新教材继电保护的硬件构成.pptx

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1、2 2、对继电器的基本要求：、对继电器的基本要求：工作可靠，动作过程具有“继电特性”。3 3、继电器的继电特性：、继电器的继电特性：I 返回动作继电器的动作明确干脆继电器的动作明确干脆不可能停留在某一中间不可能停留在某一中间位置，这种特性称为位置，这种特性称为“继继电特性电特性”。继电器的动作电流继电器的动作电流：使继电器动作的最使继电器动作的最小小电流；电流；继电器的返回电流继电器的返回电流：使继电器返回的最使继电器返回的最大大电流；电流；返回系数返回系数：(0.850.9)第1页/共145页电磁型电流继电器电磁型电流继电器3个力矩：电磁力矩Mdc；弹簧力矩Mth；摩擦力矩Mm；动作条件：动

2、作条件：返回条件：返回条件：第2页/共145页计算机控制系统(Computer Control System，简称CCS)是应用计算机参与控制并借助一些辅助部件与被控对象相联系，以获得一定控制目的而构成的系统。辅助部件：输入输出接口、检测装置和执行装置等。与被控对象的联系和部件间的联系：可以是有线方式，如通过电缆的模拟信号或数字信号进行联系；也可以是无线方式，如用红外线、微波、无线电波、光波等进行联系。控制目的：可以是使被控对象的状态或运动过程达到某种要求，也可以是达到某种最优化目标。2.2 微机继电保护简介 对于一个具体的微机保护装置，通常将硬件电路按功能分别布置在几个PCB板上称为保护的“

3、插件”，各插件安装于一个机箱中，采用总线把各插件联系在一起，构成一套完整的保护装置。从结构上看，一个完整的微机保护包含以下几部分：机箱、插件、面板、总线 微机保护装置的结构第3页/共145页计算机用于现场工业控制的例子举不胜举250 Kb/s,16位,16路高分辨率多功能数据采集卡 能够提供隔离数字量输入能够提供隔离数字量输入通道和隔离数字量输出通通道和隔离数字量输出通道道,隔离保护电压可达到隔离保护电压可达到2500VDC.它们是要求采它们是要求采取高电压隔离工业应用的取高电压隔离工业应用的理想选择理想选择.此外此外,所有输出所有输出通道都提供高电压保护通道都提供高电压保护 8 通道隔离数字

4、量输入和 8 通道继电器输出卡 CAN总线总线接口卡接口卡 第4页/共145页装置正面布置图：液晶显示器液晶显示器LCDLCD光光字字灯灯LEDLED确认键确认键SETSET退出键退出键QUITQUIT信号复归键信号复归键RSTRST上下左右选择键上下左右选择键串行接口串行接口ISOISO第5页/共145页插件及其功能：第6页/共145页0.1.3微机保护装置构成及其特点微机保护的构成框图DAS保护微机系统（1n个）开入电源 继电器开出开入管理微机系统GPS按键 LCD打印机逆变稳压电源至通信网 第7页/共145页微机保护装置具有一般计算机系统共同的特点1）计算速度足够快2）计算精度足够高3）

5、存储容量足够大4）逻辑判断5）硬件的通用性6）智能化程序化设计的结果7）通讯网络接口DAS:数据采集系统完成把电压互感器和电流互感器二次的电压、电流信号变换为数字信号，供微机系统使用。保护微机系统:保护微机系统实现具体的继电保护功能，由不同的软件实现不同的继电保护功能。管理微机系统:管理微机系统主要作为人机对话的手段。开入:通常为外部继电器的接点、保护屏上的投退压板、操作把手的接点等，一般是经光电隔离后输入微机系统。开出:保护系统通过开关量输出驱动电路使继电器动作。这些继电器包括跳闸出口继电器、信号继电器、硬件故障的告警继电器。第8页/共145页数据采集单元数据采集单元数据处理单元数据处理单元

6、开关量输入开关量输入/输出接口输出接口通信接口通信接口电源电源2.3.1 微机保护硬件功能结构划分微机保护硬件按功能可分为：微机保护硬件按功能可分为：2.3 微机继电保护硬件系统的构成第9页/共145页数据采集系统微机主系统串行通信输入/输出系统来自电流互感器电压互感器2.3.1 微机保护硬件功能结构划分将模拟信号转将模拟信号转换为数字信号换为数字信号对采集到的数据进行分析对采集到的数据进行分析处理，以完成各种保护功处理，以完成各种保护功能能完成各种保护的出口完成各种保护的出口跳闸、信号报警、外跳闸、信号报警、外部接部接 点输入及人机点输入及人机对话等功能；对话等功能；第10页/共145页一、

7、数据采集系统一、数据采集系统电压形成电压形成电压形成电压形成LFLFS/HS/HMPXA/D.第11页/共145页1.1.电压形成电压形成一、常识1.微机保护输入的电气量 1）交流电流：来自TA的二次侧，额定电流为5A或1A 2）交流电压：来自TV的二次侧，额定线电压为100V 3）直流电压：发电机的励磁电压400-600V2.电力系统短路故障后电气量的变化 1）电流升高，最大一次电流倍数可通过故障计算得出。2）相电压降低，最低可达到0V；3）零序电压在发生不对称接地短路时有输出。3.数据采集系统处理的一般都是电压信号，根据采用的模数转换器件不同，其输入信号范围不同，如05V,010V,-2.

