(shù)字濾波的性能要求。簡單的前置模擬低通濾波器難于達(dá)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(diǎn)是通

10、過對采樣序列的數(shù)字運(yùn)算得到一 個(gè)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數(shù)字濾波器的運(yùn)算過程用常系數(shù)線性差分方程來表述為X） =X。! 一 7）+X1 乂 -z）1=0i=l式中， 犬5）和y（） 分別為濾波器的輸入值序列和輸出值序列， .工b 巾口口力岫 和i為濾波命系數(shù)。- b八 wi 山口口 工“助.山a）系數(shù) 1全部為0時(shí)，稱之為非遞歸型濾波器，此時(shí)，當(dāng)前的輸出 丁?）只是過去和當(dāng)前的輸入值函數(shù)X（W 一，），而與過去的輸出值 無關(guān)。Lb）系數(shù) Ui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(yùn)算結(jié)構(gòu)而言，主要包括遞歸型

11、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(yīng)特性來表征，包括幅頻特性和相頻特 性。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；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(hù)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Ky伽)=Za/5-i)1=0這意味著當(dāng)前濾波輸出與當(dāng)前及前 K個(gè)輸入數(shù)據(jù)有關(guān)。更確切地說，需等待K+1個(gè)輸入數(shù)據(jù)之后濾波器才可能得到第一個(gè)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(shí)間上的延遲， K越大則時(shí)延

12、越長。定義非遞歸型數(shù)字濾波器的響應(yīng)時(shí)延為七一限T由于為 S常數(shù)，因而在實(shí)用中廣泛采用數(shù)字濾波器產(chǎn)生一個(gè)輸出數(shù)據(jù)所 需要等待的輸入數(shù)據(jù)的個(gè)數(shù)來表示時(shí)延，這稱為數(shù)據(jù)窗，記為 “d (為整數(shù))。 顯然有咚= K + 1， 口 T =(%-1)7父時(shí)延和數(shù)據(jù)窗反映了數(shù)字濾波器對輸入信號的響應(yīng)速度，是一個(gè)很重要的 技術(shù)指標(biāo)。(D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：y(n) - x(n) - x(n - K)式中，K 2 1為事先確定的常數(shù)，稱為差分步長，可根據(jù)不同的濾人* -/ _ 一吃=K + 1 波要求進(jìn)行選擇。差分濾波器的數(shù)據(jù)窗 壯，時(shí)延差分濾波器可以完全濾除輸入信號中的恒定

13、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(shí)現(xiàn)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(hù)。(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：07)= W X。？ _ i)， K 1= 0式中， K1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W =K + 1要求進(jìn)行選擇。積分濾波器的數(shù)據(jù)窗 d，時(shí)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(qiáng)。非遞歸型數(shù)字濾波器的優(yōu)點(diǎn)：采用有限個(gè)輸

14、入信號的采樣值進(jìn)行濾波計(jì)算，不存在濾波器的不穩(wěn)定問題。不存在因計(jì)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(jìn)行協(xié)調(diào)。主要問題：要獲得較理想的濾波特性，通常要求濾波算法的數(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(shí)，濾波器的輸出y()不僅與當(dāng)前的輸入值X(T7)和過去的輸入值7)有關(guān)，還取決于過去的輸出值-0 ,這種反饋和記憶特性是遞歸型濾波器的基本特征。以一個(gè)采用零、極點(diǎn)配置法設(shè)計(jì)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(diǎn)。采樣頻率10

15、00Hz為(每周波20點(diǎn)采樣)，其濾波方程為y(n) = x(n)-x(n-2) + lr8424y(n-l)-0.9391y(n-2)這是個(gè)帶通濾波器，它的幅頻特性的特點(diǎn)是在基頻處有非常尖銳的響應(yīng)，而對其它頻率的信號則表現(xiàn)出很強(qiáng)的衰減，因而被稱為狹窄帶通濾波器。優(yōu)點(diǎn)：采用遞歸型數(shù)字濾波器可以獲得相當(dāng)理想的濾波特性，并且計(jì)算簡單，便于實(shí)時(shí)應(yīng)用。遞歸型濾波器從某種意義上來說相當(dāng)于一個(gè)數(shù)據(jù)窗為無窮大的非遞歸型濾波器，結(jié)構(gòu)簡單、計(jì)算量小的遞歸型濾波器也能實(shí)現(xiàn)相當(dāng)理想的濾波特性。主要問題：由于采用遞推計(jì)算，而計(jì)算機(jī)的字長有限，計(jì)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

