第9章-数字式继电保护基础资料优秀PPT.ppt
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1、微机爱护简介微机爱护简介 一、概述一、概述70年头初期,微机爱护进入理论探讨阶段,主要是采样技术、年头初期,微机爱护进入理论探讨阶段,主要是采样技术、爱护算法和数字滤波等方面的探讨。爱护算法和数字滤波等方面的探讨。70年头中期,随着计算机性能的增加和价格的下降,促使微年头中期,随着计算机性能的增加和价格的下降,促使微机爱护的探讨出现了热潮。机爱护的探讨出现了热潮。70年头后期,我国起先探讨微机爱护。年头后期,我国起先探讨微机爱护。1984年初,华北电力高校研制的第一套微机距离爱护样机投年初,华北电力高校研制的第一套微机距离爱护样机投入试运行。入试运行。进入进入90年头,微机爱护技术已趋于成熟并
2、得到广泛应用。年头,微机爱护技术已趋于成熟并得到广泛应用。传统的继电爱护都是反映模拟量的爱护,爱护的功能完传统的继电爱护都是反映模拟量的爱护,爱护的功能完全由硬件电路来实现;而微机爱护是反映数字量的爱护。全由硬件电路来实现;而微机爱护是反映数字量的爱护。微机爱护简介微机爱护简介 二、微机爱护的特点二、微机爱护的特点爱护性能好;爱护性能好;敏捷性大;敏捷性大;牢靠性高牢靠性高;调试维护便利调试维护便利;易于获得附加功能易于获得附加功能。三、微机爱护装置的硬件构成三、微机爱护装置的硬件构成 微机爱护装置的硬件构成可分为以下六部分:微机爱护装置的硬件构成可分为以下六部分:数据采集系统:将模拟量输入量
3、精确地转换为所需的数数据采集系统:将模拟量输入量精确地转换为所需的数字量,它由电压形成、模拟滤波、采样保持、多路转换、字量,它由电压形成、模拟滤波、采样保持、多路转换、模数转换等功能模块组成。模数转换等功能模块组成。微机爱护简介微机爱护简介 微型计算机系统微型计算机系统:由微处理器、程序存储器、数据存储:由微处理器、程序存储器、数据存储器、接口芯片及定时器等组成。器、接口芯片及定时器等组成。输入输出接口电路:将各种开关量通过光电耦合电路、输入输出接口电路:将各种开关量通过光电耦合电路、并行接口电路输入到微机爱护,并将处理结果通过开关量并行接口电路输入到微机爱护,并将处理结果通过开关量输出电路驱
4、动中间继电器以完成各种爱护的出口跳闸、信输出电路驱动中间继电器以完成各种爱护的出口跳闸、信号警报等功能。号警报等功能。通信接口电路:微机爱护的通信接口是实现变电站综合通信接口电路:微机爱护的通信接口是实现变电站综合自动化的必要条件,因此,每个爱护装置都带有相对标准自动化的必要条件,因此,每个爱护装置都带有相对标准的通信接口电路。的通信接口电路。微机爱护简介微机爱护简介 人机接口电路:人机接口电路:包括显示、键盘、各种面板开关、打印包括显示、键盘、各种面板开关、打印与报警等,其主要功能用于调试、整定定值与变比等。与报警等,其主要功能用于调试、整定定值与变比等。供电电源:供电电源:微机爱护装置硬件
5、组成的基本框图如图微机爱护装置硬件组成的基本框图如图6-63所示。所示。图图6-63 微机爱护装置的硬件组成框图微机爱护装置的硬件组成框图微机爱护简介微机爱护简介 四、微机爱护的数据采集系统四、微机爱护的数据采集系统1比较式数据采集系统(图比较式数据采集系统(图6-64)沟通变换器:沟通变换器的作用有二:沟通变换器:沟通变换器的作用有二:将从将从TV、TA上获得的二次电流、电压信号变换成与上获得的二次电流、电压信号变换成与A/D变换芯片变换芯片电平相匹配的电压信号;电平相匹配的电压信号;实现互感器二次回路与微机爱护实现互感器二次回路与微机爱护A/D变换系统完全电隔离,以提变换系统完全电隔离,以
6、提高抗干扰实力。高抗干扰实力。图图6-64 比较式数据采集系统的方框图比较式数据采集系统的方框图微机爱护简介微机爱护简介 前置模拟低通滤波器(前置模拟低通滤波器(ALF):):由由R、C元件组成,其作用是阻挡元件组成,其作用是阻挡频率高于某一数值的信号进入频率高于某一数值的信号进入A/D变换系统。变换系统。采样保持器(采样保持器(S/H):其作用是):其作用是在一个极短的时间内测量模拟输入在一个极短的时间内测量模拟输入量在该时刻的瞬时值,并在量在该时刻的瞬时值,并在A/D转转换器进行转换的期间内保持其输出换器进行转换的期间内保持其输出不变,以保证有较高的转换精度。不变,以保证有较高的转换精度。