8、5V+2.5v,-5V+5V,-10V+10V等。第12页/共145页 4.变换器的作用和分类 1）按变换的信号 电流变换器；电压互感器；电流电压双用互感器 2）按用途分类 测量用电流、电压变换器；录波用电流、电压变换器；保护用电流、电压变换器；第13页/共145页 4.变换器的作用和分类作用：作用：电流、电压变换器除了电量变换作用外，还起电流、电压变换器除了电量变换作用外，还起隔离作用，隔离作用，使微机保护装置在电路上与电力系使微机保护装置在电路上与电力系统二次回路隔离。统二次回路隔离。第14页/共145页举例：保护用电压变换器规格输入电压额定值（V）输出电压额定值（V）输入电压过载倍数非线

9、性度空载电流（mA）工频耐压（V）比差（%）角差（分）57.7V/3.53V57.73.531.20.1100.52500100V/2.88V1002.881.50.1100.52500100V/3.53V1003.531.50.1100.52500第15页/共145页电流变换器电流变换器规格输入电流额定值(A)输出电压额定值(V)最大过载电流(A)最大过载时输出电压（V）非线性度非线性度功率消耗(VA)工频耐压(V)比差(%)角差(分)20A/3.53V10.1765203.530.1100.1250020A/7.07V10.3535207.070.1100.1250050A/4V50.45

10、040.1100.12500100A/3.53V50.17651003.530.1100.12500第16页/共145页2.2.采样保持（采样保持（S/HS/H）电路及采样频率的选择）电路及采样频率的选择一、概述一、概述 模拟信号进行模拟信号进行A/D转换时，有以下事实：转换时，有以下事实：从启动转换到转换结束输出数字量，需要一定的转换时间。从启动转换到转换结束输出数字量，需要一定的转换时间。在这个转换时间内，模拟信号要保持不变。否则转换精度没有保证，特别在这个转换时间内，模拟信号要保持不变。否则转换精度没有保证，特别当输入信号输入频率较高时，会造成很大的转换误差。当输入信号输入频率较高时，会

11、造成很大的转换误差。要防止这种误差的产生，必须在要防止这种误差的产生，必须在A/DA/D转换开始时将输入信号的电平保持住，转换开始时将输入信号的电平保持住，而在而在A/DA/D转换结束后又能跟踪输入信号的变化。转换结束后又能跟踪输入信号的变化。能完成这能完种功能的器件叫采样保持器。采样保持器在保持阶段相能完成这能完种功能的器件叫采样保持器。采样保持器在保持阶段相当于一个当于一个“模拟信号存储器模拟信号存储器”。第17页/共145页采样保持电路的作用是在一个极短的时间内测量模拟输入量在该时刻的瞬时值，并在模数转换器进行转换期间内保持其输出不变，即把随时间连续变化的电气量离散化。第18页/共145

12、页高电平时s闭合，电路处于采样状态，电容迅速充电或放电，使其两端电压等于该采样时刻的电压值。S打开时，电容C上保持住S打开瞬间的电压值，电路处于保持状态；采样脉冲宽度采样脉冲宽度采样周期采样周期第19页/共145页采样保持器工作示意采样保持器工作示意第20页/共145页采样频率：通常采样频率为：采样频率反应了采样速度。在电力系统的实际应用中，用采样频率相对于基波频率的倍数N来表示采样速率，称为每基频周期采样点数，简称为N点采样；第21页/共145页采样定理：若输入信号的频率较高而采样频率很低。采样数据便无法正确地描述原始波形，即合适的采样频率与输入信号的频率有关；即采样频率应大于输入信号的最高

13、频率fmax的2倍；第22页/共145页采样频率太低，会误认为输入信号为虚线所示的低频信号；第23页/共145页一周波两个采样值时，还可以得到另一个同频率但不同幅值和相位的信号，即由采样值无法唯一确定输入信号；第24页/共145页采样保持器器件举例采样保持器器件举例LF398LF398LF398LF398典型的参数如下：典型的参数如下：运算放大器的输出阻抗不大于6欧姆，输入阻抗高达10000兆欧姆 电压下降率为2mV/s 电压按误差小于0.1%的精度跟踪输入信号，截获时间约为20微秒。第25页/共145页实际应用中，确定采样率还需要考虑以问题：(1)电力系统的故障信号中可能包含很高的频率成分，

