《《微機保護》PPT課件.ppt》由會員分享，可在線閱讀，更多相關《《微機保護》PPT課件.ppt（51頁珍藏版）》請在裝配圖網上搜索。

1、第二章 微機繼電保護基礎 第一節(jié) 微機保護基本結構 微機保護的基本結構包括數(shù)據(jù)處理單元 、 模 擬量輸入系統(tǒng) 、 開關量輸入輸出系統(tǒng) 、 人機對 話和外部通信系統(tǒng)四個部分 ,圖 2-1是微機保護 系統(tǒng)方框圖 。 圖 2-1 微機保護系統(tǒng)方框圖 電 力 系 統(tǒng) 模擬量輸入系統(tǒng) 開關量輸入輸 出系統(tǒng) 人機接口與 外部通信系統(tǒng) 運行人員 數(shù) 據(jù) 處 理 單 元 電力系統(tǒng)通 用計算機網 絡 一 、 數(shù)據(jù)處理單元 一般由中央處理器（ CPU）、存儲器、定 時器 /計數(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 電保護程序在數(shù)字核心部件內運行，指揮各種外 圍接口部件運轉、

2、完成數(shù)字信號處理，實現(xiàn)保護 原理。 CPU是數(shù)字核心部件以及整個微機保護的指 揮中樞，計算機程序的運行依賴于 CPU來實 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機保護系統(tǒng)的性 能。 定時器 /計數(shù)器除了為延時動作的保護提供精 確計時外，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 的作用是保證微機數(shù)字電路協(xié)調工作。 二、模擬量輸入系統(tǒng) 微機保護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)字核心部件進行處理。 交流模擬量

3、輸入接口部件內部按信號傳遞順 序為：電壓輸入變換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行采樣的過 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。 多路轉換器是一種多信號輸入、單信號輸出的 電子切換開關，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)變換器實現(xiàn)模擬量到數(shù)字量的變換。 三、開關量輸入輸出系統(tǒng) 開關量是指反映“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)、

4、 控制信號的“有”或“無”狀態(tài)等 開關量輸入接口部件的作用是為正確地反 映開關量提供輸入通道，并在微機保護裝 置內外部之間實現(xiàn)電氣隔離，以保證內部 弱電電子電路的安全和減少外部干擾。 開關量輸出接口部件的作用是為正確地發(fā) 出開關量操作命令提供輸出通道，并在微 機保護裝置內外部之間實現(xiàn)電氣隔離，以 保證內部弱電電子電路的安全和減少外部 干擾。 四、人機對話和外部通信系統(tǒng) 微機保護人機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 接口、調試通信接口。 外部通信接口可分為兩大類：第一類通信接口為 實現(xiàn)特殊保護功能的專用通信接口，輸電線路縱 聯(lián)保護；另一類通信接口為通用計算

5、機網絡接口， 可與電站計算機局域網以及電力系統(tǒng)計算機遠程 通信網相連，實現(xiàn)更高一級的管理、控制功能， 如數(shù)據(jù)共享、遠方操作及遠方維護等。 人機對話接口部件的作用是建立起微機保 護裝置與使用者之間的信息聯(lián)系，以便對 裝置進行人工操作、調試和得到反饋信息。 外部通信接口部件的作用是提供與計算機 通信網絡以及遠程通信網的信息通道。 第二節(jié) 微機保護工作原理簡介 常規(guī)微機保護實現(xiàn)繼電保護功能主要有三 個步驟： 1. 模擬量輸入系統(tǒng)將從電力系統(tǒng)獲得的模擬電 量信號進行預處理轉化為數(shù)字量，開關量輸 入系統(tǒng)將開關量輸入信號也轉變?yōu)閿?shù)字量； 2. 數(shù)據(jù)處理單元對已轉變?yōu)閿?shù)字量電量信號進 行數(shù)字濾波，從而獲得微

