第二章 電力系統(tǒng)繼電保護(hù)原理微機(jī)繼電保護(hù)基本歷程

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CPU 來實(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間也會影響整個微

2、機(jī)保護(hù)系統(tǒng)的性能。定時器/計(jì)數(shù)器除了為延時動作的保護(hù)提供精確計(jì)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(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

3、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(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)裝置

4、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)通信網(wǎng)絡(luò)以及遠(yuǎn)程

5、通信網(wǎng)的信息通道。§2.2微機(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

6、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(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：1. 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；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A D 轉(zhuǎn)換器變?yōu)閿?shù)字量。具體步驟如圖2-2所示。信號 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。 可靠性高。模擬元器

7、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(fù)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： 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、

8、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(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。S

9、 f 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(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

10、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)是通過對采樣序列的數(shù)字運(yùn)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(yùn)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(dāng)前的輸出只是過去和當(dāng)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(yùn)算結(jié)構(gòu)而言，主要包括遞歸型和 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(yīng)特性來表征，包括幅頻特性和相頻特性。

11、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 這意味著當(dāng)前濾波輸出與當(dāng)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。 定義非遞歸型數(shù)字濾波器的響應(yīng)時延為。 由于為常數(shù)，因而在實(shí)用中廣泛采用數(shù)字濾波器產(chǎn)生一個輸出數(shù)據(jù)所需要等待的輸入數(shù)據(jù)的個

12、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(yīng)速度，是一個很重要的技術(shù)指標(biāo)。（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(jìn)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(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

13、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(jìn)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(qiáng)。非遞歸型數(shù)字濾波器的優(yōu)點(diǎn)：采用有限個輸入信號的采樣值進(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

14、概念濾波系數(shù)bi 不全為0時，濾波器的輸出不僅與當(dāng)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(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1000Hz 為(每周波20點(diǎn)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(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)時應(yīng)用。遞歸型濾波器從某種意義上來說相當(dāng)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(jì)算量小的遞歸型濾波

15、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 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(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。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，有=+-=21

16、2N i m i N k u NU 按復(fù)相量表示法，即，顯然有實(shí)部，虛部。 則可表示為：根據(jù)正 弦函數(shù)的變化特點(diǎn)，對上式兩邊在區(qū)間上進(jìn)行積分可得電壓實(shí)部的表達(dá)式為： 同理，若將積分區(qū)間選擇為，可得到電壓虛部的表達(dá)式： 或 利用采樣數(shù)據(jù)進(jìn)行上述計(jì)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(diǎn)采樣，可將電壓實(shí)部和虛部的計(jì)算式近似為=NN i NN i RNii u U4344342cos(N2i cos(i (u UN434N i N210i I=特點(diǎn)：半周積分算法的數(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

17、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，仍需與數(shù)字濾波器配合使用。在濾波器設(shè)計(jì)時，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，輸入信號可表示為=+=1k k 1k 0 t k (cos X X t (x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(dǎo)可得出實(shí)、虛部計(jì)算式為：-=1T 011k I dt t k sin t (x T 2X =1T 011k R dt t k c

18、os t (x T 2X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：-=-=1012sin (2N i I N i i x N X -=112cos (2N i R Ni i x NX 進(jìn)一步可計(jì)算出基頻分量的幅值和相位：21211I R XXX +=(arctg 111R I XX =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(dāng)輸入信號為周期性信號時，采用富氏算法可準(zhǔn)確地求出信號中的某次諧波

19、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(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， 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(xué)模型。 在此情況下， 當(dāng)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： u = R1i + L1 式中， 、