16、率響應(yīng)特性，如幅頻特性，實(shí)際上是指穩(wěn)態(tài)特性。隨著遞推計(jì)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(jì)算出正弦量表達(dá)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: Um式中，。為角頻率；口所、為電壓的幅值、相位。1.半周積分算法半周積分法用來計(jì)算正弦量的幅值。以電壓為例，假設(shè)輸入信號為純正弦周 期信號S = Um COS（Gf十哈。對上式離散化可得到正弦量幅值的算法，當(dāng)采用矩形近似積分法時(shí)，有TT TT 甲TT I jTJ按復(fù)相量表示法，即=一 冽 R I,顯然有實(shí)部% = 4 cos/ 虛部 U：= Um sin/

17、。則可表示為：（/）= U氏cos，一 U, sin刃/根據(jù)正 T 3T1弦函數(shù)的變化特點(diǎn)，對上式兩邊在區(qū)間144 J上進(jìn)行積分可得電壓實(shí)部的表達(dá)式為：力Jr43?cost dt同理，若將積分區(qū)間選擇為0,2，同理，若將積分區(qū)間選擇為0,2，可得到電壓虛部的表達(dá)式:J； W)dt22 sin cotdt0UUI =j/ cos j/ cos cotdt利用采樣數(shù)據(jù)進(jìn)行上述計(jì)算時(shí)，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(diǎn)采樣,分，并考慮每周期N點(diǎn)采樣,可將電壓實(shí)部和虛部的計(jì)算式近似為tnN、u (i)i = 03 N.4,. 2“ co s( i,NNi 二4特點(diǎn)：半周積分算法的

18、數(shù)據(jù)窗長度為計(jì)算速度較慢，由于它采用積分計(jì)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(jìn)行參數(shù)計(jì)算時(shí)，仍需與數(shù)字濾波器配合使用。在濾波器設(shè)計(jì)時(shí)， 可適當(dāng)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(dǎo)數(shù)算法和二階導(dǎo)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(shí),Q0輸入信號可表示為 x(t) =X0 X kcos(k 1t k) k 1式中，x。為直流分量；1為基頻角頻率； x- 0上為第k次諧波分量的幅值和相位。經(jīng)推導(dǎo)

19、可得出實(shí)、虛部計(jì)算式為：-2 T12 T1一Xik =0 x(t)sin k11dtXRk =-0 x(t)cosk01 tdt式中，k為整數(shù)，表示諧波次數(shù)。當(dāng) k取不同的數(shù)值，可求出不同次諧波分量的實(shí)部和虛部。例如，取 k=1,則基頻分量的實(shí)部和虛部為:X|iN0 x(i)siniXR12 N 12X|iN0 x(i)siniXR12 N 12i x(i)cosi NN進(jìn)一步可計(jì)算出基頻分量的幅值和相位:Xi2R1i n arctg(XM/XR1)由此可準(zhǔn)確地求出信號中的基頻分量，其計(jì)算精度不受恒定直流分量和整次諧波分量的影響。富氏算法的數(shù)據(jù)窗為一個(gè)基頻周期，故也稱之為全周富氏算法。根據(jù)三角

20、函數(shù)系的正交性，當(dāng)輸入信號為周期性信號時(shí)，采用富氏算法可準(zhǔn)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(diǎn)：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(dāng)強(qiáng)；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(jì)算表明，在最嚴(yán)重情況下，由衰減非周期分量引起的計(jì)算誤差可能超過10%實(shí)際故障情況下，采用富氏算法進(jìn)行參數(shù)計(jì)算時(shí)會產(chǎn)生一定誤差。 為減小誤差，一個(gè)簡單可行的方法是對輸入信號的原始采樣數(shù)據(jù)先進(jìn)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(jìn)行富氏計(jì)算。3.計(jì)算輸電線路阻抗的微分方程算法采用微分方程算法進(jìn)行阻抗計(jì)算時(shí)，