14、但多数保护原理只需使用基波和较低次的高次谐波成分，可以对输入信号先进行模拟低通滤波器（ALF），降低其最高频率，从而降低采样频率,降低对硬件的要求。(2)实用采样频率通常按保护原理所用信号频率的410倍。第26页/共145页3.3.模拟低通滤波器模拟低通滤波器ALFALF1）电力系统故障后的暂态信号的频率成分 目前大多数保护原理是基于工频分量的保护目前大多数保护原理是基于工频分量的保护2）硬件能力 采样频率的高低受到采样频率的高低受到CPU的速度、被采集的模拟信号的路数、的速度、被采集的模拟信号的路数、A/D转换后的转换后的数据与存储器的数据传送方式的制约。数据与存储器的数据传送方式的制约。要

15、求在一个采样间隔内完成对所有采样信号的处理，否则会造成数据的错误。要求在一个采样间隔内完成对所有采样信号的处理，否则会造成数据的错误。第27页/共145页 短路瞬间电流、电压中含有高频率信号，为了防止混叠误差，要求采样频率很高，势必增加对硬件的要求。实际上目前大多数微机保护原理是反映工频量的，或反映某些高次谐波，故可以在采样之前将最高信号波频率分量限制在一定频带内。一般在采样前用一个低通滤波器（ALF）将高频分量滤掉。以降低采样频率，从而降低对硬件的要求。第28页/共145页RCRC无源低通滤波器电路无源低通滤波器电路二阶RC模拟低通滤波器这种滤波器接线简单，但电容与电阻回路对信号有衰减作用，

16、会产生时间延迟，对快速保护有不利影响，仅适用于对速度和性能要求不高的保护；调整RC元件参数可以改变低通滤波器的截止频率；根据采样定理，截止频率可设计为fs/2；第29页/共145页二阶有源低通滤波器电路二阶有源低通滤波器电路模拟式有源滤波器主要优点为结构简单，但元件参数的变化对滤波器滤波效果影响较大；对于要求高性能又快速的保护，必须采用有源的低通滤波器；第30页/共145页4.4.模拟量多路转换开关模拟量多路转换开关MPXMPX数字保护装置中要求数据采集系统同时完成多路模拟输入信号的数据采集，并保证这多路数字采样序列在每一时刻采样值的同时性；第31页/共145页4.4.模拟量多路转换开关模拟量

17、多路转换开关MPXMPX第32页/共145页(1).模数转换器的分类模数转换器的分类5.模数转换器（/D）第33页/共145页(2).A/D型模数转换的一般原理 模数转换包括采样、保持、量化和编码四个过程。模数转换器可以认为是一种编码电路。它可以实现将模拟的输入量 相对于参考电压 经过一个编码电路转换成数字量D。用二进制数表示为：式中：为二进制数的0或1。其中D是一个小于1的数，。从而，模拟信号可表示为：第34页/共145页工作原理工作原理 a.a.逐次逼近型电路结构框图逐次逼近型电路结构框图 1个时钟周期内只能完成1位转换。n位转换需要n个时钟周期，故采样速率不高,输入带宽也较低。优点是原理

18、简单，便于实现，适用于中速率而分辨率要求较高的场合第一次设定数码：1 0 0 0 URUO URUO URU0 UR 0时x(n-m)：延时/右移m位x(n+m)：超前/左移m位第66页/共145页累加第67页/共145页数字滤波器的滤波特性数字滤波器的滤波特性数字滤波器的滤波特性用频率响应特性来表征，包括幅频特性和相频特性。幅频特性反映经过数字滤波后，输入和输出信号的幅值随频率的变化情况；而相频特性则反映输入和输出信号的相位移随频率的变化情况。获得数字滤波器的频率响应特性需要使用数学工具Z变换。2.5 微机保护软件算法第68页/共145页一、微机保护软件结构主程序：主程序：对硬件初始化，自检

19、(定值自检、程序自检、开出检查、开入量监视等)。第69页/共145页采样中断程序：采样中断程序：采样，起动元件判别等。故障处理程序：故障处理程序：实现保护功能。第70页/共145页1.1.初始化：初始化：使整个硬件系统处于正常工作状态；使整个硬件系统处于正常工作状态；低级初始化：低级初始化：包括各存储器的可用地址空间的设定、包括各存储器的可用地址空间的设定、输入或输出口的定义、定时器功能的输入或输出口的定义、定时器功能的设定、中断控制器的设定等；设定、中断控制器的设定等；高级初始化：高级初始化：与保护功能直接有关的初始化，如地与保护功能直接有关的初始化，如地址空间的分配、各数据缓冲区的定义、址

