變電站微機保護

第四章變電站微機保護變電站微機保護電力系統(tǒng)繼電保護裝置經(jīng)歷了機電型、整流型、晶體管型、集成電路型到微機保護裝置發(fā)展階段。微機保護裝置的特點在微機保護應用之前，整流型或晶體管型繼電保護裝置的調(diào)試工作量很大，原因是這類保護裝置都是布線邏輯的，保護的功能完全依賴硬件來實現(xiàn)。微機保護則不同，除了硬件外，各種復雜的功能均由相應的軟件(程序)來實現(xiàn)。微機保護可對其硬件和軟件連續(xù)自檢，有極強的綜合分析和判斷能力。微機保護裝置除了提供常規(guī)保護功能外，還可以提供一些附加功能。例如，保護動作時間和各部分的動作順序記錄，故障前后電壓和電流的波形記錄等。這將有助于運行部門對事故的分析和處理。由于微機保護的特性主要由軟件決定，從而改變軟件就可以改變保護的特性和功能，可靈活地適應電力系統(tǒng)運行方式的變化。由于微型機的應用，可以采用一些新原理，解決一些常規(guī)保護難以解決的問題。例如，利用模糊識別原理判斷振蕩過程中的短路故障，采用自適應原理改善保護的性能等。6.簡便化、網(wǎng)絡(luò)化微機保護裝置本身消耗功率低，降低了對電流、電壓互感器的要求，而正在研究的數(shù)字式電流、電壓互感器更易于實現(xiàn)與微機保護的接口。同時，微機保護具有完善的網(wǎng)絡(luò)通信能力，可適應無人或少人值守的變電站綜合自動化。&2微機保護的硬件系統(tǒng)對微機保護來說，在故障初瞬，電壓、電為防止混疊，fs將不得不用得很高，從而對硬件速度提出過高的要求。但實際上，量的，在這種情況下，可以在采樣前用一個低通模擬濾波器(LPF)將高頻分量濾掉，這樣就可以降低fs，從而降低對硬件提出的要求。通常并不要求模擬低通濾波器濾掉所有的高頻分量，而僅用它濾掉fs/2以上的分量，以消除頻率混疊，防止高頻分量混疊到工頻附近來。低于fs/2的其他暫態(tài)頻率分量，可以通過數(shù)字濾波器來濾除。采樣頻率的選擇采樣間隔Ts的倒數(shù)稱為采樣頻率fs。采樣頻率的選擇是微機保護硬件設(shè)計中的一個關(guān)鍵問題，為此要綜合考慮很多因素，并要從中作出權(quán)衡。采樣頻率越高，要求CPU的運行速度越高。因為微機保護是一個實時系統(tǒng)，數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)以采樣頻率不斷地向微型機輸入數(shù)據(jù)，微型機必須要來得及在兩個相鄰采樣間隔時間Ts內(nèi)處理完對每一組采樣值所必須做的各種操作和運算，否則CPU跟不上實時節(jié)拍而無法工作。相反,采樣頻率過低，將不能真實地反映采樣信號的情況。由采樣(香農(nóng))定理可以證明，如果被采樣信號中所含最高頻率成分的頻率為fmax，則采樣頻率fs必須大于fmax的2倍(即fs＞2fmax)，否則將造成頻率混多路轉(zhuǎn)換開關(guān)又稱多路轉(zhuǎn)換器，它是將多個采樣保持后的信號逐一與A/D芯片接通的控制電路。它一般有多個輸入端，一個輸出端和幾個控制信號端。在實際的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)中，被模數(shù)轉(zhuǎn)換的模擬量可能是幾路或十幾路，利用多路開關(guān)(MUX)輪流切換各被測量與A/D轉(zhuǎn)換電路的通路，達到分時轉(zhuǎn)換的目的。在微機保護中，各個通道的模擬電壓是在同一瞬間采樣并保持記憶的，在保持期間各路被采樣的模擬電壓依次取出并進行模數(shù)轉(zhuǎn)換，但微機所得到的仍可認為是同一時刻的信息(忽略保持期間的極小衰減)，這樣按保護算法由微機計算得出正確結(jié)果。1）逐次逼近式A/D轉(zhuǎn)換器微機保護的CPU主系統(tǒng)包括中央處理器(CPU)、隨機存取存儲器RAM、定時器等。CPU主要執(zhí)行控制及運算功能。EPROM主要存儲編寫好的程序，包括監(jiān)控、繼電保護功能程序等。可存放保護定值，保護定值的設(shè)定或修改可通過面板上的小鍵盤來實現(xiàn)。