6、機保護算法所需要 的數(shù)字信號序列； 3. 數(shù)據(jù)處理單元對已濾波的數(shù)字信號序列采用 合適的算法并結合開關量輸入信號綜合判斷， 然后根據(jù)判斷結果控制開關量輸出系統(tǒng)和人 機對話和外部通信系統(tǒng)的輸出，實現(xiàn)閘、信 號告警、數(shù)據(jù)記錄等功能。 一、輸入信號預處理 由電力系統(tǒng)輸入到繼電保護裝置的模擬信 號分類： 來自 TV(或 TA)的交流電壓 (或電流 )信號； 來自分壓器 (或分流器 )的直流電壓 (或電流 )信 號； 自斷路器、隔離刀閘等設備輔助接點以及其它 繼電器接點的開關量信號，或者來自別的微機 保護或數(shù)字設備的數(shù)字量信號。 輸入信號預處理過程的具體步驟為： 1. 將電力系統(tǒng)輸入到繼電保護裝置的模擬

7、信號 轉換到與微型計算機相匹配的電平； 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轉換器變?yōu)閿?shù)字量。 具體步驟如 圖 2-2所示。 信號預處理中，還包括隔離和抑制隨有用信 號竄入的干擾，這對于提高保護裝置的可靠性非 常重要。 電 平 轉 換 隔 離 前 置 模 擬 濾 波 采 樣 保 持 多 路 轉 換 器 A / D 轉 換 器 數(shù) 據(jù) 更 新 排 隊 信 號 輸 入 輸 入 信 號 的 預 處 理 圖 2 2 輸入信號預處理流程框圖 二、數(shù)字濾波 數(shù)字濾波器的優(yōu)點： 濾波精度高。加長字長可以很容易提高精度。 可靠性高。模擬元器件很容易

8、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。 便于時分復用。一套硬件系統(tǒng)可以完成各個通 道的濾波任務，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； 按運算結構不同可分為遞歸型和非遞歸型數(shù)字 濾波器； 按單位脈沖響應不同可分為無限長單位脈沖響 應濾波器和有限長單位脈沖響應濾波器 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保護中 用得

9、較多。 三、算法 基于電壓、電流為純正弦變化的算法有半周 內找最大值、半周內采樣值累積、 Mann- Morrjson的導數(shù)算法、 Prodar-70的二階導數(shù) 算法，采樣值積的算法和解方程組的算法等。 假設電壓、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，為克服隨機噪音的影響， 還提出了一些減少誤差的算法。例如對計算結 果采取平滑措施，采用最小二乘曲線擬合算法 等。 第三節(jié) 微機保護數(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 應大于輸入信

10、號的最高頻率 的兩 倍，即 這就是著名的采樣定理。 Sf maxf m a x2 ff S 為采樣頻率（簡稱采樣率），它是采樣周 期 的倒數(shù)即 Sf ST S S Tf 1 采樣頻率反映了采樣速度。 在電力系統(tǒng)的實際應用中，習慣用采樣 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 數(shù)，或簡稱為 N點采樣。 Sf 實際應用中，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。 實用采樣頻率通常按保護原理所用信號頻率的 4 10倍來選擇

11、，以保證計算精度，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 1.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，其特點是通 過對采樣序列的數(shù)字運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)。 )()()( 10 K i i K i i inybinxany )(nx )(ny ia ib 系數(shù) 全部為 0時，稱之為非遞歸型濾波 器，此時，當前的

12、輸出 只是過去和當前 的輸入值函數(shù) ，而與過去的輸出值 無關。 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)字濾波器的運算結構而言，主要包括遞 歸型和 非遞歸型兩種基本形式。 ib )(ny )( inx )( iny ib 數(shù)字濾波器的濾波特性通常用頻率響應特性 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)的保護原理只用到基頻或某次諧 波，因此，最關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。 )(ny 2. 非遞歸