20、空间的分配、各数据缓冲区的定义、控制标志的初设、定值的换算及加载控制标志的初设、定值的换算及加载等；等；主程序主程序第71页/共145页2.2.自检：自检：自检功能主要包括：自检功能主要包括：程序的自检；程序的自检；定值的自检；定值的自检；输入通道的自检；输入通道的自检；输出回路的自检；输出回路的自检；通信系统的自检；通信系统的自检；工作电源的自检；工作电源的自检；RAMRAM的自检；的自检；EPROMEPROM的自检等；的自检等；例如：对于三相交流系统，对输入通道及采样数据的正确性进行检查的判断式为：为测量误差的门槛值；为测量误差的门槛值；4.数据采集初始化和启动定时采样中断：主要作用：对循

21、环保存采样数据的存储区(采样数据缓冲区)进行地址分配，设置标志当前最新数据的动态地址指针，然后按规定的采样周期对控制循环采样的中断定时器赋初值并令其启动，开放采样中断。从此定时器开始每隔一个采样周期循环产生一次采样中断请求，由采样中断服务程序响应中断，周而复始地运转。第72页/共145页5.5.闭锁保护功能：闭锁保护功能：由于保护功能的实现需要足够的数据(可理解为保护算法需要一定时宽的数据窗)，因而不能马上进入保护功能的处理，因此在第5框暂时闭锁保护功能(实质上是通过设置闭锁保护的控制字，通知采样中断服务程序暂时不要执行启动元件、故障处理程序等相关功能)。6.等待足够的采样数据：等待一段时间使

22、采样数据缓冲区获得足够的数据供计算使用。7.开放保护功能：具备足够的采样数据之后，进入重新开放保护功能，此后主程序进入主循环。主循环主循环在数字保护正常运行过程中是一个无终循环，只有在复位操作和自检判定出错时才会中止。在主循环过程中，每逢中断到来，当前任务被暂时中止，CPU响应中断并转而执行中断服务；CPU完成中断服务任务后又返回主循环，继续刚才被中断的任务。第73页/共145页8.8.通信任务处理：通信任务处理：为信息发送和接收进行数据做准备：如根据保护程序其他部分的数据发送请求而收集相关数据;按通信规约进行通信信息整理和打包，并将其置于数据发送缓冲区；对数据接收缓冲区的数据进行整理、分类和

23、任务解释，并将其按任务类别交给相应的任务处理程序。9.人机对话处理：若采用具备独立CPU的专用上层管理插件，通常上层管理插件与保护功能插件采用通信交换信息，并由上层管理插件的CPU负责人机对话部件的控制；若没有配置具备独立CPU的专用上层管理插件，由保护功能插件的CPU对人机对话部件进行管理，执行如扫描键盘及控制按钮、在LCD上显示数据等任务；主循环利用中断服务的剩余时间来完成各种任务，如通信任务处理、人机对话处理、调试任务处理、故障报告处理以及运行自检等。第74页/共145页10.10.工作方式：工作方式：运行方式和调试方式运行方式和调试方式调试功能是指数字保护装置特有的对控制参数进行给定、

24、核对和对自身性能进行辅助测试、调整的功能。继电保护装置新安装或定期检修之后，需要相应的调试工作，保证保护装置的性能指标和状态符合技术要求，如各测量通道的校准、整定值的输入和修改、各项保护特性的测定、出口操作回路的传动检测、通信系统的测试以及保护装置各种辅助功能的调整等。11.故障报告文件处理电力系统发生故障或者数字式保护装置自身发生故障，数字式保护装置在完成处理任务之后，可自动生成、保存并通过通信网络向电站计算机监控系统提交故障报告。故障报告对于系统事故的追忆和分析，以及对于保护装置自身动作正确性的评估有非常重要的作用。第75页/共145页采样中断服务程序采样中断服务程序1.1.数据采集处理数

25、据采集处理 主要完成各通道模拟信号的采样和AD变换，将采集的数据按各通道和时间的先后顺序存入采样数据缓冲区，并标定指向最新采样数据的地址指针。另外数据采集还包括对于对各路开关输入信号、脉冲信号、频率测量信号等的采集工作。2.通信数据收发处理:主要完成通信所要求的直接接受和发送数据的任务；3.运行自检处理:完成必须在中断服务中完成的运行自检任务，如输入输出回路的自检、工作电源自检等；第76页/共145页4.4.运行自检是否通过运行自检是否通过若运行自检没有通过将进行装置故障告警、闭锁保护等处理，并置相关标志，然后直接从中断返回，等候人工处理；若自检通过则执行后续任务。5.保护功能是否开放在保护装