7、采样保持的过程如图采样保持的过程如图6-65所示。所示。图图6-65 采样保持过程示意图采样保持过程示意图采样保持(采样保持(S/H)电路)电路 采样频率采样频率采样定理采样定理当当fsfs2f02f0,采样后所看到的信号更加真实地代,采样后所看到的信号更加真实地代表了输入信号表了输入信号x(t)x(t)。而当。而当fsfs2f02f0时,频率为时,频率为f0f0的输入信号被采样之后,将被错误地认为是一低的输入信号被采样之后,将被错误地认为是一低频信号,我们把这种现象成为频信号,我们把这种现象成为“频率混叠频率混叠”。若要不丢掉信息地对输入信号进行采样,就必需若要不丢掉信息地对输入信号进行采样
8、,就必需满足满足fs2f0fs2f0这一条件。这一条件。若输入信号若输入信号x(t)x(t)含有各种频率成份,其最高频率含有各种频率成份,其最高频率为为fmaxfmax采样频率必需不小于采样频率必需不小于2fmax2fmax,即,即fs2fmax fs2fmax。乃奎斯特采样定理乃奎斯特采样定理为了使信号被采样后能够为了使信号被采样后能够不失真还原,采样频率必需不小于两倍的输入信不失真还原,采样频率必需不小于两倍的输入信号的最高频率。号的最高频率。模拟低通滤波器模拟低通滤波器微机爱护简介微机爱护简介 多路转换开关(多路转换开关(MPX):数据采集系统往往要对多路模拟):数据采集系统往往要对多路
9、模拟量进行采集,通常接受多路模拟信号公用一个量进行采集,通常接受多路模拟信号公用一个A/D转换器,转换器,中间用一个多路转换开关轮番切换各路模拟量与中间用一个多路转换开关轮番切换各路模拟量与A/D转换转换器之间的通道,使得在任一时刻只将一路模拟信号输入到器之间的通道,使得在任一时刻只将一路模拟信号输入到A/D转换器,从而实现分时转换的目的。转换器,从而实现分时转换的目的。A/D转换器:将连续的模拟量转换为离散的数字量。转换器:将连续的模拟量转换为离散的数字量。图图6-66为逐次比较式为逐次比较式A/D转换器的原理图。转换器的原理图。适用范围:只适用于单适用范围:只适用于单极性输入电压,即输入极
10、性输入电压,即输入电压必需为正的。电压必需为正的。图图6-66 逐次比较式逐次比较式A/D转换原理图转换原理图华中科技高校电气学院 第三节第三节 微微 机机 保保 护护 的的 算算 法法 一、数字滤波一、数字滤波在微机爱护中滤波也是一个必要的环节,它用于滤去各在微机爱护中滤波也是一个必要的环节,它用于滤去各种不须要的谐波,数字滤波器的用途是滤去各种特定次数的种不须要的谐波,数字滤波器的用途是滤去各种特定次数的谐波,特殊是接近工频的谐波。谐波,特殊是接近工频的谐波。数数字字滤滤波波器器不不同同于于模模拟拟滤滤波波器器,它它不不是是一一种种纯纯硬硬件件构构成成的的滤滤波波器器,而而是是由由软软件件
11、编编程程去去实实现现,变变更更算算法法或或某某些些系系数即可变更滤波性能,即滤波器的幅频特性和相频特性。数即可变更滤波性能,即滤波器的幅频特性和相频特性。在微机爱护中广泛运用的简洁的数字滤波器,是一类用加在微机爱护中广泛运用的简洁的数字滤波器,是一类用加减运算构成的线性滤波单元。减运算构成的线性滤波单元。它们的基本形式它们的基本形式 差分滤波差分滤波 加法滤波加法滤波 积分滤波等积分滤波等 以差分滤波为例做简洁介绍。以差分滤波为例做简洁介绍。差分滤波器输出信号的差分方程形式为差分滤波器输出信号的差分方程形式为(8-1)式式中中,x(n)、y(n)分分别别是是滤滤波波器器在在采采样样时时刻刻n(
