微機(jī)保護(hù)的算法和數(shù)字濾波

微機(jī)保護(hù)的算法和數(shù)字濾波第1頁，共49頁，2023年，2月20日，星期四第三章微機(jī)保護(hù)的算法第二節(jié)假定輸入為正弦量的算法

——角頻率

I

——電流有效值

Ts

——采樣間隔

——電流初相角第2頁，共49頁，2023年，2月20日，星期四第二節(jié)假定輸入為正弦量的算法2－1兩點(diǎn)乘積算法

若i1，i2是相差90o的兩個(gè)采樣值，采樣時(shí)刻分別為n1，n2，則

應(yīng)為wn1Ts第3頁，共49頁，2023年，2月20日，星期四第二節(jié)假定輸入為正弦量的算法

阻抗模值和幅角第4頁，共49頁，2023年，2月20日，星期四第二節(jié)假定輸入為正弦量的算法直接計(jì)算線路電阻和電抗，將電壓和電流寫成復(fù)數(shù)形式

電抗和電阻第5頁，共49頁，2023年，2月20日，星期四第二節(jié)假定輸入為正弦量的算法2－2求導(dǎo)數(shù)法（微分法）－一次微分法知道一點(diǎn)采樣值和它在該點(diǎn)的導(dǎo)數(shù)值，可求得該正弦函數(shù)的幅值和相位

電抗和電阻第6頁，共49頁，2023年，2月20日，星期四第二節(jié)假定輸入為正弦量的算法如何知道該點(diǎn)的導(dǎo)數(shù)值呢？取前后兩點(diǎn)的采樣值，然后用差分代替求導(dǎo)，用兩點(diǎn)間直線斜率代替該電點(diǎn)的導(dǎo)數(shù)。

例如求t1時(shí)刻（為n1，n2采樣時(shí)刻的中點(diǎn)）的導(dǎo)數(shù)，可以得到中值差分

為了保證精度，該點(diǎn)的瞬時(shí)值要和求導(dǎo)數(shù)的值位于同一點(diǎn)，瞬時(shí)值用前后兩點(diǎn)的平均值代替第7頁，共49頁，2023年，2月20日，星期四第二節(jié)假定輸入為正弦量的算法圖解對于高頻分量尤為敏感，要求高采樣率第8頁，共49頁，2023年，2月20日，星期四第二節(jié)假定輸入為正弦量的算法2－3半周積分算法（面積法）正弦量任意半個(gè)周期內(nèi)的絕對值積分是常數(shù)S，且積分值S和積分起始點(diǎn)的初相角無關(guān)。據(jù)此，可以獲得正弦有效值第9頁，共49頁，2023年，2月20日，星期四第二節(jié)假定輸入為正弦量的算法圖解具有一定濾高頻能力，但是不能濾直流分量第10頁，共49頁，2023年，2月20日，星期四第二節(jié)假定輸入為正弦量的算法2－4平均值、差分值的誤差分析在繼電保護(hù)中，經(jīng)常需要求取瞬時(shí)值、微分值和積分值。一般的做法就是：

用平均值近似代替瞬時(shí)值用差分值代替微分值用梯形求和代替積分誤差是必然存在的，但對于正弦，這個(gè)誤差可以消去。第11頁，共49頁，2023年，2月20日，星期四第二節(jié)假定輸入為正弦量的算法用平均值近似代替瞬時(shí)值的無誤差修正兩者只差一個(gè)常系數(shù)，計(jì)算結(jié)果乘上它。第12頁，共49頁，2023年，2月20日，星期四第二節(jié)假定輸入為正弦量的算法用差分值代替微分值的無誤差修正二者差一個(gè)常系數(shù)，計(jì)算結(jié)果乘上它第13頁，共49頁，2023年，2月20日，星期四第三章微機(jī)保護(hù)的算法本講小結(jié)介紹了最簡單的正弦幅值和相位算法作業(yè)推導(dǎo)采樣間隔為30o的兩點(diǎn)乘積算法？第14頁，共49頁，2023年，2月20日，星期四第三章微機(jī)保護(hù)的算法第三節(jié)傅立葉級數(shù)算法－輸入量為周期函數(shù)

3－1基本原理傅立葉級數(shù)：設(shè)x(t)是一個(gè)周期為T的時(shí)間函數(shù)（信號(hào)），則可以把它寫成第15頁，共49頁，2023年，2月20日，星期四第三節(jié)傅立葉級數(shù)算法根據(jù)三角函數(shù)的正交性，可得基波分量的系數(shù)寫成復(fù)數(shù)形式X1的有效值和相位第16頁，共49頁，2023年，2月20日，星期四第三節(jié)傅立葉級數(shù)算法

適于微機(jī)計(jì)算離散化需要，a1b1的積分可以用梯形法則求得

N－基波信號(hào)一周采樣的點(diǎn)數(shù)，一共使用N＋1個(gè)采樣值

Xk－第k點(diǎn)采樣值

X0，Xk首末點(diǎn)采樣值

第17頁，共49頁，2023年，2月20日，星期四第三節(jié)傅立葉級數(shù)算法對于基波工頻，當(dāng)N＝12，即30o一個(gè)采樣點(diǎn)時(shí)