RAM是采樣數(shù)據(jù)及運算過程中數(shù)據(jù)的暫存器。定時器用來記數(shù)、產(chǎn)生采樣脈沖和實時鐘等。而CPU主系統(tǒng)中的小鍵盤、液晶顯示器和打印機等常用設(shè)備用于實現(xiàn)人機對話。在微機保護裝置中設(shè)有開關(guān)量輸出(DO，簡稱開出)電路，用于驅(qū)動各種繼電器。例如跳閘出口繼電器、重合閘出口繼電器、裝置故障告警繼電器等。1微機保護裝置中一般應設(shè)置幾路開關(guān)量輸入電路。開關(guān)量輸入電路主要是將外部一些開關(guān)接點引入微機保護的電路，通常這些外部接點不能直接引入微機保護裝置，而必須經(jīng)過光電隔離芯片引入。開關(guān)量輸入電路包括斷路器和隔離開關(guān)的輔助觸點或跳合閘位置繼電器接點輸入，外部裝置閉鎖重合閘觸點輸入，輕瓦斯和重瓦斯繼電器接點輸入，及裝置上連接片位置輸入等回路。微機保護的硬件分為監(jiān)控插件和保護插件兩大部分，與之相對應的軟件也分為監(jiān)控軟件和保護軟件兩1.監(jiān)控軟件（人機對話軟件）監(jiān)控軟件是指人機對話插件的軟件，其程序分為主監(jiān)控程序和運行程序。主監(jiān)控程序主要是鍵盤命令處理程序，是為監(jiān)控插件及各CPU保護插件進行調(diào)節(jié)和整定而設(shè)置的程序。運行程序由主程序和定時中斷服務(wù)程序構(gòu)成。主程序的任務(wù)是完成巡檢、鍵盤掃描和處理及故障信息的排列和打??；定時中斷服務(wù)程序包括軟件時鐘程序，以硬件時鐘控制并同步各CPU插件的軟時鐘，和檢測各CPU插件啟動元件是否動作的檢測啟動程序。保護軟件為主程序和兩個中斷服務(wù)程序。主程序包括初始化和自檢循環(huán)模塊、保護邏輯判斷模塊及跳閘處理模塊。中斷服務(wù)程序有定時采樣中斷服務(wù)程序和串行口通信中斷絕大多數(shù)的工程計算機的應用軟件都采用了中斷技術(shù)，特別是實時性要求較強的系統(tǒng)，更離不開中斷的工作方式。繼電保護系統(tǒng)是一種對時間要求很高的實時系統(tǒng)，一方面要求實時地采集各種輸入信號，隨時跟蹤系統(tǒng)運行工況；另一方面，在電力系統(tǒng)短路時，應快速判別短路的位置或區(qū)域，盡快切除短路故障。。一、數(shù)字濾波器的優(yōu)點前面提到的模擬低通濾波器的作用主要是濾掉fs/2以上的高頻分量，以防止混疊現(xiàn)象產(chǎn)生，而數(shù)字濾波器的用途是濾去各種特定次數(shù)的諧波，特別是接近工頻的諧波。數(shù)字濾波器不同于模擬濾波器，它不是純硬件構(gòu)成的濾波器，而是由軟件編程去實現(xiàn)，改變算法或某些系數(shù)即可改變?yōu)V波性能。數(shù)字濾波器與模擬濾波器相比，有如下優(yōu)點：(1)數(shù)字濾波器不需增加硬設(shè)備，所以系統(tǒng)可靠性高，不存在阻抗匹配問題。(2)使用靈活、方便，可根據(jù)需要選擇不同的濾波方法，或改變?yōu)V波器的參數(shù)。(3)數(shù)字濾波器是靠軟件來實現(xiàn)的，沒有物理器件，所以不存在特性差異。(4)數(shù)字濾波器不存在由于元件老化及溫度變化對濾波性能的影響。(5)精度高。數(shù)字濾波器框圖所示。二、數(shù)字濾波器的分類H(ej)H(ej)H(ej)H(ej)2、按單位抽樣響應的時間特性劃分3、按實現(xiàn)方法和類型分MN2）非遞歸型y(n)=bmx(n-m)y(n)=x(n)-x(n-k)H(z)=1-z-kH(ej①)=1-e-jk①=(1-cosk①)+jsink①某次諧波頻率f=mf1fsN=fs/f1一個工頻周期采樣的次數(shù)m=NI/k即f=mf1=I(N/k)f1=Ifm時，H(f)=0,經(jīng)差分濾波后，輸入信號中的直流分量以及頻率為f的諧波分量完全濾除。H(ej①)例N=k時，即該差分濾波器可濾除直流、基頻及所有整次諧波分量。