13、型濾波器 非遞歸型數(shù)字濾波器的差分方程為 這意味著當前濾波輸出與當前及前 K個輸入 數(shù)據(jù)有關。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。 K i i inxany 0 )()( 定義非遞歸型數(shù)字濾波器的響應時延為 由于為 常數(shù)，因而在實用中廣泛采用數(shù)字 濾波器產生一個輸出數(shù)據(jù)所需要等待的輸入數(shù)據(jù) 的個數(shù)來表示時延，這稱為數(shù)據(jù)窗，記為 （為 整數(shù)）。顯然有 ，且 時延和數(shù)據(jù)窗反映了數(shù)字濾波器對輸入信號 的響應速度，是一個很重要的技術指標。 SKT ST dW 1 KW d Sd

14、 TW )1( （ 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)不同的濾波要求進行選擇。差分 濾波器的數(shù)據(jù)窗 ，時延 。 )()()( Knxnxny 1K 1 KW d SKT 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 原理構成的保護。 （ 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

15、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。 1,)()( 0 Kinxny K i 1K 1 KW d SKT 非遞歸型數(shù)字濾波器的優(yōu)點： 采用有限個輸入信號的采樣值進行濾波計算， 不存在濾波器的不穩(wěn)定問題 不存在因計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行協(xié)調。 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，

16、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，濾波器的輸出 不 僅與當前的輸入值 和過去的輸入值 有 關，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。 )(ny )(nx )( inx )( iny 以一個采用零、極點配置法設計的遞歸 型數(shù)字濾波器為例說明遞歸型濾波器的主要 特點。 采樣頻率 1000Hz為 (每周波 20點采樣 )， 其濾波方程為 這是個帶通濾波器，它的幅頻特性的特 點是在基頻處有非常尖銳的響應，而對其它 頻率的信號則表現(xiàn)出很強的衰減，因而被稱 為狹窄帶通濾波器。 )2(9 3

17、9 1.0)1(8 4 2 4.1)2()()( nynynxnxny 優(yōu)點： 采用遞歸型數(shù)字濾波器可以獲得相當理想 的濾波特性，并且計算簡單，便于實時應用。 遞 歸型濾波器從某種意義上來說相當于一個數(shù) 據(jù)窗為無窮大的非遞歸型濾波器，結構簡單、 計算量小的遞歸型濾波器也能實現(xiàn)相當理想 的濾波特性。 主要問題： 由于采用遞推計算，而計算機的字長有限，計 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。它的頻率響應特性，如幅 頻特性，實際上是指穩(wěn)態(tài)特性。隨著遞推計算 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 基本算法主要是計算出正弦量表達式中的量 值。這類算

18、法是假設提供給算法的電流、電壓數(shù) 據(jù)為純正弦函數(shù)序列。 以電壓信號為例，設輸入序列為 式中 , 為角頻率； 、 為電壓的幅值、 相位。 mU U )s in ()( Unm tUnu 1.半周積分算法 半周積分法用來計算正弦量的幅值。以電 壓為例，假設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 采用矩形近似積分法時，有 )c o s ()( tUtu m 2 1 2 N i m i Nku N U 按復相量表示法，即 ， 顯然有實部 ，虛部 。則 可表示為： 根據(jù)正弦函數(shù)的變化特點，對上式兩邊在區(qū) 間 上進行積分可得電壓實部的表達式為 IRjm jUUeUU c o sm

19、R UU s inmI UU tUtUtu IR s incos)( ()ut 43,4 TT 4 3 4 4 3 4 c os )( T T T T R dtt dttu U 同理，若將積分區(qū)間選擇為 ，可得 到電壓虛部的表達式： 或 2,0 T 2 0 2 0 () s in T I T u t d t U td t 2 0 3 4 4 () c o s T I T T u t d t U td t 利用采樣數(shù)據(jù)進行上述計算時，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點采樣，可將電壓實部和虛部的計算式近似 為 N N i N N i R N i iu U 4 3 4 4