12、或或n)的的输输入入与与输输出出;x(n-k)是是n时刻以前第时刻以前第k个采样时刻的输入,个采样时刻的输入,k1。对式对式(8-1)进行变换,可得传递函数进行变换,可得传递函数H(z)(8-2)将将 代代入入式式(8-2)中中,即即得得差差分分滤滤波波器器的的幅幅频频特特性性和和相频特性分别为式相频特性分别为式(8-3)及式及式(8-4)(8-3)(8-4)式中 ,为输入信号频率;为输入信号频率;为采样周期,为采样周期,1/s,s为为采样频率,通常要求采样频率,通常要求s为基波频率为基波频率1的整数倍,即的整数倍,即s=N1,N为为每工频周期的采样点数目。每工频周期的采样点数目。由由式式(8
13、-3)可可知知,设设需需滤滤除除谐谐波波次次数数为为m,差差分分步步长长为为k(k次次采采样样),则此时,则此时=m1=m21,应使,应使=0。令。令则有;当当N(即(即s和和1)取值已定时,接受不同的)取值已定时,接受不同的l和和k值,便可滤除值,便可滤除m次谐波。次谐波。(8-5)留意,当留意,当l=0时,必定有时,必定有m=0,使式,使式(8-5)为零,所以无论为零,所以无论s、k取何值,直流重量总能滤除。另外,取何值,直流重量总能滤除。另外,m0的整数倍的谐波都将的整数倍的谐波都将被滤除。被滤除。分滤波器的幅频特性曲线如图分滤波器的幅频特性曲线如图8-7所示。所示。若若令令k=s/1,
14、差差分分滤滤波波将将消消去去基基波波(以以及及直直流流和和全全部部整整数数次次谐谐波波),在在稳稳态态状状况况下下,该该滤滤波波器器无无输输出出。在在发发生生故故障障后后的的一一个个基基波波周周期期内内,只只输输出出故故障障重重量量,所所以以可可用用来来实实现现起起动动元元件、选相元件及其它利用故障重量原理构成的爱护。件、选相元件及其它利用故障重量原理构成的爱护。二、正弦函数模型算法二、正弦函数模型算法1半周积分算法半周积分算法半周积分算法的依据是半周积分算法的依据是(8-6)即即正弦函数半周积分与其幅值成正比。正弦函数半周积分与其幅值成正比。式中式中uk第第K次采样值次采样值;N一周期一周期
15、T内的采样点数内的采样点数;u0k0时的采样值时的采样值;u N/2 kN/2时的采样值。时的采样值。求出积分值求出积分值S后,应用式后,应用式(8-6)可求得幅值。可求得幅值。式式(8-6)的积分可以用梯形法则近似求出:的积分可以用梯形法则近似求出:2导数算法导数算法 导导数数算算法法是是利利用用正正弦弦函函数数的的导导数数为为余余弦弦函函数数这这一一特特点点求求出出采样值的幅值和相位的一种算法。采样值的幅值和相位的一种算法。设设 则则(8-8)很简洁得出很简洁得出(8-9)(8-10)和(8-11)依据式依据式(8-8),我们也可推导出,我们也可推导出(8-12)(8-13)式式(8-9)
16、式式(8-13)中中,u、i对对应应tk 时时为为uk、ik,均均为为已已知知数数,而而对对应应tk-1和和tk+1的的u、i为为u k-1、u k+1、i k-1、i k+1,也也为为已已知知数数,此此时时(8-14)(8-15)(8-16)(8-17)导数算法最大的优点是它的导数算法最大的优点是它的“数据窗数据窗”即算法所须要的相即算法所须要的相邻采样数据是三个,即计算速度快。导数算法的缺点是当采样邻采样数据是三个,即计算速度快。导数算法的缺点是当采样频率较低时,计算误差较大。频率较低时,计算误差较大。3两采样值积算法两采样值积算法两两采采样样值值积积算算法法是是利利用用2个个采采样样值值
17、以以推推算算出出正正弦弦曲曲线线波波形形,即即用用采采样样值值的的乘乘积积来来计计算算电电流流、电电压压、阻阻抗抗的的幅幅值值和和相相角角等等电电气气参参数的方法,属于数的方法,属于正弦曲线拟合法。正弦曲线拟合法。这种算法的特点是计算的判定时间较短。这种算法的特点是计算的判定时间较短。设设有有正正弦弦电电压压、电电流流波波形形在在随随意意二二个个连连续续采采样样时时刻刻tk、tk+1(tk )进进行行采采样样,并并设设被被采采样样电电流流滞滞后后电电压压的的相相位位角角为为,则,则tk和和tk1时刻的采样值分别表示为式时刻的采样值分别表示为式(8-18)和式和式(8-19)。(8-18)(8-
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