26、置上电或系统复位之后需等待一段时间使采样数据缓冲区获得足够的数据供保护功能计算使用。若保护功能尚未开放，则从中断返回，继续等待；6.工作方式判断若为调试方式，则在第13框完成由调试功能规定必须在中断服务中执行的处理任务后即可从中断返回；若为运行方式，则直接进入第7框。第77页/共145页7.7.启动标志是否置位启动标志是否置位若已置位说明在此次中断之前启动元件已经检测到了可能的系统事故扰动，直接进入第11框执行故障处理程序。若启动标志未被置位则进行启动判据处理，并在第9框对是否满足启动条件作出判断。若判断为满足启动条件，则标定故障发生时刻，在第10框对启动标志置位，为下一次响应采样中断后第7框

27、的判别做好准备，接着也进入第11框的执行故障处理程序；若不满足启动条件，表明当前没有系统事故扰动，从中断返回。第78页/共145页故障处理程序模块故障处理程序模块主要包括：数字滤波及特征量计算；保护判据计算及动作特性形成；逻辑与时序处理；告警与跳间出口处理；后续动作处理，如重合闸及启动断路器失灵保护等；故障报告形成及整组复归处理。第79页/共145页距距离离保保护护故故障障处处理理程程序序简简略略流流程程图图第80页/共145页 微机保护把经过数据采集系统量化的数字信号经微机保护把经过数据采集系统量化的数字信号经过适当的过适当的算法算法，计算出交流信号的有效值、相位以及，计算出交流信号的有效值

28、、相位以及多个信号的组合量如：阻抗、相位等。多个信号的组合量如：阻抗、相位等。常规保护把被测信号常规保护把被测信号引入保护继电器，继电器引入保护继电器，继电器按照电磁、感应、比幅、按照电磁、感应、比幅、比相等原理作出动作与否比相等原理作出动作与否的判断。的判断。算法是研究由若干个采样数据求取保护原理所需要的故障特征量的方法。I 二、微机保护的算法二、微机保护的算法第81页/共145页 1.算法的计算算法的计算精度精度 关系到保护能否正确做出判断；关系到保护能否正确做出判断；2.算法所用的算法所用的数据窗数据窗 关系到保护动作速度的快慢。关系到保护动作速度的快慢。算法所研究的主要问题算法所研究的

29、主要问题二、微机保护的算法二、微机保护的算法算法的目的算法的目的从数字滤波器的输出采样序列或直接从输入采样序列中求取电气信号的特征参数，并且进而实现保护动作判据或动作方程。第82页/共145页1）特征量算法）特征量算法用来计算用来计算保护所需的各种电气量的特征参数，如交流电流和电压的幅值及相位、功率、阻抗、序分量等；直接由采样值经过某种运算，求出被测信号的实际值再与定值比较。2）保护动作判据或动作方程的算法依据继电器的动作方程，将采样值或由它们计算出依据继电器的动作方程，将采样值或由它们计算出的中间变量代入动作方程，转换为运算式的判断。的中间变量代入动作方程，转换为运算式的判断。微机保护装置中

30、采用的算法可分为两类微机保护装置中采用的算法可分为两类二、微机保护的算法二、微机保护的算法第83页/共145页1.1.基于正弦函数模型的算法基于正弦函数模型的算法1.1最大绝对值算法最大绝对值算法Umax u算法算法误差误差数据窗数据窗平均半个周波10ms第84页/共145页 算法依据算法依据一个正弦信号在任意半周内，其绝对值积分（求面积）的结果正比于信号的有效值。1.2半周绝对值积分算法半周绝对值积分算法设积分的结果为S，则：从而可求出有效值：第85页/共145页算法：算法：u s1 s2 s3 s4 s5 s6u0u1u2u3u4u5u6例如：N=12对于正弦信号数据窗半个周期第86页/共

31、145页1971年,澳大利亚的两位学者Mann和Morrison提出了利用正弦函数的导数为余弦函数的特点,可求出交流信号的有效值的一阶导数算法。设：1.3一阶导数算法一阶导数算法(Mann_Morrison算法算法)第87页/共145页微机保护中求导数的方法微机保护中求导数的方法差分求导数差分求导数 第88页/共145页 1971年，美国西屋公司研究出一套用小型计算机实现的输电线路计算机保护系统，安装在太平洋煤气和电气公司的变电站中试运行。在该保护装置中采用了二阶导数算法。又称Prodar70算法。设：1.4二阶导数算法（二阶导数算法（Prodar-70算法）算法）第89页/共145页在微机保

