第三章微機(jī)保護(hù)的軟件原理

第三章

微機(jī)繼電保護(hù)裝置軟件原理微機(jī)繼電保護(hù)軟件是微機(jī)保護(hù)裝置的主要組成部分。它涉及到繼電保護(hù)原理、算法、數(shù)字濾波以及計(jì)算機(jī)程序結(jié)構(gòu)。3－1概述一、微機(jī)繼電保護(hù)裝置軟件系統(tǒng)的功能微機(jī)保護(hù)裝置軟件系統(tǒng)的功能繼電保護(hù)功能保護(hù)動(dòng)作跳閘運(yùn)行異常告警閉鎖不閉鎖其他功能測(cè)量控制狀態(tài)監(jiān)測(cè)功能模塊事件記錄故障錄播通信二、微機(jī)保護(hù)程序結(jié)構(gòu)主程序：對(duì)硬件初始化，自檢(定值自檢、程序自檢、開(kāi)出檢查、開(kāi)入量監(jiān)視等)。采樣中斷程序：采樣，起動(dòng)元件判別等。故障處理程序：實(shí)現(xiàn)保護(hù)功能、各種邏輯功能。三、系統(tǒng)管理程序通信管理程序自檢、互檢程序提高微機(jī)保護(hù)裝置可靠性的編程技術(shù)包括保護(hù)模件與MMI模件的通信程序、MMI與監(jiān)控系統(tǒng)的通信程序以及保護(hù)裝置與PC的通信程序。信息種類(lèi)測(cè)量及狀態(tài)信息操作信息參數(shù)信息文件傳輸同步時(shí)鐘……變電站自動(dòng)化系統(tǒng)中傳送的信息按照響應(yīng)速度要求實(shí)時(shí)響應(yīng)較高的信息不要求時(shí)間響應(yīng)的信息多CPU方案的裝置結(jié)構(gòu)中，完善的自檢、互檢對(duì)提高裝置的抗干擾及可靠性意義很大。自檢系統(tǒng)借用通信通道，可以檢測(cè)到各個(gè)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的工作情況。提高微機(jī)保護(hù)裝置可靠性的編程技術(shù)編程技術(shù)輸入數(shù)據(jù)確認(rèn)數(shù)據(jù)和存儲(chǔ)器的保護(hù)未使用程序存儲(chǔ)器端口重新初始化主動(dòng)初始化重復(fù)執(zhí)行I/0設(shè)備管理WATCHDOG通常采用以下編程技術(shù)來(lái)提高微機(jī)保護(hù)裝置的可靠性：四、人機(jī)交互管理程序現(xiàn)代微機(jī)繼電保護(hù)裝置均可由MMI插件的人機(jī)交互程序?qū)崿F(xiàn)人機(jī)對(duì)話(huà)，并通過(guò)裝置的串行口由PC上的管理程序以及后臺(tái)分析軟件對(duì)裝置進(jìn)行調(diào)試。人機(jī)交互程序主要是處理鍵盤(pán)及顯示，通過(guò)菜單實(shí)施。四、人機(jī)交互管理程序交互信息菜單數(shù)據(jù)分析參數(shù)設(shè)置系統(tǒng)信息定值操作保護(hù)配置故障分析SOE信息

微機(jī)保護(hù)把經(jīng)過(guò)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)量化的數(shù)字信號(hào)經(jīng)過(guò)適當(dāng)?shù)乃惴ǎ?jì)算出交流信號(hào)的有效值、相位以及多個(gè)信號(hào)的組合量如：阻抗、相位等。