第18頁，共49頁，2023年，2月20日，星期四第三節(jié)傅立葉級數(shù)算法附注說明：

1.X(t)是周期函數(shù)，求a1，b1可以使用任意一段X(t)，也就是該正弦函數(shù)取不同初相角。

2.隨著所取X(t)“段”的不同，相當(dāng)于起點(diǎn)位置的不同、或者初相角的不同，a1，b1取得不同的值。換句話說，a1，b1

是起點(diǎn)位置的函數(shù)。若設(shè)起點(diǎn)是t1，則

第19頁，共49頁，2023年，2月20日，星期四第三節(jié)傅立葉級數(shù)算法

3.對于基波相量的移相，可以通過對基波相量進(jìn)行任意角度的旋轉(zhuǎn)來得到

第20頁，共49頁，2023年，2月20日，星期四第三節(jié)傅立葉級數(shù)算法

4.求取了基波相量后，可以進(jìn)一步使用對稱分量法實(shí)現(xiàn)“濾序”功能

------分別為A相正序、負(fù)序和零序的對稱分量；

------分別為A、B、C三相的基波相量；

------旋轉(zhuǎn)因子第21頁，共49頁，2023年，2月20日，星期四第三節(jié)傅立葉級數(shù)算法對稱分量法對于正常運(yùn)行的電力系統(tǒng)和發(fā)生了三相對稱短路的電力系統(tǒng)，系統(tǒng)中的各個(gè)參數(shù)和運(yùn)行變量都是對稱的。像：三相電壓、三相電流、各相阻抗、相間阻抗等。但是當(dāng)三相系統(tǒng)發(fā)生了不對稱故障時(shí)，各相電壓電流一般不再對稱，給分析計(jì)算帶來困難。因此，常常把不對稱的三相電壓電流通過分解成一組對稱分量（三序分量或1，2，0分量，正負(fù)零序分量）來表示。經(jīng)過對稱分量表示后，各序分量保持對稱，可以轉(zhuǎn)化為單相分析求解，使問題得到簡化。本質(zhì)是線性變換。

第22頁，共49頁，2023年，2月20日，星期四第三節(jié)傅立葉級數(shù)算法以三相電壓為例旋轉(zhuǎn)因子三相電壓的零序分量三相電壓的正序分量三相電壓的負(fù)序分量第23頁，共49頁，2023年，2月20日，星期四第三節(jié)傅立葉級數(shù)算法

三相電壓的零序分量同相位三相電壓的正序分量滿足正序關(guān)系，即A相超前B相120o，B相超前C相120o

三相電壓的負(fù)序分量滿足反序關(guān)系，即A相滯后B相120o，B相滯后C相120o

而實(shí)現(xiàn)這種變換的變換矩陣是第24頁，共49頁，2023年，2月20日，星期四第三節(jié)傅立葉級數(shù)算法

采用對稱分量矩陣表達(dá)后，三相分解為正負(fù)零序的關(guān)系可以表達(dá)為三序合成為三相就是逆的過程第25頁，共49頁，2023年，2月20日，星期四第三節(jié)傅立葉級數(shù)算法5.類似的分析計(jì)算過程可應(yīng)用于計(jì)算任意次諧波的幅值和相位計(jì)算其中，前式中的基波頻率ω

被諧波頻率nω

取代

第26頁，共49頁，2023年，2月20日，星期四第三節(jié)傅立葉級數(shù)算法3-2傅氏算法的濾波特性分析系數(shù)a1(t1)與正弦型50Hz帶通濾波器的關(guān)系系數(shù)a1就是正弦型50hZ帶通濾波器的輸出系數(shù)b1(t1)與余弦型50Hz帶通濾波器的關(guān)系系數(shù)b1就是余弦型50hZ帶通濾波器的輸出第27頁，共49頁，2023年，2月20日，星期四第三節(jié)傅立葉級數(shù)算法3－3兩點(diǎn)乘積法、求導(dǎo)數(shù)法、半周積分法和全周傅氏算法的比較兩點(diǎn)乘積法、求導(dǎo)數(shù)法、要求嚴(yán)格的正弦基波。應(yīng)用之前需要濾波處理。但兩點(diǎn)乘積法需5毫秒，求導(dǎo)數(shù)法只需3.3毫秒，半周積分需要10毫秒全周相對最好，20毫秒，但直接濾衰減直流差第28頁，共49頁，2023年，2月20日，星期四第三章微機(jī)保護(hù)的算法本講小結(jié)介紹了傅氏算法全周傅氏算法作業(yè)寫出全周傅氏算法。第29頁，共49頁，2023年，2月20日，星期四第三章微機(jī)保護(hù)的算法第四節(jié)R-L模型算法－解微分方程算法