32、护中计算一阶导数和二阶导数的方法：第90页/共145页1）两采样值积算法设：式中：1.5采样值乘积算法采样值乘积算法第91页/共145页第92页/共145页第93页/共145页 利用三个连续的等时间间隔的采样值中两两相乘，通过适当组合求出信号幅值的方法。设：2）三采样值积算法第94页/共145页第95页/共145页2.基于周期函数模型的算法2.1.周期函数的傅立叶级数傅立叶级数及各次谐波的关系 设有一个周期函数 ，其周期为T。且该周期函数满足狄里赫利条件，则该函数可表示为：、为基波角频率。为谐波次数，第96页/共145页对于基波分量，取 式中：正弦基波信号表示的另一种形式：第97页/共145页

33、2.2傅立叶算法在微机保护中的应用 设是与连续函数对应的离散序列,每基波周期采样的点数为N,提取基波分量的算法：第98页/共145页假设一个正弦基波电压信号为：用向量表示为：所以：结论：采用傅里叶算法结论：采用傅里叶算法提取的是一个向量函数提取的是一个向量函数的实部和虚部。的实部和虚部。第99页/共145页全周傅氏算法实部实部虚部虚部1）全周傅氏算法计算结果是一个向量的实部和虚部。2）傅氏算法既是一种算法，本身具有很好的滤波作用能够滤除直流及各整次谐波分量。3）全周傅氏算法需要一个周期的数据窗，时间是20毫秒。第100页/共145页全周傅氏算法小结4）采用傅氏算法可以提取任何整次谐波分量，一般

34、的计算方法为：5）傅氏算法受衰减直流分量的影响会产生计算误差，可采取适当措施减小其影响（如先进行一次差分滤波再进行傅氏计算）。第101页/共145页半周傅氏算法 半周波傅氏算法用半周波的数据计算信号的幅值和相角。提取n次谐波分量的算法如下：第102页/共145页对于基波分量其中：其中：同样可以分析其幅频特性同样可以分析其幅频特性第103页/共145页幅频特性|H(f)|f/f0 0 1 2 3 4 5 6 半周傅氏算法在故障后10MS即可进行计算，因而使保护的动作速度减少了半个周期。半周傅氏算法不能滤除恒定直流分量和偶次，因此，半周傅氏算法的计算误差较大。第104页/共145页3 微机线路保护

35、的基本元件及算法3.1概述概述 线路保护基本上是按电压等级划分的，不同电压等级的线路配置的保护原线路保护基本上是按电压等级划分的，不同电压等级的线路配置的保护原理不尽相同。理不尽相同。35kV及以下等级的输电线路保护配置：及以下等级的输电线路保护配置：反应相间短路的三段式电流保护反应相间短路的三段式电流保护 接线的功率方向元件（可选）接线的功率方向元件（可选）三相重合闸（动作次数可设定）三相重合闸（动作次数可设定）特殊场合可以配置反映相间短路的距离保护特殊场合可以配置反映相间短路的距离保护 保护动作跳三相保护动作跳三相第105页/共145页110kV电压等级的输电线路的保护配置：电压等级的输电

36、线路的保护配置：反应相间短路的三段式距离保护反应相间短路的三段式距离保护 反应接地短路的三段式距离保护反应接地短路的三段式距离保护 反应不对称接地短路的三段或四段式零序电流保护（带或不带零序功率方向反应不对称接地短路的三段或四段式零序电流保护（带或不带零序功率方向可可选）选）三相一次重合闸三相一次重合闸 保护动作跳闸跳三相保护动作跳闸跳三相第106页/共145页220kV及以上电压等级的线路保护配置：电流差动保护 方向纵联保护 距离纵联保护 反应相间短路的三段式距离保护 反应接地短路的三段式距离保护 反应不对称接地短路的三段或四段式零序电流保护（带或不带零序功率方向可选）重合闸为综合重合闸（可

37、设置为单重、三重、综重或停用方式）保护动作跳闸采用与重合闸配合方式第107页/共145页例如四方公司生产的高压超高压线路保护例如四方公司生产的高压超高压线路保护第108页/共145页3.2 比相算法 在微机保护中，经常会遇到两个（或由多个电气量组合而成）电气量之间比较相位问题。例如：例如：接地保护中的零序功率方向元件接地保护中的零序功率方向元件 方向高频保护中的负序功率方向元件方向高频保护中的负序功率方向元件 电流保护中的电流保护中的90度接线的功率方向元件度接线的功率方向元件 相位比较式的阻抗元件等等。相位比较式的阻抗元件等等。当然不要忘记：通过比较幅值的方法也可以实当然不要忘记：通过比较幅

38、值的方法也可以实现相位的比较。现相位的比较。第109页/共145页（1）采用傅氏算法的两信号相位比较法 例如：例如：例如：例如：正弦型判据：正弦型判据：余弦型判据：余弦型判据：第110页/共145页任意判据：任意判据：闭锁角判据：闭锁角判据：第111页/共145页设：设：余弦型判据：余弦型判据：第112页/共145页任意判据：任意判据：或或正弦型判据：正弦型判据：第113页/共145页当当时，时，而，而所以，判据等价于所以，判据等价于闭锁角判据：闭锁角判据：第114页/共145页3.3 滤序算法（1）零序分量算法）零序分量算法 微机保护中得到零序电压有两种方法：微机保护中得到零序电压有两种方法