常規(guī)保護(hù)把被測(cè)信號(hào)引入保護(hù)繼電器，繼電器按照電磁、感應(yīng)、比幅、比相等原理作出動(dòng)作與否的判斷。IΦ五、微機(jī)保護(hù)的算法3－2微機(jī)繼電保護(hù)的算法一、算法定義微機(jī)保護(hù)裝置根據(jù)模數(shù)轉(zhuǎn)換器提供的輸入電氣量的采樣數(shù)據(jù)進(jìn)行分析、運(yùn)算和判斷，以實(shí)現(xiàn)各種繼電保護(hù)功能的方法稱(chēng)為算法。二、算法的分類(lèi)1、根據(jù)輸入電氣量的若干采樣值計(jì)算電氣量的相量；2、根據(jù)動(dòng)作方程來(lái)判斷故障是否在動(dòng)作區(qū)內(nèi)。三、性能指標(biāo)1、精度2、速度。（1）算法所要求的采樣點(diǎn)數(shù)（數(shù)據(jù)窗長(zhǎng)度）（2）算法的運(yùn)算工作量一個(gè)算法采用故障后的多少采樣點(diǎn)才能計(jì)算出正確的結(jié)果用離散的采樣點(diǎn)計(jì)算出的結(jié)果與信號(hào)實(shí)際值的逼近程度3－2微機(jī)繼電保護(hù)的算法四、算法分類(lèi)微機(jī)繼電保護(hù)的算法正弦函數(shù)的算法突變量電流算法周期函數(shù)的傅氏算法輸電線(xiàn)路R-L模型算法選相算法序分量算法故障方向的相位比較算法3-2假定輸入為正弦量的算法一、兩點(diǎn)乘積算法假定原始數(shù)據(jù)為純正弦量的理想采樣值：通過(guò)任意兩個(gè)電氣角度相隔90的瞬時(shí)值，可以計(jì)算出該正弦量的有效值和相位。兩個(gè)采樣值為：和采樣時(shí)刻的采樣值和。不包括非周期分量也不含高頻信號(hào)兩點(diǎn)乘積算法可得：同理可得：最后可求出測(cè)量阻抗Z：兩點(diǎn)乘積算法電壓、電流的相量形式為：二、導(dǎo)數(shù)算法已知n1Ts時(shí)刻電流的采樣值和微分值為：可得：導(dǎo)數(shù)算法在微機(jī)保護(hù)中，經(jīng)常采用差分運(yùn)算來(lái)代替微分，相應(yīng)該點(diǎn)的采樣值要用平均求和來(lái)計(jì)算。差分：求平均：三、半周積分算法利用已知的一個(gè)正弦量在任意半個(gè)周期內(nèi)絕對(duì)值的積分為一常數(shù)S，來(lái)計(jì)算該正弦量的有效值大小?？傻茫核摹⒄`差分析用平均值近似代替瞬時(shí)值，用差分值代替微分值，用梯形法則近似求積分。由平均值求瞬時(shí)值誤差系數(shù)為：基于n和n+1時(shí)刻采樣值，經(jīng)過(guò)補(bǔ)償也可求得準(zhǔn)確微分值為由采樣值求微分值：其中：一、基本原理3-3突變量電流算法理論根據(jù)是線(xiàn)性系統(tǒng)的疊加原理。對(duì)于系統(tǒng)結(jié)構(gòu)不發(fā)生變化的線(xiàn)性系統(tǒng)，利用疊加定理可以進(jìn)行分解。故障分量電流：基本原理正弦信號(hào)的負(fù)荷電流是周期信號(hào)，有：根據(jù)線(xiàn)性系統(tǒng)的疊加定理，故障電流分量為：有：，因?yàn)椋鹤詈罂傻茫夯驹矶?、故障分量電流的特點(diǎn)：（1）系統(tǒng)正常運(yùn)行時(shí)，計(jì)算出來(lái)的值等于0；（2）當(dāng)系統(tǒng)剛發(fā)生故障的一周內(nèi)，求出的是純故障分量；（3）突變量電流算法受頻率偏移的影響。3－4選相方法一、選相定義：判斷故障類(lèi)型、故障相別二、選相方法的必要性實(shí)現(xiàn)選相跳閘在阻抗繼電器中僅投入故障特征最明顯的阻抗測(cè)量元件三、選相元件：在微機(jī)保護(hù)中，是判斷故障類(lèi)型、故障相別的一段程序微機(jī)距離保護(hù)先由選相元件判別故障類(lèi)型和相別，然后針對(duì)已知的相別提取相應(yīng)的電壓、電流對(duì)，進(jìn)行阻抗計(jì)算。針對(duì)非對(duì)稱(chēng)故障，避免擴(kuò)大停電范圍選相的方法（選相元件的工作原理）：根據(jù)各種故障類(lèi)型中各相電氣量的不同特征來(lái)進(jìn)行故障相別的判斷。選相的方法分為2類(lèi)：（1）突變量電流選相，根據(jù)各相突變量電流特征判斷（2）對(duì)稱(chēng)分量選相，根據(jù)各相正、負(fù)和零序分量特征判斷四、突變量電流選相根據(jù)不同故障時(shí)，各相突變量電流特征的不同來(lái)判別故障相別。1.單相接地故障（以AN單相接地短路為例）兩個(gè)非故障相的突變量電流大小相等、相位相同，可能和故障相電流相位相差180°。2.兩相不接地短路（以BC兩相短路為例）非故障相的突變量電流為零。兩個(gè)故障相的突變量電流大小相等、方向相反。3.兩相接地短路（以BCN兩相接地短路為例）非故障相的突變量電流最小。兩個(gè)故障相的突變量電流大小相等、相位差小于120°