20、 3 4 ) 2 c os ( )( ) 2 c os ( )( 4 3 4 2 1 0 N N i N i I N i iu U 特點： 半周積分算法的數(shù)據(jù)窗長度為 ，計算速度較 慢，由于它采用積分計算，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行參數(shù) 計算時，仍需與數(shù)字濾波器配合使用。在濾波器 設計時，可適當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、一階導數(shù)算法和二 階導數(shù)算法等。 43T 2.富氏算法 假設輸入信號中除基頻分量外，還包含直 流分量和各

21、種整次諧波分量。此時，輸入信號可 表示為 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。經推導可得出 實、虛部計算式為： 1 10 )(c os)( k kk tkXXtx 0X 1 kX k 10 1 1 c os)(2 TkR dttktxTX 1 0 11 s in)( 2 T kI dttktxTX 式中， k為整數(shù)，表示諧波次數(shù)。當 k取不 同的數(shù)值，可求出不同次諧波分量的實部和虛 部。例如，取 k=1，則基頻分量的實部和虛部 為： 進一步可計算出基頻分量的幅值和相位： 由此可準確地求出信號中的基頻分量，其計 算精度不受恒定直流分量和整次諧波分量的影 響

22、。 1 0 1 2c os)(2 N i R NiixNX 1 0 1 2s in)(2 N i I NiixNX 212 11 IR XXX )(a r c t g 111 RI XX 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，當輸入信號為周 期性信號時，采用富氏算法可準確地求出信號中 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： 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強； 對于低頻分量 (主要由衰減的非周期分量產生 ) 的濾波效果相對較差。仿真計算表明，在最嚴 重情況下，

23、由衰減非周期分量引起的計算誤差可能超過 10%。 實際故障情況下，采用富氏算法進行參數(shù)計 算時會產生一定誤差。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， 然后再進行富氏計算。 3.計算輸電線路阻抗的微分方程算法 采用微分方程算法進行阻抗計算時，最簡單 最常用的模型是忽略分布電容的影響，假設輸電 線路僅由電阻和電抗串聯(lián)組成，即采用 RL串聯(lián) 數(shù)學模型。 在此情況下，當線路上發(fā)生短路故障時，測 量端的電壓和電流滿足以下微分方程 dt diLiRu 11 式中， 、 分別為故障點至測量端之間線路的 正序電阻和電感。 u， i和 都是

24、可以通過測量 和計算得到的，而且對于輸電線路， 和 之 比為常數(shù)，實際需求解的參數(shù)可減少到只有一 個。 令 ，可解出電感 進而解得電阻為 1R 1L dt di 1R 1L 1 1 L R )( 1 dt dii uL )1( 11 dt dii uLR 對于采樣點 n處電流 i(n)的導數(shù)應為電流曲線 在該點的斜率。當采用離散采樣值進行計算時， 可用前后相鄰的兩個采樣點 i(n+1)與 i(n-1)連線的 斜率來近似。這種算法稱為中間差分，即 此時，電感和電阻值為： ST nini dt nid 2 )1()1()( ST ninini nuL 2 )1()1()( )( 1 ST nini ni nu R 2 )1()1(1 )( )( 1 微分方程算法的特點： 以線路的簡化模型為基礎，忽略了輸電線路分布 電容的作用，由此會帶來一定的計算誤差，特別 是對于高頻分量，分布電容的容抗較小，誤差更 大。 微分方程算法所采用的線路模型為一次系統(tǒng)模型， 要使計算結果準確，要求送至計算機的電壓、電 流信號應忠實于一次系統(tǒng)的電壓、電流信號。 實際上由于信號傳送環(huán)節(jié)的影響，將導致送入計 算機的電壓、電流信號發(fā)生畸變，也會引起計算 誤差，尤其是非周期分量的衰減，高頻分量的相 位移等因素的影響使得畸變更大，誤差也更大 。 實際應用時，需與數(shù)字濾波器配合使用。