4－1基本原理忽略線路分布電容，則輸電線路等效為集中參數(shù)R-L模型。當(dāng)短路發(fā)生時(shí)，有：

其中R,L是未知數(shù)，電壓電流是可測量的iR,Lu第30頁，共49頁，2023年，2月20日，星期四第四節(jié)R-L模型算法

差分法：取兩個(gè)不同時(shí)刻的電壓、電流、電壓導(dǎo)數(shù)和電流導(dǎo)數(shù)（差分），則其中：u1,u2，i1,i2是電壓電流在t1,t2時(shí)刻的值而D1,D2是電流i1,i2在t1,t2時(shí)刻的導(dǎo)數(shù)值

R,L可求解：

第31頁，共49頁，2023年，2月20日，星期四第四節(jié)R-L模型算法

其中：采用兩采樣點(diǎn)之間的中點(diǎn)值計(jì)算以減小差分運(yùn)算的誤差第32頁，共49頁，2023年，2月20日，星期四第四節(jié)R-L模型算法

積分法：取兩個(gè)不同時(shí)間段的積分

其中：

則R,L可求第33頁，共49頁，2023年，2月20日，星期四第四節(jié)R-L模型算法

4－2相間故障的解微分方程算法對于三相系統(tǒng)，由于存在相間耦合，因此首先需要選擇使用什么“量”來計(jì)算。當(dāng)微機(jī)保護(hù)的選相算法判定為相間故障時(shí)，像三相短路、兩相短路、兩相短路接地，取線電壓和相間電流

第34頁，共49頁，2023年，2月20日，星期四第四節(jié)R-L模型算法

4－3單相接地故障的解微分方程算法對于單相接地短路，取相電壓和相電流外加零序補(bǔ)償電流

第35頁，共49頁，2023年，2月20日，星期四

第36頁，共49頁，2023年，2月20日，星期四

其中：

R1，L1是正序電阻和正序電抗；

R0，L0是零序電阻和零序電抗；

Rm，Lm是互電阻和互電抗；

Rsa，Lsa是自電阻和自電抗；

用

代替u，i

計(jì)算可得R1，L1第四節(jié)R-L模型算法第37頁，共49頁，2023年，2月20日，星期四第四節(jié)R-L模型算法4－4經(jīng)高電阻接地故障的解微分方程算法

電力系統(tǒng)發(fā)生故障時(shí)，有時(shí)不是金屬性短路，而是經(jīng)過過渡電阻Rg的短路。此時(shí)，保護(hù)安裝處的電壓不是短路電流在線路阻抗上的壓降，而是短路電流在線路上的壓降和過渡電阻上的壓降的和。則微分方程寫成：而if是由系統(tǒng)兩側(cè)電源共同提供的、未知的，因上述方程不可解。第38頁，共49頁，2023年，2月20日，星期四第四節(jié)R-L模型算法4－4經(jīng)高電阻接地故障的解微分方程算法

因?yàn)槭怯上到y(tǒng)兩側(cè)電源共同提供的、未知的。假定兩側(cè)電流同相位，則ifm

和ifm＋ifn之間只差一個(gè)實(shí)系數(shù)，那么，用M側(cè)電流代替短路電流相當(dāng)于改變了過渡電阻Rg的值。這個(gè)值本來就不知道。三個(gè)未知數(shù)，列寫三個(gè)方程，取三點(diǎn)就可以了。如果不想求得Rg‘的值第39頁，共49頁，2023年，2月20日，星期四第四節(jié)R-L模型算法4－5對R-L模型算法的分析與評價(jià)頻率特性——算法模型中忽略了分布電容，因此高頻分量必須濾掉——算法中并未要求正弦，因此對于各種頻率分量（除過高頻分量）都成立1.僅僅使用低通濾波器，不需要使用帶通濾波器所需窗口窄，濾波時(shí)間短第40頁，共49頁，2023年，2月20日，星期四第四節(jié)R-L模型算法2.不受電網(wǎng)頻率變化的影響

算法與確切的采樣時(shí)刻無關(guān)，系統(tǒng)頻率變化不影響計(jì)算結(jié)果。與導(dǎo)數(shù)法的比較

導(dǎo)數(shù)法使用電壓和電流的導(dǎo)數(shù)求阻抗本算法僅僅對電流求差分。所以算法抗高頻噪聲能力強(qiáng)這是很重要的?。?！

因?yàn)?/p>

而高壓輸電線路電感很大，電容很小。因此電壓中的高頻分量遠(yuǎn)大于電流中的高頻分量。寧愿對電流求差分不愿對電壓求差分。第41頁，共49頁，2023年，2月20日，星期四第四節(jié)R-L模型算法算法的穩(wěn)定性不希望出現(xiàn)型；不希望出現(xiàn)型；

兩點(diǎn)乘積算法、求導(dǎo)數(shù)法和傅氏算法分母都是兩數(shù)平方和。不可能出現(xiàn)不穩(wěn)定問題。而R-L模型法分母是減法運(yùn)算。出現(xiàn)分母為零的