39、：第一种方法由三相相电压求和产生第一种方法由三相相电压求和产生自产零序电压自产零序电压 第二种方法是直接采集电压互感器开口三角的零第二种方法是直接采集电压互感器开口三角的零序电压或中性点的零序电压。序电压或中性点的零序电压。用用与来自电压互感器开口三角的与来自电压互感器开口三角的进行比较，可以发现某些问题。进行比较，可以发现某些问题。第115页/共145页用用A、B、C三相电流三相电流时刻的采样值相加求出时刻的采样值相加求出反映中性线的零序电流需要直接采集。反映中性线的零序电流需要直接采集。装置端子接线形成零序电流经数据采集系统得装置端子接线形成零序电流经数据采集系统得到零序电流。到零序电流。

40、使用零序电压的保护应注意消除三次谐波的影使用零序电压的保护应注意消除三次谐波的影响。响。第116页/共145页瞬时值瞬时值适当的方法适当的方法向量值向量值第117页/共145页（2）负序分量的算法）负序分量的算法 由对称分量法的负序分量的定义求负序分量由对称分量法的负序分量的定义求负序分量时间跨度：时间跨度：13.3ms第118页/共145页时时时间跨度：时间跨度：1.67ms适当的方法适当的方法计算出负序分量的向量值或有效值计算出负序分量的向量值或有效值第119页/共145页利用傅氏算法的实部、虚部结果求负序分量的算法利用傅氏算法的实部、虚部结果求负序分量的算法 傅氏算法傅氏算法推导推导第1

41、20页/共145页3.4 故障分量的特点及保护启动元件1）故障分量的特点）故障分量的特点对称网络故障故障附加网络第121页/共145页（1）故障分量有两类：）故障分量有两类：稳定的故障分量和突变量；稳定的故障分量和突变量；突变量中的工频量称为工频突变量。突变量中的工频量称为工频突变量。（2）故障分量仅在故障时存在，正常时仅为不平）故障分量仅在故障时存在，正常时仅为不平衡量，由故障分量构成的保护灵敏度高。衡量，由故障分量构成的保护灵敏度高。（3）故障分量仅由施加于故障点的一个电势产生，）故障分量仅由施加于故障点的一个电势产生，利用故障分量构成的某些保护原理不受过渡电阻和利用故障分量构成的某些保护

42、原理不受过渡电阻和故障点位置的影响。故障点位置的影响。（4）突变量）突变量突变量保护一般用于高速保护。突变量保护一般用于高速保护。第122页/共145页（5）稳态故障分量和突变量的对比）稳态故障分量和突变量的对比 突变量在故障发生时存在，在故障切除时也会产生。负序、零序分量在故障时长期存在，可构成快速保护和后备保护，不反应过负荷、振荡，当然也不反应三相短路。在两相运行时遇到困难。突变量在故障时短暂存在，用于构成快速保护，采用突变量测量，稳态量保持方法可以构成延时保护，两相稳态运行时没有突变量，再故障时，将产生突变量。振荡且在 振荡中心发生故障时（极不可能），随 减小，序分量保护将由不动到动作，

43、而突变量将可能永远失去动作机会。第123页/共145页2）微机保护的启动元件 启动元件主要用于监视故障、启动保护及开放启动元件主要用于监视故障、启动保护及开放出口继电器的正（负）后，要在保护整组复归时才返出口继电器的正（负）后，要在保护整组复归时才返回。回。启动元件的作用启动元件的作用 根据不同的故障和异常状态，微机保护往往设根据不同的故障和异常状态，微机保护往往设置若干个启动元件，如：电流突变量启动、零序电置若干个启动元件，如：电流突变量启动、零序电流启动、静稳破坏的启动元件、弱馈低电压启动元流启动、静稳破坏的启动元件、弱馈低电压启动元件、重合闸的启动元件等。件、重合闸的启动元件等。启动元件

44、的种类启动元件的种类第124页/共145页（1）相电流突变量启动元件）相电流突变量启动元件第125页/共145页（2）相间电流差突变量启动元件）相间电流差突变量启动元件（3）非全相运行时，运行相电流差突变量启动元件）非全相运行时，运行相电流差突变量启动元件第126页/共145页（4）带）带浮动门槛浮动门槛的电流突变量启动元件的电流突变量启动元件采用半周积分算法，例如采用半周积分算法，例如南瑞保护说明书南瑞保护说明书第127页/共145页（5）零序辅助启动元件 设置零序辅助启动元件，解决大过渡电阻设置零序辅助启动元件，解决大过渡电阻(220kV 考虑考虑100，500kV 考虑考虑300)接地短