。4.三相短路三相突變量電流對(duì)稱(chēng)。五、突變量電流選相的程序流程圖六、對(duì)稱(chēng)分量選相根據(jù)不同故障時(shí)，各相對(duì)稱(chēng)分量電流（即正序、負(fù)序和零序分量電流）特征的不同來(lái)區(qū)分故障相別。1.單相接地短路（以AN單相接地短路為例）分析各相的正、負(fù)和零序分量電流之間的相位關(guān)系。當(dāng)三相中不同的相發(fā)生接地故障時(shí)，A相負(fù)序和零序分量電流相位關(guān)系是不同的。（1）A相接地故障（2）B相接地故障（3）C相接地故障所以，可以根據(jù)A相負(fù)序電流和零序電流相位關(guān)系的特點(diǎn)，進(jìn)行故障相別的判斷。2.兩相接地短路（以BCN兩相接地短路為例）3.選相方法各種接地短路時(shí)，A相負(fù)序電流與零序電流的相位關(guān)系為：選相方法1）當(dāng)時(shí)，若ZBC在ZⅢ內(nèi)，則判為BC兩相接地。2）當(dāng)時(shí)，若ZBC在ZⅢ內(nèi)，則判為BC兩相接地。選相方法一、基本原理3-5傅里葉級(jí)數(shù)算法因?yàn)椋夯驹韺?duì)于一個(gè)任意波形的電流采樣值：利用傅里葉級(jí)數(shù)算法可以計(jì)算得出該電流中基波分量的有效值和相位。得到兩個(gè)系數(shù)：、。因?yàn)椋核钥傻茫夯ǚ至康挠行е担夯ǚ至康南辔唬憾⑷懿ǜ凳纤惴ɑㄕ液陀嘞业南禂?shù)為：積分可以從任意t1時(shí)刻開(kāi)始，改變t1不會(huì)改變基波分量的有效值，但基波分量的初相角卻會(huì)改變。0123456789101112010-1010-101也可以把基波電流表示為實(shí)部和虛部的形式：計(jì)算求得一個(gè)基波相量的實(shí)部和虛部參數(shù)后，可實(shí)現(xiàn)任意角度的移相。計(jì)算求得三相基波的實(shí)部和虛部參數(shù)后，可實(shí)現(xiàn)對(duì)稱(chēng)分量濾過(guò)器的功能。也可以利用傅里葉級(jí)數(shù)算法計(jì)算任一n次諧波分量電流的有效值和相位：得到兩個(gè)系數(shù)：、。因?yàn)椋核钥傻茫夯ǚ至康挠行е担夯ǚ至康南辔唬喝胫芑ǜ凳纤惴ò胫芨凳纤惴ň褪遣捎脙蓚€(gè)半周的基頻正弦和余弦濾波器構(gòu)成的，其計(jì)算a1和b1的表達(dá)式和全周傅氏算法類(lèi)似。半周傅氏算法對(duì)消除直流分量和偶次諧波的效果都比全周傅氏算法有所消弱。但半周傅氏算法所需要的數(shù)據(jù)窗長(zhǎng)為10ms，比全周傅氏算法減少了一半。因此在需要加快保護(hù)動(dòng)作時(shí)間而可以降低濾波效果的場(chǎng)合，可以采用半周傅氏算法。一、基本原理3-6R-L模型算法R－L模型算法僅計(jì)算線(xiàn)路阻抗，用于距離保護(hù)。對(duì)于一般的輸電線(xiàn)路，從故障點(diǎn)到保護(hù)安裝處的線(xiàn)路段可用一電阻和電感串聯(lián)電路來(lái)表示，即把輸電線(xiàn)路等效為R－L模型。其中，R1是線(xiàn)路正序電阻；L1是正序電感?；驹碛捎谌嗑€(xiàn)路間互感的影響，對(duì)于不同的故障類(lèi)型，選取不同的電壓、電流來(lái)構(gòu)成方程式。（1）對(duì)于相間短路，應(yīng)用相間電壓uD和對(duì)應(yīng)相電流差iD

；如uab，ia-ib。（2）對(duì)于單相接地短路，取相電壓及經(jīng)過(guò)零序電流補(bǔ)償?shù)南嚯娏?。即：其中，零序電阻補(bǔ)償系數(shù)零序電感補(bǔ)償系數(shù)

基本原理對(duì)于方程式：在不同采樣時(shí)刻時(shí)，u、i和都是可以測(cè)量、計(jì)算到的，未知數(shù)為R1、L1。在兩個(gè)不同時(shí)刻t1、t2分別測(cè)量u、i和，就可以得到：則有：在計(jì)算機(jī)中，采樣值用平均求和來(lái)代替，導(dǎo)數(shù)用差分來(lái)代替。二、對(duì)R-L模型算法的分析和評(píng)價(jià)（1）不必濾除非周期分量，因此算法的總時(shí)窗較短；（2）不受電網(wǎng)頻率變化的影響；（3）受信號(hào)的噪聲影響比較大。這些突出的優(yōu)點(diǎn)使它在線(xiàn)路距離保護(hù)中得到廣泛應(yīng)用。但是，當(dāng)這種算法和低通濾波器而不是帶通濾波器配合使用時(shí)，它將受信號(hào)中的噪聲影響比較大。R－L模型算法則允許用短數(shù)據(jù)窗的低通濾波器，如果與其它算法一樣也采用—個(gè)窄帶通濾波器與此法配合，那么，R－L模型算法也可以得到很高的精度，同時(shí)，還保留了不受電網(wǎng)頻率變化影響的優(yōu)點(diǎn)。3-6算