例y(n)=x(n)-x(n-4)H(z)=1-z-4采樣頻率為1000Hzk=4N=fs/f1=1000/50=20濾除的諧波次數(shù)為m=(N/k)I=5y(n)=x(n)+x(n-1)+x(n-2)+......+x(n-k)可濾除的濾波次數(shù)為m=NI/(k+1)I=0,1,2,…..y(n)=x(n)-x(n-1)+x(n-2)-...+(-1)kx(n-k)k為奇數(shù)，可濾去的諧波次數(shù)m=NI/(k+1)k為偶數(shù)，可濾去的諧波次數(shù)m=(0.5+I)N/(k+1)幾個簡單梳狀濾波器的級聯(lián)y1(n)y1(n)例4-1試用簡單梳狀單元的級聯(lián)組合構(gòu)成一濾波器，10次諧波。差分濾波器積分濾波器加減濾波器(1-z-4)濾去直流及5、10次諧波&5微機保護算法1、半周絕對值積分算法半周絕對值積分算法依據(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(即正比于信號的TT從而可求出幅值可用梯形法則近似求得式中TS——采樣間隔；半周絕對值積分法有一定的濾除高頻分量的能力，因為疊加在基頻成分上的幅度不大的高頻分量，在積分中其對稱的正負部分相互抵消，剩余的未被抵消的部分占的比重減小了，但它不能抑制直流分量。這種算法適用于要求不高的電流、電壓保護，因為它運算量極小，可用非常簡單的硬件實現(xiàn)。另外，它所需要的數(shù)據(jù)僅為半個周期，即數(shù)據(jù)2、一階導數(shù)算法導數(shù)算法是利用正弦函數(shù)求導后為余弦函數(shù)的特點來求采樣值的幅值和相位的一種方法。在計算機中，常用差分來代替求導數(shù)，設(shè)u，i對應tk-1時刻為uk-1，ik-1，,而該時刻電壓的導數(shù)ut1=(uk-uk-1)/TS。3、兩點采樣算法設(shè)m設(shè)若相隔π/2采集2點，有12平方相加得有效值2i2簡單快速。無濾波作用，輸入信號有諧波分量會影Δt))=ImsinΔt))ut2it2=UmImsinw(t1+ΔT)sin[w(t1+ΔT)-θ]2ut2it1=UmImsinw(t1+ΔT)sin(wt1-θ)=UmIm[cos(θ+wΔT)-cos(2wt1+wΔT-θ)]2TUmImcosθ=ut1it1+ut2it2-(utit2+ut2it1)TUmImsinθ=若用同一電壓或電流信號的采樣值相乘，則θ=0，此時可得2ut12+ut222u2ut12+ut222ut1ut2cos①ΔT二、傅里葉算法正弦函數(shù)模型算法只是對理想情況的電流和電壓波形進行了粗略的計算，而故障時的電流和電壓波形畸變較大，通常假設(shè)包含各種分量的周期函數(shù)。在微機保護裝置中，針對這種模型，提出了傅里葉算法。傅里葉算法是一個被廣泛應用的算法，它本身具有濾設(shè)被采樣的模擬信號是一個周期性時間函數(shù)，可表示為對于基波分量，取n=1，則可得tTT另一形式t2a+b21=2X=tanα1在用微機處理時，取一周期的采樣數(shù)據(jù)進行離散傅里式中N——工頻每周采樣點數(shù)。XS1、XC1——經(jīng)過離散傅里葉變換后基波分量的虛部和實部。求基波分量的離散計算公式。由XS1、XC1即可求類似地，可得出求n次諧波的虛部和實部分量的公式為電流保護反時限過 流保護配合.EE22k2.UIk1..EE22k2.UIk11 r X.XIk1Ik21.對功率方向判別元件的基本要求1.E21.E2.Uk1Ek.Uk12I2r.Ik1Ik2.Uk1=Irk1點短路向量圖r.UUk2點短路向量圖0o≤Φk1≤90o180o≤Φk2+180o≤270o:2.功率方向元件的動作特性.E.E1r..Ik1Ik2C.UA.Ik1A.Ik2AE22k2.UIk1E22k2.UIk1.U...E.EU.E.E21k2.UIk121k2.UIk12rIk1Ar..IkIk1Ik2IIk2A...E.E122E122.UIk1k2.UIk1r..Ik1Ik2+j φsen+1A相功率方向元件拒動,有“電壓死區(qū)”IAUBC;IBUCA;ICUAB●IrUejα.Ur.限時控制字低電壓控制字