45、路突接地短路突变量启动元件灵敏度不够的问题，作为辅助启动变量启动元件灵敏度不够的问题，作为辅助启动元件可带元件可带30ms 的动作延时。判据为：的动作延时。判据为：为最灵敏段的零序电流保护动作值。为最灵敏段的零序电流保护动作值。四方保护说明书四方保护说明书第128页/共145页 为了防止静稳破坏导致系统振荡情况下保护为了防止静稳破坏导致系统振荡情况下保护误动及振荡过程中发生故障保护可靠动作，保护误动及振荡过程中发生故障保护可靠动作，保护设置该元件。判据为：设置该元件。判据为：(1)A、B、C 三相电流均大于静稳电流三相电流均大于静稳电流IJW，且突，且突变量启动元件未启动；变量启动元件未启动；

46、(2)AB、BC、CA 三个相间阻抗，三个测量阻抗均三个相间阻抗，三个测量阻抗均落入阻抗落入阻抗III 范围内，且突变量启动元件未启动。范围内，且突变量启动元件未启动。以上任一条件满足且持续以上任一条件满足且持续30ms 后，判断为静后，判断为静稳破坏，程序转入振荡闭锁模块。稳破坏，程序转入振荡闭锁模块。（6）静稳破坏启动元件）静稳破坏启动元件四方保护说明书四方保护说明书第129页/共145页 当被保护线路的一侧为弱电源或无电源时当被保护线路的一侧为弱电源或无电源时,其他启动元件不动其他启动元件不动,为此，装置设有弱馈启动，即为此，装置设有弱馈启动，即由低电压差流作为启动元件。由低电压差流作为

47、启动元件。（7）弱馈启动元件）弱馈启动元件四方保护说明书四方保护说明书第130页/共145页正弦信号的负荷电流是周期信号，有：根据线性系统的叠加定理，故障电流分量为：有：，因为：最后可得：微机保护的采样值计算公式为：式（332）（8）举例分析）举例分析第131页/共145页故障分量电流的采样值：故障分量电流的特点：（1）系统正常运行时，计算值等于0；（2）系统发生故障一周内，求出的是纯故障分量；（3）突变量电流算法受频率偏移的影响。式（333）第132页/共145页微机线路保护的硬件总体结构示例 图图1 1保护装置总体结构图保护装置总体结构图 第133页/共145页 图图2 2 管理板的结构示

48、意图管理板的结构示意图ARM 应用热点第134页/共145页 简化距离保护逻辑每一个定时中断采样间隔内所有逻辑量的状态以及它们之间的相互关系一目了然，有利于发现保护方案、程序设计等方面的疏漏。另外，通过对扰动记录的回放，也便于事故后进行保护动作行为分析。第135页/共145页 微机距离保护的主要功能突变量起动元件 阻抗测量元件 振荡闭锁 静稳定破坏检测 选相模块 区段划分PT二次断线判别 分相跳闸 三相跳闸 跳闸出口 后加速A相电流元件BC阻抗元件 后备跳闸 0秒加速二段 0秒加速三段 1.5秒加速三段 X相近加速 距离三段 0.5s一段 1S二段整组复归 AN、BN、CN、AB、BC、CA相

49、电流差突变量元件 I、II、III段、转换性故障判别输电线路的距离保护第136页/共145页一、计算R、X的方法半周或全周傅氏算法半周或全周傅氏算法根据故障类型选择计算根据故障类型选择计算1）傅氏算法计算）傅氏算法计算R、X第137页/共145页计算得出R、X第138页/共145页复杂特性其中：其中：为常数。为常数。为定值为定值此类动作特性的实现以直接求解出R、X更便捷。第139页/共145页 在出口附近发生短路时，由于计算等方面误差的存在，计算值可能位于原点附近，但不在动作区内。为了解决这一问题，在原特性基础上再叠加一个小矩形的特性。但必须经过但必须经过方向元件把关。方向元件把关。第140页

50、/共145页 对于三段式相间距离保护：RDZ 取值为RX1；、段的XDZ 取值分别为XX1、XX2 和XX3。对于三段式接地距离保护：RDZ 取值为RD1；、段的XDZ 取值分别为XD1、XD2 和XD3。其中，XDZ 按保护范围整定；RDZ 按躲负荷阻抗整定（一般情况下），可满足长、短线路的不同要求，提高了短线路允许过渡电阻的能力，以及长线路避越负荷阻抗的能力；选择的多边形上边下倾角，可提高躲区外故障情况下的防超越能力。第141页/共145页第142页/共145页第143页/共145页小结1、掌握微机保护构成的三大部分及其作用2、掌握数据采集系统的构成原理3、掌握保护主系统构成所需要的资源4